Введение
Без сомнения, все наше знание начинается с опытов.
(Кант Эммануил. Немецкий философ г. г)
Физические опыты в занимательной форме знакомят учащихся с разнообразными применениями законов физики. Опыты можно использовать на уроках для привлечения внимания учащихся к изучаемому явлению, при повторении и закреплении учебного материала, на физических вечерах. Занимательные опыты углубляют и расширяют знания учащихся, способствуют развитию логического мышления, прививают интерес к предмету.
Роль эксперимента в науке физике
О том, что физика наука молодая
Сказать определённо, здесь нельзя
И в древности науку познавая,
Стремились постигать её всегда.
Цель обучения физики конкретна,
Уметь на практике все знания применять.
И важно помнить – роль эксперимента
Должна на первом месте устоять.
Уметь планировать эксперимент и выполнять.
Анализировать и к жизни приобщать.
Строить модель, гипотезу выдвинуть,
Новых вершин стремиться достигнуть
Законы физики основаны на фактах, установленных опытным путем. Причем нередко истолкование одних и тех же фактов меняется в ходе исторического развития физики. Факты накапливаются в результате наблюдений. Но при этом только ими ограничиваться нельзя. Это только первый шаг к познанию. Дальше идет эксперимент, выработка понятий, допускающих качественные характеристики. Чтобы из наблюдений сделать общие выводы, выяснить причины явлений, надо установить количественные зависимости между величинами. Если такая зависимость получается, то найден физический закон. Если найден физический закон, то нет необходимости ставить в каждом отдельном случае опыт, достаточно выполнить соответствующие вычисления. Изучив экспериментально количественные связи между величинами, можно выявить закономерности. На основе этих закономерностей развивается общая теория явлений.
Следовательно, без эксперимента не может быть рационального обучения физике. Изучение физики предполагает широкое использование эксперимента, обсуждение особенностей его постановки и наблюдаемых результатов.
Занимательные опыты по физике
Описание опытов проводилось с использованием следующего алгоритма:
Название опыта Необходимые для опыта приборы и материалы Этапы проведения опыта Объяснение опыта
Опыт № 1 Четыре этажа
Приборы и материалы: бокал, бумага, ножницы, вода, соль, красное вино, подсолнечное масло, крашенный спирт.
Этапы проведения опыта
Попробуем налить в стакан четыре разных жидкости так, чтобы они не смешались и стояли одна над другой в пять этажей. Впрочем, нам удобнее будет взять не стакан, а узкий, расширяющийся к верху бокал.
Налить на дно бокала солёной подкрашенной воды. Свернуть из бумаги “Фунтик” и загнуть его конец под прямым углом; кончик его отрезать. Отверстие в “Фунтике” должно быть величиной с булавочную головку. Налить в этот рожок красного вина; тонкая струйка должна вытекать из него горизонтально, разбиваться о стенки бокала и по нему стекать на солёную воду.
Когда слой красного вина по высоте сравняется с высотой слоя подкрашенной воды, прекратить лить вино. Из второго рожка налей таким же образом в бокал подсолнечного масла. Из третьего рожка налить слой крашенного спирта.
https://pandia.ru/text/78/416/images/image002_161.gif" width="86 height=41" height="41">, самая маленькая у подкрашенного спирта .
Опыт № 2 Удивительный подсвечник
Приборы и материалы : свеча, гвоздь, стакан, спички, вода.
Этапы проведения опыта
Не правда ли, удивительный подсвечник – стакан воды? А этот подсвечник совсем не плох.
https://pandia.ru/text/78/416/images/image005_65.jpg" width="300" height="225 src=">
Рисунок 3
Объяснение опыта
Свеча гаснет потому, что бутылка воздухом “Обтекается”: струя воздуха разбивается бутылкой на два потока; один обтекает её справа, а другой – слева; а встречаются они примерно там, где стоит пламя свечи.
Опыт № 4 Вертящаяся змейка
Приборы и материалы : плотная бумага, свеча, ножницы.
Этапы проведения опыта
Из плотной бумаги вырезать спираль, растянуть её немного и посадить на конец изогнутой проволоки. Держать эту спираль над свечкой в восходящем потоке воздуха, змейка будет вращаться.
Объяснение опыта
Змейка вращается, т. к. происходит расширение воздуха под действием тепла и о превращении теплой энергии в движение.
https://pandia.ru/text/78/416/images/image007_56.jpg" width="300" height="225 src=">
Рисунок 5
Объяснение опыта
Вода имеет большую плотность, чем спирт; она постепенно будет входить в пузырёк, вытесняя оттуда тушь. Красная, синяя или черная жидкость тоненькой струйкой будет подниматься из пузырька кверху.
Опыт № 6 Пятнадцать спичек на одной
Приборы и материалы : 15 спичек.
Этапы проведения опыта
Положить одну спичку на стол, а на неё поперёк 14 спичек так, чтобы головки их торчали кверху, а концы касались стола. Как поднять первую спичку, держа её за один конец, и вместе с нею все остальные спички?
Объяснение опыта
Для этого нужно только поверх всех спичек, в ложбинку между ними, положить ещё одну, пятнадцатую спичку
https://pandia.ru/text/78/416/images/image009_55.jpg" width="300" height="283 src=">
Рисунок 7
https://pandia.ru/text/78/416/images/image011_48.jpg" width="300" height="267 src=">
Рисунок 9
Опыт № 8 Парафиновый мотор
Приборы и материалы: свеча, спица, 2 стакана, 2 тарелки, спички.
Этапы проведения опыта
Чтобы сделать это мотор, нам не нужно ни электричества, ни бензина. Нам нужно для этого только… свеча.
Раскалить спицу и воткнуть её их головками в свечку. Это будет ось нашего двигателя. Положить свечу спицей на края двух стаканов и уравновесить. Зажечь свечу с обоих концов.
Объяснение опыта
Капля парафина упадёт в одну из тарелок, подставленных под концы свечи. Равновесие нарушится, другой конец свечи перетянет и опустится; при этом с него стечёт несколько капель парафина, и он станет легче первого конца; он поднимается к верху, первый конец опустится, уронит каплю, станет легче, и наш мотор начнёт работать вовсю; постепенно колебания свечи будут увеличиваться всё больше и больше.
DIV_ADBLOCK307">
Приборы и материалы: тонкая рюмка, вода.
Этапы проведения опыта
Наполнить рюмку водой и вытереть края рюмки. Смоченным пальцем потереть в любом месте рюмки, она запоёт.
Диффузия" href="/text/category/diffuziya/" rel="bookmark">диффузию в жидкостях, газах и твёрдых телах
Демонстрационный эксперимент «Наблюдение диффузии»
Приборы и материалы: вата, нашатырный спирт, фенолфталеин, установка для наблюдения диффузии.
Этапы проведения эксперимента
Возьмём два кусочка ватки. Смочим один кусочек ватки фенолфталеином, другой – нашатырным спиртом. Приведём ветки в соприкосновение. Наблюдается окрашивание ваток в розовый цвет вследствие явления диффузии.
https://pandia.ru/text/78/416/images/image015_37.jpg" width="300" height="225 src=">
Рисунок 13
https://pandia.ru/text/78/416/images/image017_35.jpg" width="300" height="225 src=">
Рисунок 15
Докажем что явление диффузии зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия.
https://pandia.ru/text/78/416/images/image019_31.jpg" width="300" height="225 src=">
Рисунок 17
https://pandia.ru/text/78/416/images/image021_29.jpg" width="300" height="225 src=">
Рисунок 19
https://pandia.ru/text/78/416/images/image023_24.jpg" width="300" height="225 src=">
Рисунок 21
3.Шар Паскаля
Шар Паскаля – это прибор предназначен для демонстрации равномерной передачи давления, производимого на жидкость или газ в закрытом сосуде, а также подъёма жидкости за поршнем под влиянием атмосферного давления.
Для демонстрации равномерной передачи давления, производимого на жидкости в закрытом сосуде, необходимо, используя поршень, набрать в сосуд воды и плотно насадить на патрубок шар. Вдвигая поршень в сосуд, продемонстрировать истечение жидкости из отверстий в шаре, обратив внимание на равномерное истечение жидкости по всем направлениям.
Из книги "Мои первые опыты."
Объём лёгких
Для опыта нужны:
взрослый помощник;
большая пластиковая бутылка;
таз для стирки;
вода;
пластмассовый шланг;
мерный стакан.
1. Сколько воздуха вмещают твои лёгкие? Чтобы выяснить это, тебе понадобится помощь взрослого. Наполни таз и бутылку водой. Попроси взрослого держать бутылку вверх дном под водой.
2. Вставь в бутылку пластмассовый шланг.
3. Глубоко вдохни и подуй в шланг изо всех сил. В бутылке появятся поднимающиеся вверх пузырьки воздуха. Зажми шланг, как только воздух в лёгких кончится.
4. Вытащи шланг и попроси своего помощника, закрыв горлышко бутылки ладонью, перевернуть её в правильное положение. Для того чтобы узнать, сколько газа ты выдохнул, доливай воду в бутылку измерительным стаканчиком. Посмотри, сколько воды потребуется долить.
Вызови дождь
Для опыта нужны:
взрослый помощник;
холодильник;
электрический чайник;
вода;
металлическая ложка;
блюдце;
прихватка для горячего.
1. Положи металлическую ложку в холодильник на полчаса.
2. Попроси взрослого помочь тебе проделать эксперимент с начала до конца.
3. Вскипяти полный чайник воды. Подставь блюдце под носик чайника.
4. Прихваткой осторожно поднеси ложку к пару, поднимающемуся из носика чайника. Попадая на холодную ложку, пар конденсируется и проливается «дождём» на блюдце.
Сделай гигрометр
Для опыта нужны:
2 одинаковых термометра;
вата;
круглые резинки;
пустой стаканчик из-под йогурта;
вода;
большая картонная коробка без крышки;
спица.
1. Проткни спицей две дырки в стенке коробки на расстоянии 10 см друг от друга.
2. Оберни два термометра одинаковым количеством ваты и закрепи резинками.
3. Каждый термометр обвяжи сверху резинкой и продень резинки в дырки наверху коробки. Просунь в резиновые петельки спицу, как показано на рисунке, чтобы термометры висели свободно.
4. Под один термометр подставь стаканчик с водой так, чтобы вода смачивала вату (но не термометр).
5. Сравнивай показания термометров в разное время суток. Чем больше разность температур, тем меньше влажность воздуха.
Вызови тучу
Для опыта нужны:
прозрачная стеклянная бутылка;
горячая вода;
кубик льда;
темно-синяя или чёрная бумага.
1. Осторожно наполни бутылку горячей водой.
2. Через 3 минуты вылей воду, оставив немного на самом дне.
3. Положи сверху на горлышко открытой бутылки кубик льда.
4. Поставь за бутылкой лист тёмной бумаги. Там, где поднимающийся со дна горячий воздух соприкасается с охлаждённым воздухом у горлышка, образуется белое облачко. Водяной пар, содержащийся в воздухе, конденсируется, образуя облако мельчайших водяных капель.
Под давлением
Для опыта нужны:
прозрачная пластмассовая бутылка;
большая миска или глубокий поднос;
вода;
монеты;
полоска бумаги;
карандаш;
линейка;
клейкая лента.
1. Наполни миску и бутылку водой до половины.
2. Нарисуй на полоске бумаги шкалу и приклей её к бутылке клейкой лентой.
3. Положи на дно миски две или три небольшие стопки монет так, чтобы на них можно было установить горлышко бутылки. Благодаря этому горлышко бутылки не будет упираться в дно, и вода сможет свободно вытекать из бутылки и затекать в неё.
4. Заткни горлышко бутылки большим пальцем и осторожно установи бутылку на монеты вверх дном.
Твой водяной барометр позволит тебе наблюдать за изменением атмосферного давления. Когда давление растёт, уровень воды в бутылке будет подниматься. Когда давление падает, уровень воды понизится.
Сделай воздушный барометр
Для опыта нужны:
банка с широким горлом;
воздушный шарик;
ножницы;
круглая резинка;
соломинка для питья;
картон;
ручка;
линейка;
клейкая лента.
1. Разрежь воздушный шарик и туго натяни на банку. Закрепи резинкой.
2. Заостри конец соломинки. Второй конец приклей к натянутому шарику клейкой лентой.
3. Нарисуй на картонной карточке шкалу и поставь картонку у конца стрелки. Когда атмосферное давление растёт, воздух в банке сжимается. Когда оно падает, воздух расширяется. Соответственно стрелка будет двигаться вдоль шкалы.
Если давление поднимается, погода будет хорошей. Если падает - плохой.
Из каких газов состоит воздух
Для опыта нужны:
взрослый помощник;
стеклянная банка;
свеча;
вода;
монеты;
большая стеклянная миска.
1. Попроси взрослого зажечь свечу и капнуть на дно миски парафином, чтобы закрепить свечу.
2. Осторожно наполни миску водой.
3. Накрой свечу банкой. Под банку подложи стопки монет, чтобы её края были лишь немного ниже уровня воды.
4. Когда весь кислород в банке выгорит, свеча погаснет. Вода поднимется, заняв тот объём, где раньше был кислород. Так можно увидеть, что в воздухе около 1/5 (20%) кислорода.
Сделай батарейку
Для опыта нужны:
прочное бумажное полотенце;
пищевая фольга;
ножницы;
медные монеты;
соль;
вода;
два изолированных медных провода;
маленькая лампочка.
1. Раствори в воде немного соли.
2. Нарежь бумажное полотенце и фольгу на квадратики чуть крупнее монет.
3. Намочи бумажные квадратики в солёной воде.
4. Положи друг на друга стопкой: медную монету, кусочек фольги, кусочек бумаги, снова монету, и так далее несколько раз. Сверху стопки должна быть бумага, внизу - монета.
5. Зачищенный конец одного провода подсунь под стопку, второй конец присоедини к лампочке. Один конец второго провода положи на стопку сверху, второй тоже присоедини к лампочке. Что получилось?
«солнечный» вентилятор
Для опыта нужны:
пищевая фольга;
чёрная краска или маркер;
ножницы;
клейкая лента;
нитки;
большая чистая стеклянная банка с крышкой.
1. Вырежи из фольги две полоски размером примерно 2,5x10 см каждая. Одну сторону закрась чёрным маркером или краской. Сделай в полосках прорези и вставь их одну в другую, загнув концы, как показано на рисунке.
2. С помощью нитки и клейкой ленты прикрепи солнечные панели к крышке банки. Поставь банку в солнечное место. Чёрная сторона полосок нагревается сильнее, чем блестящая. Из-за разницы температур возникнет разница в давлении воздуха, и вентилятор начнёт вращаться.
Какого цвета небо?
Для опыта нужны:
стеклянный стакан;
вода;
чайная ложка;
мука;
белая бумага или картон;
фонарик.
1. Размешай половину чайной ложки муки в стакане воды.
2. Поставь стакан на белую бумагу и посвети на него фонариком сверху. Вода кажется светло-голубой или серой.
3. Теперь поставь бумагу за стаканом и посвети на него сбоку. Вода кажется бледно-оранжевой или желтоватой.
Мельчайшие частицы в воздухе, как мука в воде, меняют цвет световых лучей. Когда свет падает сбоку (или когда солнце стоит низко над горизонтом), голубой цвет рассеивается, и глаза видят избыток оранжевых лучей.
Сделай мини-микроскоп
Для опыта нужны:
маленькое зеркало;
пластилин;
стеклянный стакан;
алюминиевая фольга;
игла;
клейкая лента;
капля волы;
маленьким цветок
1. В микроскопе для преломления луча света используется стеклянная линза. Эту роль может выполнить капля воды. Установи зеркало под углом на кусочке пластилина и накрой стаканом.
2. Сложи алюминиевую фольгу гармошкой, чтобы получилась многослойная полоска. В центре аккуратно проделай маленькую дырочку иглой.
3. Изогни фольгу над стаканом, как показано на рисунке. Края закрепи клейкой лентой. Кончиком пальца или иглы капни водой на дырочку.
4. Положи маленький цветок или другой небольшой предмет на донышко стакана под водяную линзу. Самодельный микроскоп может увеличить его почти в 50 раз.
Вызови молнию
Для опыт нужны:
металлический противень;
пластилин;
целлофановый пакет;
металлическая вилка.
1. Большой кусок пластилина прижми к противню так, чтобы получилась ручка. Теперь не прикасайся к самому противню - только к ручке.
2. Держа противень за пластилиновую ручку, три его круговыми движениями о пакет. При этом на противне накапливается статический электрический заряд. Противень не должен выходить за края пакета.
3. Немного приподними противень над пакетом (всё ещё держась за пластилиновую ручку) и поднеси к одному углу зубцы вилки. Искра проскочит от противня к вилке. Именно так молния проскакивает от облака к громоотводу.
Налейте воду в стакан, обязательно до самого края. Накройте листом плотной бумаги и аккуратно придерживая его, очень быстро переверните стакан кверху дном. На всякий случай, проделывайте все это над тазом или в ванной. Теперь уберите ладонь… Фокус! по-прежнему остается в стакане!
Дело в давлении атмосферного воздуха. Давление воздуха на бумагу снаружи больше давления на нее изнутри стакана и, соответственно, не позволяет бумаге выпустить воду из емкости.
Опыт Рене Декарта или пипетка-водолаз
Этому занимательному опыту около трехсот лет. Его приписывают французскому ученому Рене Декарту.
Вам понадобится пластиковая бутылка с пробкой, пипетка и вода. Наполните бутылку , оставив два-три миллиметра до края горлышка. Возьмите пипетку, наберите в нее немного воды и опустите в горлышко бутылки. Она должна своим верхним резиновым концом быть на уровне или чуть выше уровня в бутылке. При этом нужно добиться, чтобы от легкого толчка пальцем пипетка погружалась, а потом сама медленно всплывала. Теперь закройте пробку и сдавите бока бутылки. Пипетка пойдет на дно бутылки. Ослабьте давление на бутылку, и она снова всплывет.
Дело в том, что мы немного сжали воздух в горлышке бутылки и это давление передалось воде. проникла в пипетку — она стала тяжелее (так как вода тяжелее воздуха) и утонула. При прекращении давления сжатый воздух внутри пипетки удалил лишнюю , наш «водолаз» стал легче и всплыл. Если в начале опыта «водолаз» вас не слушается, значит, надо отрегулировать количество воды в пипетке. Когда пипетка находится на дне бутылки, легко проследить, как от усиления нажима на стенки бутылки входит в пипетку, а при ослаблении нажима выходит из нее.
На школьных уроках физики учителя всегда говорят, что физические явления повсюду в нашей жизни. Только мы частенько об этом забываем. Меж тем, удивительное рядом! Не думайте, что для организации физических опытов на дому вам потребуется что-то сверхъестественное. И вот вам несколько доказательств;)
Магнитный карандаш
Что необходимо приготовить?
- Батарейку.
- Толстый карандаш.
- Медную изолированную проволоку диаметром 0,2–0,3 мм и длиной несколько метров (чем больше, тем лучше).
- Скотч.
Проведение опыта
Намотайте проволоку вплотную виток к витку на карандаш, не доходя до его краев по 1 см. Кончился один ряд - наматывайте другой сверху в обратную сторону. И так, пока не закончится вся проволока. Не забудьте оставить свободными два конца проволоки по 8–10 см. Чтобы витки после намотки не разматывались, закрепите их скотчем. Зачистите свободные концы проволоки и подсоедините их к контактам батарейки.
Что произошло?
Получился магнит! Попробуйте поднести к нему маленькие железные предметы - скрепку, шпильку. Притягиваются!
Повелитель воды
Что необходимо приготовить?
- Палочку из оргстекла (например, ученическую линейку или обычную пластмассовую расчёску).
- Сухую тряпочку из шёлка или шерсти (например, шерстяной свитер).
Проведение опыта
Откройте кран, чтобы текла тонкая струйка воды. Сильно потрите палочку или расчёску о приготовленную тряпочку. Быстро приблизьте палочку к струйке воды, не касаясь её.
Что произойдёт?
Струя воды изогнётся дугой, притягиваясь к палочке. Попробуйте то же самое сделать с двумя палочками и посмотрите, что получится.
Волчок
Что необходимо приготовить?
- Бумагу, иголку и ластик.
- Палочку и сухую шерстяную тряпочку из предыдущего опыта.
Проведение опыта
Управлять можно не только водой! Вырежьте полоску бумаги шириной 1–2 см и длиной 10–15 см, изогните по краям и посередине, как показано на рисунке. Воткните иголку острым концом в ластик. Уравновесьте заготовку-волчок на иголке. Подготовьте «волшебную палочку», потрите её о сухую тряпочку и поднесите к одному из концов бумажной полоски сбоку или сверху, не касаясь её.
Что произойдёт?
Полоска станет раскачиваться вверх-вниз, как качели, или будет крутиться, как карусель. А если вы сможете вырезать из тонкой бумаги бабочку, то опыт будет ещё интереснее.
Лед и пламя
(опыт проводится в солнечный день)
Что необходимо приготовить?
- Небольшую чашку с круглым дном.
- Кусочек сухой бумажки.
Проведение опыта
Налейте в чашку воды и поставьте в морозилку. Когда вода превратится в лёд, выньте чашку и поставьте в ёмкость с горячей водой. Через некоторое время лёд отделится от чашки. Теперь выйдите на балкон, положите кусочек бумажки на каменный пол балкона. Куском льда сфокусируйте солнце на бумажке.
Что произойдёт?
Бумага должна обуглиться, ведь в руках уже не просто лед… Вы догадались, что сделали лупу?
Неправильное зеркало
Что необходимо приготовить?
- Прозрачную банку с плотно закрывающейся крышкой.
- Зеркало.
Проведение опыта
Налейте в банку воды с излишком и закройте крышкой, чтобы внутрь не попали пузыри воздуха. Приставьте банку к зеркалу крышкой вверх. Теперь можно смотреться в «зеркало».
Приблизьте лицо и посмотрите внутрь. Там будет уменьшенное изображение. Теперь начинайте наклонять банку в сторону, не отрывая от зеркала.
Что произойдёт?
Отражение вашей головы в банке, само собой, будет тоже наклоняться, пока не окажется перевёрнутым вниз, при этом ног так и не будет видно. Поднимите банку, и отражение вновь перевернётся.
Коктейль с пузырьками
Что необходимо приготовить?
- Стакан с крепким раствором поваренной соли.
- Батарейку от карманного фонарика.
- Два кусочка медной проволоки длиной примерно по 10 см.
- Мелкую наждачную бумагу.
Проведение опыта
Зачистите концы проволоки мелкой наждачной шкуркой. Подсоедините к каждому полюсу батарейки по одному концу проволочек. Свободные концы проволочек опустите в стакан с раствором.
Что произошло?
Вблизи опущенных концов проволоки будут подниматься пузырьки.
Батарейка из лимона
Что необходимо приготовить?
- Лимон, тщательно вымытый и насухо вытертый.
- Два кусочка медной изолированной проволоки примерно 0,2–0,5 мм толщиной и длиной 10 см.
- Стальную скрепку для бумаги.
- Лампочку от карманного фонарика.
Проведение опыта
Зачистите противоположные концы обеих проволок на расстоянии 2–3 см. Вставьте в лимон скрепку, прикрутите к ней конец одной из проволочек. Воткните в лимон в 1–1,5 см от скрепки конец второй проволочки. Для этого сначала проткните лимон в этом месте иголкой. Возьмите два свободных конца проволочек и приложи к контактам лампочки.
Что произойдёт?
Лампочка загорится!
Десятки и сотни тысяч физических экспериментов было поставлено за тысячелетнюю историю науки. Непросто отобрать несколько "самых-самых", чтобы рассказать о них. Каков должен быть критерий отбора?
Четыре года назад в газете "The New York Times" была опубликована статья Роберта Криза и Стони Бука. В ней рассказывалось о результатах опроса, проведенного среди физиков. Каждый опрошенный должен был назвать десять самых красивых за всю историю физических экспериментов. На наш взгляд, критерий красоты ничем не уступает другим критериям. Поэтому мы расскажем об экспериментах, вошедших в первую десятку по результатам опроса Криза и Бука.
1. Эксперимент Эратосфена Киренского
Один из самых древних известных физических экспериментов, в результате которого был измерен радиус Земли, был проведен в III веке до нашей эры библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки Эрастофеном Киренским.
Схема эксперимента проста. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрии, находившемся в 800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляет примерно 1/50 полного круга (360°), откуда получается, что окружность Земли равна 40 000 километров, а радиус 6300 километров.
Почти невероятным представляется то, что измеренный столь простым методом радиус Земли оказался всего на 5% меньше значения, полученного самыми точными современными методами.
2. Эксперимент Галилео Галилея
В XVII веке господствовала точка зрения Аристотеля, который учил, что скорость падения тела зависит от его массы. Чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Наблюдения, которые каждый из нас может проделать в повседневной жизни, казалось бы, подтверждают это.
Попробуйте одновременно выпустить из рук легкую зубочистку и тяжелый камень. Камень быстрее коснется земли. Подобные наблюдения привели Аристотеля к выводу о фундаментальном свойстве силы, с которой Земля притягивает другие тела. В действительности на скорость падения влияет не только сила притяжения, но и сила сопротивления воздуха. Соотношение этих сил для легких предметов и для тяжелых различно, что и приводит к наблюдаемому эффекту. Итальянец Галилео Галилей усомнился в правильности выводов Аристотеля и нашел способ их проверить. Для этого он сбрасывал с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро и значительно более легкую мушкетную пулю. Оба тела имели примерно одинаковую обтекаемую форму, поэтому и для ядра, и для пули силы сопротивления воздуха были пренебрежимо малы по сравнению с силами притяжения.
Галилей выяснил, что оба предмета достигают земли в один и тот же момент, то есть скорость их падения одинакова. Результаты, полученные Галилеем. - следствие закона всемирного тяготения и закона, в соответствии с которым ускорение, испытываемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на него, и обратно пропорционально массе.
3. Другой эксперимент Галилео Галилея
Галилей замерял расстояние, которое шары, катящиеся по наклонной доске, преодолевали за равные промежутки времени, измеренный автором опыта по водяным часам. Ученый выяснил, что если время увеличить в два раза, то шары прокатятся в четыре раза дальше. Эта квадратичная зависимость означала, что шары под действием силы тяжести движутся ускоренно, что противоречило принимаемому на веру в течение 2000 лет утверждению Аристотеля о том, что тела, на которые действует сила, движутся с постоянной скоростью, тогда как если сила не приложена к телу, то оно покоится.
Результаты этого эксперимента Галилея, как и результаты его эксперимента с Пизанской башней, в дальнейшем послужили основой для формулирования законов классической механики.
4. Эксперимент Генри Кавендиша
После того как Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения: сила притяжения между двумя телами с массами Мит, удаленных друг от друга на расстояние r, равна F=G(mM/r2), оставалось определить значение гравитационной постоянной G. Для этого нужно было измерить силу притяжения между двумя телами с известными массами. Сделать это не так просто, потому что сила притяжения очень мала.
Мы ощущаем силу притяжения Земли. Но почувствовать притяжение даже очень большой оказавшейся поблизости горы невозможно, поскольку оно очень слабо. Нужен был очень тонкий и чувствительный метод. Его придумал и применил в 1798 году соотечественник Ньютона Генри Кавендиш. Он использовал крутильные весы - коромысло с двумя шариками, подвешенное на очень тонком шнурке. Кавендиш измерял смещение коромысла (поворот) при приближении к шарикам весов других шаров большей массы.
Для увеличения чувствительности смещение определялось по световым зайчикам, отраженным от зеркал, закрепленных на шарах коромысла. В результате этого эксперимента Кавендишу удалось довольно точно определить значение гравитационной константы и впервые вычислить массу Земли.
5. Эксперимент Жана Бернара Фуко
Французский физик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 году экспериментально доказал вращение Земли вокруг своей оси с помощью 67-метрового маятника, подвешенного к вершине купола парижского Пантеона. Плоскость качания маятника сохраняет неизменное положение по отношению к звездам. Наблюдатель же, находящийся на Земле и вращающийся вместе с ней, видит, что плоскость вращения медленно поворачивается в сторону, противоположную направлению вращения Земли.
6. Эксперимент Исаака Ньютона
В 1672 году Исаак Ньютон проделал простой эксперимент, который описан во всех школьных учебниках. Затворив ставни, он проделал в них небольшое отверстие, сквозь которое проходил солнечный луч. На пути луча была поставлена призма, а за призмой - экран.
На экране Ньютон наблюдал "радугу": белый солнечный луч, пройдя через призму, превратился в несколько цветных лучей - от фиолетового до красного. Это явление называется дисперсией света. Сэр Исаак был не первым, наблюдавшим это явление. Уже в начале нашей эры было известно, что большие монокристаллы природного происхождения обладают свойством разлагать свет на цвета. Первые исследования дисперсии света в опытах со стеклянной треугольной призмой еще до Ньютона выполнили англичанин Хариот и чешский естествоиспытатель Марци.
Однако до Ньютона подобные наблюдения не подвергались серьезному анализу, а делавшиеся на их основе выводы не перепроверялись дополнительными экспериментами. И Хариот, и Марци оставались последователями Аристотеля, который утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, "примешиваемой" к белому свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный - при наименьшем. Ньютон же проделал допол¬нительные опыты со скрещенными призмами, когда свет, пропущенный через одну призму, проходит затем через другую. На основании совокупности проделанных опытов он сделал вывод о том, что "никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вместе, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета". Он показал, что белый свет нужно рассматривать как составной. Основными же являются цвета от фиолетового до красного. Этот эксперимент Ньютона служит замечательным примером того, как разные люди, наблюдая одно и то же явление, интерпретируют его по-разному и только те, кто подвергает сомнению свою интерпретацию и ставит дополнительные опыты, приходят к правильным выводам.
7. Эксперимент Томаса Юнга
До начала XIX века преобладали представления о корпускулярной природе света. Свет считали состоящим из отдельных частиц - корпускул. Хотя явления дифракции и интерференции света наблюдал еще Ньютон ("кольца Ньютона"), общепринятая точка зрения оставалась корпускулярной. Рассматривая волны на поверхности воды от двух брошенных камней, можно заметить, как, накладываясь друг на друга, волны могут интерферировать, то есть взаимогасить либо взаимоусиливать друг друга. Основываясь на этом, английский физик и врач Томас Юнг проделал в 1801 году опыты с лучом света, который проходил через два отверстия в непрозрачном экране, образуя, таким образом, два независимых источника света, аналогичных двум брошенным в воду камням. В результате он наблюдал интерференционную картину, состоящую из чередующихся темных и белых полос, которая не могла бы образоваться, если бы свет состоял из корпускул. Темные полосы соответствовали зонам, где световые волны от двух щелей гасят друг друга. Светлые полосы возникали там, где световые волны взаимоусиливались. Таким образом была доказана волновая природа света.
8. Эксперимент Клауса Йонссона
Немецкий физик Клаус Йонссон провел в 1961 году эксперимент, подобный эксперименту Томаса Юнга по интерференции света. Разница состояла в том, что вместо лучей света Йонссон использовал пучки электронов. Он получил интерференционную картину, аналогичную той, что Юнг наблюдал для световых волн. Это подтвердило правильность положений квантовой механики о смешанной корпускулярно-волновой природе элементарных частиц.
9. Эксперимент Роберта Милликена
Представление о том, что электрический заряд любого тела дискретен (то есть состоит из большего или меньшего набора элементарных зарядов, которые уже не подвержены дроблению), возникло еще в начале XIX века и поддерживалось такими известными физиками, как М.Фарадей и Г.Гельмгольц. В теорию был введен термин "электрон", обозначавший некую частицу - носитель элементарного электрического заряда. Этот термин, однако, был в то время чисто формальным, поскольку ни сама частица, ни связанный с ней элементарный электрический заряд не были обнаружены экспериментально.
В 1895 году К.Рентген во время экспериментов с разрядной трубкой обнаружил, что ее анод под действием летящих из катода лучей способен излучать свои, Х-лучи, или лучи Рентгена. В том же году французский физик Ж.Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи - это поток отрицательно заряженных частиц. Но, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, электрон оставался гипотетической частицей, поскольку не было ни одного опыта, в котором участвовали бы отдельные электроны. Американский физик Роберт Милликен разработал метод, ставший классическим примером изящного физического эксперимента.
Милликену удалось изолировать в пространстве несколько заряженных капелек воды между пластинами конденсатора. Освещая рентгеновскими лучами, можно было слегка ионизировать воздух между пластинами и изменять заряд капель. При включенном поле между пластинами капелька медленно двигалась вверх под действием электрического притяжения. При выключенном поле она опускалась под действием гравитации. Включая и выключая поле, можно было изучать каждую из взвешенных между пластинами капелек в течение 45 секунд, после чего они испарялись. К 1909 году удалось определить, что заряд любой капельки всегда был целым кратным фундаментальной величине е (заряд электрона). Это было убедительным доказательством того, что электроны представляли собой частицы с одинаковыми зарядом и массой. Заменив капельки воды капельками масла, Милликен получил возможность увеличить продолжительность наблюдений до 4,5 часа и в 1913 году, исключив один за другим возможные источники погрешностей, опубликовал первое измеренное значение заряда электрона: е = (4,774 ± 0,009)х10-10 электростатических единиц.
10. Эксперимент Эрнста Резерфорда
К началу XX века стало понятно, что атомы состоят из отрицательно заряженных электронов и какого-то положительного заряда, благодаря которому атом остается в целом нейтральным. Однако предположений о том, как выглядит эта "положительно-отрицательная" система, было слишком много, в то время как экспериментальных данных, которые позволили бы сделать выбор в пользу той или иной модели, явно недоставало.
Большинство физиков приняли модель Дж.Дж.Томсона: атом как равномерно заряженный положительный шар диаметром примерно 10-8см с плавающими внутри отрицательными электронами. В 1909 году Эрнст Резерфорд (ему помогали Ганс Гейгер и Эрнст Марсден) поставил эксперимент, чтобы понять действительную структуру атома. В этом эксперименте тяжелые положительно заряженные а-частицы, движущиеся со скоростью 20 км/с, проходили через тонкую золотую фольгу и рассеивались на атомах золота, отклоняясь от первоначального направления движения. Чтобы определить степень отклонения, Гейгер и Марсден должны были с помощью микроскопа наблюдать вспышки на пластине сцинтиллятора, возникавшие там, где в пластину попадала а-частица. За два года было сосчитано около миллиона вспышек и доказано, что примерно одна частица на 8000 в результате рассеяния изменяет направление движения более чем на 90° (то есть поворачивает назад). Такого никак не могло происходить в "рыхлом" атоме Томсона. Результаты однозначно свидетельствовали в пользу так называемой планетарной модели атома - массивное крохотное ядро размерами примерно 10-13 см и электроны, вращающиеся вокруг этого ядра на расстоянии около 10-8 см.