Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей - Дмитриев Александр Сергеевич

Чтобы картинка стала резкой, надо менять расстояние между линзами и подобрать такое, когда изображение будет в фокусе. Для этого у всех подзорных труб и телескопов есть возможность изменять такое расстояние – винтами, втулками и так далее.

Чтобы сделать это фото, я надел одни очки прямо на фотоаппарат, а через вторые фотографировал. Видно, что висящая на стене картина через стекло вторых очков видна почти в два раза большей. Это модель простейшего телескопа.

Осталось еще понять, почему же поворачивает свет в стекле? Об этом в следующей главе.

81

Почему луч поворачивает в стекле, или Как работает линза?

Сейчас я поясню, почему стекло преломляет свет, то есть почему лучи «поворачиваются», изменяют свое направление, попадая в линзу или призму. Сразу надо сказать, что лучи поворачиваются или преломляются не всегда. А только если попадают на стекло под некоторым углом.

Давайте представим себе очень простую картину. По хорошей асфальтовой площади идет быстрым шагом, сохраняя строй, ряд солдат. Я нарисовал их кружочками на рисунке. Они стараются и держат строй, направление фронта, или линия строя ровная, и все хорошо. И тут прямо перпендикулярно движению солдат попадается край пашни, в которой вязнут ноги, и все солдаты начинают идти в два раза медленнее, увязая в глине. Что произойдет с направлением строя? Да ничего. Все одновременно наступят на край пашни и все одновременно станут двигаться медленнее.

Как на рисунке.

Но представим теперь, что край пашни попался не ровно по линии строя, а под углом! Что произойдет?

Произойдет занятная вещь. Каждый солдат будет продолжать двигаться в том же направлении, что и двигался. Но одни солдаты (внизу рисунка) попадут на пашню раньше, а другие – позже. И окажется, что часть солдат уже увязла и движется медленнее, а другие еще идут быстро! Так что линия фронта, или передний ряд, образованный солдатами, как бы начнет поворачиваться!

На рисунке мы видим, что солдаты внизу, наткнувшись на границу пашни, стали двигаться медленнее, теперь за одно и то же время они проходят вдвое меньшее расстояние, чем солдаты, которые продолжают идти по асфальту. И фронт повернулся.

Что же происходит в стекле со светом? Когда луч света (фронт) попадает на стекло, он начинает двигаться медленнее, потому что скорость света в воздухе выше (это как асфальт для солдат), чем в стекле (это как вязкая пашня). И свет поворачивает свой «фронт», луч его преломляется!

Понятно теперь, что чем больше разница в скорости движения света между двумя веществами, тем сильнее поворачивает луч.

Теперь мы можем понять, как устроена линза, и проделать занятный опыт – своими собственными глазами увидеть, как преломляются лучи!

Выпуклая линза, которая действует как увеличительное стекло, устроена так, что проходящие по центру лучи (если линза стоит перпендикулярно лучу) встречают стекло «перпендикулярно» и не поворачиваются. Но чем дальше от центра линзы, тем больше наклон стекла и тем сильнее поворачиваются (преломляются) лучи! Поэтому они все рано или поздно пересекутся в одной точке.

Так что везде, где есть разница в скорости света (это называется «граница сред»), лучи поворачивают. Например, знаменитый мираж в пустыне, когда кажется, что прямо на горячем песке появляется вода, происходит оттого, что скорость прохождения света в горячем воздухе отличается от скорости прохождения в холодном. Лучи поворачивают, и мы видим… небо. Нам кажется, что в песке озеро – а это мираж.

Попробуйте, лежа на пляже, посмотреть на пейзаж вдаль над песком в жаркий день. Вы увидите, как дрожит воздух, – так же дрожит он над костром или нагретой плитой. Это лучи, попадая в завихрения с разной температурой, «пляшут» и изгибаются в разных направлениях, работая как воздушная линза.

82

Сгибание бумаги силой воли

Это очень простой опыт, который показывает, как предметы реагируют на изменение влажности окружающей среды. Что такое влажность, скажем, атмосферы? Это, если очень упростить, количество воды в воздухе. Вокруг нас летают множество маленьких капелек и даже молекул воды. Они такие маленькие, что глаз их не видит. Но они есть. Когда их становится слишком много, например, в бане, то на более холодных предметах они оседают в виде росы.

Можно ли увидеть прямо своими глазами действие этих капелек, молекул? Убедиться, что они действительно существуют?

Проделаем простой опыт. Возьмем достаточно тонкий листочек бумаги, небольшой по размерам. Положим на сухой стол. Листочек как лежал, так и будет лежать. С ним ничего не происходит. На листочек со всех сторон воздействует одинаковый по влажности воздух.

Листок бумаги изгибается «силой воли»… Вы увидите, что листочек начнет изгибаться! Как на фотографии, где мой внук Женя держит бумажку на ладони и «гнет» ее силой воли.

А теперь пустим струю очень теплой воды, намочим руку, подержим чуть подольше, чтобы рука нагрелась и стала мокрой. Быстро вытрем руку полотенцем, чтобы воды на ней не было, но она еще оставалась чуть влажной. Положим на ладонь этот листок и будем на него просто смотреть.

Что же происходит в нашем опыте?

Остатки воды испаряются с нагретой руки и повышают влажность между ладонью и листком. Вода, невидимая глазу, впитывается в бумагу. Бумага же делается в основном из дерева, тонко-тонко перемолотого. Та сторона бумаги, которая обращена к ладони, набухает – как набухает кусок дерева, брошенный в воду. Недаром бочки после изготовления, лодки, топоры кладут в воду – чтобы дерево набухло и прочнее держалось, чтобы исчезали щели или прочнее держалась деревянная рукоять топора в железе. Набухая с одной стороны, бумага расширяется и заставляет изгибаться весь листок! Вот и вся физика. Просто и эффектно.

Можно даже показать красивый и простой фокус. Выйти из ванной, где рука будет «подготовлена» (нагрета, намочена и вытерта), и заявить, что силой мысли вы заставите сворачиваться листок бумаги на ладони. Положить листик на руку и делать вид, что вы его «гипнотизируете». Физика проделает фокус за вас!

83

Еще раз про силы сцепления

Мы помним, как иголка плавала на воде в одном из наших опытов. Помогали ей плавать силы поверхностного натяжения. Но вот вопрос: можно ли почувствовать силу взаимодействия атомов, понять, насколько она велика? Давайте проделаем простой опыт, в котором мы буквально ощутим, насколько сильны атомарные силы, с какой мощью приходится сталкиваться, когда в действие вступают силы притяжения атомов между собой.

Для этого нам понадобятся два кусочка стекла. Чтобы не порезаться, лучше всего взять два маленьких зеркальца – у них края не такие острые и, кроме того, они достаточно толстые для опыта. Но могут подойти и просто два небольших кусочка оконного стекла, только надо аккуратно с ними обращаться. Стекла должны быть чистые, лучше всего их сначала промыть с мылом.

Намочим стекла обычной водопроводной водой. Положим одно стекло на другое. Теперь попробуем оторвать одно стекло от другого пальцами.

Оказывается, сдвинуть вбок стекло очень легко, а вот оторвать – для этого нужны довольно значительные усилия!

Дело в том, что плоскости стекол достаточно ровные и между ними пролегает тонкий слой воды. Вступают в действие силы сцепления – атомы притягивают друг друга, и возникает даже для двух небольших кусочков стекла очень большая сила сопротивления «отрыву»!