Текст книги "Невероятные физические опыты"

Илья Мельников
Невероятные физические опыты

От простого к сложному

Как вскипятить воду кипятком

Для проведения опыта необходимо взять бутылку или баночку, заполнить ее водой и подвесить ее в кастрюле с чистой водой так, чтобы она не касалась дна. Затем зажигают огонь. Вода в кастрюле закипает, однако в бутылочке она не кипит и не закипит, так кипяток оказывается недостаточно горячим, чтобы вскипятить воду. Дело в том, чтобы вода закипела, недостаточно нагреть ее до 100 градусов Цельсия, необходимо еще создать ей необходимый запас тепла, чтобы перевести воду в пар. Чистая вода кипит при 100 градусах Цельсия. Выше этой точки ее температура подниматься не будет, сколько бы ее не нагревали.

Источник теплоты, с помощью которого в бутылочке вода нагревается, имеет температуру 100 градусов. Он может довести воду в бутылочке только до 100 градусов. Когда наступит равенство температур, дальнейшего перехода тепла от воды в кастрюле к пузырьку не будет. При нагревании воды в бутылочке таким образом, невозможно ей доставить того избытка теплоты, который необходим для перехода воды в пар. Каждый грамм воды, нагретый до 100 градусов, требует еще более 500 калорий, чтобы перейти в пар, поэтому вода в бутылочке нагревается, но не кипит.

Чем же отличается вода в бутылочке от воды в кастрюле? Ведь в пузырьке та же вода, лишь отделенная от остальной массы стеклянной перегородкой. Однако именно эта перегородка и не дает возможности воде бутылочки участвовать в тех течениях, которые перемешивают всю воду в кастрюле. Каждая частица воды в кастрюле может непосредственно коснуться накаленного дна, в то время как вода у бутылочке соприкасается лишь с кипятком. Итак, чистым кипятком вскипятить воду нельзя.

Всыпем в кастрюлю гость соли. Дело меняется кардинальным образом, так как соленая вода кипит не при 100 градусах, а чуть выше и, может, в свою очередь довести до кипения чистую воду в бутылочке.

Как вскипятить воду снегом

Для опыта пригодиться такая же стеклянная бутылочка, в которой мы кипятили воду в предыдущем опыте. В нее наливают воду и погружают в кипящую соленую воду. После того, как вода в бутылочке закипит, ее вынимают из кастрюли, быстро закрывают плотной пробкой, переворачивают бутылочку и ожидают, пока кипение внутри нее прекратиться. Когда кипение прекратилось, бутылочку обливают кипятком, но вода в ней не закипает. Однако стоит только на ее донышко положить немного снега, вода закипает. Снег сделал то, что не смог сделать кипяток. Почему? Дело в том, что после того, как снег охладил стенки бутылочки, пар внутри нее сгустился в водяные капли. А так как воздух из бутылочки был выгнан еще при кипячении, то теперь вода в ней подвержена меньшему давлению. Известно, что при уменьшении давления на жидкость она кипит при более низкой температуре.

Достоинства и недостатки мобильных телефонов

Главное преимущество мобильного телефона состоит в том, что он поддерживает постоянную радиотелефонную связь при перемещении абонента в пределах так называемой «зоны покрытия», где установлены приемные и передающие антенны. Включенный мобильный телефон автоматически время от времени посылает сигналы, поддерживая связь с ближайшим к нему приемником-передатчиком, который предоставляет ему один из свободных каналов.

В наши дни интенсивность радиоволн на поверхности Земли превышает мощность солнечного излучения в 100 млн раз. Последствия такого вторжения в природный мир полностью пока не известны. Рассмотрим несколько негативных проявлений.

Мобильные телефоны создают угрозу другим радиоэлектронным средствам в связи с так называемой проблемой электромагнитной совместимости, то есть созданием взаимных помех различными радиоэлектронными устройствами. Первыми тревогу забили авиаторы. Не надо объяснять, что может случиться с заходящим на посадку самолетом, если у него вдруг откажет навигационная система или автопилот. Многие известные компании запретили пользоваться мобильными телефонами на своих бензозаправочных станциях. Сотовыми телефонами запрещается пользоваться в местах, где производятся взрывные работы, в пожаро– и взрывоопасных помещениях.

Звонок по сотовому телефону может создать угрозу здоровью и жизни человека в больнице, где используется чувствительное электронное оборудование. С утверждением, что излучения сотовых телефонов влияют на здоровье, соглашаются практически все специалисты. Особенно чувствительными к воздействию электромагнитных полей являются нервная, иммунная, эндокринная-регулятивная и половая системы. Людям, использующим кардиостимуляторы, включенный мобильный телефон всегда следует держать на расстоянии не менее 15 см от кардиостимулятора. Наиболее подвержены воздействию излучений мобильного телефона развивающиеся организмы.

Как в бумажной емкости сварить яйцо

Яйцо можно сварить в воде, налитой в бумажную емкость. Бумага не загорается и вода не заливает свечу.

Сделайте следующий опыт. Возьмите плотную бумагу или небольшую бумажную коробку и надежно прикрепите ее к проволоке или поставьте на подставку, под которой находится зажженная свеча. Пламя лижет дно бумажной коробки, но бумага от огня не пострадает, когда вода закипит вода останется целой, так как вода может быть нагрета в открытом сосуде лишь до температуры кипения, то есть до 100 градусов. Поэтому нагреваемая вода, обладающая к тому же большой теплоемкостью, поглощая избыток теплоты бумаги, не дает ей нагреться заметно выше 100 градусов, то есть настолько, чтобы загореться. Бумага не загорается, даже если пламя касается ее. Когда вся вода выкипит, коробка загорится. Получается, что кипящая вода охлаждает бумагу, отнимая у нее лишнее тепло. Даже если вода не кипит, а просто испаряется, это все равно создает холод. Так, если облить руку теплой водой, ей сразу станет холодно, особенно на ветру.

Можно сделать и такой опыт. Для его выполнения нужно взять толстый гвоздь или железный прут, медную проволоку плотно обмотать узкой бумажной полоской, затем прут, обмотанный бумажной полоской внести в пламя. Огонь будет касаться бумагу, закоптит ее, но не сожжет, пока прут не раскалится. Почему? Все дело – в хорошей теплопроводности металла. Можно сделать аналогичный опыт с «несгораемой» ниткой, туго намотанной на ключ.

Чудо световых нитей

При выполнении эксперимента в затемненной лаборатории в воздухе двигался светлячок. Он то угасал, то появлялся вновь. Когда лаборант его поймал, то в его руке оказалась стеклянная нить толщиной с волос, в торце которой горел светлячок. Необычной нитью был волокнистый световод, а светлячок – свет лазера, пришедший к нему из другого угла комнаты.

Волокнистой оптике пророчили большое будущее. Нить, сплетенная из сотен или тысяч тончайших стеклянных волокон, виделась как нечто похожее на сетчатку глаза, где изображение складывалось наподобие мозаики. Луч, попавший в прозрачный световод, бежал, отражаясь бесчисленное раз от световых стенок, и выходил на противоположном конце. Чем больше волокон в световоде, тем выше качество изображения.

С помощью световодов создавались и гибкие зонды, которые позволяли заглянуть во внутренние органы человека. В настоящее время стеклопровод применяют для определения дефектов машин и станков. Некоторые ученые увидели в световоде новое средство связи, которое будет заменой проводам и кабелям. Дело в том, что световые волны, модулируясь при очень больших частотах, могут даже в тоненьком стеклянном волоске нести несколько телевизионных и тысячи телефонных каналов.

Сейчас появились источники света переменной интенсивности, например светоизлучающие диоды. Но самое главное, что удалось создать сверхпрочное волокно из стекла, получаемое при реакции между сверхчистым хлоридом кремния и кислородом. Это волокно обладает свойством передавать свет на расстояние в несколько километров.

Новорожденный из семейства световых кабелей учится «говорить». Его речь, наполненная потоком голосов, музыки, изображения, станет такой же распространенной, как радио.

Как сделать бумагу крепче дубинки

Этот интересный опыт требует небольшой тренировки. Для его выполнения необходимо взять сухую тонкую палку длиной около одного метра. Затем нужно склеить из бумаги два кольца. Пригласите двух друзей, и попросите их подержать эти кольца на лезвиях кухонных ножей. В кольца вложите концы палки. Возьмите другую крепкую палку и ударьте ею по середине висящей палке. Не бойтесь повредить бумажные кольца. Они не бояться даже очень сильных ударов. Ножи не разрежут бумагу, а висящая палка будет сломана.

Почему? Все дело в инерции. Висящая палка стремится сохранить состояние покоя. А толчок при достаточно резком ударе не успевает распространиться. Палка переламывается прежде, чем сотрясение дойдет до ее концов.

Как получить «сухой лед»

«Сухой лед» получают из угля, что весьма удивительно, так как обычно из угля получают жар. На заводах уголь сжигают в специальных установках, а образующийся дым очищают, причем содержащийся в нем углекислый газ улавливается щелочным раствором. Затем путем нагревания его выделяют, охлаждают и при сжатии под давлением 70 атмосфер переводят в жидкое состояние. Получается жидкая углекислота, которая в толстостенных баллонах доставляется на различные предприятия, в том числе и на те, где изготавливают шипучие напитки.

Жидкая углекислота очень холодна. В некоторых случаях ее применяют для заморозки грунта, например, при сооружении метро. Однако для многих целей применяют углекислоту в твердом виде – так называемый сухой лед. Он получается из жидкой углекислоты при ее быстром испарении под уменьшенным давлением. Куски сухого льда (твердой углекислоты) более похожи на прессованный снег, чем на обычный лед. Сухой лед тяжелее обыкновенного льда и тонет в воде. Температура его – минус 76 градусов, однако его можно на очень малое время очень осторожно брать руками, так как при соприкосновении с телом углекислый газ защищает кожу от действия холода. Такой лед мокрым не бывает и ничего не увлажняет вокруг себя. Под влиянием теплоты он сразу переходит в газ, минуя жидкое состояние. Существовать в жидком виде углекислота под давлением в одну атмосферу не может.

Эта и иные особенности углекислого льда вместе с его низкой температурой делают его незаменимым охладительным веществом для различных практических целей. Например, углекислота часто применяется при пожарах. Несколько кусков сухого льда, брошенные в огонь, гасят его. Продукты, которые сохраняют при помощи сухого льда, не только не увлажняются, но и защищаются от порчи еще и тем, что образующийся углекислый газ является средой, препятствующей развитию микроорганизмов, поэтому на продуктах не образуется плесень и бактерии. В такой атмосфере не могут жить грызуны и насекомые.

Как получить горячий лед

Как правило, люди думают, что в твердом состоянии при температуре выше 0 градусов вода существовать не может. Однако физик из Великобритании Бриджмен показал, что это не так. Под очень сильным давлением вода переходит в твердое состояние и остается такой при температуре намного выше 0 градусов Цельсия. В результате его исследований было доказано, что может существовать не один сорт льда, а несколько. Тот лед, который он назвал «льдом № 5», получается под огромным давлением в 20 600 атмосфер и остается твердым при температуре 76 градусов. Если до такого льда дотронуться, он обожжет пальцы. Этот лед образуется под давлением специального пресса в сосуде, толстые стенки которого изготовлены из лучшей стали.

«Горячий лед» плотнее обыкновенного, и даже плотнее воды. Его удельный вес равен 1,05. С такими свойствами он должен в воде тонуть, между тем, как обыкновенный лед, как мы знаем, в ней плавает.

Нужно ли спасать свои уши

Слух всегда бодрствует, даже ночью, во сне. Он постоянно подвергается раздражению, так как не обладает никакими защитными приспособлениями. Обычно для обозначения того, что мы слышим, используются два близких по смыслу слова: «звук» и «шум». Звук – это физическое явление, вызванное колебательным движением частиц среды. Шум представляет собой хаотичное, нестройное смешение звуков, отрицательно действующее на нервную систему.

Воздействие шума на человека определяется его уровнем (громкостью, интенсивностью) и высотой составляющих его звуков, а также продолжительностью воздействия. Уровни шумов от различных источников и реакция организма на акустические приведены в следующей таблице.

В диапазоне слышимых человеком звуков самое неблагоприятное воздействие оказывает шум, в спектре которого преобладают высокие частоты (выше 800 Гц).

Звуки сверхнизких частот, которые мы даже и не слышим (инфразвуки), также опасны для организма человека. Частота в 6 Гц может вызвать ощущение усталости, тоски, морскую болезнь, при частоте 7 Гц может даже наступить смерть от внезапной остановки сердца.

Доказано, что попадая в естественный резонанс работы какого-либо органа, инфразвуки могут разрушить его, например, частота 5 Гц разрушает печень. По выводам скандинавских ученых каждый пятый подросток плохо слышит, хотя и не всегда догадывается об этом.

Как носить воду решетом

Носить воду решетом можно не только в сказке. Знание физики поможет выполнить эту невозможную задачу.

Возьмите проволочное решето сантиметров 15 в поперечнике, с не слишком мелкими ячейками и окуните его сетку в растопленный парафин. Затем выньте решето из парафина, проволока окажется покрытой тонким слоем парафина, едва заметным для глаз. Решето осталось решетом, так как в нем есть сквозные отверстия, через которые свободно проходит булавка, но теперь вы можете, в буквальном смысле слова, носить в нем воду. В таком решете удерживается довольно высокий слой воды, не проливаясь сквозь ячейки. Надо только осторожно налить воду и оберегать решето от толчков. Почему же вода не стала проливаться?

Вода не стала проливаться, потому что не смачивая парафин, она образует в ячейках решета тонкие пленки, обращенные выпуклостью вниз, которые и удерживают воду. Такое парафинированное решето можно положить на воду, и оно будет держаться на ней. Значит, можно не только носить воду в решете но и плавать на нем.

Как сделать воду невесомой

Для опыта возьмите консервную банку, проделайте в дне дырочку и привяжите на веревку. Налейте в банку воды и поднимите ее за веревку. Пока никаких чудес не произошло. Вода льется тонкой струйкой из дырочки в дне банки. Она ведь имеет вес и стремится упасть вниз. Дырочка дает ей эту возможность.

Но если банку поднять повыше и, внимательно глядя на струйку, выпустить веревку из рук. Банка упадет на землю, но вы успеете заметить, что струйка не текла. Вода в падающей банке была невесомой.

Какая из вещей самая тонкая

Многие удивляются, когда узнают, что пленка мыльного пузыря представляет собой одну из самых тонких вещей, какие доступны невооруженному зрению. Обычные предметы сравнения, служащие в нашем языке для выражения тонкости, очень грубы по сравнению с мыльной пленкой. Выражения «тонкий, как волос», «тонкий, как бумага» – означают огромную толщину рядом с толщиной стенки мыльного пузыря, которая в 5000 раз тоньше волоса и папиросной бумаги.

При увеличении в 200 раз человеческий волос имеет толщину около сантиметра, разрез мыльной пленки даже при таком увеличении еще недоступен зрению. Необходимо увеличение еще в 200 раз, чтобы разрез стенки мыльного пузыря можно было увидеть в виде тонкой линии. Волос при таком увеличении (в 40000 раз) будет иметь более двух метров в толщину.

Почему увеличивают телескоп и микроскоп

Эти приборы увеличивают потому, что определенным образом изменяют ход лучей. Сущность увеличительного действия микроскопа состоит не в том, что рассматриваемый предмет кажется больших размеров, а в том, что он рассматривается под большим углом зрения, а следовательно, его изображение занимает больше места на сетчатке глаза.

Угол зрения имеет очень важное значение. Здесь необходимо обратить внимание на важную особенность глаза: каждый предмет или каждая его часть представляющиеся нам под углом, меньшим одной угловой минуты, сливаются для нормального зрения в точку, в которой не различается ни формы, ни частей. Когда предмет далек от глаза, или мал, что весь он или отдельные части его представляются под углом зрения менее 1 минуты, мы перестаем различать в нем подробности его строения, так как при таком угле зрения изображение предмета или его части, на дне глаза захватывает не множество нервных окончаний в сетчатке сразу, а умещается полностью на одном чувствительном элементе. В этом случае подробности его формы и строения исчезают, и мы видим точку.

Изменяя ход лучей от рассматриваемого предмета, микроскоп или телескоп, показывают его под большим углом зрения. В этом случае изображение на сетчатке растягивается, захватывает больше нервных окончаний, и глаз различает уже в предмете уже такие подробности, которые раньше сливались в одну точку. Если указано, что микроскоп или телескоп увеличивает в 100 раз, то это значит, что он показывает предметы под углом зрения в 100 раз большим, чем человек видит их без оптического прибора. Если же прибор не увеличивает угла зрения, то он не дает никакого увеличения, хотя бы нам казалось, что мы видим предмет увеличенным.

Микроскоп представляет предметы не просто в увеличенном виде, а показывает их под большим углом зрения, вследствие чего на задней стенке глаза рисуется увеличенное изображение предмета, действующее на более многочисленные нервные окончания и тем доставляет человеческому сознанию большее число отдельных впечатлений, то есть микроскоп увеличивает не предметы, а их изображения на дне глаза.

Как увидеть атомы

Заглянув в окуляр обычного оптического микроскопа, человек на время оказывается в другом мире. И хотя он смотрит давно в микроскоп, но мир этот не все открыл его взору. И с помощью электронного микроскопа, дающего увеличение в миллион раз, нам пока не все еще удается рассмотреть. Более того, для специалистов, работающих в области исследований поверхности твердого тела, даже эти инструменты не подходят. Здесь нужна иная техника. И вот на помощь ученым пришел протонный микроскоп.

После подготовки прибора, к эксперименту, когда засветился экран, на нем проступили чуть заметные контуры какой-то фигуры. Она была сложена из линий и точек различной толщины и яркости. Увиденные на экране точки представляли собой изображение атомных рядов, а линии – атомные плоскости кристалла. Увидеть в непрозрачном материале его структуру – кристаллическую решетку, которая до того была недоступна даже электронным микроскопам – это настоящее чудо.

В серебристой колонне прибора спрятан мощный ускоритель протонов. Подобно тому как вода низвергается с высоты водопадом, так и протоны, разогнанные внутри прибора до энергии в 150 килоэлектронвольт, обрушиваются на исследуемый образец и как вода, разбившаяся о камни, так и частицы, отраженные от атомов вещества, «рисуют» на экране замысловатую графическую картину.

Протонный микроскоп дает возможность рассмотреть слой материала толщиной в тысячную долю миллиметра. На первый взгляд эта величина кажется небольшой, но для микромира она огромна. Тем более для полупроводниковых структур. Именно в этом тончайшем слое заключена сила современно радиоэлектроники, солнечных электростанций, эмиссионной техники.

Со многими трудностями пришлось столкнуться ученым из НИИ ядерной физики, работавшими над созданием этого уникального прибора. До сих пор подобных приборов не создавалось.

После окончания исследования оператор вынул кассету с фотопластинкой. На ней запечатлен показавшийся несведующему глазу простым мир, который ученому говорит о многом, в частности – о возможности создания новых высокотемпературных соединений, полупроводниковых и других материалов и многого другого.

Как сфотографировать незримое

В любом известном всегда остается доля неизвестного. Например, вся мудрость электронно-вычислительных машин создана человеком. Намагнитили ферритовое кольцо в одном направлении – «ноль», намагнитили в другом – «единица». Это двоичный код, которым записана вся информация в компьютере. А как это – намагнили?

Порой человек использует явление, в природе которого еще не все понятно до конца. Как это происходит в тонкой пленке? Ответ получить очень трудно, так как слишком уж быстро происходит процесс. Для такой скорости нет названия в языке. Даже сверхбыстрая киносъемка не могла остановить то мгновение, за которое происходит перемагничивание тонкой пленки. Тогда физики нашли другую возможность.

Если сфотографировать быстро вращающееся колесо велосипеда – на снимке окажется сплошной диск слившихся в одном движении спиц. Если же осветить это колесо на достаточно краткий миг, можно увидеть спицы застывшими. Это называется «стробоскопический метод».

Но ведь с тем же успехом можно «осветить» пучком электронов магнитную пленку? Тогда процесс перемагничивания станет зримым. После опытов ученые снабдили электронный микроскоп генератором стробирующих импульсов.

Была известна первая стадия перемагничивания, во время которой спин – элементарный магнит, что-то вроде атома в магнетизме, – поворачивался под определенным углом. Но затем начинается вторая стадия, которая затрагивает домены ферромагнетика. Срез ферромагнетика похож на рыбью чешую. Каждая чешуйка – это домен, область, в которой властвуют спины одного направления. Что происходит с доменами, и предстояло узнать.

На серии фотографий видно: стенки доменов расходятся, как концы лопнувшей резинки. Установлена скорость и закономерность этого явления. Создатели новой электронно-вычислительной аппаратуры теперь могут рассчитывать качество работы и быстродействие ЭВМ с учетом нового открытия.