Самодельные демонстрационные приборы по физике и опыты с ними - Глазырин А.И.

Автор: Глазырин А.И.

Теги: физика измерительные приборы

Год: 1960

Похожие

Демонстрационные опыты по электричеству

Лабораторно- лекционные опыты и демонстрационные материалы

Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы Ч.1

Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Часть I. Механика, теплота

Текст

г
4i
А.И.ГЛАЗЫРИН

ПРИКЙЫ по: :
ГМЗМО
ПРИБОРЫ
по
ФИЗИКЕ

А. И. ГЛАЗЫРИН
САМОДЕЛЬНЫЕ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ
ПО ФИЗИКЕ
и опыты с ними
ПОСОБИЕ ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ПЕРЕРАБОТАННОЕ, ДОПОЛНЕННОЕ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
УЧЕБНО-ПЕДАГОГИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО МИНИСТЕРСТВА ПРОСВЕЩЕНИЯ РСФСР
Москва 1960
Александр Иванович Глазырин
САМОДЕЛЬНЫЕ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ПРИБОРЫ ПО ФИЗИКЕ И ОПЫТЫ С НИМИ
Редактор Л. П. Свитков
Художник В. Кулинич Художественный редактор Б. Л. Николаев . Технический редактор М. И. Смирнова Корректор Н. И. Котельникова
Сдано в набор 13/V-1960 г. Подписано к печати 17/IX-1960 г. 60х921/1б-Печ. л. 30,5. Уч.-изд. л. 29,19. Тираж 24 000 экз. А08791. Заказ № 1530.
Учпедгиз, Москва, 3-й проезд Марьиной рощи, 41. Полиграфкомбинат Саратовского совнархоза, г. Саратов, ул. Чернышевского, 59.
Цена без переплета 7 р. 90 к., переплет 1 р. 50 к.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Для успешного преподавания физики в школе необходим хорошо оборудованный кабинет.
Ценность оборудования кабинета физики состоит в его комплектности: при минимальном количестве приборов и приспособлений оно должно обеспечивать постановку максимума опытов. Приборы должны быть приспособлены для выполнения родственных функций и не вызывать затруднений при соединении их в группы.
Изучение вопроса о комплектовании кабинета физики показало, что поставленная задача разрешается двумя путями: а) систематическим приобретением недостающего оборудования и б) планомерным изготовлением приборов силами школы.
Тщательный анализ приборов и приспособлений по физике, необходимых для проведения демонстрационных опытов, фронтальных лабораторных занятий и практикума согласно программному материалу, показал следующее:
1. Из выпускаемого промышленного учебного оборудования по физике значительная часть безусловно незаменима самодельными приборами. К этому оборудованию относятся-такие приборы, как аккумуляторы, проекционный фонарь, весы, воздушный насос, почти все измерительные приборы и многие другие.
2. Есть оборудование специфически самодельное, которое промышленность вряд ли когда-нибудь будет выпускать, так как оно слишком простое.
3. Есть сложное оборудование, которое пока промышленность не выпускает, но оно. может быть самодельным.
4. Некоторые промышленные приборы можно заменить самодельными и иногда даже с лучшими методическими данными. К таким приборам относятся в основном мелкие приборы несложного устройства, а также приборы монтажного характера. Подобные приборы надо изготовить, если нет промышленных.
Замена имеющихся в кабинете промышленных приборов самодельными может быть оправдана тогда, когда эти приборы неисправны и починить их нельзя или когда самодельные приборы Дадут методические преимущества.
5. Наконец, среди промышленных приборов встречаются и такие, которые следует «доработать», то есть привести их к виду,
3
более удобному для той или иной учебной цели. Например, учебная промышленность не выпускает демонстрационных рычажных весов. Однако можно купить технические .весы и с ’ небольшой переделкой сделать их удобными для демонстрационных целей/
Вопрос о дооборудовании физического кабинета школы самодельными приборами и приспособлениями облегчается тем, что постановлением партии и правительства в наших школах введено преподавание труда. В школах организованы мастерские, в которых учащиеся приобретают навыки по обработке дерева и металла. В школах появляются квалифицированные преподаватели труда; школьные мастерские оборудуются не только ручными инструментами, но и станками.
Таким образом, вопрос о дооборудовании кабинета физики самодельными приборами, причем приборами качественными, могущими встать в один ряд с промышленными, становится вполне реальным, разрешимым и безусловно полезным для школы со всех точек зрения.
При чтении книги следует иметь в виду следующее.
Все самодельные приборы (или комплекты их) занумерованы и расположены в систематическом порядке по разделам. Списком приборов может служить содержание.
После названия и назначения прибора дано достаточно подробное описание его изготовления с указанием требуемых материалов. Помещены необходимые рисунки и чертежи с размерами. Даны указания по наладке и регулировке прибора, его использованию (описаны опыты с ним). Если опыт помещен при описании другого самодельного прибора, с которым данный прибор используется, то об этом сообщается с указанием страницы. В конце книги дан перечень описанных опытов, расположенных в порядке разделов физики.
В конце каждого раздела выделено описание мелких и простейших приборов. Эти приборы в общую нумерацию не включены.
В заключительной части книги помещен следующий материал:
1. Описание дополнительных приборов, не-включенных в основную часть книги.
2. Некоторые приемы подготовки материалов и изготовления частей приборов.
3. Таблицы, необходимые при изготовлении некоторых описанных в книге приборов.
К дополнительным приборам отнесены следующие:
а) Монтажный щит с приспособлениями, который очень удобен для расположения в вертикальной плоскости многих установок по механике и электричеству.
б) Демонстрационный разновес, позволяющий производить демонстрационное взвешивание на уроках физики в шестых классах.
в) Комплект приборов по трехфазному току, позволяющий демонстрировать все основные опыты по этому разделу.
4
Указанные приборы отнесены в дополнительные из следующих соображений. Первые два прибора являются желательным, но не обязательным дополнением к описанным в основной части книги. Комплект по трехфазному току не является дополнением, но требует особо тщательного выполнения, без чего его действие будет сомнительным.
Почти все описанные здесь приборы и опыты с ними выполнены и проверены автором или другими лицами.
Автор полагает, что настоящая работа поможет учителю физики довести свой кабинет до комплектности по демонстрациям и побудит к исканию новых, методически более совершенных приборов и демонстраций.
Книга может оказать пользу и преподавателю труда. Из описанного материала легко подобрать значительное количество объектов (нужных для физического кабинета данной школы), которые можно дать учащимся для исполнения на уроках труда с целью привития тех или иных ремесленных навыков.
Приношу благодарность А. А. Покровскому за советы при составлении книги.
Автор
ПРИБОРЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
1. БАТАРЕЯ АККУМУЛЯТОРОВ, СМОНТИРОВАННАЯ В ЯЩИКЕ
Для демонстраций удобно иметь батарею щелочных аккумуляторов, например 5—7 шт. НК-22, смонтированных в ящике.
Ящик для батареи аккумуляторов вяжут в замок из дощечек толщиной 10—15 мм. Размеры ящика определяются габаритами аккумуляторов. Корпусы аккумуляторов необходимо изолировать между собой хотя бы картоном. Стенки ящика делают на
10 мм выше аккумуляторов. К боковым стенкам ящика прикрепляют удобные ручки (рис. 1).
А к ку мул ятор ы соеди -няют между собой последовательно железными шинами шириной 8—10 мм, толщиной около 1 мм. Места соединений зачищают и крепко зажимают клеммами.
От положительного полюса левого аккумулятора и от отрицательного
Рис. 1.
полюса каждого аккумулятора на лицевую панель ящика выводят по шине с клеммой на нижнем конце. Все отрицательные клеммы монтируют на одной горизонтали, расположенной выше положительной клеммы. Под нижней клеммой ставят знак +, а в конце ряда отрицательных клемм знак —; под клеммами помещают цифры, обозначающие напряжение в вольтах. Цифры должны быть высотой 16—18 мм.
К ящику следует сделать откидную крышку со щелью для выводных шин.
Внешнюю поверхность ящика зачищают и покрывают лаком, после того как на лицевой стороне будут нанесены знаки и цифры.
6
2. ЭКРАН ДЛЯ ПРОЕЦИРОВАНИЯ (настенный)
Экран предназначен для проецирования с помощью проекционного фонаря, кинопроектора и ванны для теневой проекции (З)1.
Наиболее удобные размеры экрана: 1,3 м X 1,2 м. Для экрана вяжут раму из деревянных брусков сечением 50 мм X 30 мм. На раму туго натягивают полотно, которое покрывают белой краской. Последнюю приготовляют из порошка очищенного мела, разболтанного в воде с крахмальным клеем. Порошок можно закрепить на полотне также яичным белком, разведенным в воде, или молоком.
Рис 2.
С лицевой стороны экран следует окаймить рамой, сделанной из брусков сечением 40 мм X 10 мм. Раму можно покрыть темным лаком.
Экран следует расположить над классной доской с наклоном к стене 40—35° (рис. 2).
3. ВАННА ДЛЯ ТЕНЕВОГО ПРОЕЦИРОВАНИЯ
Для теневого проецирования на наклонный экран (2) крупных, горизонтально расположенных объектов^ а также волн на поверхности воды следует иметь ванну со стеклянным, горизонтально расположенным дном.
Ванну для теневого проецирования удобнее всего сделать выдвижной из-под крышки демонстрационного стола (рис. 3).
Прибор состоит из деревянной рамы /, в которую вделана жестяная ванна со стеклянным дном 2. В ванну по стенкам могут
1 Числа в скобках означают номера приборов в порядке их описания.
7
быть уложены откосы 3 для предупреждения возникновения отраженных волн.
Под крышкой демонстрационного стола расположены две параллельные рейки 5 с пазами, вдоль которых можно перемещать направляющие бруски 4, скрепленные с рамой ванны. Такое устройство позволяет полностью выдвигать ванну из-под крышки стола или задвигать ее, а также обеспечить стеклянному дну ванны строго горизонтальное положение.
Раму ванны делают по рисунку 3,а из сухих брусков сечением 35 мм X 15 мм. Затем с внутренней стороны к раме прикрепляют
Рис. з.
гвоздями или шурупами планки сечением 10 мм X 7 мм. Поперечный разрез брусков рамы изображен на рисунке 4,6.
Указанные на рисунках размеры ванны удобны для демонстрации всех опытов, проводимых с ванной.
К коротким сторонам рамы прикрепляют концы направляющих брусков 4 (рис. 3) поперечным сечением 15 мм X 40 мм (способ прикрепления указан ниже).
Для параллелей к столу заготовляют два бруска сечением 20 мм X 42 мм и два бруска сечением 10 мм х 35 мм. Длина брусков равна ширине нижней части крышки стола. Способ прикрепления параллелей к столу изображен на рисунках 3 и 4,а. Параллели устанавливают так, чтобы между ними можно было перемещать раму ванны с направляющими брусками.
В деревянную раму устанавливают ванну со стеклянным дном. Стенки ванны делают из полосы жести шириной 32 мм, толщиной 0,5—0,7 мм. Нижние кромки у стенок загибают внутрь на 7 мм (рис. 3; б). Жестяные стенки ванны в соединениях тщательно пропаивают, окрашивают масляной краской и укрепляют в деревянной раме.
8
Стеклянное дно вставляют в жестяную ванну на цементной замазке (рис. 4, 6). Возле дна ванны просверливают отверстие для сливания воды. В отверстие на цементной замазке (стр. 470) вставляют металлическую трубку, внешний конец которой закрывают пробкой.
Рис. 4.
Откосы для ванны делают по рисунку 4, г из полос жести толщиной 0,3 мм. Вдоль каждой полосы загибают под углом 80ч бортик шириной 5 мм. Концы широкой части полосы срезают под углом, близким к 45°. Внешнюю часть откосов оклеивают фланелью (при помощи сапонового лака).
Пока не засохла замазка (на которой поставлено стеклянное дно), в ванну устанавливают откосы, частично вминая их низкие ребра в замазку; после этого откосы вынимают. В засохшей замазке останутся пазы для установки откосов (рис. 4, б).
9
Стеклянное дно ванны, выдвинутой из-под стола, должно быть строго горизонтальным. Этого достигают следующим образом. Сначала к раме прикрепляют только один направляющий брусок одним шурупом, ввернутым посередине короткой стороны рамы. Второй брусок прижимают к противоположной стороне рамы и бруски вводят в пазы параллелей стола. На дно выдвинутой из-под стола ванны наливают тонкий слой воды, по которому устанавливают ванну горизонтально и очерчивают карандашем на брусках положение верхних кромок рамы. По этим пометкам направляющие бруски окончательно прикрепляют к раме ванны.
Для демонстрации спектров магнитных полей с помощью ванны нужно изготовить два деревянных бруска длиной по 250 мм1 и отрезать оконное стекло размерами 350 мм X 250 мм.
Применение ванны описано на страницах: 284, 312, 313, 338, 405—407.
4. ОСВЕТИТЕЛЬ С ПРИНАДЛЕЖНОСТЯМИ (1—2 шт.)
Осветитель применяется для подсвета, теневого проецирования и получения различных пучков света.
По рисунку 5,а вытачивают цилиндрическую деревянную ручку, на одном торце которой укрепляют патрон для автомобильной лампы с наиболее «точечным» волоском накала (напри
1 Узкое ребро бруска на 2 мм толще полосового магнита, а широкое на столько же толще дугообразного магнита.
10
мер, на 6 я, 21 св или 6 в, 50 вт). Волосок накала лампочки располагают на оси ручки. Баллон лампы не должен выходить за пределы продолжения цилиндрической поверхности ручки, диаметр которой и определяется этим условием. Шнур от патрона пропускают сквозь осевое отверстие в ручке. К концам шнура припаивают наконечники (рис. 320).
Корпус осветителя — жестяная цилиндрическая банка диаметром 50—55 мм, высотой 120 мм. В центре дна банки делают круглое отверстие, в которое впаивают жестяную трубку длиной 50 мм, сделанную по ручке; ручка с лампой должна выниматься из трубки и перемещаться в ней достаточно туго. Ось трубки надо возможно точнее совместить с осью банки. Для этого следует выточить деревянную оправку, плотно входящую в банку, со стержнем для трубки. Вставив оправку в банку и надев на стержень трубку, припаивают ее к дну корпуса.
В стенках банки делают 5—6 просечек, расположенных по кольцу, длиной по 12—15 мм каждая. Со стороны дна у просечек стенки банки несколько вдавливают желобком; это обеспечит охлаждение осветителя.
В крышке банки вырезают круглое отверстие, оставив кромку шириной 4—5 мм. К кромке припаивают снаружи три жестяные лапки, смещенные относительно друг друга на 120° (рис. 5, б). Вырезают четыре жестяных диска диаметром миллиметра на три меньше крышки. В одном диске вырезают трапецевидное отверстие, размеры которого определяют опытным путем (стр. 12). В другом диске вырезают щель размерами 40 мм^Х 3 мм, расположенную по диаметру. В центрах остальных дисков делают по круглому отверстию диаметрами 20 мм и 5 мм.
Кроме того, к осветителю желательно иметь по размеру дисков светло-красное стекло, годное для работы с фотобумагой, и жестяное кольцо, затянутое калькой с большой черной несимметричной буквой, например Г.
При горизонтальной установке осветителя крышку надевают на корпус длинной лапкой вверх. Требуемый диск или стекло подсовывают под верхнюю лапку и опускают в нижние.
Кроме описанных простых приспособлений к осветителю, можно рекомендовать оптику, которая позволит увеличить яркость и получить узкий пучок достаточно параллельных лучей. Оптика состоит из конденсора (двух очковых собирающих линз по 10 диоптрий) и трубки с двумя рассеивающими линзами по 10 диоптрий. Рисунок 5, в показывает устройство точеных оправок для собирающих линз конденсора, а рисунок 5, г — устройство трубки с рассеивающими линзами и диафрагмой 8 мм в диаметре. В стенках трубки делают смотровое окно, необходимое для контроля при установке рассеивающих линз на осветитель.
В точеных (из металла или дерева) оправках линзы укрепляются замазкой. Чтобы обеспечить правильную постановку линз конденсора, в корпус осветителя впаивают кольцо из жести тол-
11
тиной 1—1,5 мм, отстоящее от кромок корпуса на 20 мм. В это кольцо упирается оправка внутренней линзы конденсора, в которую в свою очередь упирается оправка внешней линзы.
Внутренние поверхности корпуса, трубки, диафрагмы и оправок линз окрашиваются в черный цвет.
Если делают два осветителя, то корпус второго внутри оставляют блестящим. Этот осветитель используют для подсвета.
Применение осветителей. При подсвете и просвечивании экрана (6) освещенную площадь ограничивают передвижением лампы вдоль корпуса и установкой соответствующей диафрагмы. Осветитель укрепляют за направляющую ручки в лапке штатива и располагают так, чтобы источник света не был виден учащимся.
При работе с ванной для теневого проецирования (3) осветитель располагают возможно ниже под стеклянным дном ванны (рис. 2 и 3). Изображение принимают на наклонный экран (2). Чтобы дно ванны было освещено почти все и свет падал только на экран, на осветителе устанавливают диск с максимальным по величине окном в виде равнобокой трапеции. Размеры и форма окна, а также положение лампы в осветителе находят опытным путем: с помощью временного картонного диска.
Если требуется проецировать только часть дна ванны (например, при демонстрации спектров магнитных полей), то теневое изображение можно увеличить приближением осветителя ко дну ванны.
Для просвечивания шкалы термоскопа (67) и получения «ленточного» луча на осветитель ставят диск со щелью (стр. 222, 394, 397). Применение осветителя с красным светофильтром описано на странице 399.
Кольцо, затянутое калькой с черной буквой, устанавливают на осветитель для опытов, в которых требуется на белом или просвечивающем экране получить изображение с помощью сферического зеркала или линзы (см., например, следующий опыт).
Применение очков. Установка приборов изображена на рисунке 6. Для демонстрации применения очков дальнозорким человеком ставят одну большую собирающую линзу. От осветителя, закрытого калькой с буквой и удаленного от линзы, получают четкое изображение буквы на просвечивающем экране (6). Приближают осветитель к линзе — изображение на экране становится расплывчатым.
В этом опыте линза изображает хрусталик, а экран — сетчатку глаза. При некотором приближении предмета аккомодация дальнозоркого глаза недостаточна для четкого зрения. Этот недостаток зрения исправляют очками. Перед линзой устанавливают «очки» — другую собирающую линзу — и изображение линзы становится четким.
Подобным же образом демонстрируют применение очков для близорукого глаза. Переставляют основную линзу так> чтобы на 12
экране было четкое изображение буквы при близко расположенном осветителе. Удаляют осветитель от линзы. Изображение делается расплывчатым. Помещают перед линзой «очки* — рассеивающую линзу, и изображение становится четким.
Примечание. Расположение приборов для проведения опыта подбирают заранее и отмечают на столе мелом.
Рис. G.
Два осветителя нужны для следующих опытов:
Получение теней и полутеней. Сущность опыта видна на рисунке^ 7. Получив на экране (6) двумя осветителями от какого-либо тела две полутени, сближают источники света (или приближают тело к экрану). Полутени частично налагаются одна на другую, появляется полная тень.
Получение тени и полутени от глобуса. Установка приборов для опыта показана на рисунке 8. Опыт полезно продемонстрировать при объяснении лунного затмения.
Наложение освещенных цветными лучами кругов друг на друга. Пользуясь диафрагмами и светофильтрами, от двух осветителей на экране получают два освещенных, разных по цвету круга, ближая осветители, частично налагают один цветной круг окрас^^°^ В месте наложения получают пятно с другой
Демонстрация элементов гармонического колебания описана на странице 361.
13
Рис, 7,
Рис. 8.
Применение осветителя с оптикой. Для получения более яркого расходящегося пучка лучей в корпус осветителя устанавливают одну собирающую линзу (выпуклой стороной к лампе), а лампу помещают между линзой и ее главным фокусом.
14
Для получения пучка параллельных1 лучей отводят лампу в главный фокус линзы. На корпус можно надеть крышку с требуемой диафрагмой и получить пучок параллельных лучей нужного сечения (опыты см. на стр. 362, 402—404).
Две линзы (конденсор), установленные в осветителе2, используют, например, в следующем опыте.
Демонстрация принципа устройства проекционного фонаря. Установка приборов изображена на рисунке 9.
Рис. 9.
Осветитель с двумя линзами укрепляют в лапке штатива и располагают горизонтально. Непосредственно у конденсора держат диапозитив. Малая короткофокусная собирающая линза, установленная на'подкладках (5), служит объективом проекционного фонаря (она помещается близ места пересечения лучей, идущих от конденсора).
Изображение принимают на белую поверхность экрана (6). Показывают наводку на фокус. Обращают внимание, что изображение, полученное на экране, обратное.
Выясняют значение конденсора. Показывают, что пучок лучей, прошедший диапозитив, полностью проходит сквозь линзу, служащую объективом. Убирают линзы из осветителя и проецируют диапозитив без конденсора. Замечают сильное уменьшение
^Параллельность лучей, конечно, приблизительная.
ДРУГ ^СЛИ линзы плоско-выпуклые, то выпуклыми сторонами их обращают
15
яркости изображения, так как через объектив проходит лишь небольшая часть лучей, прошедших диапозитив.
После описанного опыта знакомят с проекционным фонарем и сравнивают его устройство с показанной установкой.
Яркий, узкий пучокпараллельных лучей получить труднее. Для этого в начале корпуса устанавливают две собирающие линзы. Волосок лампочки отводят от конденсора так, чтобы лучи, вышедшие из осветителя, пересекались сантиметрах в двадцати от конденсора. На корпус осветителя надевают надставку—трубку с рассеивающими линзами и диафрагмой (рис. 5, г). Смотря через окно в трубйе, линзу с диафрагмой устанавливают так, чтобы сходящиеся лучи вошли в отверстие диафрагмы. Этого достигают передвижением и центрированием трубки (отклонением ее в ту или другую сторону). Перемещая лампочку вдоль осветителя, добиваются выхода яркого пучка достаточно параллельных лучей.
Если лучи все же рассеиваются, то улучшения можно добиться диафрагмой в 25—30 мм, поставленной у конденсора со стороны лампочки. Более узкий пучок лучей достигается узкой диафрагмой, установленной при выходе лучей из трубки.
Узкий пучок параллельных лучей можно использовать для получения осциллограммы переменного тока с помощью школьного осциллографа.
5. ЯЩИКИ-ПОДСТАВКИ » И ПОДКЛАДКИ (комплект)
Чтобы можно было устанавливать приборы на желаемой высоте, полезно иметь комплект подставок. Их нетрудно сделать из фанеры толщиной 3 мм в виде закрытых со всех сторон прямоугольных ящиков. Планки, необходимые для скрепления фанерных стенок, должны находиться внутри ящика. Комплект удобно составить из ящиков следующих размеров: 500 мм X 250 мм X X 125 мм—2 шт.; 250 мм% 250 мм X 125 мм — 1 шт. и 250 мм X X 250 мм X 62 мм — 1 шт.
Кроме ящиков, полезно иметь деревянные подкладки: 150 мм X X 150 мм X 30 мм — 2 шт. и 150 мм X 150 мм X 15 мм —1 шт.
Одно основание и две прилегающие друг к другу боковые грани каждого ящика окрашивают в черный цвет, остальные — в белый. Такая окраска позволяет использовать подставки также в качестве белого или черного фона.
Подкладки можно покрыть черной краской.
’А. А. П о к р о в с к и й, А. И_ Г л а з ы р и н и др., Демонстрационные опыты по физике в VI—VII классах средней школы, Учпедгиз, 1956, стр. 31. В дальнейшем ссылка на эту книгу будет условно обозначаться (ДО —31) — цифра указывает страницу книги.
16
6 ЭКРАНЫ — ДЛЯ ФОНА И ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ (комплект)
Чтобы опыт был отчетливее виден, в некоторых случаях необходимо выделять демонстрируемые приборы на соответствующем одноцветном (белом или черном) или просвечивающем фоне. Кроме того, необходимо иметь небольшой настольный белый экран для проецирования. Указанным целям служат описываемые приборы.
Экран для фона делают из фанеры толщиной 6—9 мм (рис. 10).
Рис. 10.
С одной стороны экран окрашивают в белый цвет, с другой — в черный.
Экран просвечивающий делают в виде рамки такой же толщины и таких же внешних .размеров, какие имеет экран для фона. Просвет в рамке заклеивают туго натянутой калькой или лучше белым хлорвинилом.
Для установки экранов в вертикальном положении делают две съемные ножки, которые можно выпилить из фанеры толщиной 9 мм (рис. 10, а) или согнуть из стальной полоски шириной 15 мм, толщиной около 1,5 мм по рисунку 10, б.
Экраны должны туго вставляться в пазы ножек и устойчиво стоять в вертикальном (рис. 10) или*в горизонтальном положении (рис. 365—370, стр, 402).
Ножки окрашивают в черный цвет. Съемные ножки позволяют Удобно хранить экраны.
Использование экранов. Применение экрана как фона видно, например, на рисунке 32.
Применение просвечивающего экрана видно на рисунке 205 (стр. 231), а также на рисунках 234, 237 и 238 (стр. 267 и 269).
Применение экрана для проецирования изображено на рисунке 9, а также на рисунке И.
17
Проецирование на просвечивающий экран показано на рисунке 6 (стр. 13). Этот прием удачно применяется, например, в следую-
Демонстрация принципа устройства фотоаппарата. За демонстрационный стол сажают учащегося лицом к классу. Перед ним устанавливают двояковыпуклую большую линзу на подставке и просвечивающий экран, как показано на рисунке 12. Лицо
Рис. 12.
сидящего ярко освещают пучком лучей, направленным от проекционного фонаря. После этого класс затемняют.
Передвигая линзу ближе или дальше от экрана, получают на экране четкое, обратное изображение лица учащегося.
После описанного опыта знакомят учащихся с простейшим фотоаппаратом, сопоставляя принцип его устройства с только что показанной установкой.
18
7. ПРИБОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА
Рис. 13.
Прибор делают из двугорлой банки емкостью 1 л. Одно горло банки закрывают пробкой с пропущенным сквозь нее длинным тубусом стеклянной воронки, доходящим почти до дна банки (рис. 13). Второе горло закрывают пробкой с Г-образной стеклянной трубкой. На внешний конец трубки надевают резиновый шланг с краном или пружинным зажимом.
На дно банки насыпают слой какого-либо неактивного к кислотам вещества (например, битый кирпич).
Для получения водорода на неактивный слой насыпают гранулированный цинк, а через воронку наливают 10-процентный раствор серной кислоты. Для получения углекислого газа на неактивный слой насыпают крошки мрамора или известняка, а через воронку наливают 10-процентный раствор соляной кислоты.
Когда газ не используется (зажим закрыт), давлением газов жидкость поднимается в воронку и реакция прекращается.
Использование прибора.
1) Углекислый газ тяжелее воздуха. На весах уравновешивают химический стакан на 0,5 л. Заполняют стакан углекислым газом. Чашка со' стаканом перетягивает, обнаруживая, что углекислый газ тяжелее воздуха, которым раньше был наполнен стакан.
Опрокидывают стакан и снова ставят его на весы. Равновесие весов восстановилось. Очевидно, углекислый газ вылился из опрокинутого стакана.
2) Демонстрация переливания углекислого газа на теневой проекции. Из стакана, наполненного углекислым газом, переливают газ в порожний стакан. Переливание газа хорошо видно на теневой проекции, так как показатели преломления углекислого газа и воздуха различные (рис. 14).
3) Всплывание мыльных пузырей, наполненных водородом. Конец резинового шланга от прибора сжимают пальцами, окунают в мыльный раствор, направляют вверх и пальцы разжимают. Обра
19
зующиеся пузыри всплывают к потолку. Один из небольших пузырей можно поджечь снизу — он вспыхнет большим пламенем.
4) Плавание мыльных пузырей^ надутых воздухом, на поверх-хг 2
ности углекислого газа. Углекислым газом заполняют на -стеклянный сосуд, например ванну-аквариум (8). Достаточность заполнения можно узнать по погасанию свечи, укрепленной в сосуде на заданном уровне. Мыльные пузыри, надутые воздухом и опущенные в сосуд, плавают на поверхности газа (рис. 15).
Уровень газа можно увидеть, если в воздух над газом ввести дым, который осветить сбоку.
Опыты по диффузии газов описаны на странице 211.
8. ВАННЫ-АКВАРИУМЫ (большая и малая)
Для многих опытов по гидростатике удобно пользоваться большой стеклянной ванной-аквариумом, которая используется также в разделах газов и оптики. Малый аквариум удобен для опытов с поверхностным натяжением воды.
Большая Ъанна-аквариум имеет внутренние размеры 400 мм X X 300 мм X 120 мм. Каркас ванны делают из листового оцинкованного или черного железа толщиной 0,6—0,8 мм. В каркас вставляют стенки из оконного стекла толщиной не меньше 3 мм (рис. 15). Дно ванны вырезают из вышеупомянутого материала согласно рисунку 16, а. По пунктирам загибают кромки под прямым углом и соединяют пайкой.
20
Рис. 15.
Для скрепления стеклянных стенок делают раму. Вырезают две полосы шириной 20 мм, длиной по 545 мм. Вдоль полосы под прямым углом загибают борт шириной 5 мм. Каждой полосой огибают две верхние кромки стенок аквариума. Оставшийся конец загибают для спайки с другой полосой: В месте сгиба в отогнутом борту делают вырез. У оставшегося для спайки конца борт отрезают. Отогнутые борты направляют внутрь рамы.
Вырезают четыре полосы шириной 30 мм, длиной по 357 мм, "которые сгибают вдоль пополам под прямым углом. Один конец по сгибу надрезают на 7 мм и отгибают две лапки.
Полученными стойками скрепляют дно аквариума с верхней рамой заклепками, а затем пайкой (рис. 16,6).
21
При сборке надо следить, чтобы каркас получился прямоугольным.
Для соединения аквариума с другими приборами и для спуска воды его следует снабдить краном со ступенчатым наконечником для насадки резиновых шлангов. Канал у крана должен быть 6— 7 мм в диаметре. В тыльную часть крана впаивают трубку, выступающую на 15—20 мм.
Другую такую же трубку впаивают в дно посередине ширины аквариума в 30 мм от стенки. Чтобы трубка прочнее держалась в дне, на конец трубки напаивают шайбу толщиной 3—4 мм, которую затем приклепывают к дну аквариума.
С узкой стороны ванны к ножкам прикрепляют планку из листового железа, посередине которой сделано отверстие. В от-
верстие вставляют трубку крана и припаивают к пластинке (рис. 16,в). Концы трубок от крана и дна соединяют между собой куском резинового шланга.
Если крана нет, то резиновый шланг пропускают в отверстие планки (для крепления крана) и перекрывают зажимом.
Готовый каркас аквариума следует покрасить масляной краской на натуральной олифе. После высыхания краски можно вставлять стекла, которые вырезают по внутренним размерам каркаса ванны. Для крепления стекол можно рекомендовать цементную замазку (стр. 470). Все углы бортов дна, верхней рамки и стоек заполняют замазкой, уминая ее пальцами. С внутренней стороны ванны вставляют стекла, прижимая их к каркасу. Между стеклами и каркасом оставляют слой замазки в 1,5—2 мм. Внутри аквариума промазывают замазкой все углы, где стекла соприкасаются между собой и с металлом. Ширину промазки делают не меньше 10 мм.
Малая ванна-аквариум имеет наружные размеры 200 мм X X 120 мм X 80 мм (рис. 17). Дно ванны делают из белой жести толщиной 0,3 мм. Кромки дна загибают на 7 мм и к ним припаивают угловые стойки, сделанные из полосок той же жести шири-22
ной 18 мм, длиной 80 мм\ полоски согнуты по длине пополам под прямым углом. Стойки вверху металлом не скрепляют.
Готовый каркас покрывают натуральной олифой, затем масляной краской. В каркас изнутри вставляют оконные стекла на цементной замазке, как указано выше.
Использование большой ванны-аквариума можно видеть, например, на страницах 21, 159 и 166, а малой ванны-аквариума— на странице 214./
9. ВАННА БОЛЬШАЯ И ПОДНОС ДЛЯ РАБОТ С РТУТЬЮ
Ванна нужна для опытов с жидкостью. Поднос нужен для всех опытов, где имеется опасность пролить ртуть.
Ванна большая. Из ли
стового железа толщиной 0,6—0,8 мм вырезают фигуру по рисунку 18. Боковые стенки ванны загибают, а углы соединяют пайкой, предварительно'наложив угловые кромки по 5 мм друг на друга. Чтобы стенкам вверху придать жесткость, их кромки шириной 6—7 мм загибают наружу и вкладывают в загиб толстую проволоку. Ванна не должна давать течи.
Готовую ванну покрывают натуральной олифой и затем окрашивают цинковыми белилами или иной масляной краской. Ванну можно покрыть и нитролаком.
Поднос для работ с ртутью. Основанием подноса служит лист фанеры толщиной 6 мм, размерами 600 мм X 400 мм. По кромкам фанеры прикрепляют рамку из брусков сечением 20 мм X X 20 мм (рис. 19).
23
Рамку надо плотно приклеить ко дну, чтобы капельки ртути не смогли задержаться в щелях. В одном углу рамки делают желобок для удобного сливания капель ртути.
10. ШКАЛА К ЗЕРКАЛЬНОМУ ГАЛЬВАНОМЕТРУ
Если к зеркальному гальванометру (выпускавшемуся промышленностью раньше) нет шкалы, то ее легко сделать следующим образом:
Д п_________________________________п____А____,
io ‘"s <5 5
.............................................................................q.1 1 ,‘ l __________________________________________1600.I
2Ж.
Рис. 20.
Основание для подвижной шкалы делают из доски толщиной 20 мм (рис.- 20). По длинным кромкам доски укрепляют планки сечением 30 мм X 15 мм. Между планками помещают легко передвигаемую вдоль основания доску ^толщиной 15 мм. На передвиж
Рис. 21.
ной доске, покрытой белой краской, наносят черные деления и цифры, как указано на рисунке. На концах шкалы делают по углублению для удобного передвижения доски в направляющих. Чтобы шкала не выпадала из направляющих, к ним прикрепляют жестяные лапки (6—8 шт.).
24
Шкалу удобно расположить непосредственно под наклонным экраном (2). «Зайчик» от гальванометра должен находиться на нулевом делении шкалы. Этого достигают соответствующей установкой прибора и осветителя. Более точную установку перед опытом осуществляют передвижением шкалы вдоль направляющих.
Если требуется просвечивающая шкала, то ее можно сделать следующим образом:
На деревянную рамку размерами 80 см х 20 см, сделанную из узких пданок, натягивают матерчатую кальку или белый хлорвинил и наносят деления. Рамку со шкалой свободно подвешивают высоко над демонстрационным столом.
Приборы мелкие и простейшие
Проволочная стойка на деревянной подставке. Прибор делают по рисунку 21, а. Стойка предназначена для подвешивания тел при некоторых опытах по гидростатике (рис. 33), а также для маятника-бусинки, которым обнаруживают колебание звучащего тела (рис. 21, б).
ПРИБОРЫ ДЛЯ НАЧАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
11. ШТАНГЕНЦИРКУЛЬ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ
Прибор служит для ознакомления учащихся с устройством технического штангенциркуля, с приемами измерения им, а также с устройством нониуса.
Устройство самодельного прибэра аналогично техническому (рис. 22).
Демонстрационную модель штангенциркуля делают из фанеры и прямослойной дощечки. На прямоугольную фанерную рейку размерами 90 мм X 625 мм, толщиной 3 мм по кромкам наклеивают две деревянные планки толщиной по 6 мм: одну размерами 35 мм х 625 мм, другую 20 мм X 625 мм. Между наклеенными планками образуется желоб шириной в 35 мм и глубиной в 6 мм. С одного конца желоб на 45 мм заделывают бруском.
Затем изготовляют две губки прибора. Каждая губка состоит . из двух прямоугольников размерами 45 мм X 250 мм, толщиной по 3 мм и одного прямоугольника размерами 45 мм X 160 мм, толщиной 9 мм. Один угол у прямоугольников срезают.
При склейке трех прямоугольников в каждую губку вводят слой хорошо проклеенного картона толщиной до 0,5 мм, что уве
26
личивает* ширину паза. После склейки каждая губка имеет вид, изображенный на рисунке 22. Все грани у губок тщательно сравнивают. Для большей прочности склеенные слои у каждой губки можно скрепить шурупами или деревянными шпильками, посаженными на клей. Одну губку делают неподвижной: в ее паз вставляют на клей конец штанги с заклеенным желобом и слоем картона. При склейке надо соблюсти строгую перпендикулярность между губкой и штангой, которые для прочности скрепляют четырьмя шурупами или деревянными сквозными шпильками.
Из дощечки толщиной 6 мм делают передвижную рейку длиной 580 мм, шириной почти 35 мм, которая должна укладываться в желоб штанги и свободно передвигаться по всей его длине. На один конец передвижной рейки наклеивают картонный прямоугольник размерами 35 мм X 45 мм и такой же толщины, какую имеет картонная прокладка у губок. Передвижную рейку вкладывают в желоб вверх картонным прямоугольником и вплотную придвигают к губке. Картонный прямоугольник смазывают клеем. Вторую губку надевают на рейки и плотно прижимают к неподвижной губке. Верхнюю часть подвижной губки скрепляют с передвижной рейкой клеем и четырьмя короткими шурупами или деревянными шпильками. Необходимо, чтобы концы шурупов не вышли из тела передвижной рейки.
На свободном конце штанги желоб перекрывают жестяной полоской, прикрепленной гвоздиками. Передвижная рейка с губкой должна перемещаться вдоль желоба с небольшим трением.
На штангу и передвижную рейку наклеивают демонстрационные шкалы, тщательно начерченные тушью на плотной бумаге. Образец шкал дан на рисунке. Штрихи должны быть все одинаковой толщины (2лш). Деления основной шкалы наносят через 20 мм, деления нониуса — через 18 мм. При плотном смыкании губок прибора нулевой и девятый штрихи основной шкалы должны точно совпадать с нулевым и десятым штрихами шкалы нониуса1. Шкалы можно нанести и непосредственно на дерево. Остальную поверхность штангенциркуля покрывают лаком или окрашивают в серый цвет.
Демонстрация
Знакомство со штангенциркулем и отсчетом по нониусу. Показав технический штангенциркуль, объясняют его устройство на демонстрационной модели. Обращают внимание на неизменную параллельность губок прибора при их перемещении. Так как штангенциркуль в большинстве случаев делается с нониусом^ то знакомят с приемами отсчета по шкале с нониусом.
’Можно нанести шкалы. где 0 и 19 основной шкалы совпадают с 0 и 10 шкалы нониуса Точность измерения от этого не изменится, но тогда длину прибора надо увеличить до 825 мм.
27
Сообщают, что каждое деление нониуса на 0,1 короче деления основной шкалы, отсюда десять делений нониуса короче десяти делений шкалы на одно деление, то есть 10 делений нониуса равны 9 делениям основной шкалы. Это показывают на демонстрационной модели.
Совмещают первые штрихи нониуса и основной шкалы. Между губками прибора образовалась щель, равная, очевидно, 0,1 деления основной шкалы. Затем совмещают вторые штрихи нониуса и основной шкалы. Между губками прибора щель увеличилась вдвое и теперь равна 0,2 деления основной шкалы. Приводят еще два-три примера, совмещая, предположим, пятые и затем восьмые деления нониуса и основной шкалы. Щель между губками соответственно становится равной 0,5 и 0,8 деления основной шкалы. При совмещении десятых штрихов нулевой штрих нониуса совпадает с первым штрихом основной шкалы. Щель между губками стала равной одному делению основной шкалы.
Измеряют нониусом длину и диаметр каких-либо предметов. Учащиеся с мест определяют целое число делений основной шкалы и десятые доли с помощью нониуса.
Знакомят учащихся с использованием выдвижного стержня штангенциркуля (глубиномера). Измеряют глубину отверстия в каком-либо предмете.
12. МИКРОМЕТР С ДЕМОНСТРАЦИОННОЙ ГОЛОВКОЙ
Из фанеры толщиной 9 мм выпиливают или вырезают диск диаметром 100 мм. Б центре диска просверливают отверстие, с помощью которого диск туго насаживают на головку технического микрометра (рис. 23). К цилиндрической поверхности диска прикрепляют кольцо из жести шириной 25 мм. На кольцо наклеивают (сапоновым лаком) бумажную шкалу с четкими делениями и цифрами.
Шкалу делают следующим образом. Вырезают бумажную ленту шириной 25 мм, по длине равную окружности кольца. Ленту разбивают на 50 равных частей, наносят черточки толщиной по 1,5 мм, выделяя пятые и десятые деления длиной черточки. Против каждой десятой черточки ставят цифры: 0, 20, 40, 60, 80.
Из жести толщиной 0,6—0,8 мм делают визир по рисунку 23, а. Размеры визира, укрепляемого на скобе прибора, согласовывают с имеющимся микрометром. Указатель изгибают так, чтобы он почти касался диска. Окрашивают указатель в красный цвет. Остальную часть визира покрывают алюминиевой краской.
При сомкнутом микрометре нуль шкалы должен приходиться против стрелки визира, что достигают поворотом диска. Окончательную установку на нуль производят установочным винтом микрометра.
28
Демонстрация
Знакомство с микрометром и способом измерения этим прибором.
Показывают демонстрационный винт и гайку (27). Завинчивают гайку вплотную к головке винта (или к другой гайке). Отвинчи-вают гайку на один оборот. По просвету между головкой и гайкой определяют шаг винта. Сомкнув гайку с головкой, отвертывают гайку на пол-оборота (на три грани) — просвет оказывается равным половине шага. Гайку отвертывают на шестую оборота (на одну грань) — просвет увеличивается на одну шестую шага винта.
После этого переходят к ознакомлению с микрометром. Сначала показывают учащимся технический микрометр, а затем микрометр с демонстрационной головкой. Сообщают, что винт микрометра имеет шаг, равный 1 мм, и что головка прибора разделена на 50 равных частей. Очевидно, при одном полном обороте винта просвет между винтом и пятой будет равен 1 мм, а при поворот* на одно деление головки — 0,02 мм.
Показывают, что при осторожном смыкании указатель останав^ ливается на нуле шкалы. Нажимают головку несколько больше (сильно нажимать нельзя!) —указатель переходит за нуль. Различный нажим влияет на точность измерения. Чтобы при каждом измерении винт прижимался к измеряемому предмету одинаково, микрометр снабжают трещеткой, за которую и следует всегда вращать винт при измерении. Измеряют микрометром толщину какой-
29
либо пластинки. Учащиеся с мест определяют сотые доли миллиметра по шкале на головке. Затем, чуть ослабив винт, вынимают пластинку. Ввертывая винт, подводят указатель к нулю и считают целые обороты головки до соприкосновения винта с пятой. Число оборотов покажет, сколько целых миллиметров содержится в толщине измеряемой пластинки. Найденное число миллиметров, сложенное с определенными выше сотыми долями, дадут искомую величину. 1
Знакомят учащихся с установкой прибора на нуль путем поворота отверткой установочного винта-пяты.
13. КАЛИБРЫ ПРЕДЕЛЬНЫЕ
Прибор служит для ознакомления учащихся с приемами быстрой браковки изделий по размерам.
Из фанеры толщиной 6 мм делают предельные калибры по ри-
сунку 24, а. К калибру прилагают три цилиндрика, выточенные из
сухого дерева, высотой по 20 мм и диаметрами 50,5 лш, 49,5 мм и 48,5 мм.
При отсутствии токарного станка ч цилиндрики можно заменить дисками таких же диаметров, вырезанными из фанеры толщиной 6 мм (стр. 465).
Калибры можно покрасить в серый цвет, а торцы цилиндриков или дисков — в красный. Внутренние поверхности губок и цилиндрические поверхности натирают воском.
П рименение прибора. Знакомят учащихся с приемами быстрой браковки одинаковых деталей, вы-
Рис 24. пускаемых заводом. Диа-
метр деталей, например, должен быть равен 49,5 мм, с допуском в ту или другую сторону на 0,5 мм.
Модель калибра показывают учащимся. В просвет верхнего калибра (рис. 24, б) деталь должна входить, так как этот просвет равен максимально допустимому размеру (50 мм). В просвет нижнего, калибра деталь не должна входить, так как просвет равен максимальному, но уже не допустимому размеру (49 мм).
Показывают прием браковки. Если деталь (диск) проваливается в оба калибра, она мала, если не входит ни в один калибр, опа
30
велика. В обоих случаях детали бракуют. Находят годную деталь, которая входит в верхний калибр, но не входит в нижний.
Разница между предельными размерами у калибров устанавливается требованиями техники и может быть очень малой (в десятые, сотые и даже тысячные доли миллиметра).
14. МЕТР КУБИЧЕСКИЙ РАЗБОРНЫЙ
Прибор служит для демонстрации квадратного и кубического метра. Кроме того, два стержня прибора с небольшими приспособлениями предназначены для других разнообразных целей, описанных в применении прибора.
Из доски толщиной 15—20 мм нарезают 12 брусков квадратного сечения длиной по одному метру.
Для соединения брусков в контурный куб делают 8 кубиков из твердого дерева с ребрами по 50 мм. В каждом кубике выпиливают по три паза, сходящихся в одном углу (рис. 25, а). Конец бруска должен вкладываться в паз заподлицо.
Из жести толщиной 0,3—0,4 мм вырезают фигуру согласно рисунку. Фигуру загибают по пунктирам, надевают на деревянный кубик и прикрепляют к дереву шурупами или гвоздиками. Получаются три гнезда для брусков, концы которых должны без особого труда входить в пазы и удерживаться там с достаточным трением. Брусья и соединительные кубики следует окрасить в один цвет (например, в серый).
Рисунок 25,5 показывает устройство улучшенных угловых креплений, изготовление которых, однако, сложнее (Д .О.— 55). Из листового железа толщиной 0,3—0,4 мм вырезают 8 фигур по выкройке, изображенной на рисунке \ Каждую из трех частей фигуры тщательно сгибают по пунктирам. Получают три наконечника, расположенные под прямыми углами друг к другу. В местах соединения наконечники паяют.
В обоих случаях четыре бруска должны иметь длину по 1000 мм. Длину остальных брусков укорачивают на двойную их толщину.
Мелкие приспособления к прибору. Насадку для отвеса на стержень делают из жести толщиной 0,3мм (рис.26, а). На конце кронштейна насадки сверлят отверстие для нити отвеса. Насадку покрывают черным лаком.
Стержень для демонстрации рычагов и сложения параллельных сил. На двух противоположных гранях одного длинного бруска наносят двухцветные шкалы с делениями по 80 мм (крайние деления по 20 мм). С одной стороны цвета делений (белый и красный) чередуются (рис. 30, б), а с другой — расположены симметрично относительно середины, отмеченной черной чертой (рис. 30, а). Крап-
1На рисунке 25, б размеры даны для брусков сечением 14,5 л/.чХ14,5 мм. При ином сечении брусков размеры выкроек надо соответственно изменить.
31
ние деления делают черными. Посередине линий, разделяющих деления, сверлят сквозные отверстия диаметром по 2,5 мм. На средней линии в четырех миллиметрах* от середины располагают отверстие для тонкой оси, которую делают из стальной проволоки диаметром 2 мм и укрепляют на деревянном основании (рис. 26, б).
Рис. 25.
Из проволоки диаметром 1 мм сгибают пять крючков, удобных для подвешивания к стержню стограммовых грузов с двумя крючками. Из более толстой проволоки (или полоски) делают пружинящий гусарчик, используемый для приведения стержня, насаженного на ось, в горизонтальное положение.
Крючок и гусарчик изображены на рисунке 26, в.
Стержень с маятниками. На грань другого длинного стержня наносят штриховую сантиметровую шкалу с порядковыми цифрами над каждым десятым штрихом. Шесть одинаковых шариков
32
диаметром 10—12 мм насаживают на нити. К свободным концам нитей прикрепляют по резиновому кольцу, которые без особого труда можно надеть на стержень и передвигать по нему. При наклоне стержня коль-
ца с маятниками не должны сползать с установленных делений.
Длины маятников (считая от центра шарика до нижней грани стержня) делают равными 2, 8, 18, 32, 50 и 72 см (рис. 27).
Описанный стержень без маятников может служить демонстрационным метром. Для этого сантиметровые деления окрашивают в два чередующихся цвета: у нечетных дециметров в белый и красный, у четных дециметров в желтый и голубой.
Использование прибора
1) Квадратный метр собирают из двух длинных (параллельных ДРУГ другу) и двух укороченных стержней, соединенных между собой угловыми креплениями.
2 Заказ 1530
33
2) Кубический метр (рис. 28) собирают из всех стержней, соединенных угловыми креплениями. Длинные стержни устанавливают параллельно друг к другу, причем грани do шкалами прячут от
глаз учащихся.
3) Стержень с насадкой на конце и подвешенным отвесом удо-
бен для демонстрации установки по отвесу (рис. 29).
4) Установка приборов для демонстраций условий равновесия рычага. Тонкую ось закреп- FT ляют горизонтально в лапке штатива. На ось насаживают стержень с двухцветной симмет-
Рис. 29.
Рис. 28.
ричной шкалой в среднее, сдвинутое к кромке отверстие. Гусарчиком приводят стержень в горизонтальное положение. С помощью проволочных крючков к стержню подвешивают в требуемых местах стограммовые грузы и демонстрируют условия равновесия рычага (рис. 30, а).
5) Сложение и разложение параллельных сил. Рисунок 30, б показывает установку приборов. С помощью крючков, продетых в крайние отверстия, стержень подвешивают на двух резинках к штативам,
В двух точках к стержню прилагают две параллельные силы (подвешивают стограммовые грузы). Число делений между точками приложения сил берут равным или кратным сумме чисел подвешенных грузов. Передвижением точки подвеса устанавливают загруженный стержень горизонтально. Под действием грузов резинки вытянулись и стержень принял определенное положение, которое отмечают муфтами, установленными на штативах.
В точке, отстоящей от точек приложения сил в расстояниях, обратно пропорциональных числу подвешенных грузов, прицепляют крючок, на который переносят все грузы. Положение стержня не изменилось: две слагаемые силы заменились одной — равнодействующей.
34
Если крючок с грузами перенести в какое-либо другое место или изменить на крючке число грузов, то стержень не займет прежнего положения.
Разложение силы на две параллельные ведут в обратном порядке. Решение этого вопроса многозначно (если нет каких-либо ограничений).
Стержень с делениями и насаженными на него маятниками позволяет показать, что струя воды располагается по параболе (опыт описан на странице 149).
Стержень, уравновешенный горизонтально на какой-нибудь оси, удобен для демонстрации притяжения наэлектризованных тел: медленно приближают сверху к концу стержня заряженную палочку и наблюдают притяжение стержня.
2*
35
15. СТАКАН ОТЛИВНОЙ ПРОЗРАЧНЫЙ
У бутылки белого стекла на 500 жл отрезают дно. Бутылку закупоривают резиновой пробкой, в которую вставляют стеклянную трубку с каналом 4—5 мм в диаметре, изогнутую так, как указано на рисунке 31. Трубка не должна доходить до отрезанного края бутылки на 30—35 мм.
К отливному стакану делают подставку из толстой проволоки или из железных полосок. Устройство подставки видно на рисунке.
Носик трубки должен отстоять от поверхности стола на 100— 120 мм.
Использование прибора
1) Измерение объема тела. Проведение опыта понятно из рисунка 32. Показав, что камень в мензурку не входит, опускают его в отливной стакан, наполненный водой. По объему вытесненной воды находят объем камня.
Чтобы опыт был виднее, ис
пользуют демонстрационную шкалу и экран для фона (6); воду подкрашивают.
2) Демонстрация закона Архимеда. Установка приборов указана на рисунке 33. В порожний отливной стакан помещают подвешенное тонущее тело так, чтобы оно не касалось стакана; весы уравновешивают.
Рис. 31.
Рис. 32.
36
Вынув тело, в отливной стакан наливают воду, пока она не польется из носика в химический стакан.
Дав стечь последним каплям, воду из химического стакана выливают и опорожненный стакан снова ставят под носик.
Осторожно опускают тело в отливной стакан. Часть воды при этом выльется в химический стакан. Очевидно, воды вылилось столько, сколько вытеснило тело при полном погружении.
Обращают внимание на весы. Чашка с подвешенным телом поднялась, так как на тело действует сила, выталкивающая его из воды вверх.
Выливают вытесненную воду в стакан, стоящий на весах. Весы придут в равновесие. Это покажет, что жидкость (вода) выталкивает погруженное в нее тело с силой, равной весу вытесненной телом жидкости.
Опыт можно повторить с какой-либо другой жидкостью, например с насыщенным водным раствором поваренной соли.
3) Демонстрация условия плавания тел. На левую чашку весов помещают отливной стакан. Под его носик на столе ставят химический стакан на 300 мл.
В отливной стакан наливают воду до вытекания ее из носика. Когда излишняя вода стечет, весы уравновешивают гирьками или тарой. Сзади отливного стакана ставят белый экран для фона (рис. 34, а).
На чашку весов с отливным стаканом временно помещают плавающее тело; эта чашка перетянет. Снимают тело с весов и осторожно погружают в воду отливного стакана. Сквозь стенки стакана видно, что тело плавает. Уровень воды в стакане сначала подни-
37
Рис 34.
Рис. 34.
мется, а затем постепенно опустится до прежнего, так как излишняя вода выльется (рис. 34,6).
Чашка весов с отливным стаканом сначала опустится, а затем, когда вся поднявшаяся вода выльется через носик, весы придут в равновесие.
Опыт с очевидностью показывает, что плавающее тело вытеснило воды столько, сколько оно весит.
38
16. ДИНАМОМЕТРЫ,ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ НА 1200 Г - 2-3 шт. И НА 300 Г — 1 шт.
Для многих опытов по механике удобны небольшие цилиндрические динамометры с четкой демонстрационной шкалой (рис. 35, а).
Динамометры, рассчитанные на нагрузку до 1200 Г, имеют двух-
цветную шкалу, разделенную на 12 делений по 100 Г каждое. Та-
кая шкала удобна, так как в физических кабинетах обычно имеют-
ся грузы с двумя крючками и весом по 100 Г. Динамометр на 300 Г имеет
такую же шкалу, но цена деления равна 25 Г.
Динамометры снабжены передвижной шторой для установки шкалы на нуль. Трубки динамометров можно сделать из жести или из проклеенной бумаги.
Самая ответственная часть динамометра — пружина.
Так как у динамометра до 1200Г шкала разделена на ^делений, то пружина при полной загрузке должна удлиниться на 120 мм (хорошо видны всему классу деления не меньше 8 — 10 мм).
Исходя из вышеуказанных данных и принимая внешний диаметр пружины в пределах 10 — —12 мм, производят расчет пружины (с помощью таблицы 1, стр. 472) и диаметра стержня для навивки проволоки (по таблице 3, стр. 473). Пример расче-
та пружины имеется на странице 468.
Способ изготовления пружины описан на странице 467.
Заготовляют пружины с несколько большим количеством витков, чем найдено по расчету. Один прямой конец проволоки подводят к центру пружины в плоскости последнего витка и направляют по оси пружины. На расстоянии 40 мм от последнего витка коцец загибают крючком.
Пружину подвешивают за крючок и находят тот виток, при подвешивании к которому груза в 1 кГ растяжение пружины окажется близким к 100 мм.
Когда нужное число витков определено, оставшиеся витки выпрямляют. Проволоку направляют по оси пружины и на расстоя-
39
нии 60—70 мм от витков заканчивают крючком. Взявшись за концы, пружину растягивают настолько, чтобы после разгрузки между всеми соседними витками оказался небольшой зазор (0,1—0,3 лш).
По готовой пружине делают цилиндрические трубки (рис. 35,6). Диаметр внутренней трубки должен быть на 2 мм больше наружного диаметра пружины, а длина трубки больше шкалы на 20—25 мм. Внешнюю трубку делают длиннее внутренней на 5 мм и шире ее на 1—1,5 мм. Внутренняя трубка должна перемещаться * во внешней без малейшей задержки при любом повороте.
На рисунке указаны размеры прибора с пружиной из проволоки ПК диаметром 1 мм.
Для трубок вырезают из жести соответствующих размеров прямоугольники и огибают их вокруг стержня нужного диаметра. Края свернутого в трубку прямоугольника накладывают друг на друга миллиметра на два и соединяют пайкой. Спай зачищают напильником.
Один конец у каждой трубки надо закрыть крышкой, в центре которой сделано отверстие для проволоки пружины. Крышки вырезают из жести с тремя лапками, загнутыми так, чтобы крышка плотно входила в соответствующую трубку.
Крышку вставляют в трубку (лапками к пружине), углубляют ее ниже кромки на 0,5 мм и кругом запаивают.
Установив пружину приблизительно посередине трубок, вдвинутых одна в другую, загибают выступающие концы проволоки крючком и припаивают к крышкам.
Для градуировки динамометр подвешивают к штативу за крючок внешней трубки. Под действием своего веса внутренняя трубка несколько опустится. На ее поверхности очерчивают окружность по нижней кромке внешней трубки.
На нижний крючок динамометра подвешивают груз в 100 Г с двумя крючками. Внутренняя трубка опустится приблизительно на 10 мм. На ее поверхности опять делают отметку, как было указано выше. Подвешивая два, три груза и так далее (до двенадцати), получают полную разметку шкалы.
После градуировки проверяют ее правильность, повторно нагружая и разгружая динамометр.
Наружную поверхность ненагруженного динамометра красят в черный цвет, шкалу—в чередующиеся цвета: белый и красный. Между 5-м и 6-м делениями, а также между 10-м и 11-м проводят черную линию толщиной 3 мм.
Раскраску производят быстросохнущими красками {нитролаком). После раскраски динамометр осторожно разгружают, следя за тем, чтобы внутренняя трубка не терлась о внешнюю и не повредила бы этим раскраску.
Передвижную штору для частичного закрывания шкалы делают из прямоугольного куска жести, который свертывают в трубку. Штора со значительным трением надевается на внешнюю трубку динамометра. Ее кромки на 1—2 мм не смыкаются между собой.
40
Трубки для динамометров можно сделать из бумаги, накатанной на круглый стержень и проклеенной столярным клеем. Толщину стенок делают 1,5—2 мм. Крышки к трубкам можно сделать из фанеры и вклеить в трубки. Способ крепления пружины в крышках указан на рисунке 35, в.
Динамометр на 300 Г делают такой же величины и такого же устройства, как вышеописанный.
Пружину для динамометра подсчитывают по таблице 2, помещенной на странице 473.
Например, из проволоки диаметром 0,7 мм надо свить пружину с внешним диаметром 10 мм и числом витков 89. Проволоку навивают на стержень диаметром 6,1 мм (см. таблицу 3, стр. 473).
Длина шкалы у динамометра и способ ее изготовления такие же, как у динамометров с нагрузкой 1200 Г. Шкалу делят на 12 равных частей. Каждое деление должно соответствовать нагрузке в 25 Г.
Чтобы учащиеся легко отличали динамометры с нагрузкой до 1200 Г от динамометра на 300 Г, шкалы у них по цвету делают различными: если у ^первых деления белые и красные, то у второго— белые и голубые.
Применение динамометров. Динамометры до 1200 Г используются главным образом в статике, где они часто сочетаются с грузами по 100 Г. Динамометр до 300 Г применяют, например, при определении сил трения.
Удерживают динамометр за внешнюю трубку, а измеряемую силу прилагают к крючку внутренней трубки со шкалой; располагают динамометр в направлении измеряемой силы.
Подвешивать динамометры можно лишь при отвесном или слегка наклонном положении.
Так как при наклоне от вертикали свыше 20° будет сказываться трение между трубками, то нагруженный динамометр слегка постукивают, пока показание прибора не установится.
Перед измерением силы не надо забывать приводить показание динамометра к нулю передвижной шторкой (если, помимо измеряемой силы, на прибор действует какая-либо не подлежащая рассмотрению сила).
Демонстрации
1) Сложение сил, приложенных к одной точке и направленных по одной прямой. Гирю в 1 кг подвешивают посередине длинной нити, концы которой соединяют с динамометрами (рис. 36, а). Натягивая расположенные рядом динамометры вверх, показывают, что нагрузка у них меняется при изменении натяжения, однако сумма показаний двух динамометров остается неизменной и равной весу гири, то есть 10 делениям шкалы.
2) Разложение силы на составляющие; зависимость составляющих от угла между ними. Посередине нити прикрепляют два груза
41
по 100 Г. К концам нити привязывают по динамометру, которые
держат в руках.
Если динамометры сблизить, то сумма показаний будет равна 200 Г (см. предыдущий опыт). Если же динамометры отводить друг от друга и постепенно увеличивать угол между ветвями нити, то
динамометры покажут увеличение натяжения нити, которое можно довести до 1200 Г—предельного показания динамометров (рис. 36, б).
3) Сложение сил, приложенных к одной точке и действующих под углом, можно продемонстрировать на классной доске с помощью двух динамометров, резинки и толстых белых или цветных нитей (рис. 37, а), а также с помощью трех динамометров, соединенных нитями и укрепленных на штативах (рис. 37, б).
4) Сложение параллельных сил удобно показать с помощью двух динамометров, стержня от кубического метра (14) и стограммовых грузов (рис. 38).
Рис. 36.
Иное применение динамометров изображено на рисунках 56, 57, 63, 89, 95, 110, 119 и др.
Опыты с применением описанных динамометров можно также показать с использованием вертикального монтажного щита (рис. 395, 400—403).
17. ПРИСПОСОБЛЕНИЕ ВЕСОВ НАСТОЛЬНЫХ (типа Беранже) И РЫЧАЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИЙ
К обыкновенным настольным весам до 2 кГ нетрудно сделать демонстрационные указатели. Для этой цели из жести толщиной 0,3—0,4 мм вырезают пластинки по рисунку 39. Конец каждой пластинки загибают и приклепывают к лапке указателя весов. Можно конец пластинки обогнуть вокруг лапки указателя и ударами молотка скрепить их.
42
Указатели окрашивают в белый цвет. При равновесии весов посередине пластинок наносят черную поперечную полосу шириной 10 мм (рис. 34 и 39).
Для переделки в демонстрационные пригодны технические рычажные весы до 1 кГ чувствительностью 0,2 Г при полной нагрузке.
Рис. 37.
Переделка состоит в том, что на место обычной шкалы ставят демонстрационную (рис. 40), а на конец стрелки припаивают указатель. Шкалу можно сделать из плотного белого картона, тушью нарисовать деления и приклеить к существующей шкале. Но лучше шкалу сделать из толстой жести, привернуть вместо обычной теми же винтами и нанести деления красками (белый фон и три черных деления).
43
Указатель делают из фольги или тонкой жести и окрашивают в черный цвет. Он должен быть легким, чтобы не нарушить чувствительность весов. Ширину указателя и делений шкалы делают одинаковой (6—7 мм).
Рис. 38.
Для гидро- и аэростатических взвешиваний к весам следует сделать простую скамеечку из дощечек или фанеры толщиной 3—
Заклепкой Беа заклепки
Рис. 39.
Крепление
6 мм (рис. 40). При качании коромысла чашка весов не должна касаться скамейки.
Для подвешивания тел при гидро-или аэростатических взвешиваниях из проволоки делают крючок.
Применение скамейки и крючка видно на следующем опыте:
Демонстрация закона Архимеда для газов. При помощи крючка, расположенного вверху дужки весов, подвешивают колбу на 0,5 л. Тарой приводят весы в равновесие.
44
Под колбой ставят скамью. На скамью помещают большой стеклянный сосуд, свободно вмещающий в себя колбу. При уравновешенных и неарретированных весах колба не должна касаться сосуда. Горлышко колбы располагают немного выше краев сосуда.
Рис. 40.
Рис. 41.
Убедившись в равновесии весов, наполняют внешний сосуд углекислым газом (рис. 41). Плечо коромысла весов с подвешенной колбой поднимется: углекислый газ выталкивает колбу вверх. Углекислым газом наполняют подвешенную колбу (не касаясь трубкой сосуда). Весы приходят в равновесие (что и соответствует закону Архимеда).
18. СЧЕТЧИК СЕКУНД И МИНУТ (переделанный из метронома)
Для проведения некоторых демонстраций и фронтальных занятий требуется громкий отсчет секунд с указанием прошедших минут и секунд. Описываемый прибор удовлетворяет этим условиям. Изготовление его требует «умелых рук».
45
Рисунок 42 показывает внешний вид прибора.
У метронома снимают донышко. За донышком находится пружинный механизм, поддерживающий колебание маятника. Последнее колесо механизма спусковое. Оно отличается от других крупными зубьями, отстоящими друг от дуга на относительно больших расстояниях (рис. 43). Тщательно измеряют диаметр начальной
Тис. 42.
Рис. 43.
окружности dt этого колеса, которую считают проходящей через середину высоты зубьев, и сосчитывают число зубьев гх. Исходя из этих данных, рассчитывают зубчатое колесо для секундной стрелки счетчика. Диаметр начальной окружности проектируемого колеса d2 и число его зубьев z2 находят из следующего соотношения:
__ £1_
d'2 Z2
d z
Приняв z2 =•= 60 (в минуте 60 секунд), получают — = — . Если d2 60
di равнялось, например, 30 мм, a = 24, то d2 будет равно 75 мм.
Из листового металла толщиной 2 мм вырезают диск диаметром 81 мм. По окружности диаметром 75 мм на этом диске делают сверлом в 1 мм 60 отверстий, расположенных на одинаковых друг от друга расстояниях (разбивку легко сделать по транспортиру).
В отверстия туго забивают и припаиваю^ проволочные шпильки, выступающие от поверхности диска в одну сторону на 3—4 мм (рис. 44, а и б). Это колесо должно хорошо Ьцепляться со спусковым колесом метронома.
Готовое колесо насаживают строго перпендикулярно на ось диаметром 3 мм и припаивают.
46
Подшипниками для оси служат отверстия в скобе» сделанной пэ рисунку 44, а и б из полосы листовой латуни толщиной 2 мм. Длину выступающего конца оси надо согласовать с размерами метронома.
Под установленным секундным колесом в скобе располагают ось для зубчатого колеса минутной стрелки. Достаточно иметь циферблат на 20 мин.
Рис. 44.
Для взятого здесь примера диаметр начальной окружности минутного колеса можно принять равным 50 мм, а внешний диаметр колеса 56 мм. Колесо делают так же, как для секундной стрелки, но устанавливают не 60, а 20 шпилек. На секундном диске со стороны, где нет шпилек, укрепляют одну пластинку с пальцем, направленным радиально и отстоящим от оси на 20 мм. Оси колес располагают так, что палец, подойдя к минутному колесу, зацепляет за шпильку и поворачивает колесо на 18°. Таким образом, за 20 оборотов секундного колеса минутное колесо сделает один оборот.
Чтобы не ошибиться в выборе диаметра минутного колеса, расстояния от оси до пальца секундного колеса и расстояния между осями колес, следует предварительно сделать чертеж в натуральную величину (рис. 45). В конце предыдущего оборота палец секундного колеса оставил шпильку минутного колеса в положении а. В данный момент палец, не коснувшись шпильки в, хорошо захватывает шпильку б, чтобы переместить ее в положение а. После этого шпилька в займет положение шпильки б и т. д.
47
Под метроном делают деревянную подставку, руководствуясь размерами метронома, передаточного механизма и примерным рисунком 42. Метроном и передаточный механизм прочно прикрепляют к подставке, обеспечив хорошее сцепление между шпильками секундного колеса и зубьями спускового колеса метронома.
С лицевой стороны подставки (для метронома это будет боковая сторона) прикрепляют фанерный диск диаметром около 200 мм, на котором наклеен циферблат, вычерченный по рисунку 42 тушью на
Рис. 46.
бумаге. Чтобы фанера не деформировалась, с обратной стороны наклеивают такую же бумагу. В циферблате делают отверстия для двух осей, на концы которых насаживают стрелки: секундную и минутную, сделанные по рисунку 44, г. Минутная ось и стрелка должны вращаться с некоторым трением, чтобы от случайных сотрясений стрелка не перемещалась произвольно.
У основания ящик можно окаймить цоколем шириной 25 мм. Подставку окрашивают под цвет метронома и покрывают лаком. Готовый счетчик, установленный на 60 ударов в минуту, следует проверить по часам. Если- будет обнаружено расхождение, то более точное положение для груза маятника находят опытным путем, где и делают канавку для его закрепления.
Перед пуском счетчика секундное колесо прибора устанавливают так, чтобы палец на нем только что повернул минутное колесо на одну шпильку. После этого обе стрелки ставят на нули циферблатов, грузик метронома переводят в требуемое положение и пускают метроном в ход.
48
Если вышеописанный счетчик почему-либо сделать нельзя, то делают другой весьма простой счетчик секунд, но имеющий значительные недостатки: счетчик не фиксирует число прошедших секунд, требует каждый раз установки и время от времени подталкивания маятника.
На крючок стержня, укрепленного вверху штатива, подвешивают маятник — груз с двумя крючками (стр. 122) массой 1—2 кг\ Полупериод колебания ма-
ятника должен равняться 1 сек. Прочную нить с петлями на концах, тщательно выверенную по длине для секундного маятника сданным грузом, сохраняют и используют при надобности.
Для громкого отсчета секунд из трехмиллиметровой фанеры склеивают я цик, открытый с одной стороны (рис. 46). К боковым стенкам ящика прикрепляют две стойки. Вверху между стойками делают проволочную перекладин}? с кольцом посередине.
К нижнему крючку груза
Рис. 47.
подвешивают нить длиной 80 мм с
маленьким стальным шариком
на конце (массой 3—5 г).
Маятник подвешивают на такой высоте, чтобы в положении рав-
новесия шарик, пропущенный сквозь проволочное кольцо ящика, лежал бы на крышке ящика с едва ослабленной нитью.
Основание штатива, на котором подвешен маятник, прикрепляют к столу струбцинкой. Груз маятника отводят в сторону (вдоль ящика) так, чтобц шарик приподнялся почти до кольца. При каж-
дом прохождении маятника через положение равновесия шарик ударяется о ящик и производит громкий отсчет секунд.
Приборы мелкие и простейшие
По данному разделу рекомендуются еще следующие простые самодельные приборы.
1) Демонстрационные шкалы к цилиндрическим мензуркам (ДО-56). Деления на мензурках не видны издали. Поэтому к мензуркам (или неградуированным цилиндрам) емкостью на 200 мл и 500 мл следует сделать демонстрационные шкалы, укрепляемые на прово-
^руз молено заменить гирей с двумя крючками,
49
лочных крючках (рис. 32). Деления на шкалах не следует наносить ближе 7 мм одно от другого.
2) Дециметр кубический полый. Прибор делают из белой жести толщиной 0,2 мм, которую выкраивают по рисунку 47. Для придания жесткости верхние кромки загибают наружу. Емкость сверяют с литровой кружкой. Чтобы прибор можно было использовать для опытов по лучеиспусканию и лучепоглощению (стр. 225), одну грань сосуда оставляют блестящей, а противоположную делают матово-черной; остальные грани можно окрасить в серый цвет.
3) Литровая кружка. Прибор легко сделать из жестяной консервной банки. Верхние кромки обрезают по уровню воды, налитой в объеме 1000 мл, и укрепляют напаянным снаружи жестяным кольцом. К банке припаивают жестяную ручку. Кружку покрывают масляной краской или нитролаком.
ПРИБОРЫ ПО ОСНОВАМ МЕХАНИКИ
19. ВАТЕРПАС И УРОВЕНЬ
подкрашенную воду, оставив пу-
Ватерпас можно сделать из фанеры толщиной 6 мм в виде пятиугольника (рис. 48, а). На лицевой стороне прибора наносят градусную шкалу по дуге. Это позволяет измерять прибором наклон плоскости к горизонту до 45°. К основанию прибора с обеих сторон прикрепляют по бруску, которые придают ватерпасу большую устойчивость.
Под нулем шкалы сверлят большое отверстие, в котором грузик отвеса свободно помещается. При горизонтально установленном приборе под острием грузика наносят четкую пометку.
При измерении наклона нить отвеса несколько отодвигают по гвоздю от плоскости прибора.
Уровень состоит из стеклянной, слегка изогнутой трубки диаметром 10 — 12лии, длиной около 200мм, закрытой с обеих концов
пробками. В трубку наливают зырек воздуха. Для закрепления трубки делают деревянное основание из фанеры толщиной 6 мм. Устройство основания и собранного прибора видно на рисунке 48, б. Трубку укрепляют в основании при помощи замазки ^горбом» вверх.
Положение крайних точек воздушного пузырька при горизонтально расположенном уровне отмечают резиновыми кольцами, надетыми на трубку. Размер пузырька должен, быть таким, чтобы расстояние между кольцами оказалось 20—25 мм.
51
Демонстрации
на муфту штатива. Показывают, как
1) Опыт с ватерпасом. Установив доску (21) на двух клиньях наклонно вдоль стола, ватерпасом узнают направление наклона. Затем по ватерпасу устанавливают доску горизонтально.
Наклоняют доску_на 20—30°, положив поднятый конец доски данным ватерпасом можно определить угол наклона» плоскости к горизонту1.
2) Опыт с уровнем. Знакомят с устройством уровня. Придавая прибору уклон в ту или другую сторону, показывают, что пузырек воздуха всегда сдвигается в сторону приподнятого конца.
Определяют уровнем направление наклона доски (21), которую затем клиньями устанавливают горизонтально. Чтобы пузырек воздуха был виднее, сзади ставят ящик с белым, фоном.
Доску заменяют листом фанеры (стр. 420), положенным на три клина. Сначала двумя клиньями устанавливают лист с незаметным наклоном к учащимся. Уровень, поставленный вдоль стола, показывает горизонтальное направление, а наклона к учащимся не обнаруживает (рис. 49, а).
Ставят уровень под углом к длине стола и обнаруживают наклон листа (рис. 49, б). Сдвиг пузырька будет наибольшим, когда
направление уровня окажется перпендикулярным к первому его положению. Устанавливают лист горизонтально с помощью третье-
го клина.
20. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ОПЫТОВ ПО ДАВЛЕНИЮ (комплект)
Комплект приборов состоит из плоского ящика, открытого сверху, и скамьи
Ящик размерами 350 мм х 300 мм, высотой 70 мм делают из дощечек толщиной 10—15 мм. Снаружи ящик можно окрасить масляной краской.
’Не забыть отодвинуть нить отвеса от плоскости ватерпаса.
52
Скамью делают из дощечки толщиной 15 мм, размерам^ 200 мм X 150 мм. По углам дощечки укрепляют четыре ножки квадратного сечения 10 мм X 10 мм, высотой 70 мм. На ножках скамьи наносят по семь поперечных сантиметровых делений, окрашенных в два чередующихся цвета (белый и черный).
К комплекту приборов надо иметь два одинаковых кирпича, просеянную, слегка влажную землю и сухой мелкий песок в количествах, достаточных для заполнения ящика.
Применение приборов, а) В большую ванну (9) ставят ящик с насыпанной доверху просеянной, несколько влажной землей. Поверхность земли уравнивают.
На землю осторожно укладывают плашмя кирпич. Подняв кирпич, укладывают его рядом с оставленным следом и нагружают другим кирпичом.
Сняв осторожно кирпичи и наклонив немного ящик, показывают учащимся два следа от кирпичей: один след от одного кирпича, другой от двух, положенных друг на друга. Площади, на которые давили кирпичи, в обоих случаях были одинаковы, но сила давления во втором случае была в два раза больше, чем в первом. Поэтому второй след оказался глубже первого. Вывод: при неизменной площади опоры давление тем больше, чем больше нагрузка (сила давления).
Разрыхлив землю,снова уравнивают ее поверхность, на которую помещают один и тот же кирпич сначала плашмя, затем на боковую грань и на торец
Наклонив ящик, показывают учащимся, что один и тот же кирпич оставил различные по глубине следы: чем меньше площадь опоры, тем глубже след. Отсюда следует, что при неизменной нагрузке давление тем больше, чем меньше площадь опоры.
б) На ровную поверхность сухого песка, насыпанного в ящик, ставят скамью ножками вниз. Скамью постепенно нагружают гирями и наблюдают, как с увеличением нагрузки ножки скамьи погружаются в песок. Замечают нагрузку, при которой ножки полностью погрузятся в песок.
Затем, вынув скамью и уравняв поверхность песка, помещают на него скамью ножками вверх. Уложив на скамью груз, при котором ножки скамьи погрузились в песок полностью, замечают, что доска скамьи почти не углубилась в песок.
21. ДОСКЛ СО СЪЕМНЫМИ СКАТАМИ КОЛЕС И КЛИНЬЯМИ (комплект)
Доску на колесах используют'с другими приборами для демонстрации инерции, относительности движения, равномерного движения, трения. Без колес прибор используют как обычную доску.
Общий вид прибора можно увидеть на рисунке 51, помещенном ниже.
Прибор делают из фанеры или сухой прямослойной доски толщиной 12 мм по рисунку 50, а. Одна кромка вдоль доски снята под
53
углом 45°. Снизу к доске прикрепляют две поперечные планки сечением 20 мм X 15 мм. Вдоль каждой планки по ее середине делают желоб, сечение которого изображено на рисунке 50, б.
С торцов к планкам прикрепляют на шурупах пластинки-под-
Рис. 50.
шипники. Их делают из железа или латуни толщиной I—1,5 мм по рисунку 50, в. ,
Желоб в планках делают глубже пазов в пластинках, чтобы оси не задевали за дерево. Нижние кромки пластинок должны быть вровень с планками.
Оси для двух скатов колес приготовляют из стальных прутьев диаметром 3—4 мм, длиной по 150 мм. На концах осей прикрепляют по такому же колесу, как и у тележки (22) (стр. 57). Расстоя
54
ние между колесами на оси делают равным 135 мм. При надобности оси с колесами устанавливают в пазы подшипников.
Верхняя поверхность доски должна быть гладкой и плоской. Ее зачищают стеклянной бумагой и натирают воском1. Скошенную кромку доски покрывают черной краской. К одному из торцов доски прикрепляют проволочный крючок.
К доске делают три клина по рисунку 50, г.
Демонстрации
1) Проявление инерции (опыт с тележкой, кубиком и бруском). На доску с колесиками помещают деревянный кубик с гладкими гранями, малоустойчивое тело^ (например, деревянный брусок, поставленный на малую грань) и тележку (22); положение этих предметов замечают мелом на черном борту доски. При резком передвижении доски кубик несколько сдвигается назад. Назад же сдвигается и падает брусок, а тележка остается неподвижной относительно ориентира, поставленного на столе (рис. 51).
Рис. 51.
Если скорость доски нарастает медленно, то кубик, брусок п тележка будут увлечены доской и не сдвинутся относительно отметок на доске.
Для демонстрации проявления инерции движения проводят опыт, аналогичный вышеописанному. Доску с установленными на ней' предметами приводят в движение с постепенным нарастанием скорости, а затем внезапно останавливают. Кубик сдвигается вперед, брусок сдвигается туда же и падает, тележка продолжает свое движение.
При постепенной остановке доски указанных явлений почти не наблюдается.
2) Опыт, показывающий, что для преодоления трения нужно усилие. На доску с колесами помещают брус (см. стр. 119), в торце которого имеется крючок. Одним динамометром (16) зацепляют за крючок бруса и пытаются последний, сдвинуть по доске, натягивая динамометр горизонтально вдоль доски. Это не удается — вместе с брусом двигается и доска. Очевидно, между брусом и доской су-
’Воск нагревают и смешивают со скипидаром. Смесь можно заменить мастикой для натирки полов.
55
шествует сила трения, которую надо преодолеть, чтобы сдвинуть брус. Удерживая доску рукой, сдвигают брус, причем динамометр показывает силу, которая преодолевает трение между брусом и доской. Можно прицепить второй динамометр за крючок доски и, направив его в противоположную сторону, определить силу, с которой надо удерживать доску, чтобы по ней сдвинуть брус. Опыт показывает, что обе силы одинаковы.
Взвешивают брус динамометром и обращают внимание учащихся, что сила трения значительно меньше веса бруса.
Остальные опыты с прибором описаны на страницах 52, 62, 65, 69, 90, 95 и 120.
22. ПЛАТФОРМА И ТЕЛЕЖКА С ПРИНАДЛЕЖНОСТЯМИ
Платформа, Ее основное назначение — быть плоскостью для движения тележки. Платформу устанавливают на ящиках-подставках (5) и выверяют клиньями от прибора (21) или же укрепляют крючками на вертикальном щите, описанном в конце книги (стр. 424).
Рис. 52.
Платформу делают толщиной 12 мм из фанеры или из доски прямослойного сухого дерева твердой породы. Основные размеры платформы указаны на рисунке 52. На каждом конце поперек доски имеется борт, сделанный из такой же фанеры (или доски) и при
56
крепленный к платформе клеем и шурупами. С другой стороны к доске .крепят на клей две планки.
Продольную внешнюю кромку доски снабжают низким бортиком, для чего к ней прикрепляют рейку 16 мм шириной, 3—4 мм толщиной.
Верхнюю плоскость доски тщательно зачищают стеклянной бумагой и натирают воском. Борты и наружную кромку покрывают светлым лаком. На верхней кромке каждого борта вбивают по две проволочные шпильки: одну посередине, наклоненную во внешнюю сторону, другую в 15 мм от лицевой стороны, направленную вертикально. На лицевой кромке прибивают две проволочные шпильки, направленные несколько вверх. Шпильки выступают на 5 мм и отстоят друг от друга на 800 мм.
При надобности на шпильки насаживают масштабную линейку, сделанную из полоски жести толщиной 1 мм, шириной 10 мм и длиной 900 мм. В полоске просверливают отверстия соответственно шпилькам.
На линейке наносят сантиметровые деления, раскрашенные в чередующиеся цвета: у нечетных дециметров в белый и красный, у четных дециметров в желтый и голубой. Середину линейки отмечают черной поперечной чертой толщиной 3 мм.
Тележка используется в опытах по кинематике и динамике. Успешность опытов зависит от качества тележки: она должна быть легкой по весу, двигаться с наименьшим трением и обязательно по прямой линии. Тележка данного типа не предназначена для больших нагрузок, поэтому конструкцию ее подшипников можно допустить примитивную.
Площадку тележки размерами 150 мм х 60 мм (рис. 53, а) с прорезанными окнами (кроме окна Л, которое прорезают позже) делают из хорошей березовой или дубовой фанеры. Снизу к площадке подклеивают две планки, вырезанные из" той же фанеры.
Из листового железа или латуни толщиной 1,5—2 мм делают скобы-подшипники: вырезают две пластинки (рис. 53, б), просверливают в них по четыре отверстия для прикрепления к площадке тележки и загибают по пунктирам. Затем просверливают отверстия под оси, располагая их центры в 18 мм от внешней поверхности горизонтальной части скобы.
Колеса для тележки лучше всего выточить из металла или твердого дерева. Оси делают из стального прутка диаметром 3—4 мм, длиной 64 мм. Металлические колеса закрепляют на осях пайкой, а деревянные — клеем БФ-2. В середине одной оси просверливают поперечное узкое отверстие для нити. В каждом колесе просверливают по отверстию диаметром 3 мм. Отверстия располагают на прямой, параллельной оси и отстоящей от нее на 8 мм.
Ось с колесами и свободно надетыми на концы небольшими шайбочками вставляют в отверстия скобы (немного разогнув ее на время). Вставленная ось должна свободно вращаться в подшипниках и не должна выпадать из скобы при сдвигах в сторону.
57
150
Подшипники-скобы прикрепляют гвоздиками или проволочными скобами к планкам, приклеенным снизу к площадке тележки. Это очень ответственная работа. Необходимо, чтобы все четыре колеса касались плоскости, на которую поставлена тележка, и чтобы тележка, получив толчок, двигалась прямолинейно. Для выполнения этого оси должны быть параллельны между собой, а диаметры всех колес одинаковы.
58
Тележку надо собирать следующим образом. Сначала укрепляют одну скобу (с непросверленной осью), расположив ее перпендикулярно к длинному ребру площадки. Затем укрепляют один конец второй скобы так, чтобы скоба плотно прилегала к площадке, но другой ее 'конец можно было бы несколько перемещать.
Рис. 54.
Перед установкой второй скобы в площадке тележки (и отчасти во второй скобе, в которой устанавливается ось с отверстием посередине) надо сделать окно А (рис. 53, а). Для этого в среднее окно на площадке тележки устанавливают мачту с блоком, направленным в сторону оси без отверстия. Через блок перекидывают нить с грузом и направляют ее к отверстию в оси. Намечают окно А шириной 8 мм, Длину окна и его место определяют с тем расчетом, чтобы нить, протянутая сквозь окно А и намотанная на ось, не задевала стенок отверстия (рис. 64).
59
Когда окно сделано, мачта убрана и один конец второй скобы прикреплен, приступают к проверке осей на параллельность. Тележку ставят на плоскость. Если не все колеса касаются, плоскости, то исправляют этот недостаток подкладкой под один из концов второй скобы. Установленную подкладку прикрепляют к площадке.
Остается проверить прямолинейность движения тележки. Тележку заставляют двигаться от толчка по направлению4 прямой, начерченной на плоскости. Если тележка уклоняется влево, то левые концы осей надо раздвинуть или правые сблизить. Если тележка уклоняется вправо, то правые концы осей надо раздвинуть или левые сблизить. Этого достигают путем перемещения незакрепленного конца второй скобы.
Когда оси установлены, свободный конец скобы закрепляют (не нарушать при этом достигнутую регулировку!).
Если делают две тележки, необходимые для средней школы, то вес их должен быть одинаков. Этого достигают подклейкой к более легкой тележке соответствующего груза, расположенного так, чтобы он не мешал прикреплению деталей, устанавливаемых на тележку.
У одной из двух тележек в торце площадки делают два выреза (рис. 53, а), в которых должна прочно удерживаться пружина (стр. 62). Вырезы доводят до основания крючка, укрепленного в крайнее окно площадки тележки.
Детали к тележке.
Крючок служит для прикрепления нити к тележке. Из фанеры толщиной 6 мм вырезают основание с шипом внизу (рис. 54, а). В шипу прорезают окно. Вверху основания укрепляют крючок из проволоки диаметром 1,5 мм. Шип вставляют в отверстие площадки тележки и снизу закрепляют клином.
«Пушка» с сачком используется при изучении третьего закона Ньютона (рис. 59).
Основание пушки делают из фанеры толщиной 6 мм согласно рисунку 54, б. Стволом пушки служит тонкостенная металлическая трубка диаметром 8—10 мм, длиной 70—80 мм. Один конец трубки закрыт донышком. Удобно- использовать гильзу от патрона для охотничьего ружья. При помощи жестяной полоски трубку прикрепляют к основанию, как указано на рисунке. К трубке подбирают две пробки: одну легкую, другую утяжеленную, например шурупом, ввернутым в нее. «Сухой спирт» или жидкое горючее с кусочком ваты помещают в жестяную крышку от бутылочной пробки. Пушку укрепляют в среднем отверстии площадки тележки посредством клина.
К пушке следует сделать сачок — улавливатель снаряда-пробки. В основании, сделанном по рисунку 54, в, укрепляют конец ручки каркаса сачка, согнутого из проволоки. На кольцо каркаса нашивают небольшой мешочек из марли. Улавливатель укрепляют перед дулом пушки в крайнее отверстие площадки тележки и за-60 .
крепляют клином. Стержень сачка изгибают так, чтобы центр обруча установленного сачка находился на линии прицела.
Мачта с блоком, установленная на тележке, служит для демонстрации перехода механической энергии из-одного вида в другой (рис. 64).
Устройство основания мачты видно на рисунке 54, г. В основании просверливают отверстие диаметром 6—8 мм, в которое вставляют на клей конец прямоугольного деревянного стержня высотой 200 мм, с поперечным сечением 8 мм X 8 мм. На верхнем кон-
це мачты устанавливают блок.
Обойму для блока делают из железа или из латуни толщиной около 1 мм. Вырезают фигуру по рисунку 54, д и загибают по пунктирам.
Обойму укрепляют к мачте проволочной скобой (рис. 54, г). Изготовление блока описано на странице 422. Ось диаметром 2— 3 мм укрепляют в блоке.
Блок отнесен в сторону для того, чтобы опускающийся груз не задевал мачту.
Перед опытом шип основания мач-
ты вставляют в среднее отверстие платформы тележки и закреп-
ляют клином.
Клинья служат для прикрепления к тележке деталей. Их делают 4 шт. из твердой древесины по рисунку 54, е.
Фанерная дощечка с брусками из пористой резины. Прибор используется для демонстрации изменения силы давления поставленного на него груза при изменении наклона опорной площадки (рис. 57).
Из трехмиллиметровой фанеры вырезают прямоугольную дощечку, к которой по концам прикрепляют два бруска, вырезанные из пористой резиновой губки (рис. 55). Размеры резиновых брусков даны ориентировочно. Под тяжестью гири в 1 кГ, поставленной на площадку, высота брусков должна уменьшиться раза в три-четыре. Бруски прикрепляют к дощечке прочной нитью, которой прошивают резину, продевают нить в отверстия в фанере и концы связывают.
Баллон для реактивной тележки. Баллон, прикрепленный к тележке, служит для демонстрации принципа действия реактивного двигателя.
Прибор состоит из удлиненного цилиндрического баллона (жестяной банки) длиной 150—200 мм, емкостью 350—500 мл. Стенки баллона толщиной 0,2—0,3 мм прочно соединяют в «замок» с до-
61
пышками и тщательно припаивают. В одно донышко впаивают конец металлической трубки диаметром 5—6 мм, длиной 20 мм. На трубку прочно надевают резиновый шланг длиной 50 мм. Баллон должен быть герметичен.
Перед опытом баллон помещают на платформу вдоль тележки и прочно привязывают к ней бечевой (рис. 62, а).
Для перекрытия резинового шланга из упругой стальной проволоки диаметром 0,8—1 мм делают «щипцы» по рисунку 62, б.
При испытании (стр. 68) тележка должна пробежать не менее двух-трех метров по горизонтальной ровной поверхности.
Пружина служит для отталкивания двух тележек друг от друга при демонстрации третьего закона Ньютона.
Пружину свивают из проволоки ПК диаметром 1—1,5 мм. Наружный диаметр пружины— 15 мм, число витков — 8, длина незагруженной пружины — 40 мм. Стержень для навивки пружины берут диаметром около 10—12 мм (табл. 3, стр. 473).
Упругостью крайних витков пружина должна удерживаться в вырезах торца площадки одной тележки.
Демонстрации
Кроме опытов, описанных на страницах 55, 79—91. можно показать следующие.
1) Демонстрация трения скольжения и трения качения. На стол или доску (21), горизонтальнр установленную на ящиках-подставках (5), помещают брус для изучения трения (стр. 119) и нагружают его тележкой, положенной вверх колесами. Динамометром (16) на 300 Г определяют силу трения скольжения бруса о стол.
Поставив тележку на доску (колесами вниз) и положив на тележку брус, передвигают ее при помощи динамометра, зацепив последним за крючок бруса. Динамометр не показывает силы трения, так как она мала и малочувствительным динамометром ее обнаружить нельзя.
Чтобы показать наличие силы трения, тележку тянут при помощи тонкой резинки (длиной 500—600 мм, поперечным сечением в 4—6 мм2). При передвижении тележки резинка заметно растягивается, обнаруживая силу трения качения.
Показать величину удлинения резинки можно следующим образом. Параллельно резинке протягивают нить, один конец которой скрепляют с концом резинки (в месте захвата рукой), а другой конец пропускают сквозь небольшую нитяную петлю, сделанную у. места прикрепления резинки к тележке. При натяжении нить протягивается сквозь петлю и тем отмечает удлинение резинки.
Вставив в отверстия колес кусок проволоки, затормаживают тележку. Динамометром тянут тележку, нагруженную брусом. Динамометр показывает силу трения, близкую по величине к той, какую он показывал при перемещении бруса, нагруженного тележкой. Это происходит потому, что теперь колеса тележки не катят
62
ся, а скользят по поверхности и трение качения заменилось трением скольжения.
Показать зависимость величины силы трения качения от нагрузки можно следующим образом.
Тележку тянут при помощи- тонкой резинки с контрольной нитью. Замечают растяжение резинки при тяге ненагруженной тележки.
Если тележку нагрузить брусом или гирей, например, в 500 г, то при движении нагруженной тележки резинка растянется значительно больше.
Рис. 56.
2) Разложение силы тяжести на наклонной плоскости. Посередине тележки укрепляют бечевой гирю в 1 кг, а на конце площадки устанавливают крючок.
Взвешивают тележку с гирей динамометром, после чего ставят тележку на горизонтально расположенную платформу. Тележка стоит неподвижно. Слегка наклоняют платформу — тележка скатывается по наклону. Чтобы узнать величину силы, движущей тележку (одну из составляющих силы тяжести), прикрепляют динамометр к крючку тележки посредством нити. Другой конец динамометра скрепляют со средней шпилькой на борту платформы.
Динамометр показывает величину составляющей силы тяжести тележки, направленной вдоль платформы. С увеличением угла наклона платформы эта сила увеличивается. При наклоне к горизонту в 30° сила, удерживающая тележку, равна половине ее веса. Находят показания динамометра при наклонах в 45° и 9001.
Наклоненную платформу закрепляют в лапке штатива или опирают на муфту, а наклоны в 30° и 45° определяют с помощью ватерпаса (19).
63
Определяют составляющую силы тяжести, перпендикулярную к плоскости платформы. Динамометр привязывают к головке гири, направляют перпендикулярно к плоскости платформы и натягивают до отрыва колес от поверхности опоры (рис. 56). Динамометр покажет величину силы давления тележки на платформу.
Рис. 57.
При горизонтально расположенной платформе эта сила равна весу тележки с грузом. По мере увеличения угла наклона давление на платформу уменьшается. Находят величину этой составляющей при наклонах в 30°, 45° и 90°.
Используя полученные цифровые данные, можно подтвердить, что разложение силы тяжести происходит по правилу параллелограмма.
Описанный опыт можно демонстрировать иначе. Чтобы показать одновременное изменение двух составляющих веса тележки при изменении наклона платформы, поступают следующим образом. На платформу помещают дощечку с прикрепленными брусками резиновой губки (стр. 61). На дощечку ставят нагруженную тележку, скрепив последнюю с платформой динамометром (рис. 57, а).
64
При горизонтальном положении платформы резиновые бруски* будут сильно сжаты весом тележки, а динамометр окажется незагруженным. Медленно поднимают один конец платформы, увеличивая угол наклона. Наблюдают, как динамометр показывает постепенное увеличение составляющей силы вдоль наклона, а высота брусков увеличивается, показывая этим постепенное уменьшение силы давления тележки на платформу (рис. 57, б).
3) Движение тел разных масс под действием одинаковых сил, прилагаемых на одинаковом расстоянии. На ящиках-подставках
Рис. 58.
(5) устанавливают горизонтально платформу. В лапке штатива зажимают конец упругой полосы (например, полотно ножовки), расположенной вертикально. Нижний конец полосы отстоит от левого бортика платформы на 3—4 см и не касается доски. На платформу ставят тележку.
Отгибают полосу до бортика платформы и пододвигают тележку вплотную к упругой полосе (рис. 58). Затем отпускают полосу. Ее упругая сила толкает тележку, которая после разгона движется по платформе со значительной скоростью.
Повторяют опыт, укрепив на тележке груз, например гирю 500 г. Та же упругая сила полосы действовала на том же расстоянии, но тележка получила скорость, в несколько раз меньшую, чем в первом случае.
4) Демонстрация взаимодействия между магнитом и железом. На доску (21) ставят тележку. На тележку помещают железный брусок, к которому приближают один из полюсов магнита. При достаточном приближении магнита тележка с бруском начинает двигаться. Если отодвигать магнит, сохраняя между ним и желе-
3 Заказ 1530
65
зом небольшое расстояние, то вслед за магнитом будет двигаться тележка.
Затем на тележку помещают магнит, а железный брусок берут в руки и повторяют опыт. Делают вывод: железо и магнит притягиваются друг к другу взаимно.
Если в описанном опыте тележка начинает двигаться лишь при значительном сближении магнита и железа и соприкосновения их избежать трудно, то при помощи клина доске дают небольшой наклон в сторону движения тележки, чтобы компенсировать трение.
5) Демонстрация третьего закона Ньютона при помощи «пушки». Платформу устанавливают горизонтально на ящиках-подставках. В среднем отверстии площадки тележки посредством клина укрепляют «пушку». В «спушку» наливают воду (0,5—1 мл) и закупоривают хорошо пригнанной утяжеленной пробкой. Под нижний конец «ствола» ставят жестяную баночку с топливом. Тележку d «пушкой» ставят посередине платформы и зажигают спирт (рис. 59, а). Давлением паров пробка выбрасывается из трубки (результат действия), а тележка откатывается назад (результат противодействия).
Сделав установку по рйсунку 59, б, показывают, что действие равно противодействию по величине и обратно по направлению.
Рис. 59.
6) Опыты с взаимно отталкивающимися тележками. Платформу устанавливают горизонтально на ящиках-подставках (5). На шпильки продольного бортика платформы надевают масштабную линейку с сантиметровыми делениями.
Между площадками тележек устанавливают цилиндрическую пружину, вставив ее в вырезы на торце одной площадки. Тележки сближают вплотную (сжимая пружину) и стягивают нитяным кольцом (рис. 60). Тележки помещают посередине платформы и пере-
rm й g-и Him т ШЫ
Рис. 60.
жигают нить. Пружина расталкивает тележки в противоположные стороны, и они одновременно ударяются в борта платформы, от которых отстояли на одинаковых расстояниях. Тележки, имея одинаковые массы, приобрели одинаковые скорости.
Если массы тележек сделать различными (к одной из них привязать груз), то тележки одновременно достигнут бортов плат
Рис. 61.
формы только в том случае, если им придется пробежать пути, обратно пропорциональные своим массам (то есть тележки приобретут одинаковые количества движения).
7) Опыт с взаимно притягивающимися тележками. Предыдущий опыт можно показать иначе.
Тележки связывают между собой тонким резиновым шнуром толщиной 2—3 мм так, чтобы при установке тележек у противоположных бортов платформы резинка была натянута с силой 50—60 г. Нить должна удерживать тележки прижатыми к бортам платформы (рис. 61).
После пережигания нити тележки одновременно начинают двигаться навстречу друг другу.
- 3*
67
Если массы тележек одинаковы, то тележки столкнутся посередине платформы. Если массы тележек различны, то до столкновения тележки пройдут расстояния, обратно пропорциональные своим массам.
8) Демонстрация пробега реактивной тележки. Баллон прочно привязывают к тележке (рис. 62, а). Шланг на баллоне соединяют с нагнетательным наконечником воздушного ручного насоса. В баллон нагнетают воздух до возможно большего давления (кач-
Рис. 63.
ков 40—50) и шланг прочно перекрывают пружинным зажимом. Концы зажима связывают нитью (устройство зажима показано на рисунке 62, б). Тележку ставят вдоль демонстрационного стола и пережигают нить, скрепляющую зажим. Струя воздуха вырывается из шланга и толкает тележку, которая пробегает весь стол.
68
Чтобы предотвратить падение тележки на пол, необходимо поставить учащегося у другого конца стола, поручив ему пой
мать тележку.
9) Измерение работы на наклонной плоскости. Демонстрационным метром убеждаются?что длина доски (21) равна 1 м. Посередине площадки тележки укрепляют основание с крючком. Вокруг осно-
вания устанавливают гирьки, доводящие вес тележки до 1 кг. Гирьки скрепляют кольцом из резиновой ленты. К тележке полезно сделать маленький ящичек для нагрузки тележки тарой до требуемой величины.
С помощью динамометра, прицепленного к крючку тележки, убеждаются, что тележка весит 1 кг. На стержне штатива укрепляют муфты на различной высоте, выраженной целыми числами дециметров. Расстояния от стола до муфт измеряют демонстрационным метром.
На доску помещают загруженную тележку (рис. 63) и находят, что сила, потребная для удержания тележки на наклонной плоскости (за ис
ключением трения, которое
динамометр не обнаружит из-за малой чувствительности), во столько раз меньше веса тела, во сколько высота наклонной плоскости меньше ее длины. Отсюда нетрудно доказать, что во всех случаях работа, потребная для подъема тележки по наклонной плоскости (не считая трения), равна работе при отвесном подъеме той же
тележки на ту же высоту.
10) Демонстрация перехода механической энергии из одного вида в другой. На тележку устанавливают мачту, к основанию которой привязывают гири 400 г (рис. 64). На блок мачты накидывают нить. Один конец нити продевают в окно площадки и закрепляют в отверстии на оси тележки. К другому концу нити подвешивают груз 100 г так, чтобы он почти касался платформы. Откатывая тележку (слегка прижимая ее к столу), наматывают на ось нить. При этом груз поднимается и приобретает потенциальную энергию. Тележку отпускают — снижающийся груз двигает тележку. Потенциальная энергия поднятого груза постепенно уменьшается,’ переходя в кинетическую энергию движущейся тележки. Затем наблюдают, как кинетическая энергия переходит снова в потен
69
циальную. После этого тележку на мгновенье остановится и покатится в обратную сторону. Через несколько пробегов тележка остановится: потенциальная энергия поднятого груза перейдет в теплоту.
11) Демонстрация упругого удара тел одинаковых и различных масс. На ящиках-подставках (5) горизонтально устанавливают платформу и закрепляют ее в лапках двух штативов за поперечные бортики. На торце площадки одной тележки укрепляют пружину, привязав последний ее виток к основанию крючка.
Тележку с пружиной помещают* посередине платформы. Другую тележку ставят в конце платформы, «нацеливают» на пружину неподвижной тележки и коротким разгоном придают ей скорость*
70
Происходит упругий удар. В результате удара движущаяся тележка остановится, а неподвижная приобретет скорость ударившей (когда массы тележек одинаковы).
Разгоняемую тележку утяжеляют гирей в 200 г, прочно привязанной к платформе. Теперь в результате удара неподвижная тележка приобретает скорость ударившей, но ударившая тележка не остановится, а будет продолжать свое движение с уменьшенной скоростью.
Делают третий опыт. Тележку с грузом ставят посередине платформы, а тележке без груза придают некоторую скорость. В результате упругого удара тележка с грузом получит небольшую скорость вперед, а ударившая тележка без груза начнет двигаться назад.
Наконец, на платформе оставляют одну тележку, разгоняют ее, и она пружиной ударяется в борт платформы. В результате удара тележка получает такую же по величине скорость, но в обратном направлении. Последний опыт удается в том случае, если платформа будет очень хорошо укреплена.
23. ПРИСПОСОБЛЕНИЯ К ПРИБОРАМ (22) ДЛЯ ЗАПИСИ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛЕЖКИ
Капельница с доской. Для записи движения тележки отметками можно воспользоваться капельницей. Такая запись проста, хорошо видна классу ц дает достаточно верные результаты для опытов качественного порядка.
71
Рис. 67.
Изготовление капельницы и доски для записи. Основание для крепления баночки капельницы делают из фанеры по рисунку 65, а. К узкому выступу основания прикрепляют железную полоску . размерами 10 мм X 60 мм, толщиной 1—1,5 мм, изогнутую под углом 90°.
Соединение жестяной баночки со стеклянным наконечником, имеющим выходное отверстие 1,5—2 мм в диаметре, видно на рисунке 65, б. Краны и наконечник прикрепляют проволокой к узкому выступу основания и к железной полоске (рис. 65, б).
Перед опытом капельницу устанавливают поперек площадки тележки (22) и прикрепляют к ней клином (рис. 67).
Запись каплями производит на наклонной доске, которую делают из фанеры, или прямослойной доски толщиной 6 мм (рис. 66).
Доска помещается между двух кронштейнов, подвешиваемых к бортам платформы (22) и скреплена с ними шарнирно шурупами. Это позволяет придавать доске требуемый наклон. Кронштейны делают по рисунку из фанеры толщиной 9 мм.
К большому катету каждого кронштейна прикрепляют на шурупах железную полоску толщиной 1—1,5 мм, размерами 46 мм X X 9 мм, согнутую под прямым углом. В 15 мм от катета кронштейна в каждой полоске просверливают по отверстию под шпильки, укрепленные в бортах платформы (22). Доску окрашивают белой масляной или эмалевой краской с обеих сторон. Кронштейны покрывают лаком.
Из белой жести делают два ковша с крючками и с жестяными ведерками на концах. Ковши вешают на гвоздики, вбитые в доску в 75 мм от торцов, как указано на рисунке 67.
Хронограф вибрирующий для записи движения кисточкой. Хронограф, укрепленный на платформе (22), и тележка с установленным на ней цилиндром позволяют производить демонстрационные записи различных прямолинейных движений путем нанесения штрихов через равные, заранее известные промежутки времени. Это обеспечивает возможность изучения кинематики и динамики из опытных данных.
Хронограф вибрирующий состоит из стойки а (рис. 68), которая при помощи клина б прикрепляется к платформе в.
Вверху стойки на поворотной головке г укреплен конец упругой стальной пластинки д. На свободном конце пластинки расположена оправка с кисточкой е. На пластинке укреплен груз ж, 72
масса и положение которого подобраны так, что конец упругой пластинки с кистью, будучи выведен из равновесия, дает 10 полных колебаний в секунду.
На рисунке кисть хронографа касается цилиндра для записи з, установленного на тележке (22). Благодаря поворотной головке г, закрепляемой болтиком с гайкой-барашком, кисть можно устанавливать на требуемой высоте.
Рис. 68.
Изготовление прибора. Стойку вибратора делают из древесины твердой породы. К планке 1 длиной 100 лш, сечением 20 мм X 10 мм прикрепляют клеем и шурупами два бруска 2 и 3, имеющие формы, указанные на рисунке 69, а. В нижнем торце верхнего бруска делают выемку, соответствующую поперечному сечению бортика, идущего вдоль края платформы (22). Верхний торец бруска 3 имеет вырез, который после сращивания бруска 3 с планкой 1 превращается в паз для шипа поворотной головки 4, Шип поворотной головки с достаточным трением вставляют в паз стойки и шарнирно закрепляют болтиком с гайкой-барашком.
На верхней площадке поворотной головки помещают две железные пластинки толщиной 1,5—2 мм. В пластинках сверлят по два отверстия под шурупы. Между пластинками помещают конец стальной упругой полосы (например, полотно от ножовки по металлу) и зажимают шурупами, ввернутыми в стойку.
У небольшой акварельной кисточки оставляют ручку длиной 20 мм (вместе с оправкой), остальное отрезают. Для кисточки делают держалку из жестяной полоски толщиной 0,2 мм, как указано на рисунке 69, б. Готовую держалку приклепывают к свободному' концу стальной полосы.
В описанной держалке кисточку можно устанавливать либо поперек, либо вдоль вибратора (в зависимости от надобности).
73
Для устойчивости амплитуды колебаний вибратора на конец упругой полосы (близ кисточки) укрепляют груз массой 8—10 г. Требуемую частоту колебаний достигают изменением длины упругой полосы.
Градуировка вибратора описана на странице 78.
Цилиндр для записи движения вибрирующим хронографом с . кольцами и подставками. Цилиндр длиной 770 мм и диаметром 40 мм можно выточить из дерева или сделать полым из бумаги, накатанной на прямой круглый стержень и хорошо проклеенной столярным клеем. Толщину стенок делают 3—4 мм.
Рис. 69.
Запись движения тележки производят на бумаге, которую навертывают на цилиндр и укрепляют упругими кольцами, согнутыми из стальной проволоки диаметром 1 мм (рис. 70, а).
Цилиндр устанавливают на двух подставках, вставляемых в крайние отверстия площадки тележки и закрепляемых клиньями (рис. 70, б).
Подставки делают деревянными по рисунку 70, в. Цилиндр для записи покоится на верхних плоскостях двух подставок и удерживается Пружинными скобами. Скобы делают из упругой стальной проволоки диаметром 0,6—0,7 мм. Концы проволоки навивают на стержень диаметром 5—6 мм, получают две пружины по 8 витков. Проволоку между пружинами длиной 80—85 мм
74
изгибают по цилиндру. Концы пружины шурупами прикрепляют к подставке. Цилиндр должен хорошо прижиматься к подставкам и при небольших толчках не смещаться по ним.
В подставке укрепляют крючок из проволоки диаметром 1,5—2 мм.
Цилиндр для записи вибратором свободного падения. Цилиндр делают полым из хорошо проклеенной бумаги. Диаметр цилиндра— 50 мм, длина —1,3 м, толщина стенок —3 мм. Один торец цилиндра закрывают деревянной пробкой. На другом конце укрепляют проволочную дужку для подвешивания цилиндра.
Рис. 70.
Запись производят на бумаге, которой обертывают цилиндр (можно использовать обратную сторону обоев). Кромки бумаги скрепляют клеем.
- Для записи графика колебаний хронографа делают дощечку по рисунку 81, б (стр. 91), которую устанавливают на тележку (22).
Установка и регулировка приборов. Установка приборов для записи капельницей равномерного движения тележки указана на рисунке 73.
Доске для записи придают максимальный наклон к учащимся, при котором капли не стекают.
Платформу немного наклоняют в сторону движения тележки для компенсации трения. Наклон осуществляют подкладкой клина прибора (26) и считают установленным, если от незначительного
75
толчка тележка будет медленно двигаться, не меняя заметным образом скорости на протяжении всей платформы.
Установка приборов для записи равномерного движения с вибрирующим хронографом показана на рисунке 71. На платформе устанавливают вибрирующий хронограф (рис. 68). Кисть хронографа должна находиться посередине платформы.
Рис. 71.
На площадке тележки в крайних окнах укрепляют клиньями две подставки для установки цилиндра. Приподняв пружинящие скобы подставок, вводят под них цилиндр с белой бумагой для записи. Цилиндр устанавливают вдоль тележки так, чтобы концы его одинаково выдавались за пределы тележки (рис. 70, ,6).
Поворотом головки устанавливают кисть хронографа на уровне геометрической оси цилиндра.
Ось цилиндра направляют строго по движению тележки. Тележку устанавливают на конце платформы, плотно прижав торец ее к борту. Кончик кисти вибратора должен прикасаться к поверхности переднего конца цилиндра.
76
Заставив тележку катиться от кратковременного разгона вдоль платформы, наблюдают за касанием кисти поверхности цилиндра. Сдвигая в ту или инук^ сторону задний конец цилиндра, добиваются, чтобы кисть одинаково касалась цилиндра по всей его длине.
При вибрации хронографа кисть должна чертить на цилиндре поперечные черточки толщиной 2—3 мм, длиной 5—8 мм.
Равномерность движения тележки после разгона обеспечивают наклоном платформы, компенсирующим трение тележки (рис.71, а).
Затем делают пробную запись равномерного движения. Если расстояния между штрихами на цилиндре оказались одинаковыми, то установку считают оконченной и прибор подготовленным для демонстрации равномерного движения.
Описанную установку делают перед уроком.
Установка приборов для записи равнопеременного движения с вибрирующим хронографом. Равноускоренное движение тележки можно осуществить двумя способами: 1) наклоном платформы и 2) тягой тележки снижающимся грузом.
В первом случае наклон платформы осуществляют несколькими подкладками из комплекта (5). Во втором случае установку делают по рисунку 71, б, компенсировав трение тележки, как указано выше.
Для получения равнозамедленного движения тележку застав-ляют двигаться от короткого разгона вверх по наклонной плоскости или горизонтально с подъемом тянущего груза.
Установка хронографа и цилиндра на тележке такая же, как указано на странице 76.
Запись движения тележки вибрирующим хронографом. Установив тележку, смачивают кисть тушью1. Так как частота колебаний пружины хронографа постоянна, то кисть будет наносить черточки на бумагу цилиндра через равные промежутки времени. Приводят вибратор в колебание и рукой осторожно делают короткий разгон тележки по направлению ее хода (не-сбить тележку с установленного направления!).
Вибрирующий хронограф наносит черточки при движении кисти вверх и вниз, поэтому на движущемся цилиндре черточки получаются наклоненными то в одну, то в другую сторону. Они представляют средние части синусоиды, которую выписала бы кисть хронографа на движущейся вертикальной плоскости (рис. 72).
Чтобы учащиеся поняли, почему черточки имеют разные наклоны, можно показать запись синусоиды хронографом на плоской дощечке, установленной на тележке (рис. 81, а).
Путь, пройденный тележкой за одно полное колебание хронографа, определяется расстоянием .между соседними черточками, наклоненными в одну сторону. Поэтому черточки с выбранным наклоном выделяют цветным карандашом.
Запись, сделанная хронографом на цилиндре, позволяет узнать
1 Чтобы тушь не так скоро высыхала, к ней можно добавить немного глицерина,
7?
длину пути, пройденного тележкой от начала движения до момента нанесения данной черточки.
Так как хронограф делает десять полных колебаний в секунду, то в секундах время движения тележки между данными черточками определяют делением на 10 числа промежутков, заключенных между этими черточками.
Запись равноускоренного движения производится так. Тележку с цилиндром осторожно подводят к концу платформы и прикрепля-
ют нитяным кольцом, накинутым на крючок подставки для цилиндра и на среднюю шпильку боковой стенки платформы. Смачивают кисть хронографа тушью, приводят упругую пластинку в колебание и пережигают нитяное кольцо.
Запись равнозамедленного движения производят следующим образом, Коротким разгоном направляют тележку вверх-по наклону (или по горизонтальной платформе, если при движении тележка будет поднимать груз). Перед приближением скорости к нулю тележку останавливают, чтобы не допустить обратного движения
Размножение хронографических записей движения. Запись движения можно размножить и раздать учащимся для изучения.
До урока заготовляют бумажные ленты соответствующего размера. Через середины черточек на записи движения проводят прямую. Накладывают запись на стопку лент и скрепляют с ней. В точках пересечения черточек с прямой делают аккуратные вертикальные проколы всей стопки тонким шилом.
Можно размножить запись еще так. Лист бумаги крепят на чертежную доску. По кромке доски располагают полоску записи и, пользуясь рейсшиной, разграфляют по черточкам лист, который после этого разрезают на требуемое количество поперечных полос.
Градуировка вибрирующего хронографа. Делают установку приборов, описанную на странице 77 (рис, 71, б). Особое внимание уделяют установке компенсирующего уклона платформы, которую считают законченной, если на записи равномерного движения тележки расстояния между соседними черточками на всем пути тележки не отличаются друг от друга больше чем на 1 мм. Тележке при этом дают такой разгон, чтобы вибратор наносил черточки через 40— 60 мм.
78
Измеряют массу тележки с цилиндром и тянущим грузом и производят запись равноускоренного движения.
Тянущий груз следует выбирать в 20—30 раз меньше веса движущейся системы (нагруженной тележки с цилиндром и тянущим грузом), но не меньше 20 Г.
Если масса, движущейся системы (предположим, 600 г) и сила тяги (например, 30 Г) известны, то ускорение
30-980 см лс. , 2
а =---------ъ 49 см/сек^.
600 сек2
Делают запись движения тележки вибратором, частота колебаний которого установлена приблизительно. По записи находят ускорение, предполагая, что хронограф делал 10 полных колебаний в секунду.
Ускорение находят следующим образом. Измеряют разницу между длинами (п + 10)-го и л-го промежутков. Эта разница, выраженная в миллиметрах, и дает ускорение с размерностью CMlcet?~ Другими словами, найденная величина в десять раз меньше искомого ускорения а. В этом нетрудно убедиться из простых теоретических соображений.
При этом начальный n-й промежуток можно брать любой, лишь бы в записи, считая по ходу тележки, после него нашелся (л + 4- 10)-й. Первыми двумя-тремя промежутками и последним пользоваться не следует.
Если разница между (п + 10)-м и л-м промежутками оказалась больше вычисленной (в примере 49 мм), то, значит, хронограф давал меньше 10 колебаний в секунду. Необходимо укоротить упругую полоску или уменьшить массу груза.
Если разница между измеряемыми промежутками оказалась меньше вычисленной, то хронограф делал больше 10 колебаний в секунду. В этом случае надо удлинить упругую полосу или увеличить массу груза.
Когда разница между измеряемыми промежутками будет равна вычисленной, то хронограф можно считать отрегулированным. На упругой полосе у зажимающих ее пластинок делают пометку.
Так как на результаты опыта влияют момент инерции блока, трение и нагрузка на тележку, то после градуировки следует проверить движение тележки (по записям) с другими движимыми массами и тянущими грузами и установить те границы, в пределах которых определенные ускорения достаточно близки к вычисленным теоретически.
Демонстрации
Опыты с капельницей. 1) Равномерное движение тележки. Установка приборов описана на странице 75.
В бачок капельницы наливают краситель1, открывают первый
Фекомендуется водный раствор марганцовокислого калия. При этом запись легко стирается тряпочкой и не оставляет следов на доске.
79
кран, а вторым краном регулируют частоту падения капель (20 капель за 10 сек). Когда рёгулировка закончена, закрывают первый кран, не трогая второй.
Установку приборов и регулировку частоты падения капель делают до урока.
Тележку прижимают торцом площадки к борту платформы в четырех сантиметрах от кромки, открывают первый кран и (после нескольких упавших капель) дают короткий разгон тележке. По-
Рис. 73.
следняя двигается по инерции, оставляя на доске капли красителя, отстоящие друг от друга приблизительно на одинаковых расстояниях. Снова устанавливают тележку, но в сантиметре от кромки платформы. Повторяют запись с той же частотой падения капель, но тележке придают другую скорость. Капли ложатся в ряд, параллельный первому, но ниже его (рис. 73). Сравнивая полученные записи между собой, вводят понятие о скорости равномерного движения. Определяют скорости записанных движений. Для этого измеряют в сантиметрах расстояние между n-й и (п + 2)-й каплями. Разделив найденное расстояние на секунду, получают скорость \7см1 * /сек*
2) Понятие о неравномерном движении. Двигают тележку рукой, непрерывно меняя скорость, то ее увеличивая, то уменьшая. Капли ложатся на различных друг от друга расстояниях; значит за равные промежутки времени тележка проходила неодинаковые пути.
Опыты с вибрирующим хронографом. 1) Равномерное движение и определение его скорости. Установка и регулировка приборов описаны на странице 77.
Ознакомив учащихся с хронографом и сообщив, что он делает 10 колебаний в секунду, записывают равномерное движение тележки с малой скоростью. Затем, придерживая цилиндр, повертывают на нем бумагу (это надо сделать осторожно, чтобы не сдвинуть цилиндр, установленный и проверенный перед опытом). Параллельно первой записи делают запись второго равномерного движения с значительно большей скоростью. Отмечают цветным карандашом штри-ьи
хи, имеющие одинаковые наклоны. Эти штрихи наносились через одинаковые промежутки времени, равные 0,1 сек.
С помощью циркуля или шаблона, вырезанного из цветной бумаги, убеждаются, что у каждой записи промежутки между соседними штрихами всюду одинаковы. Таким образом в обоих случаях тележка двигалась равномерно.
Из записи можно определить скорости как отношение длины 10 промежутков1 к секунде.
Запись показывает одинаковость промежутков, пройденных за каждые 0,1 сек. Достаточно ли этого для утверждения о равномерности движения тележки?
Теоретически недостаточно, так как внутри промежутков между соседними черточками тележка могла двигаться неравномерно. Однако наблюдения за движением тележки не дают повода к такому опасению. Теоретически равномерность движения можно обосновать так.
Если неизвестно, равномерно ли двигалась тележка, то отношение пройденного пути за секунду к секунде можно считать лишь средней скоростью, которую имела тележка в течение данной секунды.
Чтобы убедиться в равномерности движения тележки, надо определить ее среднюю скорость за различные интервалы времени, включая и очень малые. Для этого берут не 10, а только 5 промежутков и находят отношение пройденного пути к соответствующему интервалу времени. Получают среднюю скорость за данные 0,5 сек! Так же находят среднюю скорость за 0,3 сек (3 промежутка) и за 0,1 сек (один промежуток), причем эти промежутки берут в различных участках записи. В результате получают одно и то же значение средней скорости.
Если бы хронограф делал отметки через как угодно малые, но равные интервалы времени и если для любых интервалов времени средняя скорость оставалась бы неизменной, то можно считать движение тележки равномерным: ее скорость была бы равна найденной постоянной средней скорости.
2) Средняя скорость неравномерного движения. Установив тележку относительно хронографа и приведя последний в колебание, двигают тележку рукой, непрерывно. меняя скорость. Очевидно, скорость тележки минимальная там, где промежуток между отметками наименьший.
• Разделив расстояние (выраженное в сантиметрах) между принятой за нулевую и десятой отметками на одну секунду (время пробега этого пути), получают среднюю скорость тележки за данную секунду (рис. 74). Взяв длину пяти промежутков, например от 3-го до 8-го штриха, и разделив ее на 0,5 сек, получают среднюю ско-
1 Под словом «промежуток» здесь и в дальнейшем разумеется расстояние между двумя ближайшими штрихами, нанесенными хронографом»
81
рость тележки на данном пути» Разделив расстояние между двумя соседними черточками на 0,1 сек и повторив это на другом участке пути, находят средние скорости для данных участков. Все найден-
.0 J ,2 3 4 567 8 9 10 11 12
• I/"—. 1////—S2
vcp / ' vcp Q5 > vcp 0.5
Vmin;V5-6i Vmax>Vn-f2
Рис. 74.
ные средние скорости будут различны, что и характеризует неравномерность движения.
3) Скорость переменного движения в данный момент. Установка приборов описана на странице 77.
а) Записывают движение тележки, передвигаемой неравномер-
Г Г г ।
I i V-4-
5^
I— п
У $з > о? 8,
Рис. 75.
но рукой. Доведя тележку до середины платформы, предоставляют тележке двигаться дальше по инерции. Из записи видно, что с момента прекращения действия руки тележка двигалась равномерно, сохраняя ту скорость, какую она имела в момент прекращения действия на нее внешней силы.
б) Можно дать иное, более отвлеченное понятие о скорости в данный момент. Записывают движение, в котором тележка меняла свою скорость лишь в одном направлении, то есть только увеличивая ее1 или только уменьшая.
Отношение пути, пройденного тележкой при неравномерном движении за 0,1 сек, к 0,1 сек выражает среднюю скорость тележки в течение данной 0,1 сек. Нетрудно видеть, что сравнивать средние скорости тележки за 0,1 сек в различных пунктах ее пути можно сопоставлением промежутков между двумя соседними отметками.
Сравнивая промежутки 1-й и 10-й (рис. 75), а затем 1-й и 5-й, 1-й и 3-й и, наконец, 1-й и 2-й, убеждаются, что средняя скорость
хМожно воспользоваться равноускоренным движением (стр. 78)*
82
менялась тем меньше, чем меньше интервал времени разделял сравниваемые скорости.
Отсюда становится очевидным: чем меньше выделенный интервал времени, тем меньшее изменение скорости обнаруживается в течение этого интервала (для данного движения).
Если бы хронограф делал не 10, а 100, 1000 или еще больше колебаний в секунду, то в течение этих, как угодно малых интервалов времени скорость тележки изменялась бы также чрезвычайно мало. Тогда средняя скорость за данный, как угодно малый интервал времени очень мало отличалась бы от скорости в начале и в конце этого интервала. Отсюда следует, что скорость движения в данный момент можйо определить как отношение пройденного пути AS к времени А£, если А/ как угодно мало отличается от 0.
4) Равноускоренное движение. Установка приборов описана на странице 77 (указания по записи движения см. стр. 78). Для тяги тележки выбирают груз от 10 до 30 г1.
Записав два равноускоренных движения тележки, приступают к изучению записей1 2.
В результате приходят к следующим выводам:
а) Расстояния между соседними отметками постоянно увеличиваются.
б) За любые равные интервалы времени (по 0,5, 0,2, 0,1 сек) проходимые пути возрастают на одну и ту же величину, то есть скорость нарастает равномерно.
в) При большем наклоне или большем тянущем грузе нарастание скорости происходит быстрее.
Так как скачкообразности движения в данных опытах быть не может, то равномерность нарастания скорости будет иметь место и при любой, сколь угодно большой частоте колебания хронографа. Поэтому в результате изучения записи можно утверждать, что тележка двигалась равноускоренно.
Указание. Большую помощь в дальнейшем изучении равноускоренного движения окажет умение по записи быстро находить скорость для любого отмеченного хронографом момента времени.
Сначала узнают среднюю скорость равноускоренного движения на том или ином участке пути (стр. 81), содержащем нечетное число промежутков (рис. 76, а). Для этого длину данного участка делят на столько равных частей, сколько промежутков он содержит. Замечают, что полученные отрезки равны среднему промежутку выбранного участка пути в записи равноускоренного движения. Исследуя различные участки записи и предполагая, что хронограф может делать отметки через очень малые, но равные интервалы времени, приходят к выводу, что при равноускоренном движении сред
1 Если ускорение будет велико? то тележку соответственно загружают. При небольшом тянущем грузе довольно сильно сказывается момент инерции блока, что мешает получить хорошие результаты.
2 Полученные записи полезно размножить и раздать учащимся.
83
няя скорость за любой выбранный интервал времени равна скорости в средний момент этого интервала.
Таким образом, для определения скорости равноускоренного движения в момент, отмеченный штрихом, достаточно расстояние между Двумя ближайшими штрихами, лежащими по обе стороны от данного, разделить на время пробега этого расстояния, то есть на 0,2 сек (рис. 76, б).
I----1--1—ч-------1-----1 -!-1
0 Н-I---1-1---| „.I--1----1-------1-----Ь
Sep-San. где П нечетное число
, Sn 2
б 1-1—I—I-----1------1---1-----1-----1------н
п -
См/сек
Рис. 76.
5) Определение ускорения равноускоренного движения. Ускорение измеряют отношением приращения скорости к времени этого приращения.
Определяют скорость в начальный момент некоторой секунды и в ее конечный момент 1 (рис. 76, б):
^0 = ~ см/сек-, У10 = см!сек.
Вычтя из конечной скорости начальную, получают изменение скорости за секунду:
Vio-Vo = ^^-см!сек.
Найдя отношение изменения скорости за секунду к одной секунде, получают ускорение, которое выразится формулой:
Vio — Vo S10 — s0 .
а = —I»-----_ ----±-см сек сек, или
t . 0,2-1
а = .$1р~Л> см/сек2.
0,2
Находят ускорение тележки, приняв за начало отсчета другой штрих записи. Убеждаются в постоянстве ускорения при равноускоренном движении.
1 Первые два-три штриха брать не следует, так как вначале движение тележки могло еще не установиться.
84
Найдя ускорение тележки по другой записи, отмечают, что ускорение тем больше, чем больше наклон платформы или чем больше груз, тянувший тележку.
Можно дать более общее понятие об ускорении. Определяют изменение скорости за произвольный промежуток времени. Отношение изменения скорости к времени есть среднее ускорение за этот промежуток времени. Проделав то же в различных участках записи
Рис. 77.
и с различными интервалами времени, убеждаются, что при равноускоренном движении среднее ускорение постоянно и, очевидно, равно истинному ускорению а,
6) Демонстрация закона пройденных расстояний при равноускоренном движении. Из графика скорости равноускоренного движения (рис. 77, а) видно, что если бы начало движения тележки совпало с нанесением нулевого штриха, то первый промежуток в записи (расстояние между нулевым и первым штрихом) был бы в три раза меньше второго промежутка (расстояние между первым и вторым штрихом). Известно также, что при равноускоренном движении приращение каждого последующего промежутка всюду одинаково.
Делают запись с заранее подобранным ускорением, при котором на цилиндре уложится 26—27 промежутков. Запись производят тонкими штрихами — кончиком кисточки. Приращение промежутков при этом будет около 2 мм. Это приращение AS определяют возможно точнее следующим образом. Измеряют в миллиметрах расстояние между (п + 20)-м и n-м промежутками, которое делят на 20 (n-й промежуток берут после трех-четырех хорошо различимых штрихов). Теперь следует найти 25-й промежуток. На записи
85
этот промежуток трудно отсчитать, так как кисть часто замазывает то место, где был нанесен первый штрих. Однако 25-й промежуток можно найти иначе. Пользуясь графиком, изображенным на рисунке 77, а, нетрудно вычислить, что 25-й промежуток будет равен 24,5 AS, а 26-й промежуток будет равен 25,5 AS, если нулевой штрих совпал с началом движения тележки. Если же нулевой штрих был нанесен позже начала движения, то 25-й промежуток будет несколько больше 24,5 AS, но меньше 25,5 AS. Таким образом длина 25-го промежутка /25 будет находиться в пределах
24,5 AS С/25 < 25,5 AS.
Раскрывают циркуль на расстояние 24,5 AS мм и им находят промежуток, равный отмеченному расстоянию или несколько больший, но не достигший 25,5 AS мм.
Очевидно, найденный промежуток 25-й. Исходя от него, отмечают промежутки 20-й, 15-й, 10-й и 5-й; эти промежутки закрашивают (рис. 77, б).
Способ нахождения 25-го промежутка учащимся не раскрывают, а прямо указывают, что закрашенные промежутки суть 5-й, 10-й... 25-й, что легко подтвердить подсчетом.
Очевидно, тележка пробегала закрашенные места через 0,5 сек.
Измеряют демонстрационным метром расстояние от нулевого штриха до конца 25-го промежутка и делят это расстояние на 25 равных частей. Найденный отрезок пути / принимают за единицу. С помощью циркуля или сделанного из бумаги шаблона убеждаются, что расстояния от нулевого штриха до закрашенных промежутков то есть пропорциональны квадратам це
лых чисел, а расстояния между окрашенными промежутками (считая за первое расстояние от нулевого штриха до первого закрашенного промежутка) соответственно равны 1 /, 3 /, 5 /, 7 /, 9 /, то есть пропорциональны ряду нечетных целых чисел.
Объясняют, что если бы начало движения тележки совпало с моментом нанесения нулевого штриха, то концы откладываемых отрезков совпали бы с концами окрашенных промежутков. Однако указанного совпадения почти не бывает. Поэтому концы откладываемых отрезков располагаются внутри окрашенных промежутков,
Рис. 78.
равны 1/, 4/, 9/, 16 / и 25 /,
86
не выходя, однако, за их пределы. Последнее является подтверждением правильности выводов о пройденных расстояниях при равноускоренном движении, так как отставание в нанесении нулевого штриха от момента начала движения не может достигнуть одного промежутка.
7) Демонстрация записи свободного падения тела. Определение ускорения g. Установка приборов показана на рисунке 78. Кисть, укрепленная вдоль упругой пластинки хронографа, должна выступать за кромку стола на 60—70 мм. Цилиндр должен висеть совершенно отвесно. Кисть неподвижного хронографа должна хорошо касаться нижней кромки цилиндра.
Цилиндр немного приподнимают за нить (чтобы он не касался кисти) и смачивают кисть тушью. Вибратор приводят в колебание и пережигают нить. Цилиндр свободно падает, а кисть вибратора наносит на нем черточки.
Можно сделать еще одну запись, опустив цилиндр с насыпанным в него песком.
Исследуют полученные записи. Штрихи, наклоненные в одну сторону, выделяют цветным карандашом. Из записей узнают, что свободное падение тела происходит равноускоренно. Зная, что вибратор делал десять отметок в секунду, вычисляют ускорение свободно падающего тела g (стр. 84), которое в обоих случаях должно получиться близкими 980 см/сек*. Таким образом, опыт показывает, что ускорение свободно падающего тела не зависит от его веса.
8) Демонстрация пропорциональности между действующей -силой и ускорением. Приборы устанавливают для записи равноускоренного движения тележки под действием снижающегося груза (рис. 71, б)., У клон платформы, компенсирующий трение, устанавливают возможно тщательнее. Вес тележки с цилиндром доводят до полных сотен граммов грузами, в число которых должны входить грузы в 10 Г и 20 Г (удобно пользоваться демонстрационным разновесом, стр. 442).
Сняв с тележки груз в 10 Г, подвешивают его к нити. Тщательно устанавливают тележку и блок, через который перекинута нить1 с грузом, и производят первую запись равноускоренного движения. Повернув бумагу на цилиндре, рядом с первой записью делают вторую запись движения, но уже под действием груза в 20 Г, снятого с тележки. (Груз в 10 Г снова помещают на тележку.) Производят так же третью запись равноускоренного движения тележки под действием груза в 30 Г.~
Во всех случаях масса движущейся системы (тележка и снижающийся груз) была неизменной, но тянущие силы были разные: 10 Г, 20 Г и 30 Г.
Изучив записи, находят, что ускорения, получаемые тележкой, пропорциональны тянущим грузам. Нахождение ускорения из
1 Нить должна быть параллельна платформе.
87
записи указано на странице 84. Изучение записей лучше проводить с копиями, розданными учащимся (стр. 78).
9) Демонстрация обратно пропорциональной зависимости между ускорением и массой движущегося тела. Тянущий груз оставляют неизменным, например 30 Г, а массу движущейся системы (тележка и тянущий груз) изменяют. Сначала записывают движение тележки, масса которой вместе с тянущим грузом составляла, предположим, 300 г. Затем делают записи движений тележки, увеличив массу в 1,5 раза и в два раза.
Изучив записи, находят, что полученные ускорения обратно пропорциональны массе движущегося тела.
Рис. 79.
10) Опытное подтверждение второго закона Ньютона по формуле Ft — т (V2 — V\). По записи равноускоренного движения определяют скорости в какие-нибудь два мгновенья, отмеченные двумя штрихами (способ нахождения мгновенной скорости описан на странице 83). Время t определяют по числу промежутков между выбранными штрихами, умноженному на 0,1 сек. Произведение тянущей силы на время будет весьма близким к произведению массы системы (тележка + тянущий груз) на разность между найденными скоростями.
11) Опытное подтверждение формулы WKUh = . Установ-
ку делают по рисунку 79. Длина резинки составляет 0,6 — 0,7 длины платформы. Тележку с цилиндром устанавливают относительно кисти хронографа, как описано на странице 76. Натягивая резинку, отводят тележку до борта платформы. Смачивают кисточку тушью, заставляют хронограф вибрировать и опускают тележку.
Упругая сила растянутой резинки совершает работу — разгоняет тележку. Когда резинка перестанет действовать на тележку, последняя двигается по инерции равномерно. Запись движения
88
покажет, что сначала тележка двигалась ускоренно (но не равноускоренно, так как натяжение резинки изменялось), а затем равномерно.
Определяют скорость равномерного движения тележки.
Грузами разновеса измеряют максимальную силу F, с которой действовала резинка на тележку в начальный момент разгона. Для этого к тележке прикрепляют нить с крючком на конце, перекидывают нить через блок, укрепленный на штативе, направляют нить горизонтально и нагружают гирьками разновеса до тех пор, пока тележка не коснется борта платформы (на рисунке нить и грузы указаны пунктиром). По записи измеряют путь S, на протяжении которого резинка действовала на тележку (расстояние от нулевого штриха до того, после которого началось равномерное движение). Взвешиванием определяют массу тележки с цилиндром.
Упругая сила растянутой резинки изменялась от максимального значения F до нуля. Работа, совершенная при разгоне те-о + F
лежки, выразится произведением средней силы —~—на путь S, на протяжении которого действовала сила, то есть
2
Найденная работа была совершена за счет потенциальной энергии растянутой резинки. На основании закона сохранения энергии
W —A— F' S w кин 2
fV/ ПН)*
Но, с другой стороны, кинетическая энергия **кин = ,
где т — масса тележки с цилиндром, а и — скорость движения в момент прекращения действия резинки. Указанную скорость
F • S _ mv2
определяют из записи. Таким образом, —-— — • После
подстановки в формулу числовых значений найденных величин должно получиться достаточно близкое равенство.
12) Значение продолжительности удара. Установка приборов видна на рисунке 80. Платформу устанавливают с наклоном в 10—12°. Длину резинки берут такую, чтобы тележка, удерживаемая резинкой, находилась посередине платформы.
На цилиндре отмечают положение кисточки хронографа при спокойном состоянии тележки (на рисунке — точка Л). Затем тележку подтягивают к верхнему борту платформы и, не возбуждая колебаний хронографа, отпускают. На цилиндре кисть чертит прямую; часть ее А Б равна пути, на протяжении которого за счет кинетической энергии тележки была совершена работа — растянута резинка.
Затем к тележке привязывают конец нити, перекидывают ее через блок, укрепленный так, чтобы нить была направлена парал-
89
лельно наклонной платформе. Известным уже способом (стр. 89) определяют силу, потребную для максимального растяжения резинки (кисть хронографа должна дойти до точки Б).
Бумагу на. цилиндре поворачивают для второй записи. Повторяют опыт с резинкой такой же длины, но более толстой.
Из второго опыта выясняют, что тележка, растягивая толстую резинку, совершила ту же работу, но на меньшем пути, а потому
Рис. 80.
максимальная сила при растяжении резинки была больше, чем в первом случае. Становится понятным, почему при ударе в жесткую преграду, когда деформация мала, могут возникнуть большие деформирующие силы.
13) Демонстрация записи графика гармонического колебания. Сначала записывают график гармонического колебания подвешенного маятника. На штативе подвешивают груз с крючками (стр. 122). Нижний крючок на грузе вывертывают и в отверстие туго вставляют кисть (или кисть привязывают к крючку). Маятник подвешивают на прочной нити длиной около 500 мм так, чтобы кисть хорошо касалась поверхности бумаги, укрепленной на доске со скатами колес (21). Плоскость колебаний маятника располагают под углом 45° к длине стола.
Смачивают кисть маятника тушью, приводят груз в колебание с амплитудой, несколько меньшей половины ширины бумаги на доске, и заставляют доску двигаться равномерно. Кисть маятника чертит на бумаге синусоидальную кривую, которую показывают учащимся.
Затем производят запись графика колебания вибрирующего хронографа. Чтобы замедлить колебания и довести их до 3—4-х в секунду (вместо 10), на конец упругой полоски насаживают дополнительно груз из комплекта (ИЗ).
Для записи делают установку приборов, изображенную на рисунке 81, а. Платформу устанавливают для равномерного дви-90
Рис. 81.
жения тележки (стр. 76). Доску для записи делают по рисунку 81, б, устанавливают ребром вдоль тележки и скрепляют с ней клиньями. Бумажную ленту на доске закрепляют скрепками.
Проведение демонстрации понятно из рисунка.
24. ТЕЛЕЖКА САМОДВИЖУЩАЯСЯ
Тележка приводится в движение упругими силами двух резинок, одним концом прикрепленных к крючкам ж и з (рис. 82), а другим — к нитям, наматываемым на заднюю ось е. Равномерность движения и заданная скорость достигаются регулятором и.
Платформа и колеса самодвижущейся тележки устроены почти так же, как у тележки (22).
К площадке а, сделанной из фанеры толщиной 3 мм, размерами 200 мм X 60 мм, приклеивают две дощечки б из той же фанеры: заднюю 60 мм X 40, лии, переднюю 60 мм X 34 мм (рис. 82). По концам площадки приклеивают два бруска размерами 10 мм X X 15 мм X 36 мм каждый. Посередине одного бруска укрепляют крючок из проволоки диаметром 1,5 мм для сцепления тягача с тележкой (22).
К площадке прикрепляют по обойме г с четырьмя роликами (для тянущих резинок), свободно насаженными на одну рсь в
91
каждой обойме. Устройство обоймы с роликами изображено на рисунке 83, а.
Обойму делают из листового железа или латуни толщиной
1,5—2 мм. Ролики вытачивают из твердой древесины и свободно
Рис. 82.
Рис. 83.
насаживают на ось диаметром Змм. Между обоймой и каждым роликом надевают на ось шайбочки толщиной 1 мм. Обойму прикрепляют к площадке двумя шурупами, после чего в ней укрепляют ось с роликами.
Колеса со скобами-подшипниками делают такими же, как у тележки (22), только заднюю ось ставят толще (диаметром 4— 5 мм).
Посередине толстой оси просверливают рядом два поперечных отверстия по 1,5 мм в диаметре для тянущих нитей.
92
По прямой, параллельной оси, в ведущих колесах просверливают отверстия диаметром 3—4 мм, отстоящие от центра на 10 мм.
Кроме колес, на заднюю ось е (рис. 82) насаживают шкив д шириной 6 мм с узким желобом. Внешний диаметр шкива — 26 мм, внутренний — 22 мм. Шкив вытачивают из твердой древесины или
металла и закрепляют на оси. Шкив предназначен для передачи вращения от оси к регулятору и. Установка скоб-подшипников с осями и колесами описана на страницах 58—59.
Сверху площадки у креп л яют регул ятор скорости и. Подшипники для оси регулятора делают из листового железа или латуни толщиной 1,5—2 мм согласно рисунку 84, а. Скобу прикрепляют к тележке двумя шурупами, ввернутыми снизу площадки в деревянный брусок толщиной 9 мм, плотно вставленный в скобу (рис. 82).
В верхние отверстия скобы вставляют ось диаметром 4 мм, длиной 39 мм (рис. 84, б). На ось напаивают три кольца из проволоки диаметром 1,5 — 2 мм. Пространство между двумя кольцами, равное 3 мм, играет роль желоба ма-
Рис. 84.
лого шкива передачи1. Третье кольцо предохраняет ось от продольного сдвига. На выступающий конец оси надевают шайбу и напаивают муфту регулятора, состоящую из двух пластинок размерами 30 мм х 10 мм, середина которых выгнута желобом для оси. Между пластинками помещают концы крыльев — пластинок размерами 10 мм X 40 мм. Муфту и крылья делают из жести толщиной 0,3мм. Шарнирное соединение осуществляют заклепкой. Крылья должны поворачиваться на осях со значительным трением.
1 При наличии токарного станка ось вытачивают.
93
Шкив д, насаженный на ось е, соединяют с малым шкивом к регулятора резиновым кольцом. Для этого в площадке тележки прорезают соответствующее окно (рис. 82). Вращение оси тележки должно передаваться регулятору без заметного скольжения. Скорость регулируют величиной раскрытия крыльев л. При полном раскрытии крыльев тележка должна двигаться со скоростью 20— 30 см/сек (этого достигают подбором длины и ширины крыльев, размеры которых указаны ориентировочно).
В переднем торце площадки укрепляют крючок ж (рис. 82), сделанный из проволоки диаметром 2 мм. В заднем торце площадки укрепляют такой же крючок з.
Для двигателя берут две резинки длиной по 650 jhjw, поперечным сечением 16—25 мм2. К концам резинок привязывают куски прочной нити длиной 150 и 250 мм. На нити длиной 150 мм делают две петли: одну у резинки, другую на конце.
Петлю на конце нити надевают на крючок ж. Резинкой огибают сверху вниз первый задний ролик и направляют ее к переднему первому ролику, который огибают снизу вверх. Затем повторяют то же для вторых роликов и конец второй нити закрепляют в отверстии на задней оси. Длину резинки и нити надо сделать такими» чтобы резинка оказалась едва натянутой, а свободный конец нити у оси 0ыл около 230 мм длиной.
Так же поступают со второй резинкой1, но петлю нити зацепляют за крючок з. Огибают резинкой передний четвертый ролик снизу вверх, затем задний четвертый ролик сверху вниз. Повторяют то же для третьих переднего и заднего роликов и свободный конец нити укрепляют во втором отверстии задней оси. Вторая резинка не должна задевать первую. Наличие двух резинок разгружает ось от излишнего трения в подшипниках.
Перед опытом каждую резинку немного натягивают и закрепляют за тот же крючок петлей у резинки. Освободившуюся нить помещают на площадке тележки и закрепляют на гвоздике, вбитом для этой цели.
Чтобы завести тележку, ее катят назад, прижимая к столу. При этом нити наматываются на ось и еще сильнее натягивают резинки. Удерживая задние колеса, тележку можно перенести на другое место. Заведенная тележка должна пробежать 1,5-2 м.
Поперечное сечение резинового шнура и его длина указаны приблизительно. Их следует подобрать так, чтобы самодвижущая-ся тележка с нагрузкой 200 г могла тащить за собой тележку (22) с нагрузкой в 500 г. Незагруженная самодвижущаяся тележка должна буксовать при указанной загрузке прицепа.
1 Чтобы не затемнять рисунок, вторая резинка с нитями показана частично.
94
Ведущие колеса делят по диаметру пополам и каждую половину окрашивают в различные цвета (чтобы можно было издали наблюдать за вращением колес).
Хранят тележку при спущенных резинках, то есть за крючки ж и з зацепляют петли на концах нитей.
Демонстрации
I) Демонстрация относительности движения и покоя. Заводят механизм самодвижущейся тележки, которую устанавливают вдоль доски на колесах (21), Рядом с тележкой на стол ставят какой-либо ориентир — тело отсчета.
Отпускают тележку. Она двигается равномерно, перемещаясь относительно неподвижной доски и тела отсчета.
Сообщая доске скорости различной величины и направления,
Рис. 85.
получают различные случаи относительного движения тележки, доски и тела отсчета.,
2) Трение колес о поверхность дороги у тягача и прицепа. Сначала следует показать опыт, знакомящий с трением сцепления (покоя). К брусу для опытов по трению (стр. 119), положенному на стол или на доску (21) без колес, прицепляют резинку с контрольной нитью1 (стр. 62). Постепенно натягивают резинку, пытаясь сдвинуть брус с места. Поясняют, что брус удерживается в неподвижности трением, которое имеется между соприкасающимися, неподвижными относительно друг друга поверхностями стола и бруса. Когда трение сцепления будет преодолено и брус начнет двигаться, то упругие силы резинки будут преодолевать трение скольжения. Во время равномерного движения бруса контрольная нить не будет натянута. Это укажет на то, что трение покоя больше трения скольжения.
Затем заводят самодвижущуюся тележку и проделывают опыт, изображенный на рисунке 85: самодвижущаяся тележка-тягач тянет тележку (22) с грузом. Почему тягач, весящий значительно меньше прицепа, тянет прицеп? Снимают с тягача гирьку. Колеса
1 Используют резинку более толстую, чем для опытов с трением качения.
95
тягача провертываются — тележки не двигаются. Очевидно, вес тягача без гирьки не обеспечивает трение, необходимое для тяги данного прицепа.
Чтобы ответить на поставленный выше вопрос, к самодвижущей-ся тележке прикрепляют конец длинного резинового шнура с контрольной нитью-. Другой конец шнура с нитью неподвижно удерживают в руке. Тележка двигается, вытягивает резинку до некоторого предела и затем начинает буксовать. Замечают, что во время буксования резинка вытягивается меньше, чем до начала буксования (нить провисает).
Вставив в отверстие у ведущих колес проволочную спицу, затормаживают вращение колес. Тянут тележку за резинку назад, преодолевая трение скольжения. Резинка при этом растянется до той же длины, до которой ее вытянула самодвижущаяся тележка при буксовании.
Опыт с очевидностью показывает, что сила тяги небуксующей тележки больше силы тяги буксующей. Это происходит потому, что у небуксующего тягача между колесами и поверхностью дороги имеется трение сцепления.
Так как у прицепа налицо трение качения, а у тягача — трение сцепления, то становится понятным, почему тягач тянет прицеп, весящий больше тягача.
25. ШКИВЫ, ЗУБЧАТЫЕ КОЛЕСА, ОСИ И ДРУГИЕ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ К НИМ (комплект)
Комплект предназначен для сборки ворота, передач вращения, простых и сложных механизмов.
Если имеется токарный станок, то шкивы следует выточить. В противно^ случае их надо вырезать из фанеры.
Шкивы точеные. Шкивы вытачивают из дощечек толщиной 10 — 12 мм или из фанеры толщиной 9 — 12 мм. Шкивы требуются трех размеров: наружные диаметры dt =66 мм — 2 шт., d2 — 126 мм — 2 шт. и d3 = 186 мм — 1 шт. и соответственно внутренние диаметры желобов d' = 60 — b мм, d2 = 120 — Ь мм и d^ = 180 — b мм, где b — диаметр шнура.
Изготовление шкивов на токарном станке сводится к следующему:
На подготовленных дощечках или на фанере вычерчивают циркулем требуемое количество дисков диаметрами 66 мм, 126 мм и 186 мм.
Диски грубо выпиливают, туго насаживают в центрах на одну ось, одинаковую по толщине с осью комплекта, и между двух шайб прочно сжимают гайками. Полученную болванку устанавливают в токарный станок по дереву (или металлу) и осторожно протачивают сначала по наружному диаметру, а затем в каждом диске точат требуемые желоба.
S6
После окончания точки и зачистки болванку снимают со станка и диски разъединяют. В бортах каждого желоба делают лоб-
зиком по два косых пропила для закрепления нити. В дисках сверлят по два отверстия (рис. 86), расположенные строго по диаметру. В эти отверстия туго вбивают стальные шпильки, длина которых равна толщине диска. Шпильки углубляку наполовину толщины диска. Таким образом, у каждого диска с одной стороны будут находиться две выступающие шпильки, а с другой — два гнезда. В эти гнезда должны свободно входить концы шпилек
другого диска, поэтому гнезда надо несколько расширить. На об-
щую ось могут быть надеты шкивы, независимые друг от друга (шпильками врозь) или сцепленные друг с другом (шпильки одного шкива входят в гнезда другого).
По радиусу каждого шкива проводят черную линию толщиной 3 мм. Шкив покрывают бесцветным лаком.
У трех шкивов различных диаметров на продолжении радиальной черты сверлят по отверстию для оси ручки.
Шкивы вырезные. Из фанеры толщиной 3 мм вырезают диски (стр. 465). Для каждого шкива надо вырезать три диска (два по наружному диаметру и один по внутреннему). В центрах дисков просверливают узкие одинаковые отверстия, к которым подбирают кусочек туго входящей прямой проволоки. Три диска каждого
Фв0-ь;120~ь;180-ь, ~где b толщина нити
Рис. 86.
шкива склеивают между собой столярным
клеем (для центриро-
вания диски насаживают на кусочек проволоки, длина которого на 1 мм меньше толщины трех сложенных вместе дисков) и помещают под пресс.
После просушки в дисках сверлят: центральное отверстие под ось, диаметрально расположенные отверстия на расстоянии 20 мм от центра и отверстие для ручки. Очищают желоб от клея и закругляют внутренние кромки. Отделка такая же, как у шкивов точеных. После отделки устанавливают соединительные шпильки.
Для осуществления ременных передач делают два шнура толщиной 4—5 мм, концы которых сращивают. Длина одного шнура (срощенного) — 80 см, а другого — 120 см. Кроме того, на один или два шкива следует сделать резиновую шину — кольцо, надеваемое в желоб. Шину, а также шнуры проще всего сделать из резиновой трубки, концы которой сращивают кусочком узкой резиновой трубки, вставленным на клей в каналы сращиваемых концов. Шина требуется для демонстрации фрикционной передачи.
4 Заказ 1530
97
Зубчатые колеса. Зубчатые колеса делают из фанеры толщиной 9 мм, Комплект состоит из пяти зубчатых колес: 2 шт. zt — 10, 2 шт. z2 = 20 и 1 шт. z3=30. Для каждого колеса на фанере вычерчивают из одного центра по две окружности следующих радиусов: для малых = 33 мм и rt' = 45 мм-, для средних г2 = 73 мм и г/ == 85 мм; для большого г3 = ИЗ мм и г3' — 125 мм. При помощи транспортира окружности малых дисков разбивают на 20 равных частей через 18°; окружности средних дисков на 40 равных ча-
Рис. 87.
стей через 9° и окружности больших дисков — на 60 равных частей через 6\ По точкам делений проводят радиусы.
На тонкий плотный картон с возможной точностью переводят рисунки 87, а и б с сохранением указанного масштаба и по ним вырезают три шаблона. Посередине каждого зубца проводят радиальную линию. Шаблон насаживают на иглу, которую укрепляют в центре соответствующего круга. Установив шаблон так, чтобы радиальная линия на шаблоне совпала с радиальной линией на фанере, острым карандашом вычерчивают три зубца. Переместив шаблон, вычерчивают следующие зубцы и т. д.
Чтобы не ошибиться в форме зубцов, следует предварительно сделать зубчатые колеса требуемых размеров из картона. Насадив картонные колеса (в центрах) на булавки и укрепив последние на пло
98
скости, нетрудно проверить правильность сцепления зубцов и, если потребуется, внести в профиль зубцов исправления.
Переведенные на фанеру зубцы тщательно выпиливают лобзиком и зачищают, после чего проверяют на сцепление: любое колесо должно легко прокатываться по любому другому.
В зубчатых колесах делают отверстия и укрепляют шпильки, как и у шкивов (рис. 86). На каждом колесе проводят радиальную черную линию толщиной 3 мм. С одной стороны линия проходит через середину зубца, с другой —через середину впадины. Плоские поверхности колес покрывают бесцветным лаком.
Оси для шкивов и зубчатых колес (3 шт.). Оси вытачивают из стали по рисунку 88, а. Если токарного станка нет, то оси делают из
Рис. 88.
стального прутка соответствующего диаметра и укрепляют в деревянных основаниях (рис. 88, б).
В каждой оси следует просверлить два поперечных отверстия диаметром 1,5 мм, отстоящих от основания на 10 и 20 мм1.
Ручка к шкивам и зубчатым колесам. Из твердой древесины делают ручку согласно рисунку 88, в. Вдоль ручки просверливают отверстие, в которое вставляют гвоздь. После ручки на гвоздь надевают кольцо из проволоки диаметром 2 мм и припаивают. Гвоздь должен плотно входить в отверстия, сделанные в шкивах и зубчатых колесах, и выступать на 6—8 мм с обратной стороны. На выступающем конце гвоздя делают резьбу для гайки.
Использование комплекта приборов
Общие указания. При собирании ворота, передачи, сложных механизмов шкивы и зубчатые колеса насаживают на оси, основания которых прочно зажимают в муфтах или лапках, за* крепляемых соответствующим образом на стержне штатива.
1 Если толщина шкивов и колес 9 мм,
4*
99
Натяжение шнура в ременной передаче осуществляют передвижением оси одного из шкивов. При монтаже зубчатых передач сцепление зубцов производят так, чтобы вершина зубца одного колеса не доходила до дна впадины другого миллиметра на два. Соединяемые в передачу шкивы или зубчатые колеса надо располагать в одной плоскости.
Более быстрая, удобная и иногда более наглядная установка передач осуществляется на монтажном щите (рис. 397).
1) Демонстрация ворота и условия его равновесия. Шкивы диаметрами 180 мм и 60 мм, сцепив друг с другом шпильками, насаживают на ось, горизонтально укрепленную в штативе. К бортам шки-
Рис. 89.
вов прикрепляют по отрезку нити, которые наматывают на шкивы в противоположные стороны. Нить большого шкива соединяют с динамометром, а на конец нити малого шкива подвешивают грузы по 100 Г. Динамометр покажет силу во столько раз меньшую веса грузов, во сколько раз диаметр одного шкива больше диаметра другого (рис. 89, а).
Вместо грузов к нити можно присоединить второй динамометр (рис. 89, б). Убеждаются, что при любом натяжении (в пределах шкалы) динамометры показывают силы, обратно пропорциональные радиусам шкивов.
На практике часто шкив большого диаметра заменяют ручкой. Для демонстрации этого к большому шкиву можно прикрепить ручку. В этом случае динамометр, соединенный с ручкой, надо направлять перпендикулярно радиусу, на котором расположена ручка.
100
2) Передача шнурами. Собирают передачу вращения шкивами с шнуром по рисунку 90, а. На одну ось надевают шки£ dx = 60 мм, на другую ось —шкив d2 =180 мм. Большой шкив приводят во вращение непосредственно рукой или при помощи ручки. Наблюдают за соотношением чисел оборотов, сделанных шкивами заодно и то же время.
Теперь вращают малый шкив и делают те же наблюдения. В обоих случаях определяют передаточное число, которое равно отношению между числами оборотов шкивов ведущего и ведомого.
Рис. 90.
Можно собрать передачу шкивами с перекрестным шнуром (рис. 90, б). Эта передача предназначается для изменения направления вращения ведомого шкива.
По рисунку 90, в собирают сложную передачу. Шкивы на средней оси скрепляют между собой шпильками.
Передаточное число i определяют по формуле:
i = * Пз =
’ ^4 ‘ ^3
где пх и dx —число оборотов и диаметр ведущего шкива, ап4 и d4 —число оборотов и диаметр ведомого шкива.
Порядковые номера чисел Оборотов и диаметров промежуточных шкивов установлены в последовательности передачи вращения.
3) Простая передача зубчатыми колесами. Собрав передачу из двух различных сцепленных между собой зубчатых колес (рис. 91, а) и приведя ее во вращение, наблюдают, что ведомое колесо вращается в обратную сторону. Путем непосредственного счета оборотов определяют передаточное число, равное отношению числа обо
101
ротов ведущего колеса к числу оборотов ведомого и равное отноше-нию чисел зубцов у ведомого и ведущего колес:
i = t
П2 Z1 ’
где и — число оборотов и количество зубцов у ведущего колеса, п2 и z2—число оборотов и количество зубцов у ведомого колеса.
4) . Передача с паразитным зубчатым колесом. Раздвигают зубчатые колеса предыдущей установки и между ними устанавливают любое третье зубчатое колесо (рис. 91, б). Сцепив колеса и приведя
Рис. 91.
передачу во вращение, замечают: 1) крайние зубчатые колеса теперь вращаются в одном направлении; 2) передаточное число осталось неизменным, независимо от наличия среднего колеса (называемого «паразитным») и числа его зубцов.
5) Сложная зубчатая передача. По рисунку 91, в собирают сложную передачу зубчатыми колесами на трех осях. Зубчатые колеса средней оси = 20 и = 10 скрепляют между собой шпильками. Приводят передачу во вращение; определяют передаточное число, которое в данном случае будет 6, если малое колесо считать за
1
ведущее, и если за ведущее считать большое колесо с 30 зубцами.
102
Передаточное число у сложных зубчатых передач определяется по формуле:
I Г П1 ' П3 ___ 22 •
П2 * П4 21 * 23
где п± и 2г — число оборотов и количество зубцов у ведущего колеса, а п4 и z4 — число оборотов и количество зубцов у ведомого колеса. Обозначения у промежуточных колес поставлены в порядке зацепления.
6) Демонстрация распределения тангенциальных усилий на валы в передачах. Собирают простую зубчатую передачу так, как изображено на рисунке 92, причем каждое зубчатое колесо сцепляют с малым шкивом, надетым на ту же ось. К шкивам прикрепляют по нити, которые наматывают на шкивы в одну сторону и загружают стограммовыми грузами до равновесия.. В этом опыте шкивы показывают сечения валов одинаковых диаметров. Опыт покажет, что тангенциальные усилия на валы прямо пропорциональны диаметрам колес или обратно пропорциональны их угловым скоростям.
7) Фрикционная передача. На один из шкивов надевают соответствующую шину из резиновой трубки.
При демонстрации фрикционной передачи прижимают обод шкива с резиновой шиной к желобу любого другого шкива. Нажим между шкивами осуществляют передвижением одной из осей.
103
Передаточное число определяют с помощью радиальных линий на шкивах. При расчете передаточного числа надо иметь в виду возможность значительного скольжения при больших нагрузках или недостаточном нажиме, что ведет к уменьшению передаточного числа.
8) Сложный подъемный механизм. Комбинируя зубчатые колеса со шкивами и блоками, можно собирать разнообразные сложные
Рис. 93.
механизмы, например модель подъемного крана, изображенного на рисунке 93. Один из таких механизмов следует продемонстрировать на уроке.
Воспользовавшись гирьками демонстрационного разновеса (стр.442), легко определить к. п. д. сложного механизма. Для этого уравновешивают механизм грузами согласно закону работы, а затем к грузам на большом шкиве* (играющем роль ручки, к которой прикладывают внешнее усилие) добавляют гирьки разновеса до начала подъема груза механизмом.
К. п. д. механизма
где Fl —сила, приложенная к ободу шкива, a f —вес добавленных гирек.
104
Весьма полезно таким же образом определить к. п. д. простого механизма (хотя бы рычага первого рода, стр. 34) и сравнить полученные результаты между собой.
26. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДЕЙСТВИЯ КЛИНА
Устройство прибора изображено на рисунке 94, а. Ролики диаметром 16 мм, длиной 68 мм вытачивают из древесины твердой породы. С обоих концов ролика в центрах торцов укрепляют концы
Рис. 94.
оси: вбивают куски проволоки диаметром 2 мм, длиной по 20 — 25 леи. Концы оси выступают на 5—6 мм. Лапки-подшипники для ролика делают по рисунку 94, б из латуни или железа. Ролик должен легко вращаться в подшипниках.
Верхнюю дощечку скрепляют шарниром с кромкой бортика нижней доски. Если шарнир покупной, то его «разгоняют» с наждаком — делают очень легко вращающимся. Но можно сделать
105
шарнир из проволоки. В торец верхней дощечки вбивают по краям две петли, а в верхнюю кромку бортика вбивают крючки (рис. 94, в).
Параллельные оси роликов должны лежать в одной вертикаль* ной плоскости. На внешней поверхности верхней дощечки укрепляют поперечный бортик сечением 5 мм X 10 мм.
Из древесины твердой породы делают два клина по рисунку 94, г. Посередине каждого клина в 15 мм от лезвия просверливают отверстие диаметром 3 мм для сцепления с динамометром посредством проволочного крючка.
Прибор покрывают светлым лаком. Боковые срезы у клиньев разделяют на равные части: тонкий на десять, а толстый на пять, которые раскрашивают в чередующиеся два разных цвета.
Рис. 95.
Демонстрация действия клина. Установка для демонстрации изображена на рисунке 95. Небольшую силу, потребную для приподнимания верхней доски с катком, исключают передвижной шторкой динамометра. На площадку прибора, строго над осью катка, ставят гирю 2 кг. Равномерно тянут за динамометр —динамометр показывает силу 400 Г, то есть в пять раз менЫную веса груза.
Опыт с тонким клином проводят в том же порядке.
27. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ ВИНТОВЫХ ЛИНИИ И ЗНАКОМСТВА С ВИНТОМ И ГАЙКОЙ
Прибор для демонстрации образования винтовых линий состоит из деревянного цилиндра и двух прямоугольных треугольников, вырезанных из плотной бумаги. Катеты одного треугольника равны 40 мм и Зяб/ леи, где d —диаметр цилиндра, а катеты другого — 80 мм и 3nd мм. По кромке гипотенуз этих треугольников проводят черную полосу шириной 4 мм (рис. 97, а).
Для демонстрации двухзаходной винтовой линии вычерчивают на плотной бумаге трапецию (рис. 97,6) и вырезают ее. По наклонному срезу проводят черную полосу, а по второй наклонной — красную полосу. Ширина полос равна 4 мм.
106
Винт и две гайки с ключом. Подбирают болт диаметром немень* ше 24 мм с двумя гайками. Одну гайку делают разъемной: разрезают по диаметру ножовкой и на срезы одной половины прикрепляют (пайкой или шпильками) пластинки толщиной в ширину разреза. Половины гайки соединяют между собой шпильками. Срезы гайки окрашивают в красный цвет. Гайка должна легко собираться и разбираться и в собранном виде свободно навертываться на винт.
Можно сделать винт и гайки из дерева, если имеется винторезный станок. Из твердой древесины (береза, клен) вытачивают цилиндр диаметром 56 мм, длиной 200 мм, на котором режут прямоугольную резьбу с шагом 8—10 мм. Гайки делают по рисунку 96, а.
Одну гайку разрезают по диаметру и половинки соединяют между собой шпильками. .
При отсутствии винторезного станка винт на цилиндре можно нарезать вручную. Сначала на цилиндрическую поверхность тщательно наносят карандашом винтовую линию. Для этого длину цилиндра разбивают, например, на четыре равные части. Из плотной бумаги вырезают прямоугольный треугольник, один катет которого равен пятикратной длине окружности цилиндра, а другой — 50 мм (если шаг винта равен 10 мм и нарезают 20 витков). Навертывание начинают с острого угла, укладывая большой катет треугольника строго по одной окружности. Прочерчивание ведут по гипотенузе, по мере навертывания треугольника. Закончив одну винтовую линию, начерчивают вторую, разделяющую шаг первой всюду пополам. Так наносят винтовые линии на каждой четвертой части длины винта, тщательно соединяя винтовые линии на стыках.
107
По винтовым линиям ножовкой или лобзиком делают пропилы глубиной 4 мм. Затем узкой стамеской вырезают винтовой желоб между двумя соседними пропилами. Глубину желоба делают всюду 4 мм, что проверяют шаблоном. Винтовую нарезку тщательно зачищают.
Гайки к винту делают из алебастра или цемента. Густой массой облепляют винт, смоченный водой. Снаружи гайке придают обычную форму шестигранной призмы по рисунку 96, а. Резьбу в гайке заглаживают осторожным вывертыванием винта из затвердевающей массы.
До окончательного затвердевания массы одну гайку разрезают по диаметру и ставят две металлические шпильки для соединения обеих половин.
Для гайки следует иметь ключ. К самодельным гайкам надо сделать макет ключа из фанеры толщиной 12 мм (рис. 96, б).
Использование приборов
Навернув на цилиндр бумажный прямоугольный треугольник прибора так, чтобы его малый катет совпал с образующей цилиндра, а большой катет —с кромкой нижнего основания цилиндра,
знакомят учащихся с образованием винтовой линии и ее шагом (рис. 97, а). Затем навертывают второй треугольник, показывают учащимся винтовую линию с другим шагом.
Указав, что в технике иногда требуются двухзаходные, трехза-ходные и т. д. винты, показывают образование винтовой двухзаход-ной линии. На цилиндр навертывают трапецию, вырезанную из бумаги (рис. 97, в). Получают две винтовые линии, отличающиеся друг от друга цветом, сдвинутые одна относительно другой на! 180°.
'108
Знакомят с шагом двухзаходного винта.
Для ознакомления с внешним видом винта и гайки можно ис« пользовать демонстрационный винт и разъемную гайку (рис. 96, б). Размеры их достаточно велики для рассматривания издали^
Рис. 98.
Разъединяют половины гайки, показывают резьбу в гайке и сопоставляют ее с резьбой винта. Знакомят с шагом винта.
28. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ОДНОВРЕМЕННОГО ПАДЕНИЯ ТЕЛ ПО ВЕРТИКАЛИ И ПО ПАРАБОЛЕ
Прибор делают по рисунку 98, а. В дощечке сверлят отверстие, в которое свободно проходил бы стальной шарик диаметром 16— 18 мм. Непосредственно за отверстием на дощечке укрепляют деревянный брусок.
109
На конце дощечки двумя шурупами прикрепляют угольник, сделанный из железной полоски толщиной 2 мм. К угольнику приклепывают конец упругой стальной полоски шириной 14 мм, длиной 170 мм. Нижнее ребро полоски располагают в 1—2 мм от дощечки. К свободному концу упругой полоски приклепывают с одной стороны жестяной лоток, с другой —прямоугольную скобочку (рис. 98, б).
Рис. 99.
Угольник прикрепляют к дощечке так, чтобы упругая полоска, будучи прижатая к бруску, расположенному на высоте стола, при спуске отбросила бы шарик, положенный в лоток, метра на два, шарик, положенный в скобочку, в момент выстрела должен свободно упасть сквозь отверстие.
Демонстрация одновременного падения тел по вертикали и брошенного горизонтально. Прибор располагают возможно выше на ящике-подставке (5), установленном на краю стола. Часть прибора сдвигают за кромку стола, чтобы обеспечить свободное движение шариков и горизонтальное положение прибора. Взводят пружину и устанавливают два одинаковых шарика, как указано на рисунке 98, в. Спускают пружину. Учащиеся видят, что один шарик летит по параболе, а другой отвесно вниз. По удару о пол судят об одновременном падении шариков.
110
29. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА, БРОШЕННОГО ГОРИЗОНТАЛЬНО
Лекало делают из сухой липовой доски по пунктиру рисунка 99. Толщина доски должна превосходить диаметр стального шарика (с которым проводят опыты) на 2 мм. С одной стороны к лекалу
прикрепляют другое, большее лекало из трехмиллиметровой фанеры, образующее у первого бортик высотой 10 мм. По большому катету в приборе делают два отверстия под гвозди, на которые лекало подвешивают к классной доске и плотно прижимают к ней.
Лекало покрывают бесцветным лаком.
111
Модель самолета, сбрасывающего груз. К деревянному корпусу «самолета», вырезанному по рисунку 100, на проволочных прутьях прикрепляют два жестяных крыла. Во взаимно перпендикулярных надрезах хвостовой части корпуса укрепляют жестяные рули поворота и глубины.
В верхней части корпуса укрепляют две стойки из проволоки диаметром 1,5 мм, на которые насажены ролики с шайбочками по обе стороны, как указано на рисунке 101, а. Конец проволочной
Рис. 101.
стойки после надевания ролика загибают вниз, что предохраняет самолёт от падения при соскакивании роликов с проволоки.
Посередине корпуса самолета, в вертикальном направлении прорезают сквозную продольную щель сечением 10 мм х 3 мм. В щели помещают рычажок с поперечной лопаточкой вверху и крючком внизу, сделанный из железа толщиной 1—1,5 мм по рисунку 101, б. Рычажок свободно насаживают на проволочную ось, укрепленную в корпусе самолета.
Внизу корпуса, около щели, устанавливают проволочную петлю, в кольцо которой свободно входит конец рычага.
Падающее тело делают по рисунку 101, в. Вдоль оси тела сверлят отверстие, в котором укрепляют стальной проволочный стер-112
жень диаметром 1,5 мм. Если тело отливают из свинца, то проволоку вставляют в форму для отливки. Нижний конец проволоки заостряют, верхний загибают в кольцо.
К стержню припаивают оперение, вырезанное из тонкой белой жести.
Заостренный конец делают не длиннее 5 мм во избежание случайного ранения ноги экспериментатора, которому все же и в этом случае надо быть осторожным при проведении опыта.
На проволоке диаметром 1 мм, предназначенной для скатывания «самолета», укрепляют упорчик-сбрасыватель, изображенный
Рис. 102.
на рисунке 101, г и представляющий собой прямоугольник тонкой жести, сложенный пополам и насаженный на проволоку. Насадить сбрасыватель следует достаточно туго, чтобы перемещать его вдоль проволоки можно было со значительным усилием. Сбрасыватель не должен мешать движению «самолета», но должен сбрасывать груз, отклоняя рычажок за лопаточку. Способ подвешивания груза к крючку указан на рисунке 101, в. Регулировка сбрасывателя достигается подгонкой его ширины.
К прибору прилагают доску размерами 700 мм х 120 мм х х 15 мм, сделанную из мягкой древесины.
Демонстрации
1) Траектория движения шарика, брошенного горизонтально. Лекало подвешивают на классной доске (рис. 102,а). Большой катет лекала должен быть строго вертикальным, а лекало плотно прижатым к доске.
Предоставляют шарику свободно скатываться, положив его в желоб лекала у отмеченной точки. Шарик падает в банку с песком, поставленную на полочку для мела.
После двух-, трехкратной проверки от места падения шарика проводят перпендикуляр до пересечения с горизонталью, идущей
113
от конечной точки лекала. Расстояние между концом лекала и вертикалью делят на равные отрезки (4—5 шт). Вертикальную прямую от точки падения до горизонтали тоже делят на равные отрезки, число которых составляет квадрат числа отрезков на горизонтали. Из отмеченных точек на горизонтали проводят вертикальные прямые; через первую, четвертую, девятую и шестнадцатую точки
Рис. 103.
вертикали (считая сверху) проводят горизонтали. По точкам пересечения линий вычерчивают жирной линией параболу.
Спуская шарик по лекалу от отмеченной точки, наблюдают, как траектория падающего шарика совпадает с начерченной кривой. Это повторяют два-три раза.
2) Сохранение телом направления движения после прекращения действия силы. На черном листе фанеры (стр. 120), лежащем на столе, помещают лекало. Шарику, покрытому мелом (стр. 120), дают разгон с тем расчетом, чтобы он, катясь по фанере, коснулся борта лекала по касательной (рис. 102, б).
До касания борта лекала шарик по инерции двигался прямолинейно и равномерно. Вследствие противодействия борта шарик меняет направление движения, огибает лекало и, покинув его, продолжает свое движение по прямой —касательной к кривой в конечной ее точке.
Путь движения шарика виден по меловому следу, который показывают учащимся, приподняв один конец листа.
3) Траектория тела, падающего с самолета. Между двух гвоздей, вбитых по краям рамы вверху классной доски, натягивают проволоку. Проволоку располагают с небольшим наклоном в 80 мм от поверхности доски.
На проволоку цодвешивают модель самолета с грузом. Жестяной упорчик устанавливают посередине проволоки. Под упор-чиком помещают доску, которая должна быть видна учащимся (рис. 103).
114
Сначала «самолет» медленно подводят к улорчику. Тело, срываясь с крючка, падает отвесно. Игла впивается в доску под упор-чиком. На место падения тела ставят брусок.
Затем «самолет» отпускают с приподнятого конца проволоки; он двигается ускоренно. Тело срывается у упорчика, но падает значительно дальше по направлению движения «самолета». Новое место падения тела отмечают другим бруском.
Проектируют на классную доску точки от начала и конца падения тела. Пользуясь полученными точками, по известным правилам вычерчивают траекторию падающего тела.
Сосредоточив внимание учащихся на падающем теле, снова спускают «самолет» с того же места. Учащиеся видят, что тело падает по начерченной кривой.
Теперь предлагают учащимся смотреть на «самолет», а не на тело, и снова опускают его с прежнего места. Замечают, что в момент удара тела в доску (это определяют на слух) «самолет» находился над телом, так как он пересекал отвесную линию, восстановленную из точки падения тела1. Устанавливают, что после отрыва от «самолета» тело сохранило скорость по горизонтали.
30. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАКОНОВ РАВНОМЕРНОГО ДВИЖЕНИЯ ПО ОКРУЖНОСТИ
Общий вид прибора показан на рисунке 104.
Прибор состоит из деревянной планки длиной 380 — 400 мм (стр. 117), поперечным сечением 30ммХ 15 мм. Планку прикреп- г
ляют тремя шурупами к флян- 9
цу стального стержня, выточен- I
него по рисунку 105, а. Стер- I
жень рассчитан на прочное креп- I
ление его в патроне центробеж- И
ной машины. На концах планки И
прочно прикрепляют шурупами Ч'
угольники, сделанные из ли- |
стового железа по рисунку 105,6. На высоте 12 мм от планки
угольники стягивают стальным стержнем диаметром 3 мм с гайками на концах. Предваритель-. но на стержень насаживают два цилиндрических железных груза. Приблизительные размеры грузов указаны на рисунке 105, в.
Рис. 104.
Ускорение «самолета» невелико и на опыте незаметно^
115
В одном грузе просверливают боковое отверстие, параллельное оси, диаметром 1,5 мм для закрепления прочной нити. В другом грузе делают прорезь сечением 1,5 мм X 4 мм, идущую по образующей. После этого, стачивая торцы, массы грузов доводят до 50 г каждый.
Посередине планки укрепляют скобу из железа толщиной 1,5 мм, сделанную по рисунку 105, г. В верхней части скобы на
Рис. 105.
ось свободно насаживают небольшой шкивок диаметром 10 мм. Вертикальная касательная к желобу шкивка должна идти по оси вращения прибора ( рис. 104).
Из стальной проволоки диаметром 3 мм по рисунку 105, е делают скобу-стойку с крючком вверху для подвешивания цилиндрического динамометра на 1200 Г (16). Концы стойки туго вставляют в гнезда, сделанные из жести толщиной 0,5 мм по рисунку 105, д и припаянные к стенкам скобы для ролика. В 40 мм от кон-
116
нов на стойку надеты и припаяны проволочные, упорные кольца. Ось динамометра, подвешенного к крючку стойки, должна совпадать с осью вращения прибора. Дополнительно нижнюю часть внешней трубки динамометра прикрепляют к стойке нитью или проволокой. '
Высота скобы-стойки должна быть такой, чтобы нижний крючок подвешенного к скобе динамометра, загруженного на 1200 Г, находился на 15 мм выше оси блока. На рисунке 105, е эта высота ориентировочно указана 300 мм.
К грузу с отверстием привязывают прочную нить, выдерживающую нагрузку в 2 кГ. К нити прикрепляют четыре проволочных колечка диаметром по 4 мм для сцепления груза с нижним крючком динамометра (после огибания нитью блока).
Места прикрепления колечек находят следующим образом. Первое от груза колечко укрепляют так, чтобы обращенный к блоку торец груза находился посередине первой от оси вращения черной отметки на планке, а динамометр, сцепленный с грузом, показывал нагрузку 600 Г. Вторым колечком нить должна сцеплять динамометр, показывающий нагрузку 300 Г, с грузом, находящимся над первой от оси отметкой планки (рис. 104). Третье колечко на нити сцепляет динамометр, показывающий нагрузку 600 Г, с грузом, находящимся над второй, крайней отметкой планки, и четвертое колечко на нити сцепляет динамометр, показывающий нагрузку 300 Г, с грузом, находящимся там же.
Планку окрашивают масляной краской в белый цвет. Сверху и с боков на планке наносят пять черных отметок шириной по 15 мм. Середины отметок отстоят от оси вращения на расстояниях, равных девяти й восемнадцати делениям шкалы динамометра (16). Этим диктуется длина планки, которая равна тридцати шести делениям шкалы динамометра плюс 40 мм.
Металлические угольники покрывают черным лаком.
Демонстрации
. 1) Центростремительная сила прямо пропорциональна массе тела (при неизменных угловой скорости и радиусе вращения). В патрон центробежной машины, расположенный вертикально, прочно закрепляют стержень прибора для изучения законов равномерного движения по окружности. Грузы располагают по концам стержня. Шнуром от груза огибают снизу ролик и вторым колечком (считая от груза) соединяют груз с цилиндрическим динамометром, который подвешивают на крючок стойки прибора. Пускают метроном или счетчик (18), установленный на заранее определенную частоту, и начинают вращать центробежную машину, постепенно увеличивая угловую скорость. Замечают, что по мере ускорения вращения груз постепенно подходит к первой пометке на планке прибора (считая от оси вращения) и совпадает с ней, когда целые
Ш
обороты рукоятки машины совпадут с ударами счетчика1. При этом динамометр показывает силу 300 Г (рис. 104).
Можно считать, что динамометр показывает силу, которая при данной угловой скорости удерживает груз на определенном расстоянии от оси вращения, то есть центростремительную силу.
К грузу в 50 г присоединяют другой груз в 50 г, находившийся на другом плече прибора, а динамометр сцепляют с первым колечком нити.
Повторяют опыт. Когда угловая скорость вращения совпадает с прежней (о чем судят по счетчику), то грузы окажутся на той же отметке, но динамометр покажет центростремительную силу 600 Г, то есть в два раза большую, чем в первом случае.
2) Центростремительная сила прямо пропорциональна радиусу вращения (при неизменных массе и угловой скорости). Груз 50 г сцепляют с динамометром при помощи второго колечка нити и вращают центробежную машину с прежней угловой скоростью. Груз удерживается над первой от оси отметкой. Динамометр показывает 300 Г.
Перецепляют динамометр на третье колечко шнура. Снова вращают машину. Когда угловая скорость будет такой же, как в предыдущих опытах, то груз в 50 г совпадет с крайней отметкой, а динамометр покажет силу 600 Г. Радиус вращения увеличился вдвое, во столько же раз увеличилась и центростремительная сила.
3) Центростремительная сила пропорциональна квадрату угловой скорости (при неизменных массе и радиусе). Переставляют счетчик времени на вторую, определенную заранее частоту. Груз в 50 г сцепляют с динамометром при помощи последнего колечка нити.
Когда целые обороты ручки центробежной машины совпадут с ударами счетчика, тогда груз окажется против крайнего деления на планке прибора, а динамометр покажет силу 300 Г.
Перецепляют динамометр за второе колечко и снова вращают машину, постепенно увеличивая угловую скорость в два раза. Ког^ да ручка центробежной машины будет делать два оборота за один интервал между ударами счетчика, то груз окажется против крайней отметки, а динамометр покажет силу в 1200 Г, то есть при увеличении угловой скорости в два раза центростремительная сила возрастает в четыре раза (при одинаковых прочих условиях).
Примечание. При втором и третьем опыте второй груз помещают на противоположном конце стержня.
Приборы мелкие и простейшие
1) Бруски (комплект). Комплект состоит из следующих предметов:
а) Бруски — два одинакового веса и два одинакового объема. Бруски предназначены для опытов по удельному весу.
1До урока необходимо опытным путем найти частоту ударов счетчика, при которой получается совпадение.
118
Бруски одинакового объема имеют размеры 20 мм X 50 мм X X 100 мм (один брусок деревянный, другой цементный); бруски одинакового веса — один цементный размерами 30 мм X 40 мм X X 70 мм и один деревянный, с поперечным сечением 30 ммх40мм. Высоту деревянного бруска определяют опытным путем. Состав цемента обоих брусков должен быть одинаковым (стр. 470). Дере-
Рис. 106.
винные бруски делают из одной сухой доски и тщательно покрывают олифой.
б) Брус со стрелкой-отвесом и резиновой пластинкой для опытов по трению. Кроме опытов по трению, брус применяется для демонстраций по устойчивости тела.
Брус делают из сухой древесины твердой породы размерами 160 мм X 80 мм X 40 мм. На одну узкую грань можно наклеить резиновую пластину толщиной 2—3 мм. Кромки у пластины срезают на «фаску».
Посередине одного торца укрепляют проволочный крючок. Поверхность бруса зачищают стеклянной бумагой.
В точке пересечения диагоналей на двух различных гранях (кроме торцовых) сверлят по отверстию. Из толстой жести делают указатель. В широком конце указателя сверлят отверстие под гвоздик, который должен туго входить в отверстия бруса.. Указатель, окрашенный в черный или красный цвет, свободно подвешивают на гвоздике.
119
К брусу прилагают резиновую пластину размерами 400 мм X X 100 мм, толщиной 2—4 мм.
При опытах по трению брус (без стрелки) удобно тянуть цилиндрическим динамометром (16) до 300 Г по доске (21) и по резиновой пластине. Для демонстрации зависимости трения от смазки доску и трущуюся грань бруса покрывают на время опыта слоем раствора мыла в воде и после опыта тотчас вытирают досуха. Обнаружить силу трения при смазке можно тонкой резинкой с контрольной нитью (стр. 62).
Рисунок 106, а дает понятие о демонстрации устойчивости бруса на наклонной плоско-
Рис. 107.
сти в зависимости от грани, на которой стоит брус, и от направления наклона по отношению к опорной грани. Для опыта удобно использовать платформу (22). Во избежание скольжения основание бруса упирают в кромку картона, положенного на платформу.
в) Брусок для демонстрации зависимости устойчивости тела от положения центра тяжести. Размеры бруска 120 мм X X 60 мм X 30 мм. Возле торца в бруске сверлят отверстие, в котором укрепляют груз 200—250 Г.
Рисунок 106, б дает по-
нятие о проведении опытов.
г) Полезно иметь три кубика с ребрами по 50 мм ддя опытов по инерции (рис. 107) и для других целей (рис. 51, стр. 55).
2) Плоские фигуры из фанеры (комплект).
а) Черный лист фанеры с транспортиром. Лист делают из фанеры размерами 750 мм X 650 мм такой же толщины, как и экраны для фона (6). Это позволит устанавливать лист фанеры на ножках от экранов (рис. 138, а).
Лист фанеры должен иметь плоские, хорошо зачищенные черноматовые поверхности. С одной стороны в углу на лист наклеивают бумажный транспортир на 90°, радиусом 120 мм, с делениями через 10°. Центр транспортира совмещают с углом листа. Лист ис
пользуют для записи траектории. Берут подогретый стальной шарик (лучше покрытый ржавчиной, отожженный или протравленный кислотой), покрывают меловой кашицей с небольшой примесью
120
клея и дают высохнуть. Такой шарик, катясь по листу фанеры, оставляет хорошо видимый след (рис. 108, а).
На черном листе фанеры заставляют двигаться по кругу шарик, покрытый мелом (рис. 108, б). Внезапно отпускают нить. Шарик продолжает свое движение по касательной к окружности. Другое применение черного листа фанеры можно видеть на рисунках 102, б, 138 а и 138,6.
Рис. 108.
б) Фигуры плоские для нахождения центра тяжести. Из фанеры толщиной 3 мм выпиливают две фигуры: одну геометрической формы, в которой центр тяжести легко определяется теоретически (например, прямоугольник или треугольник), вторую сложной формы, например контур кленового листа. Основные размеры фигур порядка 200—250 мм. В каждой фигуре просверливают три отверстия для тонкой оси (14); два отверстия по углам фигуры и третье в центре тяжести (рис. 109). Насадив тело на ось в третье отверстие, подрезкой кромки доводят тело до состояния безразличного равновесия. Через крайние и центральное отверстия проводят две черные прямые толщиной 2 мм. Поверхность фигур покрывают лаком.
121
Найдя с помощью отвеса центр тяжести фигуры, насаживают ее на ось в найденной точке и убеждаются в безразличном равновесии тела.
е) Диск для демонстрации моментов сил. Из фанеры толщиной 9 мм вырезают диск диаметром 310 мм. В его центре тонким сверлом делают отверстие, перпендикулярное плоскости. По размеру диска на чертежной бумаге вычерчивают две окружности, по которым вырезают два круга. На одном круге <п черной тушью наносят пять концентриче-
JJ ских окружностей, радиусы которых отли-
/ чаются друг от друга на 30 мм. Толщину
V I ) линий делают 2,5 мм (рис. ПО, б). На дру-
\ гом круге проводят два взаимно перпенди-
яр у кулярных диаметра и круг разделяют на / * квадраты со сторонами 30 мм (рис. НО, а).
LJ Jl Толщина линии — 2 мм.
^1 Бумажные круги наклеивают на фа-
I верный диск с обеих его сторон, тщ^тель-
Q но совместив центры. Сушку производят
под прессом., В каждом углу квадратов сверлят по отверстию диаметром 1—1,5 мм. Отверстие в центре диска рассверливают под тонкую ось (стр. 32). Диск, насаженный на тонкую ось, должен легко вращаться и находиться в безразличном равновесии.
' Последнего достигают тем, что в ребре бо-Рис. 109. лее тяжелой части диска высверливают
отверстия по радиусу.
К диску делают из проволоки 4 — 5 штырьков, туго входящих в отверстия диска (рис. ПО, в).
На рисунках 110, а и ПО, б изображены примерные установки для демонстрации правила момента сил и условия равновесия тела, имеющего ось вращения.
Установку для последнего опыта проще и быстрее можно сделать на вертикальном монтажном щите (рис. 396, стр. 425);
3) Лекало для демонстрации различных видов равновесия. По рисунку 111 из трехмиллиметровой фанеры выпиливают два одинаковых лекала. Кромки тщательно зачищают. Лекала соединяют между собой бруском, поперечным сечением 10 мм X 25 мм, служащим в то же время основанием.
Прибор используется со стальным шариком диаметром 18—20 лш.
4) Груз тяжелый с двумя крючками и кисточкой. Прибор используется в опытах по инерции, записи синусоиды, а также при сборке упрощенного счетчика секунд (18).
Для изготовления прибора можно использовать любой металлический груз массой 1,5—2 кг цилиндрической или шарообразной формы, например гирю. С двух сторон по оси груза сверлят отверстия диаметром 4—5 мм, нарезают в них резьбу и ввертывают 122
по крючку, сделанному из соответствующей толщины стального прутка.
Груз можна отлить из свинца или даже сделать из цемента, вве* дя в массу железные предметы. В этих случаях крючки загибают
Рис. 110.
на концах стального прутка диаметром 3—4 мм. который при отливке (или изготовлении цементного шара) устанавливают по оси груза.
Для опыта по инерции груз подвешивают на одной нити, достаточно прочной для удержания груза, а к нижнему крючку привязывают 4—6 таких же нитей. При рывке вниз за пучок обрываются нижние нити. Если медленно тянуть за одну нить из пучка, то при небольшом усилии обрывается верхняя нить (не ушибить руку!).
Постановка опыта с записью синусоиды описана на странице 90, а использование груза для сборки упрощенного счетчика секунд — на странице 49.
ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПЫТОВ ПО ДЕФОРМАЦИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
31. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ДЕФОРМАЦИИ (комплект)
Комплект состоит из следующих приборов:
а) Пружины, цилиндрические для нагрузки до 4 кГ и до 300 Г.
Пружину до 4 кГ свивают из проволоки ПК диаметром 2 мм на стержне диаметром 23,5 мм.
Число витков — 66. Пружину на 300 Г делают такую же, как и для динамометра (16) до 300 Г, У каждой пружины концы заканчивают крючком Ч В свободном состоянии витки у пружины должны быть сжатыми, но с обязательным просветом в 0,1—0,2 мм между каждым витком.
Вдоль пружины на 4 кГ краской наносят прямую черту шириной 6 мм, необходимую для показа деформации кручения (рис* 114, а).
б) Брусок из пористой резины. Лучше всего иметь брусок из микропористой резины длиной 150—200 мм и поперечным сечением от 20 лшХЗОлш до 30 мм X 50 мм (рис.
112, а). Можно удовлетвориться, бруском из губчатой резины (резиновая губка, рис. 112, б).
1 Изготовление пружин см, на странице 4674
124
Поперек бруска краской наносят замкнутые линии шириной 3—4 мм, отстоящие друг от друга на 15—20 мм.
в) Прибор для демонстрации различных видов деформации. Из стальной проволоки марки ПК диаметром 1—1,5 мм свивают 6 одинаковых цилиндрических пружин диаметром 12—15 мм. Каждая пружина состоит из 45—50 витков. Пружину растягивают до 200 мм длины в ненагруженном состоянии.
Заготовляют пять дощечек из фанеры толщиной 9 мм. Размеры дощечек 100 мм X 160 мм. В каждой дощечке просверливают по 6 одинаковых отверстий по диаметру пружин, отстоящих друг от друга на 60 мм и от краев дощечек на 20 мм. В отверстия туго вставляют пружины.
Таким образом, дощечки оказываются нанизанными на шесть пружин и расположенными на одинаковых друг от друга расстояниях (рис. 113).
Рис. 113.
Дощечки не должны сдвигаться вдоль пружины. Поэтому в каждом отверстии один виток пружины закрепляют двумя проволочными шпильками. Из крайних дощечек пружины не должны выступать.
Приборы бив почти заменяют друг друга, а потому можно ограничиваться изготовлением одного из них.
Использование приборов
Пружины используются при первоначальном ознакомлении с упругими свойствами тел, а также для демонстрации растяжения, изгиба и кручения (рис. 114, а).
Резиновый брусок позволяет показывать упругие деформации изгиба, сжатия (рис. 112, в) и сдвига (рис. 115, а).
125
Прибор, состоящий из пружин и дощечек, служит для демонстраций некоторых видов деформации (рис. 114, би 115, б).
О напряженности материала в различных слоях деформируемого бруска можно судить по расположению полос на резиновом бруске или по расстояниям между витками пружины в последнем приборе.
32. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ РЕШЕТКА КРИСТАЛЛА ПОВАРЕННОЙ СОЛИ
(макет)
Общий вид прибора изображен на рисунке 116, а.
Из стальной проволоки диаметром 2 мм заготовляют двадцать восемь прямых прутков длиной по 240 мм и 60 прутков длиной по 55 мм. Из цементной замазки изготовля-
ют 32 шарика диаметрами по 20 мм и 32 шарика диаметрами по 16 мм. Изготовление одинаковых шариков описано на странице 470. Когда шарики будут подсыхать, их насаживают на 8 длинных прутков по 4 штуки (два больших и два малых в чередующемся порядке) и на 16 длинных прутков — по два разных
Рис. 114.
Рис. 115.
шарика. Шарики устанавливают на одинаковых друг от друга расстояниях (рис. 116, б).
Двадцать четыре длинных прутка с шариками соединяют между собой в четыре прямоугольные грани: по два прутка с четырьмя шариками и четырьмя прутками по два шарика. Соединение делают так* чтобы одинаковые по величине шарики были расположены в шахматном порядке (рис. 116, в). После этого двадцатью четырьмя короткими прутками граням придают вид решеток с квадратными ячейками, изображенных на рисунке 116, г.
126
Полученные четыре грани располагают параллельно друг другу и соединяют между собой в пространственную решетку (рис» 116, а) при помощи четырех длинных и тридцати шести коротких прутков.
Перед соединением шариков проволоку смачивают асфальтовым лаком, чтобы шарики прочно пристали к проволоке. Придав решетке правильную кубическую форму, уплотнив все соединения и поправив повреждения у шариков, оставляют прибор в покое до
Рис. 116.
полного затвердевания шариков. Затем прибор раскрашивают масляными красками. Большие шарики, изображающие ионы хлора, окрашивают в желтый цвет, а малые, изображающие ионы натрия, — в светло-серый цвет. Проволочный каркас покрывают асфальтовым лаком (черный цвет).
33. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАКОНА ГУКА
а) Прибор для демонстрации зависимости удлинения проволоки от нагрузки. Общий вид прибора изображен на рисунке 117. Один конец испытуемой проволоки укреплен в зажимах прибора. Другой конец проволоки наматывается на ось, снабженную шкивом. Диаметр шкива в десять раз больше диаметра оси. Шкала на шкиве позволяет наблюдать за удлинением проволоки при загрузке нити. Нагрузка на проволоку легко определяется по нагрузке нити.
К деревянному основанию прибора (рис. 117) прикрепляют на клей и шурупы брусок размерами 30 мм X 30 мм X 60 мм.
127
Посередине верхней грани бруска на двух клеммах устанавли* вают две железные пластинки размерами 30 мм X 10 мм X 2 мм, наложенные друг на друга. Между пластинами зажимают конец исследуемой проволоки (стальной, диаметром 0,3 мм).
На правом конце основания делают продольный вырез. По обе стороны выреза прочно укрепляют два угольника, сделанные по рисункам 118, а и 118, б. К одному угольнику припаивают трубку диаметром 8 мм, длиной 6 мм так, чтобы ее ось проходила через
Рис. 117.
центр отверстия для вала. На стальной вал диаметром 5 мм прочно насаживают флянец (рис. 118, в). Чтобы флянец не провернулся, засверливают косое отверстие и ставят шпильку или вал с флянцем вытачивают из одного куска металла.
К флянцу на четырех шурупах прикрепляют шкив со шкалой, сделанный из фанеры толщиной 6 мм по рисунку 118, г. Диаметр шкива по дну желоба, сложенный с толщиной нити для грузов, делают ровно в 10 раз большим диаметра вала, увеличенного на толщину исследуемой проволоки. Это соотношение следует соблюсти возможно точнее.
В борту шкива сверлят отверстие для закрепления конца очень прочной нити, наматываемой на шкив. На конце нити прикрепляют проволочный крючок для Подвешивания грузов по 100 г (рис. 119).
На боковую поверхность шкива наклеивают шкалу, нарисованную тушью на чертежной бумаге. По окружности на шкале надо уложить столько основных равных делений и пятых долей деления, сколько миллиметров и пятых долей миллиметра имеет длина проволоки, обернутой вокруг вала один раз1. Все промежутки между основными штрихами делят на пять равных частей. На шкале против четных основных штрихов проставляют крупные цифры 0, 2,4 и т. д., располагая их против часовой стрелки.
На рисунке 118, г изображена шкала с 16,8 большими делениями.
хДля этого десять витков проволоки туго навивают на вал, возможно точнее отмечают начало и конец витков, а затем, выпрямив проволоку, измеряют ее длину и результат делят на десять.
128
6
3
5 Заказ 1530
0 100
По рисунку 118, д из жести делают стрелку, которую насаживают на трубку подшипника оси шкива с достаточным трением. Указатель стрелки подгибают к шкале диска.
После установки вала (рис. 118, г) на его концы надевают тонкие шайбочки и в крайние отверстия ставят шпильки.
• Прибор покрывают светлым лаком. Угольники красят в черный цвет. Шкалу покрывают бесцветным сапоновым лаком, а стрелку делают красной.
Демонстрация закона Гука. До урока на одном конце испытуемой проволоки делают петлю, проволоку у петли прочно зажимают между двух пластинок левой стойки прибора. Другой конец проволоки пропускают сквозь отверстие в валу прибора, закрепляют и пятью-шестью оборотами вала (по часовой стрелке) натягивают проволоку- На нить шкива подвешивают груз в 100 Г и так оставляют до опыта.
Прибор устанавливают на два ящика-подставки, как указано на рисунке 119.
Рассказав устройство и действие прибора; указывают, что нагрузка на проволоку в 10 раз больше нагрузки на нить, а поворот диска на одно большое деление соответствует приращению длины проволоки на 1 мм.
Микрометром с демонстрационной головкой (12) измеряют диаметр проволоки в двух-трех местах. Длину проволоки измеряют от зажима до центра вала. Сняв на время груз с нити и слегка натянув ее, совмещают стрелку с нулем шкалы. Затем к нити последовательно подвешивают грузы по 100 Г, записывая каждый раз нагрузку на проволоку (удесятеренный вес грузов) и удлинение проволоки в миллиметрах по показаниям шкалы. Каждый последующий груз подвешивают тогда, когда показание стрелки установилось.
Сначала замечают пропорциональность между удлинением струны и деформирующей силой: каждый прибавленный груз 100 Г вызывает одинаковое приращение длины проволоки. Последний груз, при котором удлинение будет больше, чем у предыдущих, снимают. Нагрузку до последнего груза можно считать предельной для упругой деформации.
В дальнейшем нагрузку ведут с помощью динамометра (16) до 300 Г, прицепив его к нижнему грузу и осторожно натягивая им нить отвесно вниз.
Приращение длины проволоки записывают при увеличении нагрузки на проволоку на каждые 250 Г (на одно деление динамометра, равное 25 Г). При некоторой нагрузке замечают, что удлинение происходит слишком быстро. Тогда уменьшают нагрузку (спуская динамометр) до момента, когда стрелка едва заметно, но все же показывает приращение длины проволоки. Внимательно следят за шкалой динамометра. При заметно уменьшенной нагрузке происходит разрыв струны. Удлинение проволоки и нагрузку на нее в момент разрыва записывают.
130
По данным записи можно построить график. По оси ординат откладывают нагрузку, а по оси абсцисс — приращение длины. Отмечают предел пропорциональности и нагрузку разрыва.
Зная диаметр проволоки, вычисляют поперечное сечение в слА Разделив нагрузку разрыва в кГ на поперечное сечение в см2, уз-кГ
нают -напряжение в —» при котором сталь данного сорта разрывается. Разделив нагрузку у предела пропорциональности на сечение, узнают мак
симальное напряжение в пределах упругой деформации при растяжении.
б) Прибор для демонстрации закона Гука на пружинах. Этот же прибор можно использовать для опытов подавлению.
Общий вид прибора можно видеть на рисунках 121, а, б, в.
Основание прибора состоит из деревянного бруска (лучше липового), снабженного с боков ножками (рис. 120, а). В бруске прорезают четыре квадратных отверстия. В отверстия туго вставляют и закрепляют лаком направляющие квадратного сечения, сделанные из белой жести (рис. 120, б); на 5 мм они выступают снизу и на 30 мм — сверху.
В направляющие свободно входят стержни
Рис. 120.
квадратного сечения из
древесины твердой породы: четыре длиной по 130 мм и один длиной 220 мм. К верхним концам стержней прикрепляют квадратные площадки, сделанные из фанеры (рис. 120; в).
На короткие стержни надевают проволочные цилиндрические пружины, работающие на сжатие, сделанные с тем расчетом, чтобы при нагрузке в 1 кГ пружина сжималась’ на 60 мм.
Указанным условиям будет удовлетворять цилиндрическая пружина, сделанная, например, из проволоки ПК толщиной 1,5 мм,
5*
131
с наружным ' диаметром 30 мм, имеющая 15—18 витков и растянутая до длины 90 мм в незагруженном состоянии. Цилиндр
намометров покрывают светлым лаком.
для намотки проволоки надо взять диаметром 21— 23 мм.
Расчет пружины производят по таблицам 1 и 3 (стр. 472). Все четыре пружины должны быть одинаковыми. Крайние витки у пружин сгибают в кольцо.
К длинному стержню делают такую же пружину, но с двойным числом витков, растянутую до 180 мм.
К прибору прилагают три дощечки из трехмиллиметровой фанеры размерами: 70 лшХ70 мм; 70 ммХ X 145 мм и 70 мм X 295 мм.
Собранный прибор градуируют. Сначала уточняют длину пружин: все площадки должны находиться на одном уровне, нижние концы стержней должны находиться вровень с кромками направляющих, когда на площадки положена длинная дощечка. Затем посерединё верхней доски ставят гирю 1 кГ. Все стержни опускаются одинаково (рис. 121, в). Покромкам направляющих на стержнях делают отметки. Гирю в 1 кГ заменяют последовательно гирей в 2 кГ, в 3 кГ и затем в 4 кГ, рас-
полагая их равномерно по
Рис. 121. верхней дощечке; на стерж-
нях делают соответствующие отметки. Полученные деления должны быть у всех стержней одинаковыми (около 15 мм каждое).
Деления на стержнях раскрашивают в два чередующихся цвета: белый и красный (нйжние деления — белые). Направляющие окрашивают в черный цвет, а остов прибора и остальные части ди-
132
Длинную пружину надевают на длинный стержень, который вставляют в одну из направляющих. Производят градуировку, отмечая деления при изменении нагрузки на 125 Г. На шкале получают восемь делений таких же по длине, как и на других стержнях.
Для опытов по давлению, вместо дощечек и гирь, удобно воспользоваться деревянным или цементным прямоугольным бруском размерами 72,5 ммX 145 ммХ290 мм. Для бруска придется сделать четыре других одинаковых пружины, рассчитанных по весу бруска: под действием бруска пружина должна сжаться на 60 мм.
Градуируют прибор следующим образом. На площадку одного динамометра помещают брусок, поставленный на торец. Длину выступающей вниз части стержня (60 мм) делят на четыре равных отрезка. Деления наносят на одной из граней стержня (на других трех гранях нанесены деления для других пружин) и раскрашивают, как указано выше.
Применение прибора
1) Демонстрация закона Гука. Рисунок 121, а изображает установку прибора для демонстрации зависимости сжатия пружины от ее длины (числа витков) при одинаковых прочих условиях. Прибор ставят на два ящика-подставки (5) и в две средние направляющие вставляют разные по длине стержни с разными пружинами. Обращают внимание учащихся на то, что одна пружина в два раза длиннее другой иимеет в два раза большее число витков при прочих одинаковых данных. Нагружают площадки стержней сначала по 250 Г, затем по 500 Г и, наконец, по 1 кГ. По делениям, показавшимся снизу основания прибора, видят, что при одинаковой нагрузке величина сжатия у длинной пружины в два раза больше, чем у короткой, и что величина деформации пропорциональна нагрузке.
Затем демонстрируют распределение нагрузки, производимой одновременно на одинаковые пружины.
Сначала гирю в 1 к/помещают на площадку одной пружины — она сожмется на четыре деления. Затем дощечкой накрывают площадки двух смежных пружин и на середину дощечки ставят ту же гирю в 1 кГ — каждая пружина сожмется лишь на два деления (рис. 121, б). Наконец, длинной дощечкой покрывают площадки всех четырех пружин и посередине дощечки ставят ту же гирю — каждая пружина сожмется лишь на одно деление (рис. 121, в).
2) Демонстрация по выяснению понятия о силе давления и давлении. Прибор используют с четырьмя одинаковыми стержнями и пружинами. На одну из четырех площадок прибора помещают малую дощечку, равную с ней по площади, и нагружают сначала гирьками в 250 Г, затем в 500 Г и, наконец, в 1 кГ. Замечают, что стержень опускается вниз сначала на одно, затем на два и, наконец, на четыре деления.
133
Ознакомившись с ценою деления одного динамометра и убедившись, что все динамометры одинаковы, принимают поверхности каждой площадки динамометров за единицу.
Вес гири в 1 кГ, поставленной на площадку одного динамометра, действует на одну единицу площади опоры. Динамометр показывает одновременно силу давления, равную 1 кГ, и давление, равное 1 кГ/ed. площади.
Затем две площадки покрывают одной дощечкой, площадь которой равна двум квадратным единицам. Посередине дощечки ставят гирю в 1 кГ. Теперь сила давления в 1 кГ действует на площадь опоры в две квадратные единицы. На каждую единицу площади опоры гиря действует с силой лишь 500 Г, что и показывают динамометры: их стержни опустились на два деления (рис. 121, б).
Сняв нагрузку, покрывают все четыре площадки дощечкой с поверхностью в четыре квадратные единицы. Посередине дощечки ставят гирю в 1 кГ. Сила давления осталась той же— 1 /сГ, подавление уменьшилось в четыре раза и равно 250 Г/ед. пл. — каждый стержень опустился на одно деление (рис. 121, в).
Гирю в 1 кГ заменяют гирей в 2 кГ. Давление при этом тоже увеличилось в два раза и стержни динамометров опустились на два деления.
В этом приборе давление показывает каждый из нагруженных динамометров, а сумма показаний динамометров определяет силу давления. Таким образом, прибор позволяет показать количественную сторону рассматриваемого явления.
Если к прибору сделан специальный брусок (стр. 133), то, установив соответствующие пружины и повернув к учащимся требуемые шкалы на стержнях динамометров, опыт производят следующим образом.
Ставят брусок малым основанием поперек прибора на одну из площадок. Динамометр этой площадки показывает четыре деления. Затем ставят брусок на то же основание, но вдоль прибора. Брусок покрывает площадки двух динамометров, которые показывают по два деления. Наконец, брусок кладут на длинное узкое ребро, покрывая им все площадки четырех динамометров, которые показывают по одному делению.
В этих случаях сила давления (вес бруска) оставалась неизменной, но показания динамометров были различны — обратно пропорциональны площади, на которую давил брусок.
34. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАВИСИМОСТИ ПРОЧНОСТИ БАЛОК НА ИЗГИБ ОТ ФОРМЫ СЕЧСНИЯ (комплект)
Комплект состоит из следующих предметов:
1) Дощечка размерами 3 ммХ 15 ммХ400 мм1 (дощечек следует иметь несколько — в запас).
гДощечка может быть заменена штукатурной дранкой,
134
2) Две опоры для дощечек 1 в виде прямоугольных деревянных брусков, сделанных по рисунку 122, а. В пропилы на брусках должны входить концы дощечек 1.
3) Дощечка с поперечными планками по краям, сделанная по рисунку 122, б.
Рис. 122.
4) Две полоски из жести толщиной 0,3 мм: одна плоская, другая в виде желоба, с загнутыми по краям продольными ребрами высотой 7 мм каждое (рис. 122, в).
5) Трубка латунная (или свернутая из жести и пропаянная) длиной 300 мм и прут одинаковых с трубкой веса и длины из того же металла.
6) Крючок из проволоки для подвешивания гирь и грузов, сделанный по рисунку 121, г.
Демонстрация зависимости прочности балок на изгиб от формы сечения. Установка при
135
боров и проведение демонстрации с дощечкой понятны по рисункам 123, а, б, в.
Подобным же образом демонстрируют зависимость для полоски жести и полоски с ребрами, сплошного стержня и трубки. Обращают внимание учащихся, что вес балочек каждой пары одинаков.
Во всех опытах нагрузку берут соответственную результатам произведенных заранее опытов.
35. МАТРИЦА И ПУАНСОН ДЛЯ ШТАМПОВКИ ТАРЕЛОЧЕК ИЗ ЖЕСТИ
Из дуба или лучше металла вытачивают матрицу (рис. 124, а) и пуансон (рис. 124, б). Волокна древесины следует располагать параллельно оси вращения.
‘ ।
Матрица Пуансон
Отштампованная тарелочка
Рис. 124.
Из белой жести толщиной 0,1—0,2 лш вырезают диски диаметром 79 ли!, из которых на уроке штампуют тарелочки. Отверстие 136
t в дне матрицы служит для стержня, которым выталкивают тарелочку из матрицы, если она не выпадает сама.
Демонстрация штамповки тарелочек гидравлическим прессом. Показывают деревянную матрицу и пуансон для штамповки тарелочек из жестяных кружков. Положив жестяной кружок в матрицу и накрыв пуансоном, помещают их на поршень гидравлического пресса. Сжимают прессом штамп до плотного соприкосновения пуансона с матрицей. Спускают масло, вынимают штамп, поднимают пуансон и извлекают из матрицы отштампованную тарелочку (рис. 124, в).
Приборы мелкие и простейшие
/) Бруски для демонстрации принципа определения твердости материала. Бруски используются со стальным шариком и гидравлическим прессом.
В наборе имеются бруски размерами приблизительно 80 мм X X 40 мм. Толщина брусков может быть от 3 мм и больше.
Желательно иметь бруски: стальной, алюминиевый, свинцовый, дубовый и липовый.
Хранить набор следует в коробочке.
Демонстрация способа определения твердости материала.
Помещают на поршень гидравлического пресса липовый брусок: на брусок кладут шарик и прессом вгоняют его в дерево до наибольшей окружности. При этом замечают показание манометра. - Окрасив вмятину, показывают углубление, сделанное шариком.
Повторяют опыт с дубовым бруском, доводя показание манометра до предыдущего. В дубовом бруске шарик оставляет углубление значительно меньшее.
Можно продолжить опыт с металлическими брусками. Под пресс помещают шарик, положенный на свинцовый, затем алюминиевый и, наконец, на железный брусок. Каждый раз доводят давление s пресса до той величины, при которой шарик вошел в свинец наполовину. Следует обратить внимание, что для этого потребовалось значительно большее давление, чем для дерева. Показывают учащимся, что в алюминиевом бруске шарик оставил след значительно меньший, чем в свинцовом, а в железном — едва заметный.
Измерив диаметры углублений, по особым формулам можно вычислить, во сколько раз твердость одного материала больше или меньше твердости другого.
2) Стержень из пластилина. Перед демонстрацией разрыва стального стержня на гидравлическом прессе полезно показать разрыв руками большого стержня, скатанного из белого пластилина. При равномерном растяжений стержня руками всем учащимся хорошо видно образование шейки и появление трещин перед разрывом.
ПРИБОРЫ ПО ГИДРОСТАТИКЕ И АЭРОСТАТИКЕ
36. ВЕДЕРКИ С РЕЗИНОВЫМИ СТЕНКАМИ (открытое и закрытое)
Ведерки предназначены для демонстрации передачи давления жидкостями и газами, а также для обнаружения атмосферного давления.
Ведерко резиновое открытое. Дном ведерка служит банка из-под крема для обуви с ободком вокруг стенки. Верхним обручем слу--жит кольцо одинакового с банкой диаметра, сделанное из жестяной полосы шириной 7—8 мм, вдоль которой, по ее середине, напаяна проволока.
Стенки ведерка делают из листовой резины толщиной 0,5 мм. Резину вырезают прямоугольником, одна сторона которого равна высоте ведерка, то есть 120—130 мм, а другая— длине окружности дна, увеличенной на 5—6 мм, необходимых для склейки стенок резиновым клеем.
Склеенную резиновую трубку надевают на стенки дна и на обруч с небольшим натяжением и туго прикрепляют прочной нитью, располагаемой по обе стороны ободка и проволоки.
В обруче по диаметру делают два отверстия для проволочной ручки (рис. 125).
Ведерко резиновое закрытое. Ведерко закрытое отличается от открытого только тем, что вместо обруча вверху устанавливают крышку такую же, как дно. В середине крышки делают отверстие с впаянным кусочком металлической трубки высотой 15—20 мм, диаметром 6—7 мм (рис. 126).
Демонстрации
/) Передача давления твердым, сыпучим и жидким телом. Установка приборов видна на рисунке 125. "
Сначала в ведерко помещают гирю в 500 г. Гиря давит только на дно сосуда (что видно по опустившемуся дну), но не оказывает давления на стенки (рис. 125, а).
Вместо гири в ведерко насыпают какое-либо сыпучее тело, например песок. Дно ведерка несколько опускается, а вместе с тем раздуваются стенки во все стороны одинаково, но внизу больше, чем вверху. Очевидно, сыпучее тело давит не только на дно, но и на стенки сосуда.
138
Сыпучее тело заменяют водой. Жидкость давит как на дно, так и на стенки ведерка. Таким образом, давление сыпучего тела напоминает давление жидкости (рис. 125, б).
2) Демонстрация закона Паскаля с резиновым закрытым ведерком. а) Ведерко укрепляют за патрубок в зажимной лапке штатива. Штатив ставят в большую ванну (9). Водой заполняют закрытое ведерко до патрубка1, на который затем надевают* резиновую
Рис. 125.
трубку с грушей (рис. 126, а). Замечают форму, принятую стенками ведерка. На воду в ведерке производят давление воздухом, сжимая грушу. Стенки ведерка раздуваются всюду равномерно (рис. 126, б); это показывает, что давление, производимое на жид-кость, заключенную в сосуд, передается ей во все стороны одинаково.
б) К патрубку резинового ведерка присоединяют стеклянную трубку (рис. 126, в). Ведерко заполняют водой до патрубка. Стенки ведерка раздуваются.
В трубку осторожно наливают воду. По мере поднятия уровня резиновые стенки ведерка раздуваются все больше и больше. Обращают внимание учащихся.на то, что небольшое количество воды, находящейся в трубке, производит большое давление на стенки ведерка.
Затем можно показать, что давление на стенки зависит лишь от высоты уровня воды в трубке и не зависит от ее количества. Для
1 Чтобы закрытое ведерко быстро заполнить водой, поступают следующем образом. Патрубок ведерка соединяют шлангом с воронкой, дно ведерка поднимают до крышки, в воронку наливают воду и дно отпускают.
139
этого измеряют диаметр наиболее раздутой части ведерка демонстрационным штангенциркулем (11) и отмечают кольцом на штативе уровень воды. После этого трубку заменяют большой стеклян-
ной воронкой, укрепленной в кольце. Когда налитая в воронку
вода достигнет отмеченного уровня, стенки ведерка раздуются
так же, как при опыте с трубкой, что. проверяют штангенциркулем.
При данном опыте не надо поднимать уровень воды в трубке* слишком высоко, чтобы избежать остаточной деформации резиновых стенок или даже разрыва их.
3) Обнаружение атмосферного давления с закрытым резиновым ведерком. Закрытое резиновое ведерко заполняют водой и на патрубок в крышке надевают отрезок резиновой трубки. Ведерко с водой перевер-
тывают и удерживают в руке Рис. 127. за донышко; вода из него выли-
вается. Но так как воздух в ведерко через трубку не попадает, то атмосферное давление сжимает стенки резинового ведерка, которые сморщиваются по мере выливания воды (рис. J27).
140
37. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАКОНА ПАСКАЛЯ
1) Прибор из консервной банки. Для прибора используют стеклянную банку из-под консервов емкостью в 1 л. Банку с консервами осторожно вскрывают, не испортив закатанные кромки металлической крышки и кольцо резиновой прокладки. На крышке бан-
ки равномерно распределяют по диаметру верстия. В отверстия должны входить стеклянные трубки с внутренним каналом 4—5 мм в поперечнике.
Из жестяной полоски шириной 6—8 мм изготовляют стенки открытой коробочки, охватывающие собой отверстия и отстоящие от них на 5 мм. Стенки коробочки припаивают к крышке.
Заготовляют следующие стеклянные трубки вышеуказанного диаметра: а) прямую трубку длиной 300 мм\ б) трубку длиной 315 мм с концом в 35 мм, загнутым под углом 180°; в) трубку длиной 250 мм с концом 20 мм, загнутым под углом 90°, и г) трубку длиной 60 мм с концом в 20 мм, загнутым под углом в 90°.
четыре одинаковых от-
Готовые стеклянные трубки вставляют в отверстия с нижней стороны крышки. Колено короткой трубки вставляют в крайнее отверстие сверху крышки (рис. 128).
Все пространство между стенками коробочки и стеклянными трубками плотно забивают цементной замазкой (стр. 470).
В банку наливают подкрашенную воду, уровень которой миллиметров на сорок не доводят до краев. На крышку банки укладывают резиновое кольцо от консервной банки, которую затем накрывают крышкой с вставленными трубками. Кромку крышки подгибают под борт возможно плотнее, чтобы воздух не проходил через крышку при небольшом давлении.
После закрепления крышки производят окончательную установку трубок, как указано на рисунке. На наружный конец короткой трубки надевают медицинскую грушу с прожженным отверстием в дне.
Вместо консервной банки можно использовать коническую колбу емкостью около литра. Колбу закрывают резиновой пробкой, сквозь которую пропускают вышеописанные трубки. Изготовление прибора из колбы проще, но трубки приходится располагать
очень тесно.
2) Прибор из двух резиновых груш, соединенных между ссбзй трубкой. Приобретают две медицинские груши емкостью по'200— 256 мл каждая. В одной груше кончиком раскаленного шила или иглы прожигают отверстия диаметром около одного миллиметра,
141
расположенные по большой окружности, перпендикулярной к осевому сечению груши. Расстояния между отверстиями — 8—10 мм. Груши соединяют между собой резиновой трубкой длиной 300— 400 мм.
Использование приборов
Демонстрация закона Паскаля с первым прибором описана в стабильном учебнике и ясна из рисунка 128.
Рис. 129.
Опыт с грушами производят, как указано на рисунке 129. Предварительно грушу с отверстиями наполняют водой, для чего ее сжимают и опускают в воду.
Чтобы показать тот же опыт для газов, грушу с отверстиями заполняют дымом или в грушу без отверстий насыпают немного меловой пудры.
Если струйки видны плохо, то их освещают сбоку осветителем.
38. ПОДУШКИ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ПЕРЕДАЧИ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТЬЮ И ГАЗАМИ
Плотную прочную материю выкраивают по рисунку 130, а для. двух подушек: маленькой и большой. Затем выкроенную материю тщательно покрывают с обеих сторон тонким слоем резинового клея. Когда клей высохнет, покрытие повторяют. Так поступают два-три раза, пока материя получится непроницаемой для воды и воздуха. В середине одной из боковых стенок каждой подушки вставляют латунную трубку длиной 40 мм, диаметром 6—7 мм. Для этого до середины трубки снаружи делают винтовую нарезку. На резьбу навертывают шайбу до конца и запаивают. Затем на резьбу туго надевают резиновую шайбу толщиной 2—3 мм, за ней материю боко
142
вой стенки подушки, снова такую же резиновую шайбу и, наконец, металлическую шайбу. Все это туго сжимают гайкой, навернутой на конец трубки.
Когда трубки вставлены, из приготовленной материи сшивают или склеивают резиновым клеем подушки. К верхним квадратным основаниям предварительно пришивают по восемь хлястиков из материи без резинового покрытия. Когда подушки сшиты, швы тщательно покрывают резиновым клеем (подушки не должны пропускать воздуха).
К основаниям подушек прикрепляют равновеликие им дощечки из фанеры толщиной 6 мм. Прикрепление производят хлястиками, которые приклеивают к дощечкам столярным клеем. Фанеру большой подушки разделяют на четыре равных квадрата двумя черными линиями толщиной по 3 мм (рис. 130,6).
Рис. 130.
Рис. 131.
Демонстрации
1) Уравновешивание веса учащегося невысоким столбом воды. Перед демонстрацией гидравлического пресса желательно показать эффектный опыт, изображенный на рисунке 131. До урока заполняют водой большую подушку. На патрубок подушки надевают резиновую трубку со стеклянным наконечником длиной 700 мм из комплекта (39). Подушку помещают на демонстрационном столе. Стеклянную трубку укрепляют вертикально в лапке штатива так, чтобы уровень воды в трубке при незагруженной подушке был ви
143
ден на белом фоне ящиков-подставок (5). Нулевое деление метра совмещают с уровнем воды.'Воду в трубке подкрашивают. Поставив учащегося на подушку, наблюдают, что его вес уравновешен весом небольшого столбика воды высотой 50—60 см.
В стеклянную трубку вводят стержень с поршнем (39), не пропускающим воду и воздух1 (рис. 134, а). Небольшим усилием пальца на стержень опускают поршень. Под действием этого усилия
Рис. 133.
Рис. 132.
столбик воды в трубке опускается. Уровень столбика воды доводят до нуля (это хорошо видно, так как между поршнем и водой остается слой воздуха). Имея в виду несжимаемость жидкости, делают вывод, что вода из трубки выдавлена в подушку, а учащийся был поднят этим небольшим усилием, хотя этот подъем незаметен. Убирают поршень. Столбик воды снова поднимается на прежнюю высоту.
2) Передача давления газами. Большую подушку надувают воздухом. Резиновой трубкой подушки соединяют между собой. На доску большой подушки ставят две гири по 2 кГ. Малая подушка раздуется, а большая несколько сожмется.
На доску малой подушки ставят гирю в 1 кГ — наступает безразличное равновесие (рис. 132, а), которое не нарушается при любом уровне площадки малой подушки. Перегоняя частично воздух из малой подушки в большую и обратно, показывают это равновесие.
144
Равновесие нарушают небольшим грузом (100—200 Г), поставленным на малую площадку. Воздух из малой подушки перейдет в большую (рис. 132, б). Нажимом на большую подушку поднимают площадку малой подушки, которая снова опускается, как только прекратить нажим. Сняв перегрузок с малой подушки, убеждаются, что снова наступает равновесие.
При опыте обращают внимание, что значительное перемещение по вертикали доски малой подушки вызывает лишь небольшой сдвиг доски у-большой.
Указание. Гири надо ставить симметрично относительно середины доски, тогда бортики из материи будут распрямляться со всех сторон одинаково.
3) Подъем учащегося воздухом, вдуваемым в большую подушку. Подушку располагают на демонстрационном столе. К патрубку подушки присоединяют конец резиновой трубки длиной 1,5 м со стеклянным наконечником. Наконечник тщательно обмывают. Проведение демонстрации показано на рисунке 133.
39. СОСУДЫ, ТРУБКИ И СТЕКЛЯННЫЕ НАКОНЕЧНИКИ С РЕЗИНОВЫМИ ШЛАНГАМИ (комплект)
Приборы комплекта используются для демонстрации давления жидкости на стенки сосуда, опытов с сообщающимися сосудами и для других целей.
Сосудов два: 1) бутыль белого стекла на 1—2 л с отрезанным дном; горло бутыли закупорено пробкой со стеклянным наконечником, имеющим диаметр канала 6—7 мм\ 2) такая же, но узкая бутылка на 0,5 л.
Две трубки для демонстрации давления жидкости на стенки сосуда. Диаметры каналов трубок 6—7 мм. Одна трубка прямая, длиной 300 мм\ другая в виде буквы S, длиной 450 мм\ высота изогнутой трубки 300 мм. В трубках сверлят (стр. 469) по 5— 6 отверстий диаметром 1,5—2 мм. На прямой трубке отверстия располагают по образующей, а на изогнутой — в плоскости долевого сечения трубки.
Если не удастся просверлить стекло, то можно использовать металлические трубки.
Трубки стеклянные — 4 шт. Диаметр каналов трубок 8—10 мм. Две трубки прямые и одна изогнутая змейкой имеют высоту по 250 мм каждая. Четвертая трубка прямая, длиной 600 мм, с легко передвигаемым в ней поршнем из тряпочки на проволочном стержне. Длина стержня 450 мм (рис. 134, а).
Кроме того, для демонстрации действия фонтана в комплект входит наконечник, укрепленный на треноге (рис. 134, б), а также наконечник с отверстием 4 мм, загнутый под прямым углом и снабженный снимающейся жестяной лопаточкой (рис. 134, в).
145
У всех предметов комплекта концы для надевания резинового шланга должны быть одинаковыми по диаметру.
В комплект входят два резиновых шланга с каналами одинакового диаметра (8—10 мм) длиной 1,5 м и 60 см.
Демонстрации
1) Давление жидкости на стенки сосуда. Установка прибора показана на рисунке 135.
По форме струек воды можно судить о зависимости давления воды на стенки сосуда от высоты водяного столбика.
Рис. 134.
Так как трубка сообщается с аквариумом, то практически уровень воды в ней за время опыта не изменится, не будет, следовательно» изменяться и форма вытекающих струек.
Прямую трубку заменяют изогнутой и повторяют опыт, который с большой очевидностью покажет, что давление жидкости перпендикулярно стенкам сосуда (рис. 135, б).
2) Опыты с сообщающимися сосудами. На двух штативах в зажимные лапки укрепляют сначала две одинаковые стеклянные трубки, соединенные между собой, резиновым шлангом.
Шланг заполняют подкрашенной водбй до стеклянных трубок, после чего перекрывают зажимом. Одну из трубок заполняют той же водой. Когда зажим снимают, вода в стеклянных трубках устанавливается на одном уровне. То же происходит, если поднимать или опускать одну из трубок, сближать или удалять трубки друг от друга.
Одинаковость уровней нетрудно показать планкой, установленной горизонтально (рис. 136, а).
Затем одну из трубок заменяют: сначала изогнутой трубкой, а потом бутылкой. Результат остается прежним.
146
Укрепив вверху штатива бутылку и соединив ее резиновым шлангом с наконечником на треноге, поставленной посередине большой ванны, демонстрируют действие фонтана. Обращают внимание на то, что струя не поднимается до уровня воды в сосуде (рис. 136, б).
Рис. 135.
3) Реактивное действие струи воды. К бутылке, укрепленной вверху штатива, присоединяют шланг длиной 60 см. Шланг снабжают стеклянным наконечником, загнутым под прямым углом и висящим над ванной (9) на высоте 10—15 см (рис. 137, а). В сосуд наливают воду и тотчас отверстие у наконечника закрывают пробкой. У горлышка сосуда шланг перекрывают краном или зажимом.
Пробку ослабляют, чтобы ее могла выбросить вода, и зажим отпускают. Пробка вылетает, из наконечника бьет струя воды, шланг при этом отклоняется назад (рис. 137, б).
147
а б
Рис. 136.
Рис. 137.
На наконечник укрепляют насадку с лопаточкой. Пускают воду. Если струя направлена мимо лопаточки, то шланг отклоняется назад; если же струя бьет в лопаточку — шланг не отклоняется (рис. 137, <?).
148
4) Траектория горизонтально направленной струи. Установка приборов и проведение демонстрации видны на рисунке 138, а. Воду в сосуде надо забелить зубным порошком. Белая струя хорошо видна на черном фоне фанеры (стр. 120).
Шарики маятников (14) расположатся по параболе, совпадающей с кривой струи, если начало горизонтального стержня подвести к началу струи, передвижением последнего маятника совместить его шарик со струей, а остальные маятники расположить на одинаковых друг от друга расстояниях. Конечно, струя жидкости не должна касаться шариков.
Если струя направлена под углом к горизонту, то стержень устанавливают под тем же углом.
5) Дальность выброса струи воды, направленной под углом к горизонту. Установку приборов делают по рисунку 138, б. Струю воды, забеленную зубным порошком, направляют в ванну (9) под углом 45° к горизонту. Начало струи должно совпадать с центром транспортира на, листе черной фанеры (стр. 120) и находиться на одном уровне с дном ванны. На место падения струи ставят брусок. Затем меняют угол наклона. При всяком другом наклоне струя воды падает на дно ванны ближе к наконечнику.
Направив струю под углом 30° и заметив вторым бруском место ее падения, убеждаются, что струя, направленная под углом 60°, падает там же. Повторяют опыт при иных углах: наклона, дополняющих друг друга до 90°, например 20° и 70°.
40. МАНОМЕТР ЖИДКОСТНЫЙ ОТКРЫТЫЙ
С ПЕРЕДВИЖНОЙ ШКАЛОЙ (2 шт.)
Передвижная шкала прибора позволяет легко совмещать уровни жидкости с нулем шкалы и тем облегчает отсчет.
Подставку для манометра делают из фанеры по рисунку 139, а. Основанием подставки служит дощечка толщиной 9 мм, снабженная внизу четырьмя ножками. К основанию прикрепляют вертикальную стойку размерами 440 мм X 56 мм X 6 мм.
Стеклянную трубку с каналом 3 мм в диаметре, длиной около 900 мм изгибают и придают ей форму буквы U. Расстояние между коленами трубки делают 30—35 мм. Посередине стойки помещают передвижную шкалу с двухсантиметровыми делениями, начерченную тушью на чертежной бумаге и наклеенную на рейку толщиной 3 мм, длиной 430 мм. Ширину рейки делают на 4 мм уже расстояния между коленами стеклянной трубки.
По передвижной рейке из проволоки делают две скобы с заостренными концами длиной по 9 мм. Скобы вбивают в стойку так, чтобы рейка, вставленная в скобы, передвигалась вдоль стойки по середине. Чтобы шкала не сползала после установки на нуль, на стойке сзади рейки наклеивают тонкую резиновую пластинку.
149
Рис. 138,
По обе стороны от шкалы стойку покрывают белой краской, после чего прикрепляют U-образную трубку.
В трубку наливают подкрашенную воду. Уровень жидкости устанавливают немного выше нуля опущенной шкалы.
Чтобы во время хранения прибора вода не испарялась, концы трубки соединяют-между собой резиновой трубкой.
Рис. 139.
Использование прибора
Перед использованием прибора нуль шкалы совмещают с уровнем жидкости. Отсчет по шкале дает сразу давление в сантиметрах водяного столба, так как цена делеция равна 4 см.
Прибор имеет широкое применение в опытах, где требуется наблюдение за небольшим изменением давления. Ниже описан один из многих опытов.
Демонстрация закона Шарля. Определяют температуру комнатной воды, налитой в сосуд. В воду опускают колбу, хорошо закрытую пробкой с тубусом и резиновой трубкой. Вода должна полностью покрыть колбу. Чтобы колба не всплыла, в нее предварительно насыпают необходимое количество тары.
Соединяют узкую резиновую трубку тубуса колбы с коленом жидкостного манометра. Жидкость (вода) в обоих коленах манометра стоит на одном уровне. Нуль подвижной шкалы манометра совмещают с уровнем жидкости.
151
Йодливая горячую воду и непрерывно ее помешивая, поднимают постепенно температуру воды в сосуде и воздуха в колбе. Через каждые 2° повышения температуры записывают показания манометра, измеряющего давление воздуха в колбе (рис. 139, б). Объем воздуха при этом меняется очень мало, поэтому его можно считать неизменным.
Из полученных опытных данных легко найти зависимость давления газа от температуры при неизменном объеме.
41. МОДЕЛЬ ВОДОПРОВОДА
Монтаж делают по рисунку 140, а из стеклянных кранов, тройников и трубок, соединенных между собой короткими отрезками резиновой трубки. Собранный трубопровод прикрепляют к фанерной доске толщиной 6 мм проволочными скобами.
При отсутствии кранов их можно заменить резиновыми трубками с зажимами.
Демонстрация принципа действия водопровода. Установка приборов, изображающая схему простейшего водопровода, показана на рисунке 140, б. Бутылка из комплекта (39) — бак водонапорной башни; прибор (41) — водопроводная сеть с кранами, расположенными на разной высоте (на трех «этажах»).
В бутылку наливают подкрашенную воду (ее уровень должен быть ниже верхнего открытого крана, см. рисунок 140, б).
Приоткрыв на время краны, убеждаются, что вода из верхнего крана не течет, а из нижних течет.
Поднимают бутылку выше верхнего крана, на высоту, заранее определенную опытом. Теперь вода потекла и из верхнего крана при закрытых нижних. Очевидно, самый верхний водоразборный кран должен находиться ниже уровня воды в баке.
152
Открыв только нижний кран, принимают струю воды в химический стакан в течение десяти секунд (отсчитываемых устно). Затем, закрыв нижний кран, то же самое проделывают со струей, текущей только из среднего крана, принимая воду во второй стакан и, наконец, принимают струю только из верхнего крана в третий стакан. Замечают, что в третьем «этаже» вода выливается из крана значительно медленнее, чем во втором, а во втором медленнее, чем в первом. Об этом можно судить по количеству вылившейся воды за одинаковые промежутки времени.
Открывают краны во всех этажах. Вода из верхнего крана теперь не течет (рис. 140, в). Обращают внимание на то, что при открытых кранах уровень воды в вертикальной трубке модели понизился и остановился ниже верхнего крана. Когда один из нижних кранов будет закрыт, вода поднимется и снова потечет из верхнего крана*. Этим опытом поясняют временное отсутствие воды в верхних этажах в часы большого ее разбора.
Поднимают бутылку — вода течет из всех кранов одновременно: при достаточном давлении все этажи всегда обеспечены водой.
Примечание. Воду в бутылке надо поддерживать на одинаковом уровне, время от времени добавляя ее.
42. ШЛЮЗЫ, ПЛОСКАЯ МОДЕЛЬ
Модель служит для иллюстрации принципа спуска и подъема судов с помощью шлюзов. Общий вид модели, представляющей разрез двухступенчатого шлюза, виден на рисунке 142. В плоской модели поднимающимися и опускающимися деталями являются щитки 3 и 4, изображающие воду в камерах шлюзов, и полоски * 5, изображающие ворота шлюзов. Поворачивающимися деталями являются заслонки 7, перекрывающие подземные каналы. Остальные детали модели неподвижны.
Основанием модели служит лист шестимиллиметровой фанеры размерами 380 мм X 600 мм (первый слой модели). На фанеру наклеивают столярным клеем плотный картон толщиной 1,5 мм, вырезанный в виде трехступенчатой лесенки по пунктиру рисунка 141, а. На картон наклеивают три фигуры: б, в и г, вырезанные из трехмиллиметровой фанеры по тому же рисунку, где они изображены сплошными жирными линиями и заштрихованы.
Из фанеры толщиной 6 мм вырезают такую же лесенку а, как и из картона. С обратной стороны поперек лесенки вырезают три канавки глубиной 1 мм, шириной по 10 мм. Расположение канавок, предназначенных для жестяных полос, изображающих ворота 5 (рис. 142), указано пуктиром на рисунке 141, б.
Лесенку из фанеры обращают канавками к щиту модели и наклеивают на фигуры б, в и г с прокладкой из чертежной бумаги, положенной только в местах склейки.
Из трехмиллиметровой фанеры вырезают фигуры д, е, ж и з, представляющие собой ту же лесенку, разрезанную «каналами» на
153
четыре части. Эти фигуры наклеивают на фанерную лесенку так, как указано на рисунке 141, б, где они заштрихованы. Подземные каналы (на рисунке не заштрихованные) окажутся углубленными.
Из трехмиллиметровой фанеры вырезают два передвижных щитка, изображенных на рисунке 141, в. Три полоски шириной 9 мм вырезают из жести толщиной 1 мм: две полоски длиной по 300 лш
Рис. 141*
и одну 230 мм. Передвижные щитки вставляют в пазы сверху, ручками вниз, а жестяные полоски вставляют снизу в канавки третьего слоя. Щитки и полоски должны свободно передвигаться и удерживаться в требуемых двух положениях проволочными шпильками, которые вставляют в соответственно просверленные отверстия (рис. 142).
154
Из трехмиллиметровой фанеры вырезают три заслонки 7 мм х X 34 мм, которые в середине насаживают на шурупы и ввертывают в центрах утолщения каналов, соединяющих шлюзы. Поворотом этих заслонок каналы «открываются» и «закрываются» (рис. 142).
Из трехмиллиметровой фанеры вырезают «пароход» и раскрашивают (рис. 141, а). Внизу к «пароходу» прикрепляют жестяную скобочку для насадки модели на ребро фанеры, изображающей уровень воды.
Рис. 142.
Щит модели вверху снабжают двумя петлями для подвешивания на стену.
Модель раскрашивают масляными красками. На заднем фоне (первый слой модели) рисуют пейзаж и каменные стены камер-шлюзов, которые бывают видны при спуске воды. На среднем слое фанеры, частично видном слева и справа модели, рисуют воду (зелено-голубоватым цветом). На лицевой поверхности последнего слоя фанеры рисуют разрез шлюзов: бетон, камень, грунт. Задние стенки каналов й передвижные щитки окрашивают под цвет воды. Жестяные полосы, изображающие спускающиеся ворота и поворачивающиеся заслонки, окрашивают в темно-коричневый цвет.
Модель окаймляют деревянной рамкой, покрытой темным лаком.
Демонстрация принципа устройства и действия шлюзов на плоской модели. Перед уроком модель вешают на стену, и передвижением голубых щитков «воду» в шлюзах опускают до низшего уровня (рис. 143, а).
155
Показывают верхний бьеф 1 (рис. 142), нижний бьеф 2 и два шлюза 3 и 4, разделенные между собой воротами 5 и сообщающиеся подземными каналами 6.
Сначала демонстрируют спуск парохода по шлюзам. «Пароход» насаживают на верхний бьеф у ворот (рис. 143, а). Поднимают сред-
шлюзе. Когда уровни воды в
ние ворота до уровня верхних. Объясняют учащимся, что обычно ворота шлюзов закрываются, как двухстворчатые двери, но в плоской модели это показать трудно и ворота сделаны поднимающимися снизу1. Поворотом заслонки открывают верхний канал, и вода от верхнего бьефа заполняет верхний шлюз (медленно поднимают передвижной щиток голубого цвета до уровня верхнего бьефа). Когда уровни сравняются, перегораживают заслонкой верхний канал и опускают верхние ворота. Пароход входит в шлюз (рис. 143, б). Затем верхние ворота поднимают. Одновременно с ними поднимают и нижние ворота. Поднятые нижние ворота значительно ниже верхних. Открывают заслонку среднего канала, и вода из верхнего шлюза переливается в нижний. Пароход снижается, опускаясь вместе с водой на одну ступень. Когда уровни воды в шлюзах сравняются, опускают средние ворота и переводят пароход из верхнего шлюза в нижний (рис. 137, в). После этого средние ворота поднимают и открывают нижний канал. Вода из нижнего шлюза перетекает в реку. Пароход опускается до уровня нижнего бьефа вместе с водой в реке и шлюзе сравняются, нижние
ворота опускают и пароход выходит в реку, опустившись по шлюзам на две ступени (рис. 143, г).
После этого демонстрируют подъем парохода с нижнего бьефа на верхний. Демонстрацию ведут аналогично, но в обратном по-
рядке. '
1 Такие ворота имеются, например, на реке Москве, близ столицы, на Прервенском шлюзе.
156
43. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ НА ДНО СОСУДА
Основание прибора состоит из доски на двух низких ножках-брусках (рис. 144, а). К основанию прикрепляют стойку для установки бутылки. Высоту стойки делают на 50 мм выше бутылки с отрезанным дном. Вдоль стойки вырезают по бутылке желоб для удобного прикрепления сосуда.
Для прибора наиболее подходящей будет полулитровая бутылка белого стекла с широким горлышком (из-под молока). Горлышко
бутылки затягивают резиновой пленкой. К середине пленки снаружи приклеивают тонкий твердый диск, по диаметру в два раза меньший горлышка. Сосуд прочно прикрепляют к стойке двумя хомутиками из жестяных полосок или проволокой.
Из железной или латунной полоски поперечным сечением 1,5 лшх 10 мм, длиной 86 ми делают скобу для оси стрелки. Стрелку изготовляют из дерева или жести. Общая длина стрелки 200 мм.
Отношение плеч устанавливается опытным путем. Короткий конец стрелки имеет выступ, направленный вверх и упирающийся в середину диска резинового дна бутылки. На другом конце стрелки прикрепляют указатель красного цвета.
Из файеры толщиной 6 мм вырезают дугообразное основание для шкалы по рисунку 144, а, которое одним концом врезают в основание прибора. На железной пластинке рисуют шкалу: на белом фоне черные штрихи толщиной 2—3 мм. Шкалу делают передвижной в четырех — шести лапках из жести, прикрепленных к основанию шкалы.
К прибору прилагают две стеклянные трубки: одну прямую с внутренним диаметром 8—10 мм и другую изогнутую змейкой с
157
каналом диаметром 4—5 мм. На конце каждой трубки насажена с клеем БФ-2 резиновая пробка, которой можно плотно закрыть горло у бутылки изнутри (рис. 144).
На бутылке масляной краской наносят хорошо видную черту, отмечающую уровень воды, налитой в бутылку, при котором стрелка прибора почти доходит до верхней черты на шкале. Этого достигают подбором соотношения плеч у стрелки.
На каждую трубку надевают по тонкому резиновому кольцу. Основание прибора и стойку покрывают масляной краской.
Демонстрация давления жидкости на дно сосуда. Передвижением шкалы совмещают нуль с указателем стрелки. Вставляют в бутылку прямую трубку с пробкой на конце, которой перекрывают горловину бутылки (рйс. 144, б). В трубку понемногу наливают подкрашенную воду. Обращают внимание на передвижение стрелки по мере поднятия уровня воды. Когда уровень воды в трубке достигнет черты, нанесенной на стенках бутылки, добавление воды прекращают и замечают положение стрелки по шкале.
Трубку с пробкой из бутылки вынимают. Уровень воды значительно снизится (допунктирной линии на рисунке).Намного уменьшится и показание стрелки. Значит, давление того же количества воды на резиновое дно уменьшилось. Доливают в бутылку подкрашенную воду до тех пор, пока стрелка не дойдет до замеченного деления. Опыт покажет, что это случится тогда, когда уровень воды в бутылке дойдет до черты на стенке. Обращают внимание на большое количество долитой воды. Воду из бутылки выливают.
В бутылку вставляют изогнутую трубку с пробкой на конце, плотно перекрыв последней горловину бутылки (рис. 144, а). Наливают воду в изогнутую трубку до черты на стенке бутылки. Стрелка окажется на том же делении, где она была при первых двух опытах.
44. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДАВЛЕНИЯ ВНУТРИ ЖИДКОСТИ
Основной частью прибора служит коробочка / с резиновой диафрагмой 2 (рис. 145, а). Можно воспользоваться коробочкой из-под крема для обуви без крышки1. В дно коробочки впаивают металлическую трубку 3 диаметром 2—3 мм, выступающую наружу на 5 мм.
Ко дну коробочки припаивают скобу 4, сделанную из металлической полосы шириной 6—7 мм, толщиной 1 —1,5 мм, длиной 68 лш. В скобе просверливают отверстия: два для оси 7, расположенные на продолжении диаметра, лежащего на резиновой диафрагме, и одно на конце плеча 5 ддя крючка поводка 9. Коробочку
1 Емкость коробочки должна быть раз в 5—6 больше емкости каналов, соединяющих коробочку прибора с манометром (рис. 145, б).
158
без крышки закрывают слегка натянутой тонкой резиновой пленкой. Пленку привязывают к стенкам коробочки по обе стороны ободка прочной нитью так, чтобы воздух не мог попасть в коробочку, помимо трубки 3.
Металлическая трубка 6 диаметром 8—10 мм, сделанная из белой жести, служит ручкой прибора. К нижнему ее концу припаивают ось 7 — проволоку диаметром 1,5—2 мм, длиной 30 мм, за
Рис. 145.
гнутую под прямым углом. Ось вставляют в отверстия скобы 4 и кончик оси загибают или напаивают на него металл, чтобы предохранить скобу от соскакивания с оси.
На конец трубки 3 надевают резиновую трубку в с каналом 2 мм в диаметре, длиной 700—800 мм. Резиновую трубку пропускают сквозь ручку 6. На ручке наносят масляными красками деления по 50 мм каждое, раскрашивая их в чередующиеся белый и красный цвета. Начало первого деления (белого) должно совпадать с осью 7. Коробочку и скобу покрывают алюминиевой краской. Из проволоки диаметром 2 мм делают поводок 9 по рисунку 145, а.
Демонстрация давления жидкости на погруженную в нее площадку. Прибор соединяют с жидкостным манометром (40). Обращают внимание учащихся на одинаковый уровень жидкости в коленах манометра. Затем нажимают слегка пальцем на резиновую диафрагму прибора и наблюдают’ изменение уровней жидкости в манометре.
159
Чем сильнее нажимают на диафрагму, тем большую разность уровней показывает манометр1.
После этого демонстрируют следующие опыты:
Погружая прибор в воду* 2 аквариума на ту или иную глубину (диафрагмой вверх), констатируют прямую зависимость между глубиной погружения прибора и давлением воды на диафрагму.
Установив диафрагму прибора на некоторой определенной глубине и заметив ее по делениям ручки, поворачивают коробочку вокруг оси при помощи поводка. Убеждаются, что при любом положении диафрагмы давление жидкости на диафрагму не меняется.
Погрузив прибор сначала в воду аквариума до определенного деления, а затем до такого же деления в воду сосуда, емкость которого много меньше емкости аквариума, отмечают в обоих случаях одинаковое давление на диафрагму прибора. Опыт показывает, что давление жидкости не зависит от количества окружающей жидкости.
Погружают прибор сначала в воду аквариума, а затем на ту же глубину в сосуд с керосином. При погружении в керосин манометр показывает давление меньше, чем при погружений в воду. Отсюда следует, что весовое давление жидкости зависит от ее удельного веса.
В керосине следует держать прибор недолго и пленку сейчас же тщательно промыть, иначе керосин разрушит резину.
45. ВЕДЕРКО АРХИМЕДА (прозрачное)
Подбирают химический стакан емкостью 100—150 мл, по возможности узкий и высокий. В середину стакана погружают металлическое тело с укрепленным в нем проволочным крючком. В стакан наливают расплавленный парафин, который должен окружать тело со всех сторон и не заполнять стакан миллиметров на 10 (рис. 146, а). Затвердевший парафиновый цилиндр осторожно вынимают из стакана, погрузив последний на несколько секунд в горячую воду. Верхнюю поверхность цилиндра сравнивают. Парафиновый цилиндр должен плотно входить в стакан. Удельный весь цилиндра делают немногим больше единицы.
На уровне верхней поверхности вставленного в стакан цилиндра на стекле наносят несмываемой краской хорошо видный издали пунктир.
Из мягкой проволоки к химическому стакану делают подвеску, как указано на рисунке 146, б.
’Не держать коробочку в руках во избежание нагрева.
2Вода для опытов должна иметь комнатную температуру.
160
Динамометр для ведерка состоит из пружины и скобы (рис. 146, в). Пружину свивают из стальной проволоки'толщиной 0,8 мм на стержне 10—12 мм в диаметре. Число витков подбирают такое, при котором вес ведерка с цилиндром вытягивает пружину на 50—60 мм. Внизу пружину заканчивают прямой проволокой, направленной по оси пружины, длиной 80 мм, с крючком на конце. Вверху пружины загибают крючок, подведенный к центру витков
Рис. 146.
Скобу делают из железной проволоки диаметром 2,5—Злш. Вдоль скобы припаивают жестяную полосу. На полосе помещают два передвижных указателя из жести (устройство их видно на рисунке). На прямой проволоке у пружины устанавливают жестяной флажок— указатель, под которым напаивают проволочное колечко.
Указатели окрашивают в черный щвет.
Демонстрации
/) Выталкивающее действие жидкости на погруженное в нее тело. К динамометру прибора непосредственно присоединяют цилиндр.
6 Заказ 1530 161
Удерживая динамометр отвесно/, подвижным фиксатором замечают положение указателя (рис. 147, а).
Погружают цилиндр в воду. Наблюдают, что на погруженное тело вода оказывает выталкивающее действие, направленное снизу вверх. Положение указателя при полном погружении цилиндра замечают вторым указателем (рис. 147, б).
Постепенно вынимают цилиндр из воды — показания динамометра увеличиваются и, когда цилиндр будет вынут из воды пол-\ ностью, указатель динамометра остановится против фиксатора.
Рис. 147.
Чтобы выявить зависимость выталкивающей силы жидкости от ее удельного веса, цилиндр погружают в насыщенный раствор поваренной соли, а затем в керосин и сравнивают показания динамометра.
2) Демонстрации закона Архимеда. На штативе устанавливают муфту с кольцом на такой высоте (рис. 148), чтобы цилиндр прибора (динамометр, ведерко, цилиндр) сантиметра на три был выше дна стеклянного сосуда. Высота стеклянного сосуда должна быть на 40—50 мм больше высоты цилиндра, сложенной с длиной максимального перемещения указателя динамометра при опыте.
Сначала введением цилиндра в ведерко убеждаются, что объем цилиндра равен емкости прозрачного ведерка до пунктирной черты. Затем, собрав прибор, как указано на рисунке 148, передвижным фиксатором замечают положение указателя. Стеклянный сосуд подводят под цилиндр и ставят на подставку. В сосуд
162
постепенно наливают воду. Когда вода коснется дна цилиндра и начнет подниматься выше, указатель динамометра также начнет подниматься, показывая, что вода начинает выталкивать цилиндр вверх.
Налив воду в сосуд до полного погружения в нее цилиндра, замечают верхнее положение вторым фиксатором. Далее уместно показать, что сила, выталкивающая цилиндр из воды при полном его погружении, не зависит от глубины нахождения цилиндра в воде. Для этого приподнимают сосуд, цилиндр погружается, приближаясь ко дну, но показатель динамометра при этом остается неизменно у верхнего фиксатора. Сосуд снова ставят на подставку.
В прозрачное ведерко понемногу наливают воду. Когда ведерко наполовину заполнится водой, то указатель динамометра будет находиться посередине между фиксаторами (рис. 148). Когда ведерко заполнится водой до черты — указатель остановится против нижнего фиксатора, т. е. пружина динамометра будет растянута с той же силой, как и в начале
опыта. Это подтверждает Рис 148
закон Архимеда для жидкостей.
С прозрачным ведерком можно показать, что закон справедлив и при частичном погружении тела в жидкость. Для этого в порожний сосуд, где находится подвешенный цилиндр прибора, постепенно наливают воду. Когда цилиндр погрузится в нее, например, на треть объема, добавление воды прекращают. Указатель динамометра поднимется выше фиксатора, установленного при свободно висящем цилиндре. Затем в прозрачное ведерко осторожно наливают воду, например, на треть его высоты, а точку подвеса динамометра перемещают до тех пор, пока указатель не окажется против фиксатора. Очевидно, что теперь вес воды в прозрачном ведерке уравновешивает выталкивающую силу воды. Замечают, что высота погруженной в воду части цилиндра равна высоте столбика воды, налитой в прозрачное ведерко. Таким образом, жидкость выталки
6*
163
вает частично погруженное в нее тело с силой, равной весу вытесненной жидкости.
Меняя погружение тела, обнаруживают правильность сделанного вывода.
46. БРУСКИ ДЛЯ ВЫЯСНЕНИЯ ПРИРОДЫ выталкивающей силы
Подбирают тяжелый брусок толстого стекла или мрамора 1с полированной плоскостью размерами не меньше 100 лшХбО мм. Если такого нет, то делают деревянный брусок размерами 120 ммХ ХбО лшХ 20 мм и увеличивают его в.ес до 300—400 Г железной пластиной, прикрепленной к нижней грани бруска. К верхней части бруска на менделеевскую
или лучше на цементную замазку прикрепляют стекло, вырезанное по размерам бруска. Дерево и железо покрывают масляной краской.
Второй брусок отливают из парафина. Для этого из жести, фанеры или картона делают прямоугольную коробку с внутренними размерами 80лш><50 мм X %20мм. Стенки коробки смазывают маслом. Пара-
фин расплавляют и зали-Рис. 149. вают им коробку до краев.
Затвердевший брусок вынимают из коробки. Нижнюю его поверхность делают плоской: она должна плотно прилегать к плоскости первого бруска.
Опыт с брусками. На дно аквариума (8) помещают тяжелый брусок, на шлифованную плоскость которого укладывают парафиновый брусок плоской гранью вниз. Плоскости брусков должны плот
но смыкаться, чтобы вода не проникала между ними.
Придерживая палочкой парафиновый брусок, в аквариум наливают воду до двух третей его высоты. Когда вода налита, палочку убирают. Верхний брусок не всплывает, хотя и сделан из парафина — вещества, удельный вес которого меньше
единицы.
Обращают внимание учащихся на то, что вода давит на парафиновый брусок только сверху и с боков, а не снизу. Затем верхний брусок осторожно сдвигают с нижнего палочкой (рис. 149). Когда верхний брусок окажется в достаточной мере сдвинутым с нижнего и вода будет давить снизу на значительную площадь парафинового
164
бруска, то последний отрывается от тяжелого бруска и всплывает на поверхность воды.
Опыт показывает, что выталкивающая сила обусловлена разностью давлений на тело снизу и сверху.
47. КАРТЕЗИАНСКИЙ ВОДОЛАЗ
Прибор служит для демонстрации условий плавания.
Устройство прибора изображено на рисунке 150. В пробирку
наливают воду приблизительно на две трети объема и закупори-
вают пробкой с короткой узкой трубкой. Перевертывают пробирку вверх дном и уровень воды отмечают резиновым кольцом. В этом положений пробирку опускают в воду, налитую в широкий и глубокий сосуд, из которого можно легко вынуть пробирку. Надо урегулировать ее вес так, чтобы над водой возвышался кончик донышка пробирки на 2—3 мм. Если пробирка тонет, то часть воды из нее выливают. Если дно пробирки слишком высоко возвышается над водой, в пробирку прибавляют воду. Каждый раз следует соответственно перемещать резиновое кольцо.
Отрегулированную пробирку опускают в воду, налитую в цилиндрический сосуд высотой не меньше 30 см. Уровень воды должен быть ниже краев сосуда на 3—4 см, Сосуд плотно затягивают резиновой пленкой и завязывают.
При нажатии на пленку пальцем пробирка должна опускать-
ся на дно сосуда, при отпускании пальца — всплывать на поверх-
ность.
Чтобы водолаз был лучше виден издали, в пробирку следует ввести красящее вещество. Вода в большом сосуде при этом долго остается неокрашенной. В крайнем случае воду в сосуде нетрудно заменить свежей.
Демонстраиия условий плавания тел. Нажимают на резиновую пленку сосуда. Воздух под пленкой сжимается; давление, передаваемое через воду, заставляет сжаться воздух в пробирке, уровень воды в которой поднимается. Поплавок становится тяжелее и опускается на дно.
Прекращают нажим — уровень воды в пробирке опускается до кольца, поплавок становится легче и всплывает на поверхность.
Регулируют нажим так, что поплавок пларает между дном и поверхностью воды.
165
48. МОДЕЛЬ ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ
У полулитровой узкой бутылки белого стекла отрезают дно и суженную часть. Оставшийся цилиндр разрезают пополам. К полученным стеклянным цилиндрам 1 и 2 (рис. 151, а) делают надставки из липовой древесины. Формы надставок указаны на рисунке и напоминают собой носовую 3 и кормовую 4 части подводной
а
лодки. Из того же материала делают цилиндр 5 длиной 60 мм, помещаемый посередине лодки. Внешние диаметры -надставок и цилиндра одинаковы с наружным диаметром стеклянных цилиндров. Для соединения деревянных и стеклянных частей в торцах надставок и цилиндра делают заточки глубиной 5—6 мм. В надставке просверливают отверстие, в которое туго на лак вставляют тубус крана 6. Это отверстие соединяют с носовой полостью лодки. Вверху каждой надставки близ стеклянных цилиндров сверлят по узкому, косо расположенному отверстию 7, в которые впоследствии вставляют медную проволоку диаметром 0,5—0,7 мм от спирали
166
нагрева. Внизу каждой надставки просверливают косо расположенное отверстие 8 диаметром 2 лш.
В деревянном цилиндре 5 делают два отверстия: одно для спирали нагрева 9 и одно для крепления металлического, лучше свинцового, стержня 10 весом около 400 Г, расположенного вдоль «подводной лодки» у самого ее дна. Деревянные части модели покрывают горячей олифой.
К концам спирали нагрева 9 (десятая часть от спирали электрической плитки 600 ет, 127 в) присоединяют по куску медной проволоки диаметром 0,5—0,7 мм, длиной по 70 мм. -Для этого у соединяемых концов загибают по кольцу, которые плотно соединяют вместе маленьким болтиком (от электро-или радиоаппаратуры) или латунной заклепочной.
Теперь модель можно собирать. Один конец медной проволоки от спирали просовывают'с торца в верхнее косое отверстие носовой надставки. Затем эту надставку соединяют со стеклянным цилиндром с помощью цементной замазки (стр. 470). Сквозь отверстие в цилиндре 5 пропускают спираль и цилиндр с вставленным стержнем 10 соединяют с носовым стеклянным цилиндром. С другой стороны к цилиндру 5 присоединяют кормовой стеклянный цилиндр. Затем медную проволоку от спирали просовывают в верхнее отверстие кормовой надставки, которую затем присоединяют к стеклянному цилиндру.
Все части лодки должны быть герметично соединены замазкой. Каналы с медной проволокой снаружи временно покрывают замазкой. До отвердевания, замазки производят испытание модели (см. опыт).
Лодка должна плавать совершенно горизонтально. При этом кран должен быть направлен вертикально вверх. Непогруженная часть лодки, без воды в полостях, должна быть около 0.05 всего объема лодки. Указанного достигают подбором веса стержня 10 или добавлением металлических грузов, соответственно размещенных внизу полых цилиндров и скрепленных со стеклом цементной замазкой. Лодка не должна выходить из горизонтального положения при погружении или всплывании (см. опыт, стр. 168). Необходимо добиться, чтобы обе полости (носовая и кормовая) наполнялись и освобождались от воды совершенно одинаково. Этого достигают подгонкой ширины нижних каналов, через которые вода попадает в полости. Лучше всего в каналы вставить одинаковые латунные трубочки,
Когда лодка испытана, замазку выравнивают окончательно, дают ей затвердеть. Каналы 7 с медной проволокой, освободив от замазки, заливают сапоновым лаком, а непрозрачную часть модели высушивают и покрывают масляной краской.
Можно упростить устройство подводной" лодки, убрав из нее спираль для нагрева током. Тогда наполнение «кессонов» водой регулируют воздухом с помощью резиновой груши, конец которой соединяют с патрубком крана лодки тонкой и мягкой резиновой
167
трубкой (для велосипедного ниппеля). Прибор работает так же, как и предыдущий, но резиновая трубка больше мешает маневрированию лодки, чем тонкие мягкие провода.
Маневрирование модели подводной лодки: ее погружение, всплывание и нахождение в равновесии под водой. На воду, налитую в ванну-аквариум (8), помещают модель подводной лодки с закрытым краном. Провода от спирали соединяют тонкими гибкими проводами с батареей аккумуляторов на 5—6 в через реостат и ключ.
Открывают кран. Полости лодки через нижние отверстия начинают медленно наполняться водой. Лодка садится все глубже и глубже. Когда лодка начнет тонуть, кран закрывают. Лодка медленно опускается на дно, сохраняя горизонтальное положение. Прибор готов к демонстрации.
Включают электрический ток, спираль нагревается; от нее нагревается воздух в полостях лодки. Расширяясь, воздух вытесняет часть воды из лодки; последняя медленно всплывает на поверхность.
Если .выключить ток, то воздух в лодке быстро остывает, сжимается, вода входит в полости, лодка погружается в воду и садится на дно. Регулируя ток реостатом, можно дать спирали такой нагрев, что лодка будет находиться в равновесии, плавая под водой (рис. 151, б).
Благодаря значительным размерам (длина лодки около 300 мм) и прозрачности средней части учащимся виден процесс заполнения и освобождения «кессонов» лодки при ее опускании и подъеме.
Опыт с упрощенной моделью проводят аналогично. Управляют лодкой резиновой грушей (см. выше).
49. МОДЕЛЬ ЗАТОНУВШЕГО СУДНА С «ЦИСТЕРНАМИ» ДЛЯ ЕГО ПОДЪЕМА
Бруску из сухой липовой древесины придают форму, напоминающую корабль (можно воспользоваться игрушкой). Брусок утяжеляют металлом, чтобы модель весила граммов на 50—100 больше вытесненной им воды, и окрашивают его масляной краской* С боков к модели прикрепляют два сосуда — «цистерны», сделанные из стеклянных широких трубок диаметром 30—40 мм, длиной около 150 мм, закрытых с торцев пробками. Сквозь пробки пропускают стеклянные узкие трубки. Трубки от двух «цистерн» соединяют вместе через тройник в одну резиновую трубку длиной 60 см со стеклянным наконечником (рис. 152). «Цистерны» можно вырезать из стекол для керосиновых ламп или склеить из целлюлоида.
Демонстрация принципа подъема затонувших судов. "Модель судна с «цистернами» опускают на воду, налитую в ванну-аквариум (8). Резиновую трубку оставляют открытой. Вода заполняет «цистерны», вытесняя из них воздух через резиновую трубку. Судно с «цистернами» опускается на дно ванны (рис. 152).
168
Через трубку вдувают воздух, которым вытесняют из «цистерн» воду. Когда Подъемная сила будет достаточной, «цистерны» вместе с затонувшим судном всплывают на поверхность воды.
50. НАСОСЫ ВОДЯНЫЕ — ВСАСЫВАЮЩИЙ И НАГНЕТАТЕЛЬНЫЙ (комплект)
Комплект для демонстрации принципа действия насосов состоит из следующих предметов (рис. 153, считая слева направо): откры-
того с обеих сторон полого стеклянного цилиндра с тубусом на одном конце; поршня глухого на штоке с пробкой и ручкой; такого же поршня, но с клапаном; водоприемной трубки с клапаном и пробкой — 2 шт.; стеклянного цилиндра форкамеры; резинового шланга со стеклянными наконечниками и пружинящей скобы для соединения форкамеры с цилиндром.
Цилиндр 1 (рис. 154, а) делают из стеклянной толстостенной трубки диаметром 20—25 мм, длиной 200—250 мм. В 30 мм от од-
169
ного края в трубке сверлят отверстие (стр. 469) диаметром 4—5 мм. На цилиндр насаживают с цементной замазкой жестяное кольцо 2 шириной 8—10 мм, к которому припаян тубус из латунной трубки диаметром 4—5 мм, длиной 40 мм. Конец трубки загнут вниз. Канал тубуса должен соединяться через отверстие с полостью цилиндра. Цилиндр 1 можно сделать из листового оргстекла толщиной 3—
Рис. 154.
4 мм (стр. 470). В этом случае трубку тубуса укрепляют непосредственно в стенке цилиндра на резьбе.
Поршень с клапаном 3 делают следующим образом. На концах латунного стержня длиной 200—250 мм, диаметром 3—4 мм нарезают резьбу длиной 3 мм и 15 мм. На конце с короткой резьбой укрепляют скобу из латунной полоски сечением 2 ммХб мм. К скобе на болтики или заклепки прикрепляют поршень, состоящий из дву^ латунных шайб, между которыми зажаты кожаные диски. Шайбы не должны касаться стенок цилиндра, а кожаные диски надо плотно вогнать в канал. По оси поршня сверлят отверстие, в которое туго вставляют трубку диаметром 3—4 мм с раструбом вверху. В раструбе помещают клапан, который должен плотно перекрывать трубку и подниматься на 3—4 мм, упираясь в верх скобы.
На стержень насаживают корковую пробку 4 и прикрепляют ручку 5, зажатую между двух гаек.
170
Глухой поршень 6 отличается от поршня 3 тем, что на нижнем конце стержня делают резьбу длиной 12—15 мм. На этот конец сначала навертывают латунную шайбу, затем насаживают кожаные диски и вторую латунную шайбу; гайкой, давящей на нижнюю шайбу, сжимают кожаные диски.
К нижнему отверстию цилиндра 1 подбирают резиновую пробку 7,- в которую вставляют водоприемную стеклянную трубку длиной 80 мм с расширенным концом вверху. К раструбу делают клапан из цементной замазки, с длинным хвостовиком из латунной проволоки. Последний не позволяет клапану выскакивать из раструба.
Форкамеру 8 делают из стеклянного или плексигласового цилиндра одинакового по диаметру с цилиндром насоса, длиной 100— 120 мм (рис. 154, в).
Оба конца форкамеры закрывают резиновыми пробками. В нижнюю пробку 9 по оси вставляют водоприемную трубку с клапаном, такую же, как у пробки 7* но меньшей длины. На нижний конец трубки насаживают резиновый шланг длиной 60 мм. В верхнюю пробку 10 вставляют стеклянную трубку, которая нижним концом не должна доходить до клапана на 4 — 5 мм. На верхний конец трубки надевают резиновый шланг 11. Со стеклянным наконечником 12 длина шланга 300—400 мм.
Наружные диаметры водоприемной трубки форкамеры и патрубка 2 цилиндра насоса должны быть приблизительно одинаковыми, так как при сборке нагнетательного насоса они соединяются резиновым шлангом.
Форкамеру 8 скрепляют с цилиндром насоса 1 пружинящей скобой 13, вид которой изображен на рисунке 153.
Как видно из рисунка 154, в, при сборке нагнетательного насоса цилиндр 1 оборачивают вниз тубусом.
Демонстрация устройства и действия водяного всасывающего насоса. В стакан с подкрашенной водой опускают цилиндр с поршнем (рис. 155, а). Поднимая поршень, наблюдают подъем воды в цилиндре.
Объясняют показанное явление давлением атмосферы. В подтверждение этого поднимают поршень до отверстия в стенке цилиндра. Как только под поршень попадает воздух, соединенный с атмосферой, вода в цилиндре спадает до уровня воды в сосуде.
Снова повторяют подъем воды. Не доводя до тубуса поршень, опускают его. Вместе с поршнем опускается вода.
Чтобы удержать поднятый столб воды, применяют клапаны. Они пропускают воду только в одном направлении. Показывают клапан; вставляют его в гнездо водоприемной трубки. Пробку с трубкой и клапаном вставляют в нижнее отверстие цилиндра.
Повторяют опыт. Вода поднимется за поршнем и не спадет, если даже поршень поднять выше патрубка и воздух попадет под поршень (рис. 155, б).
171
Но как опустить поршень за следующей порцией воды, а поднятую воду заставить вылиться через патрубок?
Показывают другой поршень с клапаном, который и вставляют вместо глухого. Поднимают воду поршнем.
Опуская медленно поршень, наблюдают, как клапан поршня приподнимается, пропуская воду. Теперь сверху поршня оказался столб воды. Поднимают поршень и наблюдают, как поднятая
поршнем вода выливается из патрубка в ванну (9), в которой установлены приборы, а под поршень засасывается новая порция воды (рис. 155, в). Делают несколько качков. Наблюдают за работой клапанов.
Чтобы виднее была работа клапанов, сзади насоса помещают белый экран (б).
Демонстрация устройства и действия водяного нагнетательного насоса. Собирают прибор по рисунку 156, а. Показывает, что при движении поршня вверх вода в цилиндре подниматься не будет, так как воздух попадает под поршень через тубус. Сжимают шланг, надетый на тубус. Теперь вода поднимется за поршнем, приподнимая клапан. При попытке опустить поршень клапан закроется и вода из цилиндра не выльется. Если давить на поршень вниз и одновременно разжать шланг, то вода будет выброшена через наконечник шланга (рис. 156, а).
172
Для вторичного поднятия воды придется снова сжать шланг . и т. д. Чтобы выбрасываемую струю сделать непрерывной, снимают резиновый шланг, упругой скобой прикрепляют форкамеру к цилиндру и соединяют тубус цилиндра с приемной трубкой форкамеры коротким резиновым шлангом. На выходную трубку форкамеры надевают конец шланга с наконечником. Указывают на клапан внутри форкамеры.
Рис. 156.
Приводят насос в действие. Наблюдают, как вода поднимается за поршнем, затем перегоняется в форкамеру, где сжимает воздух, а последний, давя на воду, выбрасывает ее из наконечника (рис. 156, б). Струя воды не прерывается и тогда, когда поршень поднимают вверх. Следят за работой клапанов: один клапан пропускает воду в цилиндр и не дает ей возможности уйти обратно в стакан, другой пропускает воду в форкамеру и не позволяет ей вернуться в цилиндр при подъеме поршня.
51. АЛЬТИМЕТР ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ
Чувствительный альтиметр можно сделать из бутылки-термоса емкостью не меньше 1 л. К термосу подбирают хорошую пробку. У стеклянной трубки длиной 150—180 мм, с каналом около 2 мм в диаметре загибают под прямым углом конец длиной 30 мм, который
173
вставляют туго в отверстие пробки. В другое отверстие пробки вставляют патрубок стеклянного крана, хорошо притертого (рис. 157, а). Должна быть обеспечена полная герметичность. К горизонтальному колену трубки прикрепляют картонный экран размерами 120 мм ХЗО мм с белой поверхностью. На экран надевают пере-
Рис. 157.
движной указатель-рамку из полоски черной бумаги, шириной 5—6 мм. Перед опытом канал трубки тщательно промывают спиртом и вводят в него немного ртути, чтобы получился столбик длиной 10—15 мм.
Если термоса нет, то его заменяют колбой или бутылью емкостью в 1—2 л. Колбу герметически закупоривают пробкой с краном и изогнутой трубкой. Снаружи колбу обертывают толстым слоем ваты и заключают в картонную коробку (рис. 157, б), чтобы во время опыта температура воздуха в колбе не менялась с изменением высоты прибора от пола.
Демонстрация зависимости величины атмосферного давления от высоты. Переместив столбик ртути на середину трубки, закрывают кран. Указателем отмечают положение столбика жидкости*
Поднимают прибор к потолку1. Столбик ртути заметно отходит к открытому концу трубки, что показывает на уменьшение давления воздуха.
По мере опускания прибора столбик приблизится к термосу,
Когда прибор будет снова на столе, столбик жидкости установится ца первоначальном месте.
Во время опыта надо следить, чтобы трубка со столбиком ртути была всегда расположена горизонтально.
1 Поднимать прибор лучше всего на платформе, которую подвешивают к блоку, укрепленному в потолке.
174
52, МАНОМЕТР ТЕХНИЧЕСКИЙ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ
Механизм технического манометра на 4—5 сип вынимают из металлического корпуса. К механизму манометра прикрепляют кольцевую демонстрационную шкалу (рис. 158), вырезанную из листового металла толщиной 1—1,5 мм. На
металл наклеивают (клеем БФ-2) чертежную бумагу. В просвет шкалы должен быть виден механизм манометра: это позволит показывать части механизма на теневой проекции. В нарезку приемной трубки манометра ввертывают патрубок для надевания резиновой трубки. Стрелку манометра удлиняют путем напайки (или делают новую). Длина ее будет диктоваться размерами .шкалы. При наращивании стрелки надо соответственно утяжелить противовес, чтобы стрелка была уравновешена.
Градуировку можно сделать по шкале, снятой с прибора (если манометр давал правильные показания), или вновь
проградуировать с помощью прибора, собранного для демонстрации закона Бойля—Мариотта (см. * опыт
на стр. 176).
Проградуированную шкалу покрывают бесцветным сапоновым
лаком.
Применение прибора. Прибор используется для ознакомления с устройством технического манометра и в опыте, описанном на странице 176.
53. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАКОНА БОЙЛЯ — МАРИОТТА
Прибор состоит из резиновой камеры (куска велосипедной камеры или шланга) длиной 150 мм. Для камеры делают две деревянные пробки толщиной 15—20 мм с окружным желобом посередине. В пробки вставляют на клей БФ-2 по куску латунной трубки диаметром 5—6 мм, длиной 40—50 мм. Пробки туго вставляют в резиновую камеру (рис. 159, а). Камеру обвязывают проволокой по желобу в пробках. Этим пробки прочно и герметично соединяют с камерой.
К стеклянной толстостенной трубке с каналом 5—6 мм в диаметре укрепляют цементной замазкой стеклянный кран (стр. 470). Другой конец трубки оттягивают так, чтобы его внешний диаметр был приблизительно одинаков с диаметром трубки камеры. Цилиндрическую часть трубки делают длиной 180—200 мм. Трубку прикрепляют к фанерному щитку, покрытому белой краской.
175
На трубки камеры туго надевают концы резиновых толстостенных шлангов длиной по 300 мм.
Для отметки уровня воды в трубке на дощечку надевают три передвижных указателя, изображенных на рисунке 159, а. Их делают из упругой латуни толщиной 0,7 мм и с лицевой стороны окрашивают в черный цвет.
Рис. 159.
К прибору прилагают две дощечки из фанеры размерами 70 мм X Х50 мм'Хб мм, между которыми во время опыта струбцинкой сжимают камеру, наполненную подкрашенной водой.
Демонстрация закона Бойля — Мариотта. Установку приборов делают по рисунку 159, б. Перед уроком резиновую камеру 2 наполняют подкрашенной водой и соединяют с трубкой 1 прибора и с манометром 3 (52). Уровень воды должен быть виден внизу трубки 1 при открытом кране. Камеру 2, располагают в ванне (9).
Отмечают указателем на щитке уровень воды при атмосферном давлении и кран закрывают. Резиновую камеру помещают между двумя дощечками, которые постепенно сжимают струбйинкой (см. рисунок). Обращают внимание на то, что при сжатии камеры вода в стеклянной трубке поднимается и сжимает заключенный в ней воздух. По закону Паскаля вода оказывает одинаковое давление как на воздух в стеклянной трубке, так и на воздух в камере манометра. Величину этого давления указывает стрелка манометра.
176
Необходимо иметь в виду, что у технического манометра при нормальном давлении в одну атмосферу стрелка находится на нуле шкалы. Показание стрелки означает избыток давления в трубке манометра над внешним. Таким образом, чтобы узнать абсолютное давление, надо к показанию манометра прибавить одну атмосферу.
Когда стрелка манометра достигнет 1 шп, тогда абсолютное давление возрастет в два раза (будет равно 2 ат), а объем воздуха в трубке уменьшится в два раза. Это легко видеть по шкале трубки, на которой делают отметку вторым указателем.
При дальнейшем сжатии баллона давление повышается и, когда достигнет 3 ат абсолютных (стрелка манометра покажет 2 ат), объем воздуха в трубке 1 уменьшится в три раза. При этом снова отмечают уровень воды на шкале,
Поднимать давление выше не следует.
Дальше опыт проводят в обратном порядке.
Обращают внимание, что при опыте масса воздуха в трубке и его температура оставались неизменными.
Приборы мелкие и простейшие
1) Воронка с вытекающим гудроном. Прибор состоит из стеклянной воронки и кристаллизатора, поставленного под воронку. Воронку заполняют гудроном или варом, для чего массу несколько подогревают.
Прибор хранят в более теплом месте препараторской.
Демонстрация различной вязкости жидкостей. В один химический стакан предварительно наливают воду, а в другой —такой же объем клея или смазочного масла. Наблюдают различную текучесть этих жидкостей путем переливания их через одинаковые воронки в порожние стаканы. О текучести судят по времени вытекания каждой жидкости из своей воронки, куда одновременно и сразу выливают все количество жидкостей (рис. 160).
В заключение можно показать воронку с твердым гудроном или варом, который давно лежит в воронке и очень медленно вытекает из нее. Вытекающая струйка или капли гудрона тверды.
Очевидно, некоторые твердые тела обладают текучестью, правда, незначительной.
2) Колба с мешочком для взвешивания воздуха. Шарообразную колбу емкостью 1 л тщательно закупоривают резиновой пробкой, сквозь которую пропускают патрубок стеклянного крана. Горлышко колбы у пробки туго обматывают прочной нитью и покрывают сапоновым лаком. Кран должен быть хорошо притертым. Если крана нет, то его заменяют стеклянной трубкой с резиновым шлангом длиной 60 мм и хорошим винтовым зажимом.
На колбу необходимо сшить из плотной материи мешочек, стягивающийся у крана.
177
Демонстрации
а) Обнаружение веса воздуха. На демонстрационных весах уравновешивают мешочек и колбу, закупоренную пробкой с открытым краном. При помощи ручного воздушного насоса, соединенного резиновым шлангом с краном колбы, выкачивают из колбы воздух. Кран закрывают и колбу помещают на весы. Обнаруживают, что колба с разреженным воздухом стала легче. Открывают осторожно кран. Воздух наполняет колбу, и весы снова приходят в равновесие. (Перед опытом мешочек надевают на колбу.)
Рис. 160,
б) Определение удельного веса воздуха. На демонстрационных весах определяют вес колбы с пробкой и открытым краном. Отдельно взвешивают мешочек и надевают его на колбу для предохранения от осколков в случае разрушения сосуда. Из колбы выкачивают воздух насосом Комовского. Кран закрывают и колбу снова взвешивают. Определяют вес удаленного воздуха с точностью до 0,01 Г.
Чтобы определить объем удаленного воздуха, опускают кран колбы в воду, налитую в большой сосуд (например, в аквариум),' и открывают кран. Вода заполняет разреженное пространство в колбе.
Когда приток воды прекратится, то, сняв мешочек, опускают колбу в воду так, чтобы уровень воды в сосуде и колбе был одинаков. Теперь давление оставшегося в колбе воздуха будет равно внешнему давлению. В этом положении кран под водой перекры
178
вают. Колбу вытирают и затем взвешивают. По разнице между результатами последнего и второго взвешиваний (исключая вес мешочка) узнают вес вошедшей в колбу воды, а по нему определяют объем удаленного из колбы воздуха. Делением веса удаленного воздуха в граммах на его объем в кубических сантиметрах определяют удельный вес воздуха.
3) Банка жестяная с пробкой для демонстрации атмосферного давления. Прибор годен лишь на одну демонстрацию. Жестяную банку освобождают от жидких консервов через небольшое отверстие, аккуратно сделанное в' крышке. Вокруг отверстия припаивают бортик для пробки. Закрытая пробкой банка не должна пропускать воздуха при атмосферном давлении.
Можно, конечно, использовать открытую жестяную консервную банку, тщательно припаяв к ней жестяную крышку.
Демонстрация атмосферного давления с помощью консервной банки. В банку наливают кипяток (граммов 50), ставят ее на таганок и кипятят воду на спиртовке. Когда вода закипит и пар будет некоторое время вырываться из отверстия, спиртовку гасят. Отверстие в банке тотчас закрывают пробкой, а банку охлаждают, обливая холодной водой. На глазах у учащихся стенки банки вдавливаются внутрь атмосферным давлением (Д. О. —94).
ПРИБОРЫ ПО ГИДРОДИНАМИКЕ И АЭРОДИНАМИКЕ
54. ГИДРОТУРБИНЫ (действующие модели)
1) Гидротурбина высокого давления. Модель состоит из разъемного прямоугольного кожуха со стеклянными стенками и вынимаемого турбинного колеса (рис. 161).
Рис. 161.
Нижняя часть кожуха имеет вид прямоугольной коробки, открытой сверху (рис. 162, а). Стенки коробки делают из листового железа толщиной 0,4—0,5 мм. Нижние кромки у стенок отгибают на 7 мм наружу и прикрепляют к основанию, имеющему вид прямоугольной низкой коробки, расположенной вверх дном.
В узкой стенке делают отверстие, в которое впаивают патрубок диаметром 10 мм, длиной 15 мм. На патрубок надевают шланг для стока воды. Соединение стенок с основанием паяют.
Посередине длинных стенок делают два прямоугольных выреза. Из жести, толщиной 1—2 мм вырезают две скобы по рисунку 162, б, а из жести толщиной 0,5—0,7 мм —две скобы по рисунку 162, в„
180
Эти скобы накладывают снаружи на' стенки коробки у вырезов (сначала скобу б, затем в) и приклепывают к стейкам. Между стенками и скобами получаются «карманы» для вставки подшипников турбинного колеса.
Подшипниками служат две латунные шайбы (рис. 162, г). Каждую шайбу прикрепляют к квадрату из жести. Отверстие по оси сверлят в центре шайбы.
Верхняя часть кожуха имеет вид прямоугольной коробки, открытой снизу (рис. 162, д). Ее две большие стенки застеклены. Коробку делают из жести толщиной 0,4—0,5 мм. Размеры коробки таковы, что она входит в полость нижней части кожуха. Чтобы верхняя часть не проваливалась в нижнюю, к малым стенкам прикрепляют угольники, согнутые из полосок жести шириной 15 мм, длиной 65 мм. Эти угольники располагают на 5 мм выше нижней кромки.
Окна в больших стенках коробки закрывают стеклами, поставленными изнутри на цементную замазку.
Рис. 162.
По чертежу 162, е вытачивают из латуни водометный наконечник. Посередине малой стенки верхней коробки кожуха делают отверстие. В отверстие изнутри вставляют наконечник до заплечика и снаружи закрепляют гайкой.
Точное положение оси наконечника находят по верхней лопасти установленного турбинного колеса: ось должна проходить на 2 — 3 мм выше середины лопасти, находящейся в вертикальном положении.
Из жести толщиной 1,5 мм вырезают по рисунку 163, а фигуру для турбинного колеса. На ее концах сверлят по два отверстия под гвоздики и концы изгибают на 90°, как указано на рисункё.
181
К колесу приклепывают шайбу диаметром 24 мм, толщиной 6 мм. В центре сверлят отверстие для вала, строго перпендикулярное к плоскости колеса.
Из липы вырезают восемь лопастей по рисунку 163, в, после чего в каждой лопасти делают вырез по рисунку 163, г. Каждую лопасть аккуратно прикрепляют к выступу колеса посредством гвоздиков или шурупов.
Рис. 163.
Готовое колесо туго насаживают на ось (рис. 163, б) и скрепляют шпилькой. На концы оси надевают подшипники (шайбами внутрь), затем — по тонкой шайбе. Шпильками, укрепленными в оси, ограничивают передвижение подшипников к концам вала. На длинный конец вала туго (на шпильку) насаживают шкивок. Во внешнем цилиндрическом шкивке сверлят отверстие для закрепления нити.
Готовое колесо устанавливают в нижнюю коробку кожуха (вставив подшипники в «карманы») и выверяют на безразличное равновесие (срезанием наиболее тяжелых лопастей).
. 182
Шпильки на валу устанавливают так, чтобы вал с колесом имел свободу передвижения вдоль оси 1,5—2 мм.
Лопасти окрашивают масляной краской в красный цвет, колесо — в серый. Кожух снаружи делают серо-голубым. Внутреннюю часть кожуха окрашивают в белый цвет.
2) Гидротурбина низкого давления. У полулитровой бутылки белого стекла отрезают дно. Из жести толщиной 0,2—0,3 мм
Рис. 164.
ют полый цилиндр высотой 300 мм и диаметром на 2—3 мм больше внешнего диаметра бутылки. К жестяному цилиндру прикрепляют заклепками две лапки из железной полосы шириной 15 мм, длиной 70 мм, толщиной 1 мм (рис. 164, я).
Жестяной цилиндр немного надевают на бутылку со стороны отрезанного дна и соединяют с ней цементной замазкой.
Турбину делают вынимающейся из сосуда. Она состоит из двух колес: верхнего неподвижного и нижнего вращающегося, туго насаженного на вертикальный вал. На рисунке 164, а турбина изображена в собранном виде.
Верхнее неподвижное колесо вытачивают из липовой древесины (рис. 164, б). Диаметр Di равен внутреннему диаметру бутылки. Диаметр Dz на 14 мм меньше Di. По оси цилиндра просверливают отверстие, диаметр которого на 2 мм больше диаметра вала. С обоих торцов в центре цилиндра вытачивают углубления на 2 мм диаметром по 16 мм. В эти углубления туго вставляют и укрепляют на гвоздиках или шурупах латунные шайбы-подшипники толщиной 2 мм, в центре которых сделаны отверстия для вала.
183
На боковой поверхности цилиндра рисуют 24 винтовые линии с наклоном 45°, сдвинутых одна относительно другой на 10° и 20°. Узкие промежутки чередуются с широкими.
Для вычерчивания винтовых линий вырезают из плотной бумаги полоску шириной 25 мм, длиной 50 мм. Один конец полоски срезают под углом 45°. Полоской огибают цилиндрическую поверхность, совмещают кромки полосы с кромками цилиндра и, сдвигая полоску по сделанным отметкам, вычерчивают винтовые линии, обводя карандашом по косому срезу.
По винтовым линиям тонкой ножовкой или лобзиком делают пропилы глубиной 7 мм. Затем 12 широких промежутков между пропилами вырезают стамеской. Получают 12 винтообразных лопастей, прикрепленных к цилиндру. Лопастям придают обтекаемую форму. Срезают при этом нижнюю поверхность лопасти. Поверхности лопастей тщательно сглаживают.
Для ^нижнего вращающегося колеса вытачивают из липы тело, состоящее из цилиндра (такого же, как и для верхнего колеса) чс свекловидным придатков внизу (рис. 164, а, в). Придаток вытачивают по сужающейся части бутылки с тем расчетом, чтобы расстояние между стеклом и телом было равно 7 мм.
Внешний диаметр цилиндра у нижнего колеса делают на 1 — 2 мм меньше диаметра верхнего колеса, чтобы нижнее колесо могло вращаться, не задевая стенок бутылки.
На цилиндрической поверхности нижнего колеса делают такие же лопасти, как и на верхнем, но наклоненные в обратную сторону.
По оси колеса сверлят отверстие, в которое прочно закрепляют конец вала диаметром 4—5 мм. У собранной гидротурбины вал должен возвышаться над жестяным цилиндром на 30—35 мм (рис. 164, а). ,
В верхнее колесо прочно забивают три стальных стержня диаметром по 3 мм, расположенных по углам равностороннего треугольника и параллельных валу. Концы этих стержней впаивают в лапки верхнего подшипника, сделанного по рисунку 164, г. Подшипник представляет такую же латунную шайбу, какими снабжено верхнее колесо. Шайба прикреплена к трехлапчатой держалке, сделанной из листового железа толщиной 1—1,5 мм.
Изготовленные детали надо покрасить. Деревянные части тщательно покрывают горячей олифой, а после высыхания—масляной краской. Срезы лопастей окрашивают в белый цвет, всю остальную поверхность деревянных частей —в красный. Жестяной цилиндр, лапки и держалку можно. покрыть черным лаком.
Турбину собирают по рисунку 164, а. Верхнюю шайбу на валу крепят стопорным винтом или шпилькой так, чтобы между нижним и верхним колесами был небольшой зазор (1,5—2 мм). Верхнее колесо должно плотно входить в бутылку. Нижнее колесо не должно касаться стенок бутылки при возможно меньшем зазоре между кромками лопастей и стеклом.
184
Гидротурбину можно сделать и так, как указано на рисунке 165. Эта модель напоминает современные технические турбины.
Стеклянная часть прибора состоит из верхней половины полулитровой узкой бутылки и литровой консервной банки с отрезанным дном. Бутылка должна входить в горлышко банки. Стеклян-
ные части соединяют между собой ной цилиндр надевают на банку и также соединяют цементной замазкой.
Устройство верхней части турбины с направляющими лопастями видно на рисунке. Лопасти легче сделать из листового металла. Нижнее рабочее колесо можно сделать таким же, как у вышеописанной турбины, но число лопастей лучше уменьшить до восьми, а угол наклона сделать 35°. В остальном устройство турбины одинаково с описанным выше.
Демонстрация действия модели гидротурбины высокого давление и определение ее мощности. Установка приборов для демонстрации показана на рисунке 166. Для определения мощности сосуд (39) устанавливают так, чтобы середина высоты его находилась на 1,5 м
цементной замазкой. Жестя-
Рис. 165.
выше наконечника турбины. Шланг, наполненный водой, перекрывают зажимом и выливают в сосуд 1 л воды. Таким образом, поднятая вода относительно наконечника турбины обладает потен-
циальной энергией, равной 1,5 кГм.
К борту шкива турбины привязывают нить длиной 2,5 м. Нить перекидывают через блок, укрепленный на высоте 1,2—1,3 м от
стола, и загружают стограммовыми грузами.
Количество грузов определяют опытным путем до урока: при вытекании одного литра воды с высоты 1,5 м турбина должна поднять грузы приблизительно на 1 м.
Пускают струю воды —турбина поднимает грузы. Поднятые грузы надо задержать вверху, чтобы можно было измерить высоту их подъема. Сравнивают потенциальную энергию поднятой воды с работой, совершенной турбиной. Делают вывод, что работа турбины значительно меньше потенциальной энергии израсходованной воды. Это объясняется тем, что вода, кроме подъема гири, совершила еще работу по преодолению трения.
Повторяют опыт, предварительно пустив счетчик (18) или метроном, отбивающий секунды. Определяют время работы турбины при расходе одного литра воды. Вычисляют мощность турбины.
185
Чтобы продемонстрировать большую мощность турбины, патрубок ее сопла следует соединить шлангом с водопроводным краном, а отработанную воду посредством шланга отвести в сточную раковину. <
Рис. 166.
Если в классе нет водопровода, то можно использовать дву-^ горлую банку.
Банку прочно закрывают пробками со стеклянными тубусами, один из которых (доходящий почти до дна банки) соединяют шлангом с соплом турбины, а другой (короткий) —с ручным воздушным насосом. Банку наполняют водой. Насосом в банку нагнетают воздух —струя воды бьет в лопатки турбины1.
Щто'бы предохраниться от осколков при случайном разрушении банки, находящейся под давлением, ее следует прочно обвязать полотенцем. Давлением воздуха может быть выброшена пробка, поэтому экспериментатору надо стоять в стороне от банки.
186
Демонстрация действующей модели водяной турбины низкого давления. Установка прибора показана на рисунке 167. Закрывают пробкой горло бутылки и наполняют сосуд водой до верха.
Открыв пробку и поддерживая некоторое время воду на одном уровне, наблюдают, как струйки воды, направленные лопастями
Рис. 167.
неподвижного верхнего колеса, ударяют в лопасти нижнего колеса и приводят его во вращение вместе с валом и насаженным на него шкивком.
55. ВОЗДУШНЫЙ ВИНЪДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ
Из липовой дощечки вырезают четыре лопасти винта по рисунку 168. Штырьки винта вставляют в отверстия ступицы, выточенной из дерева. Это позволяет менять шаг у винта поворотом лопастей. Ступицу винта туго насаживают на конец вала.
По тому же рисунку делают деревянную ручку, к концу которой прикрепляют скобу, согнутую из листовой латуни толщиной 1 мм. В скобе просверливают два отверстия для вала воздушного винта. Вал должен свободно вращаться в подшипниках. На вал напаивают колечко, затем надевают шайбочку, потом скобу и снова шайбочку. Последнюю припаивают к валу и тем ограничивают
187
продольное передвижение вала в подшипниках одним-двумя миллиметрами. В пяти миллиметрах от колечка к валу привязывают и прикрепляют на клей БФ-2 конец нити длиной около метра с небольшим крючком из тонкой проволоки на конце.
Под действием струи воздуха от фена, вентилятора или аэродинамической трубы (60) винт должен приходить в быстрое вращение, наматывать на вал нить и поднимать груз, подобранный заранее опытным путем.
Демонстрация. Знакомство с принципом действия ветряного двигателя. Показывают учащимся воздушный че-тырехлопастный винт и его вращение под действием движущегося воздуха (можно
дуть на винт изо рта или быстро передвигаться с ним по классу). Затем укрепляют ручку воздушного винта в лапке штатива, распускают нить и ее свободный конец загружают подобранными заранее гирьками из демонстрационного разновеса (стр. 442). От воздуходувного прибора струю воздуха направляют на лопасти воздушного винта. Лопасти приходят во вращение, наматывают на ось нить и поднимают подвешенный к ней груз (рис. 169) — под действием воздушной струи винт совершает работу.
Рис. 169.
138
56. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДАВЛЕНИЯ ЖИДКОСТИ, ТЕКУЩЕЙ В ТРУБАХ ОДИНАКОВОГО И РАЗЛИЧНОГО СЕЧЕНИЯ
Посередине латунной или жестяной трубки диаметром 7—8 мм9 длиной 110 мм сверлят отверстие диаметром 4—5 мм. Вокруг этого отверстия к трубке припаивают патрубок, в который на цементную замазку вставляют стеклянную трубку с каналом 4—5 мм в диаметре, длиной 250 мм (рис. 170, а).
Рис. 170.
К другой такой же трубке, но длиной 220 мм, таким же способом прикрепляют две" параллельные между собой стеклянные трубки, отстоящие друг от друга на ПО мм и от концов трубки— на 55 мм,
К трубкам припаивают ножки, сделанные из железной полоски шириной 15 мм, толщиной 2 мм по рисунку. -Трубки соединяют между собой резиновой пробкой с отверстием посередине, сделанным по внешнему диаметру трубок. Наружный диаметр пробки должен быть около 30 мм, К комплекту делают две такие пробки.
По наружному диаметру пробки делают из белой жести трубку длиной ПО мм. Посередине трубки сверлят отверстие и припаи
139
вают патрубок, в который на цементной замазке вставляют такую же стеклянную трубку, как и описанные выше. Жестяная трубка должна плотно надеваться на пробки.
К широкой трубке припаивают такие же ножки, как и к другим трубкам. Оси трубок, поставленных на ножки, должны лежать на одном уровне, а манометрические стеклянные трубки — быть вертикальными.
Свободные концы узких трубок снабжают резиновыми шлангами: одним для соединения с ванной-аквариумом (8), другим для регулировки скорости движения воды по трубкам с помощью винтового зажима или крана.
Демонстрации
1) Давление жидкости, текущей по трубе одинакового сечения. (Установка прибора показана на рисунке 171, а.) Шланг на сливном конце прибора перекрывают зажимом.
5
Рис. 171.
190
В ванну-аквариум наливают подкрашенную воду. Замечают, что в манометрических трубках уровень воды установился одинаковый с уровнем в аквариуме, как и должно быть по закону сооб-’ щающихся сосудов при неподвижной жидкости.
Освобождают постепенно шланг от зажима. Теперь вода течет в горизонтальной трубе и вытекает в ванну. Замечают, что уровни воды в манометрических трубках расположились по наклонной прямой. Это показывает, что давление в жидкости, текущей по трубе, постепенно падает к открытому концу. Че?л свободнее из трубы вытекает вода, тем заметнее падает давление4 в жидкости, текущей по трубе.
Снова перекрывают шланг зажимом. Вода в трубе останавливается^ уровни в манометрических трубках и в аквариуме снова
выравниваются.
2) Давление жидкости, текущей по трубе различного сечения. Предыдущую установку дополняют третьей трубой с большим сечением. Убеждаются, что в мано-
метрических трубках вода находится на одном уровне с водой в аквариуме, если вода не течет. Освобождают шланг от зажима и наблюдают, что давление текущей воды на стенки в узкой части трубы меньше, чем в широкой (рис. 171, 6). Так как в суженной части трубы скорость движения воды больше, чем в широкой, то становится ясным, что давление в жидкости тем меньше, чем больше скорость движения жидкости.
57. ПРИБОРЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ЗАСАСЫВАЮЩЕМ ДЕЙСТВИИ СТРУИ ВОДЫ ИЛИ ВОЗДУХА
1) Водоструйный насос. Прибор состоит из стеклянной (или плексигласовой) трубки длиной 80 мм. Концы трубки закрыты резиновыми пробками, в которые вставлены узкие стеклянные трубки (рис. 172). Пробки и трубки должны быть встав-
лены герметично. Рис. 172,
2) Пульверизатор состоит из колбы, двух стеклянных трубок, скрепленных жестяной полоской под прямым углом и пробки (рис. 174). Трубки имеют каналы 2—3 мм вдиаметре. Вертикальная трубка почти доходит до дна колбы.
191
Рис. 173.
Демонстрация действия водоструйного насоса. Установка прибора изображена на рисунке 173, а. Для лучшей видимости сзади насоса помещают белый экран для фона (6).
Обратив внимание учащихся на одинаковый уровень жидкости в коленах манометра, открывают водопроводный кран. Проходя суженное место, вода засасывает воздух из двугорлой банки, создавая в ней разрежение. О величине разрежения можно судить по показанию манометра1.
Если в кабинете нет водопроводного крана, то установку прибора деЛают по рисунку 173, б. Резиновую трубку от входного тубуса водоструйного насоса временно перекрывают зажимом. Ручным насосом накачивают в банку с водой воздух1 2 и шланг от насоса перекрывают вторым зажимом. Затем, освободив трубку от первого зажима, демонстрируют действие водоструйного насоса.
Демонстрация, действия пульверизатора. На ящик-
подставку (5) устанавливают пульверизатор. Трубка пульверизатора опущена в подкрашенную воду и сантиметров на шесть поднимается над пробкой. Прорезь в пробке служит для проникновения воздуха в колбу.
Сначала замечают, что уровни воды в трубке и колбе почти одинаковы. Затем дуют в горизонтальную трубку (рис< 174). Вода в вертикальной трубке поднимается и тем выше, чем больше скорость струи воздуха. При достаточно сильном дутье вода в трубке поднимается до верхней кромки, подхватывается струей воздуха и разбивается ею в мельчайшую пыль.
58. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЛАМИНАРНОГО И ТУРБУЛЕНТНОГО ДВИЖЕНИЯ ЖИДКОСТИ
Прибор состоит из стеклянной трубки3 (рис. 175, а). Трубку закрывают пробками. В пробки вставляют стеклянные трубки диаметром 6—8 мм. В пробку вкалывают держалку для кусочка стержня от химического карандаша. Держалку делают из тонкой
1 При сильном напоре воды следует пользоваться ртутным манометром.
2 О предосторожности см. сноску на странице 186.
3 Трубку можно сделать из плексигласа (стр. 470).
7 Заказ 1530
193
жести; свертывают по стержню карандаша трубочку, к которой припаивают булавку.
Демонстрация ламинарного и турбулентного течения. Вынув верхнюю пробку, вставляю! кусочек стержня химического карандаша в жестяную держалку. Закрывают пробку и ее трубку соединяют шлангом с большим сосудом (39). Сосуд укрепляют в штативе с наращенным стержнем (рис. 175, б). Под спускной шланг прибора ставят стакан. Сзади прибора располагают белый экран для фона (6).
Рис. 175.
Перекрыв спускной шланг зажимом, заполняют водой трубку прибора и верхний сосуд.
Теперь приоткрывают зажим и наблюдают ламинарное движение жидкости — в трубке прибора четко видна струя покрашенной жидкости, прямым потоком спускающаяся вниз и выходящая из крана вместе с чистой водой.
Постепенно ослабляют зажим. Струя подкрашенной воды начинает извиваться и тем заметнее, чем больше открыт зажим, то есть чем быстрее течет вода в приборе. Наблюдают турбулентное движение жидкости.
1 И
59. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЛИНИЙ ТОКА В ЖИДКОСТИ
Из оргстекла толщиной 3—4 мм вырезают две прямоугольные пластинки с одним суживающимся концом у каждой (рис, 176). На расстоянии 43 мм от широкого конца по прямой, параллельной верхней кромке, делают отверстия диаметром 1 —1,5 мм. В одной пластинке сверлят 11 отверстий, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга. Крайние отверстия делают в 9 мм от боковых кромок. В другой пластинке размещают 10 отверстий,
Рис. 176.
расположенных на таком же расстоянии от верхней кромки, но сдвинутых по прямой на половину расстояния между отверстиями, так что при наложении пластинок одной на другую отверстия второй пластинки будут посередине между отверстий первой пластинки. Прозрачные пластинки надо соединить вместе, поместив между ними по краям резиновую прокладку толщиной 1,5 мм, вырезанную по рисунку (см. заштрихованную часть рисунка). Скрепить прозрачные пластинки можно маленькими болтиками, расположенными по боковым кромкам. Такое соединение удобно, так как позволяет разбирать пластинки и протирать iTx.
Соединить прозрачные пластинки можно , и при помощи цементной замазки. Для этого поверхности оргстекла, подлежащие склейке, обрабатывают наждачной бумагой (наводят мат). Затем на одну чисто вымытую пластинку помещают вырезанную из картона фигуру толщиной 1,5 мм, закрывающую поверхность, которая дол
7*
195
жна остаться свободной от замазки. Эту фигуру делают длиннее пластинки, чтобы ее можно было вынуть впоследствии. Пластинку с картоном накрывают второй вымытой пластинкой и, сильно сжав пластинки, вмазывают в щель между ними цементную замазку. После этого картон вынимают и замазке дают засохнуть. Работать с замазкой надо осторожно, чтобы не запачкать внутренние поверхности пластинок.
Верхняя часть прибора состоит из прямоугольной жестяной коробки с основанием 85 мм X 75 мм и высотой 45 мм. Сверху коробка открыта. Посередине дна делается прямоугольное отверстие для прозрачных пластинок, по размерам равное поперечному сечению пластинок в собранном виде. В прорезь коробки вставляют прозрачные пластинки, которые делят коробку на две половины. Верхняя кромка пластинок должна быть на одном уровне с бортами коробки, а отверстия в пластинках миллиметра на два выше ее дна. Установленную прозрачную часть прибора тщательно вмазывают в дно и стенки коробки на цементной замазке, чтобы коробка не давала течь. Жидкость, налитая в одну половину коробки, не должна проникать в другую ее половину, помимо отверстий в пластинках.
На узкую часть прозрачных пластинок надевают короткий отрезок резинового шланга, другой конец которого закрыт резиновой пробкой с краном.
К прибору прилагают комплект фигур а, б, в, г и д (рис. 176), вырезанных из листового алюминия или латуни толщиной, немного меньшей расстояния между прозрачными пластинками. Фигуры должны устанавливаться между пластинками в любом месте, не сползать вниз и легко выниматься крючком е, сделанным для этого из проволоки соответствующего диаметра.
Жестяную коробку можно покрыть серой краской. Отделение коробки с десятью отверстиями для подкрашенной воды отмечают.
Демонстрация линий тока в жидкости при обтекании тел различных форм. Прибор устанавливают, как показано на рисунке 177.
Закрыв спускной кран (или зажим), в коробку прибора наливают чистую воду. После этого в отмеченной половине коробки воду густо подкрашивают, например марганцовокислым калием.
Слегка приоткрыв спускной кран, наблюдают отвесные прямолинейные струйки подкрашенной воды, текущие в прозрачной воде.
К выходному крану эти струйки сближаются, делаются тоньше, и обе жидкости выливаются в сосуд.
С помощью проволочного крючка помещают между прозрачными пластинками тело в виде узкой полоски1.
Остановку и смену тел можно производить, не сливая жидкости. Для этого запирают выпускной кран, устанавливают тело и кран открывают. Через некоторое время линии тока жидкости делаются четкими^
196
Приоткрыв кран, наблюдают за линиями тока (рис. 178, а). Регулировкой открытия крана добиваются наиболее эффектной картины поля течения. Наблюдают, Как влияет скорость течения жидкости на завихрение сзади полоски.
Полоску заменяют телом в виде сечения полушара. Убеждаются, что выпуклую часть тела жидкость обтекает плавнее, чем полоску (рис. 178, б).
Обращают внимание на участок поля, гДе течение турбулентно. Этот участок занимает пространство в виде конуса с несколько выпуклыми образующими и основанием, равным поперечному сечению тела.
За^ем, вместо тела пол у ша р и я », помещают
тела обтекаемой формы». Наблюдают, как
жидкости
«сечение «сечение
линии тока
Рис. 177.
Ри(\ 178.
плавно обтекают тело и сзади него плавно смыкаются. Вихри не образуются, так как все пространство, где раньше появлялись вихри, заполнено хвостовой частью тела. Изменение скорости движения жидкости почти не влияет на характер обтекания данного тела (рис. 178, в).
Устанавливают тело «сечение крыла самолета». Наблюдают линии тока, сначала соединив плотно обе части «крыла», а затем несколько разъединив их. В последнем случае замечают, что линии тока жидкости с нижней поверхности крыла перетекают на верхнюю, ясно показывая причину возникновения подъемной силы крыла.
Примечание. Демонстрируемые линии тока хорошо видны на белом фоне, но еще лучше на фоне просвечивающего экрана. Линии тока можно показать и теневой проекцией, использовав осветитель (4) или проекционный фонарь.
197
60. АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА
Для проведения опытов по аэродинамике достаточно иметь феп. Если его нет, то следует сделать аэродинамическую трубу с электрическим вентилятором.
Из жести толщиной 0,3 мм (или из толстого картона) ^делают аэродинамическую трубу (рис. 179, а). Диаметр широкой части трубы должен быть шире диаметра лопастей вентилятора на 20— 30 мм. Если есть необходимость, то в трубе делают соответствующий вырез для подставки вентилятора.
Решетка для трубы состоит из десяти пластин. Пластины образуют ячейки квадратного сечения, способствующие равномерности воздушной струи. Пластины вырезают из жести или картона: две по рисунку 179, б, четыре по рисунку 179, в и четыре по рисунку 179, г. Прорези делают до середины пластины, ширина прорезей равна толщине материала. Разделив прямоугольники на две равные группы, соединяют их в решетку (как указано на рисунке 179, д) и вставляют в выходную трубку. Трубу помещают на дере
198
вянную подставку, с помощью которой ось трубы устанавливают на одном уровне с осью вентилятора. Соединятьвентилятор с подставкой нет надобности.
61. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ВЕСЫ С НАБОРОМ ТЕЛ
Прибор предназначен для выяснения зависимости лобового сопротивления от скорости, максимального поперечного сечения и формы движущегося тела.
Устройство и действие прибора состоит в следующем. В штативе укрепляется основание прибора б (рис. 180 и 182) со шкалой за
Рис. 180.
стержень а. Стержень а снабжен головкой в, несущей на себе стрелку г. Головку можно поворачивать от руки и закреплять в основании. На оси д свободно подвешивается на проволочном стержне то или иное тело к. При обдувании тело отклоняется и натягивает
199
пружинку ж, прикрепленную к оси головки в нитью. Чтобы узнать силу, с которой тело к сопротивляется струе воздуха, головку в, а вместе с ней и стрелку г поворачивают против часовой стрелки до отвесного положения стержня с телом, тогда стрелка по шкале укажет силу сопротивления тела струе воздуха в условных единицах. Изготовляют прибор так.
В’ торце деревянного цилиндра а (рис. 180) просверливают отверстие диаметром 10 мм, глубиной 20 мм. Со стороны отверстия на цилиндре делают заточку шириной 6 мм, глубиной 1,5 мм. На заточку насаживают и прикрепляют основание б со шкалой, вырезанное из шестимиллиметровой фанеры. Вытачивают деревянную головку со стержнем в диаметром 10 мм, длиной 30 мм, конец стержня снимают немного на конус, чтобы его можно было туго вставлять в торцовое отверстие цилиндра а. В стержне головки по диаметру сверлят отверстие, в котором укрепляют прямой кусок стальной проволоки диаметром 1 мм, длиной 102 мм с припаянным наконечником стрелки г. Стрелку располагают в 3—4 мм от шкалы. На 10 мм ниже оси цилиндра а и на 5 мм левее ее в основании укрепляют тонкую ось с головкой (гвоздик), на которую свободно надевают втулочку д диаметром 6 мм, длиной 6 мм. К втулочке припаивают конец проволочного стержня диаметром 1,5 мм, длиной 175 мм. К нижнему концу этого стержня припаивают вилочку е, сделанную из той же проволоки, с заостренными концами. Ветви вилочки имеют длину по 13 мм, расстояние между ветвями —8 мм. Плоскость вилочки расположена перпендикулярно к плоскости шкалы б. Вилочка предназначена для насадки одного из следующих тел, прилагаемых к прибору: большого диска ж, малого диска з, полушария и и тела обтекаемой формы к.
В нижней части основания прикрепляют направляющую л, между параллелями которой перемещается нижний конец проволочного стержня с насаженным телом. Направляющую делают из жести толщиной 0,7 мм по рисунку 181, а.
На 34 мм ниже оси цилиндра а и на 2 мм правее ее к основанию прикрепляют тонкую ось с блочком (рис. 181, б). Желоб блочка должен отстоять от фанеры на таком же расстоянии, на каком находится от фанеры стержень с вилкой е (5—6 мм).
На уровне нижней части блочка к стержню с вилкой е привязывают и прикрепляют лаком конец прочной нити, которой огибают блочок снизу вверх. Выше блочка к нити прикрепляют конец небольшой цилиндрической пружины м, сделанной из тонкой стальной проволоки. Другой конец пружины скрепляют с прочной нитью, которой огибают стержень головки в против часовой стрелки, и после одного оборота прикрепляют к основанию стержня со стрелкой г. Прикрепить нить надо так, чтобы при отвесном положении стержня с вилкой е и при отклоненной в крайнее правое положение стрелкой г нить была выпрямлена, но пружина не натянута.
На стержне с вилкой е, над направляющей щелью, напаивают указатель н шириной 4 мм, длиной 15 мм. На основании над ука-200
зателем наносят черную отметку, показывающую отвесное положение стержня при совмещении отметки с указателем.
Шкалу наносят следующим образом.
На верхнюю часть основания б наклеивают чертежную бумагу. На вилку насаживают малый диск з, в уровень с которым устанавливают фен для дутья, расположив его в 10—15 см от диска (рис. 182). Поворотом за головку в подтягивают нить, не отклоняя, однако, стержень с диском от вертикального положения. Против ост-
Рис. 181.
рия стрелки ставят отметку и цифру 0. Затем пускают фен. Струю воздуха направляют перпендикулярно к поверхности диска. Последний отклоняется влево, растягивая пружину. Чтобы вернуть стержень с диском в отвесное положение, вращают головку в против часовой стрелки. Чем сильнее пружина, тем на меньший угол придется повернуть головку для приведения стержня в отвесное положение. Подбирают пружину (диаметр проволоки, диаметр пружины и число витков) таким образом, чтобы для возвращения стержня с диском в отвесное положение головку в пришлось бы повернуть приблизительно на 110°, то есть стрелка отклонилась бы в крайнее левое положение, которое отмечают. Расстояние меж
201
ду отметками делят на 25 равных частей и наносят тушью шкалу по рисунку 180.
Прилагаемые к аэродинамическим весам тела делаются следующим образом.
Все тела должны весить приблизительно одинаково и иметь (кроме диска ж) одинаковые диаметры максимального поперечного сечения.
Тело обтекаемой формы вытачивают по рисунку из сухой липы. В плоскости, проходящей через центр тяжести тела и перпендикулярной его оси, делают два отверстия для насадки на вилку. Вилка должна входить в отверстия достаточно туго. Полушарие и вытачивают из дуба. Недостаток в весе полушария (по сравнению с обтекаемым телом) компенсируют железным диском, прикрепленным к плоскому срезу полушария. В полушарии вдоль среза сверлят два отверстия для насадки тела на вилку. Диск з делают из железа. Подбором толщины вес диска доводят до веса других тел. В центре диска приклепывают упругую пластинку для насадки на вилку. Большой диск ж делают так же; как диск з.
На рисунке 181, в изображен другой вариант устройства пружины. Вместо нити, цилиндрической пружины и блочка, на стержне головки в укреплен конец спиральной пружинки из тонкой проволоки о, другой конец которой нажимает на палец н, снабженный на конце петлей. Палец припаян к стержню —проволоке, предназначенной для подвешивания тел. Подбор упругости пружинки и места ее прикрепления производят так же, как это описано выше для первого варианта.
Деревянные части прибора покрывают светлым лаком, шкалу— бесцветным сапоновым лаком; стрелку окрашивают в красный цвет. Тела можно покрыть алюминиевой краской.
Демонстрация зависимости сопротивления воздуха от скорости движения, лобового сечения и формы тела. За цилиндр а прибор укрепляют в лапке штатива, как показано на рисунке 182. В качестве воздуходувки используют аэродинамическую трубу (60) или фен. Сзади весов помещают черный экран для фона (6), чтоб учащиеся хорошо видели форму установленного тела. Объясняют, что все тела имеют одинаковое по величине лобовое сечение и только большой диск по площади этого сечения в четыре раза больше остальных тел.
На нижнем конце стержня весов укрепляют большой диск. Обращают внимание, что в этом положении стрелка находится на нулевой черте шкалы.
Через реостат включают ток в моторчик трубы или фена1 и струю воздуха направляют на диск возможно перпендикулярнее к его поверхности. Струя воздуха давит на диск, и он отклоняется.
’Изменяя реостатом ток, подбирают струю воздуха, при которой стрелку г надо отклонить на треть шкалы.
202
Чтобы узнать силу этого давления, вращают головку прибора в против часовой стрелки. Этим натягивают пружину и устанавливают нижний конец рычага против отметки. Стрелка г по шкале указывает величину силы давления воздуха на тело в условных единицах. Записывают показание стрелки.
Выводя реостат, увеличивают скорость струи воздуха, бьющей в диск. Диск снова отклоняется. Поворотом головки опять уста-
Рис. 182.
навливают нижний конец стержня на отметку; Стрелка г показывает, что с увеличением скорости потока воздуха значительно увеличилось давление на диск.
Вспомнив относительность движения, приходят к выводу, что силу давления воздуха на диск можно считать силой сопротивления воздуха движению в нем диска' со скоростью воздушного потока.
Доводят отклонение стрелки до 20 и выключают ток, не трогая реостата. Снимают большой диск и вместо него устанавливают малый диск, диаметр которого в два раза меньше первого. Снова пускают струю воздуха и известным уже способом узнают, что сопротивление второго диска уменьшилось приблизительно в четыре раза против первого. Делают вывод, что сопротивление среды прямо пропорционально площади поперечного сечения тела при прочих одинаковых условиях. Повторяют опыт с малым диском, подобрав струю воздуха так, чтобы стрелка отклонилась на всю шкалу (на 25 делений). Записывают показание стрелки (рис. 182).
203
Устанавливают тело в виде полушария и убеждаются, что сопротивление данного тела меньше сопротивления диска. Записав показание прибора, полушарие заменяют телом обтекаемой формы.
Определение сопротивления этого тела покажет, что оно приблизительно в 25 раз меньше сопротивления малого диска.
Так как скорость струи воздуха в последних опытах и максимальные поперечные сечения тел были одинаковы, то полученные данные о сопротивлении тел, очевидно, зависят лишь от их формы1.
Сопоставляют данные опыта с соответствующими картинами линий тока в жидкости из опыта с прибором (59) (стр. 197). Приняв во внимание аналогичный характер рассматриваемых явлений, делают вывод о причинах зависимости сопротивления движению тел в среде от формы и от скорости передвижения.
62. КРЫЛО САМОЛЕТА НА ПОДСТАВКЕ И МАНОМЕТР НАКЛОННЫЙ
Прибор служит для демонстраций подъемной силы крыла.
«Крыло самолета» вырезаю^ из сухой липовой дощечки по рисунку 183, а. Необходимо, чтобы профиль сечения крыла был по всей длине одинаков. В крыле просверливают два параллельных канала диаметром по 5 мм. Один канал выводят на нижнюю по-
Рис. 183.
верхность крыла, а другой на верхнюю. Каналы должны быть изолированы один от другого. Концы канала с торца несколько расширяют и в них на цементной замазке вставляют металлические трубки. Внутренний диаметр трубок 3—4 мм. Крыло насаживают на ось — проволоку диаметром 3 мм с нарезанным под гайку концом.
Подставка для крыла состоит из основания и стойки, согнутой из железной полоски сечением 2 мм X 15 мм (рис. 183, б). Крыло
’Вес исследуемых тел не влияет на результаты определения силы сопротивления воздуха, так как подвешенные тела в момент определения силы на- ' холятся в отвесном положении.
204
можно закрепить гайкой под любым углом атаки, величину которого указывает заднее ребро крыла по шкале. Шкалу рисуют тушью на чертежной бумаге и наклеивают на трехмиллиметровую фанерную дугу, вырезанную по рисунку и прикрепленную к бортику подставки.
Поверхность крыла и каналы в нем покрывают лаком. Светлым лаком покрывают основание прибора. Торцы крыла окрашивают в ярко-красный или белый цвет. Стойку делают черную или серую.
Манометр наклонный. Основанием прибора служит доска, в которую укрепляют полукруглую стойку из фанеры толщиной 6 мм (рис. 184). Из шестимиллиметровой фанеры делают дощечку размерами 40 мм X 200 мм. Один конец дощечки полукруглый. В центрах полукругов стойки и конца дощечки сверлят по отверстию. Дощечку соединяют со стойкой болтиком с гайкой-барашком (или клеммой).
Стеклянную трубку длиной 400 мм, диаметром канала 3—4 мм посередине перегибают на 180°—получают U-образную трубку, которую проволочными скобами прикрепляют к наклонной доске.
Из упругой листовой латуни толщиной около 1 мм делают два указателя (рис. 184, а), которые окрашивают в черный цвет и надевают на ребро дощечки манометра. Деревянные части прибора покрывают светлым лаком.
В манометрическую трубку (до половины ее высоты) наливают подкрашенную воду.
Наилучший наклон манометра находят из опыта.
Демонстрации
1) Демонстрация подъемной силы крыла самолета. Собирают установку по рисунку 185,а. Угол атаки делают равным 0. Включают воздуходувку. Чашка с крылом поднимается. Очевидно,
205
струя воздуха поднимает крыло. Гирьками разновеса восстанавливают равновесие весов и определяют величину подъемной силы. Увеличивают угол атаки на 7—10 °. Крыло снова поднимается » подъемная сила крыла увеличилась. Эту силу так же можно определить гирьками разновеса. Поворачивают крыло еще на больший угол. Снова увеличивается подъемная сила крыла.
Рис. 185.
Сообщают, что при увеличении угла атаки растет подъемная сила, но одновременно увеличивается лобовсе сопротивление. Существует угол атаки, наиболее выгодный для самолета данного назначения.
2) Демонстрация, разъясняющая причину возникновения подъемной силы, действующей на крыло самолета. «Крыло самолета» и жидкостный манометр (наклон которого определен заранее опытным путем) устанавливают на ящик-подставку, как указано на рисунке 185, б. Концы трубок, выступающих из среза крыла, соединяют резиновыми трубками с наклоненными коленами жидкостного манометра. Устанавливают воздуходувку.
206
Разъясняют учащимся, как сделаны каналы в крыле, и показывают, какое колено манометра соединено с верхним отверстием в крыле и какое с нижним. Обращают внимание, что когда воздуходувка не работает, то уровни жидкости в обоих коленах манометра расположены на одной горизонтали. Уровни жидкости отмечают указателями. Включают воздуходувку. Сейчас же в манометре устанавливается разность уровней: давление на нижнюю поверхность крыла (снизу вверх) окажется большим, чем давление на верхнюю поверхность крыла (сверху вниз).
При увеличении угла атаки можно обнаружить увеличение разности давлений, а следовательно, и увеличение подъемной силы.
Приборы мелкие и простейшие
Рис. 186.
1) Трубки стеклянные длиной 80—100 см, диаметром 8—10 мм— 2 шт. Один конец у трубок запаян (или закрыт пробкой).
Демонстрация падения шарика в различных по вязкости жидкостях. В ванну (9) ставят штатив, в лапках которого закрепляют две трубки, установленные рядом вертикально.
Пользуясь воронкой, одну трубку заполняют водой, а другую— маслом.
Подбирают два одинаковых стальных^ шарика, диаметр кото-ч рых миллиметра на 2—3 меньше внутреннего диаметра трубок.
Держат эти шарики на одинаковом уровне: один над трубкой с водой, другой — рядом с трубкой. Попросив- учащихся следить за падением шарика в воде, одновременно отпускают шарики. Когда шарик, падающий в воздухе, достигнет дна ванны (что будет слышно по звуку), шарик в воде снизится лишь на небольшое расстояние. Очевидно, вода оказывает значительно большее сопротивление движению шарика, чем воздух.
Опускают шарики одновременно в трубки с водой и маслом. Следят за медленно падающими шариками. Опыт покажет, что шарик, падающий в масле, значительно отстанет от шарика, падающего в воде (рис. 186). Объясняют это явление различной вязкостью жидкостей.
207
2) Цилиндры бумажные для демонстрации засасывающего-действия струи воздуха. Цилиндры склеивают из одного слоя бумаги. Диаметр цилиндров 40—50 мм, длина 200—250 мм.
Установка и проведение опыта видны из рисунка 187.
3) Воздушный винт взлетающий используется для демонстрации принципа полета вертолета. Воздушный винт вырезают из липовой дощечки ц насаживают на деревянную палочку диаметром 4—5 мм, длиной 100 мм.
Демонстрация подъемной силы винта. Концами пальцев правой руки прижимают стержень воздушного винта к ладони левой руки и быстрыми, взаимопротивоположными движениями рук придают винту быстрое вращение (рис. 188). Освободившийся из рук винт взлетает к потолку и, по мере уменьшения скорости вращения, медленно спускается вниз.
ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ЯВЛЕНИЙ
63. МОДЕЛЬ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ БРОУНОВСКОГО ДВИЖЕНИЯ (механическая)
Основанием прибора служит прямоугольная пластинка из оргстекла (рис. 189, а). В пластинке сверлят отверстие под резьбу и ввертывают в него стержень, сделанный по рисунку 189, б. К стержню предварительно приклепывают конец ленточной пружины, свернутой в кольцо диаметром 50—60 мм. Ширина пружинящей ленты — 8—10 мм. Пружинящее кольцо располагают параллельно основанию в 1—2 мм от него. При вибрации пружина не должна задевать основание.
Из листового железа толщиной 1,5 мм делают два уголка по рисунку 189, в. В отверстиях уголков помещают ось (проволоку диаметром 2—2,5 мм) с насаженным и прикрепленным на ней зубчатым колесом (от старых ходиков или будильника). Ось заканчивают ручкой.
Уголки прикрепляют к основанию из оргстекла винтиками по металлу или болтиками так, чтобы зубцы колеса касались верхней кромки пружины и при вращении за ручку заставляли пружину вибрировать.
Для опыта требуется 15—20 стальных велосипедных шариков и кусочек пробки диаметром около 10 мм, которые храцят в коробочке.
Демонстрация механической модели. Прибор помещают на приспособление к проекционному фонарю для горизонтальной проекции1. В кольцо прибора насыпают стальные шарики, изображение которых фокусируют на экране.
Вращением за ручку зубчатого колеса приводят кольцо в колебание. Шарики, получая удары от стенок колеблющегося кольца,
1 При отсутствии приспособления к проекционному фонарю можно воспользоваться ванной (3) и осветителем (4) для теневой проекции.
209
беспорядочно двигаются по прозрачному дну прибора. Шарики имитируют движение молекул в глазах.
В кольцо помещают срез от корковой пробки значительно большего размера, чем шарики. Приведя кольцо в колебание, наблюдают, как шарики с разных сторон хаотично бомбардируют пробку. Под действием этих ударов пробка приходит в хаотиче-
ское движение, но с гораздо меньшей скоростью по сравнению со скоростями шариков.
Проводят, аналогию между движением пробки и движением одной взвешенной в жидкости частички при наблюдении броуновского движения в микроскоп. Роль невидимых в микроскоп молекул в этой аналогии играют шарики.
210
64. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДИФФУЗИИ ГАЗОВ ЧЕРЕЗ ПОРИСТУЮ ПЕРЕГОРОДКУ
Стакан из пористой обожженной глины (белой) закрывают стеклянной воронкой подходящего размера (рис. 190) и соединяют с ней цементной замазкой. Соединение воронки со стаканом должно быть прочным и герметичным. Для достижения последнего замазку сверху можно покрыть асфальтовым лаком.
Пористый сосуд из белой глины можно заменить обычным глиняным горшком для цветов (не покрытым глазурью). Отверстие в дне горшка надо заделать цементной замазкой. Соединение горшка с воронкой такое же, как описано выше.
Демонстрации
1) Диффузия газов через пористую перегородку (водород — воздух). Установка для демонстрации показана на рисунке 190, а.
Обратив внимание учащихся на то, что в манометре уровни жидкости одинаковы, трубку от аппарата для получения водорода подводят под химический стакан и открывают кран. Водородом заполняют опрокинутый химический стакан.
Манометр показывает увеличение давления газа в пористом сосуде. Объясняется это тем, что газы диффундируют через пористую перегородку. Водород проникает в сосуд быстрее, чем воздух из сосуда в стакан, так как средняя скорость движения молекул водорода при данной температуре больше, чем у молекул воздуха, а сами молекулы водорода меньше молекул воздуха. Повышение давления в пористом сосуде, достигнув некоторой величины, прекращается. Обмен между газами стабилизировался.
2) Диффузия газов через пористую перегородку (воздух — углекислый газ). Собирают установку по рисунку 190, б. Заполняют химический стакан углекислым газом. Замечают, что давление в пористом сосуде начинает уменьшаться. Объясняется явление аналогично предыдущему. Как и в предыдущем опыте, при некоторой разности в давлениях обмен между газами стабилизируется, показание манометра остается неизменным.
65. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ (комплект)
1) Решето плавающее (2 шт.). Обод для решета делают из белой жести толщиной 0,1—0,2 мм. У полоски шириной 18 мм, длиной 200 мм загибают обе кромки по 3 мм. Полоску сгибают в кольцо и запаивают.
С одной стороны обод затягивают тюлем с ячейками не шире 2 мм (рис. 192, б). Тюль закрепляют на ободе нитью и пропитывают горячим расплавленным парафином (следить, чтобы парафин не залил ячейки).
211
2) Проволочные фигурки для опытов с мыльной пленкой (комплект). Из латунной или медной проволоки диаметром 0,6 мм делают фигурки по рисунку 191. Концы проволочек у второй фигурки соединяют нитями. Места соединения проволок паяют.
б
Рис 190.
3) Поплавок с кольцом для демонстрации наличия поверхностного натяжения воды и его уменьшения серным эфиром. Пробирку загружают дробью и закупоривают пробкой. На пробке укрепляют 212
проволочный стержень, снабженный вверху кольцом и флажком. Дроби насыпают столько, чтобы пробирка плавала в отвесном положении,. как показано на рисунке 194, и удовлетворяла опыту б (стр. 215)
j г з 4
Рис. 191.
Стержень и кольцо лучше сделать из латунной проволоки диаметром 0,5—0,0 мм, Дробь следует закрепить в пробирке парафином или менделеевской замазкой. Перед опытом проволочное кольцо слегка протирают вазелином, чтобы оно не смачивалось водой.
Демонстрации
1) Демонстрация особого состояния жидкости на ее поверхности.
а) В стеклянную малую ванну (8), поставленную на ящик-подставку (5), наливают воду. На воду опускают фотографическую пластинку эмульсией вверх. Пластинку надо опустить осторожно, держава ребра двумя пальцами, чтобы она коснулась воды сразу всей поверхностью. Разжимают пальцы. Пластинка плавает на поверхности воды, хотя удельный вес стекла около 2,5 (рис. 192, а).
На плавающую пластинку осторожно устанавливают гирьки из разновеса. Ставить гирьки надо посередине пластинки. Предварительным опытом следует узнать, какую нагрузку можно дать пластинке без опасения потопить ее.
Обращают внимание на то, что пластинка покоится в углублении, образовавшемся на поверхности воды под действием веса пластинки и гирек. Это углубление хорошо видно сквозь плоскую боковую стенку ванны.
б) В ванну (3) наливают воду, поверхность которой проецируют на экран. Швейную иглу протирают масляной тряпочкой, берут кончиками пинцета и осторожно опускают на поверхность воды. Игла плавает. На экране видно, что игла покоится в углублении, образовавшемся на поверхности воды под действием веса иглы.
213
Так же будет плавать лезвие от бритвы.
в) В решето, описанное выше, можно Налить довольно толстый слой воды. В отверстия на дне решета вода выступит каплями, но выливаться не будет (рис. 192, б). Однако стоит лишь коснуться пальцем- дна решета снизу, как вода выльется.
Наливать воду в решето надо осторожно, направляя струю воды на небольшую полоску бумаги, положенную на кромку и дно решета.
Другое решето (или то же, но тщательно просушенное) опус-
кают на поверхность воды в стеклянную ванну (8). Решето плавает на поверхности воды. Если в решето уронить одну каплю воды, решето пойдет ко дну.
Рис. 192.
2) Опыты с мыльной пленкой. Проволочное кольцо (из комплекта проволочных фигурок) опускают в мыльный раствор ’, налитый в кристаллизатор, и сейчас же вынимают. Кольцо затягивается тонкой мыльной пленкой: ее видно учащимся по бликам отраженного света при поворачивании кольца. На пленку осторожно бросают петлю, связанную из нити длиной 3—4 см. Петля плавает на пленке, имея неправильную форму. Концом нагретой проволоки осторожно прорывают пленку внутри петли. Петля тотчас принимает форму окружности: нить натягивается пленкой во все стороны с одинаковой силой.
К фигурке 2 (рис- 191) привязывают тонкую длинную резинку посередине проволоки без ручки. Фигурку опускают в мыльный раствор. Пленка затягивает пространство между проволочками и нитями. Держа за ручку, располагают пленку в вертикальной плоскости. Нити оказываются вогнутыми внутрь.
Оба опыта показывают, что пленка обладает свойством уменьшать свою поверхность: растягивает нитяную петлю в кольцо, приподнимает нижнюю проволочку и втягивает нити.
1 В мыльный раствор полезно прибавить несколько капель глицерина или немного сахара.
214
Резинку за конец тянут вниз. Она натягивает мыльную пленку, нити выпрямляются. Отпускают резинку — нити снова втягиваются пленкой, нижняя проволочка приподнимается. По растяжению резинки (с учетом расстояния между нитями) можно судить о силе, называемой силой поверхностного натяжения.
Обмакивают в мыльный раствор проволочную пирамидку с гранями в виде равносторонних треугольников. Мыльная пленка затягивает фигурку так, что общая поверхность пленки принимает минимальное значение.
Примечание. Чтобы опыты с петлей и двумя проволочками, связанными нитями, были виднее, их можно показать на теневой проекции.
3) Наблюдение интерференционных полос на мыльной пленке в монохроматическом свете. В рамку для диапозитивов вставляют светофильтр. В пучок монохроматического света от фонаря вводят мыльную пленку, полученную между параллельными проволочками фигурки 2. Пленку располагают так, чтобы она была освещена лучами, падающими под углом. По мере стекания жидкости сверху вниз толщина пленки вверху делается меньше, чем внизу. На пленке становятся видными горизонтальные полосы (рис. 193). Ширина полос вверху больше, чем внизу. Изменяя угол падения лучей, наблюдают изменение в расположении полос.
4) Влияние растворов на величину поверхностного натяжения. а) На наклонный экран (2) проецируют поверхность воды, налитой слоем 1—1,5 см в ванну для теневой проекции (3). На поверхность воды в двух местах насыпают немного мелко настриженных кусочков пропарафйнированной бумаги. Близ одной группы плавающих бумажек касаются воды куском сахара. Бумажки устремляются к сахару — растворение сахара увеличивает поверхностное натяжение воды. Убрав сахар, в другом углу ванны касаются воды кусочком мыла. Бумажки быстро отодвигаются от мыла — раствор мыла уменьшает поверхностное натяжение воды.
Воду в ванне заменяют свежей. На поверхность воды насыпают несколько мелких кусочков камфары, настроганной ножом на листе бумаги.
На проекции видно, как кусочки камфары беспорядочно двигаются, плавая на поверхности воды. Это объясняется тем, что раствор камфары уменьшает величину поверхностного натяжения воды и что растворение происходит неравномерно со всех сторон кусочка.
б) Берут прибор, изображенный на рисунке 194, а. Пальцем слегка надавливают на флажок и погружают поплавок с кольцом в воду. Убирают палец. Поплавок всплывает, но немного: кольцо не может прорвать поверхностную пленку воды и остается под водой у самой ее поверхности (рис. 194, б).
215
Из пипетки роняют несколько капель серного эфира на воду. Поплавок тотчас всплывает. Поверхностное натяжение жидкости уменьшилось, и оно теперь не в состоянии удержать кольцо под водой.
Рис. 193.
Рис. 194.
Приборы мелкие и простейшие
1) Цилиндры свинцовые. Цилиндры делают диаметром 16 — 20 мм, длиной 35 мм. Их отливают в деревянной или иной форме. Один торец каждого цилиндра тщательно сравнивают на плоскость, перпендикулярную оси. У второго торца просверливают отверстие по диаметру трехмиллиметровым сверлом. Из стальной проволоки, диаметром 2,5 — 3 мм делают «ушко», которое вставляют в отверстие цилиндра.
2) Пластинка стеклянная на резинке для демонстрации сцепления между стеклом и жидкостью. Из тонкого стекла вырезают диск диаметром 60—70 мм. К стеклу на клей БФ-2 прикрепляют концы трех нитей, расположенных равномерно в 5 мм от края. Нити связывают вместе с концом тонкой резинки длиной 150 мм.
Демонстрации
а) Опыт со свинцовыми цилиндрами. Перед уроком торцы свинцовых цилиндров зачищают ножом так, чтобы зачищенные места цилиндров прилегали друг к другу без просвета.
216
Перед демонстрацией поверхности торцов слегка освежают ножом. После чего цилиндры с возможно большей силой прижимают друг к другу торцами и слегка поворачивают один относительно другого вокруг оси.
Сцепленные между собой цилиндры подвешивают на стержень штатива, а нижний цилиндр постепенно загружают гирями до отрыва. При хорошем сцеплении цилиндры выдерживают нагрузку до 6 кГ. Под гири помещают мягкую подкладку или ванну с песком.
б) Опыт с отрыванием стеклянной пластинки от воды. На воду осторожно опускают пластинку, удерживая ее за свободный
Рис. 195.
конец резинки. После соприкосновения стекла с водой пластинку пытаются поднять за* резинку. Резинку приходится весьма заметным образом растянуть, чтобы сила ее упругости была достаточной для отрыва стекла от воды. Опыт показывает наличие сил сцепления между частичками воды и стекла.
Резинку можно заменить нитью, скрепленной с динамометром (16) на 300 Г.
3) Стеклянные пластинки, соединенные под углом, для демонстрации капиллярности. Две стеклянные фотопластинки размерами 9 см X 12 см чисто отмывают спиртом и связывают по двум кромкам нитью или резиновыми кольцами. С одного края между стеклами помещают резиновую или деревянную прокладку толщиной’ 2,5 мм (рис. 195, а).
Демонстрация. Стекла опускают в кристаллизатор с густо подкрашенной водой (рис. 195, б). Вода между стеклами поднимется, как показано на рисунке. Опыт можно показать на теневой проекции.
217
4) Кювета с плоскопараллельными стенками для проецирования. Устройство кюветы видно на рисунке 196. Между двух стекол (от фотопластинок размерами 9 см X 12 см или 6 см X 9 см) помещают толстостенную резиновую трубку, согнутую в виде буквы U.
Стеклами сжимают трубку и по двум противоположным кром
кам соединяют жестяными скрепками.
Применение кюветы описано на странице 409 и в следующем опыте.
Демонстрация поверхностного натяжения с помощью кисти. Близ конденсора на столике проекционного фонаря устанавливают кювету с плоскопараллельными стенками, на две трети наполненную во
Рис. 197.
Рис. 19G.
дой. Проецируют воду на экран. Сухую, хорошо обезжиренную акварельную кисть большого размера опускают в кювету и держат над водой. На экране видны отдельные волоски сухой кисти.
Опускают кисть в воду кюветы. Волоски кисти в воде расходятся (рис. 197, а). Вынимают кисть из воды. На экране видно, что волоски кисти плотно сомкнулись, кисть приняла копьевидную форму с острым концом (рис. 197, б). Поверхностное натяжение воды сжало волоски между собой. Снова опускают кисть в воду. Волоски расходятся. Внутри воды поверхностного натяжения нет.
ПРИБОРЫ ПО ТЕПЛОТЕ
66. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА И ДЛЯ'ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ
Основание прибора состоит из доски на двух ножках-брусках (рис. 198). На доске укрепляют четыре стойки. Форма и ориентировочные размеры деталей прибора указаны на рисунке. Одна стойка имеет форму буквы Г. В середине ее выступа укрепляют на оси блок (рис. 198, б). К блоку прикрепляют стрелку (проволоку с наконечником) длиной 200 мм. Из фанеры толщиной 6 мм к выступу стойки прикрепляют щиток. В другой крайней стойке укрепляют крючок из проволоки толщиной 2 мм.
Две другие стойки имеют желобок на верхнем торце для стеклянной трубки прибора. Высоту этих стоек делают с тем расчетом, чтобы 'Проволока положенной в желобки трубки (рис. 199) находилась на уровне верхней части блока.
Берут две стеклянные трубки длиной по 480 мм и внутренним диаметром по 5—7 мм. На концы трубок надевают резиновые шланги. На одном конце каждой трубки шланг имеет длину 120 мм. на другом — 200 мм. Шланги изгибают под углом 90° и в таком положении закрепляют жестяными скобами (рис. 198, в).
Через проколы в резиновых шлангах в одну стеклянную трубку вводят железную отожженную проволоку, а в другую — медную. Проволоки должны иметь одинаковый диаметр (2 мм). Концы проволок загибают в кольца диаметром 3—4 мм. Длина проволок (включая длину внутренних диаметров колец) должна равняться 500 мм.
На фанерный щиток (рис. 198, а) наклеивают чертежную бумагу и наносят тушью шкалу. Градуировку производят следующим образом. В левом конце шкалы наносят нулевую черту. С медной проволокой ^производят опыт 2, описанный ниже. Поставив стрелку на 0 шкалы, замечают начальную температуру (по комнатному термометру). Производят нагрев проволоки паром и отмечают положение стрелки при максимальном ее отклонении. Считая конечную температуру проволоки за 100°, ее начальную длину за 0,5 м и коэффициент линейного теплового расширения меди за
219
0,000019, вычисляют удлинение проволоки. Соответственно полученным результатам (удлинение проволоки и отклонение стрелки) находят размер деления, соответствующий удлинению стержня на 0,1 мм, и такие деления наносят на шкале. При соблюдении
Рис. 198.
указанных размеров прибора длина каждого деления будет около 10 мм.
Деревянные части прибора покрывают светлым лаком, металлические — черным нитролаком. Шкалу покрывают бесцветным са-поновым лаком.
Применение прибора
1) Демонстрация теплового расширения твердых тел. Неодинаковость расширения различных металлов. Собирают установку по рисунку 199. Сначала опыт производят с железной проволокой. Нить, привязанную к концу проволоки и обертывающую блок прибора один или два раза сверху по часовой стрелке, загружают двумя грузами по 100 Г. Стрелку устанавливают на нуль шкалы.
220
По мере нагревания прибора паром воды проволока будет удлиняться. Это покажет стрелка индикатора. Когда вода закипит и пар сильной струей будет выходить из шланга в колбу, удлинение проволоки достигнет максимума, стрелка остановится. Ее показание замечают по шкале.
Пробку из колбы вынимают и резиновой грушей продувают стеклянную трубку; проволока быстро охлаждается, стрелка возвращается к нулю. Это показывает, что при охлаждении длина проволоки уменьшается.
Рис. 199.
Повторяют опыт с трубкой, в которой находится медная проволока. Убеждаются, что при одинаковом нагревании медная проволока тоже удлиняется, но значительно больше, чем железная.
2) Демонстрационное определение коэффициента линейного теплового расширения металла. Проводится предыдущий опыт со следующими изменениями.
Во-первых, при знакомстве с прибором сообщают учащимся, что передвижению стрелки на одно деление вправо соответствует удлинение нагреваемой проволоки на 0,1 мм. Так как десятые доли деления легко определить на глаз, то удлинение проволоки можно находить с точностью до сотых долей миллиметра. С помощью демонстрационного метра убеждаются, что длина проволоки до опыта равна 0,5 м.
221
В начале опыта записывают на доске комнатную температуру и стрелку прибора ставят на нуль шкалы. Прогревают проволоку паром и по шкале определяют приращение длины проволоки с точностью до сотых долей миллиметра. Конечную температуру проволоки принимают за 100°. По полученным данным вычисляют коэффициент линейного расширения металла, из которого сделана исследуемая проволока.
67. ТЕРМОСКОП С ПРИНАДЛЕЖНОСТЯМИ
Демонстрационный термоскоп предназначен для наблюдения учащимися с мест за изменением температуры, а также для приблизительного определения температуры. Это дает возможность проводить многие опыты по теплоте демонстрационно.
Термоскоп состоит из стеклянного баллона, соединенного узкой резиновой трубкой с горизонтально расположенной стеклянной трубкой (рис. 200).
Рис. 200.
В трубку введен столбик ртути. При изменении температуры воздуха .в баллоне столбик ртути перемещается вдоль шкалы. Над трубкой помещена шкала с тремя передвижными указателями. Напротив трубки в щитке, на котором укреплена шкала, сделана щель, заклеенная бумагой. Если при обычном освещении показания прибора видны плохо, то осветителем (4) с горизонтальной щелью делается сзади подсвет; на просвечивающей бумаге столбик ртути виден отчетливо издали.
К термоскопу делают два стеклянных баллона различных размеров. Малый баллон предназначен для наблюдения изменений температуры от 0 до 100°. Второй баллон делают раза в четыре большим, что позволяет наблюдать сравнительно небольшие изменения температуры и с большей точностью.
222
Описанный термоскоп не рекомендуется превращать в демонстрационный термометр: шкала верна лишь для тех условий, при которых производилась градуировка (атмосферное давление, абсолютная влажность воздуха в баллоне и т. д.). Однако в некоторых опытах термоскопом можно измерять температуру и достаточно точно. Для этого рекомендуется иметь две дополнительные шкалы, нанесенные на резиновые ленты. Перед уроком баллон термоскопа опускают сначала в сосуд с холодной водой, а затем в сосуд с теплой водой. Положение столбика ртути в обоих случаях замечают точно указателями, а температуру воды в сосудах измеряют термометром и по этим данным на шкалу термоскопа натягивают резиновую шкалу так, чтобы указатели показывали по шкале отмеченные температуры. После такой установки термоскоп будет верно показывать температуру в течение довольно продолжительного времени, во всяком случае им можно пользоваться в течение урока.
Термоскоп делают по рисунку 200.
Основанием термоскопа служит доска толщиной 9 мм.
На доске устанавливают две стойки, к которым прикрепляют горизонтальную рейку с продольной щелью. Ширина щели 6 мм, длина — 400 мм. На рейку наклеивают чертежную бумагу со шкалой на 50 делений, нанесенных через 8 мм. На шкалу надевают три подвижных указателя из жести, устройство которых видно на рисунке. Один указатель окрашивают в черный цвет, второй в красный и третий в голубой.
Проволочными или жестяными скобами укрепляют на рейке стеклянную трубку длиной 530 мм, с внутренним диаметром 2,5 — 3 мм. Канал трубки тщательно промывают спиртом и в него вводят столбик ртути длиной 10 — 15 мм.
Пространство между стойками и шкалой закрывают фанерой.
Деревянные части прибора покрывают светлым лаком, а шкалу бесцветным сапоновым лаком.
Длина резиновой трубки прибора около 300 мм, диаметр канала — 2 мм.
Объемы двух баллонов определяют опытным путем: при нагревании на 100° малого баллона и на 25° большого баллона столбик ртути должен перемещаться почти на всю шкалу. Изготовление баллона описано на странице 469.
Из резиновой пластины толщиной 0,5 мм вырезают две денты для шкал. Ширина лент 40 мм, длина — 500 мм. Шкалу наносят черным нитролаком штрихами шириной по 2 мм следующим образом. Расстояние, на которое передвигается столбик ртути при изменении температуры на 100°, уменьшают на 30 — 40 мм. На свободно положенной ленте наносят два штриха, отстоящие друг от друга на найденном расстоянии. Промежуток между нанесенными штрихами делят на 50 равных частей, отмечают деления штрихами, выделяя каждые пять делений. Цена одного деления 2°. Каждый десятый или двадцатый градус отмечают цифрами.
223
Таким же образом наносят шкалу на вторую резиновую ленту. Большой баллон сначала опускают в холодную, а затем в теплую воду, разницу в температуре которых делают равной 25°. Расстояние между крайними положениями ртутного столбика уменьшают на 30 мм и на найденном расстояний наносят крайние штрихи шкалы. Это расстояние делят на 50 равных частей. Каждое деление соответствует 0,5°. Выделяют десятые деления, но цифры не ставят.
Закрепляют резиновую шкалу на приборе двумя тугими кольцами из резиновой ленты.
Если в кабинете нет термостолбика и зеркального гальванометра, то для обнаружения инфракрасных лучей в спектре следует сделать к термоскопу баллон-теплоприемник^
Пробирку длиной 100 — 120 мм, диаметром 10 мм по возможности из тонкого стекла закрывают пробкой, в которую вставлена узенькая трубка для соединения полости пробирки с резиновой трубкой термоскопа. Предварительно с внутренней стороны к пробке приклеивают другую пробку меньшего диаметра, на которую надевают цилиндрик из станиоля, покрытого сажей. Цилиндрик делают с возможно большей поверхностью, но так, чтобы он не касался пробирки.
Чтобы предохранить канал стеклянной трубки термоскопа от загрязнения, открытый ее конец не туго закрывают тампончиком из ваты; это не помешает проведению опытов.
Демонстрации
1) Знакомство с термоскопом. Первоначальное понятие о температуре. Объяснив устройство термоскопа, опускают баллон в горячую воду. Столбик ртути передвигается по шкале и через некоторое время останавливается. Красным указателем замечают на шкале положение столбика. Вынув баллон из горячей воды, помещают его в воду комнатной температуры. Столбик ртути передвигается и останавливается в другом положении, которое замечают голубым.указателем. В горячую воду приливают холодную. Баллон опускают в сосуд с теплой водой; столбик ртути устанавливается где-то между указателями. Опускают баллон в сосуд с водой комнатной температуры — столбик ртути снова останавливается у голубого указателя.
Из данных опытов и ряда других примеров наводят учащихся на мысль, что, пользуясь тепловым расширением тел (в данном приборе расширением воздуха), можно сравнивать между собой различные температуры тел.
2) Понятие о термометрической шкале. Перед уроком малый баллон опускают в тающий лед. Трубку баллона отъединяют от термоскопа и столбик ртути подводят к концу трубки, который после этого резиновой трубкой соединяют с баллоном. Баллон вынимают из льда. Термоскоп подготовлен к опытам.
224
На уроке опускают баллон термоскопа в тающий лед. Голубым указателем замечают положение установившегося столбика ртути.
Опускают баллон в сосуд с кипящей водой — столбик ртути сдвигается к другому концу трубки и останавливается. Замечают положение столбика ртути красным указателем. Повторными проверками убеждаются, что каждый раз столбик ртути подходит к соответствующему указателю.
На место постоянной шкалы термоскопа натягивают шкалу, нанесенную на резиновой ленте, причем 0° и 100° шкалы совмещают с указателями.
Знакомят со шкалой Цельсия. Производят два-три измерения температуры, например комнатной и нагретой воды. Сравнивают показания термоскопа и термометра.
3) Демонстрация нагревания лучами; влияние цвета тела на лучеиспускание и лучепоглощение. Вместо баллона к резиновой трубке термоскопа присоединяют теплоприемник (стр. 275).
Показывают учащимся, что при нагревании теплоприемника от непосредственного прикосновения руки столбик жидкости в термоскопе передвигается.
Кубический дециметр (стр. 50) ставят на теплоизолятор, наполняют кипятком и сверху закрывают стеклом или дощечкой.
Знакомят с влиянием окраски на нагрев лучами. К черной стенке кубического дециметра подносят теплоприемник, обращенный к горячему сосуду черным донышком (рис. 201).
Рис. 201.
Замечают, чТЪ перемещение столбика жидкости в термоскопе тем больше, чем ближе подносят теплоприемник к источнику тепла. Располагают теплоприемник в двух сантиметрах от грани кубического дециметра и замечают показание термоскопа1. Затем теплоприемник отводят от источника тепла и, помахав им в воз
1В последующих стадиях опыта теплоприемник располагают на расстоянии двух сантиметров от грани кубического дециметра.
8 Заказ 1530 225
духе, остужают. Подносят теплоприемник светлым донышком к черной стенке сосуда. Термоскоп показывает значительно меньший нагрев воздуха в приборе.
Затем знакомят с влиянием окраски на теплоизлучение тела.
Охладив теплоприемник, подносят его черным донышком к светлой поверхности кубического сосуда. Замечают небольшой сдвиг столбика жидкости в термоскопе.
Подносят черное донышко теплоприемника к черной поверхности сосуда с горячей водой и констатируют значительно большее показание термоскопа.
4) Демонстрация постоянства температуры при плавлении и отвердевании нафталина. Установку делают по рисунку 202.
Рис. 202.
В маленький стакан вводят малый баллон термоскопа и насыпают мелкокристаллический нафталин (если кристаллы крупны, то их следует раздробить). Во внешний стакан наливают горячую воду. Зажигают спиртовку. Помешивая нафталин, замечают по термоскопу, как повышается температура (надо следить, чтобы баллон со всех сторон был окружен нагреваемым веществом). Когда начнется плавление, помешивание ведут энергичнее, стремясь равномернее перемешать твердое вещество с расплавленным.
За время плавления температура плавящегося нафталина остается почти неизменной (ее отмечают указателем), а к концу плавления, когда твердого вещества остается очень мало, температура жидкости начнет повышаться.
Когда весь нафталин расплавится и его температура заметным образом станет выше точки плавления, спиртовку гасят. Горячую воду при помощи резиновой груши заменяют холодной. Замечают падение температуры. При температуре плавления начнет
226
ся отвердевание жидкости. Непрерывно производят помешивание жидкого и по возможности отвердевающего вещества. Замечают, что за время отвердевания температура нафталина остается почти неизменной.
После отвердевания нафталина наблюдают медленное падение температуры.
5) Демонстрация точек кипения различных жидкостей: воды, спирта, серного эфира. Химический стакан частично наполняют водой и ставят на таганок. В воду опускают баллон термоскопа и замечают показание, соответствующее комнатной температуре.
Под стакан ставят зажженную спиртовку. Наблюдают поднятие температуры воды при нагревании и ее постоянство при кипении.
Рис. 203.
Точку кипения воды замечают указателем. Спиртовку из-под стакана убирают.
Пробирку с налитым спиртом и опущенным в нее баллоном термоскопа слегка закрывают ватой и устанавливают в стакане с горячей водой на проволочной держалке (рис. 203).
Под стакан снова ставят зажженную спиртовку. Наблюдают поднятие температуры спирта, который закипает .раньше воды, —это хорошо видно сквозь стенки стакана и пробирки. Температура кипящего спирта остается неизменной. Вторым указателем замечают температуру кипения спирта. Спиртовку из-под стакана убирают и гасят.
Горячую воду в стакане разбавляют холодной водой до температуры 55 — 60°. Показывают учащимся, что стакан с водой можно свободно держать в руке. Опускают в воду пробирку с баллоном, наливают в нее серный эфир и прикрывают ватой. Термоскоп показывает нагревание эфира и затем неизменность температуры за время его кипения, которое хорошо видно учащимся. Показание термоскопа при кипении эфира замечают третьим указателем.
Если желают измерить температуры кипения жидкостей, то перед опытом на термоскоп натягивают проверенную резиновую шкалу (стр. 223).
6) Демонстрация нагревания тел при ударе и изгибе. Замечают указателем положение столбика ртути у термоскопа с малым баллоном. Затем баллон термоскопа помещают в вату (не брать баллона руками!). Столбик ртути не перемещается: вата не греет воздуха в баллоне.
На гирю кладут пластинку свинца и частыми сильными ударами молотка плющат ее. Через десяток ударов свинец переносят пинцетом на вату, помещают на нее баллон термоскопа и закрывают ватой. Термоскоп обнаружит нагрев свинцовой пластинки.
Аналогичный опыт можно проделать с полоской жести, которую ломают частыми перегибами в. противоположные стороны.
7) Демонстрация различной удельной теплоемкости веществ. При помощи весов убеждаются, что железное и свинцовое тела имеют одинаковые массы.
В два одинаковых химических стакана емкостью 200 мл каждый наливают по одинаковому количеству воды комнатной температуры (вода должна покрывать погруженное в нее металлическое тело и баллон термоскопа). К металлическим телам привязывают по нитке. Тела опускают в металлический сосуд с кипящей водой на 1,5 — 2 мин, В один химический стакан погружают баллон термоскопа. Передвижным указателем замечают положение столбика ртути. Затем в стакан с баллоном опускают свинцовое тело, нагретое до 100°. Наблюдают по шкале термоскопа передвижение столбика ртути, конечное положение ртутного столбика замечают вторым указателем. Опускают баллон в воду второго химического стакана. Ртутный столбик подходит к первому указателю. Во второй стакан опускают железное тело, нагретое до 100°. Замечают, что столбик ртути передвинулся значительно больше. Отсюда вывод: железо, остываял передало воде большее количество теплоты, чем свинец.
8) Опытное сравнение калорийности керосина и дерева, В одинаковые жестяные сосуды (банки из-под консервов) наливают по 200 г воды комнатной температуры. Сосуды с водой устанавливают на таганки. Две жестяные коробочки (из-под гуталина) ставят на чашки весов. В одну коробочку помещают небольшой кусочек ваты и тарой приводят весы в равновесие. В коробочку с ватой наливают три грамма керосина. На другую коробочку помещают мелкие стружки сухого дерева до равновесия весов. Очевидно, масса керосина равна массе стружек. Коробочку с керосином ставят под одну банку, а коробочку со стружками — под другую. В одну банку с водой погружают баллон термоскопа. Указателем замечают положение столбика жидкости. Опустив баллон в другую банку, убеждаются, что температура воды в банках одинакова. Одновременно зажигают керосин и стружки. Стараются сжечь стружки
228
и керосин в одинаковое время. Когда сгорит топливо под одной из банок, опускают в нее баллон термоскопа и замечают вторым указателем положение столбика ртути. Когда сгорит второе топливо, с другой банкой поступают так же. В результате узнают, что температура воды, нагреваемой керосином, выше температуры воды, нагреваемой стружками.
9) Демонстрация поглощения теплоты плавления при таянии льда. В два химических стакана емкостью 300 мл каждый наливают по одинаковому количеству горячей воды из одного сосуда и ставят на теплоизолирующие подкладки (картонки).
На весах уравновешивают два химических стакана по 100 мл каждый. В один из стаканов помещают по возможности сухие кусочки тающего льда1, а в другой наливают до равновесия воду при 0° (из сосуда, в котором лежит лед). Затем с весов сейчас же ссыпают кусочки льда в один стакан с горячей водой и выливают воду при 0° в другой. Воду со льдом помешивают до расплавления льда. Опускают баллон термоскопа в стакан, где растаял лед. Указателем замечают положение столбика ртути. Затем опускают баллон в стакан, куда налили воду при 0°. Термоскоп покажет, что в последнем стакане температура воды значительно выше, чем в первом. Разницу в показаниях термоскопа можно объяснить только тем, что на плавление льда потребовалось большое количество теплоты.
10) Переохлаждение гипосульфита. Установку делают по рисунку 202. Плавят гипосульфит в малом стакане, окруженном горячей водой. Замечают указателем показание термоскопа во время плавления. Жидкий гипосульфит несколько перегревают и затем переливают в подогретый чистый химический стакан. Тщательно моют в горячей воде баллон термоскопа и теплым опускают в жидкий гипосульфит. Замечают, что при остывании гипосульфита столбик термоскопа не остановился там, где он находился при плавлении, и что отвердевания гипосульфита не произошло, хотя температура его стала ниже точки плавления. Опыт прерывают минут на 15 — 20. Затем снова обращают внимание на установку. Гипосульфит все еще Жидкий, хотя термоскоп показывает температуру, близкую к комнатной.
В жидкий гипосульфит бросают крупный кристалл гипосульфита и перемешивают. Происходит быстрое отвердевание жидкости и вместе с тем нагревание отвердевающего вещества до температуры плавления.
11) Понижение температуры при испарении. Столбик ртути у термоскопа отводят к концу шкалы (сняв баллон) и замечают его положение. Баллон вновь соединяют с термоскопом, обертывают тонким слоем ватки или марли и обливают эфиром. Столбик ртути термоскопа быстро передвигается в сторону баллона, показывая значительное понижение температуры.
1 Кусочки льда осушают промокательной бумагой.
229
Можно получить более низкую температуру, если ватку, смоченную эфиром, усиленно обмахивать.
12) Демонстрация выделения теплоты парообразования ' при конденсации. Два химических стакана ставят на чашки весов и уравновешивают. Наливают в стаканы по"одинаковому количеству воды (150 — 170 г) комнатной температуры. В один из стаканов опускают баллон термоскопа и замечают положение столбика жидкости указателем.
В колбу наливают горячую воду, ставят ее на таганок с сеткой и закрывают пробкой с теплоизолированной трубкой, как указано на рисунке 204. Свободный конец трубки опускают в пустой
Рис. 204.
химический стакан, поставленный на подкладки (5). Между колбой и стаканом помещают кусок картона.
Горячую воду в колбе кипятят. Когда из свободного конца теплоизолированной трубки перестанет капать вода, а будет идти только пар, пустой стакан заменяют стаканом с водой, снятым с весов. Под стакан помещают теплоизолирующую подкладку. Пар, попадая в воду в виде пузырьков, сейчас же конденсируется, пузырьки исчезают, не поднявшись вверх. Через две-три минуты стакан убирают из-под трубки, ставят на теплоизолятор и в перемешанную воду опускают баллон термоскопа. Термоскоп укажет на нагревание воды в стакане. Замечают показание термоскопа вторым указателем. Стакан ставят обратно на весы и убеждаются, что он стал тяжелее. Очевидно, количество воды прибавилось за счет конденсации пара.
Опускают на время баллон термоскопа в воду другого стакана, стоящего на приподнятой чашке весов. Столбик прибора покажет первоначальную температуру. Баллон убирают из стакана. Воду 230
в колбе доводят снова до кипения и осторожно подливают в стакан с более холодной водой до наступления равновесия. Когда равновесие наступит, воду в стакане перемешивают и, опустив баллон термоскопа, замечают, что температура воды во втором стакане значительно меньше той, которую показывал прибор в первом стакане после нагревания воды паром. Так как в обоих случаях к одинаковому количеству воды комнатной температуры бы-
Рис. 205.
ло прибавлено по одинаковому количеству воды при 100°, делают вывод, что в первом случае дополнительно выделилось большое количество тепла за счет конденсации пара.
13) Определение течки росы. На термоскоп натягивают резиновую шкалу, проверенную до урока (стр. 223).
Одну половину химического стакана снаружи заклеивают калькой с рисунком на ней, исполненным тушью и обращенным внутрь стакана. Стакан ставят на ящик-подставку (5), за ним помещают просвечивающий экран (6). Половину стакана заполняют холодной водой, температура которой градуса на 2 — 3 выше точки росы (что определяют заранее). На фоне просвечивающего экрана сквозь воду и над ней учащимся отчетливо виден рисунок. В воду опускают баллон термоскопа (рис. 205, а).
Сосредоточив внимание на рисунке, медленно вливают в стакан воду при 0° (из сосуда со льдом) и помешивают. Термоскоп показывает понижение температуры. Когда температура воды в стакане достигнет точки росы, стенки стакана помутнеют, рисунок, рассматриваемый сквозь воду, исчезнет или станет мутным, тогда как сквозь стенки полой части стакана рисунок виден четко (рис. 205, б). В момент выпадения росы замечают температуру воды в стакане по термоскопу.
231
При дальнейшем прибавлении холодной воды помутнение не меняется. Термоскоп показывает дальнейшее понижение температуры.
Затем в стакан понемногу прибавляют теплую воду и помешивают. Вода нагревается, столбик ртути термоскопа приближается к отметке, и, когда достигнет ее, роса на стакане исчезнет, рисунок будет ясно виден и сквозь воду.
Зная температуру воды в момент выпадения росы и температуру окружающего воздуха, можно определить абсолютную и относительную влажность воздуха в классе.
68. МОДЕЛЬ ТЕРМОРЕГУЛЯТОРА
Ящик прибора делают из фанеры (рис. 206). Передняя стенка — застекленная дверка, которая плотно закрывает ящик. К деревян-
Рис. 206.
ному бруску, укрепленному в нижнем левом углу ящика, прикрепляют один конец биметаллической пластинки длиной 150 лш, шириной 10 мм, склепанной из железной и латунной пластинок толщиной по 0,5 — 0,7 мм. Латунная пластинка обращена вверх. (Изготовление биметаллической пластинки см. на стр. 272). На свободном конце биметаллической пластинки прикрепляют -тонкую упругую пластинку-контакт (рис. 206, а). Над свободным концом пластинки-контакта к задней стенке ящика укрепляют латунный угольник с латунным винтиком, изготовленным по рисунку 206, б. На боковой стенке ящика монтируют патрон для бытовой электрической лампочки.
Электропроводка прибора выполняется, как указано на рисунке (укрепленный конец биметаллической пластинки соединен с проводом через латунную шину).
В отверстии в стенке ящика с помощью пробки укрепляют баллон, такой же, как у термоскопа (67).
К концу винта и упругой пластинке под винтом припаивают серебряные контакты (маленькие пластиночки).
232
Винт регулируют так, чтобы при комнатной температуре контакты хорошо касались друг друга.'В патрон ящика ввертывают лампу 25 —40 вт и прибор закрывают стеклянной крышкой.
Демонстрация модели терморегулятора. Перед уроком надо отрегулировать контакт, чтобы при включении тока лампочка в приборе загоралась, а при нагреве воздуха в закрытом ягодке терморегулятора градусов до 40 —50 гасла.
Прибор ставят на ящик-подставку (5) и баллон, вмонтированный в ящик прибора, соединяют с термоскопом. К клеммам прибора приключают шнур с штепсельной вилкой.
Объяснив учащимся устройство прибора и закрыв стеклянную дверку, замечают показание термоскопа указателем. Включают ток. Лампочка в терморегуляторе загорается. Наблюдают по термоскопу повышение температуры воздуха в терморегуляторе. При первом погасании лампочки замечают показание термоскопа. Наблюдают дальнейшую работу терморегулятора и убеждаются, что температура в приборе остается почти неизменной, лишь несколько колеблясь около отмеченного положения.
69. ДИСК ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
Из листовой латуни, красной меди, алюминия или железа (последнее хуже) толщиной 3 —4 мм вырубают зубилом или выпиливают ножовкой для металла диск. Диаметр диска равен диаметру
Рис. 207«
электрической плитки. К диску приклепывают ручку, конец которой обкладывают скрепленными между собой деревянными дощечками (рис. 207).
Кроме диска, надо сделать картонную коробочку, открытую сверху и снизу. Для этого на металлический цилиндр или брусок
233
(из набора тел одинакового объема, с которыми предполагается делать опыт) навертывают бумажную ленту, ширина которой равна высоте цилиндра или бруска, и проклеивают клеем. Стенки коробки делают толщиной около 1 мм. Для заполнения коробочки следует заготовить опилки из наиболее теплопроводного металла, имеющегося в наборе.
Опыт с диском для демонстрации теплопроводности. Диск (если диска нет, то используют алюминиевую сковородку, обращенную вверх дном) зажимают в лапке штатива, как показано на рисунке 207.
На диск устанавливают бруски (или цилиндры) одинаковых размеров, сделанные из различных по теплопроводности металлов, и картонную коробочку, имеющую размеры брусков. Коробочку заполняют опилками наиболее теплопроводного металла, из которого имеется брусок. Бруски и коробочку размещают недалеко друг от друга посередине диска. На брусках, а также на опилках устанавливают вертикально по’ спичке, укрепив их кусочками парафина.
Разогретую электрическую плитку подставляют под прибор с брусками и наблюдают за спичками. Первой упадет спичка с медного бруска. Затем спички начнут падать в порядке убывающей теплопроводности металлов, из которых сделаны бруски. Спичка, укрепленная на медных опилках, упадет последней. Это указывает на плохую теплопроводность раздробленного вещества, несмотря на его хорошую теплопроводность в сплошном состоянии.
После охлаждения брусков можно продемонстрировать влияние даже тонких слоев теплоизоляторов на скорость распространения тепла. Медный брусок со спичкой ставят на кусочек толстой бумаги, положенный на диск прибора, а железный — прямо на металл.
Спичка с железного бруска упадет раньше, чем с медного.
Сзади прибора полезно поставить черный экран для фона (6).
Примечание. Чтобы избежать подогрева парафина восходящим потоком теплого воздуха от диска, последний можно покрыть листом асбеста с прорезанными окнами для брусков и коробочки. Однако и без асбеста опыт дает надежные результаты.
70. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ПЛОХОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ВОДЫ И ВОЗДУХА (комплект)
В комплект входят две одинаковые большие пробирки (дно у одной отрезано) и тонкостенный широкогорлый флакон на 200 мл с отрезанным дном. К пробиркам прилагают малый баллон, как у термоскопа (67), с вставленным в пробку горлышком. Баллон свободно входит в пробирку. Между стенками пробирки и баллона должен оставаться зазор не менее трех миллиметров. .Пробка с баллоном должна подходить к пробиркам и флакону. Кромки сте-234
нок у флакона должны возвышаться над вставленным на место баллоном на 10 мм.
Использование приборов
1) Демонстрация плохой теплопроводности воды, а) Пробирку без дна закрывают пробкой с баллоном, соединенным с термоско-
пом. В трубку наливают воду комнатной температуры. Указателем замечают показание термоскопа. Наклонив немного трубку, греют верхнюю часть воды. Когда вверху трубки вода закипит, нижняя часть воды едва нагреется, что видно по небольшому сдвигу столбика ртути термоскопа относительно указателя (рис. 208, а).
235
б) Горлышко флакона закрывают пробкой; баллон соединяют с термоскопом (рис. 208, б). В флакон наливают воду миллиметров на пять выше дна баллона. На поверхность воды наливают тонкий слой серного эфира и зажигают.
Эфир горит большим пламенем, но термоскоп не обнаруживает повышения температуры воды.
2) Демонстрация плохой теплопроводности воздуха. (Установка приборов показана на рисунке 209.) Замечают показание тер-
Рис. 209.
москопа до нагревания пробирки. В пламени спиртовки нагревают пробирку, как показано на рисунке. Замечают, что, несмотря на сильный нагрев верхней части пробирки и воздуха в ней, нижняя часть нагревается очень немного, что видно по термоскопу. Затем пробирку перевертывают донышком вниз. Термоскоп показывает значительный нагрев, так как при новом положении вступает в силу другой способ распространения теплоты —конвекция и горячий воздух перемешивается с холодным.
71. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ КОНВЕКЦИИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
1) Прибор для демонстрации конвекции жидкости. Стеклянную трубку диаметром около 15 мм, длиной 450 мм осторожно изгибают в виде буквы U. Высота колен трубки должна быть 150— 170 мм, расстояние между коленами —60 мм (рис. 210, а). В донышке жестяной коробки аккуратно прорезают соответствующие отверстия для открытых концов трубки. Высота стенок у коробки равна 15 —20 мм. К стенкам коробки припаивают две проволочные ручки для подвешивания прибора на стержень.
Концы трубки вставляют в отверстия на 3 —4 мм выше дна коробки и скрепляют стекло с металлом цементной замазкой, которой покрывают все дно сосуда до уровня концов трубки.
236
К прибору делают две ложечки разной длины. Из проволоки диаметром 1—1,5 мм сгибают ручку и обод ложечки, как показано на рисунке 210, а. Диаметр обода должен быть на 2 —3 мм меньше диаметра канала трубки. К ободу припаивают вогнутую мелкую латунную сетку.
2) Прибор для демонстрации конвекции воздуха. Прибор состоит из стеклянного цилиндра диаметром не менее 30 мм (удобно воспользоваться ламповым стеклом) и перегородки из жести, разделя-
Рис. 210.
ющей цилиндр пополам вдоль оси, но не доходящей до его низа сантиметра на два (рис. 210, б).
Для обнаружения конвекционных токов следует сделать из тонкой жести вертушку или змейку, насаженную на острие.
Использование приборов
1) Демонстрация конвекции жидкости. Прибор устанавливают, как указано на рисунке 210, а. Трубку и ванну прибора заполняют водой. В ложечки кладут по нескольку кристаллов марганцовокислого калия, Ложечки одновременно осторожно опускают в трубки прибора, подвешивают на стенки ванны и сейчас же начинают греть воду спиртовкой под длинной ложечкой. Появляются токи подкрашенной воды, которые хорошо видны на белом фоне экрана, поставленного сзади прибора.
2) Демонстрация конвекции газов. Зажигают огарок тонкой свечи и над пламенем помещают вертушку (или змейку) на острие.
237
Вертушка вращается под действием восходящих теплых газов, идущих от пламени.
На дно кристаллизатора или тарелки ставят зажженный огарок свечи и наливают тонкий слой воды. Горящую свечу медленно накрывают стеклянным цилиндром без перегородки. Свеча гаснет, как только цилиндр коснется воды. Если горящую свечу накрыть
Рис. 211.
цилиндром с перегородкой, как показано на рисунке 210, б, то горение не прекращается. Пуская дым в верхнюю часть стекла, демонстрируют явление конвекции.
Примечание. Восходящие конвекционные токи теплого воздуха (например, от зажженной спиртовки) хорошо видны на теневой проекции (рис. 211). Для проекции можно использовать осветитель (4).
72. МОДЕЛЬ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Модель водяного отопления (рис. 212) смонтирована на фанерном щите 1 из стеклянных трубок и тройников с резиновыми соединениями. Диаметр трубок 3 —4 мм. Роль котла выполняет закрытая пробкой колба 2, подогреваемая спиртовкой. Из верхней части колбы поднимается трубка 3, оканчивающаяся компенсационным баком 4. От бака в правую сторону отходит трубка 5, разветвляющаяся в отопительную систему и после соединения в одну трубку возвращающаяся в котел 2. Радиаторы 6 изображены
238
жестяными ребрами, насаженными на участки трубок под окнами. На отросток трубки 7 надета резиновая трубка с воронкой 8, предназначенная для заполнения отопительной системы водой.
На щите следует изобразить разрез двухэтажного дома с окнами, под которыми располагают радиаторы. Трубки прикрепляют к щиту проволочными петлями.
Рис. 212,
Демонстрация действия модели водяного отопления. Перед уроком колбу наполняют подкрашенной водой. Систему трубок заполняют чистой водой. Для этого краном перекрывают трубку 3 и через воронку 8, поднятую выше бака 4, осторожно заполняют систему трубок водой до половины высоты бака 4. Следят, чтобы где-либо в трубках не образовалась «воздушная пробка» — пузырек воздуха. После этого зажимом перекрывают шланг близ отростка 7.
Открывают кран трубки 3, зажигают спиртовку и наблюдают/ как при нагревании подкрашенная вода поднимается по трубке 3 до бака 4, распространяется по трубкам отопительной системы и возвращается в «котел» (колбу).
239
Подкрашенная в колбе вода позволяет хорошо наблюдать направление конвекционных токов, возникших в отопительной системе. В дальнейшем эти токи не прекращаются, пока греют «котел»-, но их уже не будет видно, так как подкрашенная вода смешивается с чистой.
73. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ НА ТЕМПЕРАТУРУ КИПЕНИЯ
Первый прибор позволяет наблюдать влияние давления на температуру кипения. Устройство его показано на рисунке 213, а.
Второй прибор предназначен для демонстрации кипения воды при пониженном давлении. Он состоит из стеклянной трубки диаметром 20 —30 мм, длиной 300 —350 мм. Трубку закрывают хорошо пригнанными пробками (рис. 213, б). В одну пробку вставлена стеклянная трубка длиной 40 —45 мм, а во вторую —гор-.лышко большого баллона для термоскопа (стр. 222). Между баллоном и стенками трубки прибора должно оставаться кольцевое пространство не менее трех миллиметров толщиной.
1 )> Демонстрация влияния давления на температуру кипения. Колбу первого прибора с горячей водой укрепляют в лапке штатива и нагревают на спиртовке. Пары кипящей воды выходят из прямой трубки (рис. 213, а).
Рис. 213.
Если на время закрыть конец прямой трубки, например резинкой, то кипение воды прекращается, несмотря на продолжающееся нагревание воды. При открытии трубки пар с силой вырывается
240
из нее и вода бурно закипает. Из опыта видно, что температура в 100° была недостаточна для кипения воды при повышенном давлении.
Убирают спиртовку, вода перестает кипеть. Сжимают грушу, закрывают пробкой прямую трубку и грушу отпускают. Вода в колбе закипит, несмотря на отсутствие притока тепла извне. Опыт показывает, что при пониженном давлении температура кипения воды понижается.
Резиновую грушу можно заменить ручным воздушным насосом.
2 ) Демонстрация кипения воды при пониженном давлении. Второй прибор устанавливают по рисунку 213, б.
В трубку наливают кипяток, полностью покрывающий баллон термоскопа. Показание термоскопа отмечают указателем.
Затем из трубки откачивают воздух —вода в трубке закипает. Столбик ртути термоскопа передвигается к прибору, указывая на понижение температуры кипящей воды.
Снимают резиновую трубку с патрубка насоса, впускают в прибор воздух —вода мгновенно перестает кипеть, вместе с тем прекращается изменение показаний термоскопа.
Вышеописанное явление можно продемонстрировать несколько раз.
Перемещение столбика в термоскопе особенно заметно, если: 1) температура воды в приборе не ниже 70°, 2) объем баллона во много раз превосходит объем соединительных каналов и 3) количество кипящей жидкости невелико.
Предупреждение. В этих опытах нельзя пользоваться масляным воздушным насосом (например, насосом Комовского), так как пары воды испортят масло.
74. ТРУБКА ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ УПРУГИХ СВОЙСТВ ПАРОВ
Кроме общеизвестных опытов с трубкой Тиндаля, на этом приборе можно демонстрировать перегрев воды до значительной температуры и работу воспламенения горючей смеси (паров бензина с воздухом).
Прибор можно сделать только из тонкостенной металлической трубки (размеры указаны на рисунке 214) или из трубки Тиндаля промышленного образца.
К трубке делают ручку из сухого плотного дерева, проваренного в олифе. Конец ручки подгоняют к трубке и туго забивают в ее полость. Трубку с вставленным концом ручки просверливают, в отверстие плотно вгоняют толстую проволоку и расклепывают с обеих сторон (рис. 214, а). Соединение трубки с ручкой надо сделать герметическим. Диаметр ручки должен позволять крепить ее в треноге штатива. На конец ручки насаживают металлическую трубку1.
1 Делать ручку из металла не рекомендуется, так как из-за его большой теплопроводности опыт 2 будет удаваться с трудом.
.241
Подбирают пробки, одну корковую и две резиновые, плотно закрывающие трубку. В одну резиновую пробку туго вставляют стержень-контакт к из медной или латунной проволоки (рис. 214, б). К наружному концу контакта припаивают медную проволоку диаметром 0,8 мм, длиной 30 — 40 мм для присоединения к проводу от высоковольтного индуктора или от электрофорной машины.
В другую резиновую пробку туго вставляют горлышко стеклянного баллона и металлическую трубку, размеры которых даны
прибору
Рис. 214.
на рисунке 214, б (изготовление баллона см. на стр. 469). Корковая, хорошо пригнанная пробка используется без дополнительных частей.
В демонстрации перегревания воды до температуры значительно большей 100° давление водяного пара в трубке сильно возрастает. Чтобы удержать пробку с баллоном в трубке, из проволоки диаметром 2 мм делают скобу с, снабженную по концам крючками. Скобой нажимают на туго вставленную пробку и крючками зацепляют за стальную шпильку (диаметром 3 лш), укрепленную поперек ручки.
Вышеописанные приспособления нужны и для трубки Тиндаля. К прибору делают примитивный карбюратор (устройство см. на рис. 218, б) и прилагают шнур длиной 1,5 м.
Демонстрации
1) Кипение воды при повышенном давлении. Трубку прибора заполняют водой на треть объема. Свободный конец трубки как можно туже закрывают пробкой, в которой укреплен баллон с трубкой. 242
Проволочной скобой с крючками пробку скрепляют с трубкой. Установка прибора для демонстрации показана на рисунке 215
Воду нагревают с помощью спиртовки. Термоскоп показывает постепенное увеличение температуры.
Когда вода закипит и из отверстия в пробке будет выходить пар, замечают показание термоскопа указателем. Затем отверстие в пробке закрывают деревянной палочкой, зачищенной конусо-
образно. Вода начинает нагреваться выше 100°, что видно по термоскопу.
Через некоторое время вынимают палочку из трубки (не обжечь руки!). Водяной пар с шумом вырывается из отверстия. Это указывает на большое давление пара в трубке. Вскоре сильное выбрасывание пара заменяется спокойным, показание термоскопа падает до отмеченной температуры 100°.
Сильно перегревать воду в приборе не следует, так как при большом давлении пробка с баллоном может быть выброшена.
Трубку следует направлять щдоль демонстрационного стола.
2) Демонстрация перехода механической энергии во внутреннюю энергию тела и внутренней энергии в механическую. Ручку трубки вставляют в отверстие треноги штатива и прочно закрепляют винтом в вертикальном положении. В трубку наливают серный эфир (2 —3 мл} и плотно закрывают корковой пробкой. Опыт производят вдвоем. Одной рукой крепко удерживают треногу штатива. Вокруг трубки обертывают в 1 —2 оборота прочный шнур. Держа вдвоем шнур за концы, передвигают его вперед и назад (рис. 216). От трения трубка и эфир в ней нагреваются. Когда эфир
243
нагреется выше температуры его кипения, давлением паров пробка будет выброшена из трубки.
3) Демонстрация работы водяного пара при расширении. Третью часть трубки заполняют водой, закрывают пробкой и укрепляют в штативе (рис. 217). Трубку греют на пламени спиртовки. Когда
Рис. 216.
вода нагреется выше 100°, пробка будет с шумом выброшена из трубки.
4) Совершение работы при воспламенении смеси паров бензина с воздухом. Трубку прибора укрепляют, как указано на рисунке 218, а. Около трубки устанавливают высоковольтный индуктор1. Первичную обмотку индуктора соединяют с клеммами аккумуляторов,. В трубку вдувают воздух, насыщенный парами бензина.
Для этого используют «карбюратор», сделанный из пробирки (рис. 218, б). Конец короткой трубки «карбюра
тора» вставляют в полость прибора. Резиновой грушей продувают воздух через бензин в пробирке. Воздух насыщается парами бензина и заполняет металлическую трубку.
После этого сейчас же в трубку следует добавить немного свежего воздуха при помощи резиновой груши и немедленно плотно
1 Вместо высоковольтного индуктора можно воспользоваться электро-формой машиной,
244
закрыть пробкой с контактом. Контакт не должен касаться стенок прибора.
Вторичную катушку индуктора соединяют тонкими проводами с металлической трубкой и с контактом в пробке.
‘ Включают индуктор. Искра, проскочившая между стержнем и стенками внутри трубки, воспламеняет смесь паров бензина с воздухом. Пробка с громким звуком выбрасывается вверх.
Рис. 218.
Этот опыт удается часто, но не каждый раз. Воспламенение происходит только тогда, когда смесь паров бензина с воздухом приготовлена в определенном соотношении. Следует предварительными опытами подобрать количество дополнительно вдуваемого в трубку воздуха, при-котором неизменно происходит воспламенение.
Перед повторным опытом трубку надо продуть, чтобы основательно удалить продукты сгорания.
Можно обойтись и без карбюратора, вводя в трубку 2 — 3 капли бензина. Однако опыт с карбюратором надежнее и ближе к идее демонстрации.
75. ПАРОВАЯ ТУРБИНКА С КОТЛОМ (простая действующая модель)
Общий вид модели изображен на рисунке 219. Котел можно сделать из прочной жестяной банки (например, из-под красок), герметически закрытой. К крышке банки припаивают скобу из полосы железа или латуни толщиной 1,5—2 мм*по рисунку 219, б.
245
Колесо турбинки делают из жести толщиной 0,3 мм. Вырезают диск диаметром 100 мм. Окружность диска делят на 36 равных ч гстей и через точки деления диск прорезают по радиальным прямым до внутренней окружности с радиусом 30 мм.
Полученные полоски изгибают желобком по цилиндрической оправке, а затем отгибают, как указано на рисунке. Все лопаточки имеют одинаковую форму, радиальное направление, середины их лежат в одной плоскости и находятся друг от друга на одинаковых расстояниях.
Рис. 219.
Строго в центре колесо насаживают на ось диаметром 2 — 3 мм, длиной 25 мм и скрепляют пайкой посередине оси. Ось должна быть строго перпендикулярной плоскости колеса. В 9 мм по обе стороны от плоскости колеса на ось напаивают проволочные колечки.
Ось вставляют в отверстия, просверленные в скобе. Колесо надо выверить на безразличное равновесие.
В крышку банки впаивают узенькую латунную трубочку-сопло с каналом около 2 мм в поперечнике. Положение трубочки относительно колеса и его лопаток видно на рисунке. Конец трубочки изгибают так, чтобы направление струи пара совпадало с касательной к желобу лопатки у ее кромки, и срезают в плоскости, параллельной диску. Конец трубочки надо расположить возможно ближе к лопаточкам, однако последние не должны задевать за сопло.
В крышке банки делают отверстие для заливки воды. Вокруг отверстия припаивают горлышко из .жести, которое можно плотно закрыть пробкой. Проволочная скоба, указанная на рисунке, предохраняет пробку от выбрасывания паром.
Демонстрация действия паровой турбинки. Объясняют устройство турбинки (рис. 219, а). Сообщают, что хотя конструкция этой
246
модели простейшая, но принцип работы турбины в ней показан правильно. Обращают внимание на устройство турбинного колеса, на форму лопаточек, на расположение сопла по отношению к лопаточкам. Сообщают, что у промышленных турбин имеется несколько колес, насаженных на одну ось, и несколько сопл, расположенных равномерно по окружности колеса. Выданной модели роль парового котла играет простая жестяная банка.
Наливают в «котел» немного горячей воды, помещают модель на таганок и греют на пламени спиртовки. Наблюдают, как вырывающаяся из сопла струя пара быстро вращает колесо.
76. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАЗРЕЗА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Кинематическая модель предназначена для изучения устройства и принципа действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Внешний вид модели можно видеть на рисунке 226, помещенном ниже.
Модель можно сделать упрощенной конструкции и усложненной. В последней такты работы двигателя отличаются друг от друга цветом рабочей камеры.
Изготовление модели упрошенной
Первый слой модели. Рисунок 220 увеличивают так, чтобы малые ячейки вспомогательной сетки были размерами 5 ммх5 мм. На фанеру толщиной 3 мм переносят контуры щита и двигателя, выполненные сплошными линиями. По нанесенному рисунку выпиливают прямоугольный щит (с некоторььм запасом для чистой обрезки в последующий прием) и окно, представляющее полость картера, цилиндра и камеры сжатия.
Внешний контур двигателя, нанесенный на первый слой, не трогают—он указывает место наклейки второго слоя.
Второй слой модели. Рисунок 220, кроме контура щита, переводят на'фанеру толщиной 3 мм и выпиливают по сплошным линиям, то есть внешний контур двигателя, внутренность картера, цилиндра и камеры сжатия. Контур окна второго слоя должен точно совпасть с контуром окна, вырезанного в первом слое модели. Для облегчения выпиливания тонкое тело картера можно разрезать на несколько кусков и затем тщательно соединить при склейке.
Пунктирные штриховые линии, нанесенные на второй слой, показывают место наклейки третьего слоя.
* На внешней поверхности второго слоя модели, вдоль стенок цилиндра, срезают кромки шириной по 4 мм, глубиной по 1 мм для жестяных ребер поршня.
Третий слой модели. Рисунок 220 наносят на фанеру толщиной 3 мм и вырезают по сплошным линиям, как у предыдущего слоя. Кроме того, по штриховому (но не по точечному) пунктиру выпиливают окна полостей охлаждения и патрубков впуска и выпуска,
247
не соединенных еще с камерой сжатия. Между последними оставляют полосу шириной 10 мм.
Четвертый слой модели. Тот же рисунок 220 наносят на фанеру толщиной в 6 мм. Выпиливают копию предыдущего слоя с добавле-
но
Рис. 220.
нием свечи сверху цилиндра щ делают прорези для клапанов и для их штоков (по точечному пунктиру). Деталь распадается на несколько отдельных частей.
Если тело картера разделяют на части, то разрезы делают в местах, не совпадающих с разрезами во втором и третьем слоях.
^Склейку слоев модели производят следующим образом. На третий слой накладывают тщательно части четвертого слоя, совместив общие кромки. Если третий слой разрезан, то его предварительно наклеивают на лист бумаги, возможно точнее соединив разрезанные части. Склеенные третий и четвертый слои помещают под пресс для
248
сушки. После сушки бумагу удаляют и сравнивают стенки полостей охлаждения, патрубков впуска и выпуска.
Склеенные между собой третий и четвертый слои наклеивают на второй слой, совместив при этом общие кромки. Пазы для ребер поршня очищают от клея до его высыхания. Модель помещают под пресс.
После сушки зачищают и выравнивают стенки внешнегб контура двигателя, затем полученную фигуру наклеивают на первый слой, совместив стенки окна. С обратной стороны на первый слой наклеивают картон толщиной 1 мм, вырезанный по фигуре первого слоя, и помещают под пресс.
Когда модель высохнет, выравнивают и зачищают стенки общего окна.
Наконец модель наклеивают на прямоугольный кусок фанеры толщиной 6 мм, одинаковый по размерам с прямоугольником первого слоя. После сушки щит обрезают понанесенным на первом слое линиям прямоугольника размерами 650 ла1Х460 мм.
Из фанеры толщиной 3 мм вырезают 5 шайб диаметром по 40 мм, В центре каждой шайбы просверливают узкое отверстие. Три шайбы наклеивают на щит внутри картера так, чтобы центры шайб совпали с тремя точками, которыми отмечены центры коленчатого вала и распределительных валиков (рис. 220). Четвертую и пятую шайбы наклеивают с обратной стороны щита так, чтобы их центры совпали с осью коленчатого вала (для этого в точке, намеченной для центра коленчатого вала, просверливают узкое сквозное отверстие).
Этим заканчивают сборку основных неподвижных частей модели. Затем приступают к изготовлению отдельных подвижных частей.
Поршень делают из двух слоев. Первый слой выпиливают из фанеры толщиной 3 мм по рисунку 221 (сплошная линия). На этот слой накладывают П-образную фигуру из жести толщиной 0,3 мм, вырезанную по пунктирам и сплошной верхней линии рисунка. На жесть накладывают П-образную фигуру, вырезанную из фанеры толщиной 9 мм, которая представляет собой разрез тела поршня (наружные стенки — сплошная линия, внутренние стенки — пунктир черточками). Слои скрепляют между собой с тыльной стороны гвоздиками или шурупиками.
Перед сборкой поршень пригоняют к цилиндру, вдоль которого он должен свободно перемещаться. Ребра вырезки из жести должны свободно двигаться в пазах между вторым и третьим слоями модели.
К стенке поршня приклеивают шайбу диаметром 24 мм, вырезанную из фанеры толщиной 6 мм. Центр шайбы совмещают с точкой, обозначенной на рисунке 221.
Зубчатые колеса. Для передачи вращения от коленчатого вала к распределительным валикам надо сделать три зубчатых колеса: одно с десятью зубцами для коленчатого вала и два с двадцатью
249
зубцами для распределительных валиков. Зубчатые колеса делают из фанеры толщиной 6 мм по рисунку 87, а.
Кулачки (2 шт.) вычерчивают по рисунку 222, а на фанере тол-
щиной 6 мм и выпиливают.
Кривошип выпиливают из фанеры толщиной 6 мм по рисунку 222, б. На детали должны быть чётко намечены два центра.
Шатун выпиливают из фанеры толщиной 6 мм. К верхней и нижней головкам подклеивают еще один слой фанеры так, что толщину головок делают по 9 мм (рис. 222, в).
Клапаны. Рисунок 222, г
Рис. 221. Рис. 222.
сверяют с гнездами в модели, переносят на фанеру толщиной 6 мм и выпиливают, при этом стержень клапана делают миллиметров на 5 длиннее, чем указано. Грибки клапанов вгоняют плотно в свои гнезда. Стержень клапана должен свободно перемещаться в направляющих.
Пружины для клапанов (2 шт.). На круглый металлический стержень диаметром 8—10 мм туго навивают стальную проволоку толщиной 0,8—1 мм, прижимая виток к витку (стр. 467). Для двух пружин надо сделать 30—40 витков (по 15—20 витков на одну пружину). Навитую проволоку снимают со стержня, растягивают за концы так, чтобы общая длина незагруженной пружины была 250 мм, обрезают ненавитые концы и пружину разрезают на две равные части.
250
Маховик. Из фанеры толщиной 6 мм вырезают или выпиливают диск диаметром 420 мм.
Для насадки кривошипного вала делают металлическую ось диаметром 5—6 мм, длиной 38 мм. На расстоянии 4 мм от конца в оси сверлят по диаметру отверстие шириной 2 мм.
Сборку модели производят в следующем порядке:
Под ось коленчатого вала просверливают отверстие в картере двигателя. Наблюдают, чтобы сверло было направлено перпендикулярно к поверхности щита. На ось, вставленную в отверстие щита непросверленным концом, с лицевой стороны модели насаживают малое зубчатое колесо. Предварительно по диаметру колеса для шпильки делают углубление длиной 20 мм. шириной 2 мм и глубиной 3 мм.
Проволочную шпильку, туго вставляют в отверстие на>конце оси, топят в углублении зубчатого колеса и тем обеспечивают крепление колеса на оси.
С обратной стороны щита на ту же ось насаживают маховик. У отверстия на маховике по диаметру делают параллельные канавки для шпилек. С одной стороны глубина канавки 2,5 мм, с другой—1 мм. Длина канавок по 20 мм. На оси просверливают два параллельных отверстия диаметром по 2 мм, отстоящих от поверхности шайбы щита на 2 мм и 7 мм.
Закрепляют маховик так. Вставляют туго проволочную шпильку в ближнее к щиту отверстие, насаживают на ось маховик глубокой выемкой к щиту и шпильку «топят» в теле маховика. Окончательно закрепляют маховик второй шпилькой, которую туго вставляют в другое отверстие и частично углубляют в теле маховика. Маховик и зубчатое колесо должны прочно сидеть на оси и не провертываться на ней. Возможность продольного передвижения оси не должна превышать 1,5 мм.
Шарнирно соединяют шатун с поршнем и кривошипом. Для этого в центре приклеенной к поршню шайбы сверлят отверстие под шуруп длиной 16 мм. Шуруп, вставив в отверстие и надев на него шайбу толщиной 1 мм, ввертывают в центр малой головки шатуна. Другой такой же шуруп вставляют в отверстие малой шейки кривошипа и надевают на него шайбу толщиной 1 мм, ввертывают в центр большой головки шатуна. Если концы шурупов выйдут наружу, то их спиливают.
Поршень ставят на место. Кривошип скрепляют с малым зубчатым колесом двумя шурупами длиной по 12 мм, поместив между ними шайбу толщиной 1 мм, с наружным диаметром 16—18 мм. Шурупы располагают по средней линии колена кривошипа.
После сборки проверяют действие шатунно-кривошипного механизма.
Под шурупы длиной 20—22 мм просверливают отверстия в центрах кулачков и больших зубчатых колес. Насадив на каждый шуруп сначала кулачок, а затем зубчатое колесо, привертывают шурупы на место (в центрах прикрепленных к щиту шайб). При
251
правильно ввернутых шурупах должно быть хорошее сцепление между зубчатыми колесами, причем вершины зубьев одного колеса не должны доходить до дна впадины другого на 1,5—2 мм. Центр шурупа должен находиться на продолжении оси штока клапана.
Кулачки повертывают выступами вниз. Вставляют клапаны на место и, плотно прижав грибок клапана к гнезду, определяют длину стержня: конец стержня не должен доходить до нижней части кулачка на 0,5—1 мм. Излишек отрезают и конец делают полу-цилиндрическим.
На стержень клапана надевают пружину, упирают ее верхний конец в тело двигателя, немного сжимают и замечают на стержне положение нижнего конца пружины. По отметке сверлят в стержне отверстие диаметром 2 мм, расположенное параллельно плоскости щита. Устанавливают клапаны с пружинами на место. На стержень после пружины надевают жестяную шайбу, диаметр которой на 4—5 мм больше диаметра пружины. Сжав шайбой пружину, в отверстие стержня клапана туго вставляют проволочную шпильку. Пружина должна удерживаться в несколько сжатом состоянии.
Чтобы стержень клапана не выпал из направляющих, поперек его в тело двигателя вбивают проволочные скобы (рис. 226).
Подняв поршень в крайнее верхнее положение, кулачок впуска (на рисунке левый) устанавливают на начало открытия клапана, а кулачок выпуска — на конец закрытия клапана, учитывая, что кулачки будут вращаться против часовой стрелки.
Перед окончательной постановкой кулачков на шурупы их следует временно прикрепить к зубчатым колесам гвоздиками и проверить правильность распределения впуска и выпуска газов, повернув для этого на несколько оборотов маховик. За весь первый такт клапан впуска должен быть открыт. За весь четвертый такт должен быть открыт клапан выпуска. Остальное время клапаны должны быть закрыты.
К боковым граням щита прикрепляют П-образную раму, сделанную из брусьев поперечным сечением 30 мм X 15 мм (рис. 223, а). К нижней части рамы прикрепляют две поворотные ножки размерами 15 мм X 30 мм X 200 мм. Посередине каждой нолГки делают углубление для шайбы и головки шурупа, которым ножку прикрепляют к раме. Вверху щита укрепляют две петли. Когда модель ставят на стол, ножки поворачивают поперек щита. Если прибор вешают на стену, то используют петли, а ножки устанавливают в плоскости щита.
Изготовленную и проверенную модель покрывают масляными красками. Щит, раму и ножки окрашивают в черный цвет; тело разреза двигателя и пружины — в белый. Внешние стенки двигателя и маховик — в темно-зеленый или в вишневый; полость картера и нижнюю часть цилиндра — в серый; нижнюю часть полости картера (до уровня лапок) — в светло-коричневый (для обозначения смазочного масла). Полости рабочей части цилиндра, камеры сжатия и патрубка выхлопа окрашивают в красный цвет; полость
252
патрубка впуска — в голубой; полость водяного охлаждения — в зеленый; полость поршня — в серый, более светлый, чем полость картера; тело разреза поршня и клапаны — в желтый. Зубчатые колеса окрашивают в серый цвет, более темный, чем полость кар' тера; кулачки — в светлый серо-голубой; шатун и колено кривошипа — в серо-голубой.
Средний контакт на свече изображают черным цветом, разрез фарфора белым. Разрез гайки красят в серо-голубой цвет. На
стенках поршня штрихами рисуют контуры поршневых колец. На зубце малого колеса и . на совпадающей с этим зубцом впадине каждого большого зубчатого колеса рисуют белые полоски — отметки, удобные для определения передаточного числа.
Когда краски высохнут, модель покрывают светлым масляным лаком.
Рис. 223.
Изготовление модели усложненной
Усложненную модель изготовляют по описанию предыдущей модели со следующими изменениями:
В сплошном фанерном щите толщиной блш, размерами 650 мм X х 460 мм, на который наклеивают всю модель (стр. 249), вырезают сквозное окно, охватывающее собой открывающуюся поршнем часть цилиндра и всю камеру сжатия (рис. 223, а, на котором контур окна изображен пунктиром). Высота окна 130 мм. Прорезку окна производят до наклейки модели на щит.
С обратной стороны щита дополнительно наклеивают шайбу диаметром 40 j^m, толщиной 6 мм так, чтобы общая толщина шайбы получилась равной 12 мм. Сообразно с этим ось для маховика делают длиной 44 мм, а расстояние между отверстиями для крепления маховика сохраняют прежним.
253
С обратной стороны щита располагают диск а диаметром 426 мм, вырезанный из чертежной бумаги (рис. 223, а). На бумажный диск наклеивают фасонную шайбу б, сделанную из высококачественной фанеры толщиной 9 мм по рисунку 223, б. Центр шайбы совмещают с центром диска.
В центре фасонной шайбы просверливают отверстие под шуруп длиной 20 мм. Шуруп с насаженным диском и фасонной шайбой ввертывают в щит модели на 240 мм выше центра оси маховика, где щит утолщают наклейкой с обеих сторон по одной шайбе диаметром 40 мм, толщиной по 3 мм.
В маховике с лицевой стороны близ окружности ввертывают два шурупа 6, расположенные по диаметру и выступающие от поверхности маховика на 8 мм. Заплечики головки у шурупов предварительно устраняют опиловкой.
Установку шурупов делают следующим образом. Поршень располагают в верхней мертвой точке. В этом положении на обратной стороне маховика проводят черту по вертикально расположенному диаметру. Переводят концы черты на лицевую сторону маховика и, отступя от окружности на 5—6 мм, с лицевой стороны вбивают гвоздик без шляпки, выступающий на 8 мм.
Вращая маховик против часовой стрелки (смотря с обратной стороны модели), наблюдают, как гвоздик упирается в радиальный срез фасонной шайбы, поворачивает последнюю на 90° и затем выскальзывает из выреза (рис. 223, б). При дальнейшем вращении маховика гвоздик снова должен войти в вырез шайбы и повернуть ее на 90°.
Если шайба поворачивается на угол, меньший 90°, и при повторном прохождении гвоздик не попадает в вырез, то гвоздик вбивают несколько ближе к окружности маховика. В противном случае гвоздик передвигают к центру.
Когда место для гвоздика определено, то гвоздик заменяют шурупом. Второй шуруп ввертывают на противоположном конце диаметра симметрично первому.
Устанавливают поршень в верхнюю «мертвую точку» в начале первого такта. В этот момент кулачок впуска должен подойти к стержню клапана, а кулачок выпуска должен только что завершить закрытие клапана. Повертывают маховик настолько, чтобы шуруп завершил поворот диска. Прижимают диск к щиту и слегка намечают на диске контур окна камеры сжатия.
Диск с фасоннрй шайбой снимают со щита. С лицевой стороны диск делят двумя перпендикулярными диаметрами на четыре равных сектора, причем в один из секторов должен войти полностью контур окна, намеченный карандашом. Сектор, где находится карандашная пометка, окрашивают в голубой цвет, предварительно сняв резинкой пометку. Соседний сектор, считая против часовой стрелки, окрашивают в синий, следующий — в красный и последний — в оранжевый цвет.
254
Когда краска высохнет, диск ставят на место, сцепляют фасонную шайбу с маховиком так, чтобы в течение первого такта полость цилиндра была закрыта голубым сектором диска.
За диском, несколько ниже запальной свечи, укрепляют патрон с маловольтной лампой г на 3,5 в. От патрона проводят два изолированных провода, как указано на рисунке 224, а.
Скользящий контакт е делают следующим образом (рис. 224, б). На расстоянии 40 мм ниже оси большого левого зубчатого колеса, в 5 мм по обе стороны от вертикали, проведенной на задней стороне щита через эту ось, просверливают два отверстия диаметром 4 мм. Маховик устанавливают так, чтобы в цилиндре синий сектор диска только что сменился красным (смена второго такта третьим). Сквозь просверленные в щите отверстия делают пометки на зубчатом колесе, которое затем снимают. С обратной стороны к колесу прикрепляют на гвозди латунную пластинку толщиной 1 мм, врезав ее в фанеру вровень с поверхностью дерева. Расположение пластинки относительно пометок на зубчатом колесе, ее форма и размеры указаны на рисунке.
После укрепления пластинки зубчатое колесо ставят на место.
В отверстия, сделанные на щите, вставляют контактные стерженьки — кусочки латунной проволоки диаметром 3,5—4 мм, длиной по 11—12 мм. Концы стерженьков закругляют. Стерженьки прижимаются к поверхности зубчатого колеса стальными упругими пластинками размерами 8 мм X 30 мм и толщиной около 0,3 мм. Концы упругих пластинок прикрепляют шурупами к щиту.
255
К упругим пластинкам припаивают провода: к одной — провод от лампы, к другой — провод от клеммы ж (рис. 224, а).
Собранная модель двигателя с механизмом, диском и лампочкой должна обеспечить демонстрацию четырех тактов.
' Смена цветов должна происходить в момент прохождения поршня через мертвую точку. Цветной сектор должен полностью перекрывать окно цилиндра и камеры сжатия. Соседние цвета не должны быть видны.
Если изготовление механизма для поворота диска вызывает затруднение, то диск можно поворачивать вручную. Для этого фасонную шайбу заменяют деревянной
втулкой, к которой приклеивают диск.
Планка, укрепленная за диском (рис. 223, а), не дает верхней части диска отходить от щита. По краям задней поверхности щита с боков и вверху прикрепляют деревянные планки сечением 10 м X 25 мм (рис. 223, а). На планки накладывают лист фанеры (по размерам щита) и прикрепляют шурупами.
В правой планке делают вырез размерами 170 мм X 3 мм, начинающийся в 70 мм от верхней кромки щита (рис. 223, а). В вырез вставляют две пластины из жести толщиной 0,2— 0,3 'размерами 170 мм X 100 мм. Кромки пластин шириной по 5 мм
отгибают и прикрепляют гвоздиками: одну к щиту, другую к планке. Жестяные пластины помещают между щитом и диском. Пластины не должны быть видны в окно модели (рис. 225). В щель между пластинами вставляют жестяной экран размерами 170льмХЗЭОлш, окрашенный в серый цвет. Экран закрывает собой все окно, заслоняя цветной диск ( в этом его назначение). На одной кромке экрана длиной 170 мм загибают ребро высотой 7 мм, удобное для
вынимания экрана из щели.
Во всем остальном усложненная модель не отличается от простой.
Демонстрация кинематической модели разреза двигателя внутреннего сгорания. Сначала знакомят учащихся с устройством двигателя по модели (рис. 226).
Чтобы смена окраски в усложенной модели не отвлекала учащихся, цветной диск закрывают серым экраном.
Двигатель состоит из цилиндра 1, укрепленного на картере 2. Цилиндр сверху переходит в камеру сжатия 3. В цилиндре перемещается поршень 4 с поршневыми кольцами. Поршень соединен с коленом вала 5 посредством шатуна 6. На валу насажена малая шестерня 7 и маховик 8. При одном обороте маховика поршень со
256
вершает два возвратно-поступательных движения: одно вверх, другое вниз. В картере находятся две большие шестерни 9, которые делают по одному обороту за два оборота малой шестерни.
Каждая большая шестерня насажена со своим распределительным кулачком 10 на одну ось и скреплена с ним. Из камеры сжатия
Рис. 226.
отходят два патрубка: для впуска горючей смеси 11 (окрашен в голубой цвет) и для выпуска отработавших газов 12 (окрашен в оранжевый цвет). Патрубки впуска и выпуска отделяются от камеры сжатия клапанами 13. Когда выступ кулачка подходит к стержню клапана, последний поднимается. Пружиной 14 клапан плотно прижимается к своему гнезду.
В крышке камеры сжатия расположена запальная свеча 15. которая состоит из контакта, соединенного с массой двигателя, изолятора и внутреннего контакта с клеммой вверху свечи. Провода тока высокого напряжения (10 000—15 000 в), идущие от магнето (на модели не изображенного), присоединены к клемме среднего
257
9 Заказ 1530
контакта свечи и к массе двигателя. В требуемый момент магнето дает ток и между контактами свечи проскакивает искра, воспламеняющая горючую смесь.
Так как во время работы двигателя в цилиндре развивается высокая температура, то стенки рабочей части цилиндра и камеры сжатия приходится охлаждать сменной водой, протекающей между стенками и рубашкой охлаждения 16, окружающей цилиндр и камеру сжатия.
В картере почти до уровня оси коленчатого вала налито масло, изображенное светло-коричневой краской.
Один такт двигателя происходит за полуоборот коленчатого вала, то есть за одно движение поршня вверх или вниз. За два оборота вала происходят четыре такта двигателя.
Работа двигателя. Устанавливают модель на начало первого такта и вынимают экран, закрывающий цветной диск. Клеммы аккумулятора на 5 в соединяют проводами с клеммами прибора. Медленно вращают маховик по часовой стрелке за выступающую внизу часть.
Первый такт — всасывание. Полость цилиндра голубого цвета. При движении поршня.сверху вниз клапан впуска открыт. В цилиндр засасывается горючая смесь. В конце такта клапан выпуска закрывается.
Второй такт — сжатие. Полость цилиндра синяя. При движении поршня снизу вверх горючая смесь сжимается и нагревается.
Во время второго такта оба клапана закрыты.
В конце второго такта электрическая искра воспламеняет рабочую смесь. Давление и температура газов поднимаются. На модели в момент вспышки синий цвет сменяется на красный. За диском зажигается электрическая лампочка, диск просвечивает красным цветом и создает эффект вспышки.
Третий такт — рабо чи й ход. Полость цилиндра красная, в начале т^кта освещенная лампочкой. Образовавшиеся при воспламенении газы с силой толкают поршень вниз, производя работу. Клапаны закрыты.
Четвертый такт — выхлоп. Полость цилиндра оранжевая. Клапан выпуска открыт в течение всего такта. Отработавшие газы, имея еще высокую температуру, вылетают в атмосферу.
После завершения четырехтактного цикла все повторяется в том же порядке.
Следует сообщить учащимся, что для запуска двигателя необходимо внешней силой дать ему первые обороты (вручную или электродвигателем-стартером, работающим от аккумулятора). После первого воспламенения машина начинает работать.
Маховик своей инерцией поддерживает равномерный ход машины и производит три подготовительных такта.
В многоцилиндровых машинах рабочие ходы совершаются поочередно, машина работает равномернее и маховик делают меньше.
258
77. ДВА ПРИБОРА ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТА ТЕПЛОТЫ
Первый прибор состоит из калориметра —жестяной или латунной цилиндрической коробки 1 (рис. 227, а) емкостью 250—300 мл. В донышко калориметра впаяна трубка 2 из того же металла диаметром 15 мм, не доходящая до' крышки на 8 мм. Для наливания жидкости (керосина) в крышке сделано отверстие и впаяно горлышко 3.
Внутри калориметра помещается вращающаяся часть прибора — вертушка. Она состоит из шайбы 4 толщиной 7 мм, в которой прочно укреплены четыре Г-образных стержня 5, отстоящих от крышки и стенок калориметра на 2—3 мм (рис. 227, б). Стержни сделаны из латунной проволоки диаметром 3—4 мм, К нижним частям стержней приклепаны стальные упругие пластинки 6, которые при вращении вертушки трутся о стенки калориметра с силой 700—1000 Г.
В дне калориметра сделано отверстие и впаяно горлышко 7, закрываемое корковой пробкой с большим баллоном от термоскопа (67).
Вертушка приводится во вращение центробежной машиной, с которой она соединена теплоизолирующим стержнем 8 (например, деревянным). Один конец стержня квадратный и входит в отверстие в шайбе, другой конец снабжен железным наконечником и закрепляется в патроне центробежной машины (рис. .227, в).
К стенке калориметра припаяна петля, за которую зацепляют конец матерчатой ленты 9 длиной 200 мм. Другой конец ленты соединяют с динамометром (16) на 1200 Г.
Второй прибор состоит из трубы с дробью.
Из бумаги склеивают трубу с внутренним диаметром 55 мм, длиной 1100 мм и толщиной стенок 3 мм. С одного конца в трубу прочно вставляют дно из фанеры и укрепляют вклеенным картонным кольцом шириной 8 мм (рис. 228). Ко дну приклеивают деревянную шайбу. Шайбу и дно просверливают, в отверстие1 туго вставляют пробку с малым баллоном к термоскопу (67). Горлышко баллона должно выступить наружу на 10—12 мм. Для защиты баллона от непосредственного удара дроби над ним устанавливают жестяной колпачок на трех ножках, укрепленных в дне трубы. Ножки делают из толстой проволоки.
Другой конец трубы закрывают туго надеваемой крышкой. Донышко в крышке укрепляют так же, как и в дне трубы. Стенки крышки картонные высотой 60 мм, толщиной 3 мм. Для опыта в трубу насыпают 1 кг мелкой свинцовой дроби. Свободное пространство между поверхностью дроби, насыпанной на дно трубы, и верхом закрытой крышки должно равняться 1 м. Руководствуясь этим, уточняют длину трубы.
1 Отверстие должно быть немного больше диаметра баллона.
9*
259
Рис. 227.
Трубу снаружи оклеивают серой бумагой. Донышки покрывают масляной краской под цвет бумаги.
Опыт с первым прибором.
Взвешивают калориметр с вертушкой, но без стержня, пробок и баллона (можно взвесить демонстрационным разновесом, 260
см. стр. 442). Укрепив стержень прибора вертикально в патроне центробежной машины, насаживают на стержень калориметр так, чтобы стержень сцепился с вертушкой. В нижнее отверстие калориметра туго вставляют большой баллон с пробкой. Резиновой трубкой соединяют баллон с термоскопом, на I ~ ~ котором натянута проверенная до уро- \ \ 3
ка резиновая шкала с делениями по
0,2° (стр. 223). Через верхнее отверстие ; \
в калориметр наливают 150 г кероси- ; XX \ на, тщательно взвешенного на глазах \
учащихся. Отверстие закрывают проб- \ # ! \
кой. Матерчатую ленту прицепляют к \ ff IL Jl \ \
крючку динамометра (16) на 1200 Г \... X'
(рис. 227, в). FeR
Заметив указателем положение “* ™ "1 141—1
ртутного столбика термоскопа, быстро ~~
и равномерно вращают рукоятку центробежной машины, считая полные обо- „
роты. Одновременно следят за показанием динамометра, определяющего си-
лу трения. Показания динамометра будут несколько колебаться, поэтому записывают некоторое среднее.
Когда термоскоп покажет увеличение температуры на 2°, вращение прекращают.
Определив заранее передаточное число центробежной машины и измерив кронциркулем диаметр калориметра, находят механический эквивалент теплоты по формуле:
j _ А __ TtdniF
Q (С1/П1 + с2т2) (i2° — Zj0) ’
где А — работа в кГм, d — диаметр калориметра в метрах, п.— число оборотов рукоятки, i — передаточное число механизма центробежной машины, F — показание динамометра в кГ, Q — количество теплоты, сг и — удельная теплоемкость и масса калориметра и вертушки, и т2 — удельная теплота и масса жидкости в кг, /2° — /х° — изменение температуры за время опыта.
Для успешного проведения опыта керосин следует брать при температуре на Г ниже комнатной, тогда теплопередача калориметра будет минимальной.
Предупреждение. Вертушку надо вращать в сторону, диктуемую направлением упругих пластинок. Это направление следует нарисовать стрелкой, на калориметре.
Опыт со вторым прибором
Перед уроком из трубы прибора вынимают пробку с баллоном и резиновой трубкой длиной 1,3 м, соединяют баллон с термоско
261
пом. На шкалу термоскопа натягивают бумажную ленту и, пользуясь термометром с делениями по 0,2°, градуируют термоскоп в пределах 4—5°. Для этого баллон и термометр опускают в воду, температура которой на 1—2° ниже комнатной и выражается целым числом градусов. Отмечают положение столбика ртути на шкале. Затем прибавлением горячей воды поднимают температуру ровно на 5° и снова делают отметку. Расстояние между отметками делят на 25 равных частей. Против делений, выражающих целые градусы, ставят порядковые числа.
Баллон снова помещают в трубку прибора.
Рассказывают устройство прибора. Высыпают из прибора дробь и взвешиванием убеждаются, что масса ее равна 1 кг. Дробь снова насыпают в трубу. Стержнем от кубического метра (14) с делениями показывают, что расстояние от поверхности дроби до верха трубы- равно 1 м, после чрго трубу закрывают крышкой.
Замечают указателем положение столбика термоскопа1 и резкими движениями перевертывают трубу* 2 из одного вертикального положения в другое: баллон оказывается то вверху, то внизу. Перевертывать трубу надо быстро и мгновенно останавливать в вертикальном положении, чтобы во время вращения дробь удерживалась у крышки и затем свободно падала. Трубу перевертывают 30 раз, при этом каждый раз дробь падает с высоты одного метра. При каждом падении дробь совершает работу в 1 к£м. За тридцать падений работа будет равна 30 лсГуи. Так как удар свинцовых дробинок друг о друга неупругий, то можно считать, что вся работа превратится в теплоту. Изменение температуры дроби определяют по термоскопу (после перевертываний записывают максимальное показание термоскопа).
Пренебрегая теплотой, поглощенной донышками трубы при ударе о них первых дробинок, вычисляют механический эквивалент теплоты.
Результат зависит от тщательности градуировки термоскопа и может быть удовлетворительным для демонстрации.
78. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАКОНА ГЕЙ-ЛЮССАКА
Прибор состоит из высокой, узкой бутылки белого стекла с отрезанным дном. Через горлышко в бутылку пропущена стеклянная трубка с каналом 10—12 мм в диаметре. Конец трубки
Предварительно столбик ртути термоскопа устанавливают в начале градуированной части шкалы.
2 При этом трубу держат обеими руками за крышки, не касаясь, однако, баллона термоскопа,
262
находится несколько ниже уровня среза бутылки и закрывается пробкой с краном.
Высота видимой части трубки в бутылке разделена штрихами на двенадцать равных частей. Штрихи наносят несмываемой краской.
Верхний нулевой штрих делают на уровне нижней поверхности пробки.
Демонстрация закона Гей-Люссака. Прибор соединяют резиновым шлангом со стеклянной трубкой (39), как указано на ри-
и зани-
Рис. 229.
новым шлангом со стеклянной трубкой (39), сунке 229. В бутылку наливают воду до нулевого деления на трубке.
В сообщающиеся сосуды наливают подкрашенную воду. Поднятием или опусканием одного из колен устанавливают уровень воды в открытой трубке бутылки на десятом делении (считая сверху) и кран закрывают. Измеряют температуру воды и записывают ее на доске.
Объем воздуха, заключенного в трубке прибора, равен 10 условным единицам1. Давление его равно внешнему давлению, а температура такая же, как у окружающей воды.
Теперь в бутылку прибавляют горячую воду (избыток воды из бутылки отбавляют резиновой грушей), постепенно поднимая температуру воды в бутылке на 27® выше первоначальной. Воздух в трубке от нагревания расширяется мает больший объем. Перемещением трубки (39) устанавливают уровни в сообщающихся сосудах на одной горизонтали (давление воздуха в трубке делают равным внешнему). Обращают внимание, что уровень воды оказался на одиннадцатом штрихе, то есть объем воздуха, нагретого на 27°, увеличился на 0,1 первоначального объема.
Снова нагревают воду в бутылке и поднимают ее температуру на 54,5° выше первоначальной. Установив первоначальное давление, убеждаются, что объем воздуха, нагретого на 54,5°, увеличился на 0,2 первоначального.
Из полученных опытом данных нетрудно вывести заключение, что при нагревании на 1° объем воздуха при неизменном внешнем
1 В объем верхнего деления должен входить объем нижней части канала крана до перекрытия.
263
1
давлении увеличивается приблизительно на часть первоначального объема.
Воздух можно заменить каким-либо другим газом, например углекислым. Результаты будут такими же.
79. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЛИТЬЯ ИЗ ЛЕГКОПЛАВКОГО МЕТАЛЛА (комплект)
Модель для отливки делают из дерева по рисунку 230, а; она состоит из прямоугольного основания с цилиндрическим прили-
вом и ребрами. Внутри прилива должна быть цилиндрическая полость. Для формовки стержня, заполняющего полость отливаемой детали, делают деревянный брусок с отверстием (рис. 230, б). Ящики делают из дощечек толщиной 6 мм (рис. 230, в). Размеры ящиков указаны на рисунке. Нижняя часть опоки имеет дно, верхнюю делают без дна. На двух боковых стенках верхней части опоки изнутри прибивают планки для удержания набивки.
264
С внешней стороны к стенкам верхней части опоки прибивают направляющие дощечки (они обеспечивают правильное совмещение двух частей опоки при наложении друг на друга).
По рисунку 230, г делают ложку из целого куска листового железа толщиной 0,5 мм без пайки. К ложке приклепывают ручку.
Демонстрация металлического литья. Из глины или гипса формуют в опоке модель и стержень, прорезают отверстия для заливки металла (литник) и для выхода газов (рис. 231). До опыта формовку хорошо просушивают.
Литье демонстрируют на уроке. В ложку для плавки помещают кусок свинца или третника и ставят на примус. Показывают модель и форму для стержня, а также части опоки с отформованной моделью и стержень. Сопоставляют их с моделью и формой для стержня. Показывают литник и канал для выхода газов. Вставляют ' стержень и плотно соединяют обе половины опоки (рис. 231). Готовую форму ставят на дно ванны (9) и вливают в отверстие литника расплавленный металл.
Когда металл затвердеет, опоку разнимают. Щипцами вынимают литье из опоки и остужают в воде. Стержень удаляют, приливы срубают и запиливают. Отлитую деталь сравнивают с моделью (рис. 232).
Опока в собранном виде
Рис. 23L
80. ТРУБКИ МАНОМЕТРИЧЕСКИЕ С РТУТЬЮ И КАПЛЯМИ ЖИДКОСТИ (воды и серного эфира; 2 шт.)
Трубки предназначены для опыта, показывающего, что при температуре кипения жидкости давление ее насыщающих паров равно внешнему давлению.
Из стеклянной трубки с каналом 3 мм в диаметре делают две U-образные трубки с одним запаянным концом (рис. 233). Трубки наполняют ртутью. Для этого ртуть наливают в открытое колено, в закрытом колене останется воздух. Закрыв пальцем открытое колено, перевертывают трубку вверх изгибом. Воздух собирается
265
в изгибе, откуда его переводят в открытое колено при обратном перевертывании трубки.
Когда трубка заполнена вся, то из открытого колена удаляют немного ртути (миллиметра на три от краев) и полученное про-
странство заполняют водой. Затем трубку закрывают пальцем (между водой и пальцем не должен остаться воздух) и перевертывают трубку так, чтобы вода попала в запаянное колено. В
заключение ртуть из открытого колена выливают, оставив в нем столбик ртути высотой около 25 мм. Отверстие трубки закрывают
Рис. 233.
тампончиком из ваты.
Во вторую трубку таким же образом вводят серный эфир. Чтобы трубку с водой отличить от трубки с эфиром, на высоком конце трубок делают соответствующие пометки несмываемой краской. К каждой трубке делают держалку из нержавеющей проволоки, с помощью которой и двух резиновых колец прибор подвешивается в химическом стакане.
Приборы хранят в вертикальном положении в одном химическом стакане.
Демонстрация
Установка приборов дана на рисунке 234. Сзади прибора помещают просвечивающий экран (6) с осветителем (4). На фоне этого экрана ртуть в трубке видна отчетливо.
266
В стакан наливают горячую воду немного выше закрытого колена трубки и нагревают. При некоторой температуре (близкой к кипению воды) уровень ртути в закрытом колене начнет опускаться, а в открытом подниматься. Когда вода в стакане закипит, эти уровни сравняются, как указано на рисунке 234, а.
Опыт показывает, что вода, заключенная между ртутью и запаянным концом трубки, превращается в насыщающий пар, дав-
Рис. 234.
ление которого при температуре кипения воды равно внешнему давлению.
Аналогичный опыт повторяют с каплей эфира (рис. 234, б). В держалке укрепляют пробирку с небольшим количеством эфира, прикрытую ватой. В стакан наливают теплую воду (около 30°) и начинают добавлять в нее горячую, помешивая стеклянной палочкой. Когда в пробирке закипит эфир (что хорошо видно издали), уровни ртути в манометрической трубке сравняются.
81. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ОПЫТА ТОРИЧЕЛЛИ И СВОЙСТВ ПАРОВ (комплект)
Комплект приборов состоит из двух стеклянных трубок высотой по 82 см, с каналами 3—4 мм в диаметре. Один конец у трубок должен быть снабжен краном и небольшой воронкой или в крайнем случае запаян. Кроме двух трубок, нужна ванна для ртути, держалка для трубок и подушка для песка. Если трубки имеют запаянный конец, то необходимо иметь пипетку с длинным оттянутым и загнутым концом (рис. 235 ,а).
267
Запаять конец у трубок нетрудно. Однако если имеется возможность, то лучше к трубке приварить стеклянный кран, а к нему —маленькую воронку. В крайнем случае трубку, кран и воронку можно соединить цементной замазкой (стр. 470), которую сверху покрывают сапоновым лаком.
Ванну для ртути можно вырезать из сухой липовой древесины по рисунку 235, 6. Красить ванну не надо. Для устойчивости ее можно утяжелить железной пластинкой, прикрепленной снизу.
130
Рис. 235.
Держалку делают деревянную по рисунку 235, в.
Для демонстрации зависимости давления паров от температуры следует сшить из плотной материи подушку по рисунку 235, г.
Вдоль подушки делают шесть прострочек, которыми ее разделяют на семь отсеков шириной по 45 мм каждый. Средний отсек укорачивают на 50 мм и зашивают. Остальные шесть отсеков с одной стороны оставляют открытыми для засыпки песком. Каждый отсек (кроме среднего) вверху отделяют от соседних надрезом на глубину 40 мм и снабжают бечевой для завязывания после наполнения нагретым песком. Рисунок 235, д изображает подушку, отсеки которой заполнены песком.
Демонстрации
1) Опыт Торичелли. Перевернув барометрическую трубку вверх отверстием и укрепив ее вертикально в лапке штатива над подносом (9), при помощи воронки наливают в канал трубки ртуть, не доводя ее уровень до краев на 10—15 мм. Вынув из трубки воронку, осматривают налитую ртуть. Если на стенках трубки обнаруживают пузырьки воздуха, то железной проволочкой или
268
постукиванием выгоняют их вверх. Затем при помощи глазной пипетки заполняют трубку ртутью до верха. Остатки ртути из пипетки выливают во флакон, который закрывают стеклянной пробкой. После этого на поднос ставят ванну, в которую наливают ртуть.
Освободив трубку из лапки штатива, закрывают ее пальцем так, чтобы над ртутью не остался пузырек воздуха. Закрытую трубку перевертывают и погружают конец трубки с пальцем в ртуть ванны (рис. 236).
Обращают внимание учащихся на верхнюю часть трубки и убирают палец из ванны —ртуть в трубке тотчас опустится и оста-
Рис. 236. Рис. 237.
новится на определенной высоте. Вынимать палец из ртути надо осторожно, чтобы воздух не попал в трубку.
Уровень ртути должен быть хорошо виден всем учащимся, поэтому за трубками на ящики-подставки (5) ставят экран (С), который сзади просвечивают осветителем (4).
Закрепляют трубку вертикально в держалке, зажатой в лапке штатива. Измеряют демонстрационным метром высоту ртутного столба (нулевое деление метра должно находиться при этом на уровне ртути в ванне).
На экране горизонтально натягивают резиновое кольцо на уровне ртути. Наклоняют барометрическую трубку. Безвоздушное пространство в трубке уменьшается, но уровень ртути не меняется — он находится на высоте резинки (рис. 237). Снова устанавливают трубку вертикально.
По окончании опыта ртуть из трубки и ванны следует сейчас же вылить во флакон, а руки вымыть.
Чтобы опыт Торичелли хорошо удался, канал трубки и ртуть должны быть чистыми.
2) Свойства паров насыщающих и ненасыщающих. Устанавли
26Э
вают приборы, как показано на рисунке 238. .Установка должна находиться на лодносе для работ со ртутью (9). Сзади трубок на ящиках-подставках (5) устанавливают просвечивающий экран (6), который освещают сзади.
Пока над ртутью в трубках нет паров жидкости, уровни ртути в обеих трубках одинаковы. Эти уровни отмечают резиновым кольцом, надетым на просвечивающий экран.
В воронку одной трубки наливают немного серного эфира. Сосредоточив внимание учащихся на уровне ртути в этой /трубке, начинают осторожно приоткрывать кран. При малейшем сниже-
Рис. 238.
нии ртути кран закрывают. В безвоздушное пространство попал эфир, который быстро испарился. Давление паров измеряется давлением ртутного столба, высота которого равна расстоянию по вертикали от резинки на экране до уровня ртути. Снова приоткрывают кран на мгновенье, снова снижается уровень ртути. Так поступают несколько раз.
Снизив уровень ртути сантиметров на 10, опускают резинку на экране до уровня ртути и устанавливают отметку горизонтально.
Наклоняют трубку (не вынимая нижнего конца из ртути). Объем ненасыщающих паров уменьшается, но и давление их возрастает — уровень ртути падает ниже отметки, укрепленной на экране (рис. 238, а).
Опыт показывает, что пары ненасыщающие ведут себя как газы: при уменьшении объема увеличивается их давление, а при увеличении объема давление уменьшается.
Продолжают опыт. Приоткрывая кран еще несколько раз, наблюдают, что каждый раз снижается уровень ртути.
270
Но вот наступает момент, когда открытие крана не влечет за собой понижение уровня ртути. На поверхности ртути появляется жидкий эфир1.
Дальнейшее открытие крана влечет лишь к увеличению жидкого эфира над ртутью, но не к изменению давления паров —уровень ртути остается неизменным. Измеряют давление насыщающих паров эфира при данной температуре.
С другой трубкой делают такой же опыт, налив в воронку спирт. Давление насыщающих паров спирта окажется значительно меньшим, чем у эфира. Делают вывод, что при неизменной температуре давление насыщающих паров зависит от вещества этих паров.
Наклоняя трубку с парами эфира, замечают, что объем насыщающих паров уменьшается, но уровень ртути остается . неизменным. При этом объем жидкого эфира увеличивается. Очевидно, при уменьшении объема часть паров конденсируется. Снова устанавливают трубку отвесно —уровень ртути не меняется, объем паров увеличивается, жидкого эфира становится меньше. Опыт подтверждает, что при неизменной температуре давление насыщающих паров не меняется при изменении объема.
3) Демонстрация зависимости давления насыщающих паров от температуры. Перед самым уроком в отсеки подушки насыпают нагретый песок (рис. 235, д) и подушку хорошо теплоизолируют, чтобы к моменту опыта температура песка была около 36° (в подушку кладут термометр).
Опыт является продолжением предыдущего.
Резиновыми кольцами отмечают уровни ртути в трубках (над ртутью насыщающие пары).
Раскрыв подушку и сообщив учащимся температуру песка, обертывают подушкой обе трубки.
Приоткрыв подушку, видят, что ртуть в трубке с парами эфира опустилась значительно (приблизилась к уровню ртути в ванночке), тогда как в трубке с парами спирта ртуть опустилась много меньше (рис. 238, б). Следовательно, при одинаковом нагреве давление паров эфира значительно больше давления паров спирта.
Поскольку при нормальном давлении температура кипения эфира 36°, а спирта около 78°, то делают вывод, -что при одинаковой температуре давление насыщающих паров тем больше, чем ниже температура кипения данной жидкости, а при температуре паров, близкой к точке кипения, давление паров приближается к атмосферному.
Наблюдают, как по мере остывания паров уровни ртути в обеих трубках поднимаются до первоначальных уровней, отмеченных резиновыми кольцами.
1 Надо следить за эфиром в воронке, чтобы при открытии крана в трубку не попал воздух.
27J
Примечание. Если трубок с кранами нет, то опыты придется провести с трубками, один конец у которых запаян. Вводить жидкость в верхнюю часть трубки придется при помощи пипетки с изогнутым концом. Во избежание введения вместе с жидкостью воздуха в пипетку набирают много жидкости. Загнутый конец пипетки, заполненный жидкостью, осторожно вводят в отверстие чуть приподнятой трубки (что проверяют пальцем, опущенным в ванну с ртутью). Осторожным нажимом на баллон пипетки вводят жидкость по одной капле, которая всплывает на поверхность ртути внутри трубки.
82. ГИГРОМЕТР ВОЛОСЯНОЙ СОССЮРА
Основанием прибора служит дощечка, выпиленная по рисунку
239. В основании под шкалой вбит гвоздик, к которому привязан
предварительно обезжиренный промывкой в
человеческий волос,
бензине. Внизу основания прикреплена тонкая ось, на которую свободно насажен кусочек латунной трубки с узким каналом. К трубке припаивают уравновешенную легонькую стрелку. Волосок обертывают вокруг трубки и загружают небольшим грузиком.
Градуировку гигрометра делают путем сравнения с другим прибором или по психрометру. Деления должны показывать относительную влажность в процентах.
Дощечку покрывают светлым лаком. Шкалу можно покрыть бесцветным сапо-новым лаком.
Приборы мелкие и простейшие
1) Биметаллическая пластинка с контрольным стержнем. Заготовляют две плас-
тинки размерами 170 мм X 10 мм, толщиной около 0,5 мм. Одну пластинку делают из железа, другую — из алюминия, меди или латуни. Пластинки накладывают одну на
другую, прочно сжимают и склепывает между собой семью-восемью заклепками (рис. 240, а).
Из стальной проволоки диаметром около 3 мм делают прямой стержень длиной 162 мм. Конец стержня длиной 12 мм загибают под прямым углом и расплющивают в плоскости угла. Конец склепанных пластинок длиной 15 мм загибают под острым углом. В угол вкладывают расплющенный конец стального стержня, направляя последний вдоль пластинок, конец пластинок окончательно пригибают и скрепляют заклепками.
272
Демонстрация неодинакового теплового расширения различных металлов при помощи биметаллической пластинки, (Установка для демонстрации показана на рисунке 240, б.) Из опыта видно, что при нагреве изгиб склепанных между собой пластинок происходит за счет неодинакового расширения различных металлов. Однородный стержень при этом не изгибается.
2) Колбы для демонстрации теплового расширения жидкости и воздуха (3 шт.). К трем одинаковым плоскодонным колбам емкостью по 250 мл подбирают пробки. В пробки плотно вставляют одинаковые стеклянные трубки длиной по 200—300 мм, с каналом 3—4 мм в диаметре.
Одну колбу заполняют подкрашенной водой, другую — керосином. Колбы закрывают пробками так, чтобы жидкость вошла в канал трубки и под пробкой не остался бы пузырек воздуха.
В третью колбу наливают 50 мл подкрашенной воды. Колбу плотно закрывают пробкой, при этом нижний конец трубки должен -быть погружен в воду и почти касаться дна (в других колбах этот конец трубки не выступает из пробки).
Приборы с жидкостями нагревают горячей водой (рис. 241), а с воздухом — ладонями рук.
273
3) Прибор для демонстрации теплопроводности различных металлов. Прибор делают из двух проволок одинаковой толщины: медной и железной, укрепленных в деревянной ручке. Устройство и использование прибора видно на рисунке 242.
4) Модель лампы Дэви и сетка. От жестяной банки диаметром 40—50 мм отрезают кольцо шириной 12—15 мм. Это кольцо будет служить нижней кромкой лампы. Затем у банки отрезают стенки, оставляя у ее дна бортик высотой 6—7 мм. Дно банки будет слу
жить крышкой лампы. Посередине крышки прикрепляют, проволочную петлю (рис. 243, а). Из частой медной или латунной сетки делают цилиндр высотой 70—80 мм. К цилиндру припаивают крышку и кольцо, как указано на рисунке.
Посередине дна лампы (крышка от банки) с внутренней стороны припаивают жестяной цилиндрик для огарка свечи. Дно лампы, надетое на кольцо, должно хорошо держаться.
Медная сетка (рис. 243, б) укрепляется без пайки на проволочной рамке с ручкой.
Демонстрация принципа действия лампы Дэви.
Пламя спиртовки накрывают сверху медной сеткой. Пламя не проходит сквозь сетку. Если в кабинет проведен газ, то этот опыт можно показать иначе. Струю газа перекрывают сеткой, расположенной над горелкой, и зажигают выше сетки. Пламя под сетку не распространяется, хотя там имеется струя легко воспламеняющегося газа.
Теперь показывают модель лампы Дэви. Зажигают свечу и закрывают ее сеткой. Свеча в лампе горит нормально. Затем в стеклянную банку, свободно вмещающую лампу, наливают около 1 мл сер-
274
ного эфира, закрывают банку картоном и поворачивают ее, чтобы быстрее испарился эфир. После этого на проволочке опускают в бан* ку лампу с зажженной свечой. Замечают, что свеча горит хуже, а затем в лампе происходит вспышка и свеча гаснет. Пары эфира в банке не воспламенились. Сетка предохранила от распространения пламени.
Рис. 245.
Лампу вынимают и в банку бросают зажженную спичку — из банки вылетает большое пламя (воспламенились пары эфира). Чтобы от нагрева не лопнула банка, ее тотчас закрывают картоном и тем прекращают горение.
5) Теплоприемник. Теплоприемник представляет собой герметически закрытую жестяную коробочку высотой 15—20 мм, ем*
275
костью 150 см3. В боковую стенку коробочки впаивают кусок узкой трубки длиной 10—15 мм (рис, 244), на которую надевают резиновую трубку с каналом 2—3 мм, в диаметре для соединения теп-лоприемника с термоскопом (67). К стенке коробочки припаивают жестяное кольцо, в котором укрепляют деревянную ручку. Одна сторона теплоприемника черная, матовая, другая сторона —блестящая (цвет белой жести) или покрыта алюминиевой краской.
Особенно пригодной для изготовления теплоприемника является жестяная круглая коробочка из-под леденцовых конфет, герметичность которой обеспечивается сравнительно легко: после припайки трубочки и прикрепления ручки кромки коробочки обильно покрывают лаком и тотчас закрывают крышкой.
Опыты с теплоприемником описаны на странице 225.
6) Реактивная турбинка. Устройство прибора и проведение демонстрации с ним понятны по рисунку 245.
7) Прибор для получения перегретого пара. Прибор состоит из колбы, туго закрытой пробкой. Сквозь пробку пропущена тонкостенная металлическая трубка с каналом 2 мм в диаметре. Внешний конец трубки свернут в змеевик (рис. 246).
Демонстрация
Воду в колбе нагревают до кипения.
Наблюдают, что из открытого конца трубки выходит струя пара, видимая по клубам «пара» —облачка, состоящего из мельчайших капелек воды (рис. 246, а). Если в струю пара внести промокательную бумагу, то на бумаге появится мокрое пятно.
Теперь витки трубки греют в пламени второй спиртовки. По мере прогревания трубки облачко «пара» исчезает. Однако пар продолжает вырываться из трубки — он тушит пламя зажженной спички. Через некоторое время вылетающий из трубки пар будет настолько «сухим», что не оставляет мокрого пятна на промокатель
276 '
ной бумаге. Показывают, что перегретый пар зажигает спичку, поднесенную к струе пара (рис. 246, б).
8) Прибор для демонстрации превращения лучистой энергии в механическую. Прибор состоит из небольшой пробирки, нижняя часть которой снаружи закопчена. В пробирку должна плотно вставляться пробка с трубками от прибора 6.
4—щ
Рис. 247.
Опыт. В пробирку (рис. 247) наливают немного серного эфира. Солнечные лучи, пропущенные через большую линзу, фокусируют на эфире в пробирке. Когда эфир нагреется и закипит, то пробирка придет в быстрое вращение.
ПРИБОРЫ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ И МАГНЕТИЗМУ
83. ШТАТИВЫ ИЗОЛИРУЮЩИЕ С ПРИНАДЛЕЖНОСТЯМИ И СТЕРЖНИ ИЗОЛИРУЮЩИЕ (комплект)
Комплект состоит из двух изолирующих штативов, двух проволочных надставок для электрических маятников, двух штырьков или трубок для насадки кондукторов, острия и двух изолирующих стержней, укрепляемых в лапках обычных штативов.
Штатив состоит из подставки и изолирующей муфты.
Муфту вытачивают из оргстекла по рисунку 248, а. Боковые от-
Рис. 248.
верстия нарезают по стопорным винтам. Муфты насаживают на стержни каких-либо небольших штативов, обычно имеющихся в кабинете, или делают штатив по рисунку 248,' б: железный прут, укрепленный в деревянной подставке, утяжеленной железной пластинкой или свинцовой заливкой.
Из стально,й проволоки диаметром 2,5—3 мм к штативам делают две надставки (рис. 248, в) и два металлических стержня высотой ' по 100 мм. Диаметр верхней части стержня согласовывают с труб
278
ками кондукторов и других приборов, которые насаживаются на стержни.
Если у этих приборов не трубка, а стержень, то вместо стержней к изолирующим муфтам штативов делают трубки.
К комплекту прилагают острие, сделанное из проволоки, толщиной 2,5—3 мм (рис. 248, г).
Стержни изолирующие лучше всего сделать из оргстекла или эбонита. За неимением указанного материала стержни можно сделать деревянными, проваренными в парафине. Диаметр стержней— 10—12 мм, длина —200 мм.
На расстоянии 16 мм и ЮОлшот одного конца на каждом стержне делают кольцевые желобки.
84. ЭЛЕКТРОСКОПЫ (2 шт.) И ПРОВОДНИК С ИЗОЛИРУЮЩЕЙ РУЧКОЙ
Электроскоп можно сделать из широкой бутылки белого стекла емкостью 1 л. У бутылки отрезают дно и в горлышко вставляют резиновую пробку. В отверстие, сделанное в пробке, вставляют цилиндрик из оргстекла с продольным отверстием для металлического стержня. Последний делают из медной или латунной проволоки диаметром 2,5—3 мм. Над пробкой стержень должен возвышаться на 60 —70 мм и заканчиваться стальным шариком, припаянным к стержню. Нижний конец стержня не доводят до основания сосуда на 30—40 мм. Из цветной папиросной бумаги или станиоля делают два листочка, которые подвешивают к петелькам проволоки, укреп-
ленной в поперечном отверстии стержня, как указано на рисунке 249, а. Нижние концы висящих листочков должны быть на одном уровне с нижним концом стержня. При горизонтальном положении листочки не должны доходить до стенок бутылки на 4—5 мм.
Электроскоп надо ставить на жестяную подкладку, вырезанную по размерам дна бутылки.
279
Изолирующую ручку к проводнику делают из любого хорошего изолятора. С одного конца в ручке сверлят поперечное отверстие, в котором закрепляют (на лак) середину прямого проволочного стержня. На концах у стержня загибают по крючку (рис. 249, б).
Указание. Опыты по электростатике часто не удаются потому, что заряды, получаемые даже при трении, «текут» по ненадежным изоляторам. Чтобы избежать утечки зарядов, изоляторы у электроскопа и у других приборов перед опытом следует протереть от пыли (стекло полезно промыть спиртом) и затем тщательно просушить. Эбонит должен быть черным и блестящим. Хранить эбонит надо в темноте. Порыжевший от света верхний слой эбонита надо счистить и поверхность отполировать. Оргстекло является одним из лучших изоляторов и не требует специального ухода. Класс перед опытами следует проветрить.
Использование приборов
Электроскоп используется во многих опытам Укажем на некоторые из них.
1) Зарядив электроскоп, прикасаются к шарику прибора ку-материалов. Выявляют, какие из этих материалов проводники и какие изоляторы.
2) С помощью заряженной палочки из оргстекла или эбонита (знаки зарядов которых известны) узнают знак заряда электроскопа. Если с приближением заряженной палочки листочки электроскопа расходятся еще больше, то электроскоп имеет одноименный с палочкой заряд, а если опускаются, то разноименный.
3) Чтобы зарядить электроскоп разноименным с палочкой зарядом, следует наэлектризованную палочку поднести к шарику прибора (не касаясь его и не допуская проскакивания искры), прикоснуться пальцем к шарику, а затем убрать палец и отнести палочку.
4) Два электроскопа и проводник с изолирующей ручкой требуются для опыта, вскрывающего явление электризации через влияние.
Этот опыт общеизвестен, методика его проведения описана в стабильных учебниках.
85. СКАМЬЯ ИЗОЛИРУЮЩАЯ
Площадку скамьи делают из доски толщиной 15 — 20 мм в форме квадрата (рис. 250). По углам к площадке прикрепляют на шурупах небольшие ножки из оргстекла. Головки шурупов не-280
сочками из различных
Рис. 250.
F= - 230
обходимо «утопить» в оргстекле на 20 мм. Вместо оргстекла можно использовать большие фарфоровые изоляторы.
Прибор используется ’в опытах с электрофорной машиной»
86. СЕТКА ПО КОЛЬБЕ
Латунную мелкую сетку припаивают к трем стальным или латунным стержням (рис. 251, а). Стержни укрепляют в тяжелых, устойчивых подставках (железных, цементных- или деревянных, утяжеленных свинцом или железными пластинками). Стержни должны быть хорошо изолированы от подставок. Поэтому на стержни
Рис. 25L
сначала туго надевают изолирующие втулки из оргстекла, эбонита или иного хорошего изолятора, а втулки укрепляют в подставках. Можно стержни вставить в широкие отверстия подставок и залить сургучом или серой.
Вдоль всей сетки припаивают с обеих сторон петельки из тонкой проволочки, к которым подвешивают листочки из цветной па-1 пиросной бумаги (способ подвески виден на рисунке). Стержни и подставки можно покрыть черным лаком.
Демонстрация распределения заряда на проводнике с помощью сетки Кольбе. Устанавливают сетку, как указано на рисунке 251, а, и заряжают ©т палочки из оргстекла или от электрофорной машины. Все листочки сетки одинаково расходятся по обе стороны. Это показывает, что электрический заряд равномерно распределяется по обеим сторонам плоского проводника.
Заряженную сетку изгибают в незамкнутый цилиндр (за основания подставок можно браться без опасения разрядить приборХ Картина отклонения листочков резко меняется: на выпуклой поверхности листочки расходятся больше, чем отклонялись на плоской сетке, а на внутренней — листочки опадают вовсе (рис. 251, б).
Опыт показывает, что заряд с вогйутой поверхности переходит на выпуклую и находится исключительно на последней.
281
Сетку изгибают в виде буквы S. Листочки на выпуклых частях сетки расходятся, а на вогнутых опадают. Опыт подтверждает предыдущий вывод, который относится как к положительному, так и к отрицательному заряду, в чем легко убедиться, если повторить опыт с зарядом другого знака.
87. ЦИЛИНДР ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СЕТКИ
Прибор служит для демонстрации электрического экранирования, широко применяемого в электротехнике.
Прибор демонстрируют с электроскопом (или электрометром). Размеры цилиндра определяют по этим приборам: цилиндр должен накрывать один из указанных приборов, причем расстояние между сеткой и прибором должно быть не менее 20 мм со всех сторон.
Из металлической сетки соответствующих размеров свертывают цилиндр и шов соединяют пайкой. Верхнюю и нижнюю кромки цилиндра окаймляют металлическим кольцом шириной 5—гб мм (рис. 252). Делают из сетки верхнее основание, к которому посередине припаивают проволочное кольцо. Снаружи цилиндр можно окружить листочками из папиросной бумаги, присоединение которых такое же, как и у прибора (86). Снизу цилиндр открыт.
Демонстрация
Электроскоп ставят на лист жести, положенный на изоляторы, и накрывают цилиндром из латунной сетки. Поднесение заряженной палочки к сетке и даже заряжение сетки от палочки не оказывает никакого влияния на электроскоп, хотя листочки на цилиндре снаружи разошлись, указывая на наличие заряда.
Результат опыта не изменится, если шарик электроскопа соединить проволокой с сеткой или, просунув конец проволоки сквозь сетку, соединить его с заряженной палочкой (рис. 252).
Опыт можно видоизменить.
Электроскоп закрывают цилиндром из металлической сетки так, как указано выше. Один из кондукторов электрофорной машины приближают к сетке на расстояние 5 см, а другой соединяют с сеткой. Около сетки на стол ставят второй электроскоп.
Приводят машину в действие. Между первым кондуктором и сеткой проскакивают мощные искры. Внешний электроскоп сильно реагирует на работу машины, заряжаясь в паузы и разряжаясь в момент проскакивания искры, тогда как листочки электроскопа внутри сетки остаются неподвижными.
88. НАБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ СПЕКТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
Набор состоит из четырех электродов и кристаллизатора диаметром 100 мм с плоским дном.
Устройство электродов видно на рисунке 253. Два электрода делают с шариками и два с пластинками.
282
Стальной шарик диаметром 8 мм насаживают на проволоку диаметром 2 мм, изогнутую в виде буквы П. Другой конец П-об-разной проволоки закрепляют в подставке, которую можно сделать из металла, цемента или дерева со свинцовой заливкой. Проволоку от подставки можно не изолировать, так как прибор ставится на стеклянное дно ванны для теневой проекции (3).
Рйс. 252.
Рис. 253.
Электроды с пластинками отличаются от описанных лишь тем, что вместо шарика к П-образной проволоке припаивают металлическую пластинку.
Демонстрация спектров электрических полей
В кристаллизатор наливают вазелиновое масло слоем в 12 — 15 мм. В масло бросают мелко настриженные волосы (лучше жесткие). При помощи проекционного фонаря или ванны (3) с осветителем (4) стриженые волосы проецируют на экран.
Посередине кристаллизатора в масло погружают шарик одного электрода, основание которого помещают вне кристаллизатора1.
Соединяют электрод с кондуктором электрофорной машины (рис. 254, а). Другой кондуктор машины заземляют.
1 Если пользуются проекционным фонарем, то конденсор (расположенный горизонтально) покрывают стеклом, на которое ставят кристаллизатор и электроды.
283
При работе машины вокруг шарика возникает электрическое поле. Волоски распределяются по силовым линиям поля наподобие того, как железные опилки располагаются по силовым линиям в магнитном поле. На проекции видно, что силовые элект-
Рис. 254.
рические линии от заряженного шарика расходятся радиально (рис. 254, б).
В масло опускают два шарика. Первый шарик соединяют с одним кондуктором электрофорной машины, а второй — с другим. Расстояние между шариками устанавливают 5 — 7 см. Шарики заряжаются разноименными электричествами. Расположение волосков в масле показывает спектр электрического поля при взаимодействии двух разноименных зарядов (рис. 254, в).
Теперь оба шарика присоединяют к одному полюсу электрофор-ной машины. Шарики сближают до трех сантиметров друг от дру
284
га. Получают спектр взаимодействия двух одноименных зарядов (рис 254, г).
В ванночку опускают две пластинки и устанавливают их параллельно друг другу. Пластинки присоединяют к разноименным кондукторам электрофорной машины.
Между пластинками возникает однородное электрическое поле. Волоски устанавливаются по электрическим силовым линиям, располагаясь в параллельные друг другу цепочки, перпендикулярные пластинкам (рис. 254, д),
89. КОНДЕНСАТОР ПЛОСКИЙ К ЭЛЕКТРОМЕТРУ, С НАБОРОМ ПЛАСТИН ИЗ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Из листовой латуни с плоской гладкой поверхностью вырезают два диска толщиной 1,5—2 мм, диаметром по 100 мм. Кромки дисков тщательно опиливают и закругляют. К одному диску припаивают металлическую трубку для насадки на стержень электрометра (рис. 255), к другому — короткую трубку, в которую туго вставляют и укрепляют шпилькой ручку из хорошего изолятора.
Поверхности дисков должны плотно соприкасаться друг с другом. Соприкасающиеся поверхности и кромки дисков тщательно покрывают тонким, но сплошным слоем шеллачного или сапоно-вого лака.
К конденсатору надо подобрать комплект пластин из диэлектриков. Желательно иметь тонкую пластину из слюды, пластины из эбонита и стекла (одинаковой толщины) и две пластины из оргстекла: одну тонкую, другую толстую. Но можно ограничиться тремя пластинами: две из них, различные по толщине, должны быть изготовлены из одного и того же диэлектрика. Третья, одинаковая по толщине с тонкой пластиной, — из другого диэлектрика.
Диаметр пластин должен быть на 20 мм больше диаметра дисков конденсатора. Удобны также квадратные пластины размерами 120 мм X 120 мм.
Демонстрации
1) Плоский конденсатор. На стержень электрометра насаживают один диск конденсатора. Заряжают электрометр, отклонение стрелки которого замечают. Показывают зависимость емкости конденсатора от расстояния между пластинами. К первому диску подносят второй диск конденсатора, соединенный тонкой проволокой с корпусом электрометра. Чем ближе подносят верхний диск к нижнему, тем меньше становится отклонение стрелки.
Эта зависимость справедлива и для другого диэлектрика (рис. 255, б, в).
Установив между дисками расстояние, равное толщине наиболее толстой прокладки из оргстекла, замечают отклонение стрел-
285
ки. Затем убирают верхний диск и, убедившись, что стрелка электрометра вернулась в исходное положение, покрывают нижний диск толстой прокладкой из оргстекла. Стрелка электрометра несколько спадет (рис. 255, а). Это явление объясняется поляризацией диэлектрика и связыванием части заряда нижнего диска.
На диэлектрик помещают верхний диск. Угол отклонения стрелки прибора становится много меньше, чем без прокладки (рис. 255, б). Очевидно, емкость конденсатора с прокладкой из оргстекла зна
Рис. 255.
чительно больше емкости того же конденсатора с воздушной прокладкой. Этим показывают зависимость емкости от диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора.
2) Обнаружение электрометром с конденсатором небольших разностей потенциалов. Сообщают учащимся, что внутренние поверхности пластин конденсатора покрыты тонким слоем хорошего диэлектрика.
На стержень электрометра насаживают пластину конденсатора. Один полюс батареи аккумуляторов присоединяют к пластине, а другой полюс — к корпусу электрометра. Стрелка электрометра не отклоняется, прибор недостаточно чувствителен для подобных измерений.
Корпус электрометра заземляют, собирают конденсатор, положив вторую его пластину на первую. Один полюс батареи аккумуляторов соединяют с верхним диском конденсатора, другой на короткое время соединяют с нижним диском конденсатора, воспользовавшись проводником с изолирующей ручкой.
Благодаря большой электроемкости конденсатора на его обкладках накапливаются значительные заряды.
28G
Проводник убирают. Снимают верхний диск и наблюдают отклонение стрелки прибора.
Если электрометр достаточно чувствителен, мал по емкости и конденсатор сделан хорошо, то таким способом можно обнаружить разность потенциалов до одного вольта.
90 КЛЮЧИ И ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ
Ключ на панели. Ключ предназначен для тока низкого напряжения. Его можно сделать следующим образом (рис. 256ъ а). На дощечке монтируют две клеммы. Из латуни толщиной 0,8 — 1 мм делают согласно рисунку две пластинки — а и б.
У пластинки а спиливают фаску против выступа и сверлят отверстия под стержень клеммы и под гвоздик. Выступающий конец загибают на 180° по пунктиру и кромку против фаски несколько отгибают наружу. У пластинки б один конец загибают под прямым углом, а на другом конце сверлят отверстие под стержень клеммы.
. К отогнутому концу пластинки б прикрепляют ручку из какого-либо прочного изолятора, в крайнем случае деревянную, проваренную в парафине.
Пластинки и клеммы монтируют на дощечке по рисунку. Пластинка-рычажок б должна плотно входить в загиб пластинки-контакта а.
Переключатель с тремя клеммами. На рисунке 256, б указано устройство простейшего самодельного переключателя. На дощечке устанавливают три клеммы. Под крайние клеммы подводят и закрепляют на дощечке контакты а. На стержень средней клеммы насаживают поворотный рычажок б. Контакты а и рычажок б такие же, как у самодельного ключа, описанного выше. Рычажок должен плотно входить в загиб того и другого контакта.
Переключатель направления тока. Общий вид прибора изображен на рисунке 257, а.
Основанием прибора служит дощечка, на которой устанавливают 6 клемм. Из листовой' латуни толщиной 1,5 мм вырезают четыре пластинки для крайних контактов размерами 77 мм Х14 мм и сгибают по рисунку 257, б. В пластинках просверливают по два отверстия: одно под стержень клеммы, другое под шуруп. Готовые контакты б устанавливают под крайние клеммы.
По рисунку 257, в делают два угольника из латуни толщиной 1,5 — 2 мм. В нижних лапках угольников сверлят также по два отверстия: под стержень клемм и под шуруп.
Ручку переключателя делают по рисунку 257, г из оргстекла, текстолита или даже древесины, проваренной в парафине. К ручке прикрепляют две латунные пластинки толщиной 1,5 — 2 мм, имеющие форму буквы Т. Пластинки и вертикальную лапку каждого угольника в соединяют шарнирно заклепкой (рис. 257/ д). Пластинки присоединяют к ручке с двух сторон шурупами так, чтобы
287
между пластинками не получилось замыкания. Горизонтальные лапки угольников в ставят под средние клеммы. Все угольники и контакты дополнительно укрепляют шурупами. Контактирующие концы перекидной ручки затачивают в виде тупых лезвий.
С нижней стороны дощечки переключателя соединяют попарно (по диагонали) крайние четыре клеммы изолированными проводами, которые «топят» в канавках, вырезанных для этой цели.
288
Провода от источника постоянного тока присоединяют к средним клеммам, а провода цепи, в которой требуется менять направление тока, присоединяют к любой паре крайних клемм.
Основания-дощечки приборов (90) покрывают светлым лаком.
Рис. 257.
Ключи и переключатели удобны для монтажа на вертикальном щите. Для этого в панелях делают наклонные отверстия (стр. 417 и 467).
При собирании электрической цепи без щита эти приборы можно устанавливать наклонно, для чего делают простые подставки по рисунку 256, в.
91. АРМАТУРА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БЫТОВАЯ НА ПАНЕЛЯХ
Плавкий предохранитель, патрон ламповый, выключатель и штепсельную розетку монтируют на отдельной для каждого предмета дощечке. Толщина дощечек — 18 мм, ширина — 100 мм. Для ламповых патронов, выключателей и штепсельной розетки длину дощечки делают по ПО мм. Для предохранителя длину дощечки определяют по размерам арматуры.
Каждый предмет на своей дощечке располагают так, чтобы клеммы, к которым подведены провода от арматуры, были расположены стандартно, то есть находились друг от друга на расстоя
Ю Заказ 1530 285
нии 50 мм, от краев основания на 25 мм и от арматуры не менее 10 мм (рис. 258, а).
Готовые дощечки до окончательной установки на них арматуры покрывают светлым лаком. Арматуру соединяют с клеммами проводами от осветительного шнура.
Кроме описанной арматуры, полезно иметь патрон на панели для маловольтной лампочки на 3,5 в (рис. 258, б). На расстоянии 50 мм друг от друга и в 25 мм от краев располагают две клеммы.
Рис. 258.
К одной клемме крепят латунную или жестяную пластинку толщиной 0,5 мм, размерами 35 мм X 8 мм. К стержню другой клеммы припаивают спираль в два витка из медной проволоки диаметром 1,5 — 2 мм, навитой по винту цоколя лампочки. Свободный конец спирали отводят в сторону, отгибают вниз и укрепляют в дощечке. Спираль должна отстоять от контактной пластинки на 3 мм.
Полезно также сделать патрон переходный, позволяющий вставлять маловольтные лампочки (на 6, 8 и 12 в) в обычный бытовой патрон. Патрон делают из цоколя бытовой электрической лампы или из цоколя предохранительной пробки и патрона для маловольтной лампы. Внутренний контакт патрона для маловольтной лампы припаивают к среднему контакту цоколя через проволочную спиральку, а внешний контакт — к винтовой части цоколя (рис. 258, в). Свободное пространство между патронами можно заполнить гипсом или цементной замазкой. Наконец, нужны клеммы, смонтированные на панелях. Следует иметь две одиночные клеммы (рис. 405, а) и две клеммы двойные (рис. 405, б).
Применение приборов
Приборы как вспомогательные применяются в различных опытах. Рисунок 259 показывает установку для демонстрации приме
290
нения плавкого предохранителя. Заменив пробку проволочкой, демонстрируют короткое замыкание с пережогом проволочки. Ликвидировав замыкание, восстанавливают нарушенную цепь постановкой в предохранитель пробки.
Примерное использование одиночных кле^м указано на странице 356, а клемм двойных—на страницах 315—317.
92. МАГАЗИНЫ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Магазин сопротивления со спиралями. Магазин с пятью сопротивлениями в 1, 2, 2, 5 и 10 омов монтируют на вертикальной доске толщиной 9 мм, укрепленной на основании (рис. 260, а). На доске располагают 12 клемм, как указано на рисунке. Клеммы, отстоящие на 15 мм одна от другой, соединяют между собой латунными пластинками толщиной 1 мм, шириной 10 мм. У четырех пластинок длиной по 49 мм концы по 12 мм загибают на 180°. Две другие пластинки делают длиной по 37 мм и загибают у них лишь по одному концу. В пластинках сверлят по два отверстия под стержни соединяемых клемм (рис. 260, 6).
Клеммы, расположенные в 25 мм одна от другой, соединяют между собой спиралями сопротивлений в 1, 2, 2, 5 и 10 омов. Спирали делают из проволоки с большим удельным сопротивлением, навиваемой на стержень диаметром 5—6 мм. (Подбор длины проволоки производят по таблице 6, стр. 473.) Проще всего воспользоваться спиралями от электронагревательных приборов: нарезать куски спирали требуемого сопротивления.
Присоединение спиралей к пластинкам показано на рисунке 260, б. Пластинки со спиралями насаживают на стержни клемм и припаивают к ним. Затем клеммы устанавливают на место.
Между клеммами, соединенными спиралью, вставляют вынимающуюся пластинку толщиной 1—1,5 мм с двумя крючками на концах для стержней клемм (рис. 260, в). Пластинки должны легко насаживаться крючками на сТержни клемм.
Спирали немного натягивают деревянными полушкивками, прикрепленными к доске (рис. 260, а).
Доску покрывают белой масляной краской или светлым лаком. Внутри контура спиралей изображают крупные цифры, обозначающие сопротивление данной спирали в омах.
Магазин сопротивлений на ПО ом. Основанием прибора служит фанерный вертикальный щиток (рис. 261, а), на котором крепятся два деревянных бруска размерами 245 мм X 60 мм X 35 мм. Щиток и бруски покрывают светлым лаком. На лицевой грани каждого бруска монтируют по 10 клемм. Для закрепления стержней клемм гайками с обратной стороны в брусках делают соответствующие углубления. Из листовой латуни толщиной I —1,5 мм делают десять пластин с отверстиями (под стержни клемм) по рисунку 261, б и десять по рисунку 261, в.
10* 291
Рис. 259.
Рис. 260.
На брусках по рисунку 261, а сверлят по четыре отверстия диаметром 10 мм, глубиной 18 мм под штырьки катушек. Из твердой древесины или из липы вытачивают 8 катушек по рисунку 261, г и покрывают светлым лаком. На катушки наматывают изолирован-
ный константановый или манганиновый провод. Обмотки у катушек делают со следующими сопротивлениями: 1, 2, 2, 5, 10, 20, 20 и 50 омов.
Подбор диаметра и длины проводов производят по таблице 6. Штырьки катушек на клей вставляют в отверстия брусков (расположение катушек показано на рисунке). Концы обмоток катушек подводят к соответствующим клеммам.
Под катушками рисуют цифры высотой 16 —18 мм, обозначающие сопротивление данной катушки в омах. Цифры располагают так, чтобы они закрывались полностью крючками-контактами.
293
На стержни клемм надевают пластинки, которыми замыкают пространства между катушками, а затем крючки, замыкающие пространства под катушками.
Две крайние клеммы верхнего и нижнего брусков соединяют между собой латунной шиной.
На панели прибора следует указать максимально допустимый ток, рассчитанный по таблице 6.
Применение приборов имеет место в опытах, где "требуется ввести в цепь определенное сопротивление, а также для нахождения сопротивления способом подстановки (что в условиях школы может потребоваться).
93 ВОЛЬТМЕТР ТЕХНИЧЕСКИЙ НА ПОДСТАВКЕ
Технический вольтметр (до 150 в, если напряжение в сети 127 в, до 250 в, если напряжение в Сети 220 в) монтируют на вертикальном щитке, сделанном по рисунку 262 из дощечки или фанеры толщиной 9 —12 мм. Щиток покрывают светлым лаком.
84. БАНКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОЛИЗА С ПРИНАДЛЕЖНОСТЯМИ (комплект)
Комплект состоит из стеклянной банки (лучше прямоугольной формы) емкостью 0,5 — 1 л, набора пластинок с контактами и крышки. Следует сделать по одной пластинке из меди и белой же-
Рис. 262.
Рис. 263.
сти, по две пластинки из свинца и цинка и две угольные палочки. Устройство крышки и пластинок с припаянными контактами из проволоки диаметром 2 мм показано на рисунке 263. Угольные стержни предварительно покрывают медью (гальваническим путем), а затем туго обматывают медной проволокой толщиной 1,5 —
294
2 мм. К концам контактных проволок припаивают стержни малых клемм или кусок медной проволоки диаметром 0,7 мм, длиной 30 мм.
Применение прибора
1) Демонстрация принципа устройства и действия гальванического элемента. В банку наливают 10-процентный водный раствор серной кислоты. В жидкость опускают цинковую и медную пластинки, установив их на расстоянии 15 —20 мм одна от другой. Клеммы пластинок соединяют с лампочкой на 3,5 в. Волосок лампочки слабо накаливается. Получили элемент Вольта с э. д. с., равной 1,1 в.
Заменяют в элементе медную пластинку угольной. Волосок лампочки накаливается сильнее. Э. д. с. этого элемента больше и равна 1,4 в.
Можно продолжить опыт и показать, что активную роль в собранном элементе играет цинк. Заменяют цинковую пластинку медной. Волосок лампочки не накаливается, но наличие тока можно обнаружить амперметром.
Показывают, что при одинаковых пластинках ток не возникает.
2) Демонстрация принципа устройства и действия свинцового аккумулятора. В банку для электролиза наливают водный раствор серной кислоты (D = 1,06 7ГЛ3), в который опускают две свинцовые пластинки (показав, что они одинакового цвета) и устанавливают их в 15—20 мм друг от друга.
Можно убедиться, включив в цепь лампочку, что прибор не является источником тока. Собранный прибор есть модель незаряженного аккумулятора. Для того чтобы аккумулятор зарядить, соединяют свинцовые пластинки проводами с полюсами аккумуляторной батареи напряжением 4—5 в. Через пару минут батарею отключают, пластинки из банки вынимают и показывают учащимся. Теперь пластинки не имеют одинакового вида: пластинка, соединенная с плюсом батареи, имеет шоколадный оттенок, а соединенная с минусом —светло-серый.
Снова собирают модель аккумуляторов и к пластинкам присоединяют лампочку. Волосок лампочки накаливается и, постепенно угасая, светится около минуты. После угасания лампочки пластинки замыкают накоротко, а затем, вынув из жидкости, показывают учащимся. Пластинки стали почти одинаковыми, приобрели прежний вид.
3) Зависимость сопротивления электролита от его концентрации, расстояния между электродами и поверхности электродов, погруженных в электролит. В банку прибора наливают воду (дистиллированную, дождевую или снеговую). Банку закрывают крышкой, опускают в воду два. электрода из металла и устанавливают их параллельно друг другу.
Из прибора (94), амперметра на 1 —2 а и аккумулятора на 2,5—5 в составляют цепь по схеме, изображённой на рисунке 264. Убе
295
ждаются, что амперметр не показывает тока. Подливая в банку прибора водный насыщенный раствор солит, наблюдают появление тока и его усиление по мере увеличения концентрации рас
твора.
Доводят отклонение стрелки до половины шкалы и прекра
щают дальнейшее введение соли.
Сближают электроды, ток возрастает. Отодвигают электроды друг от друга —ток уменьшается. Сблизив пластинки до отклоне-
Придор для электролиза
ния стрелки на всю шкалу, уменьшают погруженную поверхность одного из электродов (приподниманием пластинки) —ток уменьшается.
Приходят к выводу, что сопротивление электролита прямо пропорционально расстоянию между электродами, обратно пропорционально поверхности электродов, погруженных в электролит, и зависит от концентрации электролита.
Увеличивают постепенно концент
рацию раствора. Замечают, что после некоторого максимального тока дальнейшее увеличение концентрации раствора приводит к
Рис. 265.
уменьшению тока. Очевидно, сопротивление раствора возрастает с приближением его к состоянию насыщения.
Проделывают опыт с раствором сахара в воде. Амперметр не обнаруживает тока ни при каких концентрациях этого раствора. Очевидно, диссоциируют в воде не все вещества.
4) Зависимость сопротивления электролита от температуры. Собирают установку по рисунку 265. Банку заменяют химическим
296
стаканом, в который наливают воду. Если вода без примесей —ток не идет. Вливают понемногу в воду раствор поваренной соли, помешивая стеклянной палочкой. Прекращают вливание раствора, как только обозначится накал волоска лампочки.
Затем зажигают спиртовку и подогревают электролит. По мере нагревания электролита волосок лампочки накаливается ярче — сопротивление электролита уменьшается.
5) Никелирование медной пластинки. Приступая к демонстрации, учитель должен помнить, что успех опыта зависит от тщательной подготовки и соблюдения обязательных условий, указанных ниже.
Покрываемая никелем медная или латунная пластинка до урока должна быть тщательно очищена от малейших следов грязи.
Для этого медную или латунную пластинку (если она загрязнена) погружают на несколько секунд в состав, состоящий из 100 частей азотной кислоты, 1 части сажи и 1 части поваренной соли. После этого пластинку промывают в горячей воде и опускают еще раз на несколько секунд в другой состав, состоящий из 100 частей серной кислоты, 75 частей
поваренной соли, а затем снова промывают в горячей воде.
Если пластинка чиста, то ее полируют суконкой и обезжиривают сначала бензином, а затем венской известью с водой при помощи зубной щетки, после чего тщательно промывают водой.
Так как после обработки пластинки за нее браться руками нельзя, то к пластинке предварительно прикрепляют конец медной проволоки.
В качестве анода берут две никелевые пластинки, к которым тоже прикрепляют по медной проволоке. Поверхность никелевых пластинок должна быть больше поверхности никелируемой пластинки.
Электролит приготовляют из 120 г сернокислого никеля, 15 г борной кислоты и 11 г поваренной соли, растворенных в 0,5 л воды. Раствор тщательно фильтруют. Составные части раствора должны быть без примесей посторонних веществ. От чистоты электролита и покрываемой пластинки зависит успех никелирования. Для уменьшения сопротивления электролит лучше нагреть до 20 —30°.
Составляют цепь по схеме, изображенной на рисунке 266. Э. д. с. аккумуляторов 3—4 в. Плотность тока берут 0,5 —1 а на 1 см2. Продолжительность никелирования —20—30 минут. - 6) Получение копии с монеты при помощи гальванопластинки. С помощью гидравлического пресса на свинцовой пластинке по
297
лучают оттиск пятикопеечной монеты. Оттиск натирают порошком графита, избыток последнего сдувают. Остальную часть свинцовой пластинки покрывают жидким парафином при помощи кисти (пластинку перед этим несколько подогревают). К свинцовой пластинке прикрепляют кусок медной проволоки, опускают в электролит (водный раствор CuSCh) и соединяют с отрицательным полюсом аккумулятора. В качестве анода берут медную пластинку. При помощи реостата устанавливают ток 0,3 —0,4 а. Через несколько минут, вынув свинцовую пластинку из электролита, показывают, что часть ее, свободная от парафина, покрыта медью. Пластинку снова устанавливают на место.
Указанную часть опыта проводят на данном уроке. Затем сообщают, что для отложения достаточно толстого слоя меди потребуется несколько часов, поэтому результат опыта будет показан на следующем уроке.
Установку после урока переносят в препараторскую и оставляют под током в течение 8—10 час.
На следующем уроке довольно толстый слой меди отделяют от свинцовой пластинки1.
Готовую копию показывают учащимся и сравнивают ее с монетой.
95 ВОЛЬТАМЕТР (2 пи.)
Стеклянную консервную банку на 0,35 —0,5 л плотно закрывают деревянной крышкой, хорошо проваренной в парафине. В крышку плотно вставляют две одинаковые градуированные бюретки с кранами, две узенькие стеклянные трубочки с изогнутыми внизу концами и одну прямую стеклянную трубку (рис. 267). Бюретки следует иметь длиной по 300 —400 мм. В каналы изогнутых трубок вводят провод, который заканчивается электродом. Лучшим электродом будет служить тоненькая платиновая или золотая полоска1 2. За неимением этих металлов можно взять серебряную хорошо позолоченную полоску, а также угольный стерженек. Провод надежно соединяют с электродом и заливают в трубке парафином. Трубку с электродом устанавливают так, чтобы весь электрод и верхняя часть трубки входили снизу в бюретку.
На прямую трубку надевают резиновый шланг с воронкой на конце (рис. 267).
Крышку прибора надо залить парафином так, чтобы воздух, оставшийся вверху банки при заполнении прибора электролитом, не выходил наружу. Бюретки вверху скрепляют между собой хомутиком из проволоки.
1 Благодаря графиту медный слой отделяется от свинца довольно легко. В крайнем случае свинец можно расплавить в пламени примуса.
2 Золото легко куется в холодном виде, поэтому полоску можно сделать» из булавки или другого кусочка металла. Достаточно иметь 100 мг золота.
298
Чтобы дольше сохранить резиновую трубку вольтаметра, электролит наливают в прибор перед началом опыта, а после его окончания прибор промывают водой.
Демонстрации
1) Электролиз. Воронку с шлангом от вольтаметра укрепляют в лапке штатива несколько выше кранов прибора. Краны открывают и через воронку заполняют вольтаметр водным 10-процент-ным раствором серной кислоты. Как только жидкость войдет в каналы кранов, вливание раствора прекращают и краны закрывают
К выводам электродов присоединяют провода от клемм выпрямителя, батареи аккумуляторов или иного источника постоянного тока напряжением 50 —75 в1. Наблюдают, как около электродов обильно выделяются пузырьки газов, которые поднимаются вверх и вытесняют жидкость из бюреток в воронку (рис. 267). При этом в одной бюретке, электрод которой соединен с минусом источника тока, газа выделяется в два раза по объему больше, чем в другой.
Когда газы заполнят достаточно большой объем бюреток (высоты газовых столбов достигнут 7 —14 см), ток выключают. Выделение пузырьков сейчас же прекращается.
Убеждаются, что при прохождении тока через водный раствор H2SO4 на катоде выделился водород, а. на аноде—кислород. Подносят горящую спичку к отверстию крана бюретки с катодом и приоткрывают кран. Выходящий газ загорается —это водород. Когда весь газ выйдет, кран закрывают.
К другому крану подносят тлеющую лучинку. В струе выходящего кислорода лучинка горит ярким пламенем.
2) Демонстрация законов Фарадея для электролиза. Два вольтаметра заполняют 10-процентным раствором серной кислоты и включают параллельно в цепь по схеме, данной на рисунке 268. Амперметры берут на 1,5—3 а. Сопротивление реостата 50—70 ом. "
Включают ток и подбирают такое сопротивление реостата, чтобы ток, проходящий через первый вольтаметр, был в два раза больше тока, проходящего через второй.
После указанной регулировки выключают ток, а накопившиеся газы выпускают через краны. Снова замыкают цепь. На электродах появляются газы, которые скапливаются под кранами.
Когда газы накопятся в достаточном для демонстрационного измерения количестве, ток выключают.
Измерение показывает, что в первом вольтаметре газов выделилось в два раза больше, чем во втором. Так как в~ первом вольтаметре ток был в два раза больший, чем во втором, а время прохождения токов было одинаково, то и количество зарядов через первый вольтаметр прошло вдва раза больше, чем через второй.
1 При меньшем напряжении выделение газов будет происходить очень медленно.
299
Отсюда выводят первый закон Фарадея.
Этот же опыт позволяет иллюстрировать и второй закон. Кислорода по объему выделилось в два раза меньше, чем водорода. Так как давления1, под которыми находятся оба газа, и их температуру можно считать одинаковыми, то, согласно закону Авогад-ро, число молекул водорода, выделившихся при электролизе, в
два раза больше числа молекул кислорода. Это произошло потому, что водород одновалентен, тогда как кислород двухвалентен. Так как атомный вес кислорода приблизительно в 16 раз больше атомного веса водорода, то масса выделившегося при электролизе кислорода в 8 раз больше массы водорода, что и должно быть согласно второму закону Фарадея.
3) Определение заряда одновалентного иона.
Для приблизительного определения заряда одновалентного иона можно воспользоваться первым опытом. Однако бюретки вольтаметра должны быть проградуированы, чтобы можно было с достаточной точностью определить объем выделившегося при электролизе водорода. Кроме того, в цепь включают амперметр, чтобы знать величину тока с точностью до десятых долей ампера. Необходимо определить и время в секундах, в течение которого происходило выделение водорода.
1 Разностью давлений, под которыми находятся газы, можно пренебречь.
300
Для определения объема газа уровни электролита в бюретке с водородом и в воронке устанавливают на одной горизонтали (воронку снижают). Очевидно, теперь водород находится при внешнем давлении Р, которое определяют по барометру (в мм ртутного столба). Измеряют тщательно объем газа V в кубических сантиметрах (по делениям на бюретке) и определяют температуру газа /° по комнатному термометру1.
Из уравнения газового состояния находят объем выделившегося водорода при нормальных условиях, то есть при Ро =760 мм рт. ст. и Т° — 273° по абсолютной шкале;. Принимая во внимание, что при этих условиях в одном кубическом сантиметре находится 2,633.1019 молекул любого газа, определяют число ионов выделившегося водорода.
Зная величину тока и время его прохождения, нетрудно найти величину электрических зарядов, перенесенных ионами водорода при электролизе в электростатических единицах. Отсюда легко определить заряд одного иона водорода.
Полученный результат даст лишь представление о порядке величины заряда е одновалентного иона, который по последним определениям считают равным 4,803 • 10 ~10 CGSE.
Цель настоящего опыта, предназначенного для внеклассных кружковых занятий, показать возможность приблизительного определения заряда одновалентного иона помощью примитивного опыта.
96. ПРИБОР ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ
Устройство прибора показано на рисунке 269. U-образную трубку монтируют на фанерном щитке. Щиток покрывают белой, краской.
К U-образной трубке подбирают две пробки, сквозь которые пропускают электроды (стр. 298). В пробках делают каналы для выхода газов.
Демонстрация
Наблюдение за движением ионов при электролизе. Приготовляют два водных раствора: первый —5-процентный раствор серной кислоты и второй—раствор 6 г медного купороса и 7,5 г двухромовокислого калия (хромпика) в 100 мл воды. Во второй раствор прибавляют немного мочевины для большей вязкости.
Собирают установку по рисунку 269.
В воронку наливают второй раствор так, чтобы он заполнил без пузырьков воздуха всю резиновую трубку и канал крана, после чего кран перекрывают. Затем в U-образную трубку наливают первый раствор на треть высоты трубок и закрывают ее пробка
1Электролит при электролизе нагревается, но температуру газа в бюретке ко времени измерения объема можно принять равной комнатной.
301
ми с электродами. Осторожно приоткрывают кран —второй раствор медленно переливается из воронки в U-образную трубку, поднимая собой первый раствор в обоих коленах. Когда электроды окажутся погруженными в первый электролит, кран закрывают. Открывать кран надо осторожно, чтобы между жидкостями остались четкие границы (рис. 269).
Все описанное делают до урока.
Электроды трубки соединяют с постоянным источником тока напряжения 50 —70 в.
При включении тока к катоду будут подниматься синие ионы меди, а к аноду — ионы хрома оранжевого цвета. Передвижение
Рис. 269.
Рис. 270.
ионов происходит очень медленно, приблизительно на 1 см за 30 мин, поэтому опыт надо ставить в начале урока, чтобы в конце урока можно было видеть результаты.
Если опыты, описанные на страницах 297 — 300, показывают, что при электролизе на электродах выделяются вещества, то этот опыт позволяет обнаружить встречное движение ионов внутри электролита и показать, что это передвижение происходит очень медленно.
97. ЭЛЕКТРОМАГНИТ ДУГООБРАЗНЫЙ С СЕРДЕЧНИКАМИ (комплект)
Сердечник сгибают из железного стержня диаметром 10—12 мм, длиной 300—320 мм (рис, 270). Посередине сердечника просверливают отверстие диаметром 6 мм, в котором укрепляют железный стержень.
302
К сердечнику делают две съемные катушки. Трубки катушек делают из накатанной и хорошо проклеенной бумаги со стенками толщиной 2—2,5 мм.
На каждый конец трубок туго насаживают по кольцевой шайбе, сделанной из фанеры, и скрепляют клеем.
На шайбах укрепляют по клемме. Стержень клеммы ввертывают радиально в тело шайбы и со стороны отверстия укрепляют гайкой, утопив ее в теле шайбы.
Рис. 271.
На каждую катушку наматывают медный изолированный провод диаметром 0,8—1 мм по 400—500 витков. Концы обмотки прикрепляют к клеммам.
При сборке электромагнита катушки соединяют между собой изолированным проводом так, чтобы на концах сердечника образовались два разноименных полюса. Для предупреждения спадания катушек с сердечника на концах последнего просверливают отверстия диаметром 2 мм, в которые вставляют проволочные шпильки.
К электромагниту делают якорь: прямоугольную железную пластинку, соединяющую концы сердечника. Посередине якоря сверлят отверстие диаметром 4 —5 мм, в котором укрепляют крючок. Торцы сердечников притирают к якорю.
Кроме дугообразного сердечника, к катушкам следует приготовить два прямых железных сердечника и один стальной, длина которых на 40 мм больше высоты катушки. В 20 мм от конца в каждом сердечнике сверлят отверстие для проволочной шпильки.
Для демонстрации токов Фуко с помощью маятника к электромагниту нужны два наконечника. Их делают из мягкого отожженного железа по рисунку 271, а. Наконечники прикрепляют к торцам сердечника электромагнита винтами, для чего в торцах сер
303
дечника нарезают отверстия под винты. Между установленными наконечниками должно оставаться расстояние в 6—7 мм.
Через обмотку двух последовательно соединенных катушек можно пропускать ток напряжением до 10 в.
Маятник, для демонстрации токов Фуко. Из листового алюминия толщиной 3—4 мм вырезают два маятника по рисунку 271, б. В верхней части каждого маятника сверлят по отверстию диаметром 8—9 мм, в которое туго вставляют и закрепляют втулку длиной 9 мм для насадки на толстую ось из комплекта (25).
Демонстрации.
1) Магнитные свойства катушки с током, а) Демонстрируют влияние магнитного поля катушки с током на магнитную стрелку (рис. 272). Определяют полюсы катушки. Наблюдают, что
Рис. 272.
при изменении направления тока меняются полюсы у катушки, а при изменении величины тока меняется напряженность магнитного поля (определяют по частоте колебаний стрелки).
б) На стержень штатива подвешивают цилиндрический динамометр (16), к которому снизу присоединяют железный стержень от катушки электромагнита. Вес стержня, показываемый динамометром, исключают передвижением шторки. Под стержень подставляют катушку без тока.
304
При включений тока железный стержень втягивается в полость катушки и растягивает пружину динамометра (рис. 272, 6).По шкале динамометра можно определить силу, с которой магнитное поле катушки втягивает железный стержень.
Реостатом меняют ток —меняется и сила втягивания стержня в полость катушки. Выключают ток —сила втягивания стержня в катушку равна нулю.
Поднимают точку подвеса динамометра так, чтобы под действием магнитного поля катушки стержень опускался лишь незначительно.
Рис. 273.
Вставляют в катушку железный сердечник. Теперь при включении тока подвешенный стержень притягивается вплотную к сердечнику катушки. Действие магнитного поля катушки при наличии железного сердечника возросло во много раз. При выключении тока стержень отрывается от сердечника и поднимается вверх.
Примечание. В опытах катушку и сердечник надо держать, не давая им подниматься вверх.
2) Демонстрация действия электромагнита. Закрепив шпилькой прямой сердечник в катушке, демонстрируют действие электромагнита с одной катушкой. Затем показывают действие дугообразного магнита. Установка приборов изображена на рисунке 273.
Предлагаемый электромагнит может удержать вес человека, однако для демонстрации достаточна нагрузка в 10 кГ. При соединении катушек электромагнита надо иметь в виду, что полюса на концах сердечника должны быть разноименными.
305
3) Демонстрация принципа действия электромагнитного крана и отделения электромагнитом железных предметов. Подносят электромагнит к железному предмету, лежащему на столе. Включают ток. Электромагнит притягивает к себе железный предмет. Переносят электромагнит к коробке и выключают ток —железный предмет падает в коробку.
Рассыпав по столу мелкие железные предметы, показывают, как удобно и быстро их можно собрать при помощи электромагнита.
Смешивают железные опилки с латунными (или иными немагнитными, но легко отличимыми по цвету от железных) и ссыпают
Рис. 274.
их в коробку. Требуется отделить латунные опилки от железных. Подносят электромагнит к опилкам и включают ток. Железные опилки притягиваются к сердечнику электромагнита. Электромагнит встряхивают, чтобы отпали латунные частички, увлеченные железными, и, перенеся электромагнит к порожней коробке, выключают ток: Железные опилки отпадают. Показывают латунные опилки в первой коробке и железные в другой.
4) Влияние железного сердечника на величину индукционного тока\ трансформация прерывистого тока. Установка приборов показана на рисунке 274. Сначала проводят опыт без сердечника и реостата.
Показав учащимся, что обмотки катушек не соединены между собой, замыкают и размыкают ток. 'Стрелка гальванометра в момент замыкания отклоняется в одну сторону, а в момент размыкания в другую. В полости катушек вставляют концы дугообразного железного сердечника и повторяют опыт. Теперь стрелка гальванометра отклоняется в несколько раз больше. Чем глубже опускают сердечник, тем больше отклоняется стрелка. Опускание сердечника прекращают, когда отклонение стрелки приближается к пределу
Опускают сердечник в полости катушек полностью, а в цепь с аккумулятором вводят реостат (рис. 274). Меняя ползунком ток 306
в цепи, замечают отклонение стрелки гальванометра, которое тем больше, чем быстрее меняется ток.
Дугообразный сердечник, вставленный в катушки снизу, замыкают железным якорем. Одну катушку соединяют с аккумуляторами напряжением 6 —8 в без ключа и реостата, причем один из проводов разрывают. В обмотку второй катушки вместо гальванометра включают лампочку на 3,5 в.
Взяв концы разорванного провода" правой катушки в руки, замыкают и размыкают цепь. Если замыкания и размыкания следуют
Рис. 275.
не часто, то проходящий через лампочку хотя и значительный, но кратковременный ток не успевает накаливать волосок лампочки. Если же замыкание и размыкание производить возможно чаще1 (5—8 раз в секунду), то волосок лампочки заметно накаливается..
5) Демонстрация явления самоиндукции. Установку делают по рисунку 275, а. Маловольтную лампочку h включают последовательно с электромагнитом, сердечник которого замыкают якорем. Другую такую же лампочку /2 включают параллельно электромагниту. На лампочки дают нормальное напряжение. Сосредоточив внимание учащихся на лампочках, замыкают цепь. Лампочка /2 вспыхивает в момент замыкания, тогда как волосок лампочки /1 накаливается постепенно и дает полный накал заметно позднее.
Вывертывают из патрона лампочку h (чтобы избежать экстратока размыкания), ключом размыкают цепь и лампочку снова ввертывают на место. Повторяют опыт с разомкнутым сердечником электромагнита. Отставание в накаливании волоска лампочки становится значительно меньшим.
1 Можно один конец провода соединить с напильником, имеющим крупную насечку, а другим концом проводить вдоль напильника.
307
Если повторить опыт без сердечника, то описанное отставание заметить почти невозможно.
Наблюдаемое явление самоиндукции вызывается э. д. с. индукции, направленной при замыкании против э. д. с. источника.
Затем включают только одну лампочку параллельно электромагниту (рис. 275, б). Напряжение в цепи подбирают такое, чтобы волосок лампочки накаливался слабо. Сосредоточив внимание на лампочке, отключают аккумулятор. В момент размыкания лампочка ярко вспыхивает и тотчас гаснет. Так как лампочка дает вспышку в момент, когда цепь с аккумуляторами уже разъединена, то, очевидно, ток возник в замкнутой цепи электромагнит—лампочка. Этот ток называется экстратоком размыкания. По направлению он совпадает с основным током.
Заменяют электромагнит одной катушкой с
и 111 ii f i t ii пн! ин I if ill I
Рис. 276.
прямым сердечником. При повторении опыта замечают, что эффект вспышки при размыкании значительно слабее, чем в предыдущем опыте.
Вынимают железный сердечник из катушки. Теперь ожидаемый эффект почти незаметен.
Описанный опыт позволяет дать понятие об индуктивности, ее зависимости от числа витков обмотки и наличия железного сердечника.
6) Индуктивное сопротивление. Составляют цепь из катушек электромагнита, соединенных последовательно и поставленных на ящике-подставке (5), амперметра и аккумуляторов на 4—5 в. Включают ток, замечают показание амперметра.
Вставляют в катушки железный сердечник —амперметр показывает тот же ток. Вынув сердечник, заменяют катушки коротким проводом, но такого же сопротивления (например, никелиновым диаметром 0,3 мм). Показание амперметра осталось неизменным. Величина постоянного тока зависит лишь от напряжения генератора и от сопротивления (активного) всей цепи.
Теперь в катушки электромагнита (без железного сердечника) включают переменный ток, пониженный трансформатором до напряжения батареи.
308
Переключив амперметр на переменный ток, снова замечают показание прибора.
Вставляют в катушки электромагнита железный сердечник. Амперметр тотчас покажет уменьшение тока (рис. 276). Вынимают сердечник из катушек — амперметр показывает прежний
ток.
Заменяют катушки коротким проводом, но одинакового с катушками активного сопротивления. Амперметр покажет несколько больший ток.
Очевидно, включение в цепь переменного тока катушки, особенно с железным сердечником, увеличивает сопротивление.
Проделывают опыт с одной катушкой —изменение тока полу-
чается значительно меньшее.
Приходят к выводу, что индуктивное сопротивление тем больше, чем больше витков имеет катушка, и сильно возрастает при наличии железного сердечника.
7) Демонстрация возникновения токов Фуко, Установка приборов показана на рисунке 277. В лапке штатива горизонтально укрепляют толстую ось (25), на которую насаживают маятник для демонстрации токов Фуко с сплошным сектором. Середина сектора маятника в состоянии его равновесия должна находиться в промежутке между железными наконечниками. При качании маятник не должен задевать наконечников. Концы обмотки электромагнита через ключ соединяют с клеммами аккумуляторов напряжением 4—5 бой так, чтобы электромагнит
Рис. 277.
в. Катушки соединены между со-ямел разноименные полюсы на на-
конечниках.
Указанную установку делают до урока.
Объяснив устройство установки и сказав, что маятник сделан из немагнитного проводника (алюминия), показывают свободное качание маятника между наконечниками электромагнита, пока в обмотках нет тока.
Включают ток —маятник резко заторможивается и останавливается. Повторяют опыт. Снова наблюдают остановку маятника при включении тока.
309
Сплошной маятник заменяют другим, у которого сектор имеет поперечные надрезы. Раскачав маятник, включают ток. Наличие магнитного поля почти не сказывается на колебаниях маятника.
98. НАБОР ПРИБОРОВ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ СВОЙСТВ И СПЕКТРОВ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Подставка с иглой на контурном основании к магнитной демонстрационной стрелке и подвеска для линейных магнитов.
Из латунной проволоки диаметром 2 мм делают подставку, на конец которой припаивают иглу (рис. 278, а). Такая подставка требуется при теневой проекции.
S
Рис. 278.
Подвеску для полосовых магнитов можно сделать по рисунку 278, б из полоски латуни толщиной 0,5 мм, шириной 15 мм и длиной 86—90 мм. Опору для иглы проще всего взять готовую от магнитной стрелки и припаять к подвеске, предварительно просверлив в ней отверстие для иглы. Центр тяжести магнитов должен лежать ниже точки опоры.
Магнитные стрелки малые на контурных основаниях(12—18шт.). С промышленными подставками малые магнитные стрелки не пригодны для теневой проекции. Поэтому к ним делают контурные основания из медной или латунной (только не железной) проволоки толщиной 0,8—1 мм, изогнутой согласно рисунку 278, в. К концу подставки припаивают иглу.
310
На полюсы магнитной стрелки наклеивают значки, вырезанные из черной бумаги, для отличия полюсов.
Намагниченная спица на поплавке и вилка для магнита. Стальную спицу диаметром 1—1,5 мм и длиной 150 мм хорошо намагничивают. Из четырех цилиндриков от корковых пробок, соединенных между собой латунной проволокой, делают поплавок по рисунку 278, г. В поплавке укрепляют спицу, как указано на рисунке. Поплавок должен плавать с отвесно расположенной спицей. Конец северного, полюса спицы должен погружаться в воду не глубже 12 мм.
Вилку для линейного магнита (рис. 278, д) делают из немагнитной проволоки диаметром 2 мм. С помощью этой вилки магнит снизу подносят к стеклянному дну ванны для теневой проекции (3).
Кольцо железное для демонстрации экранирования магнитного поля. От железной водопроводной трубы внутренним диаметром 25—38 мм отрезают кольцо шириной 12—15 мм. Толщина стенок у кольца должна быть не меньше 2 мм (чем толще, тем лучше). Кольцо отжигают.
Железные опилки в коробочке с сетчатой крышкой.
В крышке коробки из-под гуталина вырезают круглое отверстие. В отверстие крышки впаивают изнутри металлическую мелкую сетку. В коробочку насыпают мелкие железные опилки.
Вместо сетки в крышке коробочки можно насверлить возможно большее число дырочек диаметром 1,5 мм и убрать все заусеницы.
Использование приборов
1) Движение северного полюса намагниченной спицы в магнитном поле. Опыт проводят в полузатемненном классе.
На наклонный экран проецируют стеклянное дно ванны (3). В ванну наливают воду. На воду опускают поплавок с намагниченной спицей. Нижний конец спицы должен находиться возможно ближе ко дну ванны, но не касаться его.
На вилку из немагнитной проволоки помещают линейный магнит, который подносят постепенно ко дну ванны так, чтобы угол магнита у северного полюса находился под спицей (рис. 279). Под действием магнитного поля спица оттолкнется от северного полюса1, опишет дугу и притянется к южному полюсу магнита, что хорошо видно на экране. Повторяют опыт, заставив сйицу описать дугу по другую сторону магнита.
2) Демонстрация спектров магнитных полей. На стеклянное дно банны (3) укладывают магниты. Чтобы на проекции учащиеся могли отличать полюсы магнитов, из картона вырезают небольшие буквы N и S и укладывают их у полюсов магнитов. Над магнитами помещают лист стекла, положенный на деревянные бруски
1 Не следует допускать быстрого движения спицы во избежание отклонения ее от желаемого пути вследствие инерции.
311
(стр. 11). На стекло равномерно насыпают железные опилки из коробочки-сита. При постукивании пальцем по стеклу железные
Рис. 279.
Рис. 280.
опилки располагаются по силовым линиям и образуют магнитный спектр (рис. 280).
Таким же способом демонстрируют намагничивание железа в магнитном поле и магнитное экранирование. Между разноименны-312
ми полюсами сначала помещают брусок из оргстекла —он не влияет на расположение магнитного поля (рис. 280, а, брусок обозначен контуром). Затем оргстекло заменяют железным бруском (рис. 280. б) и, наконец, железным кольцом (рис. 280, в).
Чтобы определить направление магнитных силовых линий, используют малые магнитные стрелки с контурными основаниями и отмеченными полюсами. На стеклянное дно ванны устанавливают в соответствующем положении магниты и малые стрелки.
Всю установку покрывают положенным на бруски стеклом, на которое насыпают железные опилки, постукивая по стеклу пальцем. На проекции учащиеся видят магнитный спектр; по малым магнитным стрелкам судят о направлении силовых линий (рис. 280, г).
3) Действие тока на магнитную стрелку. На стеклянное дно ванны для теневой проекции (3) устанавливают подставку с иглой на контурном основании. На иглу насаживают демонстрационную
313
магнитную стрелку с легонькой бумажной отметкой на северном полюсе. Осветитель (4) устанавливают под ванной так, чтобы теневое изображение стрелки приходилось на экране. На столе составляют цепь из аккумуляторов, переключателя направления тока (90, в), реостата и длинного провода (см. схему рис. 281, а). Сверху приближают к стрелке провод разомкнутой цепи, держа его параллельно установившейся стрелке. Провод не оказывает на стрелку магнитного действия.
Не сдвигая с места провод, включают ток. Стрелка отклоняется (рис. 281, б).
Переключают направление тока. Стрелка отклоняется в другом направлении.
Подносят провод с током к стрелке сначала сверху, а затем снизу, не меняя направления провода и тока. Наблюдают различное отклонение стрелки.
Зная направление тока (по знакам на ящике аккумуляторов) и направление отклонения северного полюса, устанавливают правило Ампера.
Затем из провода делают петлю (рамку), внутри которой помещают стрелку (рис. 281, в). Замечают, что теперь отклонение стрелки больше, чем было в предыдущих случаях. Пользуясь правилом Ампера, устанавливают, что каждый участок провода с током отклоняет северный полюс магнитной стрелки в одном направлении.
Примечание. Опыт проводят с возможно меньшим затемнением.
99 КОЛЬЦЕВЫЕ МОТКИ ПРОВОДА (2 шт.)
Из изолированного медного провода диаметром 0,4 —0,5 мм делают два мотка по 100—120 витков, наматывая провод на цилиндр диаметром 40—50 мм. Полученный моток осторожно снимают с цилиндра и скрепляют витки между собой нитью в нескольких местах. К концам провода длиной по 400 ми припаивают латунные стандартные наконечники (рис. 320).
1) Демонстрация взаимодействия между линейным магнитом и кольцевым мотком провода с током. Установка мотка и магнита изображена на рисунке 282, а. Моток подвешивают к клеммам из комплекта (91) (стр. 433). От клемм ведут провода к переключателю направления тока (90, в) и затем через реостат к аккумуляторам напряжением 4—5 в (см. схему рис. 282, б). Линейный магнит укрепляют так, чтобы продолжение его продольной оси проходило через центр кольцевого мотка, а конец магнита отстоял бы от мотка на 2—3 см.
При включении тока моток или надевается на магнит (если направление тока в мотке соответствует молекулярным токам магнита), или сначала удаляется, а затем перевертывается и обратной стороной надевается на магнит. Переключателем меняют направле-
314
Рис, 282,
ние тока в мотке несколько раз и наблюдают описанные явления в измененных условиях.
2) Демонстрация взаимодействия двух кольцевых токов.
Мотки подвешивают по
Рис. 283.
рисунку 283, а, а цепь составляют по схеме рисунка 283, б.
Пропуская ток через оба мотка и меняя направление тока во втором мотке, наблюдают взаимодействие двух кольцевых токов. Когда в обоих мотках токи идут в одном направлении, мотки притягиваются друг к другу. Если токи в мотках идут в противоположных направлениях, то они отталкиваются друг от друга, повертываются так, что токи оказываются направленными в одну сторону, и затем притягиваются друг к Другу.
Напряжение от аккумуляторов можно брать 4—5 в, по включать ток в мотки надо на короткое время (5—10 сек).
3) Опыт, поясняющий принцип действия электродинамических микрофона и репродуктора. Делают установку, изображенную на рисунке 284, а.
Сопоставляют данную установку со схемой микрофона. Моток провода соответствует катушке у микрофона, которая под действием звуковых волн приходит в колебательное движение. Имитируют это движение колебательными движениями мотка. Гальванометр показывает слабый индукционный ток переменного направления, соответствующий характеру передвижений мотка.
Поясняют, что возникший в катушке микрофона слабый ток усиливается и подается в катушку репродуктора.
При рассмотрении репродуктора установку собирают по рисунку 284, б.
316
Рис. 284.
Сначала в цепь мотка включают слабый ток. При неизменном токе моток неподвижен относительно магнитов. Производят ползунком реостата колебательные движения, меняя амплитуду и частоту. Моток реагирует на эти изменения тока соответствующими колебаниями.
При сопоставлении опыта с действием репродуктора сообщают, что у репродуктора катушка связана с диффузором, который приходит в колебание вместе с катушкой и воспроизводит звук, воспринимаемый микрофоном.
100. ЗВОНОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДЛЯ ТЕНЕВОЙ ПРОЕКЦИИ
Обычный электрический звонок можно приспособить для теневой проекции. Для этого его снимают с панели и монтируют на прозрачной пластинке из оргстекла.
Прикрепить части звонка к пластинке из оргстекла можно теми же винтиками или болтиками, которыми он был смонтирован на панели.
На теневой проекции следует показать процесс замыкания и размыкания контактов у прерывателя и звонок в действии. Поэтому, кроме двух обычных клемм, на прозрачной пластинке надо установить третью клемму, к которой подводят провод от обмотки электромагнита, минуя прерыватель (рис. 285).
Демонстрация работы прерывателя электрического звонка. Установка приборов для демонстрации с использованием осветителя (4) изображена на рисунке 285. Сначала провода подводят к звонку,
318
минуя прерыватель (то есть к клеммам а и б). Наблюдают, как при включении тока молоточек ударяет в чашку звонка, а при размыкании отходит от нее. Одновременно наблюдают размыкание контактов прерывателя при ударе молоточка в чашку звонка и замыкание при обратном ходе. Это повторяют несколько раз.
Затем присоединяют провода к клеммам а и в, демонстрируют работу звонка.
101. ТЕЛЕГРАФ МОРЗЕ С КЛЮЧОМ (упрощенная модель)
Прибор монтируют на фанерном вертикальном щитке, который скрепляют на горизонтальном основании (рис. 286).
Рис. 286.
Сердечник электромагнита делают из хорошо отожженного железного стержня диаметром 8—10 мм, длиной 55 мм. На сердечник насаживают катушку, выточенную из древесины или сделанную из картонной трубки с насаженными по краям фанерными шайбами (рис. 287, а). На катушку наматывают медный изолированный провод диаметром 0,4—0,5 мм, Посредством скобы, сделанной из полоски жести шириной 7 мм, и двух шурупов электромагнит укрепляют на щитке, как указано на рисунке 286.
319
Концы проводов обмотки присоединяют к клеммам, установленным на щитке.
Рычажок делают по рисунку 287, б из железной полоски толщиной 1,5 мм. Один конец рычажка снабжают отверстием под шуруп, а на другом припаивают трубочку из жести диаметром 3 мм, длиной 10 мм. К рычажку припаивают якорек из отожженного железа (диск диаметром 10 мм, толщиной 2 мм).
К щитку прикрепляют деревянный брусок, а к последнему шурупом привертывают рычажок. Шуруп ввертывают на высоте 10 мм
Рис. 287.
от основания. К основанию щита прикрепляют угольник (рис. 286), сделанный из железа толщиной 1 мм по рисунку 287, в. Рычажок вводят в прорезь угольника.
По рисунку 287, г из жести толщиной 1,5—2 мм делают две одинаковые скобы, которые шурупами прикрепляют к щитку. В скобах помещают два шкивка. Шкивки вытачивают из дерева по рисунку 287, д . и туго насаживают на ось из стальной проволоки диаметром 2 мм. Верхняя ось переходит в ручку (рис. 286).
Нижнюю скобу устанавливают так, чтобы между верхним концом трубки опущенного рычажка и нижним шкивком был просвет в 6—7 мм. Нижний шкивок должен вращаться с некоторым трением. Электромагнит устанавливают с тем расчетом, чтобы при включении тока трубка рычажка плотно прижималась к нижнему шкивку, а якорек почти касался сердечника.
320
В трубку рычажка вставляют фитилек, нижний конец которого опускают в подставленную жестяную баночку с чернилами.
Бумажную ленту шириной 18 мм отрезают от большого листа бумаги (можно от обоев) и туго натягивают на шкивки.
К телеграфному аппарату надо иметь ключ. Основанием ключа служит панель из фанеры. На панели устанавливают две клеммы (рис. 288), Под клеммы укрепляют
упругие латунные пластинки, сделанные по рисунку. На одной из них укреплена деревянная клавиша. Пластинки должны хорошо пружинить.
Деревянные части приборов покрывают светлым лаком. Металлические части телеграфа окрашивают черной масляной краской или нитролаком.
Демонстрация принципа действия телеграфного аппарата Морзе. Установив телеграф так, как указано на рисунке 289, демонстрируют движе-
ние рычажка вверх и вниз при замы- Рис. 288,
кании и размыкании тока. Затем при-
водят ленту в движение, не работая ключом. Наконец, работая ключом и
равномерно вращая ручку
барабана с лентой, производят запись на ленте по азбуке Морзе. Учащиеся видят процесс записи.
Рис. 289.
102. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ВРАЩЕНИЯ РАМКИ С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ И КОНТУРЫ (комплект)
Общий вид первого прибора изображен на рисунке 290. В основание прибора а, сделанное из фанеры толщиной 9—12лгк, врезают стойку б с полукруглым верхом. Крепят стойку упором, сделанным из такой же фанеры. Размеры даны на рисунке. G задней стороны к стойке приклеивают фанерный диск диаметром 40 мм,
11 Заказ 1530 321
толщиной 9 мм. Из стального прута толщиной 3—4 мм изготовляют ось в длиной 106 мм. В 18 мм от одного конца на ось напаивают кольцо из проволоки толщиной 1,5 мм, В 4 мм и 45 мм от другого конца поперек оси сверлят два параллельных друг другу отверстия диаметром 1,5 мм. В диске и стойке просверливают отверстие, проходящее через центр диска и перпендикулярное его основанию. В отверстие туго забивают конец оси до напаен-
Рис. 290,
ного кольца. Из латунной проволоки диаметром 2—2,5 мм делают два крючка г. Из листовой латуни или жести толщиной 0,5— 1 мм делают две шины размерами 8 жжХ27 мм с двумя отверстиями в каждой, отстоящими друг от друга на 19 мм.
На основании подставки укрепляют две клеммы д, под которые подкладывают внешние концы шин. Расположение клемм и шин указано на рисунке 290. Крючки вбивают в основание через отверстия в шинах; шины припаивают к крючкам и к стержням клемм.
На ось надевается рамка е, которую делают следующим образом.
Из латуни толщиной 0,2—0,3 мм вырезают фигурную полосу по рисунку 291, а, В полосе сверлят два отверстия диаметром 5—6 мм и четыре отверстия под гвоздики. Полосу сгибают по пунктирам, получают рамку с отогнутыми кромками шириной 3 мм и еще раз отогнутыми сегментами (рис. 291, б). Концы полосы накладывают друг на друга и паяют.
Рамку насаживают на стержень диаметром 5—6 мм. На выступающие концы стержня надевают бумажные трубочки со стенками толщиной 1,5—2 мм. После этого на рамку наматывают 322
медный изолированный провод диаметром 0,3—0,4 мм. Витки укладывают плотно друг к другу и ряд на ряд, стараясь уложить возможно большее число витков. Начало провода Hi длиной 35 мм оставляют свободным близ одного сегмента (рис. 291, в). Через пол-оборота с противоположной стороны рамки у провода делают петлю длиной
Рис, 291.
50 мм Hz и продолжают намотку. На последнем витке рядом с первой петлей делают такую же вторую петлю Кг и затем через пол-оборота оставляют свободным конец провода Ki длиной 35 мм. Намотку скрепляют нитками и шеллаком, которым покрывают наружный слой и намотку около оси. Когда лак высохнет и хорошо скрепит обмотку, рамку снимают со стержня.
11* 323
Концы обмотки Я1, Н 2, /fl и /С2 очищают от изоляции, причем петли Яг и /<2 не разрезают.
Из твердой древесины вытачивают два фигурных шкивка ж по рисунку 291, г. На малых торцах у шкивков делают заточки для шайб диаметром 12 мм, глубиной 1 мм. В шкивках сверлят такие же отверстия, какие в рамке. По цилиндрической поверхности одного шкивка из латунной полоски толщиной 0,5—0,8 мм и шириной 15 мм сгибают два полукольца, не сходящиеся одно с другим на 4 мм с каждого конца. Из той же латуни вырезают плоское кольцо с наружным диаметром 28 мм и внутренним 18 мм. Кольцо разрезают на две половины и выбрасывают полоску шириной 4 мм. К одному цилиндрическому полукольцу с внутренней стороны припаивают конец обмотки Hi, а к другому—конец Ki, после чего цилиндрические и плоские полукольца соединяют пайкой по ребрам и прикрепляют к поверхности шкивка.
Для другого шкивка (на' рисунке расположенного справа) из латунной полоски толщиной 0,5—0,8 мм, шириной 6 мм делают два цилиндрических кольца диаметрами 20 мм и 28 мм. Петлю обмотки Нг припаивают к внутренней поверхности большого кольца. Петлю К2 пропускают сквозь отверстие в шкивке и припаивают к внутренней поверхности меньшего кольца. После этого кольца туго надевают на свои места с клеем БФ-2.
Рамку со шкивками насаживают на стержень, подобранный по отверстиям, и крепят шкивки к рамке с помощью гвоздиков или шурупов. Затем, сняв рамку с оси, в углублениях, выточенных в торцах шкивков, прикрепляют на клей БФ-2 и на гвоздики две латунные шайбы толщиной 0,5 мм, диаметром 12 мм. В центрах шайб сверлят отверстия для оси в.
Готовая рамка, насаженная на ось, должна вращаться на ней совершенно легко. На оси лежат только ребра латунных шайб, остальное не должно касаться оси.
Насаженную на ось рамку надо тщательно выверить на безразличное равновесие (для этого к более легкой части рамки с внутренней стороны прикрепляют соответствующий по весу кусочек металла). Из хорошо отожженной железной полосы или прутка поперечным сечением I—2 см2 делают брусок з длиной 98 мм. Посередине бруска сверлят отверстие под ось прибора и перпендикулярно к последнему — отверстие диаметром 1,5 мм под проволочную шпильку. Железный брусок служит магнитопроводом: его надевают на ось вместе с рамкой и укрепляют на оси в горизонтальном положении проволочной шпилькой (рис. 290).
Концы бруска должны возможно ближе подходить к рамке, не касаясь последней.
Для щеток и нарезают две полоски из латуни толщиной 0,2 мм, шириной 4 мм, длиной 85 мм. Один конец каждой полоски немного отгибают, а другой, согнув под прямым углом, припаивают к латунному бруску (рис. 291, 5). В бруске сверлят отверстие под крючок г. Готовые щетки должны свободно надеваться на крюч
324
ки г. Бруски своим весом прижимают щетки к кольцам или к коллектору (рис. 290). Сила прижатия должна быть минимальной при достаточном электрическом контакте. Этого достигают подгонкой веса брусков опиловкой или напайкой олова. Поверхности коллектора, колец, щеток и крючков должны быть совершенно чистыми.
Чтобы ограничить передвижение щеток вдоль крючков, на концах последних следует просверлить отверстия и поставить проволочные шпильки. Для ограничения передвижения рамки на ось надевают небольшую шайбочку и ставят проволочную шпильку в
Рис, 292.
отверстие на конце оси? рамка со шкивами должна иметь возможность передвигаться вдоль оси на 1,5—2 мм. Рамка собранного прибора без магнитопровода должна приходить во вращение в магнитном поле двух линейных магнитов при токе напряжением 4 в.
Для установки магнитов и электромагнитов следует сделать два деревянных бруска размерами 79 мм X 75 мм X 30 мм, у которых на грани размерами 79 мм X 30 мм сделан желоб для укладки катушки электромагнита (97).
В обмотку рамки можно включить ток напряжением до 8 в.
Для демонстрации принципа устройства и действия электро* магнитных приборов дополнительно делают стрелку с противовесом и шкалу. Разрезанное кольцо стрелки (рис. 292, а) делают из полоски латуни шириной 6 мм; оно должно достаточно туго надеваться на шкивок со стороны коллектора. К кольцу припаивают легкую стрелку длиной 150 мм, сделанную из тонкой жести. С диаметрально противоположной стороны к кольцу припаивают противовес: жестяную полоску длиной 60 мм с грузиком на конце. Грузик должен быть минимальным для удержания рамки в гори
325
зонтальном положении, а стрелки в вертикальном. Шкалу наклеивают на трехмиллиметровую фанеру, вырезанную по рисунку 292, б. Нижнюю часть фанеры утолщают до 6 мм наклейкой фанеры сзади. В утолщенной части укрепляют две проволочные шпильки, которые вставляют в отверстия в шайбе стойки.
Для данного прибора с данной стрелкой шкалу можно проградуировать на амперы.
Контуры для демонстрации принципа действия генераторов и электродвигателей. Общий вид прибора изображен на рисунке 293.
На основании прикреплены шурупами две стойки из железной полосы (рис. 294, в). Расстояние между стойками — 260 мм.
Рис. 293.
Из листового железа толщиной 1—1,5 мм вырезают две контурные рамки: одну для переменного тока (рис. 294, а), другую для постоянного (рис. 294, б). Из проволоки диаметром 3 мм делают две оси, снабженные ручкой. На оси напаивают по два колечка из проволоки диаметром 1,5 мм. Одну ось припаивают к рамке переменного тока, другую — к рамке постоянного тока.
Концы лапок у рамок отгибают по пунктирам под прямыми углами в противоположные стороны. На лапки рамки переменного тока надевают и припаивают два кольца шириной 15 мм, сделанные из латуни толщиной 1 мм, а к лапкам рамки постоянного тока припаивают два полукольца. Кольца и полукольца центрируют относительно оси.
Из латуни или жести толщиной 0,5 мм делают две щетки по рисунку 294, г.
На основании намечают места для клемм. Как показано на рисунке 293, щетки, установленные под клеммы, должны хорошо касаться поверхности колец.
326
Из фанеры толщиной 3 мм по рисунку 294, д вырезают «магнитные полюсы», свободно вставляемые между уголками.
Основание прибора и планки покрывают светлым лаком. Северный полюс магнита окрашивают в голубой цвет, южный — в
Рис. 294.
красный. Буквы на полюсах белые. Промежутки между полюсами черные. Стойки для оси черные. Рамки раскрашивают следующим образом. При положении, указанном на рисунках 294, а и б, верхние части (незаштрихованные) оранжевые, нижние (густо за
327
штрихованные) голубые; вертикальная часть реже заштрихованная серая. Остальные части рамки^ окрашивают в черный цвет. Черной же краской рисуют стрелки.
Переход от серого к оранжевому вверху и к голубому внизу делают постепенным на протяжении 30 мм горизонтальных частей рамки.
С обратной стороны окраску рамки делают так же (то есть против оранжевого цвета с лицевой стороны расположится голубой с тыльной).
Указанная раскраска, применение плоской рамки и расположение полюсов у магнита позволяют «наблюдать» изменение направления и величины индукционного тока в рамке в различных фазах.
Рис. 295.
Демонстрация принципа действия генератора переменного и постоянного тока. Собирают установку по рисунку#295. Сначала надевают рамку (с магнитопроводом) на ось прибора. На кольца накладывают щетки.
Медленно вращают рамку в поле магнитов. Замечают слабые отклонения стрелки гальванометра то в одну, *го в другую сторону. При более быстром вращении отклонение стрелки не наблюдается. Дают понятие о переменном токе, возникающем в обмотке рамки. На шкивок, расположенный возле стойки, наматывают бечеву; придерживают прибор рукой и тянут за бечеву. Рамка приходит в быстрое вращение. Объясняют, почему стрелка гальванометра не показывает тока. Затем рамку надевают на ось вперед коллектором. На коллектор накладывают щетки. Теперь при вращении рамки стрелка гальванометра отклоняется, ее отклонение будет тем больше, чем быстрее происходит вращение. Дают понятие о выпрямленном токе. Если магниты заменить электромагнитами из прибора (97), то в рамке возникнет больший ток.
328
Вращая рамку без магнитопровода, убеждаются, что ток уменьшается. Знакомят со значением магнитопровода.
Для более наглядного разъяснения принципа действия генераторов желательно одновременно использовать «контуры», на которых особенно ясно показывается направление тока, возникающего в рамке (рис. 293). Прибор располагают так, чтобы были хорошо видны стрелки на рамке, магнитные полюсы статора и щетки с коллектором или кольцами. Так как рамка прибора плоская, то при вращении ширина ее ветвей кажется учащимся меняющейся от максимума до нуля, что соответствует изменению величины индуктируемого тока, возникающего в рамке при вращении. Направление тока в рамке показано стрелками и цветом окраски. Особенно на-
Рис. 296.
глядно виден момент изменения направления тока при прохождении ветвей рамки через межполюсное пространство.
Демонстрация вращения рамки с током в магнитном поле. Сначала на ось насаживают рамку так, чтобы щетки касались колец. Объясняют, что одно кольцо соединено с началом обмотки рамки, а другое — с концом (установка приборов показана на рисунке 296).
При включенном токе рамку устанавливают горизонтально и отпускают. Она поворачивается на 90° и останавливается. Поворачивают рамку на 180° по отношению к начальному положению. Рамка отклоняется в другую сторону. Становится понятным, почему не наступает вращение. Если переменить направление тока в обмотке, то отклонение рамки произойдет в обратную сторону, согласно правилу левой руки.
Теперь рамку насаживают на ось так, чтобы щетки касались коллектора. Объясняют устройство коллектора. При включении тока рамка приходит в непрерывное вращение. Наблюдают, как меняется направление вращения при перемене полюсов,. магнитов или при изменении направления тока в рамке.
329
Насадив на ось вместе с рамкой железный брусок и закрепив его шпилькой, показывают, как влияет магнитопровод на скорость вращения рамки.
При воздействии более сильными магнитами или электромагнитами, а также при пропускании большего тока по обмотке рамки наблюдают увеличение скорости вращения.
Для более наглядного разъяснения принципа действия электродвигателя постоянного тока дополнительно используют «контуры».
Демонстрация принципа действия магнитоэлектрических измерительных приборов. На шкивке с кольцами укрепляют стрелку. На оси устанавливают магнитопровод, закрепив его шпилькой, а на стойке — шкалу. Собирают прибор, как указано на рисунке 297. Проверяют собранный прибор: без тока рамка должна возвращаться в горизонтальное положение, а стрелка в вертикальное, если их вывести из этого положения. Клеммы прибора соединяют проводами через реостат и ключ с аккумуляторами.
Включают в рамку ток, достаточный для отклонения стрелки градусов на 35—40. Затем реостатом изменяют ток в рамке. Наблюдают, как в связи с этим изменяется отклонение стрелки.
Включают в обмотку рамки прибора переменный ток от трансформатора низкого напряжения. Стрелка остается неподвижной: под действием переменного тока за каждый период рамка получает два импульса в противоположные стороны. Так как масса рамки велика, а между импульсами протекает лишь 0,01 сек, то стрелка остается неподвижной. Сравнивают собранный прибор со школьным универсальным гальванометром.
330
103. СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ВСКРЫТЫЙ, НА ПОДСТАВКЕ
Обычный электрический счетчик монтируют на деревянной подставке, устройство которой видно на рисунке 298. На подставке монтируют четыре клеммы. Две левые клеммы соединяют изолированными, хорошо видимыми проводами с вводными контактами счетчика, две правые (другого цвета)—с выходными контактами. - \
Рис. 299.
Рис. 298.
Кожух счетчика делают легко снимаемым или заменяют прозрачным из оргстекла.
Указание по демонстрации электрического счетчика. Счетчик включают в цепь с достаточно мощным потребителем тока, например электрической плиткой.
Перед счетчиком устанавливают большую собирающую линзу и время от времени несколько смещают ее, чтобы все учащиеся могли наблюдать вращение диска и смену последней цифры (рис. 298).
104. ПРИБОРЫ ПО ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВУ
1) Термоэлемент простейший. Железную проволоку диаметром 1,5 мм, длиной 200 мм, изгибают согласно рисунку 299, а. К концам железной проволоки прикрепляют тугой накруткой (лучше припаять серебром или приварить) по куску константановой проволоки диаметром 0,4—0,6 мм, длиной по 120 мм.
2) Термобатарея простейшая. Из трехмиллиметровой фанеры вырезают три одинаковых кольца с наружным диаметром 120 мм и внутренним 90 мм. Кольца разделяют радиальными прямыми на восемнадцать равных частей. У двух колец по этим линиям делают канавки глубиной 1 мм d шириной 1,5—2 мм.
331
Нарезают медные и никелиновые (или константановые) проволоки диаметром 0,7—1 лш, длиной по НО мм каждый. Проволоки обертывают один раз вокруг кольца без канавок, причем медную проволоку чередуют с никелиновой. Внутренние и наружные концы соседних проволок соединяют пайкой серебром или сваркой (рис. 299, б). Два конца оставляют свободными.
Кольцо термобатареи с обеих сторон покрывают фанерными кольцами и склеивают между собой так, чтобы витки проволок поместились в канавках внешних колец. Общий вид прибора показан на рисунке 301, б.
Рис. зоо.
3) Электромагнит, питаемый термотоком. Прибор можно изготовить из старого промышленного электромагнита. Из электромагнита вынимают кольцевой моток провода и в наружной стенке железного корпуса прибора прорезают два паза, отстоящих друг' от друга на 15—20 мм (рис. 300, а). Толстую медную шину изгибают и вкладывают с тонкой асбестовой прокладкой в канавку корпуса электромагнита (рис. 300, 6).
Между наружными параллельными участками медной шины устанавливают поперечные железные или лучше никелиновые пластины, хорошо пригнанные и впаянные (рис. 300, в). Общее сечение этих пластин должно несколько превышать сечение шины.
Из белой жести делают съемную перегородку с прорезями для пластин, соединяющих медную шину. Во время опыта перегородку устанавливают, как указано на рисунке.
Шину надо прочно укрепить в железном корпусе электромагнита (тугой набивкой асбеста), чтобы она не сползала и не мешала плотному соприкосновению между якорем и корпусом прибора.
332
Демонстрации
1) Условия получения термошока. Концы константановых проволок термоэлемента присоединяют к клеммам гальванометра. Док не обнаруживается.
Теперь загнутый конец стержня прибора опускают в воду со льдом, а прямой конец греют на спиртовке (рис. 301, а). Гальванометр показывает ток. По направлению отклонения стрелки гальванометра узнают, что в нагретом спае ток идет от железа к константану, а поток электронов, очевидно, движется от константана к железу1.
Рис. 301.
Если имеется возможность достать «сухой лед», употребляемый разносчиками мороженого, то делают следующий опыт. Прямой конец стержня окружают «сухим льдом», а загнутый опускают в воду комнатной температуры. Гальванометр показывает присутствие тока, но стрелка отклоняется в противоположную сторону.
2) Демонстрация термобатареи. Объясняют устройство простейшей термобатареи. В этом приборе термоэлементы соединены последовательно. Сначала с гальванометром соединяют концы одного элемента, спай которого, помещенный внутри кольца, греют на пламени спиртовки. Стрелка отклоняется слабо.
Теперь включают в цепь гальванометра всю батарею и греют в пламени спиртовки все спаи, расположенные внутри кольца (рис. 301, 6). Угол отклонения стрелки гальванометра увеличивается приблизительно во столько раз, сколько элементов в батарее.
Необходимо отметить, что не только электродвижущая сила, но и внутреннее сопротивление батареи возрастает пропорционально
1По отклонению стрелки гальванометра можно узнать направление тока, если к клеммам присоединить известные по знакам полюсы другого источника тока, введя предварительно в цепь дополнительное сопротивление (составив вольтметр).
333
числу включенных элементов. Поэтому следует пользоваться гальванометром с меньшим сопротивлением обмотки рамки.
3) Получение термотока большой величины. Якорь электромагнита подвешивают на горизонтальном стержне, укрепленном в муфтах двух штативов, как указано на рисунке 302. На этот же стержень подвешивают груз на прочной бечеве<
Рис. 302.
Сначала убеждаются, что к якорю электромагнит не притягивается. Затем, поставив жестяную перегородку между концами шины термоэлемента (рис. 300, б), на пламени примуса греют длинный конец шины, а другой конец поливают холодной водой, не давая ему прогреваться.
Когда длинный конец термоэлемента хорошо прогреется, электромагнит быстро присоединяют к якорю снизу и загружают грузом в 5—10 кГ (нагрузку надо определить опытом заранее). Короткий конец шины непрерывно охлаждают водой.
Электромагнит, питаемый термотоком, держит нагрузку довольно долго. Чтобы продлить действие электромагнита, горячий конец термоэлемента можно подогревать спиртовкой.
В этом опыте демонстрируют большую величину тока, идущего в одном витке, при малой электродвижущей силе, возникающей в нескольких термоэлементах, соединенных параллельно. Большой ток обусловлен большим сечением витка и, следовательно, малым его сопротивлением.
334
105. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ СПЕКТРОВ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ТОКА
1) Прибор для демонстрации спектра магнитного поля прямого тока. Из изолированного медного провода диаметром 0,5—0,7 мм наматывают прямоугольную рамку в 60 — 70 витков (рис. 303). Для этого в доску вбивают четыре гвоздя по углам прямоугольника, а на гвозди наматывают провод. Проволочные витки рамки скрепляют между собой шеллаком или лентой (можно изоляционной). Концы провода выводят близ середины длинной стороны рамки.
Из оргстекла толщиной 4—6 мм вырезают два прямоугольника, которые располагают в одной плоскости и скрепляют между собой
Рис. зоз.
при помощи шурупов двумя дощечками. Предварительно врезают рамку в прозрачный столик и в одну из дощечек, как указано на рисунке. Рамку прикрепляют жестяной скобочкой к дощечке.
Концы провода подводят к клеммам.
К проволоке длиной 70 мм, диаметром около 2 мм припаивают наконечник и оперение: делают стрелку. К стрелке припаивают упругую пластинку, с помощью которой стрелку можно закреплять на рамке для указания направления тока в последней. Стрелку окрашивают в яркий цвет.
Прозрачный столик можно изготовить и из обычного стекла: два стеклянных прямоугольника требуемых размеров располагают с двух сторон рамки и прикрепляют цементной замазкой к деревянным дощечкам. Образовавшуюся между стеклами щель можно не заделывать.
2) Прибор для демонстрации спектра магнитного поля кольцевого тока. Основание прибора состоит из прозрачного столика,
335
устройство которого почти такое же, как у вышеописанного прибора. Рамку в виде кольца диаметром 95 мм наматывают в 60—70 витков из провода, который был рекомендован для изготовления предыдущего прибора. Готовую рамку скрепляют шеллаком и обер-
fl
б
Рис. 304.
тывают лентой. Концы провода выводят в диаметрально противоположных точках.
Кольцевую рамку врезают в прозрачный столик и закрепляют в нем, как указано на рисунке 304, а.
Если рамка плохо держится в вырезах оргстекла, то ее можно укрепить растяжкой из тонкой латунной или медной проволоки, расположенной под столиком.
336
Оргстекло может быть заменено обычным стеклом (см. описание предыдущего прибора). •
К кольцевой рамке можно приготовить стрелку для указания направления тока. Изготовление стрелки аналогично указанному на странице 335.
В обмотку приборов 1 и 2 можно включать ток напряжением 4—6 в.
3) Прибор для демонстрации спектра магнитного поля солено-ида. Прозрачный столик этого прибора состоит из трех пластин, сделанных из оргстекла толщиной 4—6 мм (рис. 304, 6).
Сначала делают рамку прямоугольной формы размерами 220 мм X X 837 мм, намотав 30—40 витков медной изолированной проволоки диаметром 0,5—0,7 мм. Приготовленную рамку обёртывают лентой и затем придают ей форму, указанную на рисунке. Диаметр витков 55 мм.
В одной боковой дощечке вверху делают вырез размерами 5 мм х х 40 мм. В пластинах из оргстекла просверливают четыре отверстия для двух скоб размерами 15 мм х 50 мм, сделанных из немагнитной проволоки диаметром 0,7—1 мм и расположенных по концам соленоида. Скобы снизу вставляют в отверстия и укрепляют клеем или замазкой.
Из отожженного железа толщиной 2—3 мм делают сердечник для соленоида (пластинку 35 мм X 140 мм). При опыте эту пластинку вводят в соленоид через щель в боковой дощечке и укладывают на проволочные скобы.
Оргстекло может быть заменено обычным стеклом (стр. 335). При этом скобы из немагнитной проволоки укрепляют в щелях между стеклами.
В обмотку можно включать ток напряжением 6—10 в.
Использование приборов
1) Демонстрация спектра магнитного поля прямого тока. (Установка приборов изображена на рисунке 305, а.)
Прибор 1 устанавливают на стеклянное дно ванны (3). Концы обмотки прибора соединяют через реостат и переключатель (90, в) с клеммами аккумуляторной батареи напряжением 6—8 в.
В полузатемненном классе проецируют прозрачный столик прибора на экран. Столик посыпают железными опилками. Опилки располагаются в беспорядке. Вокруг провода на расстоянии 4—5 см от него располагают малые магнитные стрелки на контурных основаниях (98), северный полюс у которых имеет копьевидную форму. Объясняют, что если по проводу идет ток снизу вверх, то на проекции надо считать, что ток идет от учащихся к экрану.
Включают ток, поставив у реостата сопротивление 2—3 ома. Магнитные стрелки сейчас же устанавливаются по окружности в одном направлении (рис. 305, б). Железные опилки при лёгком постукивании по столику прибора располагаются концентрическими окружностями, в центре которых находится провод.
337
б
Рис. 305.
Рис. 306.
Выключают ток. Ориентация стрелок, сразу нарушается; расположение опилок не меняется.
Меняют направление вновь включенного тока. Магнитные стрелки снова располагаются по окружности, но в противоположном направлении. Зная направление тока и расположение магнитных стрелок, устанавливают правило буравчика.
2) Демонстрация спектра магнитного поля кольцевого тока. (Установка прибора такая же, как в предыдущем опыте.) Магнитные стрелки располагают так, как указано на рисунке 306, а.
Направление тока по кольцевому проводу отмечают стрелкой-указателем.
В этом опыте следует показать, что плоскость кольцевого тока является магнитным листком. Магнитные силовые линии с одной стороны листка выходят, а с другой входят.
Зная направление тока и расположение магнитных стрелок, выводят правило буравчика для кольцевого тока.
339
Меняют направление тока в кольце. По изменению направления магнитных стрелок судят об изменении полярности кольцевого тока.
3) Демонстрация спектра магнитного поля соленоида. Установка приборов такая же, как у предыдущих двух опытов.
Магнитные стрелки (98) располагают на столике прибора, как указано на рисунке 306, б. Обращают внимание на магнитное поле соленоида и приходят к выводу, что магнитное поле соленоида является суммирующим полем ряда одинаково направленных полей кольцевых токов.
Устанавливают, что правило буравчика, применимое к кольцевому току, применимо и к соленоиду.
Меняют направление тока. Наблюдают за изменением полярности магнитного поля соленоида.
Можно повторить опыт с соленоидом, введя железный сердечник. В этом случае напряженность магнитного поля соленоида увеличивается, что можно видеть ио четкости расположения железных опилок и по частоте колебания магнитных стрелок, выведенных из положения равновесия.
4) Демонстрация взаимодействия проводов с током. Установку приборов делают по рисунку 307. Д клеммам (91) присоединяют концы пучка елочной канители (стр. 356). Расстояние между канителью и рамкой прибора устанавливают 15—20 мм. /
Включают ток в рамку и через пучок канители. Если в пучке и рамке токи идут в одном направлении, то канитель притягивается к рамке, если в противоположном, то отталкивается от нее. Опыт повторяют несколько раз, меняя направление тока в канители и наблюдая за взаимодействием токов.
106. РЕЛЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ,
Прибор монтируют на вертикальном щитке из фанеры, сделанном по рисунку 308, а. К основанию и щитку приклеивают деревянный брусок с отверстием для крепления катушки электромагнита. Катушку вытачивают из древесины по рисунку 308, б. В полость катушки вставляют сердечник из отожженного железа диаметром 8 мм, длиной 55 мм. На катушку делают намотку до наполнения из изолированного провода диаметром 0,4 мм.
К другому деревянному бруску прикрепляют упругую стальную полоску размерами 100 мм X 6 мм X 0,2 мм. К полоске припаиваюг железный якорь толщиной 1—1,5 мм. Между сердечником и якорем должен остаться просвет в 2 мм. Прикрепленный к бруску конец полоски соединяют проводом с клеммой..
Свободный конец упругой полоски помещают между двумя контактами, сделанными из латуни или железа по рисунку 308, в. В каждом контакте сверлят отверстие диаметром 3 мм под контактный винт. Контакты укрепляют гайками в щитке так, чтобы верхний контактный винт касался упругой пластинки, когда она не
340
притянута к сердечнику катушки, а когда упругая пластинка будет притянута электромагнитом, ее касается нижний винт (рис. 308, г).
Всю проводку на вертикальном щитке осуществляют хорошо видимыми издали проводами.
У средней клеммы можно поставить букву 3, у правой (на рисунке) — букву О. Это означает, что при подключении исполнительной цепи к клеммам левой и 3 получается реле «запирающее» (то есть реле выключает исполнительную цепь). При подключении же исполнительной цепи к клеммам левой и О получают реле «отпирающее» (то есть реле замыкает исполнительную цепь).
Рис. 308.
Для улучшения контакта на кончики винтиков и на полоску в местах соприкосновения ее с винтиками следует напаять тоненькие пластинки серебра.
Деревянные части прибора покрывают светлым лаком; трапецевидные торцы контактов окрашивают в красный цвет.
Демонстрация действия электромагнитного реле. Знакомят с устройством электромагнитного реле.
От клемм одного элемента батареи аккумуляторов подводят ток через реостат и ключ (90) к маловольтной лампочке (91). Увеличивают сопротивление реостата до полного погасания волоска лампочки. Затем вместо лампочки включают обмотку прибора. При замыкании цепи реле должно срабатывать.
Сначала демонстрируют действие отпирающего реле. Для этого ламйу на 100 вт, напряжением 127 в, ввернутую в патрон (91), включают, как показано на рисунке 309.
Вставляют вилку в штепсельную розетку. Лампа не горит. Замыкают ключом цепь слабого тока — лампа загорается. Размыкают цепь слабого тока — лампа гаснет.
Делают вывод, что очень слабым током через реле можно управлять сильным током.
341
Переключают провод от шнура с клеммы О на клемму 3. Демонстрируют реле запирающее.
Пока цепь слабого тока разомкнута — лампа дает свет. Замыкают цепь слабого тока — лампа гаснет.
Рис. 309.
107. МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Общий вид прибора изображен на рисунке 310, а.
Основание прибора делают из фанеры толщиной 9 мм, а вертикальный щит — из фанеры толщиной/ 6 мм. Катушку делают по рисунку 310, б. Каркас для катушки можно собрать из трехмил-
лиметровой фанеры и из картона. На каркас наматывают изолированный провод диаметром 0,7—0,8 мм. Число витков определяют опытом. При сборке прибора концы обмотки присоединяют к клеммам (рис. 310, а).
342
Из железной полоски сечением 10 мм X 2 мм сгибают стойку (рис. 310, в), вверху которой сверлят отверстия для оси железного тела, сделанного из хорошо отожженного железа толщиной 2 мм по рисунку 310, г.
К железному телу припаивают стрелку из жести и воздушный гаситель колебаний. В центре кривизны дуги гасителя колебаний сверлят отверстие, в котором прочно укрепляют ось. На ось с обоих концов надевают по шайбочке, после чего ось ставят в отверстия стойки.
В положении равновесия стрелка должна находиться у левого края шкалы. Под действием магнитного поля катушки железное
Рис. 311.
тело должно втягиваться в полость катушки, не задевая ее стенок. При токе в 3 а стрелка должна отклоняться на всю шкалу. Последнего достигают подбором числа витков в обмотке катушки и изменением положения центра тяжести железного тела по отношению к оси его вращения (напаивают на тело грузик или, наоборот, сверлят на теле отверстие).
Прибор будет действовать от постоянного и от переменного тока. Поэтому шкалу можно проградуировать для того и другого тока.
Камеру для гасителя колебаний можно склеить из четырех клинообразных колец шириной 14 мм в наиболее широком месте и 5 мм в наиболее узком. Кольца вырезают из картонной трубки с внутренним диаметром 26 мм. Камеру прикрепляют к щитку прибора так, чтобы диск гасителя колебаний не касался стенок камеры при качании подвижной части прибора.
Прибор является лишь демонстрационной моделью электромагнитных приборов, поэтому нет надобности добиваться от прибора точных показаний.
Демонстрация принципа действия электромагнитных измерительных приборов. Установку приборов делают по рисунку 311.
343
Показывают втягивание сердечника в катушку сначала под действием постоянного тока, а затем переменного. Наблюдают за передвижением стрелки при изменении величины тока.
Включают модель последовательно с демонстрационным амперметром и реостатом. Убеждаются, что показания модели близки к показаниям амперметра.
108. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАКОНА ЛЕНЦА
Устройство прибора понятно из рисунка 312. Коромысло вырезают из латуни толщиной 0,2—0,3 мм. Его длина —* 200 лш, ширина — 14 мм. Вырезают две латунные полосы шириной 16 jwjw, толщиной 0,5 мм: одну длиной 130 мм, другую 125 мм. Из полос сгибают кольца: одно сплошное (концы полос соединяют пайкой), другое разомкнутое (зазор 2—3 мм). Кольца припаивают к концам коромысла. Если имеется навык в пайке алюминия, то коромысло и кольца лучше сделать алюминиевыми толщиной 1— 1,5 мм. На коромысле находят точку, опираясь на которую прибор принимает горизонтальное положение. В этой точке на коромысле делают углубление, чтобы прибор не соскакивал с острия.
Если какой-либо полюс
рис 312. магнита быстро вводить в
сплошное кольцо или выни-
мать из него, то оно последует за магнитом (рис. 312). Коромысло останется неподвижным, если описанный опыт проводить с разрезанным кольцом.
Описанное явление объясняется тем, что при введении магнита в кольцо или при вынимании из него в последнем возникает индукционный ток, порождающий магнитное поле, препятствующее передвижению магнита. В разрезанном кольце ток возникнуть не может, вследствие чего коромысло не реагирует на перемещение магнита в полости кольца.'
109. ТРАНСФОРМАТОРЫ ЗВОНКОВЫЕ НА ЩИТКАХ (2 шт.)
Два звонковых или иных маломощных трансформатора 127 в: 4—6 в монтируют на двух вертикальных щитках (рис. 313). Щитки делают из фанеры размерами 100 мм X 120 мм X 6 мм и прикрепляют к основаниям размерами 100 мм X 70 мм X 9 мм. На каж-344
дом щитке монтируют четыре клеммы. К одной паре клемм подводят концы первичной обмотки трансформатора, ко второй — концы вторичной обмотки.
Деревянные подставки покрывают светлым лаком.
Демонстрация принципа передачи переменного тока на большие расстояния при помощи двух трансформаторов. На изолирующих стержнях (83) натягивают между штативами провода с большим сопротивлением — «магистраль» (рис. 313).
Сначала лампочку на 3,5 в соединяют с проводами «магистрали» в непосредственной близости от магнитоэлектрической машины без ввода трансформатора. Вращают машину — лампочка дает свет. Постепенно отодвигают провода лампочки по «магистрали» от машины. Лампочка вскоре перестает светить, так как сопротивление «магистральных» проводов велико.
Рис. 313.
Составляют цепь с трансформаторами, как указано на рисунке, — лампочка дает свет.
Чтобы показать учащимся, что в «магистральных» проводах течет ток напряжением свыше 100 в, включают в «магистральные»^ провода технический вольтметр на 150 в.
ПО. ЧАСТОТОМЕР (модель)
Основание ящика прибора делают из фанеры толщиной 9 мм, а три стенки и крышку ящика — из фанеры толщиной 6 мм (рис. 314, а). Передняя стенка стеклянная (стекло поднимается вверх).
По рисунку 314, б вытачивают три деревянные катушки. В катушки вставляют по железному сердечнику1. На каждую катушку наматывают изолированный медный провод диаметром 0,5—0,7 мм, число витков которого определяют опытным путем. Намотки у всех катушек должны быть одинаковы. Катушки укрепляют кле
1 Сердечник можно сделать из плотно сжатого пучка железной отожженной проволоки.
315
ем на дне ящика. Обмотки катушек соединяют между собой последовательно и концы цепи выводят к двум клеммам, расположенным на лицевой стороне ящика.
К задней стенке ящика укрепляют брусок сечением 20 мм X X 10 мм, длиной 120 мм.
Из стальной закаленной полоски шириной 5—6 мм, толщиной 0,1—0,2 мм нарезают три вибратора длиной по 60 мм. К одному концу каждого вибратора приклепывают щиток из тонкой белой
Рис. 314.
жести размерами 10 мм X 8 мм (рис. 314, в). Стальные полоски можно, намагнитить (но не обязательно).
Закрепление вибраторов видно на рисунке. Просвет между вибратором и сердечником должен быть 4—5 мм.
Частоты собственных колебаний намагниченных вибраторов должны быть 50, 30 и 20 гц. Если- вибраторы не намагничены, то эти частоты должны быть удвоены.
Чтобы отрегулировать вибраторы на требуемые частоты колебаний, можно поступить, например, следующим образом.
346
К центробежной машине делают диск из плотного картона. Узнают передаточное число редуктора центробежной машины. Предположим, что оно равняется 5. На диске по трем концентрическим окружностям делают равномерно расположенные отверстия. На внешней окружности размещают 10 отверстий, на средней —6 и на внутренней —4 отверстия.
Если вращать ручку центробежной машины со скоростью одного оборота в секунду, то луч света, проходящий через отверстия внешней окружности, будет прерываться 50 раз в секунду, проходящий через отверстия средней окружности — 30 раз в секунду и проходящий через отверстия внутренней окружности — 20 раз в секунду.х
Пользуясь стробоскопическим эффектом, просматривают через отверстия соответствующей окружности крайнее положение приведенного в колебание вибратора. Постепенно увеличивают скорость вращения центробежной машины до момента, когда вибратор будет казаться неподвижным. Если рукоятка центробежной маслины при этом делает больше одного оборота в секунду, то частота вибратора велика, а если меньше одного оборота в секунду, то частота мала.
Если частота колебаний больше требуемой, то ее уменьшают путем напайки олова; Можно олова напаять несколько больше, чем следует, а затем опиловкой его доводить вибратор до требуемой частоты. Если частота колебаний меньше требуемой, то укорачивают длину вибратора.
Один вибратор должен хорошо вибрировать под действием переменного тока промышленной частоты, остальные под действием переменного тока от магнитоэлектрической машины при соответствующей скорости вращения якоря. Если частота тока не соответствует частоте собственных колебаний вибратора, то язычок должен оставаться в покое. Этого достигают подбором числа витков обмотки, чтобы не вызвать вынужденных колебаний. 4
Внешние стенки ящика и каркасы катушек покрывают светлым лаком. Язычки вибраторов окрашивают в белый цвет. Внутренние стенки ящика делают черными. Буквы и цифры пишут белыми красками на стекле с обратной стороны.
Демонстрация принципа действия частотомера. Включают в обмотки катушек частотомера переменный ток от осветительной цепи, пониженный трансформатгром до четырех вольт. Язычок над катушкой с цифрой 50 приходит в колебание. Язычки над остальными катушками остаются в покое. Опыт показывает, что переменный ток от осветительной цепи имеет частоту 50 гц.
Катушки частотомера включают в цепь переменного тока магнитоэлектрической машинки. Якорь машинки приводят во вращение, постепенно увеличивая угловую скорость ведущего шкива передачи. При некоторой скорости язычок над катушкой с цифрой 20 придет в колебание. Это значит, что по цепи идет переменный ток с частотой 20 гц. Ускоряют вращение ведущего шкива. Язы
347
чок над катушкой 20 успокаивается. Увеличивая частоту вращения якоря, отмечают колебания с частотой 30 гц, а затем с частотой 50 гц.
Объясняют устройство прибора и устанавливают, что действие частотомера основано на явлении резонанса.
111. ВЫПРЯМИТЕЛЬ
1) Выпрямитель железо-алюминиевый. Простейший выпрямитель делают из железной банки емкостью 0,5 л. Банку закрывают
деревянной крышкой, в середину которой вставляют пробку. Сквозь пробку пропускают алюминиевый стержень — проволоку диаметром 3—4 мм, длиной 100 мм. Клеммы при-
Рис. 315.
бора укрепляют, как показано на рисунке 315.
В банку наливают 10-процентный раствор углекислого аммония или 7—8-процентный раствор двууглекислой соды.
Рис. 316.
Выпрямитель включают последовательно с прибором, требующим постоянного тока. Алюминиевый электрод является положительным полюсом.
2) Выпрямитель селеновый из четырех элементов; Четыре селеновых элемента монтируют на квадратной панели из изолятора. Размеры панели согласовывают с габаритами элементов. Монтаж производят латунными шинами шириной 6 мм, толщиной 0,5— 1 мм так, как указано на рисунке 316, а. Селеновые элементы прикрепляют к панели шурупами. Железные пластины элементов обращают к панели. Шины между собой соединяют четырьмя клеммами.
Селеновый выпрямитель пропускает ток, идущий от латунной пластины к железной, и почти не пропускает в обратном направлении. Поэтому если клеммы 1 и 3 (рис. 316, б) присоединить к источнику переменного тока, то от клемм 2 и 4 получают постоянный ток с двухполупериодным выпрямлением, идущий от железных пластин к латунным.
348
Использование приборов
1) Демонстрация выпрямления переменного тока выпрямителями. Установив шунт, гальванометр превращают в амперметр постоянного тока. К его клеммам подводят переменный ток от вторичной обмотки трансформатора с напряжением 4 в. Амперметр не реагирует на переменный ток.
В цепь последовательно включают один электролитический выпрямитель. Амперметр показывает ток. Обратив внимание на отклонение стрелки, можно определить направление выпрямленного тока (см. сноску на стр. 333). Узнают, что алюминий выпрямителя является анодом.
5
Рис. 317.
После этого переменный ток подают на зеркальный осциллограф и с помощью осветителя (4) и вращающейся призмы получают осциллограмму (стр. 16).
Если в цепь включить электролитический выпрямитель, то осциллограмма имеет вид, изображенный на рисунке 317, а.
Чтобы получить двухполупериодное выпрямление, включают в цепь выпрямитель из четырех элементов (рис. 316, б)
На экране получают осциллограмму тока (рис. 317, б).
112. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ДИСКАМИ
У электродвигателя на 4 в удлиняют ось. Выступающий конец оси нарезают. На нарезку навертывают шайбу диаметром 10 мм, толщиной 2 мм и гайку-барашек.
Делают три картонных диска: два диаметром по 120 мм и один диаметром 160—180 мм. Один малый диск с одной стороны разбивают на 20 равных секторов, десять из которых (через один) заливают тушью и десять оставляют белыми. С другой стороны этот диск разделяют по диаметру на две части, одну из которых делают черной, а другую — белой.
Второй малый диск разбивают на семь неравных секторов, которые окрашивают красками в семь спектральных цветов. Размеры секторов зависят от цвета красок. Путем неоднократных опытов надо добиться, чтобы при быстром вращении диск казался светло-серым.
349
Третий диск предназначен для демонстрации стробоскопических эффектов. В секторе этого диска с, дугой в 50° вырезают возможно большее окно.
Диск насаживают на ось двигателя.
Использование прибора
Диск, разделенный на две половины разного цвета, используют для демонстрации вращения, изменения скорости вращения якоря двигателя, например, в зависимости от величины тока.
Диск с цветными секторами используют для демонстрации сложения спектральных цветов.
Рис 318.
Пример использования диска с окном приведен на странице 407.
Применение диска с секторами (белыми и черными) описано в следующей демонстрации.
Демонстрация одной из особенностей переменного тока. Опыт производят в затемненном классе.
Включают неоновую лампу на 120 в в цепь постоянного тока. Наблюдают свечение газа у катода. Газ у анода под действием постоянного тока не светится. Неоновая лампа, питаемая постоянным током, испускает непрерывный ровный свет.
Освещают неоновой лампой диск1, насаженный на вал электродвигателя (рис. 318). Скорость вращения диска регулируют реостатом. При любой, но значительной скорости вращения диск кажется окрашенным в ровный серый цвет.
^ак как яркость лампы мала, то лампу надо располагать непосредственно у диска.
350
После-этого неоновую лампочку питают переменным током от осветительной сети. Так как у переменного тока напряжение периодически меняется от нуля до максимума, то безынерционная лампочка вспыхивает и гаснет 100 раз в секунду.
Освещают вращающийся диск неоновой лампой, питаемой переменным током. При постепенном увеличении скорости вращения диск сначала кажется серым, затем начинают быть видны секторы, которые при некоторой скорости вращения кажутся неподвижными. При дальнейшем увеличении скорости вращения секторы исчезают и затем вновь становятся видимыми.
Приборы мелкие и простейшие
1) Трубка металлическая на изолирующей ручке с куском резиновой пластины. Металлическую трубку диаметром 12—15 мм, длиной 150—200 мм туго насаживают на изолирующую ручку из оргстекла, эбонита или другого хорошего изолятора.
К трубке следует приобрести резиновую пластину размерами 200 мм X 200 мм X 3 мм.
При трении о резину металлическая трубка заряжается положительно, а резиновая пластинка — отрицательно.
2) Маятники электрические (2 шт.). Из папиросной бумаги склеивают две цилиндрические трубки различного цвета. Диаметр трубок — 10—12 мм, длина по 40 мм. К каждой трубке приклеивают бумажную ручку, к которой привязывают конец шелковой нити длиной 300 мм с петлей на конце. При опыте маятники подвешивают на проволочные надставки изолирующих штативов.
Каждый маятник хранят в пробирке (рис. 319).
Рис. 319.
3) Султаны электрические (2 шт.). Из папиросной бумаги двух цветов (например, красной и голубой) нарезают полоски шириной 4 — 5 мм, длиной по 300—340 мм. Одноцветные полоски по 25— 30 шт. соединяют серединами и прикрепляют к концу, металлического стержня диаметром 3 мм, длиной 200—230 мм. Для крепления полосок на конце стержня делают винтовую нарезку и приготовляют две шайбы толщиной по 3 мм, наружным диаметром 10 мм, с нарезанным отверстием посередине. Навернув на стержень одну шайбу, укладывают на нее середины полосок, распределив их равномерно. Затем насаживают шайбу из тонкой жести без резьбы и закрепляют второй толстой шайбой с резьбой.
Хранить султаны удобно в картонных трубочках..
351
Применение приборов. Султаны укрепляют в муфтах изолирующих штативов (83) и проводами присоединяют к одному или к двум кондукторам электрофорной машины. Расположение листочков заряженных султанов дает внешнее сходство с расположением силовых линий в электрическом поле. Следует помнить, что в опытах с султанами заряды не сосредоточены в месте соединения листочков, а расположены по всем листочкам.
4) Шарик пробный. В стальном шарике диаметром 7—8 мм сверлят несквозное отверстие диаметром 2 мм. В отверстие вставляют кусочек проволоки длиной 15 мм и припаивают. Кс* нец у проволоки закругляют.
Ручку для шарика делают из хорошего изолятора» Длина ручки—120 мм, толщина 5—6 мм. В торце ручки сверлят отверстие- для тугой пссадки стержня шарика на лак.
5) Провода соединительные с наконечниками (комплект). Комплект делают из многожильного гибкого провода диаметром 0,7—1 мм с механически прочной изоляцией. Концы проводов снабжают наконечниками, сделанными из латунного листа толщиной 0,3—0,5 мм по рисунку 320. Наконечники припаивают к проводам.
В комплект входят провода следующей длины: два провода длиной по 1 м, два провода по 500 мм, четыре по 250 мм и четыре по 150 мм.
6) Шнуры со штепсельной вилкой (2 шт.). Длина шнуров около двух метров. С одного конца шнур снабжают штепсельной вилкой. С другого конца шнур расплетают на 150 мм и на провода напаивают такие же наконечники, какими снабжены провода 5. Начало разветвления шнура закрепляют.
Предупреждение. Во избежание короткого замыкания сначала присоединяют наконечники к прибору и только после этого включают вилку в штепсельную розетку.
7) Провода технические (образцы на щите). На фанерном щите (рис. 321) укрепляют куски различных технических проводов. Конец каждого провода освобождают от изоляции. Если изоляция сделана в несколько слоев, то ее вскрывают ступенями.
Провода следует систематизировать по назначению. Против каждого провода надо поставить надпись, указывающую название, марку и назначение провода.
Щит окаймляют рамкой из узких планок, покрытых темным лаком.
352
8) Угли для электрической дуги. Угли диаметром 5—8 мм покрывают на одном конце медью (гальваническим путем). Плотно обвивают медной проволокой диаметром 2 мм в 8—10 витков покрытый медью конец и крепят угли в изолирующем штативе (83) (рис. 322).
Для демонстрации линейчатых спектров у нескольких углей по оси высверливают канал диаметром 2 мм, который набивают солями металлов. Желательно иметь угли с солями кальция, стронция, бария и др.
Рис. 321.
Демонстрация горения электрической дуги. Собирают установку приборов по рисунку 322. Рычажный реостат берут на 10 ом и на 8—10 а. На штативе подвешивают объектив от проекционного фонаря, врезанный в кусок картона, и устанавливают, как указано на рисунке.
Показав установку, закрывают дугу от учащихся экраном для фона (6) (на рисунке экран указан пунктиром). Включают реостат на полное сопротивление и соединяют цепь с осветительной сетью. Передвижением одного из штативов сближают угли до соприкосновения и тут же немного раздвигают их. Между углями вспыхивает очень яркая электрическая дуга. Обращают внимание учащихся на резкие тени.
Передвижением объектива получают на экране четкое изображение раскаленных концов углей и пламени в виде дуги.
Раздвигают угли до погасания дуги и снова ее зажигают сближением углей. Замечают, что при раскаленных углях потухшая дуга загорается без соприкосновения углей между собой.
Чтобы увеличить яркость дуги, сопротивление реостата можно уменьшить до 7—8 ом.
Для питания дуги постоянным током надо иметь источник тока напряжением 40—60 в при токе 6—10 а.
12 Заказ 1530 353
Рис. 322,
Рис. 323,
Демонстрация горения электрической > дуги под водой. Установку приборов делают по рисунку 323. Расстояние между углями устанавливают 2—3 мм и заполняют сосуд густо подкрашенной водой так, чтобы угли были погружены в воду на 5—6 см.
Включают цепь в осветительную сеть. Сближают угли до соприкосновения (небольшим передвижением одного из штативов) и тотчас разводят их. В воде вспыхивает электрическая дуга.
Рис. 324.
Вода сильно поглощает ультрафиолетовые лучи и ослабляет яркость дуги, поэтому на дугу под водой можно смотреть незащищенными глазами.
Опыт показывают всего несколько секунд, так как вода нагревается неравномерно и сосуд может лопнуть. При горении дуги в разные стороны разлетаются горячие брызги, поэтому надо быть осторожным.
Демонстрация линейчатого спектра. В станок для электрической дуги, помещенный в проекционный фонарь, ставят два обычных угля и на белом фоне настольного экрана (6) получают яркий сплошной спектр, развернутый во всю ширину экрана (рис. 11, стр. 18).
Затем нижний уголь заменяют углем, наполненным солью того или иного металла (стр. 353). При воспламенении дуги угли раздвигают на максимальное расстояние, при котором дуга еще не гаснет. На экране получают сплошной спектр с рядом более ярких полос, количество, расположение и цвет которых зависит от вещества, находящегося в угле. Сплошной спектр получается от раскаленных углей, а линейчатый — от паров солей.
12*
355
Следует показать два-три различных спектра испускания. Интересны спектры натрия, кальция, стронция, железа, меди, цинка и другие.
9) Канитель елочная с наконечниками (2 пучка). Из листовой латуни вырезают четыре наконечника (рис. 320). Концы пучка из 10—15 ниток елочной канители скрепляют наконечниками.
Пучки делают длиной по 400 мм.
Демонстрация движения проводника с током в магнитном поле. К клеммам одиночным (91) присоединяют концы пучка елочной канители (рис. 324). 'Пучок канители должен висеть свободно. К клеммам через реостат и переключатель (90, в) присоединяют провода от аккумулятора на 4—5 в.
При разомкнутой цепи к пучку канители подносят дугообразный магнит — он не оказывает на проводник никакого действия. Включают ток и демонстрируют движение канители в магнитном поле (рис. 324, а). Наблюдают изменение направления движения проводника с током при изменении направления тока и расположения полюсов магнита. Демонстрируют правило левой руки. Показывают влияние изменения величины тока в цепи на эффективность наблюдаемого явления.
Демонстрация обвивания мягкого проводника с током вокруг линейного магнита. В предыдущей установке сближают клеммы на расстояние 250 мм. Вблизи свободно висящего пучка канители располагают вертикально линейный магнит, зажав его нижний конец в лапку штатива (рис. 324, б). /
Включают ток. Канитель с током обвивается вокруг линейного магнита. Меняют направление тока — канитель обвивается вокруг магнита в обратном направлении.
Еще одна демонстрация с пучком канители описана на странице 340.
ПРИБОРЫ ПО КОЛЕБАНИЯМ, ВОЛНАМ И ЗВУКУ
113. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ
1) Шар на двух резинках для демонстрации 'различных видов колебаний. Из цемента делают шар (стр. 470) диаметром 70—90 мм. Еще лучше воспользоваться готовым деревянным шаром для игры в крокет. В диаметрально противоположных точках к шару при
крепляют две проволочные петли, к которым присоединяют резинки длиной по 300 — 350 мм. Шар раскрашивают в два цвета: одну половину в белый, другую в красный (рис. 326).
2) Маятник горизонтальный (комплект). Комплект состоит из упругой пластинки с отверстием на конце (полотно от ножовки по металлу) и двух грузов с прорезью для пластинки. Пластинку укрепляют горизонтально в лапке штатива. Груз закрепля-
ют на пластинке стопорным винтом
(рис. 325). Один груз делают массой 50 или 100 г, другой —200 г.
На рисунке даны ориентировочные размеры для груза 50 г.
Демонстрации
1) Примеры колебательных движений, возникающих под действием упругих сил. По рисунку 326, а собирают установку. Полоску с грузом выводят из состояния равновесия, отведя груз в сторону. Полоска с грузом приходит в колебательное движение, расположенное в горизонтальной плоскости.
Отводят в сторону шар, подвешенный на двух вертикальных резинках, и отпускают его. Шар приходит в колебательное движение по горизонтали.
Тот же шар оттягивают вниз (рис. 326, б) и затем отпускают его. Наблюдают колебание шара по вертикали.
357
Закручивают резинку, вращая шар. Демонстрируют крутильное колебание, которое хорошо видно благодаря двухцветной раскраске шара (рис. 326, в).
Из наблюдений видно, что показанные колебания через некоторое время прекращаются вследствие различных сопротивлений.
2) Зависимость периода колебаний от возвращающей силы и массы. На штативе укрепляют упругую полосу с грузом (рис. 327). Приводят груз в колебание. При .небольших амплитудах колебание горизонтального маятника гармоническое.
Рис. 326.
Вводят понятия элементов колебания: положение равновесия, смещение, амплитуда, частота и период. Сцепив динамометр (16) с концом упругой полосы и оттянув им груз в сторону на то или иное расстояние, дают понятие о возвращающей силе при том или ином смещении.
Затем демонстрируют независимость периода колебания от амплитуды (при малых амплитудах).
Большой груз заменяют малым и убеждаются, что частота колебаний маятника возросла. Еще больше возрастает частота колебаний, если с упругой полосы снять груз.
Динамометром определяют возвращающую силу, отклонив груз до стержня, укрепленного в другой лапке штатива параллельно неподвижному маятнику.
Укорачивают длину колеблющейся части полосы. Приведя груз в колебание, замечают значительное увеличение частоты колебаний. Оттянув груз динамометром, как и в первом случае, до стержня, видят, что при одинаковом смещении возвращающая сила значительно возросла.
358
Из этих опытов видно, что частота колебаний тем меньше, чем больше колеблющаяся масса и чем меньше возвращающая сила (при одинаковом смещении).
3) Демонстрация собственных и вынужденных колебаний; механический резонанс. Делают установку, как показано на рисунке 326, б. Демонстрируют собственные колебания системы по вертикальной прямой. Замечают частоту этого колебания.
Берут шар двумя пальцами и заставляют его совершать вынужденные колебания с различной частотой по вертикали.
Затем нижнюю резинку берут в руку и небольшими, но более частыми, чем собственная частота, колебаниями резинки вынуждают шар колебаться по тому же направлению. Шар вторит колебаниям резинки, но амплитуда его колебаний мала.
Выявляют разницу между собственными и вынужденными колебаниями.
Частоту колебаний руки доводят до собственной частоты колебания шара, замеченной в начале опыта. Амплитуда колебаний шара растет и становится много больше амплитуды колебаний руки.
Снова увеличивают частоту колебаний руки и вместе с тем увеличивают ее размах. Собственные колебания шара сейчас же сменяются вынужденными колебаниями с малой амплитудой.
В заключение полезно показать простой опыт, демонстрирующий разрушающее действие механического резонанса.
359
Подбирают узкую тонкую дощечку длиной около метра (можно взять дранку для штукатурки). Концами дощечку кладут на ящики-подставки (5). К середине дощечки привязывают груз, который заметно прогибает дощечку, но далеко недостаточен для ее излома (рис. 328).
Нажимают на гирьку концом жестяной ‘полоски. Дощечка прогибается больше, но не ломается. При попытке надавить жестяной полоской сильнее она гнется.
Рис. 328.
Слабыми толчками груза полоской вызывают резонансные колебания загруженной дощечки, которая при этом ломается.
Под гирю предварительно помещают мягкую подкладку, например подушку с песком (81).
Примечание. Колебания шара можно вызывать цри помощи кривошипного приспособления (стр. 370), установленного на центробежную машину. В этом случае центробежную машину помещают под шаром и нижний конец резинки соединяют с пальцем кривошипного приспособления.
114. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ГАРМОНИЧЕСКОГО КОЛЕБАНИЯ
Из фанеры толщиной 6 мм вырезают диск (рис. 329, а). К диску приклеивают деревянную шайбу диаметром 30 мм, толщиной 9 мм, а на нее шайбу диаметром 36 мм, толщиной 3 мм. В центре диска и шайб просверливают отверстие, в котором укрепляют железный стержень. На шайбу диаметром 30 мм надевают хомутик, согнутый из железной полоски толщиной 1 мм, шириной 8 мм. Лапки хомутика стягивают болтиком (рис. 329, б).
К хомутику припаивают две гайки, расположенные диаметрально. В одну гайку ввертывают стальной прут диаметром 3—4 мм, длиной 169 мм. Свободный конец прута загибают под прямым уг
360
лом и на нем укрепляют шарик (деревянный, цементный или стальной). В другую гайку ввертывают железный прут с грузом на конце, уравновешивающим шарик.
Хомутик сжимают так, чтобы шарик легко можно было вращать вокруг диска.
С лицевой стороны на диск наклеивают шкалу, вычерченную тушью по рисунку. Вдоль вертикального диаметра диска приклеи
вают рейку треугольного сечения. Боковые поверхности рейки покрывают белой краской — получают призматический экран.
Демонстрация элементов гармонического колебания. По обе стороны от прибора, на возможно большем от него расстоянии укрепляют два осветителя (4) с линзами (рис. 330). Осветители располагают так, чтобы тень от шарика падала на призматический экран, а тень от стержня, на котором насажен шарик, проецировалась бы на половине диска по возможности горизонтальной чертой.
Шарик устанавливают на О шкалы, а затем медленно и равномерно вращают вокруг диска. Учащиеся видят шарик, вращающийся равномерно по окружности, и теневую проекцию шарика на вертикальный диаметр, совершающую гармоническое колебание.
361
Останавливая шарик на том или ином делении шкалы, знакомят учащихся с периодом, частотой, смещением, амплитудой и фазой гармонического колебания.
Рис. ззо.
115. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА
Середину упругой стальной полосы зажимают между железными пластинками и прикрепляют шурупами к подставке (рис. 331), На концы упругой полосы насаживают передвижные одинаковые грузы массой по 30—40 г.
Демонстрация механического резонанса. Грузы на приборе устанавливают так, чтобы частоты колебаний каждого конца пластинки были одинаковы.
362
Заставив колебаться один из грузов, замечают, что вскоре раскачивается второй груз при затухании колебаний первого. Затем явление повторяется в обратном порядке.
Резонанс не возникает, если один из грузов передвинуть.
116. кинематическая модель для демонстрации сложения ДВУХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ ДВИЖЕНИИ
Общий вид прибора изображен на рисунке 332, а.
Вертикальный щит делают из доски или фанеры толщиной 9 мм.
Из проволоки диаметром 2—2,5 мм отрезают два куска длиной по 150 мм и один длиной 230 мм. Концы каждого куска заостряют.
50
Рис. 332.
На заготовленные проволочные куски свободно насаживают по одному тяжелому шарику диаметром 16—20 мм (стальному, свинцовому или сделанному из цемента с железными опилками). Шарик, насаженный на длинный кусок, имеет одну петлю, укрепленную близ проволоки. Остальные шарики имеют по две петли, укрепленные у противоположных концов отверстия. Проволоки сгибают в скобы и укрепляют на щите, как показано на рисунке
363
Стержни скоб располагают в 15 мм от поверхности щита. Щит покрывают черной краской. На черном фоне проводят ряд параллельных белых линий, расположенных поперек щита. Через середины скоб проводят линии толщиной 4 мм. По обе стороны от этих линий проводят линии толщиной по 2 мм.
На Юлии ниже верхних скоб в щит вбивают два гвоздика, шляпки которых отстоят от поверхности щита на 15 мм. К одному гвоздику привязывают прочную черную нить, которую продевают сквозь нижнюю петлю верхнего шарика, затем сквозь петлю нижнего шарика и сквозь нижнюю петлю второго верхнего шарика. Конец нити привязывают ко второму гвоздику с тем расчетом, чтобы нить была натянутой, если все шарики расположены на уровне толстых линий (рис. 332, а).
Сверху щита прикрепляют деревянную планку толщиной 5 мм (рис. 332, б). Поперек планки делают два желоба для нитей. Шарики уравновешиваются двумя противовесами: нить длиной около 300 мм одним концом привязывают к верхней петле верхнего шарика, пёрекидывают через планку за щит и на другом конце отягчают противовесом. Вес каждого противовеса равен двойному весу шарика. Система шариков и противовесов должна быть в равновесии и оставаться неподвижной без какого-либо закрепления.
Верхнюю планку красят в черный цвет. Один верхний шарик окрашивают в красный цвет, другой — в голубой. Нижний шарик делают белым.
Демонстрация сложения двух колебательных движений. Устанавливают шарики прибора на толстых линиях (рис. 332, а). Поднимая и опуская голубой шарик (оставляя красный неподвижным), видят, что белый шарик повторяет движения голубого. То же проделывают с красным шариком, оставляя голубой шарик неподвижным.
Затем поднимают и опускают голубой и красный шарики вместе на одинаковую высоту. Убеждаются, что белый шарик совершает аналогичные движения, но перемещается на удвоенное расстояние: белый шарик осуществляет сложение движений двух верхних шариков.
Поднимая голубой шарик и опуская красный, видят, что белый шарик производит алгебраическое сложение движений шариков голубого и красного (рис. 332, б).
117. ВИБРАТОР К ВАННЕ ДЛЯ ТЕНЕВОГО ПРОЕЦИРОВАНИЯ (3) С КОМПЛЕКТОМ НАКОНЕЧНИКОВ
Общий вид прибора, прикрепленного к стенке ванны, виден на рисунке 333, а.
Основанием прибора служит планка, сделанная из древесины твердой породы по рисунку 333, б. Поперек планки на одном ее конце имеется паз глубиной 2 мм, вырезанный по бруску на боко-364
вой стенке для теневого проецирования (3). На время опытов планку прикрепляют к бруску ванны болтом длиной 65 лии. Под головку болта и гайку следует подкладывать шайбочки.
К стальной полосе длиной 280 мм приклепывают упругую полосу длиной 85 мм (рис. 333, а). Полосы отстоят одна от другой на 4 мм. Нижнюю полосу делают более толстой, чем верхнюю.
На свободный конец длинной полосы .приклепывают металлический брусок с прорезью и стопорным винтиком для крепления
Рис. 333.
наконечников (рис. 333, в). Короткую полосу прочно прикрепляют болтиками к бруску, зажав ее конец между двух железных пластинок, на одной из которых укреплен стопорный винт для регулировки колебания верхней упругой полосы (рис. 333, г). Упругие полосы могут быть установлены в положениях, изображенных на рисунке 333, а. Благодаря этому волны можно возбуждать либо посередине ванны, либо у ее края.
К вибратору делают наконечники. Из жести толщиной 0,5 мм вырезают пластинки 25 ммх7 мм. К пластинкам припаивают проволочные держалки для одного, двух и шести возбудителей (рис. 334). Каплевидные возбудители диаметром по 6—7 мм делают из воска или сургуча и насаживают на концы держалок.
Из жестяной пластинки толщиной 0,5 мм вырезают наконечник для получения прямых волн.
Наконечник прикрепляют к вибратору стопорным винтиком. При установленном наконечнике и при неподвижном вибраторе
365
все возбудители должны быть наполовину своей высоты погружены в воду, налитую в ванну. При вибрации возбудители не должны отрываться от воды. Этим определяется высота всех наконечников.
Вес железного бруска для прикрепления наконечников устанавливают опытным путем: частота собственного колебания вибратора должна быть такова, чтобы образующиеся волны имели длину 20—30 мм. При линейном увеличении в три раза такие волны будут хорошо видны на теневой проекции.
Демонстрации
1) Распространение колебаний по поверхности воды. Устанавливают вибратор так, чтобы возбудитель колебаний был посередине ванны (3). С помощью осветителя (4) проецируют воду, налитую в ванну, на наклонный экран (2). Класс частично затемняют.
Легким толчком по вибратору приводят его в колебание. Наблюдают распространение колебаний по поверхности воды в виде кольцевых волн. Набросав на поверхность воды несколько мелких кусочков пробки, наблюдают, что волны не увлекают за собой плавающие тела. Это показывает, что частички воды не перемещаются вместе с волнами, а участвуют лишь в колебательных движениях поперек направления распространения волны.
2) Интерференция волн на поверхности воды. В ванну (3) наливают воду слоем около 1 см. К вибратору прикрепляют наконечник с двумя возбудителями, которые устанавливают посередине ванны. Проецируют поверхность воды на экран. Приведя вибра
366
тор в колебание, наблюдают синхронное возникновение волн в двух различных центрах и дальнейшее их распространение. Обращают внимание, что при пересечении волн возникает сетка, получившаяся вследствие сложения двух волновых процессов.
Указывают на пункты усиления и ослабления колебаний.
118. МОДЕЛЬ ДЛЯ ТЕНЕВОГО ПРОЕЦИРОВАНИЯ ВОЛН
Основанием прибора служит доска, по концам которой врезают стойки-подшипники, сделанные из фанеры толщиной 6 мм (рис. 335).
В стойках делают прорези для оси прибора.
Из фанеры толщиной 6 мм вырезают два диска диаметром по 125 мм. На дисках по окружности диаметром НО мм просверли
Рис. 335.
вают 16 отверстий, распределив их на одинаковых друг от друга расстояниях. Поперечник отверстий — 1,5 мм. Кроме того, по диаметру каждого диска, проходящего через два отверстия, просверливают дополнительно по 6 отверстий, расположение которых указано на рисунке.
На диски приклеивают по шайбе диаметром 20 мм, сделанной из фанеры толщиной 3 мм. В центре шайбы и диска сверлят отверстие для тугой насадки на ось.
Ось делают из проволоки диаметром 3—4 мм. Один конец оси загибают,' как указано на рисунке.
Шарики диаметром по 10 мм с отверстиями для насадки на нить (три из них насаживают на ось) в количестве 32 (или 48) шт. можно выточить из древесины или сделать из воска, сургуча, алебастра, цементной замазки^
На ось сначала насаживают один диск, затем три шарика и, наконец, второй диск. Диски насаживают шайбами наружу. Туго насаженные диски устанавливают на оси так, чтобы диаметры, на которых сделано по восемь отверстий, лежали в одной плос-
367
кости и чтобы ось вставлялась в подшипники возможно плотнее. Диски скрепляют с осью проволочными шпильками (для этого на оси сверлят отверстия, а на дисках по диаметру делают углубления). Шпильки располагают с внутренних сторон дисков.
Остальные шарики туго насаживают на нити, натянутые между дисками и укрепленные в отверстиях. На пятнадцать нитей, расположенных на цилиндрической поверхности, насаживают или по одному, или по два шарика; на шестнадцатую нить (считаемую впоследствии первой) соответственно насаживают 2 или 3 шарика. На шесть нитей, расположенных в одной плоскости, насаживают по два шарика.
На кромки дисков прикрепляют жестяные кольца, сделанные из полос шириной 20 мм. Кольца на 14 мм выступают за диски и закрывают шарики, прижатые к дискам.
Опыты с волновой моделью для теневого проецирования. С помощью осветителя (4) на экране получают теневое изображение прибора и вращением ручки демонстрируют следующие опыты (в 'трех первых опытах используют лишь шарики, расположенные на цилиндрической поверхности).
1) Гармоническое колебание одной частички. На середину нити выдвигают один шарик (остальные прижаты к дискам). На экране получают колебательное движение проекции шарика.
2) Гармоническое колебание двух частичек, находящихся в одинаковых или противоположных фазах. В первом случае устанавливают на одной нити два шарика на некотором расстоянии друг от друга.
Во втором случае устанавливают два 1парика на двух диаметрально противоположных нитях. Шарики располагают в двух плоскостях, перпендикулярных оси вращения.
3) Бегущая поперечная волна. На экране' можно демонстрировать одну или две волны. В первом случае шарики располагают по винтовой линии в один оборот (рис: 335). Во втором случае на первую нить выдвигают три шарика (один посередине и два по краям). На остальных нитях устанавливают по два шарика, располагая их по винтовой линии в два оборота.
4) Стоячая поперечная волна. Шарики, расположенные на нитях в одной плоскости, размещают по синусоиде. Остальные шарики убирают.
При равномерном вращении за ручку прибора на теневой проекции получают изображение стоячей волны поперечного колебания.
119. ПРУЖИНА ЦИЛИНДРИЧЕСКАЯ НА БИФИЛЛЯРНЫХ ПОДВЕСАХ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН
Стальную проволоку диаметром 1,5—2 мм туго навивают на цилиндр диаметром 70—80 мм (40—50 витков). Затем, взявшись за концы, пружину равномерно растягивают, чтобы расстояние 368
между витками было 40—45 мм (по всей длине одинаковое). Крайние витки пружины замыкают в кольцо.
Две деревянные планки длиной по 100 'мм соединяют двумя прочными шнурами (по 2 At). К шнурам подвешивают на прочных нитях каждый пятый виток пружины (рис. 336). Пружина должна висеть горизонтально и находиться ниже шнуров сантиметров на 30.
Демонстрация продольной волны с помощью цилиндрической пружины. Ударом ладони возбуждают продольные колебания край-
них витков, которые распространяются вдоль пружины. Довольно хорошо наблюдается бегущая волна и затем отраженная. Отраженная волна получается без потери полуволны при свободном конечном витке пружины и с потерей полуволны, если последний -виток закреплен (например, удерживают рукой).
Подобрав частоту ударов в свободный конец пружины, можно получить стоячую волну продольного колебания (другой конец пружины следует прикрепить к штативу).
120. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ СТОЯЧИХ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН
Прибор состоит из двух деревянных планок сечением 10 мм X х 15 мм, длиной по НО мм. В пяти миллиметрах от концов в каждой планке просверливают отверстия, в которых укрепляют концы двух резиновых жгутов сечением 9—12 лш2, длиной по 2—2,5 м. К одной планке в тех же отверстиях укрепляют концы бечевы длиной 350—400 мм. Посередине бечевы делают петлю для надевания на палец кривошипного приспособления. К резинкам прикрепляют на клей поперечные полоски из плотной белой бумаги шириной 15 мм. Расстояние между полосками 80 мм (рис. 338). Длина полоски — 120 мм (концы по 10 мм загибают для склейки).
36Э
Кривошипное приспособление (рис. 337) состоит из деревянной или металлической планки с продольной щелью, конусного штыря, закрепляемого в патроне центробежной машины, и передвижного болтика с шейкой на конце, укрепляемого в щели планки гайкой-барашком. Это устройство позволяет изменять шаг механизма от 35 до ПО мм. Все размеры указаны на рисунке. Штырь следует согласовать с размерами отверстия в патроне имеющейся центробежной машины.
Рис. 338.
Демонстрация стоячей волны продольного колебания. Одну планку прибора закрепляют вертикально в лапке штатива, бечеву другой планки, перекинутую через горизонтальный стержень штатива, надевают на палец кривошипного приспособления, закрепленного в горизонтально расположенном патроне центробежной машины (рис. 338). Резинки несколько натягивают.
370
Вращают центробежную машину, постепенно наращивая угловую скорость. Сначала наблюдают одну пучность и два узла. Затем возникают две, три и т. д. пучности с узлами между ними. Пучности и узлы хорошо видны, так как в пучностях полоски приходят в колебание вдоль резинок, а в узлах полоски неподвижны.
121. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ПРОДОЛЬНЫХ ВОЛН
Внешний вид прибора изображен на рисунке 339, а.
Основанием прибора служит доска толщиной 10 мм. Переднюю стенку делают из двух досок толщиной 10 мм, длиной 542 мм. Ширина нижней доски 67 мм, верхней 55 мм (рис. 339, б). С лицевой стороны доски связывают между собой поперечными планками размерами 5 мм X 22 мм X 130 мм. Между досками оставляют щель шириной 8 мм. У кромок досок, обращенных к щели, снимают фаски с лицевой стороны.
Рис. 339,
Переднюю стенку и основание скрепляют боковыми упорами, в которых вырезают пазы для оси барабана.
Ось с ручкой делают из стальной проволоки диаметром 3—4 мм9 длиной 624 мм. На ось насаживают диски из фанеры толщиной 6 мм в количестве 4—5 шт.
На диски надевают трубку, скатанную из проклеенной бумаги, и прикрепляют к дискам клеем. Толщина стенок трубки 3 мм.
371
На чертежной бумаге вычерчивают 19 синусоид, расположенных поперек прямоугольника, длина которого равна образующей цилиндра, а ширина — длине его окружности I (рис. 340). Прямоугольник расчерчивают прямыми, как указано на рисунке.
На плотном картоне вычерчивают синусоиду, длина периода которой равна ширине прямоугольника, а амплитуда — 25 мм. По кривой вырезают шаблон, пользуясь которым вычерчивают синусоиды, сдвигая шаблон v каждой последующей на — ширины
прямоугольника (в одном направлении). Линии синусоид делают толщиной 4 мм. Четвертую и шестнадцатую синусоиды выполняют красной тушью, остальные — черной.
Прямоугольник с синусоидами наклеивают на цилиндр, при этом начало каждой синусоиды должно совпасть с ее концом.
К прибору следует сделать дополнительно две бумажные трубки со стенками толщиной 1 мм, Трубки должны хорошо надеваться на основной цилиндр.
На одну дополнительную трубку следует наклеить лист с 19 синусоидами, также сдвинутыми одна относительно другой, но с амплитудой в два раза меньшей.
На другую трубку наклеивают лист с 39 синусоидами. Для этого лист разделяют не на 20 вертикальных полос (как указано на рисунке 340), а на 40. На полученной сетке вычерчивают синусоиды так же, как на дополнительной трубке (с амплитудой 12,5 мм). Длина демонстрируемой волны окажется в два раза
372
короче, чем в предыдущих случаях. На этом листе красной тушью вычерчивают четвертую, шестнадцатую и двадцать восьмую синусоиды.
Ширину дополнительных прямоугольников надо сделать равной длине наружной окружности дополнительных трубок.
Ось цилиндра, положенная в подшипники боковых упоров, должна быть параллельна щели, а поверхность цилиндра следует расположить возможно ближе к щели. Поэтому вырезы в боковых упорах для оси делают тогда, когда готов цилиндр и твердо известен его диаметр.
Лицевую сторону прибора окрашивают в белый цвет. Остальные части прибора можно покрыть светлым лаком.
Демонстрации
1) Демонстрация продольной волны на кинематической модели. Объяснив устройство прибора, вращают за ручку цилиндр, В щель видны отрезки синусоид — «частички», совершающие продольные гармонические колебания, которые распространяются вдоль щели в виде продольной волны. Показывают длину волны. Наблюдая за колебанием одной окрашенной «частички», можно найти амплитуду ее колебания.
Меняя на цилиндре прибора трубки с синусоидами, демонстрируют волны, имеющие иные длину и амплитуду.
2) Кинематическое изображение звуковых волн. Демонстрация колебания частичек и распространения продольных волн при помощи модели помогает учащимся создать образное представление о явлениях, происходящих в среде при распространении звука.
Демонстрируют различные по амплитуде волны и сопоставляют их с волнами различного по силе звука, но одинакового по высоте тона. Показывая »волны, различные по длине, проводят параллель с волнами звука, различного п^рвысоте тона, но одинаковой силы.
122. КИНЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ СЛОЖЕНИЯ ДВУХ ВОЛН
Общий вид прибора изображен на рисунке 341, а. При передвижении двух волновых*досок вдоль прибора верхние шарики, расположенные в два ряда, образуют две бегущие поперечные волны, отличающиеся одна от другой цветом шариков. Нижний ряд белых шариков показывает результирующую волну, возникшую при сложении двух верхних. При неподвижных волновых досках прибор позволяет демонстрировать в статическом состоянии различные фазы сложения волн.
Основанием прибора служит деревянная рама (рис. 341, б), которую делают следующим образом. Заготовляют две деревянные полки селением 6 мм X 45 мм, длиной 331 мм, не считая шипов. В полках просверливают отверстия, указанные на рисунке 341, в.
373
Диаметры отверстий г и. д соответствуют толщине проволочных длинных стержней, которые должны свободно перемещаться в отверстиях. В отверстиях е должны быть прочно укреплены
33/
Рис. 341.
проволочные стержни (короткие). Отверстия ж и з делают только в одной полке. Диаметр отверстия ж 4—5 мм, размеры отверстий з 4 мм X 12 мм, В этих отверстиях будут передвигаться нити, а потому кромки у них следует закруглить и поверхности стенок сделать гладкими.
374
На верхней полке укрепляют 26 проволочных небольших петель. На рисунке 341, в место крепления петли обозначено двумя точками.
Полки связывают между собой двумя стойками, сделанными по рисунку 341, б из доски или фанеры толщиной 9 мм. Высота стоек — 260 мм, ширина — 45 мм вверху и 120 мм у основания. В стойках делают окна для волновых досок, а также для шипов полок. Размер окон для досок 11 мм X 83 мм. Промежутки между окнами — 5 мм.
Раму собирают по рисунку 341, б на клей, причем в верхней полке имеются все отверстия, указанные на рисунке 341, в, а в нижней — лишь отверстия г, д и е. Основанием рамы служит доска размерами 120 мм X 331 мм (не считая шипов). Между двумя полками укрепляют вертикальный щит размерами 139 мм X X 331 мм, сделанный из жести и покрытый черной краской. Щит закрывает собой передвижные стержни (рис. 341, б).
Из стального прута диаметром 3 — 4 мм делают 26 стержней длиной по 230 мм и 13 стержней длиной по 154 мм. Из цементной замазки с железными опилками (стр. 470) делают 39 шариков диаметром 16 мм1. 13 шариков насаживают по диаметру на короткие стержни, по которым они должны свободно скользить. Остальные шарики укрепляют на конце каждого длинного стержня.
В каждом шарике около стержня ставят по проволочной петле, как указано на рисунке 343.
Свободные концы длинных стержней закругляют. Концы ко--ротких стержней с надетыми шариками укрепляют в отверстиях е и тем соединяют полки. Петли у скользящих шариков должны быть направлены к верхней полке.
Только после укрепления стержней с подвижными шариками полки можно окончательно соединить со стойками в, раму.
Из фанеры толщиной 9 мм выпиливают две одинаковые доски длиной по 1000 мм. Одна продрльная кромка каждой доски прямая, другая волнообразная (рис. 342, а). Длина волны равна 300 мм, амплитуда — 25 мм. В каждой доске укладывают три длины волны и оставляют концы по 50 мм с каждой стороны, необходимые для подведения волновой доски под стержни.
Волновую кромку досок следует покрыть металлом. Для этого из белой жести толщиной 0,2—0,3 мм вырезают полосу шириной 9 мм, длина которой равна длине волновой линии у доски плюс 20 мм. Ленту изгибают по ребру доски. Концы ленты прикрепляют гвоздиками к торцам доски, остальную часть прикрепляют к ребру доски тонким слоем цементной замазки (для чего соединяемые поверхности предварительно окрашивают масляной краской). Можно также припаять снизу поперечные жестяные полоски шириной 6—7 мм, длиной по 20 мм, расположенные на расстоянии 75—80 мм одна от другой. Тогда концы полосок пригибают
1 Цементные шарики можно заменить стальными.
375
к боковым стенкам доски и прибивают гвоздиками. Лапки полосок и головки гвоздиков надо утопить в доске, иначе они будут мешать передвижению волновых досок в окнах стоек.
На основании рамы укрепляют три направляющие рейки толщиной 8 мм. Ширина реек: у двух крайних по 15 мм, у средней 5 мм (рис. 341, б). Расстояние между направляющими равно ширине окон в боковых стенках. Между этими направляющими должны легко скользить нижние кромки волновых досок.
В собранном приборе каждая волновая доска, передвигаемая в своем пазу, управляет одним рядом стержней, которые не должны соскакивать с доски, застревать вверху или отставать при снижении от волнообразной поверхности доски.
Две доски с волнообразной кромкой соединяют между собой матерчатой лентой шириной 20—25 мм, длиной 1,1 м, как указано на рисунке 342, б. Один конец ленты прикрепляют окончательно, а другой — временно. Доски вводят в окна рамы с одной стороны прибора концами с прикрепленной лентой, примыкающей к внутренним поверхностям досок (рис. 342, а внизу). Доски устанавливают так, чтобы гребень средней волны у каждой доски нахо- ' дился посередине рамы. При этом волны, образованные двумя рядами шариков, совпадут друг с другом всеми своими точками. В этом положении досок ленту туго натягивают и окончательно прикрепляют к концу второй доски.
Шарики переднего верхнего ряда окрашивают в голубой цвет, шарики верхнего заднего ряда — в красный цвет и шарики нижние — в белый. Раму прибора и доски следует сделать черными.
Вынув волновые доски, шарики соединяют между собой прочными черными нитями, как указано на рисунке 343.
376
Нить длиной около полуметра привязывают к петле у стержня заднего ряда, пропускают сквозь петлю ближнего красного шарика, затем в продолговатое отверстие з, сквозь петлю нижнего шарика, в круглое отверстие ж, сквозь петлю голубого шарика и, наконец, привязывают к петле близ голубого шарика. При закреплении второго конца нить натягивают так, чтобы белый, шарик был приподнят от нижней полки на 3 лш, а цветные шарики лежали бы на верхней полке.
Таким образом поступают с каждой тройкой шариков.
Демонстрации
1) Демонстрация интерференции волн. В рамку прибора вставляют доску под стержни с голубыми шариками, которые располагаются по> кривой, копирующей волновую кромку доски. При передвижении доски видно, как голубые шарики образуют бегущую поперечную волну. Одновременно приходят в колебание и белые шарики, повторяющие волну голубого ряда шариков. Красные шарики при этом остаются неподвижными.
Вынув доску из-под стержней голубых шариков, помещают ее под ряд стержней с красными шариками. При повторении опыта наблюдают то же самое явление: белые шарики копируют колебания красных, а голубые остаются неподвижными.
Вставляют обе доски, оставив ленту вне рамы. Совмещают кривые досок и, передвигая обе доски как одно целое, наблюдают сложение двух волн с совпадающими фазами (рис. 341, б). Волна, образованная белыми шариками, составная. Ее компоненты показаны рядом голубых и красных шариков. Амплитуда результирующей волны равна сумме амплитуд слагаемых.
Знакомят учащихся со смещением фаз. Сдвигая понемногу одну доску относительно другой и затем передвигая их как одно целое, замечают, что постепенно уменьшается амплитуда колебаний у результирующей волны. При смещении фаз на 120° амплитуда результирующей становится равной амплитудам слагаемых волн, а при смещении на 180° результирующая превращается в прямую.
Во всех случаях длина результирующей волны равна длине волн слагаемых.
2) Демонстрация образования стоячей волны. Доски вставляют в раму концами, к которым прикреплена лента (доски удается вставить в раму лишь на часть их длины, так как лента примк
377
нет к простенку между окнами). Натягивая ленту, передвигают одну доску вперед, другую назад. Доски передвигаются в противоположные стороны с одинаковыми скоростями.
Верхние шарики образуют две волны, бегущие навстречу друг другу с одинаковыми скоростями. Эти волны являются составляющими стоячей волны, которую образует ряд белых шариков.
Останавливая доски в те или иные моменты, наблюдают различные фазы стоячей волны и соответствующее расположение ее составляющих.
123. БУТЫЛЬ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЗВОНКОМ
Прибор служит для демонстрации зависимости силы звука от плотности воздуха, окружающего звучащее тело.
Литровую бутыль белого стекла с толстыми стенками разрезают, как показано на рисунке 344. Горлышко бутыли прочно за-
Рис. 344.
крывают резиновой пробкой, сквозь которую пропускают два провода с эмалиевой изоляцией, смоченные сапоновым лаком. Посередине пробки туго вставляют небольшой кусок стеклянной трубки. В бутыли подвешивают на проводах небольшой электрический зво
378
нок так, чтобы он не касался стенок бутыли. Нижнюю часть бутыли склеивают с верхней клеем БФ-2. Место склейки туго обертывают резиновой лентой в два-три оборота и закрепляют резиновым клеем. Резиновое кольцо покрывают изоляционной лентой, обернутой в несколько слоев.
Демонстрация
Собирают установку по рисунку 344. Включают той. Ясно слышен звук, производимый звонком.
Приводят насос в действие. По мере разрежения воздуха звук от звонка слышен все слабее и в конце концов становится почти неслышным (звонок включают, прервав работу насоса).
Не прерывая действия звонка, осторожно впускают в бутыль воздух. По мере уплотнения воздуха в бутыли звук усиливается и достигает первоначальной громкости.
124. КСИЛОФОН
Ксилофон предназначен для ознакомления учащихся с музыкальной гаммой и октавой. Общий вид прибора изображен на рисунке 345, а.
Рис, 345.
379
Рамку для звучащих дощечек делают по рисунку 345, б.) Длину поперечных планок определяют опытом. На верхние ребра продольных планок наклеивают полоски сукна. В планки вбивают по восемь проволочных шпилек. Концы шпилек должны выступать над сукном на толщину звучащих дощечек.
Из сухой прямослойной еловой или сосновой дощечки делают рейку с несколько выпуклой одной поверхностью (рис. 345, в). Из этой рейки нарезают восемь дощечек, дающих при звучании октаву.
Длину первой дощечки (например, верхнего «до») подбирают опытным путем. Для этого отрезают дощечку длиной 130—160 мм и укладывают ее на ребра рамки между шпильками так, чтобы каждый выступающий конец был равен четверти длины дощечки. Вызывают звучание дощечки ударами по ее середине деревянным молоточком, сделанным по рисунку 345, г. Укорачивая дощечку, доводят тон ее звучания до верхнего «до» и несколько превышают этот тон. Затем берут дощечку длиной почти в два раза больше первой и таким же путем доводят ее до звучания нижнего «до» (также с некоторым превышением).
Найдя длины крайних дощечек, сверлятъ них отверстия диаметром 3 мм (рис. 345, в).
Надев крайние дощечки на шпильки, устанавливают длины поперечных планок и связывают рамку (рис. 345, б).
Длины остальных звучащих дощечек определяют по расстоянию между шпильками: длина дощечки должна быть в два раза больше этого расстояния.
Окончательную настройку делают поперечным надпилом посередине дощечки, производимым лобзиком снизу. Надпил надо производить очень осторожно, так как углубление надпила значительно понижает тон дощечки.
Настройку дощечек лучше всего производить по настроенному струнному инструменту или по камертону.
Можно сделать ксилофон на две октавы (с 15 звучащими дощечками). Размеры рамки для этого ксилофона придется соответственно изменить.
125. ЦИЛИНДРЫ ПОЛЫЕ РЕЗОНИРУЮЩИЕ (комплект)
Цилиндры делают из белой или черной жести толщиной 0,2— 0,3 мм. Наложенные друг на друга кромки жести соединяют пайкой. Комплект состоит из трех открытых цилиндров диаметром 50 мм. Высота цилиндров — 140 мм, 280 мм и 100 жж.
На цилиндр высотой 100 мм с достаточным трением должны надеваться первые два цилиндра. На нем делают пометки, до которых надо надевать остальные цилиндры, чтобы составной цилиндр резонировал на камертон, имеющийся в кабинете.
380
Демонстрация
Звуковой резонанс столба воздуха в полых цилиндрах. Подносят к отверстию составного цилиндра звучащий камертон (рис. 346, а). Цилиндр не усиливает звук камертона. Меняют общую высоту составного цилиндра и, пользуясь пометкой, добиваются значительного усиления звука.
Если камертон делает, например, 517 полных колебаний в секунду, то, считая скорость распространения звука близкой к 340 м/сек,
находят длину звуковой волны X = 0,66 м. Измерив высоту резонирующего столба воздуха в закрытом с одного конца цилиндре, находят, что она равна —.
4
Соединяя все три цилиндра, повторяют опыт. Находят, что на звук той же высоты резонирует еще столб воздуха высотой А X, то есть на ~ больше первого.
На ручку камертона надевают резиновую пробку и камертон зажимают в-лапку штатива. Ударом резинового молоточка возбуждают камертон и подносят к нему цилиндр длиной 280 мм с вставленным до пометки коротким цилиндром (рис. 346, б).
Столб воздуха в открытом полом цилиндре будет резонировать, когда длина его окажется равной —, в чем и убеждаются, измерив 2
длину цилиндра.
381
Приборы мелкие и простейшие
1) Молоточек резиновый для возбуждения камертонов.
Молоточек делают из большой резиновой пробки, насаженной па ручку.
2) Стержень с тремя маятниками. Прибор предназначен для демонстрации законов колебания маятника.
Делают деревянный прямоугольный стержень размерами 20 мм X10 мм X 280 мм. В 10 мм от конца и затем в 80 мм друг от друга в стержне сверлят три сквозных параллельных между собой отверстия диаметром по 2 мм. Подбирают три одинаковых по диаметру шарика (14—18 мм)'. один из них деревянный или цементный, а два стальных. Шарики просверливают по диаметру и подвешивают на нитях. Свободные концы нитей просовывают в соответствующие отверстия в планке и сверху закрепляют шпильками.
Два соседних маятника деревянный и стальной делают секундными и нити их закрепляют клеем. Третий маятник оставляют передвижным.
Указания к демонстрации прибора. Для демонстрации независимости периода колебаний от массы и амплитуды пользуются двумя секундными маятниками. Для демонстрации зависимости периода колебания от длины пользуются передвижным и соседним с ним секундным маятником для контроля. На нити передвижного маятника делают метки для быстрой установки маятника на требуемую частоту.
ПРИБОРЫ ПО ОПТИКЕ И СТРОЕНИЮ АТОМА
126. ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЗАКОНОВ ОСВЕЩЕННОСТИ
Общий вид прибора показан на рисунке 352.
Прибор состоит из двух реек 1 и 2 (рис. 347), соединенных между собой шарнирно. В точке соединения к рейке 1 прикреплен стальной стержень 3, предназначенный для крепления прибора в муфте штатива. Рейку 2 можно наклонить на тот или иной угол к гори-
Рис. 347.
зонту, определяемый по шкале 4, К рейке 1 прикреплен фотометр 5, состоящий из двух парафиновых брусков, разделенных между собой непросвечивающей бумагой. На рейку 1 насажен передвижной осветитель 6 с четырьмя одинаковыми лампочками по 3,5 в, 0,28 а. На рейку 2 насажен передвижной осветитель 7 с одной такой же лампочкой S. В осветитель 7 может быть вставлена собирающая линза 9, при этом волосок накала лампочки помещается в главном фокусе линзы.
Изготовление прибора. Устройство рейки 1 со стержнем 3 и шкалой 4 показано на рисунке 348, а. Рейку делают из фанеры
383
или дощечки толщиной 6 мм. Один конец рейки (на рисунке правый) имеет выступ в виде полудиска. К нему приклеивают диск диаметром 40 мм, вырезанный из фанеры толщиной 6 мм. Дощечку для круговой шкалы делают по рисунку 348, б из фанеры толщиной 6 мм. Дощечку приклеивают к диску так, чтобы центр круговой шкалы совпал с центром диска, а плоскость нижнего ребра
в
Рис. 348.
дощечки совпала с плоскостью нижнего ребра рейки. В общем центре шкалы, диска и рейки просверливают отверстие, в котором укрепляют железный стержень диаметром 10 мм, длиной 88 мм. Чтобы стержень не провертывался, к нему предварительно прикрепляют (на резьбе или пайкой) флянец толщиной 2—3 мм, внешним диаметром 30 мм, с тремя отверстиями для шурупов, которыми и скрепляют флянец со шкалой и рейкой.
Рейку 2 делают по рисунку 348, в. Левый конец рейки имеет вырез по окружности диаметром 40 мм. К стенке цилиндрического
384
выреза прикрепляют конец жестяной ленты толщиной 0,5 лии, длиной НО мм. В трех миллиметрах от свободного конца на ленте сверлят отверстие под болтик диаметром 3 мм. Этот конец на 6 мм загибают под прямым углом.
Рейку 2 приставляют цилиндрическим вырезом к диску рейки/. Лентой охватывают диск и натягивают ленту болтиком, который
Рис. 349.
удерживается в отверстии угольника из жести, прикрепленного на ребре рейки 2. Полученное шарнирное соединение реек должно обеспечить поворот рейки 2 около оси 3 на 180°.
При опыте стержень 3 укреп- <----------
ляют в муфте штатива, а рей- —
ку 1 располагают горизонтально. х
Рейка 2, поставленная наклонно, не должна сползать вниз. Если трение в шарнире недостаточно для удержания рейки в установленном положении, то прибегают к дополнительному торможению или стопорному приспособлению. Для этого сзади планки 2 устанавливают пружинящую скобу, сделанную из стальной проволоки. Эта скоба должна давить на заднюю поверхность шкалы 4 и тем удерживать рейку 2. Пружинящую скобу можно заменить скобой со стопорным винтом, поставленным там же.
Корпус для осветителя к рейке 1 лрлакя из жести толщиной 0,3 мм по рисунку 349, а. Он представляет собой прямоугольную коробку, открытую с одной стороны. В лицевой стенке коробки вырезают прямоугольное окно размерами 12 мм х 35 мм. В углах окна делают прорези по 4 мм и боковые кромки отгибают наружу Г-образными изгибами. Снизу окна к стенке припаивают уголок длиной 20 мм. Получают рамку, в которую вставляют цветное стек
13 Заказ 1530
385
ло (например, зеленое). Сверху коробки делают прорезь размерами 4 мм X 13 мм. К крышке корпуса припаивают угольник для насадки осветителя на рейку.
В корпус осветителя вставляют планку размерами 40 мм X X 13 мм х 6 мм с патронами для 4 ламп, сделанную по рисунку 349, б из дощечки или фанеры. Устройство патронов для ламп на 3,5 в, 0,28 а видно на рисунке. Винтовые спирали (для цоколя лампочек) свивают из медной проволоки диаметром 1,5—2 мм на стержне соответствующего диаметра. Контакты делают из шурупов диаметром 3 мм, острый конец у которых спиливают на плоскость и лудят. Под головки шурупов (кроме одного) устанавливают упругие латунные пластинки (рис. 349, в). Крайний контакт (без латунной подкладки) соединяют с дополнительным шурупом проводом, который врезают в боковую стенку дощечки. Спиральные части патронов соединяют между собсй (рис. 349, б).
В патроны ввертывают лампочки, которые, будучи включены параллельно, должны иметь одинаковую яркость. Лампочки можно уравнять по яркости дополнительными сопротивлениями.
Дощечку с лампочками укрепляют в корпусе, как указано на рисунке 349, г.
Скользящий контакт делают из латуни толщиной 3 мм в форме прямоугольника размерами 12 мм х 50 мм. К полученной пластинке припаивают изолированный провод.
Конец провода от патронов через отверстие выводят из корпуса. Если концы проводов присоединить к аккумуляторам напряжением 3,5—4 в, а контактную пластинку вставить в щель осветителя, как изображено на рисунке 349, г, то при опускании пластинки сначала должна дать свет вторая сверху лампа, затем третья, потом первая и, наконец, четвертая. Таким образом, можно включить одну, две, три и все четыре лампы.
Осветитель для рейки 2 изображен на рисунке 350. Из жести толщиной 0,3 мм делают прямоугольную коробку, у которой отсутствует часть стенок. Лицевая стенка имеется лишь длиной 25 мм. К коробке прикреплены уголки для насаживания осветителя на рейку.
В коробку вставляют дощечку размерами 40 мм х20 мм х 6 мм, на которой смонтирован один патрон для лампочки на 3,5 в, 0,28 а. Устройство патрона такое же, как и у первого осветителя. Размеры даны на рисунке. Против волоска лампочки в лицевой стенке делают вырезку шириной 10 мм, которую закрывают изнутри цветным стеклом, поставленным на цементную замазку.
К стенкам коробки изнутри припаивают желобки для удержания линзы (рис. 350). Очковую линзу + 8 диоптрий лучше иметь из оргстекла. От нее отрезают один сегмент, как указано на рисунке. Линзу можно вставлять в желобки и закреплять резиновой лентой, склеенной в кольцо и надетой на осветитель в этом месте.
Волосок лампы должен быть в главном фокусе линзы (в соответствующем месте закрепляют дощечку с лампой).
386
Фотометр делают из двух парафиновых прямоугольных брусков (рис. 351, а). Парафин должен быть однородным, без воздушных пузырьков. Поверхности брусков должны быть плоскими. Бруски соединяют друг с другом большими гранямй, между которыми по-
Рис. 350.
мешают черную непросвечивающую бумагу (от фотоматериалов). Закрепляют бруски оправкой, которую делают из жести толщиной 0,2—0,3 мм.
Рис. 351,
б
Из жести вырезают фигуру по рисунку 351, б, которую шурупами прикрепляют к рейке 1 так, чтобы ее середина совпала с осью стержня 3. Затем в оправку вставляют парафиновые бруски и загибают кромки оправки
На рейках рисуют шкалу (рис. 348). Каждое большое деление разделяют на десять равных частей поперечными штрихами толщиной 3 мм. На белом фоне наносят черные штрихи, на черном —
13* 387
белые. Верхние части реек оставляют неокрашенными — их натирают воском. На дощечке 4 (рис. 347) наносят штрихи круговой шкалы, которые делают по верхней кромке рейки 2 при соответствующем угле наклона. По штрихам вырезают мелкие канавки шириной 2 мм, которые закрашивают черной краской. Поверхность дощечки 4 зачищают и натирают воском. Металлические части осветителей окрашивают черной краской как снаружи, так и внутри. Черной краской покрывают и дощечки, на которых смонтированы патроны для лампочек.
При хранении прибора осветители снимают с реек, а рейку 2, повернув на 180°, совмещают с рейкой 1.
Демонстрации
1) Демонстрация первого закона освещенности. Собирают установку по рисунку 352 (правый осветитель оставляют неподвижным).
Опыт проводят в затемненном классе. Включают по одной лампочке с каждой стороны фотометра — обе половины фотометра освещены одинаково. Перемещением лампочки убеждаются, что освещенность зависит от расстояния фотометра до осветителя.
(8 Z5 Д75
Рис. 352.
Отодвигают осветитель с четырьмя лампочками от фотометра на расстояние двух больших делений. Освещенность уменьшилась. Но во сколько раз? Количественно определить отношение освещенностей двух половин фотометра глазом нельзя.
Включают в осветителе (на рисунке слева) две лампочки. Очевидно, освещенность экрана удвоилась, но левая часть фотометра остается темнее правой. То же самое наблюдают, если включить три лампочки. Включают четыре лампочки. Теперь освещенность экрана с левой стороны увеличилась в четыре раза и сравнялась с освещенностью правой стороны. Отсюда следует, что при удалении источника света в два раза освещенность экрана уменьшилась в четыре раза.
388
Опыт можно повторить, оставив включенными три, затем две лампочки слева и одну справа. При одинаковой освещенности фотометра с обеих сторон осветитель с тремя лампочками окажется отстоящим от фотометра на расстоянии у~з" деления (около 1,75), а осветитель с двумя лампочками — на расстоянии гЛз* деления (около 1,4)г.
2) Демонстрация второго закона освещенности. Установка приборов такая же, как и в опыте 1.
В осветитель на правой планке устанавливают линзу. Передвигают четыре включенные лампочки по левой планке и устанавливают одинаковую освещенность фотометра с обеих сторон.
Отдаляют лампочку с линзой от фотометра—освещенность экрана при этом не меняется, так как лучи параллельны. Установив лампочку с линзой, например, в конце первого деления, начинают поднимать конец правой планки (рис. 347). Наблюдают, что чем больше угол падения лучей на фотометр, тем меньше становится его освещенность.
Чтобы найти числовую зависимость между освещенностью и углом падения лучей, поступают следующим образом.
Снова устанавливают планки горизонтально и убеждаются, что освещенность фотометра с обеих сторон одинакова. Затем слева оставляют включенными три лампочки. Освещенность фотометра слева будет равна 0,75 первоначальной. Поворачивают правую планку вверх до тех пор, пока освещенность фотометра с обеих сторон не сравняется. Опыт покажет, что это случится, когда угол падения будет равен 41°, так как cos 4Г24'^ 0,75.
Слева оставляют включенными две лампочки. Освещенность фотометра слева будет равна 0,5 первоначальной. Снова поворачивают правую планку. Освещенность фотометра с обеих сторон сравняется тогда, когда угол падения лучей будет равен 60°, так как cos 60° = 0,5.
Наконец, слева оставляют одну включенную лампочку. Освещенность остается 0,25 первоначальной. Опыт покажет, что освещенность фотометра будет одинаковой с обеих сторон, когда угол падения лучей окажется равным 75°30', так как cos 75°30' = 0,25.
При демонстрации следует руководствоваться указаниями в сноске.
127. ДИСК ОПТИЧЕСКИЙ С ПРИНАДЛЕЖНОСТЯМИ
Прибор состоит из диска с наклеенной на него градусной шкалой (рис. 353). Шкала имеет демонстрационные деления, нанесенные через 10° и мелкие через 2°.
1 Следует устанавливать осветитель на вычисленных делениях шкалы и убеждаться в равенстве освещенностей, а не наоборот, так как наш глаз недостаточно точно определяет момент наступления равенства освещенности.
|4 Заказ 1530
389
Прибор снабжен осветителем, который состоит из трубы очковой собирающей линзы 2, пробки 3 с патроном и электрической лампочкой на 3,5 в, волосок накала которой помещен в главном фокусе линзы. Перед линзой расположена щель шириной в 2,5 мм.
Осветитель прикреплен к бруску 4, расположенному сзади диска и насаженному на стержень. Свободный конец бруска снабжен противовесом 5, уравновешивающим
3
Рис. 353.
осветитель.
Осветитель можно вращать вокруг диска и устанавливать в любом месте шкалы. Ось осветителя несколько наклонена к диску, при этом осветитель дает на диске яркую узкую освещенную полосу.
Осветитель прикреплен к бруску 4 так, что луч всегда направлен через центр диска.
Оптику прикрепляют к диску при помощи резиновых петель.
Изготовление прибора. Вырезают два диска диаметром по 280 мм: один диск из фанеры толщиной 9 мм, другой— из трехмиллиметровой фанеры. У первого диска снимают с одной стороны кольцевую кромку шириной 10 мм, глубиной 1 мм, для чего ножевым циркулем делают круговой надрез (стр. 465) и снимают один слой фанеры. Поверхность среза хорошо зачищают. Диски склеивают — полу-
чается диск с кольцевой щелью по окружности шириной 1 мм, глубиной 10 мм (рис. 354, а). Для сушки клея диск помещают под пресс.
На хорошей чертежной бумаге вычерчивают тушью шкалу, скопировав ее в увеличенном виде с рисунка. Диаметр шкалы должен равняться 280 мм. Готовую шкалу вырезают по окружности и на-
клеивают на лицевую поверхность диска столярным или казеиновым клеем.
Для предохранения диска от деформации, которую может вызвать наклейка шкалы, с обратной стороны надиск наклеивают такую же бумагу и диск помещают снова под пресс. Поверхность готового диска должна быть совершенно ровной и плоской.
Со стороны тонкого слоя фанеры к диску приклеивают малый диск (см. рисунок), сделанный из фанеры. Центры при склейке совмещают.
В центре склеенных дисков сверлят отверстие глубиной 17— 18 мм (не просверлить насквозь и не повредить шкалу!). В отверстие туго забивают конец железного стержня или, сделав на стержне резьбу, ввертывают его в диск. Стержень можно укрепить при
390
помощи флянца, соединенного со стержнем пайкой или резьбой, а с диском — шурупами.
Для осветителя приобретают собирающее очковое стекло 10—12 диоптрий или две линзы по 5—6 диоптрий. По размерам линзы1 делают картонную трубку, накатав на цилиндр соответствующего диаметра бумагу и хорошо проклеив ее столярным клеем. Толщина стенок трубки должна быть 2—2,5 мм, а длина — больше фокусно-
Рис. 354.
го расстояния линзы на 40 мм. Трубку обрезают строго перпендикулярно к ее оси. С одного конца в трубку вклеивают картонное кольцо шириной 5—6 мм, углубив его на 5 мм от кромки. На кольцо укладывают линзу и укрепляют ее таким же кольцом, вклеенным в трубку. Если линза вогнуто-выпуклая, то выпуклую поверхность обращают внутрь трубки.
Вставив линзу, конец трубки заклеивают картонным диском с вырезанной по диаметру щелью шириной 2,5 мм.
К другому концу трубки делают деревянную цилиндрическую пробку высотой 30 мм, плотно входящую в трубку. В центре проб
1 Линзу следует приобрести плексигласовую и уменьшить ее диаметр до 20 мм.
14*
391
ки устанавливают патрон для электрической лампрчки на 3,5 в (устройство патрона см. на стр. 386). Провода от патрона выводят на торец пробки к двум небольшим клеммам или просто заканчивают мягкими проводами, припаянными к выведенным концам.
Снаружи и внутри осветитель оклеивают черной матовой бумагой. Пробку с лампочкой устанавливают в трубке осветителя.
Для укрепления осветителя к диску делают деревянный брусок сечением 20 мм X 20 мм, длиной 330 мм (рис. 354, б). На бруске сверлят отверстие по стержню диска. В 110 мм по обе стороны от него сверлят два отверстия диаметром 7—8 мм и делают вырез глубиной 7 мм, шириной 42 мм.
Из листового железа или латуни толщиной 0,5—0,6 мм вырезают две пластинки по рисунку 354, в и загибают их по пунктирам. Получают две скобы. Скобы располагают на противоположных концах диаметра диска, причем загнутые крючком концы вставляют в кольцевой зазор. На железный стержень диска надевают брусок осветителя; концы его вводят между щеками скоб. Скобы прикрепляют к бруску шурупами. Делают две цилиндрические пружинки с наружным диаметром 5—6 мм, свитые из стальной проволоки диаметром 0,5—0,7 мм и затем растянутые. Пружинки длиной 25— 27 мм вставляют в отверстия в бруске и закрепляют с помощью металлических пластинок шурупами. Пружинки давят на язычки скоб и создают достаточное трение при вращении бруска.
Осветитель прикрепляют следующим образом.
К трубке осветителя приклеивают столярным клеем деревянную прокладку размерами 10 мм X 20 мм X 30 мм. Грань, прилегающую к осветителю, делают желобком по трубке. Из металлической полосы толщиной 0,6—0,8мм, шириной 30 лш и длиной 180лм< делают скобу, охватывающую трубку осветителя, прокладку и конец бруска (см. рис. 354, б). Скобу ставят на лак, прикрепляют шурупами к прокладке и болтиком к бруску. Установив осветитель на место, располагают щель перпендикулярно к диску, а волосок лампочки — параллельно щели. Регулируют наклон осветителя к диску, чтобы луч от осветителя проходил строго через центр и пересекал весь диск. В этом положении скобу закрепляют дополнительным шурупом (рис. 354, б). К другому концу бруска прикрепляют груз, уравновешивающий осветитель. Установка осветителя, произведенная один раз, не должна нарушаться при работе с прибором.
В диске сверлят четыре сквозных отверстия диаметром по 3 мм. Расположение отверстий указано на рисунке 354, а. В эти отверстия продевают концы резинки и связывают их сзади диска. Получают резиновые петли, которыми закрепляют оптику.
Плоское зеркало. Из зеркала тонкого стекла вырезают пластинку 20 мм X 85 мм, которую прикрепляют цементной замазкой к деревянному бруску размерами 12 мм X 20 мм X 85 мм. Можно сделать зеркало самим, посеребрив пластинку стекла (стр. 471).
.392
Прозрачный полуцилиндр. При наличии токарного станка по металлу с самоцентрирующим трехкулачковым патроном полуцилиндр можно выточить из оргстекла толщиной 10—15 мм.
Диаметр полуцилиндра равен 85 мм. Цилиндрическую поверхность после обточки полируют на станке. Одно основание полуцилиндра делают матовым; на нем наносят черту, строго перпендикулярную к плоскому срезу и проходящую через центр полуокружности. Плоский срез по диа
метру полируют или разогретый прижимают к зеркальной плоскости (стр. 469).
Прозрачные пластинки.
Пластинки (так же как и полуцилиндр) лучше всего иметь промышленные (от оптической шайбы или прибора по оптике Глазырина). Однако при отсутствии промышлен-
ных пластинки можно сде-
лать из оргстекла толщиной Рис. 355,
10—15 мм по рисунку 355.
Ванна стеклянная плоская. Ванну делают из двух оконных стекол размерами 330 мм х 200 мм. Между стеклами по трем кромкам прокладывают резиновый жгут или трубку такой Толщины, чтобы расстояние между стеклами оказалось равным 10 мм. Можно широкую толстостенную трубку разрезать вдоль и в ее полость вложить более узкую резиновую трубку или жгут.
Из жести толщиной 0,5—0,7 мм вырезают полосу, ширина которой равна расстоянию между внешними плоскостями сжатых между собой стекол, а длина—730 мм. На нее напаивают поперечные полоски шириной 10 мм, длиной по 30 мм с закругленными углами. Поперечные полоски загибают и тем скрепляют стекла (рис. 359). Такое крепление позволяет легко вынуть стекла и промыть их без разгибания лапок.
В вертикальном положении ванна удерживается двумя ножками, припаянными к жестяной скобе. Жестяные части ванны покрывают асфальтовым лаком.
Демонстрации
1) Наблюдение одновременного преломления и отражения света. Установка прибора показана на рисунке 356, а.
Затемняют класс и включают в осветитель ток от аккумулятора на 5 в. Наблюдают отражение и преломление пучка лучей1. Изменяя направление падающего луча перемещением осветителя, наблюдают изменение направления преломленного и отраженного лучей.
1 Дал ее во всех опытах с оптическим диском выражение «пучок лучей» заменено ради краткости словом «луч»»
393
В этом опыте не преследуется цель разъяснения условий преломления и отражения света, поэтому не следует заострять внимания на том, что из полуцилиндра луч выходит в воздух без преломления.
Примечание. Одновременное отражение и преломление света можно показать при помощи узкого пучка света, полученного от осветителя (4), иванны-аквариума (8) с подкрашенной или замутненной мылом водой. Воздух над водой следует задымить. Луч от осветителя (стр. 12) располагают, как показано на рисунке 356, б, и направляют на поверхность воды при разных отклонениях от вертикали.
2) Отражение света направленное и рассеянное. Установка приборов такая же, как и в предыдущем опыте, но на диске вместо полуцилиндра устанавливают горизонтально плоское зеркало (рис. 357). Обращают внимание на то, что отраженный от зеркала
луч имеет такую же ширину и почти такую же яркость, как и луч падающий. Луч отражается от зер-ккала по вполне определенному направлению.
Рис. 356.
На зеркало помещают полоску черной бумаги. Теперь падающий луч света не отражается — диск над зеркалом остается темным. Заменяют черную бумагу белой — диск над бумагой становится заметно светлее. Так как при этом освещается почти вся верхняя часть диска, расположенная над бумагой, то, очевидно, белая матовая поверхность отражает падающие на нее лучи по всевозможным направлениям (рассеянное отражение).
3) Закон отражения света. Луч от осветителя направляют перпендикулярно к поверхности зеркала. Отраженный луч совпадает с падающим. В наличии отраженного луча убеждаются, отклонив осветитель несколько в сторону.
394
к зеркалу в точке падения
Рис. 357.
Отклоняют падающий луч на некоторый угол, называемый углом падения. Убеждаются, что угол отражения равен углу падения (необходимо следить, чтобы луч падал каждый раз на зеркало в центре диска, то есть в точке, где перпендикуляр О—О пересекается с отражающей поверхностью зеркала).
Луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным луча. Это видно из опыта, так как все указанные элементы расположены в одной плоскости диска. Кроме того, можно прямоугольным листом бумаги закрыть ту четверть диска, где проходит отраженный луч. Если бумагу прижать плотно к диску, то отраженный луч виден на всем листе. Если бумагу вывести из плоскости диска, повернув ее немного около диаметра О—О, то отраженный луч будет виден лишь около зеркала (рис. 357).
4) Законы преломления света. Прозрачный полуцилиндр укрепляют на диске, как показано на рисунке 356, а.
Луч от осветителя направляют по диаметру О — О. Луч входит в стекло и выходит из него без изменения направления.
Отклоняют осветитель от перпендикуляра О—О. Луч падающий и перпендикуляр О — О образуют угол падения. Угол между преломленным лучом и перпендикуляром О — О есть угол преломления. Изменяя угол падения, каждый раз наблюдают изменение угла преломления. Величины углов падения и соответствующих углов преломления записывают (углы преломления определяют по шкале, так как из стекла луч выходит без преломления).
Осветитель можно установить внизу диска и направить луч снизу вверх по диаметру О — О.
Постепенно отклоняя падающий луч от перпендикуляра О — О, наблюдают, что, входя в полуцилиндр, он не меняет направления, так как всегда падает перпендикулярно к цилиндрической поверхности. Но когда луч из стекла выходит в воздух, то он отклоняется, причем удаляется от перпендикуляра О — О, Угол преломления оказывается больше соответствующего угла падения (рис.358, а). Записывают несколько углов падения и соответствующие углы преломления.
395
Кроме преломляющего луча, в опытах будут видны и отраженные лучи, но они сейчас рассмотрению не подлежат.
Найдя по таблицам значения синусов записанных углов, устанавливают закон преломления света и дают понятие о показателе преломления.
Указания. Во второй половине опыта отклонение осветителя от вертикали следует ограничить углами, при которых не будет иметь место полное отражение: в этих опытах показывать его преждевременно.
Рис. 358.
Преломление света можно показать при помощи диска и плоской ванны (стр. 393). К диску вплотную подставляют ванну с водой, подкрашенной флюоресцином. Диск располагают так, чтобы диаметр 90 — 90 совпадал с поверхностью воды в ванне (рис. 358, б).
Вместо воды в ванну можно налить, например, керосин и определить его показатель преломления (керосин в ванне надо держать недолго и после опыта ванну тщательно промыть водой).
5) Демонстрация неодинаковой преломляемости различных прозрачных сред. Треть плоской ванны заполняют замутненной водой, вторую треть — керосином. Воздух над керосином заполняют дымом. Луч от осветителя направляют в ванну сначала перпендикулярно, а затем наклонно к поверхностям жидкости. Во втором случае луч дважды преломляется, что хорошо видно сквозь боковую стенку ванны (рис. 359).
6) Демонстрация полного внутреннего отражения. Опыт проводят с установкой, показанной на рисунке 358, а. Увеличивая угол падения, замечают увеличение яркости отраженного луча.
396
При угле падения, большем предельного, луч полностью отразится от поверхности стекла.
По шкале определяют предельный угол — угол падения, при котором угол преломления равен 90’.
Рис. 359.
Этот опыт (без нахождения предельного угла) можно провести при помощи ванны-аквариума (8), зеркала на шарнире (стр. 415) и осветителя (4).
Установка приборов и опыт понятны из рисунка 360.
Рис. 360.
7) Ход лучей сквозь пластинку с плоскопараллельными гранями. Устанавливают на диске трапецевидную пластинку матовой стороной к диску (рис. 361, а).
Направляют луч перпендикулярно к плоскопараллельным граням пластинки—луч проходит сквозь пластинку без преломления.
Направляют падающий луч под углом к перпендикуляру О—. О. Луч после двойного преломления выходит из пластинки в воз
397
дух параллельно прежнему направлению. Чем больше угол падения, тем больше смещение выходящего луча.
8) Отклонение лучей призмой. Уголок из полосок черной бумаги приклеивают с матовой стороны к прозрачной пластинке, как указано на рисунке 361, б. Полоски располагают перпендикулярно граням.
Луч света (рис. 361, б) падает на грань угла в 30° и после двойного преломления выходит из призмы. Поворачивают пластинку
Рис. 361.
вокруг центра диска и наблюдают, как меняется отклонение луча призмой в зависимости от угла падения. Находят, что наименьший угол отклонения (угол у между диаметром О — О и вышедшим из призмы лучом) наблюдается тогда, когда угол входа луча в призму а равен углу выхода из призмы р. Записывают преломляющий угол (30°) и угол наименьшего отклонения у, определенный из опыта.
Повторяют опыт, использовав у пластинки угол в 60°. Убеждаются, что наименьший угол отклонения тем больше, чем больше преломляющий угол призмы.
Если имеются одинаковые по форме пластинки из стекла и оргстекла, то можно обнаружить, что минимальный угол отклонения зависит также от показателя преломления вещества призмы: он тем больше, чем больше показатель преломления этого вещества.
9) Демонстрация получения отпечатка с негатива на фотобумаге. Затемняют класс и с помощью фонаря проецируют нега
398
тив (9 см X 12 см или 6 см X 9 см) на белый лист бумаги 18 смх X 24 см, укрепленный на черной поверхности экрана для фона (6). Обращают внимание, что на негативе темные места те, которые у
оригинала были светлыми. Устанавливают на корпусе осветителя красный светофильтр и включают ток в осветитель (4) (рис. 362, а). Затем гасят проекционный фонарь и лист фотобумаги 18 см X 24 см накалывают кнопками на белый лист бумаги фотоэмульсией наружу (не сдвинуть экран!). Включают проекционный фонарь на экране на определенное количество секунд1. Обращают внимание, что на бумаге не видно следов воздействия света. Фотобумагу снимают с экрана и опускают в ванну с проявителем, освещенную красным светом (рис. 362, б). Сквозь стеклянную стенку ванны учащиеся
1 Необходимо до урока определить продолжительность экспозиции для данного негатива, размера отпечатка, сорта бумаги и источника света. Для этого отрезают от листа узкую полоску и печатают на ней часть негатива с различной экспозицией. После проявления полоски нетрудно определить правильную экспозицию.
399
наблюдают за процессом проявления. Когда на бумаге появилось четкое изображение отпечатанного, проявитель из ванны выливают, промывают ванну и отпечаток водой, а затем в ванну наливают закрепитель. На уроке можно закрепление ограничить тремя минутами. После этого зажигают в классе свет, снимок промывают в воде и показывают учащимся.
Спроецировав негатив на белый экран, сравнивают его с отпечатком, расположенным рядом и освещенным белым светом осветителя.
128. ПЕРИСКОП
Общий вид прибора показан на рисунке 363, б. Корпус прибора делают из фанеры по рисунку 363, а.
ЮЗ
Рис. 363.
К внутренним угольникам прикрепляют два плоских зеркала размерами 30 мм X 70 мм. Внутренние стенки прибора покрывают черной краской. Снаружи прибор раскрашивают в два цвета: одну половину по высоте в белый, другую в зеленый. Лицевую сторону перископа полезно застеклить. Полоски стекла прикрепляют к прибору жестяными скобочками.
Демонстрация хода лучей в зеркальном перископе. На рисунке 363, б указана установка приборов. Воздух в перископе и около него задымляют. Выходящий из перископа луч можно принять на экран.
После двойного отражения изображение в перископе остается прямым. Это можно показать следующим образом. Щель у осветителя заменяют диафрагмой. Входное отверстие у перископа закры-400
вают картоном с двумя горизонтальными щелями шириной по 3 — 4 мм, расположенными в 20 мм одна от другой. В перископе видны два параллельных луча, которые после двойного отражения выходят также параллельными. Закрывая один из лучей или лучше окрашивая один луч слабым светофильтром, замечают, что расположение лучей при выходе из перископа остается неизменным.
129. НАБОР СФЕРИЧЕСКИХ ЗЕРКАЛ И ЛИНЗ В ОПРАВКАХ ДЛЯ ПОДВЕШИВАНИЯ НА ЭКРАН (6)
Приобретают очковые линзы из оргстекла: две собирающие (одна 4 диоптрии, другая 8 диоптрий) и две рассеивающие (такой же оптической силы).
Каждую линзу по диаметру разрезают лобзиком. Срезы вырав-
нивают напильником.
По одной половинке собирающей диоптрии серебрят (способ покрытия оргстекла серебром описан на странице 471). Полулинзы прикрепляют на цементной замазке (стр. 470) к оправкам, сделанным по рисунку 364 из жестяной полоски толщиной 1 мм, шириной 4 мм. После прикрепления оптики оправки покрывают черным нитролаком. Оптика навешивается на ребро белого экрана (6). Она должна плотно прилегать к экрану срезами. На экран следует помещать горизонтально расположенную белую жестяную полоску
с черными пометками, отстоящими друг от друга на фокусных расстояниях линз в 8 диоптрий (рис. 365 — 370).
Общие указания к демонстрациям. Набор линз и зеркал может
быть широко использован для демонстрации хода лучей в оптике. Источником света служит осветитель (4). Пучок лучей при этом
направляют под очень малым углом к плоскости экрана.
На рисунках 365 и 366 показано использование сплошного пучка параллельных лучей от осветителя (стр. 15); рисунки 367, аиб Знакомят с использованием сплошного пучка сходящихся лучей (стр. 15). Перемещая линзу вдоль экрана, наблюдают за передвижением сопряженных фокусов. Пометки на полоске облегчают делать соответствующие выводы.
Опыты можно демонстрировать с тремя «лучами»: двумя боковыми и одним идущим по главной оптической оси яинзы. Для этого пучок лучей, идущих от осветителя, перекрывают у конденсора специальной диафрагмой, вырезанной из плотной черной бумаги (рис. 368, а). Можно использовать лучи, идущие только по одну
401
। nt ।. iiitiimumHiiimiiiiitiiiiiimitinuiuiiiiimiiHHiiiiiuiiiiiiiii»
Линза собирающая
Зеркало собирающее
Рис. 365.
Рис. 368,
hiiiiiiiiiiiniiiitiiiiHiiiiiiiiiiiiiinutiiiiiiiiu ituHiinimiuuiitiiiuiiiHiiiiiiiHHiiiniiiiiiii!
Рис. 369.
Рис. 367,
сторону от главной оптической оси. Для этого у конденсора осветителя устанавливают непрозрачный полудиск (рис. 368, б). В этом случае установки оптики и ход лучей будут выглядеть так, как указано на рисунках 369 и 370.
Набор позволяет устанавливать систему из двух линз и демонстрировать ход лучей в простейших оптических приборах. Чтобы
8 диоптрий диоптрии
Оптическая система телескопа
Рис. 370.
отличить один луч от другого, можно использовать светофильтры и окрасить боковые лучи в различные цвета. Рисунки 370, а и б дают понятие об установках оптики при использовании двух линз, центрального и одного бокового лучей осветителя.
130. НАБОР ЗЕРКАЛ И ЛИНЗ К ВАННЕ (3) ДЛЯ ТЕНЕВОГО ПРОЕЦИРОВАНИЯ (комплект)
1) Плоские зеркала делают из жестяных полосок толщиной 1 мм, шириной 15 мм (два длиной по 140 мм и одно 60 мм), К полоскам припаивают ножки, благодаря которым они устанавливаются на ребро (рис. 371, а)
404
2) Выпукло-вогнутое зеркало. Полоску жести толщиной 1 мм9 шириной 15 мм и длиной 140 мм сгибают в дугу радиусом 160 мм (рис. 371, б). Зеркала 1 и 2 покрывают черным нитролаком.
3) Равносторонний треугольник прозрачный со сторонами по 130 мм, двояковыпуклая и двояковогнутая цилиндрические линзы (рис. 371, в).
ю
Рис. 371,
Предметы 3 делают из оргстекла толщиной 8 — 10 мм. Тщательной обработки боковых граней не требуется. Достаточно пластины из оргстекла выпилить ножовкой по металлу и зачистить напильником.
Оргстекло можно заменить оконным стеклом толщиной 3 мм, из которого вырезают соответствующие фигуры в тройном количестве и склеивают по кромкам прозрачным сапоновым лаком.
Демонстрации
1) Прохождение волн на поверхности воды через большое и малое окно. На вибратор насаживают наконечник с одним возбудителем (стр. 366). В ванну (3) наливают воду. Располагают зеркала и
Рис. 372.
вибратор, как указано на рисунке 372, а. Окно должно быть в несколько раз шире длины волны, получающейся от вибратора.
При возбуждении колебаний возникающие концентрические
405
волны проходят широкое окно без изменения центра, от которого они распространяются. Проявляется обычная картина расположения тени.
Если окно по ширине сделать близким к длине волн, то картина распространения волн резко меняется (рис. 372, б).
После установления волновой природы света можно продемонстрировать опыты с волнами на поверхности воды, помогающие понять основы волновой теории света (демонстрации для внеклассных занятий).
2) Отражение волн от зеркал. Оборудование и установка предыдущего опыта.
а) Отражение от плоского зеркала. На дно ванны ставят плоское зеркало, высота которого больше толщины слоя воды Наблюдают падающие и отраженные от зеркала волны. В воображаемом центре возникновения отраженных волн лежит мнимое изображение источника колебаний (рис. 373, а).
Рис. 373.
б) Отражение от зеркал вогнутого и выпуклого. Поместив центр возбуждения волн в главном фокусе вогнутого зеркала, получают отраженные плоские волны (рис. 373, б). Отодвинув зеркало от возбудителя колебаний, наблюдают сопряженный фокус — точку, куда собираются волны после отражения. Меняя расстояние зеркала от точки возникновения волн, наблюдают изменение положения сопряженного фокуса.
После этого показывают отражение от выпуклого зеркала.
3) Поворот фронта волн при преломлении. Плоский фронт волны (рис. 374, а) образуется от шести возбудителей или от наконечника — пластинки.
На пути плоских волн помещают прозрачную призму (рис 374, б). Толщина слоя воды над призмой должна быть минимальной, при которой волны хорошо проходят прозрачную пластинку без заметного затухания (порядка 2 — 4 мм). Наблюдают поворот фронта волн при входе в призму и еще раз при выходе из нее. Замечают, что над призмой волны располагаются гуще, чем над дном ванны Причина поворота фронта состоит в том, что над призмой в более тонком слое воды скорость распространения волн 406
меньшая, чем над дном ванны, где слой воды толще. Вследствие этого наблюдается преломление.
4) Прохождение волн через линзы. Расположение вибратора и линз указано на рисунке 375. Установка линз такая же, как и призмы в опыте 3.
Рис. 374.
На рисунках 375, а, б, в и г приведены некоторые демонстрации прохождений волн через линзы.
Указание. В опытах с волнами на поверхности воды, пользуясь стробоскопическим эффектом, можно добиться кажущейся неподвижности волн. Для этого лучи, выходящие из осветителя, периодически прерывают диском с окном, установленным на электродвигателе (см. стр. 350), скорость вращения якоря которого регулируют реостатом.
407
131. ЦВЕТНЫЕ ЛЕНТЫ И СВЕТОФИЛЬТРЫ (комплект)
В комплект входят: монотонно окрашенные ленты, прозрачные светофильтры, жидкие светофильтры и светофильтр для инфракрасных лучей.
а) Ленты, монотонно окрашенные. Подбирают следующие ленты: черная, ярко-красная, зеленая и синяя. Черная лента бархатная, остальные шелковые или атласные.
Ширина лент — 25 — 30 мм, длина — 200 — 250 мм.
б) Светофильтры, монотонно окрашенные. Следует подобрать красное, зеленое и синее стекла.
Проверить пригодность стекол и лент можно с помощью дисперсионного спектра: светофильтр должен пропускать, а ленты отражать лишь ту часть спектра, в цвет которой окрашено стекло или лента.
Иногда можно подобрать удачно окрашенный целлофан.
Цветные стекла обрезают по размерам диапозитивов, кромки окантовывают бумагой. Целлофан следует положить между двух тонких *стекол и также окантовать.
в) Жидкие светофильтры. Наиболее простыми и эффективными жидкими светофильтрами являются водные растворы медного купороса, двухромовокислого калия, марганцевокислого калия и спиртовый раствор фуксина.
Перед опытом жидкостью наполняют кювету с плоскопараллельными прозрачными стенками (стр. 218).
г) Светофильтр для инфракрасных лучей. Светофильтр для инфракрасных лучей проще всего сделать из тонкого стекла, которое покрывают тонким равномерным слоем асфальтового лака. Очень хороший светофильтр получается при покрытии слюды или тонкого стекла окисью магния. Пластинка из эбонита толщиной 0,1 мм является также хорошим светофильтром. Желательно, чтобы светофильтром можно было перекрыть отверстие для конденсора проекционного фонаря.
Демонстрации
1) Демонстрация для объяснения цвета непрозрачных тел. К классной доске прикрепляют кнопками лист белой бумаги, на котором получают спектр, растянутый до 30 — 40 см. После этого бумагу с доски снимают.
В затемненном классе на черном фоне доски спектр виден слабо. Опыт заключается, в следующем. Берут ленту, цвет которой в темной комнате учащиеся различить не могут, и вводят ее в спектр, располагая вдоль цветных полос (поперек спектра). Перемещают ленту из одного цвета в другой и наблюдают, как в лучах спектра, отличных от цвета ленты, последняя кажется черной (во всяком случае ее цвет определить нельзя). Когда лента попадает в об-4оа
ласть лучей того же цвета, в какой она окрашена, ее цвет легко обнаруживается.
Очевидно, монотонно окрашенная лента кажется ярко окрашенной в лучах спектра данного цвета потому, что она отражает эти лучи.
Опыт повторяют с несколькими лентами различных цветов. Черная бархатная лента кажется черной во всех частях спектра: она поглощает все лучи. Белая полоска бумаги оказывается ярко окрашенной в любых лучах видимого спектра: она все лучи отражает одинаково.
2) Объяснения цвета прозрачных тел. На белом экране (6), установленном на демонстрационном столе в затемненном классе, получают яркий, четкий спектр. Помещают на пути лучей цветное стекло, например, красное, держа его в руке. На экране наблюдают лишь красную полоску, остальная часть спектра поглощается фильтром. Показывают учащимся, что фильтр был именно красным. Для этого загораживают им от глаз учащихся какой-либо источник света. Так же поступают с различными другими цветными стеклами и приходят к выводу, что окраска прозрачной среды зависит от того, какие лучи она пропускает.
3) Демонстрация спектров поглощения. На экране (6) получают яркий сплошной спектр, развернутый во всю ширину экрана. Между конденсором и объективом помещают различные твердые светофильтры и наблюдают спектры поглощения.
Затем в плоскопараллельные кюветы наливают указанные выше растворы и продолжают описанный опыт. Наблюдают спектры, частично поглощенные жидкими светофильтрами. Результаты получаются следующие. Раствор медного купороса поглощает красную часть спектра и отдельные лучи в остальной части спектра; раствор двухромовокислого калия поглощает фиолетовый край спектра, начиная с голубого; раствор марганцевокислого калия поглощает среднюю часть спектра от желтых до синих лучей, и раствор фуксина поглощает все лучи, кроме красных.
Чтобы одновременно можно было видеть и цвет лучей, пропускаемых демонстрируемым светофильтром, можно поступить следующим образом. Часть пучка лучей пропускают выше призмы. Полученный спектр будет несколько уже, но зато верхнюю часть изображения щели можно будет принять на экран, использовав для этого белую поверхность ящика-подставки (5). На рисунке 376 показана схема расположения приборов для описанного опыта.
4) Обнаружение инфракрасных лучей и демонстрация их способности преломляться по законам видимой части спектра. Из проекционного фонаря убирают всю оптику. Отверстие для конденсора загораживают большой собирающей линзой. Свет от электрической дуги проходит сквозь линзу, собирается в сопряженном фокусе. Медленно подводят к сопряженному фокусу со стороны линзы головку спички, укрепленной в лапке штатива.
15 Заказ 1530
409
Когда головка спички пройдет место наибольшей сосредоточенности света (будет близка к выходу из фокуса видимых лучей), она воспламенится (рис. 377). Пламя сейчас же гасят, не сдвигая спич-
Рис. 376.
ку с места воспламенения. Очевидно, лучи, вызывающие наибольшее тепловое действие, преломляются меньше, чем большинство лучей видимой части спектра. Перед линзой помещают светофильтр,
Рис. 377.
непрозрачный для видимых лучей, но прозрачный для инфракрасных. После светофильтра света не видно. Подносят головку другой спички к обгоревшей — спичка воспламеняется,
132. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ОПЫТОВ ПО СТОЛЕТОВУ
1) Диск цинковый к электрометру. Из листового цинка толщиной 1,5—2 мм вырезают диск диаметром 120—150 мм. Поверхность у цинка должна быть блестящей. К диску припаивают (или приклепывают) латунную трубочку для насадки на стержень электрометра (рис, 378). Кромки у диска тщательно закругляют во избежание утечки электрического заряда.
410
Перед опытом диск с лицевой стороны амальгамируют — натирают ртутью.
2) Прибор Столетова по фотоэффекту. Прибор в собранном • виде изображен на рисунке 379, а. Из листового цинка вырезают диск, к которому приклепывают два круглых латунных штырька (рис. 379, б). Конец более длинного штырька нарезают под гаечку.
Из латунной (или стальной) проволоки сгибают незамкнутое кольцо (рис. 379, в). Один конец проволоки на 5 мм нарезают под гаечку. Припаяв кусок проволоки, кольцо замыкают.
По внутренней окружности кольца аккуратно вырезают медную сетку с крупными ячейками и впаивают в кольцо.
Из изолятора (например, текстолита) делают колодку по рисунку 379, г. В колодке сверлят четыре сквозных отверстия под штырьки диска и кольца с сеткой и отверстие с резьбой для стального стержня, имеющего диаметр 10 мм. Кроме того, сверлят и нарезают два отверстия под стержни двух клемм. Одна клемма соединяется с диском, другая — с сеткой.
Диск и сетка должны быть хорошо изолированы друг от друга.
Во избежание замыкания между диском и кольцом с сеткой устанавливают пять прокладок из изолятора, сделанные по рисунку 379, д.
Прокладки должны туго надеваться на кольцо и диск. Дополнительно их можно скрепить резинкой, как изображено на рисунке 379, а.
Демонстрации
1) Снятие отрицательного заряда под действием света. На стержень электрометра надевают цинковый диск и заряжают отрицательно от эбонитовой палочки, потертой о сукно. Электрометр хорошо держит заряд.
Направляют на диск электрометра яркий пучок света от близко расположенного проекционного фонаря, с которого сняты конденсор и объектив. В качестве источника света используют электрическую дугу (рис. 380). Электроскоп начинает разряжаться. Перекрывают лучи экраном— прекращается разряд электрометра.
Заряжают электрометр положительным зарядом. Ярко освещают диск — заряд электрометра не уменьшается1.
1 При очень ярком освещении положительный заряд даже увеличивается,
15* 411
Рис. 379,
2) Опыт Столетова. Установку приборов делают до урока по схеме, изображенной на рисунке 381.
Введя реостат на полное сопротивление, включают выпрямитель в сеть переменного тока. Затем постепенно выводят сопротивление
реостата. Зеркальный гальванометр не показывает тока. Освещают диск от электрической дуги и подбирают сопротивление реостата, при котором отклонение «зайчика» было бы не особенно большим (указанную установку делают до урока).
413
Перед демонстрацией класс частично затемняют, чтобы учащиеся хорошо видели прибор и «зайчик» на шкале.
Включают выпрямитель в осветительную сеть. Ставят ползунок реостата на место, определенное на предварительном опыте. «Зайчик» гальванометра не отклоняется, так как цепь разомкнута.
Освещают диск прибора — зайчик гальванометра тотчас отклоняется. Объясняют учащимся причину появления тока, связав ее с результатом предыдущего опыта. Закрывают поток света листом картона — ток прекращается; убирают преграду для света — ток снова появляется. Переключателем меняют полярности диска и сетки прибора. Ярко освещают диск — гальванометр не показывает тока.
Предупреждение. Перед опытом надо тщательно проверить изоляцию между пластинкой и сеткой, иначе гальванометр будет сожжен.
133. КАМЕРА ДЛЯ НАБЛЮДЕНИИ ПУТЕЙ ЧАСТИЦ ЯДРА АТОМА (По Ляпидевскому) 1
Камера имеет вид прямоугольного ящика с двумя параллельными стеклянными стенками и двумя жестяными (рис. 382).
Рис. 382.
Из жести толщиной 0,3 мм вырезают два прямоугольника размерами 40 мм X 90 мм. Длинные кромки загибают под прямым углом по 5 мм. В одной стенке делают отверстие под небольшую пробку. В другой жестяной стенке вырезают прямоугольное окно.
Стеклянные стенки (из фотопластин) соединяют с ребрами жестяных стенок цементной замазкой (стр. 470). На эту же замазку ставят стекло, закрывающее прямоугольное окно в жестяной стенке.
1 См. «Физика в школе», 1955, № 1, стр. 47,
414
К камере делают металлическое дно (алюминиевое, латунное) толщиной 1—2 мм, размерами 40 мм X 130 мм, на которое камера ставится при опыте. Закрывается камера крышкой (металлической или из фанеры). К крышке снизу прикрепляют два-три проволочных крючка для подвешивания ваты.
В качестве источника альфа-частиц можно использовать обычную иглу, хорошо потертую об источник альфа-частиц (элемент, прилагаемый к школьной камере Вильсона, светящийся циферблат часов или авиационного прибора). Ушко иглы вкалывают в пробку, которую вставляют в отверстие жестяной стенки.
Демонстрация путей частиц ядер атомов
Металлический сосуд наполняют углекислым снегом или охладительной смесью (снегом с солью). На ровную поверхность охладителя ставят прибор (рис. 382). Вату смачивают спиртом1.
Так как между крышкой и холодным дном существует разность температур, то в камере установится диффузное перемещение паров сверху вниз. Вследствие этого вблизи дна образуется область насыщения. В этой области будут видны следы а-частиц, если через боковое окно полость камеры освещают ярким пучком света от проекционного фонаря. Следы хорошо видны в виде прямых паутинок. Для лучшей видимости сзади камеры помещают экран (6) с черным фоном. Рассматривать следы частиц следует вблизи, поэтому к прибору вызывают учащихся группами по &—10 человек.
Следы частиц можно наблюдать и при помощи теневой проекции.
Приборы мелкие и простейшие
Зеркальце на шарнире к ванне-аквариуму (8).
Вырезают прямоугольный кусок тонкого зеркала размерами 30 мм X 40 мм.
Из белой жести толщиной 0,2 мм вырезают фигуру по рисунку 383, а. В ней сверлят два отверстия под проволочную ось и одно отверстие диаметром 3 мм.
Ось делают из проволоки диаметром 1,5 мм, длиной 40 мм. Один конец оси длиной 5 мм загибают под прямым углом.
Из жести толщиной 0,5—0,6 мм вырезают стойку по рисунку 383, б, В ней сверлят отверстия под ось. Стойку прикрепляют к железной пластинке толщиной 2—3 мм,
В собранном виде прибор показан на рисунке 383, в. Зеркало должно вращаться на оси с некоторым трением. Основание и оправку покрывают нитролаком в черный цвет.
1При использовании охлаждающей смеси из снега и соли надо применять пропиловый спирт.
415
Прибор устанавливают на дно аквариума (8) и управляют проволочным поводкОлМ от прибора для демонстрации давления внутри жидкости (44).
Применение описано на странице 397.
Рис. 383»
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
1. КОМПЛЕКТ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ, ПОЗВОЛЯЮЩИХ НЕКОТОРЫЕ УСТАНОВКИ ПО МЕХАНИКЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ СОБИРАТЬ в вертикальной плоскости
1) Щит вертикальный монтажный с принадлежностями (комплект)
Устройство щита, предназначенного для монтажа на нем приборов, видно на рисунке 384.
Для некоторых опытов на щите удобнее иметь горизонтальные щели. В этих случаях щит ставят на меньшее ребро, переставив соответственно ножки (рис. 401). Отняв ножки, щит можно повесить на стену вместе с монтированными на нем приборами.
К щиту надо иметь комплекты приборов по механике и электричеству, приспособленные для монтажа. Устройство приспособления видно на рисунке 385. На панели прибора сделано наклонное отверстие. Панель прикрепляют к щиту крепежным крючком, загнутым под углом 80°, и затягивают полуоборотом гайки-барашка.
417
У всех приборов, приспособленных к монтажу на щите, основания-панели делают одинаковыми по толщине.
Работа со щитом. Монтаж приборов и приспособлений производится до урока. Дополнительные приборы и приспособления, которые потребуются для перемонтажа на уроке, хранят в отдельном
ящике. Щит с собранной на нем установкой можно держать на полу за столом и осторожно ставить на стол лишь на время демонстрации.
Изготовление щита. На листе фанеры толщиной 9—12 мм вычерчивают доску щита в натуральную величину согласно рисунку 386, а.
Пропиливание щелей — наиболее ответственная работа, требующая некоторой сноровки. В одном из концов каждой щели намечают керном 6—8 «центров», расположенных друг от друга на
418
расстоянии 7—8 мм. Сверлом, диаметр которого несколько меньше ширины щели, по намеченным центрам просверливают ряд отверстий, прилегающих почти вплотную друг к другу и расположенных строго по прямой линии. На другом конце каждой щели просверливают по одному такому же отверстию, которым должна закончиться щель. Отверстия разделывают в щель, в которую просовывают ножовку по дереву с мелким зубом и пропиливают сначала одну сторону щели, затем другую. Прорезанные пилой щели зачищают и делают их ширину всюду одинаковой.
Отверстия а (рис. 386, а), служащие для подвешивания щита на стену, сверлят подходящей по диаметру пёркой.
Щит покрывают черной матовой краской.
Для установки щита в вертикальном положении делают две ножки (рис. 386, б). Из прямослойной доски заготовляют два бруска поперечным сечением 40 мм X 30 мм, длиной по 445 мм. В каждом бруске с одного конца делают вырез длиной 175 мм, глубиной 15 мм. С другого конца по широкой грани выбирают уголок размерами 210 мм X 25 мм X 9 мм. При этом на брусках вырезы располагают симметрично, как указано на рисунке 386, бив.
Из доски или фанеры толщиной 12—15 мм делают треугольные основания со срезанными углами. Основания прикрепляют к брускам на клей и шурупы, как указано на рисунке.
Готовые ножки зачищают, протравливают «морилкой» и покрывают лаком.
Щит плотно вставляют в вырезы стоек. В точках, размеченных по рисунку 386, б, каждую стойку и щит просверливают для скрепляющих болтиков диаметром 6 мм. В отверстия вставляют болтики и скрепляют щит с ножками гайками-барашками. Головки болтиков врезают в щит заподлицо.
Щит из досок. Если нет подходящего материала для щита фанерного, то щит можно сделать из сухих досок твердой породы.
Устройство щита показано на рисунке 387.
419
2) Приборы и приспособления по механике, монтируемые на щите
Крючки крепежные с гайками-барашками (20 шт.). Внешний вид крючка с гайкой изображен на рисунке 388, а.
Изготовление крючков следующее.
Из проволоки диаметром 4,5 мм нарубают куски длиной по 90 мм. Один крнец длиной 20 мм у каждого куска обтачивают до диаметра 3 мм, а другой загибают под углом 80°. На средней части куска делают винтовую резьбу длиной 35 мм.
Рис. 388.
К каждому крючку вытачивают гайку б. На головке гайки делают накатку. На крючок насаживают шайбу в и навертывают гайку. Конец без резьбы загибают под прямым углом.
Крючок к щиту (3 шт.). Крючки нужны для прикрепления нитей, подвешивания маятников, динамометров и других приборов. Устройство крючка изображено на рисунке 389, а. Основания для крючков делают из древесины твердой породы. На одной из граней сверлят косое отверстие для крепежного крючка. Основание покрывают светлым лаком. Крючок загибают из стальной проволоки, прямой конец которой заостряют и вбивают в заготовленное отверстие основания.
Планка для прикрепления отнесенных в сторону деталей. Планку деревянную делают по рисунку 389, б. В узких гранях планки сверлят отверстия для крепежных крючков, посередине ее прорезают щель. К щиту планку прикрепляют горизонтально.
420
Масштабы с прихватами к щиту (комплект). В комплект входят четыре масштаба и четыре прихвата.
На изготовление масштабов употребляют листовое железо толщиной 0,5—0,8 мм, из которого вырезают полосы шириной 10 мм. Длина двух полос по 600 мм и двух по 300 мм.
С одной стороны на каждую полосу наносят сантиметровые деления, а с другой дециметровые. Деления дециметровые раскраши-
350
Рис. 389.
вают: нечетные деления в белый цвет, а четные в ярко-красный или голубой. У сантиметровой шкалы нечетные дециметры раскрашивают в белый и красный цвета, а четные дециметры — в желтый и голубой, или же у шкалы с белыми и красными делениями каждое десятое деление делают черным.
Рис. 390.
Прихват для масштабов делают из фанеры толщиной 3 мм и резиновой ленты по рисунку 389, в.
Масштаб просовывают в резиновую петлю. Головку прихвата вводят в щель щита, сзади щита вытягивают, поворачивают поперек щели и тем прикрепляют масштаб к щиту.
421
Планка рычажная с крючками (1—2 шт.). Планку делают из прямослойной дощечки, в которой просверливают отверстия диаметром 2,5 мм, как показано на рисунке 390' Раскрашивают планку в два цвета: белый и красный. Концы планок за крайними отверстиями окрашивают в черный цвет. С одной стороны у планки цвета делений чередуются, с другой — расположены симметрично относительно средней линии.
Готовую планку насаживают на ось в среднее, лежащее ближе к кромке Отверстие и, обрезая торец у более тяжелого конца, доводят планку до горизонтального положения.
Из проволоки диаметром 0,4—0,5 мм делают восемь крючков по рисунку.
Ось делают из стальной проволоки диаметром 2 мм, укрепленной в деревянном основании (рис. 26, б). В боковой грани основания сверлят косое отверстие для крепежного крючка.
Основание покрывают светлым лаком.
Блок неподвижный (3 шт.). Блоки лучше всего выточить из алюминия или дюралюминия по рисунку 391 и вставить в них ла-
Рис. 391.
тунные втулочки для оси. Однако можно воспользоваться колесиками от излишних или пришедших в негодность блоков, полиспастов, которые обычно имеются в физическом кабинете. По отверстию в ступице подбирают ось — стальную проволоку или гвоздик (стр. 467) длиной 30—35 мм. Один конец оси заостряют, на другом должно быть заплечико (тщательно зачищенная головка гвоздика или припаянное колечко из проволоки).
Основание для блока делают из древесины твердой породы по рисунку. Вдоль бруска засверливают отверстие, в которое вбивают ось с насаженными на нее шайбой и блоком. В одной из боковых граней основания сверлят отверстие для крепежного крючка. Основание зачищают и покрывают светлым лаком.
Блок следует выкрасить светло-серой или алюминиевой краской (краска не должна попасть на ось и втулку). Алюминиевые блоки оставляют без покрытия.
Бруски — опоры для сборки кронштейнов на щите (2 шт.). Брусок делают из твердой древесины по рисунку 392, а. Вырез за
422
крывают железной пластинкой размерами 20 мм X 35 мм X 1 мм.
На одной грани бруска прорезают желоб клинообразного сечения и просверливают отверстие для крепежного крючка. Брусок покрывают светлым лаком.
К опорам прилагают два клина б и подпорку в.
15
250
Рис. 392.
Рис. 393.
Щиток и фанера. По статике бумага для зарисовки направления и величины сил должна располагаться непосредственно за нитями, то есть в расстоянии 50—55 мм от плоскости щита. Для этой цели служат щиток и фанера.
Щиток делают из липовой доски по рисунку 393. Окрашивают его в черный цвет.
423
Лист фанеры 300 мм X 300 мм, толщиной 3 мм по двум противоположным кромкам снабжают брусками, как у щитка. Сечение брусков— 15 мм X 52 мм, длина — 300 мм, В каждом бруске делают по два отверстия для крепежных крючков, расположенных на расстоянии 200 мм одно от другого. Отверстия одного бруска сдвигают относительно отверстий другого бруска на 50 мм, Лицевую сторону фанеры оклеивают двумя-тремя слоями картона, в который легко вкалываются кнопки.
Кронштейны для установки платформы (22) на щите (2 шт,). Кронштейны выпиливают из фанеры или из доски по рисунку 394.
Расположение отверстий для крепежных крючков указано на рисунке. Поверхности прибора зачищают и покрывают светлым лаком.
На щите можно монтировать также (с добавлением в соответствующих местах косых отверстий для крепежных крючков) платформу (22), устанавливаемую на кронштейны, ось толстую с деревянным основанием, сделанную по рисунку 88, б.
Применение платформы позволяет монтировать на щите установки с тележками и записывать их движение каплями и вибрирующим хронографом, а применение толстой оси — выразительно ставить все установки с использованием шкивов и зубчатых колес.
Использование приборов по механике. На вертикальном щите можно быстро собирать все описанные в книге опыты по механике (даже расширить их). Многие установки на щите собираются быстрее, чем на штативах, и благодаря черному фону выглядят выразительнее.
Рисунок 395 показывает три последовательные стадии опыта при изучении подвижного блока. Рисунок 396 показывает установку для демонстрации равновесия тела, имеющего ось вращения. На рисунке 397 изображена установка сложного подъемного механизма. Рисунок 398, а показывает установку для демонстрации сложения сил, направленных по одной прямой, а рисунок 398, б — для
424
16 Заказ 1530
демонстрации сложения сил, направленных под углом. Одна из установок приборов на щите для записи вибрирующим хронографом (23) движения тележки (22) показана на рисунке 39У (равноускоренное движение).
Демонстрации
1) Разложение силы на кронштейне.
а) Кронштейн подвешенный. На щите устанавливают опору для сборки кронштейнов (рис. 400, а). Конец А упругой полоски А Б
Рис. 397.
(ножовочное полотно с отверстиями на . концах) вставляют в окно опоры и закрепляют клином/Положение свободного конца Б упругой полоски отмечают на бумаге. На этот конец подвешивают грузы по 100 Г. Полоска изгибается. Чтобы выпрямить полоску, к точке подвеса грузов привязывают нить, перекидывают ее через неподвижный блок и загружают до тех пор, пока полоска не примет горизонтального положения. ,
Разложив вес груза по правилу параллелограмма (построенного на бумаге, прикрепленной к фанере), находят величину составляющей, направленной вдоль полоски. В правильности результата убеждаются с помощью динамометра, освободив от клина полоску.
б) Кронштейн с подпоркой. На рисунке 400, б показана установка для демонстрации разложения груза, действующего на кронштейн с подпоркой. Опыт проводится аналогично вышеописанному.
2) Сложение параллельных сил. Собирают установку, как указано на рисунке 401. Ведерки (стр. 72) загружают тарой, пока дина-
426
Рис. 398.
16*
мометры не покажут заданные силы. Сумма сил должна быть равной или кратной числу делений планки, заключенных между точками прикрепления динамометров. Нить, соединяющую динамометры, передвигают на крючках б и устанавливают планку д в горизонтальном положении. Действием двух параллельных сил, направленных вверх и показываемых динамометрами, нагруженная планка удерживается в горизонтальном положении.
о о
Рис. 399.
Чтобы заменить действие двух сил одной, в точке приложения равнодействующей прикрепляют к планке проволочный крючок; за крючок закрепляют третий динамометр и тянут его за нить, перекинутую через блок, как показано на рисунке.
По мере появления делений у третьего динамометра начинают уменьшаться показания крайних динамометров. Когда показания последних будут равны нулю, средний динамометр покажет силу, равную сумме слагаемых.
Если же средний динамометр прикрепить за какую-либо другую точку планки, то заменить одной силой действие двух не удастся.
3) Опыт, показывающий, что при одинаковой работе произведение силы на пройденный путь постоянно.
На ось насаживают три шкива (25), сцепленные друг с другом. Ось укрепляют на щите (рис. 402). .На шкивы наматывают (закрепив конец в надрезе) прочные нити длиной 700—800 мм. К малому шкиву прикрепляют две нити и наматывают их на шкив в противоположных направлениях. К одной нити малого шкива подвешивают груз в 600 Г.
428
Рис. 400,
Если потянуть одну из нитей, то она приведет все шкивы во вращение, а нагруженная нить будет наматываться на малый шкив и поднимать груз.
На щите устанавливают два масштаба с дециметровыми делениями: один длиной 300 мм — вертикально, другой длиной 600 мм — горизонтально. У левого конца горизонтального масштаба временно укрепляют крючок. Свободную нить, намотанную на малый шкив,
Рис 401.
направляют горизонтально и тянут за нее, пока верхняя часть груза дойдет до нижнего конца вертикального масштаба; в этом положении нить зацепляют за крючок, сделав на ней петлю. Так же поступают с нитями других шкивов. Нити с петлями наматывают на свои шкивы и закрепляют в надрезах, а крючок со щита снимают.
Всю установку делают до урока.
Во время опыта следят за подъемом груза и за перемещением и показанием динамометра (16).
Сначала крючок динамометра зацепляют за петлю нити малого шкива и, потянув нить горизонтально, подводят груз к нижнему концу вертикального масштаба. Крючок динамометра должен оказаться при этом у левого конца горизонтального масштаба.
430
Замечают, что динамометр показывает силу, равную весу груза. Передвигая динамометр вправо, поднимают груз на высоту двух делений к<асштаба. Динамометр передвинулся при этом также на дез деления масштаба.
Зацепляют крючок динамометра за петлю нити среднего шкива. Обращают внимание на то, что теперь динамометр показывает не 600 Г, а только 300 Г. Передвижением динамометра снова подни-
Рис. 402.
мают груз в 600 Г на высоту 20 см. Для такого подъема динамометр пришлось передвинуть на четыре деления масштаба.
Повторяют опыт, зацепив динамометр за петлю нити большого шкива.
В этом случае показание динамометра было 200 Г и передвинуть его пришлось на шесть делений
Работа, затраченная на подъем груза во всех трех случаях, была одинакова, так как один и тот же груз был поднят на одинаковую высоту. Но равные работы были совершены разными по величине силами, действующими па различных расстояниях. Убеждаются, что во всех случаях произведение действующей силы на соответствующий путь было одинаково.
4) Определение мощности, развиваемой учащимся.
На щите устанавливают толстую ось, на которую надевают шкив (25). Через шкив перекидывают резиновый шнур или трубку длиной 50 см. Один конец шнура загружают гирей в 2 кГ, а к другому присоединяют два параллельных динамометра (16) (рис. 403).
431
Вызванному учащемуся предлагают вращать за ручку шкив возможно быстрее и равномернее. Считают число оборотов, сделанных за 20—30 сек, отсчитываемых счетчиком секунд (18). Вращать надо против направления действия груза, чтобы показания динамометров уменьшились. Вычисляют мощность, развитую рукой учащегося во время вращения шкива. Преодолеваемая сила трения F равна, очевидно, разности суммарных показаний динамометров до вращения Fx и во время вращения F2, то'
Рис. 403.
есть F — Ft — F2. Путь, на протяжении которого действовала сила, равен длине окружности шкива /, умноженной на число оборотов л. Итак, работа
А = (Ft — F2) In, а мощность
w — — = 2^п
t t
где t — время работы. Если силы выражать в килограммах, путь в метрах, время в секундах, то результат будет выражен в килограммометрах в секунду (кГм/сек).
3) Приборы и приспособления по электричеству для монтажа на щите
Полка к щиту (для установки электроизмерительных приборов; 2 шт.). Устройство и размеры полки видны на рисунке 404. Полку и кронштейны к ней делают из фанеры толщиной 9 мм или из дощечек толщиной 10—12 мм. Кронштейны врезают в полку и ста
432
вят на клей. Полка, прижатая вплотную к щиту, должна быть перпендикулярной к плоскости щита.
В полке надо сделать два отверстия для крепежных крючков. Полки покрывают лаком.
Клеммы на панелях (комплект). Клеммы приобретают готовыми с металлическими или лучше с изолирующими головками. Шайбочки, обычно имеющиеся между головкой клеммы и запле-
чиком стержня, лучше снять, иначе они будут меп/ать быстрому монтажу шин.
В комплект входят: клеммы одиночные (рис. 405, а) — 3 шт., клеммыдвойные (рис. 405,6)—Зшт., клеммы угловые (рис. 405, в),— 2 шт.
Рис. 405.
Если нет возможности приобрести клеммы промышленные, то придется вышеописанный комплект сделать для временного пользования с самодельными клеммами.
Из белой жести или латуни толщиной 0,2 — 0,3 мм вырезают крестовины (рис. 405, г), концы которых загибают, а посередине просверливают отверстие под шуруп длиной 20 мм. Из стальной упругой проволоки диаметром 0,4 — 0,5 мм свивают цилиндрическую пружину так, чтобы она свободно надевалась на шуруп, но не проходила в отверстие крестовины и не снималась с головки шурупа. Пружину растягивают и нарезают на куски длиной по 13 — 15 мм. Под головку шурупа можно подложить шайбу. Шу-
433
руп с надетой пружиной и двумя крестовинами ввертывают в основание на такую глубину, чтобы верхнюю крестовину можно было приподнять на 2 — 3 мм от нижней.
В боковых гранях панелей сверлят отверстия для крепежных крючков, как указано на рисунках. Перед окончательной сборкой панели покрывают черной краской.
Шины раздвижные (комплект). Шины требуются четырех размеров по длине, чтобы ими можно было-соединять клеммы, отстоя-
__________
щие друг от друга на расстояниях от 97 до 860 мм. Комплект раздвижных шин состоит из следующих номеров (в порядке возрастания длины): № 1 — 6 шт., № 2 — 6 шт., № 3 — 4 шт. и № 4 — 2 шт.
Из листовой латуни, в крайнем случае из белой жести толщиной 0,2 — 0,3 мм нарезают полосы шириной 15 мм. Длина полос для шин № 1 — 98 мм, для № 2 — 144 мм, для № 3 — 225 мм и для № 4 — 448 мм. Количество полос каждого размера должно равняться удвоенному количеству шин соответствующих номеров.
На одном конце полос делают крючок (рис. 406, а), а остальную часть полосы выгибают желобом. Желоб выгибают при помощи специального приспособления, сделанного из твердой древесины. Приспособление, изображенное на рисунке 406, б, состоит из мат-434
рицы (слева) и пуансона (справа). Концы желоба матрицы перекрывают металлическими пластинками.
Так как шину делают из двух одинаковых по длине полос, то последние сортируют попарно.
Полосу, обращенную зевом крючка к работающему, подсовывают под металлическую пластинку матрицы слева направо и вводят крючок под вторую, пластинку на 18 мм. Между пластинками и выступами матрицы вставляют пуансон и ударами молотка по пуансону изгибают полосу. Передвигая полосу, выгибают на ней желоб до конца.
Так же изгибают вторую полосу, парную первой, но, закладывая ее в матрицу, зев крючка направляют от работающего.
Из материала, который был выбран на изготовление полос, делают прямоугольные пластинки размерами 26 мм X 10 мм. Пластинку изгибают по желобу и припаивают на конце полосы (рис. 406, в); к одной полосе припаивают пластинку с выпуклой стороны желоба, а ко второй — с вогнутой. Из парных полос собирают шину, как указано на рисунке 406, в.
Необходимо, чтобы готовую шину без особых усилий, но со значительным трением можно было раздвигать и сдвигать. Для обеспечения хорошего контакта соприкасающиеся поверхности шин должны быть чистыми.
Шины короткие (4 шт.). Шины короткие служат для замыкания, клемм, находящихся в 50 мм друг от друга. Устройство их видно на рисунке 407, а.
Шины отводные (одна пара).
Для ответвления проводки под прямым углом от основной линии служат отводные шины, устройство которых изображено на рисунке 407, б. На одном конце шины обычный крючок, а другой конец загибают под углом 180° и изгибают по желобу раздвижной шины. Получившийся крючок должен пружинить и плотно охватывать поперек раздвижную шину, с которой соединяется отводная шина.
435
Короткая отводная шина — прямая, а более длинная имеет полукруглый изгиб, предохраняющий от касания шин при их перекрещивании.
Катушки сопротивлений на панелях (комплект). Делают пять катушек сопротивлением в 1, 2, 2, 5 и 10 омов.
Катушку вытачивают из твердой древесины согласно рисунку 408, а и укрепляют на клею в середине основания-дощечки.
По обе стороны катушки укрепляют две клеммы. В боковых гранях основания делают отверстия для крепежных крючков.
На катушки наматывают изолированный константановый или манганиновый провод. Для катушек с сопротивлением в 1 и 2 ома
берут провода 1—1, 2 мм в диаметре. Для катушек с сопротивлением 5—10 омов диаметр проводов надо брать 0,5 — 0,6 мм.
. Длину провода для катушек определяют вычислением, измерив диаметр провода и узнав удельное сопротивление (таблица 4, стр. 474). К найденной длине добавляют 20 мм, требующихся для прикрепления концов к клеммам. Проволоку наматывают на катушку следующим образом. В нижнем борту катушки просверливают узкое отверстие, в которое просовывают конец провода настолько, чтобы его можно было присоединить к клемме основания. Затем делают намотку, укладывая плотно виток к витку. У последнего витка катушку просверливают тонким сверлом, направив отверстие ко второй клемме (см. рисунок). Сквозь это отверстие пропускают оставшийся конец провода. Концы проводов зачищают
436
« прикрепляют к клеммам. Обмотку покрывают сапоновым лаком и тем прикрепляют ее к катушке.
На торце катушки черной краской рисуют цифру, обозначающую сопротивление данной катушки в омах.
Из жести приготовляют одну крышку с лапками, которую надевают на торец катушки в том случае, когда желают временно скрыть от учащихся сопротивление данной катушки.
Дощечки-основания и катушки покрывают светлым лаком.
Катушки можно заменить проволокой из сплава с большим удельным сопротивлением, свитой в цилиндрическую спираль. Концы спирали присоединяют к клеммам такого же основания,
Рис. 409.
как описано выше. На основании между клеммами рисуют большую цифру, указывающую сопротивление спирали (рис. 408, б). Для закрывания цифры можно сделать щиток из жести, подвешиваемый на кромку дощечки.
Лоска сопротивлений. Из фанеры толщиной 6 мм вырезают прямоугольник размерами 320 мм X 250 мм. С одной стороны доски вдоль коротких кромок прикрепляют два бруска сечением 20 мм X 18 мм. В торцах брусков сверлят отверстия для крепежных крючков. Внизу доски устанавливают шесть клемм (рис. 409). На двух ребрах доски делают по десять надрезов для проволоки, равномерно расположенных между каждой парой клемм. Глубина надрезов — 3 мм.
Подбирают проволоки: 1) из сплава с большим удельным сопротивлением, поперечным сечением 0,5 — 1 jwjh2; 2) железную, одинакового поперечного сечения с первой, и 3) железную, по
437
перечное сечение которой в целое число раз меньше сечения первых двух.
Каждого сорта проволоки надо иметь по 5 м 60 мм. Между клеммами должно быть ровно 5 м проводника, который укладывают в десять витков (40 мм провода оставляют у клеммы для измерения диаметра проволоки микрометром, а 20 мм требуется на огибание стержней у двух клемм).
На доске крупными буквами и цифрами делают надписи (рис. 409), после этого доску покрывают лаком. На готовую доску наматывают проволоку. „У клемм проволоку плотно прижимают к стержням или припаивают.
Рис. 410.
Реохорд для мостика Уитстона. Обычный школьный реохорд снабжают двухцветной демонстрационной шкалой с сантиметровыми делениями. На контактный, скользящий нож напаивают демонстрационный указатель, окрашенный в красный цвет (рис. 414). Ножки реохорда переставляют так, чтобы в них можно было просверлить косые отверстия для крепежных крючков, отстоящих друг от друга на 500 мм.
Кроме описанных приборов, желательно иметь комплект электроосветительной аппаратуры более полный, чем описанный на странице 289, состоящий из следующих предметов: двуполюсного плавкого предохранителя, рубильника, двух потолочных патронов, двух выключателей и штепсельной розетки. Каждый предмет монтируют на панели с двумя клеммами (рис. 410).
Подобный же комплект можно сделать для сборки электросиг-нальных цепей. Комплект состоит из электрического звонка и двух кнопок (рис. 412, б).
438
Кроме того, в панелях ключа и переключателей тока (стр. 287 — 289) надо сделать отверстия для крепежных крючков. Магазины сопротивлений (92) следует снабдить вверху вертикальных щитов планками с отверстиями для крепежных крючков. Эти небольшие приспособления позволяют приборы монтировать на щите.
Использование приборов и приспособлений по электричеству. На щите с помощью клемм и шин быстро монтируются всевозможные электрические цепи, причем эти цепи легко сопоставляются с нарисованными схемами.
Рис. 411.
Так, например, рисунок 411 изображает электрические цепи с последовательным и параллельным включением маловольтных лампочек. На том же щите прикреплен прихватами (стр. 421) картон с нарисованной соответствующей схемой.
Рисунок 412, а показывает примерный монтаж электроосветительной цепи. В собранную на глазах учащихся цепь следует включить ток от осветительной сети. В штепсельную розетку щита следует включить настольную лампу или электронагревательный прибор. В заключение делают короткое замыкание, пережигают предохранитель и затем восстанавливают его.
Образец сигнальной электрической цепи, собранной из звонка и двух кнопок, показан на рисунке 412, б.
Рисунок 413, а показывает установку для демонстрации правила включения в цепь амперметра и вольтметра. Электроизмерительные приборы ставят на прикрепленные к щиту полки.
439
Рис. 412.

Установку для изучения зависимости сопротивления проводника от длины (включают разное число витков), площади поперечного сечения и материала изображает рисунок 413, б. Проволочные обмотки имеют свободные концы, диаметры которых нетрудно измерить микрометром с демонстрационной головкой (12).
Рис. 414.
На рисунке 414 изображена установка для опытного определения сопротивления смешанной группы проводников (катушек сопротивлений) мостиколм Уитстона с демонстрационной шкалой. Таким образом можно ставить задачи с опытной проверкой вычисленного ответа.
На показанных примерах видно, как многообразно и удобно может быть использован щит для демонстрационных опытов по механике и для монтажа разнообразных электрических цепей.
2. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ РАЗНОВЕС
Наличие у весов демонстрационной шкалы и стрелки (стр. 43) еще не решает вопроса о демонстрационном взвешивании, так как разновески и их достоинство (особенно меньше 50 г) учащимся 442
плохо видны и определять результаты взвешивания с мест невозможно. Указанный недостаток можно устранить применением демонстрационного разновеса. Разновески делают из листового металла в виде правильных геометрических фигур, применяемых в миллиграммовых разновесах. Разновески одинаковой формы, но разные по достоинству (например, в 500 мг, 5 а и 50 а) должны отличаться между собой цветом и размерами. Так, разновески достоин-
Рис. 415.
ством в 10 а, 20 а и 50 а желательно сделать из листовой латуни» красной меди или черненого железа толщиной 2,5 — 3 мм (чернение железа см. на стр. 472).
Разновески в 1 а, 2 а и 5 а надо сделать из белой жести, оцинкованного железа толщиной 0,3 — 0,4 мм или из листового алюминия толщиной в 1 — 1,2 мм. Разновески в 500 мг, 200 мг и 100 мг можно сделать из фольги, белой жести толщиной 0,1 мм9 а также.из листового цветного целлулоида (если потребуется, то с вырезом внутри). <
Разновес должен состоять из следующих разновесков: 100 л^а, 200 мг, 200 мг, 500 мг, 1 а, 2 а, 2 а, 5 а, 10 а, 20 а, 20 г и 50 а (наиболее распространенный набор).
Чтобы быстрее установить приблизительные размеры фигур разновесков, определяют возможно тщательнее вес в граммах одного квадратного сантиметра подобранного для гирек листового материала. После этого вычисляют стороны равносторонних треугольников, квадратов и равносторонних шестиугольников соответствующих грузов.
443
Желательно, чтобы стороны треугольников были в пределах от 30 до 40 мм, квадратов — от 25 до 35 мм и шестиугольников — от 18 до 28 мм. При указанных размерах разновески хорошо видны всему классу.
На дужке весов (17) следует сделать небольшое приспособление для разновеса (рис. 415, г).
Прямой участок каждой ветви дужки разбивают метками на три равные части. В отмеченных местах сверлят шесть узких отверстий, перпендикулярных плоскости дужки. В эти отверстия вставляют гвоздики и, оставив между дужкой и шляпкой гвоздика просвет в 1 мм, припаивают (рис. 415, б). Дужку с крючком и дужку с гвоздиками уравновешивают между собой путем опиловки крестовины для тарелочки весов.
Из жести толщиной 0,5 мм нарезают три полоски шириной по 6 мм. Длину полосок делают на 6 мм больше расстояния между денарами гвоздиков, лежащих на одной горизонтали. По концам каждой полоски сверлят два отверстия, как указано на рисунке.
На каждую полоску припаивают по четыре проволочных крючка, расположенных на одинаковых друг от друга расстояниях.
Уравновешивают полоски специально сделанной скобочкой, подвешиваемой к другой дужке весов.
Для хранения демонстрационных разновесков и скобочки делают ящик, как показано на рисунке 415, в.
При демонстрационном взвешивании пользуются гирями из технического разновеса до 100 а включительно. Гири от 50 а и меньше берут из демонстрационного разновеса и развешивают на крючках в таком порядке: гири в десятки граммов вешают на нижней планке, граммовые — на средней планке и в сотни миллиграммов — на верхней.
Кроме непосредственного назначения, гирьки демонстрационного разновеса очень удобны для опытов по механике, где требуется подвешивание небольших грузов заданного веса. Например, их удобно использовать в качестве грузов, Тянущих тележку (второй закон Ньютона), в качестве перегрузка при определении к. п. д. механизмов и в других случаях.
3. ПРИБОРЫ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА (комплект)
Комплект приборов позволяет получить от источника постоянного тока синусоидальный переменный ток, как однофазный, так и трехфазный. Благодаря тому, что частота тока может быть получена очень малая и на любой фазе возможно наблюдение величины и напряжения тока, прибор позволяет наглядно изучить особенности переменного тока.
Возможность получения трехфазного тока, его трансформирования, а также получения вращающегося магнитного поля позволяет демонстрировать все опыты, необходимые при изучении трех
444
фазного тока, без наличия в школе трехфазного ввода или промышленного комплекта приборов по трехфазному току.
Комплект состоит из следующих приборов:
а) Преобразователь постоянного тока в синусоидальный трехфазный ток, Общий вид прибора изображен на рисунке 416.
Прибор можно выполнить лишь при наличии токарного станка по металлу.
Основанием прибора служит доска 1 размерами 180 лиих 180льих х 15 мм. Вдоль одной грани основания прочно прикрепляют щиток 2, который делают по рисунку из непрозрачного изолятора. Верхняя половина щитка полукруглая, с радиусом кривизны 90 мм. По
Рис. 416.
окружности диаметром 120 мм в щитке сверлят 72 отверстия, расположенные равномерно (через 5°). В отверстия туго забивают латунные или медные шпильки 3 диаметром 2 мм, длиной 15 мм, на одном конце шпильки делают круглую головку (как у заклепки) одинаковой у всех шпилек высоты. Шпильки не касаются друг друга, с обратной стороны они выступают из щитка на 3 мм (рис. 417).
Из латуни толщиной 2 мм вытачивают или выпиливают плоское кольцо 4, наружный диаметр которого равен 48 мм, внутренний — 32 мм. Кольцо разрезают по диаметру и выбрасывают полоску шириной 2 мм. Два полукольца шестью шурупами концентрично прикрепляют к щитку 2, оставив между половинками просвет в 2 мм, расположенный параллельно нижнему прямому ребру щитка. Прикрепляют кольца на той же поверхности щитка, на которой расположены головки шпилек 3. Головки шурупов должны быть заподлицо с поверхностью полуколец. В центре щитка сверлят отверстие диаметром 10 мм под ось прибора 5. На лицевой поверхности щитка располагают демонстрационную круговую шкалу 6 (деления через 15°), сделанную по рисункам 416 и 417.
445
Шкалу можно вычертить на плотной бумаге тушью и наклеить или нарисовать непосредственно на щитке.
С обратной стороны щитка по окружности располагают восемь деревянных катушек 7 (на рисунке 417 верхняя половина
Рис. 417.
щитка дана с лицевой стороны, а нижняя — со стороны катушек). На катушки наматывают изолированный провод четырех одинаковых реостатов (никелин, константан). На каждую четверть шкалы делают самостоятельный реостат.
От проводов в заранее рассчитанных точках делают отводы
446
толстыми и короткими медными изолированными проводами к выступающим концам шпилек 3. Реостаты надо рассчитать так, чтобы постоянный ток, прошедший через преобразователь, получился бы переменным и действительно синусоидальным. Ниже приводятся данные для реостата, рассчитанного на никелиновый провод диаметром 0,2 мм (при включении в каждую фазу двух лампочек по 3,5 в, 0,28 а, соединенных параллельно).
К изолированному никелиновому проводу диаметром 0,2 мм, длиной 2900—3000 мм припаивают (серебром) шестнадцать отводов из медного изолированного провода диаметром 0,5—0,6 мм, длиной по 40 мм. Места присоединения отвода освобождают от изоляции миллиметров на' 10, обвивают провод раза два вокруг зачищенного конца медного отвода и припаивают. После пайки оголенные от изоляции места тщательно покрывают шеллаком. Длины никелинового провода между отводами (в миллиметрах) следующие: 0, 6, 12, 19,27,35,43, 51, 61, 84, 108, 154, 231, 327, 493 и 1137. Всего в реостате должно быть никелинового провода (исключая места спайки) 2798 мм.
Если имеется провод иного сечения, то надо сделать соответствующий перерасчет. Так, например, для никелинового провода диаметром 0,3 мм указанные длины следует увеличить в 2,244 раза. Если вместо никелина имеется константан, то длина промежутков уменьшается приблизительно на 10°/о и т- Д-
Когда четыре провода с шестнадцатью отводами у каждого готовы, то приступают к установке реостатов на место.
Установку реостата в первой четверти (от 0 до 90°) ведут в следующем порядке. Первый отвод (от начала реостата) припаивают обычным припоем к первой шпильке, считая от деления 90° по направлению к 0°; второй отвод припаивают ко второй шпильке, третий отвод к третьей шпильке и т. д. Отводы делают по возможности короткими, а провода натянутыми. Начиная с третьего отвода провод наматывают на ближайшую катушку (против деления 60°). Припаяв десятый отвод, провод переводят на вторую катушку (против деления 30°). После припайки шестнадцатого отвода в первой четверти останутся две свободные шпильки.
Во второй четверти присоединение реостата к шпилькам ведут таким же образом, но в обратном направлении, начиная с первой шпильки после 90°.
В третьей четверти присоединение реостата ведут по часовой стрелке, начиная с первой шпильки от 270°, и заканчивают не доходя двух шпилек до 180°. Наконец, в четвертой четверти присоединение реостата начинают с первой шпильки от 270° и ведут по направлению к 360°.
Верхнюю клемму 8 соединяют с двумя ближайшими шпильками, расположенными около деления 90°, и со средним шурупом верхнего полукольца 4. Нижнюю клемму 8 соединяют со шпильками, расположенными около деления 270°, и со средним шурупом нижнего полукольца 4.
447
Катушки 7 с реостатами закрывают жестяной цилиндрической крышкой 9 диаметром 130 мм, высотой 15 мм с бортиком или лапками для прикрепления шурупами к щиту 2 (рис. 416). В центре крышки делают отверстие диаметром 12 мм для вала прибора.
В 115 мм от щита 2 к основанию прочно укрепляют стойку 10 сечением 30 ммх 10 мм, высотой 105 мм (рис. 416). На высоте 90 мм от основания в стойке сверлят отверстие диаметром 10 мм. Это отверстие и отверстие в щитке 2 служат подшипниками для вала 5. Можно, конечно, эти отверстия сделать несколько большего диаметра и вставить в качестве подшипников латунные втулки, но это не обязательно.
Вал делают стальным, диаметром 10 мм, длиной 194 мм. Между подшипниками вдоль вала делают «лыску» — спиливают плоскость шириной 4 мм для шпонки.
Близ щитка на вал туго, на шпонку, насаживают распределительную звезду 11, которую выпиливают из текстолита, оргстекла, гетинакса или фанеры толщиной 6 мм по рисунку 418, а. К звезде делают шесть скользящих контактов.
Рис. 418.
Из упругой стальной проволоки диаметром 0,4 мм свивают пружинящие лапки. Навивку производят на стержень диаметром 3 мм.
На лапке делают петлю под шуруп (рис. 418, б). К концам пружинящей лапки припаивают латунную пластинку размерами 8 ммХ хб ш«х2,5 мм, внешняя поверхность которой цилиндрическая. Лапки должны хорошо пружинить.
Готовые лапки врезают и прикрепляют шурупами в пунктах, указанных на рисунке 418, а буквой л. Так как звезда должна
448
вращаться против часовой стрелки, то сообразно этому располагают лапки. Три лапки, наиболее удаленные от центра, должны скользить по головкам шпилек 5, а другие три лапки — по полу-кольцевым контактам 4.
Из текстолита, оргстекла или пропарафинированной древесины вытачивают шесть дисков с втулками по рисунку 419, а, где они
показаны посаженными на ось. На дисках намечают по шесть центров для отверстий: три, сдвинутые относительно друг друга на 120°, расположены по окружности радиусом 11 мм и три, расположенные между ними, на окружности радиусом 13 мм, как указано на рисунке. В первом диске сверлят пять отверстий (кроме первого), во .втором диске — четыре отверстия (кроме первого и второго), в третьем — три отверстия (4-е, 5-е и 6-е), в четвертом — два отверстия (5-е и 6-е), в пятом — одно шестое отверстие. Шестой диск без отверстий. В центральном отверстии втулки каждого диска (для насадки на вал) делают паз для шпонки, расположенный против первого отверстия.
Из полоски латуни шириной 8 мм, толщиной 1 мм делают шесть колец для тугой насадки на диски. Концы полосок следует спаять в кольцо так, чтобы соединение было без уступа. Еще лучше эти кольца нарезать из латунной трубки или выточить. До насадки к каждому латунному кольцу с внутренней стороны припаивают по медному проводу диаметром 1 мм, Для припаянного конца провода на каждом диске делают желобок, расположенный на первом диске против пометки для первого отверстия, на втором диске — против второго отверстия и т. д. Кольца туго насаживают на дискй и скрепляют лаком или клеем БФ-2.
Звезду и все шесть дисков в порядке их нумерации насаживают на вал и закрепляют общей шпонкой. Между шестым диском и стойкой 10 помещают свободно насаженную на вал втулку.
449
Провода от колец пропускают сквозь соответствующие отверстия в дисках, расположенных ближе к звезде. Три провода, лежащие ближе к валу, припаивают к шурупам л контактов, скользящих по полукольцам 4. Три другие провода пропускают два раза сквозь отверстия в лучах звезды II и припаивают к шурупам л контактов, скользящих по головкам шпилек 3 (рис. 416 и 418).
Между стойкой 10 и щитом 2 на доске 1 укрепляют дощечку 13 шириной 100 мм внизу и 76 мм вверху (рис. 416). На скошенных гранях размещают шесть клемм, по три с каждой стороны. С одной стороны клеммы располагают против нечетных колец, а с другой — против четных. Под клеммами укрепляют щетки, которые делают из латунной упругой полоски толщиной 0,3—0,4 мм по рисунку 419, б. На скошенных гранях дощечки 13 для щеток -вырезают небольшие (1 о) углубления, что обеспечивает быструю и верную установку щеток на свои места.
На каждом конце вала вставляют по шпильке, предназначенной для соединения прибора с макетом генератора трехфазного тока, с центробежной машиной или для надевания ручки, устройство которой видно на рисунке 416.
Для преобразователя а и макета генератора в (см. ниже) надо сделать два бруска-подставки, чтобы оси приборов можно было установить на одном уровне с патроном центробежной червячной машины. Установленные приборы а и в скрепляют между собой шпильками, укрепленными в основании макета в.
Деревянные части прибора покрывают светлым лаком. Концы длинных лучей звезды и нижние половины щеток окрашивают в три разных цвета (соответственно трем фазам): ближние к звезде две щетки и соединенный с ними конец длинного луча в оранжевый цвет (первая фаза), вторая пара щеток и соответствующий конец луча звезды в светло-зеленый цвет (вторая фаза) и дальняя пара щеток с последним концом луча в синий цвет (третья фаза)1.
Постоянный ток от аккумуляторов напряжением 5 в подводят к клеммам 8. От шести клемм щеток, расположенных на дощечке 13, при вращении ручки снимают переменный трехфазный ток.
Если в цепь каждой фазы включить по две лампы на 3,5 в, 0,28 а, соединенных параллельно, то переменный ток будет синусоидальным. При разомкнутых цепях переменного тока аккумуляторная цепь должна быть тоже разомкнута. Прибор позволяет получать трехфазный ток только в том случае, когда цепи каждой фазы самостоятельны и отделены друг от друга. Поэтому соединять провода трех фаз треугольником или звездой нельзя, так как при этом в некоторые моменты будут короткие замыкания.
Однако если в цепи трехфазного тока ввести трансформаторы б, то после них провода можно включать и звездой и треугольником.
’Указанные цвета соответствуют таблицам по трехфазному току, выпушенным Учпедгизом в 1954 г., автор А. И. Глазырин.
450
При достаточно быстром вращении ручки прибора получится цепь трехфазного тока, принципиально. ничем не отличающаяся от трехфазной цепи промышленного тока (кроме частоты,которую можно менять). Указанное обстоятельство позволяет показать учащимся все особенности включения потребителей в цепь звездой или треугольником.
200
а
б) Панель с монтированными на ней трансформаторами, распределительным щитком, трехпроводной и четырехпроводной сетями, Панель делают из фанеры толщиной 9 мм (рис. 420, а). По кромкам к панели прикрепляют два бруска поперечным сечением 20 лшх 30 мм, длиной по 720 лш. В верхнем бруске делают два косых отверстия под крепежные крючки в 600 мм друг от друга. На 40 лш ниже верхней кромки к панели приклеивают щиток толщиной Змм, размерами 60 ммх 100 мм, На щитке в два ряда располагают шесть клемм с пластмассовыми головками, отстоящими
431
„ЛРУГ от Друга па 40 лш, а от краев на 10 мм. Для соединенгя между собой клемм делают ?гри латунные шины (рис. 407 а) с расстоянием между центрами зевов 40 мм.
Три трансформатора (стр. 344) переделывают, заменив катушку повышенного напряжения катушкой одинаковой с катушкой низкого напряжения!
Над трансформаторами и под ними располагают по шесть клемм: три (вверху) для присоединения к преобразователю а и три для соединения с клеммами распределительного щитка.
Клеммы левого трансформатора и соединенные с ним клеммы щитка окрашивают в оранжевый цвет. Клеммы среднего трансформатора и соответствующие клеммы щитка окрашивают в светло-зеленый цвет и, наконец, клеммы правого трансформатора и остальные клеммы — в синий.
От щитка отводят две цепи, монтируемые на панели проводом от осветительного шнура по рисунку 420, а. Оплетку проводов окрашивают в цвет соответствующей фазы. Нулевой провод (на рисунке идущий выше фазных) оставляют белым. Подводку к патронам лампочек делают более тонкими и так же окрашенными проводами. Провода прикрепляют к панели проволочными скобами. Патроны для лампочек (3,5 в, 0,28 а) монтируют непосредственно на фанере. Устройство патронов описано на страницах 290 и 386.
Перед монтажем панель покрывают черной краской, а затем белой краской наносят надписи, изображенные на рисунке.
в) Макет генератора трехфазного тока. Прибор состоит из статора (рис. 421) и ротора (рис. 422, б).
Тело статора делают из липы по рисунку 422, а. Из доски толщиной 25 мм вытачивают шайбу с наружным диаметром 180 мм и диаметром отверстия 92 мм. Из доски толщиной 15 мм вырезают фигуру с тремя выступами, смещенными на 120Q относительно друг друга. В центре фигуры вырезают отверстие диаметром 92 мм, вни
452
зу оставляют два шипа для укрепления фигуры в доске основания. Готовые детали склеивают; их цилиндрические отверстия должны совпадать. На стенках цилиндрического отверстия по образующим делают 24 желоба прямоугольного сечения, расположенные равномерно. Ширина желоба равна расстоянию между желобами, глубина желобов 6 мм.
Цилиндрическое тело статора (за исключением трех выступов) окрашивают в черный цвет, а выступы — в светло-серый. На выступах устанавливают по две клеммы. У каждой клеммы в цилиндрическом теле сверлят по сквозному отверстию диаметром 5—6 мм.
Рис. 422.
Когда окрашенное тело статора высохнет, производят обмотку. Так как обмотка фиктивная, то ее можно выполнять даже хлопчатобумажным шнуром. Однако удобнее использовать провода от осветительного шнура (заизолировав концы проводов). Потребуется три куска провода длиной по 2,7 м каждый. Обмотки проводов раскрашивают: у одного куска в оранжевый цвет, у другого в светло-зеленый и у третьего в синий. Производить обмотку и располагать проход по торцам тела статора надо так, как указано на рисунке 421 (с лицевой стороны — левый рисунок, ас обратной стороны— правый рисунок). Удержать провод в требуемом положении можно быстросохнущим клеем, лаком или скобками из тонкой •проволоки. Для облегчения намотки желоба следует занумеровать.
Обмотку начинают с третьей (синей) фазы, затем выполняют обмотку второй (зеленой) фазы и заканчивают первой фазой.
Ротор делают деревянный по рисунку 422, б. В его центре сверлят несквозное отверстие, в котором укрепляют металлическую трубку (из железа толщиной 0,7—1 мм). Трубка должна надеваться на вал преобразователя а. В трубке делают два Г-образных вы
453
реза для сцепления ротора с валом преобразователя, на котором имеется шпилька.
Закрепить трубку в роторе надо прочно и в строго выверенном положении. Чтобы найти это положение, макет генератора сцепляют с преобразователем. Скользящий контакт оранжевого указателя звезды преобразователя ставят на деление 90, тогда северный полюс ротора макета должен находиться вверху, против оранжевых проводов в полости статора.
При указанной установке тщательно замечают положение трубки относительно ротора и укрепляют ее сквозной шпилькой, расположенной поперек ротора.
В основании статора укреплены две шпильки диаметром 2 мм (рис. 421 и 422), предназначенные для скрепления статора с преобразователем а. При вращении вала преобразователя ротор должен свободно вращаться в полости статора, не задевая последнего. С лицевой стороны между клеммами генератора включают по патрону с лампочкой на 3,5 в, 0,28 а.
Ротор окрашивают в два цвета: половину с северным полюсом в голубой цвет, а половину с южным полюсом в красный. Буквы N и S рисуют белой краской.
Основание статора покрывают светлым лаком.
г) Прибор для демонстрации вращающегося магнитного поля и двигателя трехфазного тока с принадлежностями (комплект).
Прибор монтируют на вертикальном щитке из фанеры толщиной 9 мм (рис. 423, а). Щиток прочно укрепляют на доске-основании. В середине к щитку прикрепляют диск диаметром 30 мм, Сделанный из фанеры толщиной 9 мм.
Магнитопровод делают по рисунку 423, б из нескольких слоев хорошо отожженного листового железа толщиной 0,3—0,5 мм. Заготовленные слои общей толщины 15 мм склепывают вместе в один магнитопровод, который затем тщательно опиливают, а острые ребра закругляют.
На каждый башмак (выступ) магнитопровода делают намотку (до заполнения) из медного изолированного провода диаметром 0,4—0,5 мм. Обмотки диаметрально противоположных катушек соединяют между собой параллельно так, чтобы при прохождении через них тока они были обращены друг к другу противоположными полюсами (рис. 423, а).
Чтобы не повредить изоляцию при намотке, башмаки обертывают слоем бумаги или лентой.
Обмотки на башмаках закрепляют нитью, которую перед намоткой накладывают радиально на башмаки магнитопровода. Скрепленные обмотки покрывают шеллачным или сапоновым лаком.
Магнитопровод прикрепляют к вертикальному щитку тремя шурупами, положив между железом и щитком деревянные шайбы соответствующей толщины (рис. 423, а). Провода, параллельно соединяющие пары катушек, укрепляют проволочными скобами к щиту, как указано на рисунке, а концы провода от каждой пары
454
катушек присоединяют к соответствующим клеммам, установленным на щите.
В щите по оси магнитопровода сверлят отверстие, в котором укрепляют стальную ось диаметром 3 — 4 мм, длиной 50 мм (рис. 323, а). На конце оси предварительно сверлят отверстие под проволочную шпильку диаметром 1—1,5 мм.
455
Обмотки и соединяющие провода окрашивают в соответствующий фазам цвет. Щит и подставку покрывают светлым лаком.
Кроме магнитопровода с катушками, в комплект входят легкая стальная намагниченная пластинка, железный диск, рамка с обмоткой, замкнутой лампочкой на 1 в, и короткозамкнутый ротор.
Легкую намагниченную пластинку можно сделать из полотна ножовки (рис. 424). Посередине пластинки пробивают отверстие, в
Рис. 424.
Рис. 425.
которое впаивают латунную втулочку. Пластинку выверяют на безразличное равновесие (путем опиловки боковых ребер). Затем пластинку возможно лучше намагничивают и раскрашивают: половину с северным полюсом в голубой цвет, другую половину в красный. Буквы N и S рисуют белой краской.
Диск вытачивают из железа толщиной 4 мм. В отверстие в центре вставляют втулку длиной 10 мм. Диск хорошо отжигают. Одну половину диска окрашивают в черный, а другую — в белый цвет. Полностью уравновешенный диск должен свободно вращаться на оси, не задевая статора.
Рамку делают из листового железа толщиной 0,3—0,4 мм (рис. 425, а и б). Намотку делают изолированным проводом диаметром 0,4—0,5 мм. Замыкают концы обмотки лампочкой на 1 в, 0,075 а (рис. 425, в), припаяв концы обмотки к контактам лампочки. Число витков обмотки определяют опытным путем: при неподвижно удерживаемой рамке и при достаточно быстром вращении оси преобразователя а лампочка должна гореть полным накалом.
Рамку надо довести до безразличного равновесия путем напайки олова на легкий конец.
Короткозамкнутый ротор вытачивают из хорошо отожженного железа по рисунку 426. С обеих сторон к диску прикреплены ла-456
тунные кольца, соединенные между собой латунными шпильками-заклепками (беличье колесо).
Половину диска окрашивают с обеих сторон в черный цвет. Диск выверяют на безразличное равновесие.
Рис. 426.
Демонстрации
1) Период, частота, фаза переменного тока. Перед опытом необходимо сообщить учащимся, что прибор а преобразует постоянный ток в переменный, отличающийся от обычного переменного тока лишь способом его получения.
Установку приборов делают по рисунку 427. От одной из трех пар клемм переменного ток£ ведут провода к двум лампочкам на
Рис. 427.
3,5 в (91), соединенным между собой параллельно. Находят указатель звезды, который снимает ток для фазы, питающей лампочки (указатель имеет тот же цвет, что и клеммы, от которых взят ток к лампочкам).
457
17 Заказ >530
Медленно вращают ручку преобразователя и, не прекращая вращения, замыкают ключом цепь аккумуляторов. Наблюдают периодическое изменение накала волосков лампочек. Одновременно наблюдают за вращением замеченного указателя. Устанавливают, что при прохождении указателя через 0° и 180° лампочки гаснут, а при прохождении через 90° и 270° лампочки светятся с перекалом. 'Сравнивают наблюдаемую закономерность свечения лампочек с графиком переменного тока.
Изменяя скорость вращения ручки преобразователя, дают понятие о частоте и периоде переменного тока. Соединяют ось прибора с центробежной машиной1. Приводят преобразователь в быстрое вращение. Обнаруживают, что при некоторой частоте тока мигание света становится незаметным. Это объясняется способностью глаза удерживать зрительное впечатление около 0,1 сек и инертностью лампочки (волосок лампочки не может мгновенно накалиться или погаснуть).
2) Демонстрация величины и напряжения переменного тока в различных фазах. Понятие об эффективной величине и эффективном напряжении переменного тока. В установке приборов по рисунку 427 параллельно лампочкам включают вольтметр, а последовательно с лампочками — амперметр.
Вращают медленно ручку преобразователя и останавливаются на делениях 0°, 90°, 180°, 270° и 360°. Наблюдают и записывают показание вольтметра и амперметра в соответствующих фазах. Затем очень медленно, но равномерно вращают ручку преобразователя и наблюдают за последовательным изменением показаний амперметра и вольтметра. Следят также и за яркостью лампочек. Дают понятие об изменении величины и напряжения переменного тока в связи с изменением фазы. Затем, соединив ось преобразователя с центробежной машиной (смотри сноску) и переключив измерительные приборы на переменный ток, приводят ротор преобразователя в быстрое вращение. Замечают, что лампочки перестают мигать и светят без перекала, а показания амперметра и вольтметра становятся постоянными. Сравнивают установившиеся показания приборов с записанными и убеждаются, что максимальные показания в фазах 90° и 270° приблизительно равны установившимся показаниям приборов при большой частоте, умноженным на У2. Дают понятие об эффективной величине и эффективном напряжении переменного тока.
3) Объяснение принципа получения трехфазного тока в генераторе на макете. Получение трехфазного тока демонстрируют на действующей модели генератора трехфазного тока в процессе демонстрации самой модели. В противном случае приходится прибегать
1 Соединить оси преобразователя и центробежной машины можно цилинд-дрической пружиной, свитой из стальной проволоки диаметром 2 мм, или резиновым шлангом. Такое соединение не требует точной центровки осей. Расстояние между торцами осей оставляют 5—15 мм.
458
к помощи таблиц или рисунков и дополнительно к демонстрации макета генератора.
Макет генератора и преобразователь а соединяют между собой. Макет генератора закрывает собой весь преобразователь, если смотреть со стороны учащихся. Клеммы от щеток преобразователя соединяют проводами с соответствующими по цвету клеммами макета
Рис. 428.
генератора (рис. 428, а), а вводные клеммы преобразователя соединяют с батареей аккумуляторов (рис. 428, б). Указанную установку делают до урока. Аккумуляторы можно скрыть от глаз учащихся.
Сообщают учащимся, что макет служит лишь для объяснения принципа получения трехфазного тока, ток в обмотках генератора не индуктируется, а идет в лампочки от аккумуляторов и преобразуется в переменный трехфазный особым преобразователем.
Медленно вращают ручку преобразователя. Одновременно с этим вращается и ротор генератора. Наблюдают, как изменяется накал лампочки той фазы, обмотку которой проходят в данное время полюса ротора. Затем наблюдают чередование прохождения одинаковых фаз (по максимальному накалу ламп) в различных обмотках генератора. Обнаруживают сдвиг одинаковых фаз в различных
17
459
обмотках на 120° и на 240°. Связывают эти наблюдения с графиком трехфазного тока.
По методическим соображениям во время демонстрации не следует останавливать вращения ротора: лампочки должны быть под током лишь при вращении ротора.
4) Демонстрация включения потребителей в сеть трехфазного тока треугольником и звездой. Собирают цепь из преобразователя а,
аккумуляторов и панели б. Панель прикрепляют к монтажному щиту (см. стр. 417). Преобразователь а и аккумуляторы ставят сзади монтажного щита (рис. 429, а).
Ось преобразователя сочленяют с центробежной машиной (см. сноску на стр. 458). На клеммы преобразователя дают напряжение 3,5—5 в.
Шесть клемм преобразователя соединяют с шестью верхними клеммами трансформаторов, как указано на схеме (рис. 429, б).
Объясняют проводку на щите. Обращают внимание, что в каждой ветви левой и правой цепи введено по две лампочки на 3,5 в, включенных параллельно.
Соединяют клеммы на щитке звездой, включают одновременно левую и правую цепи. Приводят ось преобразователя в быстрое вращение. Лампочки трехпроводной цепи светят ярко, тогда как лампочки четырехпроводной цепи светят с небольшим недокалом.
При трехпроводной схеме в каждую цепь между фазными проводами включены две последовательно соединенные обмотки генератора. Выясняют, что вследствие сдвига фаз на 120° напряжение в це? пи равно а не 2в (где в — напряжение на концах каждой обмотки генератора). Так, если напряжение в каждой обмотке гене
460
ратора равно 3,5 в, то напряжение между фазными проводами (трех-лроводная линия) будет около 6 в.
Отключают четырехпроводную линию, исследуют линию, соединенную треугольником. Выключают одну из двух ламп на какой-либо линии — накал остальных ламп не изменяется. Если выключить один из фазных проводов, то лампы двух фаз оказываются включенными последовательно и напряжение в них падает, а лам-
Рис. 430.
пы одной фазы имеют прежний накал. При отключении двух фазных проводов гаснут все лампочки.
Отключают трех проводную цепь и исследуют четырех про
водную.
Приводят в быстрое вращение ось преобразователя. При одинаковой нагрузке во всех ветвях по белому (нулевому) проводу ток не идет. Отключают белый провод от щитка. Это не влияет на накал лампочек. Поэтому белый провод называют нулевым, а цветные — фазными. Но картина меняется при неравномерной нагрузке. В одной линии выключают одну лампочку. Без нулевого прово-
да оставшаяся лампочка светит с перекалом, тогда как лампочки других линий светят с недокалом. Включают нулевой провод, и напряжение во всех трех цепях значительно выравнивается. Поэтому нулевой провод иногда называют компенсационным.
5. Демонстрация вращающегося магнитного поля трехфазного тока. Установку приборов делащт по рисунку 430, а. Схема соединения приборов дана на рисунке 430, 6.
На ось модели насаживают намагниченную полосу с обозначенными полюсами. Медленно вращают ручку преобразователя. Намагниченная полоса вращается с такой же угловой скоростью, показывая, что магнитное поле трехфазного тока вращается, совершая полный оборот за один период тока.
461
Меняют скорость вращения ручки преобразователя — соответственно меняется и скорость вращения магнитной полосы.
Как изменить направление вращения магнитного поля, не меняя направления вращения ручки преобразователя? Для этого достаточно обменять местами провода каких-либо двух фаз у статора прибора в. Теперь магнитная полоска будет вращаться в обратном направлении.
Рис. 431.
О
б
6) Демонстрация принципа действия асинхронного двигателя трехфазного тока. В предыдущей установке преобразователь соединяют с центробежной машиной. *
На ось прибора надевают железный диск и намагниченную полосу (рис. 431, а). Приводят во вращение машину, постепенно увеличивая скорость. Намагниченная полоска также увеличивает скорость вращения. Обнаруживают, что диск также вращается, но с заметным отставанием от намагниченной полоски, следовательно, и от вращающегося поля. Разъясняют наблюдаемое явление.
Наличие токов в проводнике, находящемся во вращающемся магнитном поле, можно показать следующим образом. Вместо цилиндра и намагниченной полреки на ось надевают рамку с обмоткой, в которую включена лампочка на 1 в (рис. 431, б). Быстро вращают ось преобразователя — лампочка ярко светится, пока рамка не набрала скорость. По мере увеличения скорости вращения рамки волосок лампочки меркнет и, наконец, гаснет. Тормозят рамку, слегка касаясь ее тонкой упругой пластинкой. При значительном отставании от магнитного поля в рамке снова возникает ток, достаточный для накала волоска лампочки. Особенно ярко будет светиться лампочка при остановке рамки.
Заменяют рамку короткозамкнутым ротором (рис. 431, а). Объясняют преимущества беличьего колеса перед сплошным цилиндром и значение железного цилиндра (лучшая магнитопроводность), а также необходимость изготовления его из пластин для уменьшения токов Фуко.
462
Вращают быстро ось преобразователя. В ту же сторону, но с отставанием приходит во вращение ротор. Нажимают слегка упругой пластинкой на ротор. Скорость вращения ротора несколько уменьшается. По изгибу пластинки видно, что для небольшого уменьшения числа оборотов потребовалась небольшая сила. Чтобы остановить ротор, приходится приложить значительное усилие (это видно по изгибу пластинки).
Опыт показывает, что крутящий момент сил тем больше, чем больше отставание ротора от вращающегося магнитного поля.
ПРИЛОЖЕНИЕ
НЕСКОЛЬКО СЛОВ ОБ ОБОРУДОВАНИИ КАБИНЕТА ФИЗИКИ ЗАТЕМНЕНИЕМ
Затемнение класса играет большую роль для значительного числа опытов.
Наиболее рациональное затемнение, легко управляемое и при поднятых шторах не отнимающее дневного света, устраивают следующим образом (рис. 432).
Рис. 432.
Из досок шириной 100 мм, толщиной 15 мм и брусков поперечным сечением 30 мм X 15 мм вокруг окна делают рамку. С боков и снизу рама состоит из двух слоев указанных досок, между которыми оставлена щель шириной 15 мм, глубиной 70 мм.
464
Вверху рама переходит в ящик, открытый снизу. Вдоль ящика помещен деревянный валик. На одном конце валика снаружи насажен деревянный ролик.
По размерам рамы шьют штору из двойной, не пропускающей света прочной черной материи. Ширина шторы должна равняться ширине просвета рамы плюс 130 мм. Верхнюю кромку материи прибивают к вал*ику. Нижнюю кромку шторы загружают железной полосой (или деревянной доской), зашитой между двух слоев материи. Полоса вместе со шторой должна легко скользить в пазах рамы и обеспечивать надежное опускание шторы.
Управление шторой производят бечевой, прикрепленной к ролику и намотанной на него. В нижней части бечевы делают две петли для закрепления за костыль, вбитый в стену: одну петлю для удержания поднятой шторы вверху и другую—для удержания опущенной шторы внизу. Пазы рамы для шторы окрашивают в черный цвет. Снаружи раму покрывают светлым лаком.
НЕКОТОРЫЕ ПРИЕМЫ ПОДГОТОВКИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЧАСТЕЙ ПРИБОРОВ
' Приготовление толстой фанеры. Толстую фанеру можно приготовить из трехмиллиметровой, склеив4 фанеру в два, три или четыре слоя. Склейку производят так, чтобы волокна дерева у склеиваемых поверхностей были расположены перпендикулярно друг другу. Лист фанеры помещают на ровную плоскость, смазывают тонким слоем горячего столярного клея склеиваемые поверхности и накладывают второй лист на первый. Так склеивают нужное число листов. На последний лист равномерно укладывают большой груз (например, кирпичи). Пресс снимают только тогда, когда клей совершенно высохнет (приблизительно через сутки).
Вырезание-дисков из фанеры производят при помощи специального приспособления — ножевого циркуля. Из твердой древесины делают планку поперечным сечением 20 мм X 5 мм, которая должна быть на 25—30 мм длиннее радиуса наибольшего диска, подлежащего вырезанию (рис. 433, а). В планке прорезают щель, для чего по концам намеченной щели просверливают два отверстия диаметром 2 мм, а планку между отверстиями пропиливают лобзиком.
В щель должен входить конец перочинного ножа и выступать из планки на 4 мм. Вдоль планки посередине ее ширины просверливают ряд одинаковых отверстий диаметром 1,5—2 мм, отстоящих от щели на расстояниях, равных радиусам изготовляемых дисков. Отверстия должны быть перпендикулярны к поверхности планки.
Для вырезания дисков с конической поверхностью следует сделать другую планку, которая отличается от первой только щелью. Последнюю делают так же, как и у первой планки, но располагают наклонно (рис. 433, б).
465
Подбирают гвоздик, плотно входящий в отверстия планки.
На фанере хорошего качества (лучше березовой) намечают центр будущего диска и вбивают в него гвоздик, предварительно вставленный в соответствующее отверстие планки. В щель планки вводят острие отточенного ножа и, вращая им планку вокруг гвоздя, вырезают диск. Фанера должна быть плотно прижата к деревянной плоскости всюду, где режет нож.
Таким образом можно вырезать диски из фанеры обычной толщины (3 мм). Диски более толстые склеивают из вырезанных тонких.
Рис. 433.
Сверление отверстий для крепежных крючков. Все приборы и детали, прикрепляемые к монтажному щиту (стр. 417), должны иметь в боковых гранях оснований одинаковые и одинаково расположенные отверстия, наклоненные к плоскости грани на 80° (рис. 385). Для сверления указанных отверстий необходимо сделать специальную оправку из твердой древесины по рисунку 434, а, которая состоит из двух соединенных между собой брусков. К противоположным граням длинного бруска на шурупах прикрепляют по железной пластинке толщиной 1—2 мм и • просверливают в бруске отверстие по толщине крепежных крючков (см. рисунок). На торце длинного бруска проводят черту, указывающую плоскость, в которой расположено отверстие.
Сверление отверстий при помощи оправки производят следующим образом. На основании прибора проводят прямую линию, по которой должен быть расположен центр отверстия. Оправку плотно прижимают к граням основания, совместив линию на торце оправки с отметкой на основании (рис. 434, б). В отверстие оправки вставляют сверло и просверливают отверстие на глубину 14—16 мм.
Изгибание металлических трубок. Чтобы избежать смятия трубки во время изгиба, трубку заполняют сухим песком, забивают оба
466
конца деревянными пробками и производят изгиб. После изгиба пробки вынимают и песок удаляют.
Металлическая трубка небольшого диаметра легко изгибается и без заполнения песком.
Использование гвоздей для приготовления осей. Оси следует точить или делать из стальной проволоки требуемого диаметра. Если нет ни станка, ни подходящей проволоки, то можно использовать чистые прямые гвозди. Для зачистки поверхности гвоздя последний помещают вдоль почти сдвинутых губок тисков. Личным плоским напильником сравнивают все неровности при непрерывном
Рис. 434.
поворачивании гвоздя вокруг своей оси. Затем гвоздь вставляют в дрель и, быстро ее вращая, зачищают ось сначала напильником, а затем наждачной бумагой.
Сверление отверстий в стальных шариках. Чтобы в стальном шарике просверлить отверстие, шарик следует предварительно подвергнуть сильному нагреванию до яркого каления, а затем дать ему медленно остыть (например, закопать в горячую золу). Отожженный шарик зажимают в тиски, намечают керном отверстие и сверлят обычным путем.
Изготовление цилиндрических пружин. Цилиндрические пружины изготовляют из стальной проволоки марки ПК. Для навивки проволоки на стальной стержень удобно пользоваться самодельным деревянным станком, изготовить который легко по рисунку 435. Один конец навиваемой проволоки укрепляют в отверстии стержня, другой загружают достаточно тяжелым грузом (1 —5 кг). При навивке проволоки наблюдают, чтобы витки ложились плотно друг к другу.
После навивки требуемого числа витков закрепленный в отверстии стержня конец проволоки обрубают и пружину снимают со
467
стержня. Ее диаметр неизбежно становится больше диаметр# стержня, что надо учитывать при изготовлении пружины.
Если требуется изготовить пружину на сжатие, то ее витки надо растянуть, взявшись за ее концы.
Подбор диаметра проволоки, числа витков, а также диаметра стержня для навивки пружины производят следующим образом. Предположим, что надо приготовить цилиндрическую пружину для динамометра (16). Наружный диаметр пружины должен быть 12 мм, удлинение пружины при нагрузке 1,2 к Г — 120 мм (стр. 39).
Из таблицы 1 (стр. 472) видно, что при наружном диаметре 12 мм и допустимой нагрузке Р, несколько большей 1,2 кГ, подходит проволока диаметром 1 мм. Из этой же таблицы видно, что удлинение (в мм) одного витка пружины при нагрузке Р (в данном случае 1,4 кГ) равно 2,02 мм. При нагрузке в 1,2 кГ это удлинение 2,02 мм-1,2 .
будет равно ————— = 1,73 мм.
Для пружины динамометра требуется удлинение на 120 мм при нагрузке 1,2 кГ, поэтому пружина должна состоять из 70 витков, так как 120: 1,73^70.
Диаметр стержня, на который навивают проволоку для указанной пружины, находят из таблицы 3. Если проволока марки ПК имеет диаметр d=l мм, а наружный диаметр пружины 0^12 мм, то стержень для навивки пружины надо взять толщиной 8,5 мм.
В таблице 2 имеются данные для пружин из тонкой проволоки (от 0,1 до 0,9 мм в диаметре).
468
Пробивка в стекле малых отверстий. В стеклянной посуде с тонкими стенками можно пробить небольшие отверстия (около 1 мм в диаметре). Посуду помещают на колени, подстелив мягкую подкладку. В левую руку двумя пальцами берут патефонную хромированную иглу, острие которой прижимают к стеклу в требуемом месте. Отверстие пробивают частыми, но слабыми ударами легкого молоточка по тыльной части иглы. Иглу необходимо прочно держать в-пальцах, чтобы после пробивки (что слышно по звуку) игла не вошла в отверстие и не разрушила стекло.
Сверление отверстий в стекле. Стекло помещают на ровную мягкую поверхность. Чтобы наметить центр будущего отверстия, на стекло накладывают дощечку с отверстием по сверлу. В отверстие вставляют цилиндрическое сверло, смоченное скипидаром с растворенной в нем камфарой. Наметив центр, сверлят без дощечки, едва нажимая на сверло. Когда сверло начнет выходить из стекла, сверление прекращают. Узкое отверстие с обратной стороны разделывают острием напильника. Напильник легонько наклоняют из стороны в сторону и тем постепенно выкрашивают кромки стекла.
Сверло можно заменить прямым куском медной проволоки, вставленным в дрель. Место сверления смазывают пастой, состоящей из четырех частей наждачного порошка, двух частей камфары в порошке и двух частей скипидара, в которой растворяют кам-фару-
Изготовление баллона из пробирки. Для изготовления термоскопа (67) и некоторых приборов, используемых с ним, требуются стеклянные баллоны с узким оттянутым горлышком. Указанные баллоны нетрудно сделать из пробирок. Подбирают пробирку соответствующего диаметра, отмечают на ней длину баллона (по требуемому объему) и место, следующее непосредственно за отметкой, хорошо прогревают на спиртовке или газовой горелке, непрерывно поворачивая пробирку вокруг оси. Когда стекло начнет мякнуть, пробирку растягивают, не забывая вращать трубку. Нагретая часть вытягивается в узкую трубку. После остывания излишний конец горлышка у баллона отрезают (делают надрез напильником и в месте надреза ломают трубку). Срез трубки оплавляют на спиртовке.
Если температура пламени у спиртовки недостаточна для прогрева стекла, то прибегают к дутью ртом через стеклянную трубку.
Обработка оргстекла (плексигласа). Оргстекло обрабатывается как мягкий металл. Оно распиливается ножовкой по металлу, опиливается напильником, сверлится обычным сверлом, обрабатывается на металлорежущем станке. При нагревании до 105—150° (над электрической плиткой) оргстекло делается пластичным, легко изгибается и принимает форму той поверхности, к которой прижимается.
Обработанная поверхность оргстекла легко шлифуется и полируется крокусом.
469
Хорошо прогретое оргстекло1, прижатое к прогретой зеркальной поверхности, после остывания принимает зеркальную поверхность.
Оргстекло хорошо склеивается дихлорэтаном или же клеем, сделанным для раствора оргстекла в смеси ацетона щ амилацетата. Для прочной склейки соприкасающиеся поверхности необходимо подогнать друг к другу очень плотно. Выступивший клей сейчас же счищают бритвенным лезвием. Склеивание происходит через несколько часов.
Из листового оргстекла можно делать трубки. Для этого аккуратно вырезанный (соответствующих размеров) прямоугольник прогревают над плиткой и навертывают на прогретый же металлический стержень. Соприкасающиеся кромки стекла плотно смыкают и после остывания склеивают или замазывают щель цементной замазкой.
Замазка цементная. Для приготовления многих приборов требуется замазка, хорошо пристающая к стеклу, дереву, металлу и не боящаяся воды. Такую замазку можно сделать из портландцемента, замешанного на масляном или асфальтовом лаке до густоты обычной оконной замазки. Цементная замазка сохнет довольно долго —8 —12 дней; до полного высыхания замазки воду в прибор наливать нельзя.
Изготовление цементных брусков. Из фанеры или дощечек соответствующих размеров делают форму—открытый ящик бездна Форму смачивают водой, ставят на ровную поверхность и набивают хорошо перемешанным цементом с чистым песком (одна часть цемента и две-три части песка), смоченными водой до состояния сырой массы. Поверхность цемента сверху сглаживают, коробочку осторожно снимают и бруску дают отвердеть, время от времени смачивая его водой.
Изготовление шариков из цементной замазки. Шарики делают из цементной замазки более густой, чем для вставки стекол, то есть с меньшим содержанием лака. Замазку разделяют на одинаковые по весу куски, из которых скатывают между ладонями или дощечками одинаковые шарлки требуемого диаметра.
В подсыхающих шариках делают необходимые отверстия. Проволочные крючки и петли вставляют в шарик до затвердевания замазки. Вставляемый конец крючка или петли загибают миллиметра на четыре. Поврежденную часть шарика заделывают замазкой.
Для получения шариков с большим удельным весом в цементную замазку примешивают железные опилки.
Склеивание. Для склеивания дерева с деревом, бумагой или материей обычно применяют столярный или казеиновый клей. Клей БФ-2 является универсальным, им можно склеивать многие материалы, в том числе стекли, металл и некоторые пластмассы.
’Прогреть стекло до 100° можно в воде. Опускают в воду стекло и постепенно нагревают воду до кипения.
470
Для наклейки бумаги, картона, материи на стекло или металл, а также для склейки целлулоида лучше всего применять сапоно-вый лак (раствор целлулоида в ацетоне).
Резину склеивают резиновым клеем (раствор каучука в авиационном бензине). Плексиглас склеивают дихлорэтаном или раствором оргстекла в смеси ацетона и амилацетата (стр. 470).
Наличие перечисленных сортов клея, а также цементно-лаковой и менделеевской замазки вполне обеспечивает все необходимые виды склеивания при изготовлении описанных приборов.
Серебрение стекла и оргстекла. Для изготовления плоских и сферических зеркал путем покрытия серебром линз рекомендуется способ Брэшера, который состоит в следующем.
Сначала приготовляют восстанавливающий раствор, состоящий
из следующих частей:
сахара (рафинада)...................................9 г
концентрированной азотной кислоты................0,4 мл
спирта винного....................................17,5 мл
воды дистиллированной.............................100 мл
Растворяют сахар в воде и затем прибавляют спирт и кислоту. Раствор делают по крайней мере за неделю до серебрения. Чем дольше стоит раствор, тем лучше.
Непосредственно перед серебрением двух-трех очковых стекол приготовляют 1-процентный раствор в дистиллированной воде 4 г азотнокислого серебра и 1-процентный раствор 2 г едкого кали.
В 0,9 объема раствора серебра прибавляют аммиак до тех пор, пока не растворится появившийся осадок. Тогда вновь прибавляют раствор серебра до появления осадка. Затем прибавляют раствор едкого кали, который увеличивает осадок. После этого снова прибавляют аммиак до исчезновения осадка. Затем прибавляют серебро и в описанной последовательности повторяют эти приливания; пока не израсходуют все серебро. Приливанием последней порции серебра заканчивают составление второго раствора. От избытка окиси серебра жидкость слегка опалесцирует, что необходимо. Приготовленный раствор фильтруют и в него прибавляют 25 г первого, восстанавливающего состава. Смесь хорошо перемешивают. В полученный состав опускают предметы, подлежащие серебрению, покрываемыми поверхностями вверх. Во время серебрения ванну полезно покачивать.
Когда предметы хорошо покроются серебром, их вынимают, промывают в чистой воде и, протирая ватой, удаляют белый налет. Поверхность зеркал получается блестящей, прочной и не требующей полировки.
Наиболее подходящая температура раствора при серебрении 21°.
Отделка приборов. Отделку дерева надо завершить лакировкой: поверхность тщательно зачищают стеклянной или наждачной бумагой и покрывают 1 —3 раза ровным тонким слоем спиртового лака. Каждый следующий слой лака наносят лишь после полного высыхания предыдущего, обычно через 30 мин. Если прибору же
471
лают придать темный цвет, то дерево покрывают морилкой, а затем лакируют.
Перед покрытием масляными красками на деревянные поверхности наносят слой олифы и дают ей высохнуть дня два-три.
Металлические части (за исключением осей, подшипников и других скользящих и трущихся частей) лучше всего покрывать черным нитролаком или алюминиевой краской на бесцветном нитролаке, а также масляной или эмалевой краской. Металл покрывают тонким слоем краски с помощью небольшой кисточки.
Латунные части прибора очищают и покрывают бесцветным лаком (лучше «золотистым»). Трущиеся поверхности смазывают маслом.
Для предохранения стальных предметов от коррозии их поверхности можно «воронить». Предмет нагревают до цветов побежалости и остужают. Когда цвета побежалости будут исчезать и появится «сизый» цвет, то поверхность металла протирают тряпкой, смоченной олифой, или, если предмет мал, на время погружают в олифу.
ТАБЛИЦЫ1
Таблица 1
Цилиндрические пружины из проволоки марки ПК _____(Для проволок диаметром от 1 до 2,5 мм)
Диаметр проволоки d в мм
Наружный Ы АМ£ТП 1 | 1,5 1 2 | 2,5
1 пружины Р допустимая нагрузка в кГ
в мм f удлинение (в мм) одного витка пружины при действии на нее силы Р
to 1,570 6,200 15.2 32
1,36 - 0,8 0,35 0,38
ю 1,400 5,00 12,2 25
1Z 2,02 1,22 0,85 0,6
15 1,100 3,99 9,5 19
з,з 2,05 1,4 1,05
пл 0,830 2,8 6,8 14
XV 6 3,8 2,7 2,1
25 0,630 2,25 5,3 10
9,6 6,2 4,4 3,5
30 0,540 1,85 4,4 8,5
14 9 6,6 5
35 0,460 1,55 3,7 7,5
19,5 11,6 9 7
40 0,400 25,5 1,35 16,5 3,2 12 6,5_ 9,5
1 Таблицы взяты из книги Е. Н. Горячкина «Методика преподавания физики в семилетней школе», т, Ш, Учпедгиз, 1953.
472
Таблица 2
Цилиндрические пружины из проволоки марки ПК (Для проволок диаметром от 0,1 до 0,9 мм)
Наружный диаметр Диаметр проволок d в мм
0.1 I 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,6 | 0.7 | 0,8 | 0,9
пружины Do р допустимая нагрузка в кГ
в мм f удлинение (в мм) одного витка пружины при действии на нее силы Р
0,004 0,035 0,14 0,28 0,57 0,99 1,62
4 2,53 1,26 0,77 0,53 0,42 0,32 0,26
.. 0,003 0,09 0,22 0,43 0,77 1,22 1,92
5 2,12 1,25 0,89 0,68 0,54 0,43 0,37
0,074 0,17 0,35 0,63 1,02 1,55 2,24
6 1,73 1,30 1,00 0,82 0,67 0,57 0,49
.t 0,13 0,28 0,42 0,74 1,11 1,61
8 2,41 1,84 1,39 1,28 1,08 0,79
10 0,21 0,36 0,58 0,87 1,26
3,02 2,47 2,08 1.77 1,55
0,32 0,47' 0,72 1,03
12 3,72 3,00 2,63 2,30
15 0,25 0,37 0,57 0,81
6,08 4,77 4,22 3,69
18 0,67
5,43
Таблица 3
Диаметры стержней для$ навивки цилиндрических пружин
d 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8, 1 1,5 2 2,5
Во
Диаметр стержня D в мм
4 5 6 8 10 12 3,2 4.0 3,1 4,0 5,0 2,8 3,8 4,8 6,7 2,5 3,5 4,5 6,4 8,7 2,3 3,2 4,2 6,1 8,1 10,1 2,7 3,6 5,5 7,7 9,3 2,9 4,8 6,7 8,5 5,5 7,3 5,1 4,8
15 12,8 12,1 11,7 10,2 9,0 7,6
18 14,3 13,1 11,9 10,4
20 16,2 15,0 13,8 12,2
22 - 16,9 15,6 14,1
25 19,7 18,5 17,0
30 23,5 22,9
35 28,7 26,9
473
Таблица 4
Удельные сопротивления сплавов высокого сопротивления
Наименование сплава и его марка
Удельное сопротивление при 20° в ом mmPJm
Константа fi К-60-40 Нейзильбер Н3-65-15-20 Манганин М3-12 Никелин
Нихром Нг67,5-15-16-1,5 Фехраль
0,44—0,50 0,26—0,35 0,42—0,5 0,40—0,45 1,0-1,1 1,1—1,3
Таблица 5
Подбор диаметра никелиновой проволоки для реостатов в зависимости от нагрузки
Диаметр в мм 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 0,9 1,0 1,1 1.2 1,3 1,4 1,5
Ток в а 2 3 4 4,5 6 7 8 . 10 12 13 15 18 20
Таблица 6
Толщина, сечение и сопротивление никелиновой и нихромовой проволок
Диаметр \Сечение Сопротивление 1 м в ом Вес 1 1 м в г
в мм в мм* никелин | нихром никелин | нихром
0,20 0,0И4 12,7 34,4 0,276 0,258
0,30 0,0707 5,66 15,3 0,632. 0,580
0,40 0,126 3,18 8,58 1,110 1,030
0,50 0,196 2,04 5,51 1,7,3 1,610
0,60 0,238 1,37 3,82 2,49 2,318
0,70 0, 385 1,04 2,81 3,39 3,156
0,80 0,503 0,795 2,15 4,43 4,122
0,90 0,636 0,629 1,70 5,60 5,217
1,00 0,785 0,510 1,38 6,91 6,440
474
Таблица 7
Толщина, сечение, вес и сопротивление при 15° медной проволоки
Диаметр проволоки в мм Сечение в мм? Вес 1 м в г Сопротивление 1 м в ом Диаметр проволоки в мм Сечение в мм? Вес 1 м в е Сопротивление 1 л в ом
0,05 0,00196 0,0175 8,913 0,68 0,3632 3,237 0,04819
0,06 0,00283 0,0252 6,189 0,70 0,3848 3,430 0,04547
0,07 0,00385 0,0343 4,547 0,72 0,4072 3,629 0,04298
0,08 0,00503 0,0448 3,482 0,74 0,4301 3,833 0,04069
0,09 0,00636 0,0567 2,751 0,75 0,4418 3,937 0,03961
0,10 0,00785 0,0700 2,228 0,76 0,4536 4,043 0,03858
0,12 0,0113 0,1008 1,5473 0,78 0,4778 4,259 0,03662
0,14 0,0154 0,1372 1,1368 0,80 0,5027 4,480 0,03482
0,15 0,0177 0,1575 0,9903 0,82 0,5281 4,707 0,03314
0,16 0,0201 0,1792 0,8704 0,84 0,5542 4,939 0,03158
0,18 0,0254 0,2268 0,6877 0,85 0,5675 5,057 0,03084
0,20 0,0314 0,2800 0,5570 0,86 0,5809 5,177 0,03013
0,22 0,0380 0,3388 0,4604 0,88 0,6082 5,421 0.02877
0,24 0,0452 0,4032 0,3868 0,90 0,6362 5,670 0,02751
0,25 0,0491 0,4375 0,3565 0,92 0,6648 5,925 0,02633
0.26 0,0531 0,4732 0,3296 0,94 0,6940 6,185 0,02521
0,28 0,0616 0,5488 0,2842 0,95 0,7088 6,317 0,02469"
0,30 0,07(17 0,6300 0,2476 0,96 0,7238 6,451 0,02418
0,32 0,0804 0,7168 0,2176 0,98 0,7543 6,723 0,02320
0,34 0,0908 0,8092 0,19275 1 ,00 0,7854 7,000 0,02228
0,35 0,0962 0,8575 0,18189 1,05 0,8659 7,717 0,02021
0,36 0, 1018 0,9072 X), 17192 1,10 0,9503 8,470 0,018415
0,38 0,1134 1,0108 0,15431 1,15 1,0387 9,257 0,016848
0,40 0,1257 1,1200 0,13926 1,20 1,1310 10,080 0,015473
0,42 0,1385 1,2348 0,12632 1,25 . 1,2272 10,937 0,014260
0,44 0,1521 1,3552 0,11510 1,30 1,3273 11,830 0,013185
0,45 0,1590 1,4175 0,11004 1,35 1,4314 12,757 0,012226
0,46 0,1662 1,4812 0,10530 , 1,40 1,5394 13,720 0,011368
0,48 0,1810 1,6128 0,09671 Т,45 1,6513 14,717 0,010598
0,50 0,1963 1,7500 0,08913 1,50 1,7671 15,750 0,009903
0,52 0,2124 1,893 0,08240 1,55 1,8869 16,817 0,009275
0,54 0,2290 2,041 0,07641 1,60 2,0106 17,92 0,008704
0,55 0,2376 2,118 0,07366 1,65 2,138 19,06 0,008184
0,56 0,2463 2,195 0,07105 1,70 2,270 20,23 0,007710
0,58 0,2642 2,355 0,06624 1,75 2,405 21,44 0,007276
0,60 0,2827 2,520 0,06189 1,80 2,545 22,68 0,006877
0,62 0,3019 2,691 0,05796 1^85 2,688 23,96 0,006510
0.64 0,3217 2,867 0,05440 1,90 2,835 25,27 0,006172
0,65 0,3318 2,957 0,05274 1,95 2,986 26,62 0,005860
0,66 0,3421 3,049 0,05115 2,00 3,142 28,00 0,005570
475
Наименование опытов
Стр.
УКАЗАТЕЛЬ ОПЫТОВ С ПРИБОРАМИ
Опыты по начальным измерениям и основам механики Демонстрации кубического и квадратного метра ..... Измерение объема тела отливным стаканом ....... Знакомство с штангенциркулем и отсчетом по нониусу . . . Знакомство с микрометром и способом измерения этим прибором .....................г............................
Знакомство с применением предельных калибров . , . , .
Демонстрационное взвешивание .
Установка стержня по отвесу............... * . . .
Установка плоскости по горизонтали с помощью ватерпаса и уровня................. д .
Сила давления, давление . . . , < . . « .... . Относительность движения и покоя .......................
Запись каплями равномерного и неравномерного движений Демонстрации с записью вибрирующим хронографом: Равномерное движение и определение его скорости . . Средняя скорость неравномерного движения............
Скорость переменного движения в данный момент . , . Равноускоренное движение........................ .
Определение ускорения равноускоренного движения . *. Демонстрация закона пройденных расстояний при равноускоренном движении ...............
Запись свободного падения тела. Определение g . . . Опыты по проявлению инерции . ..........................
Траектории прямолинейного и криволинейного движений . . Сохранение телом направления движения после прекращения действия силы . . . ..............
Движение тел разных масс под действием одинаковых сил, прилагаемых на одинаковом расстоянии ...................
Демонстрация пропорциональности между действующей силой и ускорением .........
Демонстрация обратно пропорциональной зависимости между ускорением и массой движущегося тела . . .
Опытное подтверждение второго закона Ньютона по формуле Ft = tn • (t>2 —- vn)..........................
Опыт с взаимно отталкивающимися и взаимно притягивающимися тележками . „...............................
Взаимодействие между магнитом и железом ....... Демонстрация третьего закона Ньютона....................
Демонстрация пробега реактивной тележки.................
Сложение сил, приложенных к одной точке и направленных по одной прямой ...........................
Сложение и разложение сил, приложенных к одной точке и действующих под углом.......................... „ .
Разложение силы тяжести на наклонной плоскости . . .
Разложение силы на кронштейнах-.....................
Сложение и разложение параллельных сил в............
Устойчивость тела.......................................
Нахождение центра тяжести плоских фигур.................
Использование бруска по трению............... . . .
Для преодоления трения нужно усилие.................
Трение скольжения и трение качения .................
Трение колес о поверхность дороги у тягача и прицепа
33,34
36
27
29
30
442—444
34
52 53,133
95
79,80
80
81
82 83,428
84
85
87
55,123
121
114,121
$5
87
88
88
66,67
65 66.
68
41,427
41,42,427
63
426
34,426
120
122
55,120
55
62
95
476
Наименование опытов
Стр.
Опыт, показывающий, что при одинаковой работе произведение силы на путь постоянно..................................
Определение мощности, развиваемой учащимся..............
Момент сил....................... ..................
Условие равновесия рычага . . ,.....................
Блок подвижный......................................
Ворот и условие его равновесия .....................
Сложный подъемный механизм . . . ...................
Действие клина .........................................
Получение винтовых линий и знакомство с винтом и гайкой Измерение работы на наклонной плоскости.................
Демонстрация перехода механической энергии из одного вида в другой ......................................
inv2
Опытное подтверждение формулы Wkuh
Упругий удар тел одинаковых и различных масс . . . . .
Значение продолжительности удара .... ..........
Демонстрация одновременного падения тел по вертикали и брошенного горизонтально..........................
Траектория падающего шарика, брошенного горизонтально Траектория тела, падающего с «самолета».............
Траектория горизонтально направленной струи .... Дальность выброса струи воды, направленной под углом к горизонту..................>......................
Передача вращения шнурами . . . . ......................
Зубчатые передачи ......................................
Демонстрация распределения тангенциальных усилий на ваны в передачах ............................................
Фрикционная передача....................................
Зависимость центростремительной силы от угловой скорости, радиуса и массы при равномерном движении тела до окружности ...............................................
Использование приборов по механике с применением монтажного щита ...............................
Опыты по деформации твердого тела
Использование приборов по различным видам деформации твердого тела ..........................................
Закон ,Гуха.............................................
Демонстрация зависимости прочности балок на изгиб от формы их сечения........................................
Штамповка тарелочек гидравлическим прессом
Демонстрация разрыва стержня из пластилина , . . . .
Определение твердости материала . . . . * . , * . .
Опыты по гидростатике и аэростатике
Передача давления твердым, сыпучим и жидким телом t . . Закон Паскаля...........................................
Уравновешивание веса учащегося невысоким столбом воды . Давление жидкости на стенки сосуда......................
Опыты с сообщающимися сосудами......................
Действие водопровода.............................
Принцип устройства и действия шлюзов................
Давление жидкости на дно сосуда.........................
Давление жидкости на погруженную в нее площадку . . .
428 431 122,425
34 424 100 104,426
106 108,109 69
69
88
70
89
ПО ИЗ 114 149
149 101 101,102
103 103
117,118
424
125 130,133
135
137
137
137
138 139,142 143
146
146
152
155
158
159
477
Наименование опытов
Стр.
Выталкивающее действие жидкости на погруженное в нее тело *......................
Закон Архимеда................ . .............* . •
Условие плавания тел ..................
Опыт с брусками для Выяснения природы выталкивающей силы ч.....................
Маневрирование модели подводной лодки . . > » « .
Демонстрация принципа подъема затонувших, судов * .
Передача давления газами (опыт с подушками) . . . * •
Подъем учащегося воздухом, вдуваемым в подушку . . , .
Обнаружение веса воздуха
Определение удельного веса воздуха в .
Углекислый газ тяжелее воздуха ♦
Демонстрация переливания углекислого газа на теневой проекции . . ..................
Обнаружение атмосферного давления.......................
Обнаружение атмосферного давления с помощью консервной банки.............................................. .
Опыт. Торичелли.........................................*
Зависимость величины атмосферного давления от высоты . . Устройство и действие водяных насосов (всасывающего и нагнетательного)......................... ..............
Закон Архимеда для газов . . .......................
Всплывание мыльных пузырей, наполненных водородом .
Плавание мыльных пузырей, надутых воздухом, на поверхности углекислого газа . . . '« ,................
Закон Бойля — Мариотта . . . я ..............
Опыты по гидродинамике и аэродинамике Реактивное действие струи воды .........................
Действие модели гидротурбины высокого давления и определение ее мощности...............................• .
Действие модели гидротурбины низкого давления...........
Знакомство с принципом действия ветродвигателя . . . .
Давление жидкости, текущей по трубе одинакового и различного сечения .....................................
Засасывающее действие струи воздуха.................
Действие водоструйного насоса ......................
Действие пульверизатора . < . >.............
Вязкость различных жидкостей г . . , ...................
Падение шарика в различных по вязкости жидкостях . . .
Ламинарное и турбулентное течения ..................
Линии тока в жидкости при обтекании тел различных форм Зависимость сопротивления воздуха ог скорости движения, сечения и формы тела .
Подъемная сила «крыла самолета» ....................
Демонстрация, разъясняющая возникновение подъемной силы крыла .........................................
Демонстрация подъемной силы винта . •...............
Опыты по молекулярным явлениям Молекулярное сцепление................................ .
Демонстрация механической модели броуновского движения Диффузия в газах через пористую перегородку.............
Особое состояние жидкости на ее поверхности „ , . .
161 36,162 38,165
164
168
168
144
145
178
178
19
19
140
179 268 174
171,172 44
19
20
176
147
185
187
188
190,191
208
193
193
177
207
194
196
202
205
206
208
216,217
209
211
213
478
Наименрвание опытов
Стр.
Опыты с мыльной пленкой . ...........................
Демонстрация поверхностного натяжения с помощью кисти Влияние растворов на величину поверхностного натяжения Демонстрация капиллярности стеклянными пластинками, соединенными под углом.................
214
218
215
217
Опыты по теплоте
Тепловое расширение жидкостей и газов
Знакомство с термоскопом. Первоначальное понятие о температуре . ... .................................. . . , .
Понятие о термометрической шкале.........................
Тепловое расширение твердых тел......................
Определение коэффициента линейного расширения металлов ...............................................
Демонстрация неодинакового расширения различных металлов биметаллической пластинкой ...................
Модель терморегулятора...............................
Закон Гей-Люссака........................................
Закон Шзрля...............................................
Теплопроводность твердых тел.........................
Демонстрация плохой теплопроводности воды и воздуха Конвекция жидкости и газов . . . .'..................
Модель водяного отопления . .......................•
Влияние цвета тела на лучепоглощение и лучеиспускание Принцип действия лампы Дэви..................... . .
Демонстрация различной удельной теплоемкости веществ . . Постоянство температуры при плавлении и отвердевании нафталина ................................................
Переохлаждение гипосульфата , . ....................«...
Демонстрация литья из легкоплавкого металла .............
Поглощение теплоты плавления при таянии льда.............
Демонстрация постоянных Точек кипения различных жидкостей............................................
Влияние давления на температуру кипения ....... Кипение воды при пониженном давлении ...... Кипение воды при повышенном давлении.................
Понижение температуры при испарении..................
Выделение теплоты парообразования при конденсации . Свойства паров насыщающих и ненасыщающих .... Зависимость давления насыщающих паров от температуры Упругость насыщающих паров при температуре кипения равна внешнему давлению . ...........................
Определение точки росы ..............................
Переход механической энергии во внутреннюю энергию тела и внутренней энергии в механическую .....................
Нагревание тел при ударе и изгибе........................
Определение механического эквивалента теплоты . ... •
Опытное сравнение калорийности керосина и дерева . . Работа водяного пара при расширении......................
Вращение реактивной паровой турбинки ....................
Действие паровой турбинки . . с .........................
Демонстрация свойств перегретого пара....................
Совершение работы при воспламенении смеси паров бензина с воздухом...............................................
Кинематическая модель двигателя внутреннего сгорания . .
273
224
224
220
221
273
233
263
151 234,274
235,236
237
239
225
274
228
226
229
265
229
227
240
241
242
229
230
269
271
266
231
243
228 261,262
228
244
276
246
276
244
258
479
Наименование опытов
Стр.
Непосредственное превращение лучистой энергии в механическую * а ..........................................
Опыты по электричеству и магнетизму
Указания по использованию приборов по электростатике * , Использование электроскопов в опытах.................. . .
Демонстрации с сеткой Кольбе ...................... ......
Защита от электрического ноля и зарядов . . г , .
Спектры электрических полей...................... , , с »
Указание к применению электрических султанов . . п 3 . .
Опыты с плоским конденсатором.................. . . . .
Обнаружение электрометром с конденсатором небольших разностей потенциалов..................« ....................
Указание к использованию бытовой электрической арматуры Указание к применению магазинов и катушек сопротивлений Принцип устройства и действия гальванического элемента Принцип устройства и действия свинцового аккумулятора
Зависимость сопротивления электролита от разных причин . Никелирование медной пластинки................. . . . .
Получение копии с монеты при помощи гальванопластики . Электролиз водного раствора серной кислоты..........., .
Демонстрация законов электролиза Фарадея
Определение заряда одновалентного иона ........
Наблюдение за движением ионов при электролизе . . . .
Применение углей: демонстрация горения электрической дуги в воздухе и под водой ............................
Условия получения термотока . » § о .
Демонстрация термобатареи ................................
Получение термотока большой величины......................
Движение полюса намагниченной спицы в магнитном поле Спектры магнитных подей................................
Спектр магнитного поля прямого тока ....... Спектр магнитного поля кольцевого тока.................
Спектр магнитного поля соленоида .....................
Магнитные свойства катушки с током . >....................
Действие электромагнита...................................
Принцип действия электромагнитного крана и отделение электромагнитом железных предметов............................
Демонстрация работы прерывателя электрического звонка . Демонстрация принципа действия телеграфного аппарата Морзе.....................................................
Действие электромагнитного реле...........................
Принцип действия электромагнитных измерительных приборов
Действие тока на магнитную стрелку....................
Взаимодействие между линейным магнитом и кольцевым мотком провода с током ...................................
Взаимодействие двух кольцевых токов...................
Взаимодействие проводников с током....................
Обвивание магнита мягким проводником с током . . .
Движение проводника с током в магнитном поле..............
Вращение рамки с током в магнитном поле...................
Указание к использованию электродвигателя с дисками . . Принцип действия магнитоэлектрических измерительных приборов . , ,........................ . ...... .
277
280
280
281
282
283
352
285
286 290,439 294,439.442 295
295
295,296
297
297
299
299
300
301
353.355
333
333
334
311
311
337
339
340
304
305
306
318
321
341
343
313
314
316
340
356
356
329
350
330
480
Наименование опытов
Стр.
Закон Ленца , . . . .................................
Принцип действия электродинамических микрофона и репродуктора...............................* . . . -
Возникновение токов Фуко....................
Указания по демонстрации электрического счетчика . . « .
Принцип действия генератора переменного и постоянного тока...............................................*
Влияние железного сердечника на величину индукционного тока; трансформация прерывистого тока ....
Демонстрация одной из особенностей переменного тока . Период, частота, фаза переменного тока...............
Величина и напряжение переменного тока в различных фазах. Понятие об эффективных величине и напряжении переменного тока ... . , ........................
Принцип действия частотомера.........................
Принцип передачи переменного тока на большие расстояния Выпрямление переменного тока.............................
Явление самоиндукции . ..............................
Индуктивное сопротивление ...........................
Объяснение принципа получения трехфазного тока в генераторе на макете...........................................
Включение потребителей в сеть треугольником и звездой . . Демонстрация вращающегося магнитного поля трехфазпого тока . .•............................................. :
Принцип действия асинхронного двигателя трехфазного тока
Использование приборов и приспособлений по электричеству, монтируемых на щите..................« « • . .
Опыты по колебаниям, волнам и звуку
Примеры колебательных движений, возникающих под действием упругих сил................................... . . .
Указания к демонстрациям с тремя маятниками на стержне Зависимость периода колебания от возвращающей силы и массы Демонстрация элементов гармонического колебания . * . . Записи гармонического колебания
Собственные и вынужденные колебания .
Механический резонанс .
Сложение двух колебательных движений
Распространение колебаний по поверхности воды < . . . Опыты с волновой моделью для теневого проецирования , . Демонстрация продольной волны с помощью цилиндрической пружины................................................;
Демонстрация продольных волн на кинематической модели .
Интерференция волн на поверхности воды...............
Демонстрации сложения волн на кинематической модели Демонстрация стоячей волны продольного колебания . » Зависимость силы звука от плотности среды ...<«•• Кинематическое изображение звуковых волн на модели « • Демонстрация музыкальной гаммы на ксилофоне . . . « Звуковой резонанс столба воздуха в полых цилиндрах »
Демонстрации по оптике и строению атома
Получение теней и полутеней .
Получение тени и полутени от глобуса « ,
Демонстрация законов освещенности
344
316
309 331
328
306
350
457
458
347
345
349
307
308
458
460
461
462
439-442
357
382
358
361
98
359
359,360,363
364
366
368
369
373
366
377
370
379
373
380
381
13
13
388,389
481
Наименование опытов
Стр.
Наблюдение одновременного преломления и отражения света...............................................
Отражение света направленное и рассеянное...........
Законы отражения света . „..........................
Ход лучей в зеркальном перископе.................•.
Законы преломления света .......................... .
Демонстрация неодинаковой преломляемости различных прозрачных сред...........................................
Указания к демонстрации с набором сферических зеркал и линз, приспособленных для подвешивания на экране .... Принцип устройства фотоаппарата........................
Применение очков.......................................
Принцип устройства проекционного фонаря .......
Полное отражение................................ , .
Ход лучей сквозь пластинку с плоскопараллельными гранями........................ ....................
Отклонение лучей призмой . . . .....................
Демонстрация линейчатого спектра ......................
Объяснение цвета непрозрачных тел.................. .
Объяснение цвета прозрачных тел................. . . .
Демонстрация спектров поглощения.......................
Наложение освещенных цветными лучами кругов друг на друга Наблюдение интерференционных полос на мыльной пленке . Обнаружение инфракрасных лучей и демонстрация их оптических свойств ........................................
Прохождение волн на поверхности воды через большое и малое отверстия . ................................
Отражение волн от зеркал................
Поворот фронта волн при-преломлении ....... Прохождение волн «через» линзы.................. .
Получение отпечатка с негатива на фотобумаге . . . . Снятие отрицательного заряда под действием света . . . . Опыт Столетова.........................................
Демонстрация путей частиц ядер атомов...............
393,394
394
394
400
395
396
401
18
12
15
396
397
398
355
408
409
409
13
215
409
405
406
406
407
398
411
413
415
ЛИТЕРАТУРА
Галанин Д. Д., Горячкин Е. Н. и др., Физический эксперимент з школе, т. I—V, Учпедгиз, 1935—1940, т. III и IV, 1954.
Глазырин А. И., Самодельные демонстрационные приборы по физике и опыты с ними, АПН, 1953.
, Глазырин А. И., К о з ы р ь И. В., П а р м е н о в К. Я., Кабинет естествознания в семилетней школе, АПН, 1957.
Горячкин Е. Н., Методика преподавания физики в семилетней школе, т. III, Учпедгиз, 1953.
Горячкин Е. Н., Иванов С. И., П о к р о в с к и й А. А., Методика и техника школьного физического эксперимента, Учпедгиз, 1940.
Жерехов Г. И., Демонстрация принципов действия технических установок, Учпедгиз, 1954 и 1957.
Зворыкин Б. С., Электромагнитные колебания и волны, АПН, 1955.
Калимуллин С. А., Изучение газовых законов в средней школе, Учпедгиз, 1954.
Карпинский Г. К., Юные физики, Свердловское книжное изд-во, 1953.
Клементьев С. Д., Самодельные электродвигатели малой мощности, Учпедгиз, 1956.
М е н ш у т и н Н. Ф., Школьный кружок по изготовлению физических приборов, Учпедгиз, 1953.
Покровский А. А., Глазырин А. И. и др., Демонстрационные опыты по физике в VI—VII классах средней школы, Учпедгиз, 1956.
Покровский А. А., Оборудование физического кабинета, Учпедгиз, 1959.
Рыкунин Б. Ф. и Шевелкин Д. С., Изготовление упрощенных самодельных приборов, Учпедгиз, 1953.
Ушаков М. А., Изучение трехфазного тока, Учпедгиз, 1955.
Юров С. И., Домашние экспериментальные работы учащихся по фишке, Учпедгиз, 1954.
Журнал «Физика в школе», Статьи; разделы: эксперимент, обмен опытом, предложения читателей,
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие..................................'............ 3
Приборы общего назначения 1. Батарея аккумуляторов, монтированная в ящике ............ 6
2. Экран для проецирования (настенный)...................... 7
3. Ванна для теневого проецирования с принадлежностями...... 7,
4. Осветитель с принадлежностями ...........................10,
5. Ящики-подставки и подкладки (комплект)....................16
6. Экраны для фона и просвечивающий (комплект)...............17
7. Прибор для получения водорода и углекислого газа..........19
8. Ванны-аквариумы (большая и малая).........................20
9. Ванна большая и поднос для работ с ртутью.................23
10. Шкала к зеркальному гальванометру........................24
Приборы мелкие и простейшие Проволочная стойка на деревянной подставке ..............25
Приборы для начальных измерений
11. Штангенциркуль демонстрационный ........................26
12. Микрометр с демонстрационной головкой ...................28
13. Калибры предельные...................... ............... 30
14. Метр кубический разборный................................31
15. Стакан отливной прозрачный ..............................36
16. Динамометры цилиндрические на 1200 Г — 2—3 шт. и на 300 Г— 1 шт....................................................... 39
17. Приспособление весов настольных (типа Беранже) и рычажных технических для демонстраций ............................42
18. Счетчик секунд и минут................................ , 45
Приборы мелкие и простейшие 1) Демонстрационные шкалы к цилиндрическим мензуркам 2) Дециметр кубический полый. 3) Литровая кружка* < * . .49—50
Приборы по основам механики
19. Ватерпас и уровень...................................... 51
20. Приборы для демонстрации опытов по давлению (комплект) ... 52 21. Доска со съемными скатами колес и клиньями (комплект) .... 53 22. Платформа и тележка с принадлежностями ..................56
23. Приспособления к приборам (22) для записи движения тележки 71 24. Тележка самодвижущаяся ..................................91
25. Шкивы, зубчатые колеса, оси и другие принадлежности к ним
(комплект) ..............................................96
26. Прибор для демонстрации действия клина..................105
484
27. Приборы для демонстрации образования винтовых линий и знакомства с винтом и гайкой......................................106
28. Прибор для демонстрации одновременного падения тел по вертикали и по параболе...........................................109
29. Приборы для демонстрации траектории движения тела, брошенного горизонтально ........................................... 111
30. Прибор для демонстрации законов равномерного движения по окружности ............................................' 115
Приборы мелкие и простейшие.
1) Бруски (комплект). 2) Плоские фигуры из фанеры (комплект).
3) Лекало для демонстрации различных видов равновесия. 4) Груз тяжелый с двумя крючками и кисточкой. . . . -............118—122
Приборы для опытов по деформации твердого тела
31. Приборы для демонстрации различных видов деформации (комплект) .................................................. 124
32. Пространственная решетка кристалла поваренной соли (макет) , .126
33. Приборы для демонстрации закона Гука...........................127
34. Оборудование для демонстрации зависимости прочности балок, на изгиб от формы сечения (комплект)...........................134
35. Матрица и пуансон для штамповки тарелочек из жести.............136
Приборы мелкие и простейшие
1) Бруски для демонстрации принципа определения твердости материала. 2) Стержень из пластилина. .......................... 137
Приборы по гидростатике и аэростатике
36. Ведерки с резиновыми стенками: открытое и закрытое 138
37. Приборы для демонстрации закона Паскаля........................141
38. Подушки для демонстрации передачи давления жидкостью и газами ......................................................142
39. Сосуды, трубки и стеклянные наконечники с резиновыми шлангами (комплект) ...............................................145
40. Манометр жидкостный открытый с передвижной шкалой (2 шт.) 149
41. Модель водопровода.............................................152
42. Шлюзы, плоская модель..........................................153
43. Прибор для демонстрации давления жидкости на дно сосуда . . 157
44. Прибор для демонстрации давления внутри жидкости...............158
45. Ведерко Архимеда (прозрачное)..................................169
46. Бруски для выяснения природы выталкивающей силы................164
47. Картезианский водолаз .........................................165
48. Модель подводной лодки.........................................166
49. Модель затонувшего судна с «цистернами» для его подъема . . . 168
50. Насосы водяные — всасывающий и нагнетательный (комплект) . ,169
51. Альтиметр чувствительный ......................................173
52. Манометр технический демонстрационный .................. . 175
53. Прибор для демонстрации закона Бойля —Мариотта. 175
Приборы мелкие и простейшие
1) Воронка с вытекающим гудроном. 2) Колба с мешочком для взвешивания воздуха. 3) Банка жестяная с пробкой для демонстрации атмосферного давления....................................177—179
Приборы по гидродинамике и аэродинамике
54. Гидротурбины —действующие модели ..............................180
55. Воздушный винт для демонстрации принципа действия ветродвигателя ........................................................187
485
56. Прибор для демонстрации давления жидкости, Текущей в трубах
одинакового и различного сечения,....... ............... 189
57. Приборы, основанные на засасывающем действии струи воды или воздуха . ..................................................191
58. Прибор для демонстрации ламинарного и турбулентного движения жидкости ...............................................193
59. Прибор для демонстрации линий тока в жидкости .........195
60. Аэродинамическая труба ...........................198
61. Аэродинамические весы с набором тел ..............199
62. «Крыло самолета» на подставке и манометр наклонный......204
Приборы мелкие и простейшие
1) Трубки стеклянные для демонстрации падения шарика в жидкостях.
2) Цилиндры бумажные для демонстрации засасывающего действия струи воздуха, 3) Воздушный винт взлетающий............ 207—208
Приборы для демонстрации молекулярных явлений
63. Модель для демонстрации броуновского движения (механическая).209
64. Прибор для демонстрации диффузии газов через пористую перегородку ....................................................211
65. Прибрры для демонстрации поверхностного натяжения (комплект) 211
Приборы мелкие и простейшие
1) Цилиндры свинцовые. 2) Пластинка стеклянная на резинке. 3) Стеклянные пластинки, соединенные под углом, для демонстрации капиллярности, 4)Кювета с плоскопараллельными стенками для проецирования ....................................... 216—218
Приборы по теплоте
66. Прибор для демонстрации теплового расширения твердого тела и для определения коэффициента линейного расширения . . . .219
67. Термоскоп с принадлежностями . .'............................222
68. Модель терморегулятора .........................................232
69. Диск для демонстрации теплопроводности.......................233
70. Приборы для демонстраций плохой теплопроводности воды и воздуха (комплект) .................................................234
71. Приборы для демонстрации конвекции жидкостей и газов .... 236
72. Модель водяного отопления....................................238
73, Приборы для демонстрации влияния давления на температуру кипения ........................................................ 240
74. Трубка для демонстрации упругих свойств паров ,...........241
75. Паровая турбинка с котлом (простая действующая модель) . . . 245
76. Кинематическая модель разреза двигателя внутреннего сгорания ’ 247
77. Два прйбора для демонстрационного определения механического эквивалента теплоты 4 .......................................... 259
78. Прибор для демонстрации закона Гей-Люссака..................’ 262
79. Оборудование для демонстрации литья из легкоплавкого металла (комплект) .................................................... 264
80. Трубки манометрические с ртутью и каплями жидкости (воды и . серного эфира; 2 шт.)..........................................265
81. Приборы для демонстрации опыта Торичелли и свойств паров (комплект) ......................................................267
82. Гигрометр волосяной Соссюра.....................................272
Приборы мелкие и простейшие
1) Биметаллическая пластинка с контрольным стержнем. 2) Колбы для демонстрации теплового расширения жидкости и воздуха.
3) Прибор для демонстрации теплопроводности различных металлов. 4) Модель лампы Дэви и сетка. 5) Теплоприемник. 6) Тур-
486
бннка примитивная, подвешенная на нитях. 7) Прибор для получения перегретого пара. 8) Прибор для демонстрации превращения лучистой энергии в механическую ..............*.............. 272—277
Приборы по электричеству и магнетизму
83. Штативы изолирующие с принадлежностями и стержни изолиру-
ющие (комплект) ..........................................278
84. Электроскопы (2 шт.) и проводник о изолирующей ручкой , . . 279
85. Скамья изолирующая ...................................... 280
86. Сетка по Кольбе............................................281
87. Цилиндр из металлической сетки.............................282
88. Набор для демонстрации спектров электрических полей........282
89. Конденсатор плоский к электрометру, с набором пластин из ди-
электриков . . .> ................... ... 285
90. Ключи и переключатели.................................287
91. Арматура электрическая бытовая на панелях.............289
92. Магазины сопротивлений ....................................291
93. Вольтметр технический на подставке ....................; 294
94. Банка для электролиза с принадлежностями (комплект) .... 294
95. Вольтаметр (2 шт.)....................................298
96. Прибор для наблюдения движения ионов ......................301
97. Электромагнит дугообразный с сердечниками (комплект) .... 302
98. Набор приборов для демонстрации свойств и спектров магнитных полей ........................................................310
99. Кольцевые мотки провода (2 шт.).......................... 314
100. Звонок электрический для теневой проекции.................318
101. Телеграф Морзе с ключом — упрощенная модель .............319
?02. Прибор для демонстрации вращения рамки с током в магнитном поле и контуры (комплект).................................... 321
103. Счетчик электрический вскрытый, на подставке..............331
104. Приборы по термоэлектричеству.............................331
105. Приборы для демонстрации спектров магнитных полей тока , . , 335
106. Реле электромагнитное .................г- . 340
107. Модель электромагнитных измерительных приборов............342
108. Прибор для демонстрации закона Ленца......................344
109. Трансформаторы звонковые на щитках (2 шт.) ...............344
110. Частотомер (модель) . . ;.................................345
111. Выпрямитель ..............................................348
112. Электродвигатель с дисками................................349
Приборы мелкие и простейшие
1) Трубка металлическая на изолирующей ручке с куском резиновой пластины. 2) Маятники электрические (2 шт.). 3)- Султаны электрические (2 шт.). 4) Шарик пробный. 5) Провода соединительные с наконечниками (комплект). 6) Шнуры со штепсельной вилкой (2 шт.). 7) Провода технические (образцы на щите). 8) Угли
для электрической дуги.................................. 351—356
Приборы по колебаниям, волнам и звуку
ИЗ. Приборы для демонстраций различных колебаний..................357
114. Прибор для демонстрации элементов гармонического колебания .360
115. Прибор для демонстрации механического резонанса..............362
116. Кинематическая модель для демонстрации сложения двух'колебательных движений .....................................363
117. Вибратор к. ванне для теневого проецирования (3) с комплектом наконечников . ...................................................364
118. Модель для теневого проецирования волн ......................367
119. Пружина цилиндрическая на бифиллярных подвесах для демонстрации продольных волн.......................................... 368
487
120. Прибор для демонстрации стоячих продольных волн..........369
121. Кинематическая модель для демонстрации продольных волн ... 371
122. Кинематическая модель для демонстрации сложения двух волн . . 373
123. Бутыль с электрическим звонком...........................378
124. Ксилофон .....................................................379
125. Цилиндры полые резонирующие (комплект) .......................380
Приборы мелкие и простейшие
1) Молоточек резиновый для возбуждения камертонов. 2) Стержень с тремя маятниками..........................................382
Приборы по оптике и строению атома
126. Приборы для’*'демонстрации законов освещенности...............383
127. Диск оптический с принадлежностями ...........................389
128. Перископ .....................................................400
129. Набор сферических зеркал и линз в оправках для подвешивания па экран (6)..................................................401
130. Набор зеркал и линз к ванне (3) для теневого проецирования (комплект) . ............................................ 404
134. Цветные ленты и светофильтры (комплект) .................... 408
132. Приборы для демонстрации опытов по Столетову . ;..............410
133. Камера для наблюдений путей частиц ядра атома (по Ляпидевскому) .......................................................414
Приборы мелкие и простейшие
Зеркальце на шарнире к ванне-аквариуму (8)................415—416
Дополнительные приборы
1. Комплект вспомогательных приборов, позволяющих некоторые установки по механике и электричеству собирать в вертикальной плоскости............................................................. 417
1) Щит вертикальный монтажный с принадлежностями (комплект)417
2) Приборы и приспособления по механике, монтируемые на щите 420
3) Приборы и приспособления по электричеству для монтажа на щите.......................................................432
2. Демонстрационный разновес . ...................................442
3. Приборы для демонстрации трехфазного тока (комплект)...........444
Приложение
Несколько слов об оборудовании кабинета физики затемнением , . 464
Некоторые приемы подготовки материалов и изготовление частей приборов ........................................................ 465
Таблицы ........................................................472
Указатель опытов с приборами.................................. 476
Литература .....................................................483
юлка к
СССР
у
Библиотека бесплатных учебников на сайте:
ussrvopros.ru
(перейти
каталогу