Важнейшей особенностью развития творческой личности представляется сохранение с возрастом той способности задавать окружающим и самому себе вопросы: «Почему это так?», которая свойственна всем младенцам. Именно такая пытливость ума, в отличие от простой любознательности, может вести к выявлению внутренней связи между, казалось бы, достаточно далекими явлениями, к вскрытию неожиданных связей и появлению ассоциаций.

С этой целью предлагаются серии задач и вопросов, рассчитанных, главным образом, на подростков лет с 12-13, т.е. на тот возраст, в котором формируются основы стиля мышления и шкалы относительных интеллектуальных предпочтений. Вопросы эти должны побудить подростка, тинэйджера задуматься над вещами и явлениями, кажущимися знакомыми, но, как правило, непонятыми, и искать связи между ними. Эти вопросы по возможности независимы, не требуют знания или использования математики и, для некоей системности, объединяются в серии или такие разделы: физика на кухне, в быту, на улице, на стадионе, на пляже, на концерте, в военном деле, в строительстве, в космическом полете и т.д. Кроме того выделены разделы: физик в гостях у музыканта, астронома, метеоролога, географа и геофизика, врача, ботаника, зоолога, историка, а также разделы: салонные фокусы и наглядные опыты.

Составленные вопросы не носят учебный характер и не предназначены для выработки какой-либо системы знаний. Можно предположить, что поиски ответов на них могут способствовать выработке психологической установки на поиски истинного смысла и нового в давно знакомых объектах. С другой стороны, они должны привить подростку интерес к науке, всё более теряемый в последнее время в школах, и показать взаимосвязь разных наук, а полученные в них знания, казалось бы отрывочные, могут при дальнейшем систематическом изучении отдельных предметов сами всплывать в сознании, укладываться в общую систему.

Набор вопросов и задач, всего их около 600, составит книгу «А почему это так? (Физика вокруг нас)», планируемую к выходу в Издательстве РХД (Москва-Ижевск) в 2006 г. Часть их публиковалась в 1998-2000 годах в газете «Вести» (Тель-Авив) и в журнале «Химия и жизнь» (Москва). Самые близкие по замыслу книги – это «Знаете ли вы физику?» Я.И.Перельмана и «Физический фейерверк» Уокера. Но у них иная цель и нет такой направленности. Большинство предлагаемых вопросов встречалось, вероятно, и ранее, но наша книга будет содержать много новых задач и/или новое оформление и изложение старых. Эта книга частично увязана с предшествующей книгой автора «Озарение и интуиция в науке: как физики открывают законы природы», выходящей в том же издательстве в этом году.

ОПЫТЫ В ДОМАШНЕЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Физика – наука экспериментальная. Древние греки, от которых принято отсчитывать начало европейской науки, считали, правда, что все истины можно постичь наблюдением (редкие исключения – Архимед и Герон). Поэтому они достигли значительных успехов в астрономии и в математике, но физика в их время оставалась частью философии, т.е. системы логически упорядоченных, но не подтвержденных или подкрепленных опытом размышлений – тогда, cобственно, все знания, кроме разве некоторых практических навыков, упорядочивались в контексте философских систем. Первой из философских оков пифагореизма высвободилась математика, затем астрономия, позже, фактически только со времен Галилея физика (но еще главная книга Ньютона называлась «Математические начала натуральной философии»). К концу XVIII века в трудах, в основном, Лавуазье освободилась и обрела автономию химия, после работ Дарвина и Менделя, к концу XIX века – биология, в этот же, примерно, период самостоятельной наукой начинает становиться логика. Ну а в XX веке, по сути дела, появилась и экспериментальная наука «психология», на наших глазах, можно думать, отпочковывается и освобождается от философского, т.е. умозрительного, идеологического диктата еще одна естественная наука - социология. (Я очень пунктирно, конечно, обрисовываю последовательное высвобождение наук – процесс этот более длительный и достаточно извилистый.)

Были иногда и рецидивы, попытки возвратного движения: в СССР физикам нередко приходилось выдерживать бои с философами-марксистами (биологов и психологов они просто изничтожали), нужно было обязательно вставлять куда-нибудь безграмотную или бессмысленную цитату из Энгельса или Ленина.

Нам, увы, не пристало над всем этим смеяться: и сейчас, думаю, вряд ли удастся изложить в религиозной школе теорию эволюции Дарвина или что-нибудь серьезное по космологии!

Но мы хотим думать и говорить о физике: наблюдать и самим, без контроля со стороны каких-либо авторитетов, делать выводы. И поэтому предложим вам ряд простейших экспериментов, если хотите – фокусов, для которых не нужно какое-либо специальное оборудование. Замечу, кстати, что чем проще опыт, чем короче формула, тем больше они ценятся учеными (гениальный Поль Дирак говорил, что красота формулы есть важнейший критерий ее истинности!)

1. Можно ли взять и поставить спичку на гладкий стол вертикально так, чтобы она не падала? Что для этого нужно?

2. Существует такой исторический анекдот. Изабелла и Фердинанд, короли Испании, предложили Колумбу, когда он просил их покровительства для организации экспедиции, старинную задачу на сообразительность: поставить яйцо на стол так, чтобы оно удерживалось вертикально. Колумб задачу решил, а вы?

3. Если у вас есть дома обычные шашки, предложите гостям такую задачу: поставьте на столе друг на друга несколько шашек и попросите вытащить самую нижнюю – не трогая и не сдвигая верхние шашки.

4. А теперь положите шашки в ряд на стол, чтобы они касались друг друга, и придерживая пальцем крайнюю шашку резко стукните горизонтально по ней линейкой. Как вы думаете, сколько шашек с противоположного края при этом отлетит?

5. Надломите спичку посредине, сложите и положите на стол. Если капнуть на место слома водой, то обе половины ее расходятся и спичка выпрямляется. Почему?

6. Попробуйте проделать такой фокус: наполните чистый стакан доверху водой и поспорьте с гостями, что в стакане есть еще очень много свободного места. Вам, конечно, не поверят, но вы начнете осторожно, не касаясь воды, но и без всплесков опускать в стакан одну за другой монетки. И вода при этом из стакана не будет выливаться – вы докажите, что в ней еще есть место! Почему же так получается?

7. Еще один опыт с поверхностным натяжением: поспорьте, что стальная иголка может плавать на воде и не тонуть.

8. Можно ли сделать так, чтобы монета, лежащая на столе, сама запрыгнула вам в руку?

9. Положите обычную деревянную линейку на стол так, чтобы ее, примерно, четверть свешивалась наружу. Если по этому концу линейки стукнуть палкой, то линейка, конечно, упадет. А теперь накройте линейку на столе аккуратно расправленной газетой и снова резко, очень резко ударьте по ее кончику: линейка остается на месте, а палка отскакивает и может даже сломаться. Почему?

10. Предлагаю вам такую задачу: кладу в плоскую тарелку монету, наливаю немного воды, покрывающую монету, и предлагаю достать монету пальцами, не замочив их и не двигая тарелку. Сможете?

11. А теперь такой опыт: возьмем стекло размером так сантиметров в 40 или хорошо отполированную доску, положим на стол и подложим под один край спичечные коробки или кубики – это будет наклонная плоскость. Поставим на это плоскость тонкий стакан вверх дном – он не скользит, так как трение достаточно велико. Смочим края стакана водой – все равно не ползет. А теперь поднесем сбоку к стакану со смоченными краями горящую свечу: пара минут и он начнет скользить по столу. Почему?

12. Египетские фараоны любили попить в жару холодную воду, но сделать это в ту пору было нелегко: доставлять лед в бурдюках с Килиманджаро? И все же выход был найден, благо рабов у них хватало. Попробуйте придумать способ, которым можно было охлаждать воду в условиях Древнего Египта.

13. Если у вас дома есть несколько пустых бутылок, то можно построить из них «бутылкофон», оригинальный музыкальный инструмент, какого ни у кого больше нет, и играть на нем пьесы собственного сочинения. Для этого все бутылки привязывают отдельными веревочками за горлышко к палке, положенной между спинками двух стульев, так чтобы они свободно болтались, и наливают в каждую из ряда этих бутылок разное, постепенно возрастающее количество воды. Ну а затем остается взять в руки по палочке и стукать по бутылкам как по пластинкам на ксилофоне.

14. Все мы в детстве пускали солнечные «зайчики» с помощью зеркала. При этом стоило чуть повернуть зеркало, как зайчик далеко отклонялся от цели. Давайте попробуем рассмотреть это явление подробнее: прикрепим к торцу стола гребешок зубьями вверх, поставим сбоку электрическую лампу так, чтобы она светила вдоль стола и на пути теней от зубчиков поместим вертикально зеркальце, отражающее эти лучи. Можете вы теперь выяснить как изменяется направление отраженных лучей при повороте зеркала?

15. Попробуем доказать, что копоть не черная, а – блестящая. Закоптите для этого на свечке наружную сторону ложки и опустите ее в стакан с водой: ее поверхность заблестит. Почему?

16. Положите на дно непрозрачной чашки монету и найдите такое положение глаз сбоку, когда бока чашки полностью ее от вас закрывают. Если, однако, налить теперь в чашку воду, то монета снова станет видна. Почему?

17. Давайте поиграем немножко с увеличительным стеклом (если дома нет лупы, то можно попробовать воспользоваться стеклами от очков). Если настроить ее на рассматривание какого-нибудь предмета, а затем начать отодвигаться от него, то изображение будет увеличиваться, увеличиваться, а затем расплывется и пропадет. Теперь, не меняя новое положение лупы, будем отодвигаться от нее – изображение перевернется и станет постепенно уменьшаться, дойдет даже до своих истинных размеров. Значит, удаленные предметы такое увеличительное стекло не увеличивает. Так как же тогда устроены бинокли, подзорные трубы и телескопы?

18. Если у вас есть ставни на окнах или плотные шторы, то можно в солнечный день видеть у себя на потолке или стене то, что происходит на противоположной стороне улицы. Для этого нужно всю комнату затемнить и так закрыть ставни или шторы, чтобы в них осталось небольшое, лучше круглое отверстие – оно и будет проицировать на какую-нибудь поверхность то, что происходит снаружи. Почему?

19. Всем известно, со времен Ньютона, что белый свет, проходящий через призму, разлагается в спектр, содержащий семь основных цветов и множество оттенков (цветоводы различают до 10 тысяч оттенков). Этот спектр можно видеть в радуге, но она бывает не столь часто, а хорошую стеклянную призму достать нелегко. Можно, однако, легко соорудить призму самому: возьмем тазик или кастрюлю с водой и поместим туда наклонно зеркало. Слой воды между зеркалом и поверхностью представляет собою горизонтальную призму: луч света из тонкого отверстия или, еще лучше, горизонтальной щели преломится в воде, отразится от зеркала и выйдет наружу через другую точку поверхности, как будто он прошел через две водяные призмы, и разложится в спектр! Если это солнечный свет, исходящий из горизонтальной щели в темных шторах, то картинка получится не хуже, чем у самого Ньютона – вы сможете полюбоваться изумительно чистыми цветами со всеми переходами между ними и убедиться, что белый свет – это действительно смесь всех цветов.

Но здесь возникает такой вопрос. Со времен Германа Гельмгольца (1821 – 1894), великого физика, физиолога и изобретателя, считается общепринятым, что в глазу у нас имеется только три вида рецепторов-колбочек (всего их 5-7 миллионов), воспринимающих синий, зеленый и красный цвета. Следовательно, надо думать, что все богатство остальных цветов получается их смешением. Как это проверить? Художники, ясное дело, могут смешивать на палитре или в воде масляные или акварельные краски. А можно ли обойтись без них?

20. Если ввернуть в настольную лампу красную лампочку или обернуть обычную лампочку тонкой красной материей и поместить между нею и листом белой бумаги карандаш, то тень карандаша окажется не черной, а … зеленой. Почему?

Если долго смотреть на одноцветную картинку, например, желтую, а потом быстро перевести взгляд на белую стену или лист бумаги, то можно увидеть на нем синее изображение того же рисунка. Почему?

21. Если осветить растения синей лампой, то их зеленые, вообще говоря, листья покажутся вам красными. Как вы думаете, почему так происходит?

22. А теперь предложу вам более трудный опыт. Все слышали, а некоторые и видели смерчи, атмосферные вихри, возникающие в грозовых облаках и распространяющиеся вниз в виде темного рукава или хобота (над сушей их часто называют торнадо). Природа их до сих пор почти не изучена, а мощность и причиняемые разрушения могут быть громадными. Маленькие смерчи, вихри в воде можно пускать и изучать дома.

Проще всего это сделать так. Берется маленький электромотор от какой-нибудь игрушки, к его валу припаивается длинная прямая спица, а на ее конец маленький металлический прямоугольник. Затем это устройство опускают вертикально в сосуд с водой, как миксер и включают электромотор (лучше, конечно, закрепить мотор на каком-либо стояке). Что может при этом произойти?

23. Если взять чистую стеклянную пробирку, заполнить ее наполовину водой и потом осторожно, с высоты нескольких сантиметров, вертикально уронить, страхуя рукой, на очень твердую поверхность, то вы увидите, как из центра пробирки вылетают вверх несколько капель, причем на значительно большую высоту, чем та, с которой вы бросали пробирку. Почему?

24. Если найти стеклянную пипетку с оттянутым кончиком, на которую сверху надевается резинка, можно проделать эффектный фокус. Снимите резинку, возьмите стакан с очень горячей водой, почти кипящей, опустите туда пипетку так, чтобы она наполовину заполнилась водой. Затем надо крепко закрыть пальцем верхнее отверстие (чтобы не обжечься, можно подложить под палец несколько слоев какой-нибудь пленки) и вытащить пипетку. Вода из нее, естественно, не выливается. Если же вы теперь быстро ее перевернете, то из ее кончика ударит фонтан вплоть до метровой высоты. Почему?

25. Когда-то во всех странах, где ставят елки к Новому году, вся семья заранее начинала готовить к ним украшения. Сейчас их покупают готовыми, но бывают и такие стародавние украшения, которых в магазине не купить. Например, короны, украшенные сверкающими, как бы драгоценными камнями. Есть, однако, простой способ изготовления таких украшений. Для этого нужно купить медный купорос (его и сейчас иногда применяют для опрыскивания виноградников) и приготовить из него насыщенный раствор в горячей воде, т.е. сыпать туда, помешивая, до тех пор пока он не перестанет растворяться. Затем этот раствор процеживают пару раз через какую-нибудь легкую ткань, заливают в чистую банку, ставят на несколько месяцев повыше и подальше (он все же немного ядовит) и опускают в него фигурку, игрушку, сделанную из медной очищенной проволоки. Проходит время и на ней вырастает множество блестящих сине-зеленых кристалликов – украшение готово. Почему эти кристаллики вырастают и почему нужно долго ждать?

26. Заполните какую-нибудь тарелку мыльным раствором. Если в нее поместить параллельно друг другу на близком расстоянии две спички, то они начнут притягиваться друг к другу и сближаться. Почему?

27. Результаты предыдущего опыта можно развить переходом от спичек к мыльным пузырькам. Для этого нужно достать надуваемую волейбольную или велосипедную камеру, медицинский шприц, отрезок резиновой трубки и зажим для него. После этого вы делаете крепкий мыльный раствор с несколькими каплями глицерина для устойчивости пузырьков и опустив в него кончик иглы выдуваете, приоткрывая зажим и выпуская немного воздуха из надутой камеры, два пузырька. Тут уже будет ясно видно как они притягиваются друг к другу. При этом возникает множество возможностей для изучения их взаимодействия, поглощения и т.д.

28.Как-то я услышал по телевизору любопытное сообщение: всегда, когда пиво наливается в кружку, пузырьки газа в нем поднимаются вверх. Существует, однако, один сорт пива в Австралии с очень густой и вязкой пеной, в котором пузырьки спускаются вниз. Австралийских пиволюбов это так смутило, что они обратились за помощью к физикам. А какое объяснение могли бы предложить вы?

29. Давайте поиграем с маятниками. Если в дверной проем подвесить на нити небольшой тяжелый предмет (шарик, ножницы, ложку и т.п.) и нить будет длиною ровно в один метр, то от одной крайней точки до другой маятник будет проходить ровно за одну секунду. И, самое главное, это время практически не зависит от размаха его колебаний: и при малых и при довольно-таки больших амплитудах период колебаний не меняется. Это свойство, изохронность, открытое Галилеем в 1583 году, позволило Х.Гюйгенсу (1629-1695) изобрести механические часы. А теперь попробуйте удлинить нить вашего маятника до полутора метров, а потом укоротить до полуметра. Интересно, как при этом изменится период его колебаний? (Надо с часами в руках измерить длительность, скажем, двадцати колебаний.)

Заметим, что одним из важнейших свойств вашего маятника является то, что он все время колеблется в одной плоскости. Точнее, плоскость его колебаний должна оставаться неподвижной, но т.к. Земля вращается, то если маятник может долго колебаться, то эта плоскость повернется на полный круг за 24 часа. Таким опытом Фуко в 1851 г. экспериментально доказал вращение Земли (его маятник висел во Дворце инвалидов в Париже, в Ленинграде такой маятник был подвешен под купол Казанского собора, где тогда был Музей атеизма).

30. Попробуем теперь соорудить более сложный маятник: прикрепим к верхушке дверного проема на раздвинутых гвоздиках веревочную петлю и к ее середине привяжем нить с грузиком. Если теперь заставить этот маятник колебаться, то его конец будет описывать причудливые кривые, так называемые фигуры Лиссажу (1822-1880). Почему так происходит? 31. Давайте проделаем несколько простых опытов со взаимодействием зарядов. Создать заряды (точнее, разделить их) проще всего на куске оргстекла или пластмассы, например, на линейке или шариковой ручке, натерев их сухой шерстяной тряпочкой. (Можно также натирать стеклянную палочку шелковой тканью, но они должны быть очень чистыми и сухими.)

Если теперь поставить в рюмку яйцо, уравновесить на его верхушке не наэлектризованную линейку и поднести к ее концу вашу уже натертую палочку или вторую линейку, то та линейка, что на яйце, будет поворачиваться к вам как стрелка компаса. О чем это говорит?

Дальше можно нарезать тонкую бумагу полосками и связать их одним концом как бы в веник. Если теперь коснуться им второго конца наэлектризованной палочкой, то листки «веника» разойдутся как букет. Почему?

32. Вам нужно определить емкость (внутренний объем) какого-то сосуда, возможно, причудливой формы. (Математический прием определения объема называется, в общем виде, интегрированием, но вы, во-первых, его не знаете, а во-вторых, он не всегда прост). Как же можно вычислить емкость сосуда?

33. Вам нужно профильтровать жидкость. Есть несколько сортов бумаги, из которой можно сделать «фунтик» и поместив его в лейку фильтровать жидкость. Как узнать какой сорт бумаги больше для этого подходит?

34. В теплый, лучше солнечный день приложите к оконному стеклу лист газеты и потрите его снаружи сухой щеткой: лист прилипнет к стеклу. Почему?

ОТВЕТЫ

1. Сделать это не так уж трудно: вырежем кружок из картона, проткнем его спичкой посредине и закрутим за оставшуюся верхнюю часть спички как волчок. Для того, чтобы он лучше и дольше крутился, нужно кончик спички аккуратно заострить.

Почему же такой волчок не падает? Дело в том, что существует закон сохранения момента вращения: так же как движущееся тело стремится сохранить свою скорость неизменной по величине и направлению (закон инерции Ньютона), так вращающееся тело стремится сохранить неизменным направление оси своего вращения. (Именно этот закон сохранения приводит к устойчивости движущегося двухколесного велосипеда – сохраняется направление осей вращающихся колес.)

2. Колумб пристукнул по столу той его вершиной, где был воздушный пузырь, так что яйцо надломилось, но не вытекло (отсюда и пошло выражение «колумбово яйцо» как неожиданное и остроумное решение.) Но мы сейчас можем добавить, что было и второе решение: яйцо надо было закрутить как волчок.

3. Решение очень простое: нужно резко щелкнуть по нижней шашке, она вылетит, и если щелчок был достаточно резким, то верхние шашки плавно опустятся вниз. Этот фокус практически доказывает такое следствие второго закона Ньютона: если сила (в данном случае, трения верхних шашек о нижние) действует короткое время, она не успевает сообщить телу достаточную скорость.

4. Отлетит только одна шашка. Попробуем объяснить, т.к. на самом деле этот опыт очень поучителен. При ударе вы сообщили шашке определенную скорость, а значит, определенный импульс и определенную энергию. Так вот если бы эта шашка всю свою энергию передала двум шашкам, то скорость каждой из них должна была бы быть меньше в корень из двух раз (энергия зависит от квадрата скорости). А если бы она передала им свой импульс, то скорость каждой была бы вдвое меньше, чем у нее (импульс – это масса, умноженная на скорость)!

Видите? Ничего не получается: считаем по закону сохранения энергии, получается одна скорость, а считаем по закону сохранения импульса – другая скорость. Но т.к. оба закона должны выполняться одновременно, то это означает, что такой процесс невозможен. Отлетит, и это легко проверить, только одна шашка.

Думаю, что после таких опытов, никто уже эти законы не спутает. (Иногда в магазинах продаются эффектные приборы для этого опыта: на подставке в ряд висят одинаковые шарики и надо один из них отклонить и отпустить.)

5. Древесина содержит в себе капилляры. Если они были пусты (древесина была высушенна) и в них заходит вода, то в них повышается давление, и они выпрямляются так же, как смятый шланг, через который пускают воду.

6. Если посмотреть на стакан сбоку, то будет видно, как при опускании монет вздувается бугром ее поверхность: вода при этом не выливается, т.к. ее удерживает пленка поверхностного натяжения.

7. Здесь уже нужна определенная ловкость: нужно покрутить иголку в пальцах, чтобы она покрылась легким слоем жира или, еще лучше, потереть ею о шерстяную материю, так что к ней обязательно пристанут волоски. После этого нужно очень осторожно, чтобы не прорвать пленку поверхностного натяжения, опустить ее на поверхность воды. Легче всего сделать так: положите иголку на бумажку, опустите на воду и каким-нибудь острым предметом осторожно, начиная с краев, затопите бумажку – иголка останется плавать!

8. Можно, конечно, трясти стол или даже его наклонять, но это все не интересно. Попробуйте вот что: дуньте сильно не на монету, а сантиметра на три-четыре перед нею – монета подскочит и сама упадет в подставленную руку.

А дело в том, что когда вы подули перед монетой, то создали строго горизонтальный поток, давление которого над монетой меньше, согласно закону Бернулли, давления воздушной прослойки между столом и монетой. Вот эта разность давлений ее и подбросит.

9. Опыт этот наглядно показывает существование атмосферного давления. Ведь действительно, на каждый квадратный сантиметр атмосфера давит с силой в 1 кГ-сила (9,8 Ньютон). Ваш удар был очень коротким, воздух под газету не успевал пройти и поэтому не мог уравновесить это давление снизу, следовательно, газета, поднимаясь, должна была бы приподнять столько килограмм, сколько в ней квадратных сантиметров! Вот и подумайте, могла ли палка быстро поднять такой груз.

10. Решение, если задача задана на кухне, очень простое: возьмем обычный тонкий стакан или стеклянную банку с ровными краями, как следует ополоснем в горячей воде и опустим на тарелку рядом с монетой. Вся вода втянется в стакан и монету можно будет взять сухими пальцами. А по сути дела мы доказали, что воздух при нагревании расширяется, а при охлаждении сжимается.

11. Воздух в стакане расширился, приподнял его, и поэтому водная прослойка между стаканом и плоскостью стала выше и подвижней: стакан поплыл по ней.

12. Мы уже ранее говорили о том, что вода, налитая в обоженный, но не глазурованный глиняный горшок, всегда холоднее воды в глазурованном горшке, стоящем рядом. Дело в том, что в обоженной глине всегда остаются тонкие капиллярные ходы, вода через них просачивается и испаряется снаружи. А так как на испарение нужно много энергии, то эта энергия отбирается у горшка и он охлаждается. Этот эффект был издавна известен и посейчас используется крестьянами, например, в горах Кавказа, куда не добрели лампочки Ильича и холодильники.

Так что фараонам и потом правителям многих жарких стран нужно было лишь догадаться ускорить испарение воды, проступающей на боках горшков. А для этого у таких горшков выстраивали рабов с опахалами, ветер ведь ускоряет испарение, т.к. отгоняет пары от поверхности.

Вы можете получать такие результаты много проще и угощать гостей по-фараонски охлаждаемыми напитками: на любом восточном базаре продаются неглазурованные кувшины, а рабов с опахалами заменит вентилятор, пущенный на самую малую скорость.

13. Почему-то такой музыкальный прибор очень не нравится родителям и, особенно, соседям. Для улучшения благозвучности нужно, конечно, подбирать уровень воды в бутылках и само их количество, но сиё зависит от вашего слуха и музыкального опыта. На самом деле это устройство является прообразом органа, т.к. воздушное пространство в каждой бутылке имитирует органную трубу, а длина волны звука, испускаемая ею, в четыре раза больше высоты этого пространства над водой.

Кстати, если вы решите всерьез строить бутылкофон, то можно расположить бутылки на нескольких палках и создать «бутылко-ансамбль» – мы некогда разыгрывали так вполне звучащие пьески (Бутылки в перерывах перед выступлениями нужно закрывать пробками, чтобы меньше мучаться с их настройкой.).

14. Поскольку полосы тени от зубцов и их отражения в зеркале перекрещиваются, то легко обнаружить, что если зеркало поворачивается на какой-то угол, то отраженные лучи поворачиваются на вдвое больший угол. Если же вы нарисуете на бумаге план с толстой линией-зеркалом, к которой проведен перпендикуляр, и тонкими линиями падающего и отраженного лучей, то легко обнаружите, что углы между этим перпендикуляром и отраженным и преломленным лучами равны! Именно поэтому когда вы поворачиваете зеркало на какой-то угол, отраженный луч поворачивается на вдвое больший угол.

Таким образом, вы доказали старейший из законов оптики, закон Герона Александрийского (I – II века н.э.): «Угол отражения света равен углу падения».

15. Копоть плохо смачивается водой, и поэтому мы видим, фактически, свободную поверхность воды, а она хорошо отражает свет. Для того, чтобы в этом убедиться, налейте в чистый стакан воду и посмотрите на нее сверху и немножко сбоку: поверхность стенок будет казаться серебристой и даже может как в изогнутом зеркале отражать, при некоторых углах зрения, монету, лежащую на дне.

16. Рассмотрим для объяснения еще такой простейший опыт: если в стакан с водой положить ложку, то при взгляде сверху и сбоку кажется, что она в воде переломлена. Если это изображение схематически нарисовать, то получается, что лучи света, выходящие из воды, отклоняются в воздухе на больший угол. Само это явление было известно очень давно, но сформулировали его в виде точного закона только физик И.Снеллиус (1580-1626) и Р.Декарт (1596-1650), основоположник современной математики и философии. (Закон Декарта-Снеллиуса гласит: для любых двух веществ синусы угла падения и преломления есть величина постоянная, называемая показателем преломления, для границы воздуха и воды он равен 1,33.)

Итак, все дело в том, что лучи, исходящие от монеты, преломляются на границе с воздухом, угол, под которым они идут, возрастает, и они могут уже попасть в глаз.

И вот тут самое время остановиться на одном важнейшем для современной технике явлении. Итак, луч, выходящий из воды в воздух, идет в нем под большим углом к нормали (перпендикуляру к поверхности), чем в воде. Но если мы будем постепенно увеличивать угол в воде, то наступит момент, когда луч вообще не сможет выйти наружу, т.к. для этого его угол должен был бы быть больше 90 градусов! Значит, он полностью отразится от поверхности воды и пойдет обратно в воду - этот эффект называется полным внутренним отражением. (ПВО), и что очень важно, свет отразится без потерь (при отражении в зеркале потери неизбежны).

Этот эффект лег в основу целой научно-технической дисциплины, волоконной оптики: можно сделать гибкие стеклянные или полимерные волокна (тонкие цилиндры радиуса до одного микрометра), по которым свет будет распространяться под углами ПВО и с минимальными потерями проходить громадные расстояния. Из уложенных пучков таких волокон изготовляют, например, интроскопы, через которые можно рассмотреть детали работы живого сердца или желудка. Из них сооружают оптико-волоконные кабели: по одной нити такой толщины можно передавать одновременно десяток телевизионных программ и тысячи телефонных разговоров…

Остается заметить, что сам эффект ПВО был подробно описан еще Ньютоном, а широкое применение нашел только через триста лет: поэтому мы не знаем, что из нынешнего багажа физики повлияет на будущее развитие техники – физики часто работают впрок!

17. Да, эта первая лупа (или целая система линз), называемая объективом, не увеличивает удаленный объект, но зато она приближает его изображение. Теперь возникшее близкое изображение рассматривается через вторую лупу (или систему линз), называемую окуляром, от латинского слова oculus - глаз. Именно такими, двухступенчатыми, являются все современные оптические приборы.

Кстати, когда вы с помощью увеличительного стекла выжигали узоры на дереве, то горячая точка, получаемая в фокусе линзы, как раз и есть приближенное к вам изображение Солнца. А вот в фотоаппарате обычно увеличивать изображение не нужно, поэтому там достаточно одного объектива, приближающего изображения и проицирующего его на фотопленку.

18. Гениальный Леонардо да Винчи (1452-1519), художник, изобретатель и ученый, решил некогда помочь людям, не обладающим художественными талантами, научиться рисовать. Для этого он соорудил или предложил сооружать (большинство замыслов он не смог или не успел воплотить в жизнь) прибор, названный камерой-обскурой (obscuro – затемнять). Это был закрытый ящик с маленьким круглым отверстием на передней стенке и со стеклянной задней стенкой, на эту стенку накладывался лист тонкой бумаги, на которую через отверстие проходили лучи от наружных предметов, рисовальщик накрывался с головой и ящиком темной материей, т.к. изображение было слабым, и обводил карандашом видимый пейзаж.

Отверстие в камере-обскуре должно быть как можно меньше для того, чтобы в данную точку на экране попадали лучи только от одной малой части пейзажа (при широком отверстии лучи с разных сторон смешаются и получится просто светлое пятно). Вот такую камеру-обскуру и можно создать в вашей комнате.

Заметим, кстати, что основная роль объектива в фотоаппарате состоит как раз в том, что он создает изображение того самого малого отверстия, о котором писал Леонардо, но помимо того собирает к нему больше света.

19. Давайте вспомним такую особенность вращения: если на неподвижных волчке или колесе есть какое-нибудь пятно, то при закручивании этого предмета пятно перестает быть видимым, оно как бы размазывается. Значит, не обязательно брать краски и что-то портить: можно вырезать кружки из белого картона, проткнуть их посредине заостренной спичкой, раскрашивать поверхность кружков цветными карандашами и смотреть как цвета будут размазываться, т.е. складываться (этот способ придумал некогда сам Джемс Кларк Максвелл (1831-1879), по анкете, проведенной недавно в США, третий, после Эйнштейна и Ньютона, из гениальнейших физиков мира).

Первым делом стоит проверить вот что: существуют так наз. дополнительные цвета – это голубой + оранжевый, зеленый + красный, фиолетовый + желтый. При сложении каждой пары должен получаться белый цвет, т.е. они как бы дополняют друг друга до белого. Для проверки можно закрасить волчок этими двумя цветами и поспорить с приятелями, что после закручивания цвета пропадают. (Советую на всякий случай, карандаши ведь бывают разными, закрашивать для начала два сектора, а потом поочередно их увеличивать, пока не будет достигнут эффект.). Ну а после можете пробовать всевозможные сочетания цветных секторов, пытаясь угадать, что получится в итоге – точно угадать почти никому не удается.

20. Думаю, что после предыдущей задачи ответить будет не трудно: колбочки одного цвета «устают» и поэтому воспринимают световой сигнал менее интенсивно, а отдохнувшие, наоборот, могут воспринимать свои сигналы с большей интенсивностью.

С этими явлениями связаны известные эпизоды в истории искусств: до французских живописцев-импрессионистов середины Х1Х века никто не замечал, что тени предметов, особенно на ярком солнечном свету, могут быть цветными, что у краев тени должны проявляться цвета, дополнительные к ярким соседним участкам. Поэтому, в частности, картины импрессионистов не принимались на общие академические выставки, и им пришлось отделяться, организовывать свои отдельные выставки. Ну а самый крупный скандал вызвал Клод Моне (1840-1926), увидевший цвета даже в абсолютно сером, как считалось до него, лондонском тумане.

21. Окраска листьев растений в основном зеленая, т.к. они интенсивно отражают зеленые лучи и на этом фоне теряются частично отражаемые ими красные лучи. Ну а синие лампочки испускают, оказывается, не только синие, но и, частично, красные лучи, полностью задерживая при этом зеленую часть спектра. Кстати, такими же свойствами обладают, как правило, очки с синими стеклами, так что через них вся растительность будет казаться вам розовой.

22. В начале движения воды в ней возникнет воронка, которая будет постепенно прорастать вниз, пока не коснется вращающихся лопастей и не разобьется на капли. Потом капли начнут всплывать и все может повториться.

А вот если после появления вихря вы рывком передвинете свой пропеллер, то может возникнуть второй вихрь, и проявится картина взаимодействия вихрей – можно даже изучать их столкновения. Если до включения моторчика налить на воду слой какого-нибудь масла, то вы увидите, что вихрь втягивает его в себя со всей поверхности. Если же бросить на воду небольшую деревяшку, она тоже окажется внутри хобота вихря – становится понятным как торнадо может иногда переносить тяжелые предметы на большие расстояния.

Так что здесь можно проводить и самостоятельные исследования.

23. Этот эффект называется кумулятивным и применяется в военном деле. А происходит при этом следующее. При резком торможении пробирки возникают очень большие силы, вода становится как бы намного тяжелее и поэтому мениск на ее поверхности должен уменьшиться. Значит, со всех сторон к центру устремляются микропотоки воды, складываются и подкидывают вверх находившуюся в точке их столкновения воду, отдельные капли.

Артиллеристы придумали как использовать этот эффект: в заряде делают выемку с металлической облицовкой и собравшиеся в ней при взрыве газы увеличивают выталкивающую силу заряда.

24. Когда вы быстро переворачиваете пипетку, горячая вода начинает стекать по стенкам и нагревать остававшийся во второй половине воздух. Он расширяется и с силой выталкивает воду.

25. Каждая жидкость при данной температуре может растворить только определенное количество примесей и такой раствор называется насыщенным. Когда вода из него испаряется, то получается, что купороса больше, чем нужно и излишек должен выпасть из него. Если бы вы не процедили раствор, то лишние молекулы, присоединились бы к кристаллам на дне, а так они могут осесть либо на стекло (а у него совсем другая структура), либо на медную проволоку, на близкие им по строению окислы меди на поверхности. А т.к. эти окислы распределены не равномерно, то в одних местах оседание проходит легче, и там рождаются и растут кристаллики, а другие остаются голыми. Процесс кристаллизации идет медленно, и лучше всего этот сосуд не тревожить, дать кристалликам укрепиться. (Этот способ создания игрушек я вычитал в одном из романов В.Катаева.)

26. Спички смачиваются мыльным раствором и он поднимается на бока спичек. Но в этом поднявшемся слое давление ниже, чем на гладкой поверхности, а тем более оно ниже в малом промежутке между спичками. Поэтому они, вообще говоря, будут испытывать давление с боков и двигаться друг к другу ускоренно, но заметить это ускорение глазом почти невозможно: нужно применять киносъемку.

27. Харьковский физик Я.Гегузин, предложивший этот метод, изучал на его основе некоторые особенности роста и структуры кристаллов. Для этого он заполнял всю поверхность тарелки пузырьками одинакового размера и смотрел как они располагаются, какие образуют решетки (их поведение аналогично поведению атомов в кристаллах), как и когда более крупные пузырьки поглощают мелкие (как будто идет процесс рекристаллизации) и т.д. Таким образом он моделировал особенности поведения атомов, не видимых глазом, вполне различимыми пузырьками.

Я специально останавливаюсь на этом случае, который наглядно показывает важность остроумия и изобретательности в проведении опытов.

28. Английский философ Уильям Оккам (1285-1349) ввел некогда в философию такое положение: «Не надо создавать сущностей без насущной к тому необходимости». Это положение, называемое чаще всего «бритвой Оккама», является одним из основных в методологии современной науки и требует избегать новых гипотез пока можно без них обходиться.

В данном случае постараемся обойтись тем, что нам уже известно. А известно нам, что газовые пузырьки легче жидкости и должны подниматься вверх, так что надо поискать их в этом пиве. Поискали и конечно нашли: очень мелкие и поэтому почти незаметные в темном пиве пузырьки поднимались в центре кружки вверх, как им и положено. Но если они бурно поднимаются, то должно возникнуть у краев кружки течение в обратную сторону, а так как от густой пены легче оторвать крупный пузырек, то оно и отрывало некоторые крупные пузырьки и влекло их вниз. Увы, открытие нового закона на пятом континенте не состоялось.

29. При длине в 0,5 м период окажется равным 0,7 сек, т.е. двадцать колебаний займут около 14 секунд, а при длине в полтора метра период должен будет равняться 1, 224 сек, т.е. 20 колебаний продолжатся, примерно, 25 секунд.

А все это потому, что по формуле, выведенной Гюйгенсом, период колебаний определяется квадратным корнем из длины маятника. Так что если бы вы могли подвесить маятник длиной в 1 км, он колебался бы с периодом в полминуты.

А вот от веса груза период его колебания не зависит, но при этом за его длину надо брать расстояние до центра тяжести груза.

Это условие получило такую наглядную иллюстрацию. Одной из достопримечательностей Лондона являются громадные часы «Биг Бен» на 98-метровой башне у здания парламента. Часы эти передают точное время по радио и ежедневно сверяются с часами обсерватории Гринвич. Но у них, как у всех механических часов, скорость хода меняется с температурой, ветром и т.д. Не менять же каждый раз длину подвеса маятника во много десятков метров? И вот кто-то заметил, что если на большущий груз маятника положить монетку в один пенни, то скорость их хода ускоряется ровно на 2,5 сек в сутки (представляете на сколько при этом поднимается центр тяжести маятника?). Так что теперь их ход можно регулировать – кладя или снимая монетки на сосчитанное время – с любой точностью!

30. Как правило, ваш грузик получает импульс в двух плоскостях – в плоскости, перпендикулярной к проему двери, и в плоскости веревочной петли, т.е. в плоскости проема. И поэтому он будет участвовать сразу в двух колебаниях. Сложение их приводит к очень причудливым кривым, которые, кстати, можно сфотографировать таким образом: нужно подвесить вместо грузика маленький фонарик с батарейкой, расстелить на полу под маятником темную материю и затемнить комнату. Тогда вы увидите на полу вычерчиваемый световой след кривой Лиссажу. А зафиксировать ее можете фотоаппаратом, открытым с малой диафрагмой на долгое время.

Получение таких фигур можно сравнить с появлением картинок в телевизоре. В черно-белом телевизоре изображение возникает потому, что электронный луч движется и горизонтально, и вертикально, т.е. тоже участвует в двух колебаниях одновременно но согласно принятому во многих странах стандарту он за одну секунду 25 раз проходит все 625 строк экрана, в каждой из которых размещается по 625 люминофоров, дающих короткую, меньше 1/25 сек, вспышку. Таким образом, здесь происходит сложение колебаний по вертикали и горизонтали. В цветном телевизоре так «гуляют» три луча, а в каждой точке находятся три люминофора основных цветов.

31. При таком натирании на одном теле скапливаются положительные, а на другом отрицательные заряды – явление это было впервые обнаружено на палочках из янтаря, а янтарь, по-гречески, электрон ). Но одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. Вот на линейке (она уравновешивается на верхушке яйца для облегчения вращения), к которой вы поднесли заряд, первоначально нейтральной заряды разделяются: к ближнему краю устремляются заряды противоположные тем, что вы поднесли, а одноименные с ним уходят на дальний конец линейки. Все полоски бумаги заряжаются одноименными зарядами и поэтому отталкиваются друг от друга.

32. Есть очень простой способ: взвесьте свой сосуд пустым, а затем наполните его водой доверху и снова взвесьте. Таким образом, вы узнаете, сколько кг воды он вмещает, а т.к. один килограмм воды занимает объем ровно в один куб. дециметр, то вы уже знаете и его объем.

33. Вырежьте из всех бумаг узкие полоски и опустите их концы в воду. Та бумага, которой выше всех намокнет, обладает наиболее тонкими капиллярными порами, а значит лучше других подойдет и для фильтра (нельзя, конечно, использовать быстро распадающуюся при намокании бумагу).

34. Ответ очень прост – лист наэлектризовался, теперь он и поверхность стекла, к которой он прилегает, образуют заряженный конденсатор. Если вы такой же опыт сделаете вечером, в темной комнате (тереть придется несколько дольше, т.к. стекло холодное), то при отдирании газеты можно увидеть красивые голубые искры разрядов. (Этот опыт описан в маленькой книжке Я.И.Перельмана «Газетный лист».)

Статья поступила в редакцию 05.05.2005 г.