Текст книги "Качественные задачи по физике в средней школе и не только…"

9. Динамика вращательного движения. Момент силы

51. Маленький помощник

На хвосте вертолета обычно есть второй винт, меньшего размера по сравнению с основным, расположенный в вертикальной плоскости. Зачем он нужен?

52. К взлету готов

Когда автомобиль резко трогается с места, можно заметить, что его передняя часть приподнимается, а задняя, наоборот, опускается – автомобиль как бы «приседает» на задние колеса. Почему это происходит? Зависит ли это от того, какие колеса у автомобиля ведущие – задние или передние?

53. Импровизированный орехокол

В отсутствие щипцов для орехов грецкие орехи иногда раскалывают так: зажимают между тем торцом двери, к которому крепятся дверные петли, и косяком двери, а затем делают закрывающее движение (до конца дверь, конечно, не закрывают). Какие физические законы и каким образом работают в этой ситуации?

54. Как перекусить проволоку

Как лучше располагать проволоку относительно режущих кромок кусачек-бокорезов, чтобы перекусить ее было легче?

55. Подбираем ножницы

У вас есть ножницы с длинными лезвиями и ножницы с короткими лезвиями. Какими из них лучше резать бумагу, а какими плотный картон?

56. Двое на качелях

Может ли взрослый качаться на качелях-балансире с ребенком? Как?

57. Нарушаем правила

Может ли получиться так, что две одинаковые по величине силы уравновешивают друг друга, хотя приложены на разном расстоянии от опоры рычага?

58. И снова нарушаем правила

На рис. 5 изображен рычаг и уравновешенные на нем грузы. Проведя несложные расчеты, можно заметить, что правило равновесия рычага не выполнено. Может ли такое быть?

Рис. 5

59. Хитроумный механизм

Какой выигрыш в силе можно получить с помощью механизма, показанного на рис. 6, если к самой большой из шестеренок подключить двигатель?

Рис. 6

60. Кто первым опрокинется?

Почему при одинаковой площади опоры высокий шкаф легче опрокинуть, чем низкий?

61. Осторожно в виражах!

Почему водитель цистерны особенно аккуратно проезжает повороты?

62. «Дайте мне точку опоры!»

Два одинаковых тяжелых ящика расположены так, как показано на рис. 7 (вид сверху).

Рис. 7

Нуллибер хочет сдвинуть ящик 1 черенком лопаты, как рычагом, воспользовавшись ящиком 2 как точкой опоры. Какой из двух вариантов расположения рычага, представленных на рис. 8, следует выбрать?

Рис. 8

63. Домашняя эквилибристика

В простом цирковом трюке эквилибрист удерживает трость в вертикальном положении на кончике пальца (рис. 9).

Рис. 9

Какую трость проще удерживать: короткую или длинную? Попробуйте удержать таким образом на пальце карандаш. Получилось ли у вас? Чем объясняется результат?

10. Механическое равновесие

64. Как носить бревно?

Если при переносе бревна на плече вы положите его на плечо серединой, оно будет казаться более легким, чем если часть бревна за спиной будет заметно длиннее той части, которая перед вами. Но ведь это одно и то же бревно, его масса неизменна – в чем же дело?

65. Блок и рычаг

В какой точке нужно привязать трос, чтобы закрепленный на шарнире рычаг (рис. 10) находился в равновесии? (Подразумевается, что точку подвеса блока можно перемещать.)

Рис. 10

IV. Физика жидкостей и газов

11. Давление в жидкостях и газах

66. Воздух ищет выход

Почему хозяйки, наполняя бутылку жидкостью через воронку, приподнимают воронку над горлышком бутылки?

67. Приручаем пакет

Почему пакеты молока и сока рекомендуют вскрывать с двух сторон (рис. 11)?

Рис. 11

68. Осторожно: пробка открывается!

Бутылку с газированной водой нужно открывать осторожно: вода в бутылке может забурлить и выплеснуться наружу. Почему это происходит?

69. Шумят пиры… Трещат костры…

Мы легко распознаем костер на слух по характерному потрескиванию. Но почему трещат дрова в костре? И какая древесина трещит сильнее: влажная или сухая?

70. Давление под крышкой

Если плотно закрыть банку крышкой и поставить ее в теплое место (например, на батарею), давление в банке вырастет. Станет ли при этом больше плотность воздуха в банке? Изменится ли ответ, если на донышке банки была вода?

71. Шарик возвращается в строй

Как расправить примятый шарик для пинг-понга?

72. Ушные страдания

Почему закладывает уши во время взлета и посадки самолета?

73. Откуда у воды напор

В старой застройке, в деревнях и в дачных поселках можно увидеть большие емкости, поднятые высоко над землей, – водонапорные башни. Для чего они нужны?

74. Космическое письмо

Можно ли писать в космосе обычной шариковой ручкой?

75. Конкурс на лучшую жидкость для барометра

Для изготовления жидкостного барометра можно взять разные жидкости – например, ртуть, воду или масло. Какие вы видите достоинства и недостатки разных жидкостей?

76. Грохот космической катастрофы

Пролетая на своем космическом катере в 1000 километрах от астероида, Винкель и Нуллибер увидели редкое явление: в астероид на скорости 200 км/с врезался другой астероид такой же массы. Что друзья услышат раньше: грохот от столкновения астероидов или барабанную дробь образовавшихся при столкновении осколков по обшивке катера?

77. Нуллибер взвешивает атмосферу

Нуллибер решил вычислить массу земной атмосферы. «Зная атмосферное давление, – говорит он, – мы можем вычислить, какая сила давит на единицу площади земной поверхности. Эта сила представляет собой вес атмосферного столба над этой площадью. Умножив на площадь земного шара, получим вес атмосферы!»

В чем недостаток этого рассуждения?

78. Если мучает жажда

Можно ли пить из очень глубокого колодца через очень длинную соломинку?

79. Водоснабжение – это просто?

Если мы хотим поднять воду на большую высоту – скажем, на вершину холма высотой 50 метров, – где нам нужно расположить насос: у подножия или на вершине?

80. Сифон помогает водителю

Иногда водителям нужно слить из топливного бака автомобиля некоторое количество бензина. Для этого используется шланг, один конец которого опускается в топливный бак, а второй – в емкость, куда сливают бензин. Как это работает и какие условия для этого должны быть выполнены?

81. Автомобиль в высокогорье

Где легковому автомобилю с бензиновым двигателем легче разгоняться по горизонтальной дороге: на уровне моря или на высокогорном плато?

12. Сообщающиеся сосуды

82. Белеет парус одинокий

Люди давно заметили, что по мере того как парусник удаляется от берега, его нижняя часть скрывается от глаз, и в какой-то момент видна только верхушка мачты. Почему это происходит и о чем говорит вдумчивому наблюдателю?

83. Вода помогает строителям

В строительных работах часто применяют инструмент, представляющий собой тонкую длинную (многометровую) гибкую прозрачную трубку с расширениями на каждом из концов, заполненную водой. Для чего он нужен?

84. Секреты унитаза

На рис. 12 показан унитаз в разрезе.

Рис. 12

Зачем нужен этот странный изгиб трубы в нижней части? Разве он не мешает смывать в унитаз то, от чего мы хотим избавиться?

85. Обманчивая вода

Всегда ли ровная поверхность воды горизонтальна?

13. Архимедова сила

86. По следам Архимеда

Согласно известной легенде, царь Гиерон выдал ювелиру золото для изготовления короны, а получив корону, усомнился в честности мастера. Корона весила в точности столько же, сколько исходный слиток золота – но ведь ювелир вполне мог забрать часть золота себе, подмешав в золото для короны другой металл, более дешевый, чтобы покрыть разницу в массе. В конце концов Гиерон обратился к Архимеду. Как Архимед решил эту задачу?

87. Сюрпризы выталкивающей силы

Если мы положим деревянный брусок в воду и в ртуть, будет ли различаться выталкивающая сила со стороны жидкости в этих ситуациях? А если вместо деревянного бруска взять железный?

88. Космическое воздухоплавание

Можно ли пользоваться воздушными шарами для перемещения на Луне? А на Марсе?

89. Каменное дно

Почему по каменистому дну больно ходить на малой глубине и не так больно на большой?

90. Статуя или гиря?

Что легче удержать в воде: бронзовую статую Нуллибера или чугунную гирю такой же массы, как эта статуя?

91. Разные килограммы

Что весит больше: килограмм ваты или килограмм свинца? Обоснуйте свой ответ.

92. Приключения айсберга

В сосуде с водой плавает большой кусок льда («айсберг»), причем сосуд в этот момент наполнен водой до самых краев. Перельется ли вода через край, когда лед растает? Как изменится ответ, если в куске льда есть пузырек воздуха? А если в кусок льда вморожен свинцовый шарик?

93. «Океан без льда, пожалуйста!»

Как изменится уровень мирового океана, если все айсберги растают?

94. Приключения яхтсменов

Нуллибер и Винкель отправились на яхте в большое путешествие. Они стартовали из Лондона, спустились по Темзе в Северное море, пересекли Атлантический океан и доплыли до Антарктиды. Отчаливая от пристани в Темзе, Винкель нанес на борту яхты краской черту на уровне ватерлинии. Как изменится положение этой черты относительно поверхности воды, когда путешественники выйдут в море? Где осадка яхты будет больше: на экваторе или у берегов Антарктиды?

95. Следим за весом

В наполненное ровно до краев ведро воды осторожно опустили деревянный брусок. Изменится ли при этом вес всей системы? А если взять железный брусок?

96. Эффект щепки

Будет ли уровень воды в сообщающихся сосудах по-прежнему одинаковым, если в один из сосудов опустили плавать щепку?

97. Баржа идет на дно

Что произойдет с уровнем воды в закрытом шлюзе, если в нем затонет баржа, груженная мрамором?

98. Взвешивание без весов

Собака Нуллибера питается готовым сухим собачьим кормом. Обычного корма в продаже не оказалось, и Нуллибер купил пакет другого. Но вот беда – этот корм отличается от прежнего дневной нормой: собаке нужно давать 140 граммов нового корма в день. До лаборатории далеко, а из измерительных приборов у Нуллибера дома обнаружилась только мензурка. Как с помощью мензурки и обычных кухонных предметов (среди которых нет весов) отмерить 140 граммов собачьего корма?

99. Коварный клад

Ныряя во время отпуска с аквалангом, Нуллибер обнаружил в затопленном корабле золотые монеты. Здесь же нашлись и старые рычажные весы с набором гирь из нержавеющей стали, так что Нуллибер смог прямо на месте, под водой, взвесить найденный клад. Вернувшись на сушу, он похвастался Винкелю, что нашел целых 5 килограммов золота. Узнав подробности, Винкель предложил взвесить клад на весах в лаборатории. Что получилось при повторном взвешивании?

100. Перехитрить Архимеда

Рычажные весы измеряют массу груза не вполне точно, поскольку и на груз, и на гири действует архимедова сила. Если нам нужны точные измерения, из какого материала следует изготовить гири, чтобы архимедовой силой можно было спокойно пренебречь?

101. Шаткое равновесие

К рычагу-коромыслу подвешены две гири таким образом, что рычаг находится в равновесии (рис. 13).

Рис. 13

Нарушится ли равновесие, если гири (но не рычаг) полностью погрузить в одинаковую жидкость? (Считайте, что нити, с помощью которых подвешены гири, невесомы, сам рычаг сбалансирован и трения в точке опоры нет.)

102. Сюрпризы выталкивающей силы – 2

В воду, где плавает брусок из лиственницы, аккуратно долили бензин так, что он полностью покрыл брусок. Изменится ли глубина погружения бруска в воду? Если изменится, то как?

103. Упрямый брусок

Винкель опустил деревянный брусок в сосуд с водой и заметил, что брусок выступает над поверхностью воды на одну четверть своей толщины. Он отнес свою экспериментальную установку в небоскреб, где установлены скоростные лифты, чтобы изучить, как будет меняться глубина погружения бруска, когда сосуд с водой движется с ускорением вверх или вниз. Какие результаты получит Винкель? С каким ускорением должен двигаться лифт, чтобы брусок опустился на дно сосуда?

104. Сюрприз Архимеда

Внутри цистерны подвесили к «потолку» металлический шарик на прочной нитке. Когда цистерна движется с ускорением, нитка отклоняется на определенный угол. Как изменился бы этот угол, если бы цистерна была не пустая, а заполненная водой (при том же самом ускорении)?

105. Своевольный воздушный шарик

Как будут вести себя чемодан на полу, мячик на столе и воздушный шарик, наполненный гелием, в купе ускоряющегося железнодорожного вагона?

14. Смачивание и капилляры

106. Секреты барной ложки

Чтобы приготовить слоистый коктейль, бармен использует специальную барную ложку – ложку с длинным черенком и витой ручкой. Для чего это делается и на каких физических явлениях основан этот прием?

107. Тряпка тряпке рознь

Винкелю нужно срочно вытереть с лабораторного стола пролившуюся воду. Под рукой у него есть его собственная старая хлопчатобумажная футболка и поношенная синтетическая блузка жены. Какую из двух тряпок лучше выбрать?

108. Песок, глина и вода

После сильных дождей участки песчаной почвы высыхают одними из первых, а глинистая почва долго остается влажной. Почему?

109. Фундаментальные тайны

Часто можно увидеть, что на бетонный или кирпичный фундамент невысоких строений, прежде чем возводить стены, укладывают рубероид – картон, пропитанный и покрытый битумом. Зачем?

V. Импульс, работа, энергия, мощность

15. Импульс. Закон сохранения импульса

110. Топорная работа

Если при первом ударе топор застрял в чурбаке, дальше есть два основных пути довести дело до конца (рис. 14): «прямой» (поднять топор вместе с чурбаком и еще раз ударить по колоде) и «обратный» (поднять топор вместе с чурбаком, перевернуть и ударить по колоде обухом топора).

Рис. 14

Когда имеет смысл пользоваться вторым вариантом?

111. Молотком по ладони

Кирпич, лежащий на ладони, можно ударом молотка раздробить на части – и при этом ладонь почувствует лишь сильный толчок. Такой же удар молотком по раскрытой ладони будет весьма болезненным. В чем причина этой разницы?

112. Спасти Нуллибера!

Во время орбитального полета Нуллибер вышел в открытый космос, чтобы зафиксировать солнечную батарею, и забыл прикрепить страховочный фал. Он отвлекся от работы, чтобы полюбоваться видом земного шара, а спустя минуту обнаружил, что дрейфует с гаечным ключом в руке в 3 метрах от катера. Как ему спастись? (Реактивного ранца в скафандре нет.)

113. Велосипедист-трудяга

Совершает ли велосипедист механическую работу, когда равномерно едет по ровному горизонтальному шоссе? Когда разгоняется? Когда катится с горы?

16. Работа. Закон сохранения энергии

114. Выбираем удобный блок

С помощью какого из вращающихся блоков эффективнее поднимать груз – с помощью маленького или большого (рис. 15)?

Рис. 15

115. Автомобиль на катке

На автомобилях с механической коробкой переключения передач опытные водители советуют на льду трогаться со второй передачи. Почему?

116. Асы бездорожья

Короткий участок бездорожья проще проехать, предварительно разогнавшись и «подгазовывая» в процессе. Длинный – стараясь держать скорость ровной и работая акселератором (педалью газа) очень осторожно. Почему?

117. Долгий полет

Один теннисный мяч сбросили без начальной скорости с высоты 10 км, а другой такой же – с высоты 15 км. Какой из них будет обладать большей кинетической энергией у самой земной поверхности?

118. Три поросенка катаются с горки

Ниф-Ниф, Нуф-Нуф и Наф-Наф участвуют в соревнованиях по катанию с ледяной горки на санках. Правила соревнований оговаривают высоту горки и расстояние между стартом и финишем по прямой, но никак не ограничивают форму склона. Побеждает тот, кто быстрее всех доберется от старта к финишу.

Поросята изготовили себе горки, показанные на рис. 16.

Рис. 16

Кто из них победит в соревнованиях? А чьи санки пересекут финиш с самой большой скоростью?

119. Туда и обратно

Гэндальф запускает Бильбо Бэггинса в тележке с одной и той же скоростью по волнообразной трассе, составленной из одинаковых частей, сначала из точки A, а потом из точки Z (рис. 17). Какой путь Бильбо проедет быстрее: из A в Z или из Z в A? (Считайте, что трение Гэндальф полностью устранил одним из своих волшебных трюков.)

Рис. 17

120. Когда круто – это не круто

Почему чем круче подъем, тем сложнее автомобилю на него въезжать?

121. Квадратные колеса

Почему колеса делают круглыми, а не квадратными?

122. Чем чреваты перегибы

Если кусок металлической проволоки несколько раз быстро перегнуть туда-сюда, место перегиба нагреется. Чем это объясняется? Какая проволока при одинаковой толщине будет нагреваться в этом процессе сильнее: алюминиевая или железная?

123. Предки-пиротехники

В книгах, рассказывающих о жизни первобытных людей, часто можно встретить утверждение, что древний человек умел добывать огонь трением. Действительно ли можно развести огонь, потерев две деревяшки друг о друга?

124. Плата за воздух

Водители хорошо знают, что езда на приспущенных колесах увеличивает расход топлива. Почему так происходит?

VI. Тепловые явления

17. Теплопроводность, конвекция, излучение

125. Холодное или теплое?

Если зимой на детской площадке вы измерите термометром температуру металлических и деревянных частей, термометр покажет одно и то же значение. Однако на ощупь металл холоднее дерева. Почему?

126. Кому в одеяле тепло

Винкель собирается приготовить вкусный мясной ужин, но мясо только что достали из морозильного шкафа, и Винкель волнуется, что оно не успеет вовремя оттаять. Нуллибер предложил завернуть мясо в одеяло, чтобы ускорить процесс. Хорошая ли это идея?

127. Берегите язык!

В раннем детстве вас наверняка предостерегали от попыток лизнуть на морозе металл качелей. Почему это не стоит делать?

128. Чем перемешивать угли?

Железная кочерга и ветка дерева одним концом лежат в костре. Почему ветку дерева можно достать из костра, взяв рукой за второй конец, а для того, чтобы достать кочергу, ладонь нужно защитить (например, рукавицей или тряпкой)?

129. Обжигающий чай

Почему пить горячий чай в походе удобнее из пластиковой кружки, а не из металлической?

130. Кондиционер в кондиции

Почему внутренний блок кондиционера размещают ближе к потолку?

131. Парниковый эффект

Почему в парнике тепло, хотя обогревателей в нем нет?

18. Теплоемкость

132. Пляжный парадокс

При температуре воздуха 20 °C мы легко можем раздеться до трусов и не чувствовать дискомфорта, однако в воду такой же температуры нам заходить очень холодно. Почему?

133. Отопление для холериков и флегматиков

Большая кирпичная печь прогревает остывший дом медленно, но зато потом может держать тепло больше суток. Металлическая печь («буржуйка»), напротив, быстро дает много тепла, но, когда огонь гаснет, в помещении быстро холодает. Чем это объясняется?

134. Искусство поджога

Почему горящей спичкой легко поджечь тонкую щепку, а с поленом это не получается?

135. Где чей чай?

Винкель и Нуллибер в замешательстве смотрели на столик. На столике стояли два совершенно одинаковых стакана с одинаковым количеством чая, а между ними лежала чайная ложка.

– И где теперь чей чай? – спросил Винкель.

– Не знаю, – сокрушенно ответил Нуллибер. – Я отпил из своего стакана, а потом зазвонил телефон, я поставил стакан, чтобы поговорить, но не помню, поставил слева или справа от твоего. Может быть, ты что-то помнишь?

– Нет, – расстроенно сказал Винкель. – Я достал ложечку из стакана, чтобы насыпать сахар, но сработал датчик на центрифуге, я положил ложку на стол, отвернулся и выключил центрифугу, но не помню, где была ложка – справа или слева от моего стакана.

– Погоди-ка! – просиял Нуллибер. – Чай я наливал одновременно. Сейчас в стаканах одинаковое количество чая, но ты из своего стакана вынул ложечку, а я из своего отпил… Мне нужен термометр – и я скажу, где чей чай!

Что придумал Нуллибер?

19. Тепловое расширение

136. Дырка от шайбы

Нуллиберу необходимо надеть металлическую шайбу на стержень, однако отверстие в шайбе оказалось чуть-чуть уже толщины стержня. Винкель предлагает нагреть шайбу, но Нуллибер говорит, что это только усугубит ситуацию: шайба станет толще – и отверстие уменьшится. Кто из них прав?

137. Винкель изобретает

У ртутного термометра, которым мы измеряем температуру тела, трубочка с ртутью утолщается на конце. Винкель решил внести рационализаторское предложение: убрать это утолщение, которое содержит много ртути, – это позволит сэкономить ртуть и удешевить производство градусников. В чем недостаток предложения Винкеля?

138. Шумная крыша

Сидя вечером жаркого летнего дня под скатом металлической крыши, можно услышать, как крыша слегка потрескивает. В чем причина этого звука?

139. Под стук колес

Перестук железнодорожных колес – это не только романтика путешествий, но и шум, дискомфорт, дополнительный износ и затраты энергии. Колеса стучат в тот момент, когда проезжают стык рельсов. Почему бы не сделать рельсы сплошными?