Авторская программа факультативного курса по физике "Физические самоделки"

Методические указания к занятиям РАЗДЕЛ 1 СЕМЬ РАЗ ОТМЕРЬ… Занятие 1.1 Приспособления для замера диаметров Для замера внутреннего диаметра трубки сделайте несложное  приспособление. Оно показано на рис 1.1.1. Из тонкой фанеры выпилите лобзиком клин по размерам, указанным на  рисунке; старательно зашлифуйте клин, особенно его ребра. Когда получите  совершенно ровные края, оклейте заготовку миллиметровой бумагой. Теперь, если вам понадобится измерить диаметр небольшой трубки или  отверстия в детали, введите клин в отверстие до отказа и заметьте, до какого  деления он вошел. Отсчет произведите по катету, имеющему деления.  При помощи этой самоделки можно измерить диаметр с точностью до  0,1 мм, так как отношение высоты клина к его длине 1:10. Для замера внешних диаметров круглого стержня или небольшой  жестяной трубки сделайте из той же фанеры две линейки и скрепляющую  деталь. Последняя состоит из двух одинаковых половин, что хорошо видно на рисунке. На одну из линеек наклейте узкую полоску миллиметровой бумаги и  разметьте ее, как показано на рис 1.1.2.  Сложите две линейки так, чтобы они плотно прикасались одна к другой  в нулевой точке, а расстояние между концами их на десятом сантиметре  составляло 10 мм.  Отрежьте край линейки Б по пунктирной линии, тщательно отшлифуйте края линеек и, сложив их так, как показано на рисунке, наклейте с обеих  сторон деталь С. Для измерения внешнего диаметра трубки или стержня  необходимо ввести их в промежуток между линейками до отказа и заметить,  против какого деления они окажутся. Занятие 1.2 Простой дальномер Нередко при разбивке небольшого участка под огород, цветник или  спортивную площадку надо замерить расстояния, не пользуясь рулеткой. Это  можно выполнить с помощью несложного дальномера. Чтобы сделать его,  отшлифуйте деревянную палку длиной менее метра, на которую наверните с  клеем полоску чертежной бумаги (см. рис 1.2.1).  Когда клей высохнет, снимите трубку с палки и разрежьте ее на четыре  части острым ножом. У полученных четырех трубок зашлифуйте края торцов  наждачной бумагой. К одной из трубок приклейте деревянный кружок с  отверстием в центре (диаметр 2 мм). Трубочку с фанерным донышком,  имеющим отверстие, скрепите полоской бумаги на клею с другой трубочкой,  как показано на рисунке. Эту сдвоенную часть дальномера прочно закрепите  на конце палки.  Вторая пара трубок соединяется так же. В отверстии верхней трубки  этой пары укрепите три тоненькие проволочки. Теперь наденьте на палку с  противоположного конца пару трубок с проволочками. Эта пара должна с  трением скользить по палке. Установите ее так, чтобы при взгляде на три  проволочки в отверстие неподвижной пары трубок эти проволочки были  хорошо видны. Остается отградуировать наш дальномер. Сделайте шест в два метра длиной. Один из товарищей ставит шест  вертикально, а другой, двигаясь в одном направлении по прямой линии от  этого места, отмеряет определенное расстояние в 10, 20, 30, 40 и т. д. метров. После этого один из ребят берет в руку дальномер, смотрит на шест  через отверстие в неподвижной трубке, а правой рукой передвигает пару  трубок с проволочками до тех пор, пока горизонтальные нити промежутка а  не совпадут с концами шеста. Добившись этого, допустим, на расстоянии десяти метров, на палке  надо сделать зарубку и поставить цифру 10. Затем наблюдатель с  дальномером отходит от шеста на расстояние двадцать метров и снова такой  же наводкой получает зарубку 20. Градуировка продолжается до тех пор,  пока зарубками не заполнится вся палка рис 1.2.2. Как же им пользоваться? Вероятно, вы это уже поняли в процессе  градуировки. Один из ребят с двухметровым шестом уходит от того, кто  измеряет дальномером по прямой линии. В дальномер смотрят на  поставленный вертикально шест и перемещают пару трубок с проволочками  до тех пор, пока горизонтальные нити промежутка а не совместятся с  концами шеста. Зарубки на палке покажут искомое расстояние. Занятие 1.3 Весы юного физика. На свойстве рычага основано устройство весов, которые предлагаем  сделать всем, кому приходится взвешивать небольшие (до 10—15 г) массы  веществ. На рис 1.3.1 показано устройство таких весов. На двух вертикальных стойках, на штифте, подвешен рычаг с изогнутой верхней частью. Его можно  сделать из полоски железа, алюминия, оргстекла. К изогнутому верху рычага  подвесьте тарелочку из оргстекла или розетку из­под варенья. На нижнем  конце рычага укрепите небольшой груз из кусочка олова, как показано на  рисунке. Массу этого груза надо взять такой, чтобы острие рычага при  ненагруженной чашке показывало на картонной шкале 0. Затем достаньте в  школьном кабинете физики набор гирь разной массы (разновес) и, нагружая  чашку определенной гирькой, отмечайте на шкале показания до 10—15 г.  Занятие 1.4 Станок для намотки катушек Вручную намотать тонким проводом катушку, имеющую 400— 600  витков, очень трудно. Простой станок, изображенный на рис. 1.4.1,  значительно облегчит работу по намотке провода. Для того чтобы витки  ложились ровно, необходимо пальцем левой руки слегка направлять витки  провода, в то время как правая рука вращает ручку, наматывая катушку. Из рисунка видно, что большая катушка А, с которой сматывают  провод, вращается на стержне, закрепленном в стойках. Катушка Б, на  которую наматывают провод, закрепляется в стойках на оси с ручкой. Эта ось делается съемной. В случае, если отверстие наматываемой катушки широко и  ось с ручкой болтается внутри катушки, наверните на ось бумажную трубку и  насадите катушку снова: она закрепится. Занятие 1.5 Настольный станок для ручной дрели Каждый, кому приходилось высверливать отверстия при помощи  ручной дрели, знает, как трудно бывает держать дрель в строго вертикальном  положении. А ведь только при этом условии можно получить правильное  отверстие, строго перпендикулярное плоскости доски или пластинки металла. Советуем сделать специальный станок для закрепления дрели. Общий  вид его показан на рис. 1.5.1. На толстой широкой подставке установлена  вертикальная стойка, на которой укреплены два направляющих рельса из  деревянных планок. Такие рельсы из планок нам приходилось уже делать,  например для установки стойки объектива в приборе, позволяющем показать  слайд на экране. В пазах рельсов легко передвигается брусок, к которому  железной полосой прочно прикреплен корпус ручной дрели. К нижней части  вертикальной стойки крепится брусок с выступом. На выступе установлена  стальная пружина, которая поднимает и удерживает дрель после того, как  отверстие высверлено. В заключение следует сказать, что юные мастера могут придумать другие варианты конструкции подобного станка. РАЗДЕЛ 2 СИЛА И ДВИЖЕНИЕ ВСЕГДА РЯДОМ  Занятие 2.1 Столики для опытов по изучению сил давления Вы знаете, что действие силы зависит от ее величины. Но в некоторых  случаях действие силы зависит и от площади поверхности тела, на которую  действует эта сила. Чтобы яснее понять зависимость давления от величины площади опоры,  сделайте два разных столика. Сделать их несложно, пользуясь рис 2.1.1. В ящик любой формы насыпьте просеянного сухого песку и  понаблюдайте, как столики будут погружаться в песок под действием какого­ нибудь груза, например гири в один килограмм. Эти опыты с очевидностью  покажут, что при одной и той же силе давления большая площадь опоры дает  меньшее давление. Ящик и два столика принесите в школу, чтобы преподаватель физики  мог показать опыты с ними на уроке, посвященном теме «Сила давления и  давление». Попутно придумайте еще примеры. Ведь люди часто используют  возможность увеличить или уменьшить давление, изменяя площадь опоры. Занятие 2.2 Центр тяжести в простых игрушках Если вам приходилось нести два одинаковых ведра воды в обеих руках, то вы знаете, что при этом ваше тело приобретает значительную устойчивость. А задумывались ли вы, почему ко дну лодки прикрепляют тяжелый железный киль? Зачем загружают тяжелыми ящиками груза трюмы теплоходов и других судов?   Почему   водолаз,   спускаясь   на   дно,   надевает   особые   ботинки   с тяжелыми свинцовыми подошвами? Объяснить   все   это   можно   следующим:   чем   ниже   помещается   центр тяжести   любого   тела,   тем   оно   устойчивее.   Проверьте   это   на   нескольких занимательных игрушках. Сделать их нетрудно, и устройство их ясно из рис 2.2.1. Перемещение центра тяжести выводит тело из устойчивого равновесия. Нагляднее всего это демонстрирует «Кувыркалка». Для того чтобы сделать «Кувыркалку», нужен большой стальной шарик. Поместите его в футляр из плотной   бумаги,   как   показано   на   рисунках.   Размеры   футляра   зависят   от диаметра   шарика.   Если   вам   удастся   найти   шарик   такого   размера,   какой показан на рисунках, то сделайте корпус футляра по нашему чертежу. Занятие 2.3 Загадочный волчок. Мы нарисовали для вас любопытную игрушку. Действие ее основано на  принципе перехода потенциальной энергии в кинетическую и обратно.  Игрушка эта издавна называлась «Ю — Ю». Сделаем ее. Подвешенная на  тонкую бечевку, она загадочным образом будет то подниматься, то  опускаться, то закручивать бечевку, то вновь ее раскручивать. Сделать «Ю —  Ю» можно следующим образом. Вырежьте из фанеры 8 кружков различного диаметра, как показано на  рис 2.3.1. Склеив кружки по 4 штуки, вы получите половинку игрушки с  большим кружком с одной стороны и с малым — с другой. Две такие  половинки соедините клеем с круглой палочкой — осью. Ось должна  проходить точно через центры половинок. Очень тщательно отшлифуйте игрушку напильником и шкуркой. Лучше  это сделать до соединения с осью. Проверьте, равны ли по массе обе  половинки, что легко сделать, под­весив волчок «Ю — Ю» за середину оси на  шнурок. Уравняйте массы половинок ножом и напильником. Подвесьте волчок на тонкую бечевку, закрепив прочно ее   конец.  Намотайте бечевку­шнурок на ось и пустите «Ю­Ю» вниз, держа в руке  второй конец шнура. РАЗДЕЛ 3 О ЧЕМ ГОВОРЯТ СТРУИ ВОДЫ И ГАЗА Занятие 3.1 Необычные фонтаны В сообщающихся сосудах вода стремится держаться на одном уровне.  Воспользуемся этим — сделаем по рисунку модель фонтана с баком из  консервной банки и стеклянной трубки с вытянутым концом (пипеткой). Дно  банки нужно просверлить и в полученное отверстие впаять небольшую  металлическую трубку. Как видно из рис. 3.1.1, бак связан со стеклянной трубкой резиновым  шлангом. Поместите бак на стойку из четырех брусков, а трубку вставьте в  широкую жестяную банку и промажьте соединение замазкой. Налейте в бак  воды, и тоненькая, сверкающая струйка забьет из стеклянной трубки.  Струйка, подчиняясь закону сообщающихся сосудов, стремится достичь  уровня воды в баке. Занятие 3.2 Две маленькие лодки В курсе VII класса физики есть очень интересный раздел «Плавание  тел». Каждый из вас по опыту знает, что вода выталкивает любое тело,  погруженное в нее. Ведь, купаясь летом, вы, конечно, пробовали погружаться  в глубь речки или пруда. И не могли не почувствовать действующей на вас  силы, толкавшей вверх. Это как раз проявление известного закона: «На всякое тело,  погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила...» Если  выталкивающая сила, действующая на тело со стороны жидкости, больше  силы тяжести тела, то оно всплывает. Поэтому и рыба, набирая воздух в особый плавательный пузырь, всплывает из глубины; выталкивая воздух из  пузыря, она с такой же легкостью погружается. Купаясь летом на неглубоком месте реки, попробуйте набрать в легкие  побольше воздуха и окунуться — вода вас немедленно вытолкнет. На основе этого закона сделайте несложную модель лодки­самоката.  Устройство ее видно на рис.3.2.1. Две пробирки, плотно закрытые пробками,  придадут судну достаточную устойчивость. Здесь же дан рис. 3.2.2 модели простой реактивной лодки. Двигателем и здесь служит воздух, сжатый в небольшом куске старой велокамеры.  Установите с помощью резинового клея велосипедный вентиль, отведите по  резиновой трубке сжатый воздух под нижнюю часть кормы и, накачав  велосипедным насосом кусок камеры, опустите лодку в воду. Откройте  зажатый пальцами подводный конец трубки. Вы увидите, как быстро лодка  поплывет. Напомним, что резиновый клей требует особых навыков при соединении им деталей. Прежде всего, необходимо тщательно зачистить поверхность  напильником. Затем следует протереть их бензином и намазать тонким слоем  клея. Когда первый слой высохнет, намажьте вторично и склейте.  При этом надо старательно выжать пальцами пузырьки воздуха в местах соединения. Занятие 3.3 Упрямый шарик Сделайте из пробки небольшой шарик, величиной немногим больше  горошины. Затем, навертывая на карандаш полоску бумаги и смазывая ее  клеем, скатайте бумажную трубочку. Сняв склеенную трубочку с карандаша,  закройте пробкой плотно отверстие на одном из ее концов. Недалеко от пробки просверлите в стенке трубочки небольшое  отверстие. Если поместить шарик над отверстием и подуть в противоположный конец трубки, то шарик начнет подпрыгивать. Объясняется это тем, что струя воздуха, обтекая шарик, поддерживает его над отверстием. Усложните эту занимательную игрушку. Вставьте в шарик маленький проволочный крючок, а над отверстием  установите на проволоке крючок побольше (см. рис. 3.3.1). Поместив шарик  над отверстием крючком вверх, старайтесь дуть в трубочку так, чтобы шарик  поднялся и своим крючком зацепился за крючок проволоки. Занятие 3.4 Ветродвигатели на столе Ниже мы даем описание трех моделей ветродвигателей. Их можно  привести в действие при помощи небольшого комнатного вентилятора. Установите в кабинете физики стенд с действующими моделями трех  основных видов ветродвигателей, сравните их между собой, выясните  хорошие и плохие стороны их конструкции. На одном конце площадки с  моделями поставьте комнатный вентилятор. Даем краткие указания к устройству моделей ветродвигателей. Рассмотрите общий вид и детали модели роторного двигателя. Это  ветряной двигатель, состоящий из двух пустотелых полуцилиндров. Они  закреплены на двух кругах, установленных на вертикальной оси.  Полуцилиндры служат лопастями двигателя и поставлены так, что ветер  ударяет то в один из них, то в другой, заставляя вращаться круги вместе с  осью. Круги выпиливают из миллиметровой фанеры или вырезают из толстого  картона. На рис. 3.4.1 показано, как располагаются полуцилиндры на верхнем  и нижнем кружках — пустотами друг к другу. Место для одного из них  заштриховано на кружке, служащем верхом ротора. Обратите внимание на положение лопастей полуцилиндров, центры которых помечены буквами О и  О1. Полуцилиндры вырежьте из плотной, чертежной бумаги и приклейте  зубцами. Полученный ротор насадите на обыкновенную вязальную спицу.  Спицу с ротором вставьте в отверстие небольшой деревянной площадки, а  площадку приклейте к четырем рейкам. Рейки­столбы установите на дощечке  так, чтобы ротор легко вращался. В центре площадки плотно вставлен отрезок медной трубки. Внизу, на дощечке, ось упирается острием в кусочек жести с»  углублением. Установка шкивов на оси ротора и на особых стойках понятна  из рисунка общего вида. Модель роторного двигателя работает даже при небольшом ветре. Занятие 3.5 Водяная турбина Кому из читателей этой книги незнакомо устройство обыкновенных  мельничных водяных колес? Колеса эти бывают подливные, среднебойные и  верхнебойные в зависимости от того, как ударяет мощная струя воды на  лопасти колеса. А вот модель водяного колеса без лопаток. Возьмите небольшую консервную банку. Очистив ее и обработав  напильником края, просверлите внизу четыре отверстия. Разверните большим  гвоздем отверстия в одну сторону, как показано на рис. 3.5.1. Вверху банки  укрепите крестовину из проволоки (припаяйте или закрепите в отверстиях).  Подвесьте банку на бечевку и подставьте под водопроводный кран. Откройте  кран. Вода заполнит банку, и она начнет вращаться в сторону,  противоположную выбивающимся из отверстий струям воды. Такого рода установку называют водяной турбиной. Вращают банку  струи воды, бьющие из отверстий. Реактивная сила, возникающая при этом,  заставляет вращаться турбину все быстрее и быстрее. Занятие 3.6 Маленькая паровая турбина Приведем описание очень простой турбины, которая работает при  нагревании от огня спиртовки или газовой горелки. Общий вид турбины  показан на рис. 3.6.1. В пробирку налита вода, а пробирка плотно закрыта  пробкой. В пробку вставлена тоненькая трубка с оттянутым концом — сопло.  Из сопла пар подается на лопасти колеса турбины. Оно вырезано из тонкой  жести и по краям имеет надрезы. Надрезы отгибаются в виде маленьких  лопаток, и струя пара, ударяясь о лопатки, заставляет колесо очень быстро  вращаться. Прежде всего вырежьте обыкновенными ножницами из тонкой жести  круг, как показано на рис. 3.6.2. Разбейте края круга на 24 части. Тонким  сверлом высверлите небольшие отверстия по линиям надрезов будущих  лопаток. Прорежьте ножницами стороны лопаток как раз против отверстий.  Отогните лопатки и закруглите их круглогубцами (или плоскогубцами). В  центре круга сделайте отверстие для оси и, вставив стальную проволочку,  припаяйте ее с двух сторон к колесу. Колесо турбины готово. По выкройке из жести или медной полоски сделайте обжимку для  пробирки и вставьте ось колеса в отверстия обжимки. Трубочку укрепите, как показано на рисунке. Кончик сопла должен приходиться как раз против  середины лопаток колеса. Пробирку можно взять любую. РАЗДЕЛ 4 ДЛЯ ЧЕГО НУЖНО ЗЕРКАЛО  Занятие 4.1 Осветительная установка к микроскопу Часто при работе в лабораториях школы приходится пользоваться  микроскопом. У каждого микроскопа внизу помещается маленькое зеркальце. Поставленное под углом к лучам света, оно направляет их на предметное  стекло. На предметном стекле помещают тот или иной объект для  исследования (крыло мухи, срез листа, каплю воды). Чем ярче будет освещен  объект, тем лучше можно его разглядеть. Сделайте осветитель сами (см. рис.  4.1.1). Он в дальнейшем поможет вам при работе с микроскопом. На доске установите патрон с лампой на 25 Вт. Лампу накройте  консервной банкой с боковым круглым вырезом. Колбу с водой установите на деревянную подставку и придвиньте ее к вырезу в банке. Включите лампу, и колба с водой даст вам яркий конический пучок  света. Колба с водой в данном случае играет роль большой двояковыпуклой  линзы. Именно в эту, наиболее яркую часть светового конуса, выходящего из  колбы, поместите зеркальце микроскопа. Зеркальце пошлет этот яркий свет  на объект, помещенный на предметном столе. Занятие 4.2 Прибор для быстрых зарисовок Попробуем использовать маленькое карманное зеркальце для  устройства несложного прибора. Он пригодится нам при быстрых набросках и зарисовках с натуры и при работе с книгой. Пользуясь им, можно легко и  быстро нанести на бумагу карту местности, зарисовать статуэтку, часть  глобуса, пейзаж и даже сделать небольшой набросок портрета. Возьмите зеркальце размером 9x5 см и простое стекло такой же  величины. Если зеркальце будет иного размера, то и весь прибор придется  приспособить к новому размеру. Стеклом может служить фотопластинка,  очищенная от светочувствительного слоя. По размерам зеркальца изготовьте  ящик, закрытый с трех сторон (см. рис. 4.2.1). Скрепив предварительно три стенки ящика, поместите до  окончательной сборки вверху, в прорезях двух боковых стенок, зеркальце  (блестящей стороной вниз), а под ним, в таких же прорезях,— стекло. Зеркальце поставьте под углом 60°, а стекло — под углом 45° к  вертикальной стенке. В стенке ящика, к которой будет обращена закрашенная  поверхность зеркала, сделайте два отверстия для глаз и неглубокий вырез для  носа. Расстояние между отверстиями для глаз должно быть не меньше 60—65  мм. Внутреннюю поверхность стен ящика полезно перед склейкой покрыть  черной краской, например чернилами для авторучки черного цвета. Это  улучшит видимость предметов, которые вы зарисовываете, в отражающих  поверхностях зеркала. После этого скрепите стенки ящичка окончательно  клеем или маленькими гвоздями. Ящик прикрепите к стойке. Чтобы можно было устанавливать его в  любом положении, крепление произведите винтом с гайкой. Если теперь сесть за стол и обратить открытую часть прибора с  зеркальцем к освещенному предмету, который мы хотим зарисовать, то,  разглядывая предмет через отверстие ящичка, можно обвести контуры  предмета на бумаге. Но следует, конечно, помнить, что, как бы ни было  хорошо зеркальце, которое вы установили в приборе, — все же прибор даст  лишь общие контуры предмета, стоящего перед ним. Мелкие детали придется  уточнить при окончательной отделке зарисовки. Занятие 4.3 Самодельный бинокль Прозрачные тела, ограниченные с двух сторон сферическими  поверхностями, называются линзами. Линзы можно сделать из куска  прозрачного льда, прозрачной пластмассы и, конечно, из стекла. Линзы, ограниченные двумя выпуклыми поверхностями, называются  двояковыпуклыми; линзы, ограниченные двумя вогнутыми поверхностями,  называются двояковогнутыми. Если смотреть на предметы сквозь удаленную  от глаза двояковыпуклую линзу, мы увидим эти предметы в уменьшенном и  перевернутом виде. Ну, а если это уменьшенное отображение попробовать рассматривать в  лупу, т. е. в линзу, увеличивающую разглядываемый предмет? Мы, конечно, увидим все удаленные предметы очень приближенными.  Но, к сожалению, изображение будет оставаться перевернутым. Для  рассматривания звезд и планет это не помешает, а в зрительной трубе или  бинокле это недопустимо. Как же нам поступить? Перевернуть изображение  поможет также линза, но двояковогнутая, если ее расположить от объектива  на расстоянии, меньшем его фокусного расстояния. Такое уж у нее свойство  (см. ход лучей на рисунке). На рис. 4.3.1 даны чертежи деталей бинокля,  который состоит из четырех картонных трубок. В две из этих трубок  вставлены двояковыпуклые линзы, в две другие — двояковогнутые. Двояковыпуклая линза называется объективом, она обращена к  рассматриваемому предмету (объекту), а двояковогнутая линза называется  окуляром — она находится около глаза. Лучи, идущие от удаленной точки,  например от головы школьника, преломляясь в объективе, поступают в  окуляр. Из окуляра лучи выходят расходящимся пучком и, попадая в глаз,  создают прямое увеличенное изображение головы. Таким же образом  рассмотрим мы и всю фигуру школьника. Каждая из трубок бинокля, являясь, по существу, отдельной зрительной трубой, которая передает нашим глазам изображение удаленного предмета. Конечно, самодельный бинокль не дает большого приближения, но все  же им можно с успехом пользоваться юным натуралистам и туристам. Чтобы сделать бинокль, купите в магазине «Оптика» или в аптеке,  имеющей отдел оптики, два круглых очковых стекла для дальнозорких (в 4  или 5 диоптрий) и два таких же стекла для близоруких (в 8, 9 или 10  диоптрий). Слово «диоптрия» не должно вас смущать. Продавец очковых  стекол знает, что значит это слово. По чертежу на рис. 4.3.2 выпилите из  фанеры одну деталь а и по две детали б и в.  Кольца в наклейте на деталь а. В кольца вложите рассеивающие стекла  (окуляры — двояковогнутые линзы) и заклейте их деталями б. На чертеже г  собранный окуляр показан в разрезе. Для объектива выпилите одну деталь д и  по две детали е и ж. Детали ж наклейте на деталь д, вложите в них  собирающие стекла (объективы — двояковыпуклые линзы) и заклейте  кольцами е. Объектив в разрезе на рисунке показан под буквой з. Из картона  склейте две трубки окуляра и две трубки объектива. Трубки окуляра должны  быть меньшего диаметра, так как они вставляются в трубки объектива и  должны с легким трением двигаться в них.