5 простых физических опытов, с которыми справятся даже дети
В школе физика может не на шутку испугать: формулы, законы, сложные концепции. Но если на время оторваться от учебника, можно понять, что этот предмет нас буквально окружает. Причем для этого даже необязательно выходить из квартиры. Ксения Барышникова, старший научный сотрудник Нового физтеха ИТМО, рассказывает о простых научных опытах, которые помогут и время весело провести, и чуть больше про физику узнать.
Физика — это природные явления, движение транспорта, работа бытовых приборов. Она помогает прочувствовать окружающий мир, понять, из чего он состоит и как можно его моделировать. Конечно, потом добавятся математические описания, но если держать в голове повседневные образы, можно разобраться и в сложных темах.
Когда я преподаю студентам, для которых физика — не основной предмет, то показываю на лекциях опыты и прошу ребят подключиться. Они с большим интересом проводят эксперименты, ведь это хороший способ проникнуться предметом, посмотреть на него с другого ракурса.
Вот пять быстрых экспериментов, которые легко можно повторить самому или с друзьями. Бонус: вам не понадобится специальное оборудование.
1. Эксперимент с каплей
На кухне можно провести простейший эксперимент, чтобы увидеть в действии эффект Лейденфроста, названный в честь немецкого физика и описанный в 1750 году. Звучит страшно, но он просто описывает «долгую жизнь капли». Вы этот эксперимент, скорее всего, даже уже проводили. Надо просто капнуть водой на очень горячую сковороду или кастрюлю, чтобы увидеть, как капельки начнут крутиться по поверхности, «танцевать» и испарятся не сразу, а спустя минуту или дольше. Есть даже научные статьи, в которых описаны способы заставить капельку двигаться в нужном направлении: например, можно на поверхности создать дополнительный рельеф.
2. Взвесить газ? Легко
Для этого эксперимента нам понадобятся сода и уксус — продукты, которые есть почти на каждой кухне. Сперва нужно погасить соду уксусом — то есть смешать их в примерно одинаковых пропорциях (кстати, это уже самостоятельный химический опыт). После этого в стакан с раствором надо вставить трубочку. Другой конец трубочки вставляем в емкость с воздухом (то есть в пустую).
А теперь поставьте эту емкость на весы. Вы заметите, как цифры начнут колебаться. Сначала вес будет больше, потому что на дно стакана осядет углекислый газ, но затем произойдет хорошо известная школьникам диффузия — молекулы воздуха и газа начнут смешиваться. Углекислый газ будет подниматься вверх по стакану вследствие теплового движения, и в итоге значения на весах уменьшатся. Простой опыт, хотя и не такой очевидный, потому что мы привыкли относиться к невидимым газам как к чему-то без массы и объема, хотя все эти характеристики у них, конечно, есть.
3. Аэродинамика и трубочка сока
Из бумаги вырезаем два небольших прямоугольника (размером примерно с банковскую карту), в одном из них делаем отверстие и вставляем в него трубочку. Вторую бумажку кладем на стол. Дальше дуем в трубочку и видим, как второй фрагмент бумаги мгновенно начинает прилипать к ней. Кажется, что это совсем простой эксперимент, но он всегда вызывает восторг у студентов. Обычно я приношу с собой несколько запасных трубочек, чтобы ребята могли сами понаблюдать за экспериментом и догадаться, что нужно делать, чтобы притянуть бумажку: вдувать воздух или выдыхать. И иногда непросто догадаться, почему воздух из трубочки не отталкивает, а притягивает предмет.
А между тем такие простые действия описывают следствие из закона Бернулли (он описывает зависимости жидкости, газов и давление). Когда мы делаем маленький зазор между двумя бумажками и начинаем дуть, давление между ними снижается, а внешнее давление (окружающего воздуха) становится больше. Из-за этой разницы второй листок легко притягивается. Если мы перестанем дуть в трубочку, «конструкция» рухнет. К слову, этот закон широко используется в технике: например, в авиастроении или при разработке трубопроводов, насосов.
4. «Холодильник в пустыне»
Представьте, что вы в пустыне, у вас в бутылке теплая вода, мисочка и пара тряпочек. Ваша задача — охладить воду. Кажется, невыполнимо? Нет, это вполне реально. Для большей наглядности эксперимент лучше провести на улице — солнце и ветер нам только на руку. В песке делаем небольшую лунку и смачиваем ее водой — из-за ветра испарение будет быстрее, но испарится только часть воды, другая останется. В результате наша полость охладится: туда можно положить смоченную тряпочку и мисочку. Вуаля! Импровизированный «холодильник» готов. Мои студенты проводили этот эксперимент и убедились, что температура, действительно, снижается.
5. «Танцующие осцилляторы»
Под осциллятором понимают любую систему или объект, который колеблется. Осциллятор точно есть у каждого на столе: просто возьмите ручку и покачайте ее.
Другой пример: горящие свечи. Поставьте две тонкие свечи на небольшом расстоянии друг от друга, зажгите первую. Вы увидите, что пламя начнет произвольно двигаться. Затем зажгите вторую свечу. Спустя время обе начнут перемещаться в унисон. Причина — в воздухе, он своеобразный «проводник» для взаимодействия двух свечей.
Еще можно на два стула перекинуть палку, с каждых концов привязать два грузика на ниточке, и запустить их движение. Насколько различно бы ни двигались шарики в начальный момент, спустя некоторое время они все равно начнут качаться вместе, потому что есть «невидимая связь» через палку.
Осцилляторы используются в разных сферах: от медицины до архитектуры (например, при возведении переправ и мостов). В Лондоне есть знаменитый Мост Тысячелетия — именно над ним пролетают пожиратели смерти в «Гарри Поттере и Принце-полукровке». В день его открытия произошел инцидент: он так сильно раскачался, что людей, которые были на нем, пришлось эвакуировать с помощью вертолетов. К счастью, никто не пострадал, но, конечно, все сильно испугались.
Что заставило мост шататься? Тот же эффект, что мы только что наблюдали в свечах. Два человека могут думать, что идут совершенно независимо, но на самом деле они взаимодействуют через мост. Если такое взаимодействие происходит достаточно эффективно, то они будут синхронизироваться в движении. Кроме того, играет роль количество людей: в день открытия моста их было очень много, и синхронизация произошла быстро и эффектно.
Этот эффект возникает в самых различных системах: при распределении нагрузки в теплоэлектростанциях, при передачи сигнала нейронами или при движении людей через мост, и не всегда они играют опасную роль — часто мы можем использовать синхронизацию во благо (если знаем, как это работает!).
Приведенные выше опыты, конечно, не заменят полного объяснения темы по физике, но с их помощью можно понять, что это совсем не абстрактный предмет и восполнить пробелы. А еще увидеть, как формулы и законы работают в жизни. Если захочется еще поэкспериментировать, рекомендую канал GetAClass (там много лекций и опытов по разным темам физикам) и приложение phyphox — с его помощью телефон можно превратить в прибор для измерения свободного падения, эхолот или провести необходимые вычисления.
Например, после лекции о волнах и резонаторах ко мне подошла студентка, которая занималась производством окарин (духовой музыкальный инструмент). С помощью приложения мы увидели, как меняется длина волны звука, если по-разному играть на инструменте: зажимать то одну дырочку, то две или три. И эта простая демонстрация вдохновила девушку, она захотела описать с точки зрения физики свои окарины. Творчество может подталкивать к исследованиям и наоборот. Не бойтесь подходить нестандартно к темам, задавайте вопросы, проводите эксперименты, возможно, это вас еще больше воодушевит на дальнейшее изучение физики.
Для девятиклассников и десятиклассников, которых серьезно затянула физика, мы проводим летнюю практику. Приводим школьников в лаборатории нашего факультета, показываем, как выглядит настоящая наука. Под руководством ученых старшеклассники занимаются проектами в области радиофизики, нанофизики, фотоники (направление физики, изучающее свойства света), исследуют устройства МРТ и космические аппараты. Конечно, это во много раз сложнее, чем опыты, о которых мы говорили, но все начинается с малого — в том числе и интерес к предмету.
Фото на обложке: David Pereiras / Shutterstock / Fotodom
Реклама. Рекламодатель: Университет ИТМО. LjN8K5KrH
