Ряд физических экспериментов на выходные: намагничивание ударом и другие штуки
Картинка Pikisuperstar, Freepik
Наступают выходные и самое время обратиться…нет, не к пляжу :-) А к физике — и проделать ряд занятных экспериментов, чтобы провести время увлекательно и с пользой. Итак…
Про магнетизм
Любой магнит является источником силовых линий, которые можно сделать видимыми, если поднести к магниту лист бумаги, с насыпанными на него металлическими опилками, с помощью чего можно заметить, что в результате взаимодействия с этими невидимыми силовыми линиями, опилки на бумаге выстроятся в определённом порядке:
Эти магнитные силовые линии тянутся от северного полюса магнита к южному, и подобные линии окружают некоторое пространство вокруг магнита.
Интересным моментом здесь является тот, что если любой железный объект будет достаточно долго находиться в пространстве, где действуют магнитные силы, то, несмотря на свою изначальную ненамагниченность, он её приобретёт и будет сохранять некоторое время в дальнейшем.
Планета Земля тоже является огромным магнитом, в чём легко убедиться, с помощью обычного компаса, где стрелка будет располагаться параллельно магнитным силовым линиям Земли.
Кроме того, всё вышесказанное относительно долго находящихся в магнитном поле предметов, полностью справедливо и для всех предметов, окружающих нас в обычной жизни: все они, в той или иной степени также являются магнитами: железные кровати, трубы, вёдра и т. д., и т.п. — все они, так или иначе, имеют северный и южный магнитные полюса!
Это легко проверить: если взять самый обычный туристический компас и поднести его к нижней части обычного железного ведра, которое стоит вертикально, то мы увидим, что стрелка компаса уже не показывает направление север-юг, а вместо этого — южный конец стрелки отклонится в направлении ведра.
Если мы начнём двигаться с этим компасом вокруг ведра, то увидим, что стрелка будет медленно поворачиваться, постоянно сохраняя направленность своего южного полюса в сторону ведра.
Теперь, если мы будем плавно поднимать магнит, ведя его от нижней части ведра к верхней, то стрелка точно так же плавно совершит разворот на 180°, который будет максимальным в верхней точке ведра, таким образом, в самой верхней точке ведра в его сторону будет развёрнут северный полюс стрелки компаса:
Нетрудно убедиться с помощью компаса, что все железные предметы также имеют южный и северный полюса, которые появились у них благодаря продолжительному воздействию магнитного поля Земли.
▍ Как поменять полюса вручную
Все железные предметы, приобретшие намагниченность, благодаря воздействию поля Земли, могут быть принудительно перемагничены, что также называется «переполюсовкой», которая может быть произведена, как пассивным способом, — просто поменяв их расположение в магнитном поле Земли, вследствие чего с течением времени — изменится и намагниченность предметов (но процесс займёт некоторое время); так и активным, — с помощью усилий человека, причём процесс в этом случае произойдёт буквально за мгновение!
Описанный ниже способ можно применять для любого железного предмета: необходимо взять этот предмет, условно назовём его «стержень», таким образом, чтобы он был расположен под углом, примерно 60° к Земле. При этом весь стержень должен быть расположен так, чтобы всё его направление указывало примерно с севера на юг:
Теперь, нужно взять молоток, и два-три раза сильно ударить по верхнему торцу стержня, после чего, используя компас, можно убедиться, что стержень намагнитился: верхний его конец, (условно назовём его «рукоятка», так как мы держимся за него рукой) должен начать притягивать северный полюс стрелки компаса, а нижний конец стержня, если поднести к нему компас, — должен, соответственно, притягивать южный полюс компасной стрелки.
Далее, проведём обратный эксперимент: перевернём стержень таким образом, чтобы он был расположен снова под углом 60° к Земле, всё его направление указывало с севера на юг, но, уже в этом случае вниз, в сторону Земли должна смотреть «рукоятка».
Снова два-три раза сильно ударим по верхнему торцу стержня. Проверим снова его намагниченность с помощью компаса: проверка покажет, что теперь верхняя часть стержня превратилась в северный полюс, а нижняя часть в южный полюс!
Подобный эксперимент можно проводить многократно, и каждый раз магнитные полюса будут легко меняться друг с другом.
Теперь попробуем разобраться, почему же так получается? Дело в том, что и намагничивание, и смена полярности намагниченности — это следствие воздействия земных магнитных полей.
Учёными было установлено, что в любом ненамагниченном куске железа, каждая его мельчайшая частичка имеет южный и северный полюса (благодаря долгому нахождению в магнитном поле Земли), только направления полюсов этих частичек в ненамагниченном железе — хаотично и именно поэтому этот кусок железа, в целом, выступает как немагнитный.
При воздействии на это железо с помощью резких ударов, — происходит мгновенная переориентировка всех микромагнитиков в железе, таким образом, что они выстраиваются согласно линий магнитного поля Земли.
При этом как мы уже убедились, с помощью такого «метода ударов» можно вызвать как намагниченность, так и перемагнитить уже намагниченный объект, причём происходит это мгновенно.
▍ Самодельный компас
С учётом всего вышесказанного можно попробовать изготовить даже самодельный компас.
Для этого потребуется всего лишь швейная игла и пара магнитиков (в одном случае) и просто одна только игла, во втором случае.
Как известно, стрелка компаса является намагниченной и именно это позволяет ей располагаться согласно силовых линий магнитного поля Земли. Мы можем попытаться изготовить самостоятельно такую стрелку, если мы возьмём обычную швейную иглу, и расположим её между южным и северным полюсом двух магнитов, оставив её на некоторое время так. Это приведёт к намагничиванию иголки. Во втором случае мы можем попытаться намагнитить иголку описанным выше способом, используя простые постукивания по одному из её концов. После того как иголка намагнитилась любым из описанных выше способов, нам останется только смазать её жиром или маслом и положить на поверхность воды, используя пинцет. При этом нужно стремиться к тому, чтобы иголка легла на поверхность строго параллельно ей. После отпускания иголки пинцетом, — она развернётся и будет указывать с севера на юг. Самодельный компас готов (для большей мобильности можно его сделать в чашке с водой).
Измеряем длину световой волны с помощью иголки и листа бумаги
Некоторое время назад, мы уже разобрали один из возможных способов измерения световых волн «на коленке», и вот ниже, ещё один способ, наверное, ещё более простой.
Наукой было установлено, что свет является электромагнитным излучением, причём разные цвета излучения отличаются друг от друга просто длиной своей волны. Чтобы провести описанный ниже опыт, понадобится несколько простых вещей: игла большого размера (конкретный размер в литературе не указывается, поэтому здесь требуется эксперимент), линейка, лист бумаги, булавка (или ещё одна иголка). Также для этого эксперимента потребуется комната, имеющая плотные шторы, которые необходимо закрыть таким образом, чтобы между вертикальными шторами в комнату проходил только узкий луч света снаружи.
В этот луч света необходимо установить вертикально иглу, а на некотором расстоянии от иглы сзади, укрепить также вертикально лист бумаги (причём укрепив таким образом, на некоторой стойке, чтобы этот лист можно было плавно отодвигать и придвигать к игле, а тень от иглы должна падать на этот лист).
Теперь, если мы будем плавно отодвигать его от иглы, то её тень постепенно станет всё менее чёткой, начнёт появляться радужная кайма, которая будет пересекаться массивом светлых и тёмных вертикальных полос:
Далее, нам необходимо максимально точно измерить расстояние между двумя ближайшими к игле чёрными полосами, для этого, удобно каждую из них проколоть в самом центре, используя вторую иглу или булавку, после чего, открыть шторы, и замерить расстояние между двумя проколами с помощью линейки.
Также необходимо измерить толщину иглы, которая отбрасывала тень (для чего удобно использовать штангенциркуль).
Последним нашим измерением должен стать замер расстояния от иглы до листа бумаги.
Наблюдаемые нами тёмные и светлые полосы появляются в результате явления интерференции, в результате которого световые волны накладываются друг на друга.
Максимальная освещённость в центре полос возникает из-за того, что тень от иглы частично освещается лучами, которые обходя иглу, несколько отклоняются от своего пути. Тёмные же области возникают благодаря тому, что в то время, как из-за левого края иглы на бумагу падает волна с максимальным уровнем (скажем так, «гребнем» волны), в то же самое мгновение из-за правого края иглы на бумагу падает минимум волны («впадина»).
В результате «плюс на минус — даёт ноль», то есть волны взаимно выравниваются, и в этом месте возникает ситуация, как будто свет сюда и не падал вовсе.
В то же время верно и обратное: ярко освещённые зоны представляют собой те области, на которые одновременно с правой и левой сторон иглы пришёл минимум или максимум волны, которые взаимно друг друга усиливают.
Учёными было выведено равенство, которое позволяет нам вычислить наблюдаемую длину волны:
длина волны = (диаметр иглы х расстояние между полосами) / расстояние от иглы до экрана
Если сюда мы подставим параметры опыта, проводимого в условиях дневного света, то в результате у нас получится, что длина волны равна 0,0004 мм. Подобные вычисления мы можем провести для любой произвольной длины волны.
Интерференция и дифракция света
В эксперименте выше мы затронули явления дифракции (огибания световыми волнами препятствий), а также интерференции, в ходе которого происходит наложение волн, результатом чего является их ослабление или усиление.
Весьма любопытным и простым демонстратором этих явлений, является эксперимент, который может провести каждый: если вечером, мы раскроем самый обычный дождевой зонтик и посмотрим сквозь него на уличный фонарь, который находится от нас примерно на расстоянии порядка 50 м, то мы увидим очень интересную картину — вместо ожидаемого одного источника света мы увидим примерно 20 источников, расположенных в шахматном порядке — при этом, чем тоньше материал, из которого состоит зонтик, тем больше источников света мы увидим. Если мы начнём вращать зонтик, то световая картина начнёт вращаться вместе с ним, сохраняя свою шахматную структуру — при этом каждая из этих точек будет окрашена разные цвета спектра. Если нам повезло и материал нашего зонтика особенно тонкий, то мы вместо точек увидим множество радужных колец, которые будут состоять из красной каймы снаружи и голубой внутри.
Причиной подобной картины является то, что в глаз наблюдателя попадает не только свет, движущийся прямолинейно от источника, но и свет, проходящий через мельчайшие отверстия, имеющиеся между переплетёнными нитями материала зонтика. А дальше, мы уже всё знаем: в тех местах, где максимум и минимум волны наложились друг на друга, — мы видим тёмные области; там же, где два минимума или два максимума наложились друг на друга — видим ярко освещённые участки, которые нами воспринимаются как отдельные источники света.
Водяной микрофон Александра Белла
Что вы скажите на то, если я сообщу вам, что с помощью водяной струи можно усиливать звуки? Впервые этот эффект был открыт американцем Александром Беллом: если взять сосуд с водой и проделать в его днище небольшое, круглое отверстие, через которое вода могла бы вытекать, то, наблюдая за вытекающей струёй, можно будет заметить, что верхняя часть струи выглядит как прозрачная и, даже, можно сказать, стеклянная, в то время как, по мере удаления от сосуда, струя становится всё более тонкой, и самая нижняя её часть имеет изменчивую форму и теряет прозрачность.
Эта нижняя часть, так же как и верхняя, только на первый взгляд кажется неразрывной, однако, при соответствующий сноровке, можно попытаться и успешно провести палец сквозь эту струю, даже не замочив его.
В ходе исследования струй воды французским физиком Феликсом Саваром, им было обнаружено, что действительно, нижняя часть струи представляет собой массив из отдельных капелек.
В наше время ещё проще в этом убедиться, если просто сфотографировать падающую струю воды, используя фотовспышку или, осветив её стробоскопическим светом.
Кроме того, Савар обнаружил, что на длину верхней непрозрачной части струи очень сильно влияют звуки и что если около неё возникает звук определённой частоты, то верхняя часть мгновенно становится непрозрачной.
Он объяснял наблюдаемый эффект так: капли, на которые распадается струя в самом низу, зарождаются ещё в самом её верху, представляя собой кольцеобразные выступы, которые сами излучают небольшой звук; если при этом на них воздействовать звуковым тоном определённой частоты, который будет звучать в унисон собственному звуку капель, то это приведёт к более раннему распаду струи на капли, что для стороннего наблюдателя будет выглядеть как помутнение её (в точности проверить своё предположение он не мог, так как в те времена ещё не было стробоскопических источников света).
Заинтересовавшись этими экспериментами, их продолжил английский физик Джон Тиндаль, которому удалось добиться прозрачной струи длиной приблизительно в 27 метров, после чего — он воздействовал на неё органными трубами разной частоты, и ему удалось подобрать такую частоту, при которой вся эта струя превращалась в мутную, разбиваясь на множество капель.
Для своих опытов он использовал небольшой бассейн, в который подала исследуемая струя, при этом обнаружил, что если менять высоту падения струи таким образом, чтобы в бассейн входила прозрачная часть струи, то она входит в воду практически бесшумно, в то время как если с бассейном сталкивается разбившаяся на капельки часть, то она производит существенный шум и большое количество пузырьков.
На описанных выше свойствах водяной струи и был основан водяной микрофон, придуманный Александром Беллом:
Картинка: Л.Г. Асламазов, А.А. Варламов — «Удивительная физика»
Микрофон Белла представляет собой вертикально установленную трубку, герметичную с нижнего и верхнего конца, где нижний конец трубки вделан в подставку, в то время как верхний закрыт натянутым на него куском резиновой мембраны, закреплённой на своём месте с помощью приматывания её к трубке ниткой.
На некотором расстоянии от верхнего конца в трубку перпендикулярно впаян патрубок с воронкой.
Как было уже сказано ранее, если струя воды входит в бассейн неразрывной частью, то это происходит практически бесшумно, в то время как каплевидная часть производит шум.
В рассматриваемом микрофоне мембрана выступает в роли такой же поверхности бассейна, на которую падает вода, при этом трубка выступает резонатором, многократно усиливающим звуки, получающимися от колебаний мембраны, а воронка — излучателем этих усиленных звуков.
Теперь, если приложить к трубке, из которой вытекает струя воды — какой-либо источник звука, например, обычные механические часы, то звук, издаваемый каплями, ударяющими по мембране, будет их повторять и тиканье часов станет хорошо слышимым.
В прошлом проводились испытания этого микрофона, с использованием камертона (прижав одну из его вибрирующих ножек к трубке с вытекающей водой), при этом звук стал настолько мощным и резким, что присутствующим в комнате захотелось заткнуть уши!
Ещё один из исследователей и популяризаторов науки, Б.Донат, в XIX веке провёл испытание этого микрофона, при этом он его усовершенствовал и к трубке с вытекающей водой приделал ещё одну воронку, в которую стал говорить и струя действительно повторила его голос, при этом, дословно: «голос стал настолько неясным, грубым и ужасным, что все присутствующие в комнате при этом эксперименте — разбежались» :-)))
К слову, довольно любопытным было бы использование подобного эффекта около природных водопадов и водоёмов, совместив его с неким изначальным модулятором звука (даже механическим), заставив «петь в лесу» обычную воду…Из этого можно даже попробовать сотворить некую туристическую достопримечательность.
Подытоживая, можно сказать, что множество совершенно обыкновенных вещей, окружающих нас могут проявить себя нестандартным и интересным образом, если попытаться задуматься об их природе и свойствах, а простота многих удивительных экспериментов делает их легко повторяемыми любым заинтересовавшимся.
Список использованной литературы
- Л.Г. Асламазов, А.А. Варламов — «Удивительная физика»
- Г.Низе — «Игры и научные развлечения»
- В.Смирнов — «Опыты и самоделки по физике»
Выиграй телескоп и другие призы в космическом квизе от RUVDS. Поехали?
