Методичка. Олимпиада х
 Скачать 1.21 Mb.
|
|
Использование технических средств Электронный секундомер Задание: установите зависимость времени распростране- ния поперечной волны по свободно висящей цепочке от ниж- него свободного конца до верхнего закреплённого конца от длины цепочки. 160 Часть 2 Оборудование: длинная (2 м) цепочка одинаковых ша- риков, нанизанных на гибкую нить (ёлочное украшение), штатив с креплениями и дополнительным стержнем длиной 1,5 м, электронный секундомер и две пары датчиков на запуск и остановку секундомера, состоящие из светодиодов и фотодиодов, которые при перекрывании светового потока выдают сигналы на запуск и остановку секундомера. Решение. Цепочка подвешивается на кронштейне к стерж- ню, который закреплён на штативе. Датчики устанавлива- ются рядом с нижним концом цепочки по разные стороны от него. Самый нижний шарик располагается чуть ниже датчиков. Щелчком пальца или линейки по нижнему шари- ку на цепочке возбуждается поперечная волна. Амплитуда отклонения нижних шариков должна быть достаточной для срабатывания датчиков запуска и остановки секундомера. Время движения волны вверх и вниз одинаково и пропор- ционально квадратному корню из длины цепочки. Воздуходувка Известно, что в струе воздуха, выходящего из воздуходув- ки, можно «подвесить» массивный шарик. Задание: установите зависимость силы, с которой воз- дух, выходящий из отверстия воздуходувки, действует на шарик, расположенный на оси симметрии воздушной струи, от расстояния между центром шарика и серединой выходного отверстия. Найдите зависимости этой силы от радиуса шари- ка и от расстояния до оси симметрии при наличии смещения шарика от этой оси. Оборудование: воздуходувка, создающая струю воздуха, направленную вертикально вверх (вместо воздуходувки мож- но использовать бытовой пылесос), шарики разных размеров и масс, три штатива, нитки, динамометры, стопка книг раз- ной толщины с суммарной толщиной около 20 см, линейка 0,4 м—0,6 м или рулетка. Возможное решение. Можно зафиксировать положение шарика в пространстве над столом, а под ним перемещать воздуходувку. Для удержания шарика на одном месте мож- но использовать две или три нити, натяжения которых из- Экспериментальные задачи физических олимпиад 161 меряются с помощью динамометров. Если подобрать такое расположение нитей, удерживающих шарик на месте, чтобы они были взаимно перпендикулярны, то расчёт величины суммарной силы не представляет труда. Вертикальное по- ложение воздуходувки изменяется подкладыванием под неё разного количества книжек. Воздушный компрессор для аквариума Задание: найдите максимальное давление воздуха, ко- торое может создать компрессор, и установите зависимость производительности компрессора от разницы давлений (вы- ходное давление — атмосферное давление). Оборудование: пластиковая прозрачная бутылка 2 л, про- бка со штуцером, трубка с внутренним диаметром больше 5 мм, соединительные трубки, краны, затычки, пластиковая трубка длиной 1,5 м с внутренним диаметром 2 мм. Электромотор Задание: установите зависимость развиваемой коллектор- ным электрическим мотором механической мощности на валу от «нагрузки». Оборудование: коллекторный электромотор, источник пи- тания, соединительные провода, амперметр, вольтметр, шта- тив (2 м) с кронштейнами, блоки, прочные капроновые нити, набор грузов с прорезями. Примечание: один из блоков должен содержать два скле- енных соосно шкива разных диаметров (1 : 5) на одной оси — это редуктор для электромотора. Можно использовать элек- тромотор и редуктор, которые объединены в один механизм. Школьные мини-лаборатории «NOVA5000» Теплопроводность Задание: найдите величину удельной теплопроводности материала, из которого сделана толстая проволока с изоля- ционным слоем на поверхности. 162 Часть 2 Оборудование: базовая модель NOVA5000 с четырьмя дат- чиками температуры, два стаканчика с мерными делениями, пачка бумажных салфеток, миллиметровая бумага, кусок толстой проволоки длиной около 15—20 см с ПВХ изоля- цией, изогнутый в форме подковы, концы проволоки осво- бождены от изоляции и расплющены. Можно использовать толстую (с поперечным сечением 30—100 мм 2 ) медную или алюминиевую проволоку. Горячая и холодная вода по требо- ванию. Ход работы: подготавливаются к измерениям лаборато- рия NOVA5000 и датчики температуры. В каждый стаканчик можно опустить от одного до четырёх датчиков температуры в разные места объёма. Это нужно для проверки того, что температура воды во всём объёме стакана примерно одина- кова. В один стаканчик наливается холодная вода с темпера- турой ниже комнатной, а в другой — горячая вода с темпе- ратурой выше комнатной. В стаканчики опускаются разные концы толстой проволоки. По изменению температур воды в стаканах вычисляется удельная теплопроводность матери- ала проволоки. Длина изолированного участка проволоки и площадь его поперечного сечения измеряются с помощью миллиметровой бумаги. Меры предосторожности, принимаемые для того, чтобы увеличить точность измерений и уменьшить тепловые потери или «приобретения»: желательно, чтобы разница температур воды и комнаты не превышала 15 градусов. Тогда тепловые потоки от окружающей среды к холодной воде или от горячей воды к окружающей среде будут не слишком велики. Для оценки мощности соответствующих потоков нужно последить за показаниями приборов, помещённых в изолированные ста- канчики, в которые ещё не опущены концы проволоки. Перед началом регистрации данных в эксперименте с проволокой нужно выждать некоторое время, в течение которого в прово- локе установится стационарное распределение температуры, и затем быстро сменить воду в обоих стаканчиках. Только после этого стоит регистрировать зависимости показаний приборов от времени. Для оценки времени выжидания можно окунуть проволоку, имеющую комнатную температуру, обо- ими её концами только в один стаканчик и последить за Экспериментальные задачи физических олимпиад 163 изменением показаний термометров. Следует использовать бумажные салфетки для термоизоляции стаканчиков и про- волоки. Освещённость—1 Задание: получите зависимость освещённости от рассто- яния до источника света в двух случаях: источник имеет малые размеры (точечный), источник представляет собой длинный светящийся цилиндр. Оборудование: мини-лаборатория NOVA5000, оснащённая датчиками освещённости с разными чувствительностями, ав- томобильная лампочка накаливания 12 В ×50 Вт на штати- ве с источником питания, люминесцентный источник света в форме длинного цилиндра с блоком питания на штативе, соединительные провода. Большой кусок картона, покрашен- ного с одной стороны чёрным цветом, а с другой стороны — белым (из него можно сделать коробку для затемнения боль- ших размеров, чтобы в ней поместилось оборудование без экспериментатора и блока NOVA5000). Линейка с миллимет- ровыми делениями, нитка, липкая лента, ножницы. Предполагаемые действия: на столе устанавливается обо- рудование. Линейка приклеивается к поверхности стола. К штативу с источником света крепится нитка и вытягивается вдоль линейки. Изготавливается картонная коробка с внут- ренними чёрными стенками. Собранная установка накрыва- ется картонной коробкой, и коробка крепится к столу липкой лентой. Положение источника света можно менять с помо- щью нитки, передвигая его под коробкой вдоль поверхности стола. Без коробки провести достаточно точные измерения невозможно, так как мешает внешнее освещение. Освещённость—2 Задание: получите зависимость яркости свечения лампоч- ки накаливания в видимом диапазоне длин волн от подводи- мой к ней электрической мощности. Оборудование: мини-лаборатория NOVA5000, оснащённая датчиками освещённости с разными чувствительностями, ав- 164 Часть 2 томобильная лампочка накаливания 12 В ×50 Вт на штативе с источником питания, амперметр, вольтметр, картонная ко- робка с чёрными внутренними стенками, светофильтр, выде- ляющий свет вблизи длины волны 0,5 мкм (0,48—0,56 мкм). КПД преобразования электроэнергии в свет лампочкой накаливания Поскольку глаза человека наполнены водой, участок спек- тра электромагнитных волн, пропускаемых водой, примерно совпадает с видимым глазами диапазоном длин волн. Задание: определите долю энергии видимого света в из- лучении, создаваемом лампочкой накаливания, работающей в номинальном режиме. В качестве фильтра, поглощающего ИК-излучение и пропускающего видимый свет, используйте прозрачную воду. Оборудование: мини-лаборатория NOVA5000, оснащённая четырьмя датчиками температуры. Автомобильная лампочка накаливания 12В ×50 Вт на штативе с источником пита- ния, амперметр, вольтметр. Три тонкостенных плоскодон- ных стеклянных цилиндрических стакана одинаковой высо- ты (около 15 см) с разными диаметрами (стаканы входят друг в друга с зазорами шириной около 1 см; во внутренний стакан свободно входит лампочка с зазорами порядка 1 см). Стеклянная мензурка с делениями объёмом 150—200 мл. Прямоугольный кусок бархатной бумаги чёрного цвета или кусок чёрной бархатной ткани с такими размерами, чтобы можно было обернуть боковую поверхность стакана с самым большим диаметром. Чистая вода по требованию. Предполагаемое решение. Стаканы помещаются соосно внутрь друг в друга. Внешний и внутренний стаканы напол- няются водой, объёмы залитой воды измеряются мензуркой. Получается воздушный зазор между средним и внутрен- ним стаканами. Бархатная бумага сворачивается в цилиндр и опускается в воду внутрь внешнего стакана. Лампочка до её включения (!), то есть в холодном состоянии погружается полностью в воду внутрь самого маленького по диаметру ста- кана. Датчики температуры помещаются во внутренний слой воды и во внешний слой воды. Всё, что проходит сквозь про- Экспериментальные задачи физических олимпиад 165 зрачную воду в видимом диапазоне длин волн, поглощается чёрной бумагой, а большая часть ИК-излучения будет погло- щена водой во внутреннем стакане самого малого диаметра. По изменению температуры воды можно вычислить тепловые мощности, выделяющиеся во внутреннем слое и во внешнем слое воды. Суммарная тепловая мощность примерно равна электрической мощности, подводимой к лампочке. Потери энергии имеют место только вблизи дна и верха внешнего стакана, где свет не улавливается чёрной бумагой. Реле в экспериментальных задачах Реле РЭС9 (РЭС10 или другие подобные им реле) исполь- зуется в качестве объекта изучения. У реле имеется обмотка, состоящая из большого количества проволочных витков, вы- воды для подключения концов обмотки к источнику тока, группы выводов (одна или несколько), между которыми мо- гут существовать электрические контакты. В группу обычно входят три вывода (им соответствуют три возможных состояния контакта). Два из выводов группы (№ 1 и № 3) замкнуты, когда через обмотку реле ток не течёт вовсе или течёт недостаточно большой ток. При этом третий вывод (№ 2) с двумя контактирующими выводами не соединён. О такой паре выводов, контактирующих при отсутствии тока в обмотке реле, говорят, что они «нормально замкнутые». Выводы реле иногда называют «контактами», что с точки зрения логики неправильно, но традиция есть традиция... Если ток в обмотке реле превышает некоторую пороговую величину — ток срабатывания, то реле «включается» и нор- мально замкнутая пара выводов размыкается, а замыкается другая пара № 2 и № 3. Их называют «нормально разомкну- тыми» выводами. При уменьшении тока в обмотке сработавшего реле до определённого значения — тока отпускания — реле вновь пе- реключается к нормальному положению выводов. Обычно ток отпускания реле меньше тока срабатывания на 10—20%. 166 Часть 2 Бывают реле, у которых группы состоят только из двух выводов, причём есть группы как с «нормально замкнуты- ми», так и с «нормально разомкнутыми» выводами. В течение небольшого времени, пока происходит «пе- реброска» одного из выводов (№ 3) — его ещё называют «язычком» — от первого ко второму (или обратно), все три вывода не контактируют друг с другом. Это время называют «мёртвым». Мёртвое время t 1—2 может отличаться от време- ни t 2—1 Время срабатывания реле Найдите зависимость промежутка времени, отсчитывае- мого от момента подключения реле к источнику тока до момента замыкания нормально разомкнутых контактов реле, от поданного на обмотку реле напряжения. Оборудование: реле с одной группой из трёх выводов (нормально замкнутых и нормально разомкнутых), батарейка «Крона» (9 В), переменный резистор (потенциометр) с сопро- тивлением 0—70 Ом, конденсатор известной ёмкости (10 мкФ), резистор с неизвестным сопротивлением (10 кОм), мульти- метр, микроамперметр (может работать в баллистическом режиме), соединительные провода. Способ решения описан в части 1 книги в разделе «Изме- рение малых промежутков времени». Время отпускания реле Найдите промежуток времени от момента отключения обмотки реле от источника тока до момента замыкания нор- мально замкнутых контактов реле. Оборудование: реле с одной группой из трёх выводов (нормально замкнутых и нормально разомкнутых), батарейка «Крона» (9 В), переменный резистор (потенциометр) с сопро- тивлением 0—70 Ом, конденсатор известной ёмкости (10 мкФ), резистор с неизвестным сопротивлением (10 кОм), мульти- метр, микроамперметр (может работать в баллистическом режиме), соединительные провода. Экспериментальные задачи физических олимпиад 167 Способ решения описан в части 1 книги в разделе «Изме- рение малых промежутков времени». Мёртвое время При переключении реле из положения с нормально за- мкнутыми выводами к положению, когда замкнуты нор- мально разомкнутые выводы, имеется промежуток времени, в течение которого язычок реле не подключён ни к нормально замкнутому, ни к нормально разомкнутому выводу. Найдите зависимость этого промежутка времени от поданного на об- мотку реле напряжения. Оборудование: реле с одной группой из трёх выводов (нормально замкнутых и нормально разомкнутых), батарейка «Крона» (9 В), переменный резистор (потенциометр) с сопро- тивлением 0—70 Ом, конденсатор известной ёмкости (10 мкФ), резистор с неизвестным сопротивлением (10 кОм), мульти- метр, микроамперметр (может работать в баллистическом режиме), соединительные провода. Способ решения описан в части 1 книги в разделе «Изме- рение малых промежутков времени». Гистерезис Внутри «чёрного ящика» находятся соединённые неиз- вестным образом реле и резистор. Задание: определите параметры элементов, находящихся внутри «чёрного ящика». Оборудование: «чёрный ящик», батарейка «Крона», муль- тиметр, вольтметр, потенциометр, соединительные провода. Решение. Нужно построить зависимость сопротивления «чёрного ящика» от напряжения на его выводах и нарисовать возможную электрическую схему, которая могла бы обладать такими свойствами. Обмотка реле с сопротивлением R в «чёрном ящике» подключается к выводам «чёрного ящика» последовательно с резистором, имеющим сопротивление R/2, через нормально замкнутые выводы реле. При этом нормально разомкнутый вывод реле подключён к выводу из «чёрного ящика» непо- 168 Часть 2 средственно (то есть минуя добавочный резистор). После срабатывания реле ток обмотки вырастает в 1,5 раза, так как суммарное сопротивление цепи становится меньше в 1,5 ра- за. Это обеспечивает увеличение различия тока срабатывания и тока отпускания реле — гистерезис. Предполагается, что школьники нарисуют схему с реле (рис. 28). Рис. 28 Задачи, которые ещё не давались на олимпиаде Столкновение монет Установите долю механической энергии, которая теряется при упругом ударе двух монет. Оборудование: две монеты по 5 руб. и две монеты по 2 руб., штатив с зажимами, упругая пластиковая (или дере- вянная) линейка, миллиметровая бумага, лист белой бумаги формата А2 или А1. Предполагаемый способ решения задачи. Изготавлива- ется «пусковая установка» для монет. Для этого упругая линейка крепится в штативе так, чтобы при её оттягивании и отпускании она ударяла по монете и сообщала ей некую фиксированную скорость. Проверяется «качество» пусковой установки. После щелчков монета скользит по горизонталь- ной поверхности стола, покрытой бумагой, и останавливается на некотором расстоянии от места старта. Сначала замеряют- ся «длины пробега» монеты, не испытавшей удара. А затем измеряются «длины пробега» монеты, лежавшей на столе Экспериментальные задачи физических олимпиад 169 и получившей импульс после столкновения с другой монетой, которую запустили из «пусковой установки». Мощность лампочки Задание: измерьте электрическую мощность, подводимую к лампочке накаливания. Оборудование: источник питания 5 В, лампочка нака- ливания, штатив, термометр, пластиковый цилиндрический стаканчик, чёрная копировальная бумага (10 см ×10 см), миллиметровая бумага. Нельзя горячую (горящую) лампочку из воздуха опускать в воду! Стеклянный баллон лопнет, а вторую лампочку вам не дадут! Из воды в воздух горящую лампочку вынимать можно. Лампочка в холодном состоянии помещается внутрь ста- канчика, чёрная бумага тоже помещается внутрь — она про- кладывается вдоль стенок стаканчика. Только после этого в стакан заливается вода, в неё опускается термометр, а уж затем лампочка подключается к источнику тока. Плотность воды Найдите зависимость плотности воды от температуры в диапазоне 0 ◦ C—50 ◦ C при атмосферном давлении. Оборудование: стеклянная бутылочка от детского пита- ния, пробка со штуцером, пластиковая трубка с диаметром внутреннего отверстия примерно 2 мм и длиной 1,5 м, шприц 10 мл без иглы, стеклянная банка 1 л, снег, горячая и холод- ная вода по требованию. Считайте, что при 4 ◦ C плотность воды равна 1000 кг/м 3 Большой период колебаний Задание: сделайте устройство, в котором бы происходили колебания с периодом 5 с. Оборудование: штатив с двумя кронштейнами, деревян- ная линейка 40 см, нить. Экспериментатор после изготовления устройства подзыва- ет дежурного с секундомером, и дежурный проводит изме- 170 Часть 2 рение периода колебаний. Результат фиксируется в рабочей тетради и визируется дежурным. Пользоваться собственными часами запрещается! Оценка за результат тем выше, чем ближе период колебаний в изго- товленном устройстве к заказанной величине. Точка Кюри Задание: найдите зависимость силы притяжения магнита и кусочка железо-никелевого сплава от температуры. Оборудование: магнит, стерженёк из сплава, стеклянный сосуд для воды, бумажные салфетки, термометр, штатив, нить, липкая лента «скотч», холодная и горячая вода по требованию. (Сплав имеет точку Кюри около 60 ◦ C.) Силы можно измерять известными методами, например методом разложения сил с использованием нити и груза. Из- менение температуры сплава достигается помещением сплава в горячую воду. Разборный трансформатор Дана батарейка «Крона» 9 В, два конденсатора C 1 = 1 мкФ и C 2 = 900 мкФ, разборный трансформатор с одной намо- танной и одной пустой катушкой. Намотанная катушка — готовая обмотка недоделанного трансформатора — содержит 2—3 тысячи витков, это число указано на ней. Катушка проволоки для наматывания второй обмотки. Переключатель электрической цепи, соединительные провода диод, элек- тростатический вольтметр или вольтметр с очень большим внутренним сопротивлением (желательно в несколько сотен МОм) 1 Задание: с помощью батарейки можно заряжать толь- ко конденсатор ёмкостью 900 мкФ. От этого заряженного конденсатора нужно за один раз передать незаряжённому 1 Кстати, для целей этого эксперимента подойдёт школьный демон- страционный осциллограф, у которого выводы отклоняющих пластин выведены наружу и не соединены с какими-либо другими блоками этого осциллографа. Экспериментальные задачи физических олимпиад 171 конденсатору с ёмкостью 1 мкФ максимально возможную энергию. После проведения успешного эксперимента нужно подозвать одного из дежурных и провести контрольный экс- перимент в его присутствии. Полученный результат в Воль- тах записывается в рабочую тетрадь, а дежурный «визирует» его. (В первичной обмотке трансформатора должно быть в pC 2 /C 1 = 30 раз меньшее количество витков, чем во вторич- ной обмотке.) Труба в «чёрном ящике» Из «чёрного ящика», жёстко закреплённого на столе, вы- ходят два конца пластиковой прозрачной трубки с внутрен- ним диаметром 1—1,5 см. Участки концов длиной 15—20 см расположены вертикально и закреплены. Один из концов вверху «загибается вниз» — в него воду наливать невозмож- но. Задание: определите длину однородной трубки, находя- щейся внутри «чёрного ящика». Оборудование: секундомер, воронка, вода по требованию (дежурный наливает воду в трубку из чайника, а эксперимен- татор командует: «лей — стоп»). Решение. Вода наливается до тех пор, пока в двух вер- тикальных участках трубы не появятся «столбики» воды, заполнившие эти вертикальные участки наполовину. В до- ступный для наливания воды конец трубы экспериментатор дует и добивается того, что в другом видимом вертикальном участке трубы вода поднялась почти до верхней точки. За- тем «дутьё» прекращается и измеряется период возникших колебаний воды в трубке. Этот период связан с общей длиной участка трубки, заполненного водой, а не только с видимыми заполненными водой участками. Шарик с газом Задание: установите, каким газом наполнен выданный резиновый шарик с диаметром примерно 20—25 см. Обо- лочку шарика экспериментатор сам отдаёт организаторам, 172 Часть 2 и они возвращают ему эту оболочку с газом внутри. Газ «выдаётся» только один раз в тот момент, когда его попросит экспериментатор. Оборудование: рычажные весы, штатив, несколько не на- дутых резиновых (воздушных) шариков, бумажная рулетка 1 м с миллиметровыми делениями, нитка, липкая лента «скотч», учебник по физике или по другому предмету. (Кни- га должна иметь стандартные размеры и массу, близкую к массе стандартного учебника. Набор гирь и габариты весов должны быть такими, чтобы книгу нельзя было взвесить непосредственно на весах, а только методом «частичного» взвешивания.) Книгу можно заменить на плоское стекло толщиной 3—4 мм, длина и ширина стекла должны быть примерно такими же, как у книги. Шарики можно надувать углекислым газом или арго- ном — эти газы имеют б´ольшую плотность, чем плотность воздуха в комнате. Книга нужна, чтобы узнать давление газа внутри, для этого она кладётся сверху на шарик, и давление измеряется по размеру пятна контакта книги и шарика. Решение очевидное — оболочка шарика взвешивается до заполнения её газом, а затем взвешивается та же оболочка с газом внутри. Рулетка используется для нахождения объ- ёма газа в шарике. С помощью учебника или листа стекла можно оценить давление газа внутри шарика. Оно не сильно отличается от внешнего атмосферного давления. По резуль- татам проведённых измерений оценивается молярная масса газа. Очковая линза Задание: найдите коэффициент преломления выпукло-во- гнутой линзы от очков с оптической силой примерно (+2)— (+2,5) дптр. На потолке (высота более 3,5 м) должен быть яркий источник света — лампа накаливания небольших раз- меров. Оборудование: линза, миллиметровая бумага, яркий то- чечный источник света на потолке. Решение. Поверхность стекла частично отражает свет. Поэтому в том случае, когда центры кривизны стеклянных Экспериментальные задачи физических олимпиад 173 поверхностей находятся между стеклом и далёким точечным источником света, можно получить действительные изоб- ражения источника света не только «за линзой», но и в промежутке между линзой и источником света. Эти изобра- жения можно получить, например, на листочке бумаги. Для решения задачи необходимо найти и фокусное расстояние линзы F, и расстояния L 1 и L 2 от линзы до действительных изображений, получаемых между линзой и источником све- та. Таких изображений достаточно большой яркости два (их на самом деле больше, но все остальные изображения имеют существенно меньшую яркость, чем два самых ярких). Одно из этих изображений создаётся только при отражении света от вогнутого «зеркала» с небольшим коэффициентом отраже- ния. Измерив расстояние от линзы до этого изображения L 1 (оно дальше от линзы, чем второе изображение), можно вычислить радиус кривизны этого «зеркала»: R 1 = 2L. Второе изображение между линзой и источником света создаётся при двойном прохождении света через линзу и отражении от другого тоже вогнутого зеркала, у которого такой же малый коэффициент отражения. Измерив расстояние до него L 2 , можно найти значение величины: 1/L 2 = 2/F + 2/R 2 Вычислив из этих данных радиусы кривизны поверхно- стей линзы R 1 и R 2 , можно воспользоваться формулой линзы 1 F = (n −1) 1 R 1 + 1 R 2 Из этой формулы вычисляется значение коэффициента пре- ломления n материала, из которого сделана линза. Мультивибратор Задание: соберите устройство, которое бы генерировало электрические колебания на основной частоте 200 Гц (или в диапазоне 100—500 Гц). Оборудование: два одинаковых транзистора (с паспортом на них), батарейка, соединительные провода, монтажная пла- та, резисторы и конденсаторы из определённых диапазонов (100 Ом—10 МОм, 0,01 мкФ—10 мкФ) выдаются по требова- нию экспериментатора. 174 Часть 2 Участник соревнований подзывает дежурного и сообщает, что может предъявить результат. Эксперимент проводится в присутствии дежурного, результат фиксируется в рабочей тетради, и дежурный его «визирует». Чем меньше деталей заказал и получил участник и чем быстрее он заставил схему генерировать на нужной частоте (±10%), тем более высокий балл он получает. Фазовращатель Задание: соберите схему, которая бы позволяла из сину- соидального сигнала на частоте 10 3 Гц получить сигнал, тоже меняющийся по гармоническому закону, но со сдвигом фазы на определённый угол (в диапазоне от +70 ◦ до −70 ◦ ). Оборудование: переменный резистор 100 кОм, соедини- тельные провода, монтажная плата, резисторы и конденсато- ры из определённых диапазонов (100 Ом—10 МОм, 0,01 мкФ—10 мкФ) выдаются по требованию эксперимента- тора. Участник соревнований подзывает дежурного и сообщает, что может предъявить результат. Эксперимент проводится в присутствии дежурного, результат фиксируется в рабочей тетради, и дежурный его «визирует». Чем меньше деталей заказал и получил участник и чем быстрее он заставил схему работать так, как указано в усло- вии задачи, тем более высокий балл он получает. П Р И Л О Ж Е Н И Я Инструкция по технике безопасности для учеников, работающих в школьной учебно-научной лаборатории 0. Работать в одиночку в лаборатории запрещено! 1. Будьте внимательны, дисциплинированны, осторожны: сначала выполните указания учителя, а затем спросите, по- чему он его дал (иначе вопрос может потерять актуальность). 2. Входя в лабораторию, снимите сумки с плеча. Сумкой легко задеть приборы, стоящие на столах (вспомните челове- ка с рюкзаком в автобусе). 3. Приборы и оборудование, находящиеся в лаборато- рии, не одноразовые! Не следует уносить их с собой из лаборатории! Инструментов немного, поэтому лучше руко- водствоваться правилом: «где взял, туда же и положи после использования». 4. Уберите со стола всё лишнее. Лишние предметы будут мешать, а тетради и книги по другим предметам можно залить или поджарить. Единственный предмет, который при- годится при любой работе, хотя и не указан отдельно, — это голова. Но расположение и крепление её выполнено столь удачно, что она никогда не мешает в работе. 5. Перед работой продумайте все этапы её выполнения. Созданная вами установка должна быть безопасной и не должна мешать работе ваших коллег. Если после вниматель- ного знакомства с задачей у вас остались вопросы — задайте их учителю. Будьте гуманны, ведь одновременно работать над многими задачами не может даже учитель. 6. Собрав электрическую цепь, проверьте её ещё раз, а затем позовите учителя. После его разрешения можно пода- вать напряжение на схему. Конструкторы приборов не могли предусмотреть всех ваших ошибок. Электрические приборы, как правило, выходят из строя гораздо быстрее, чем вы успеете понять, что допустили ошибку. 176 Приложения 7. К оголённым местам проводов не стоит прикасаться не только руками, но и проводниками (например, грифель карандаша является прекрасным проводником). 8. Помните, что конденсатор и после отключения от сети остаётся заряженным. Конденсатору всё равно через кого раз- ряжаться, а вам нет. Предоставьте конденсатору возможность разрядиться через проводник, который следует держать за изолирующую ручку (обычно это делают отвёрткой). 9. После окончания работы сначала отключите схему от источника напряжения, а затем её разбирайте. Ведь никому в голову не придёт отвинчивать батарею, не перекрыв горя- чую воду. 10. Будьте особенно осторожны при работе со стеклянной посудой или термометрами, они очень хрупки. Разбив стек- ло, не пытайтесь сами ликвидировать последствия. Вы своё сделали, остальное может сделать и учитель. 11. Перед работой нужно аккуратно подобрать распу- щенные волосы (отнюдь не из эстетических соображений). Длинные распущенные волосы не только прекрасно выгля- дят, но и великолепно горят (не всякое утверждение стоит проверять экспериментально). 12. Не пытайтесь заглянуть в работающий лазер, это очень опасно (не для лазера, а для ваших глаз). 13. Если вам потребовалось дополнительное оборудование или приборы, вы их можете получить только с разрешения учителя. 14. Если вы прочитали всю инструкцию и согласны с ней, смело приступайте к работе, если нет, см. п. 1. Автор инструкции Евгений Леонович Мещерский Оценки успеваемости в академии генерального штаба (1880 г.) 1-я степень: успехи слабые. Ученик едва прикоснулся к науке по действительному ли недостатку природных спо- собностей, требуемых для успеха в ней, или потому, что совершенно не радел при наклонностях к чему-либо иному. Оценки успеваемости в академии генерального штаба (1880 г.) 177 2-я степень: успехи посредственные. Ученик знает неко- торые отрывки из преподанной науки, но и те присвоил себе одной памятью. Он не проник в её основание и в связь частей, составляющих полное целое. Посредственность сия, может быть, происходит от некоторой слабости природных способ- ностей, особливо от слабости того самомышления, которого он не мог заменить трудом и постоянным упражнением. От- личные дарования при легкомыслии и празднолюбии влекут за собой те же последствия. 3-я степень: успехи удовлетворительные. Ученик знает науку в том виде, как она ему была преподана. Он постигает даже отношения всех частей к целому в изложенном ему порядке, но он ограничивается книгой или словами учителя, приходит в замешательство от соприкосновенных вопросов, предлагаемых на тот конец, чтобы он сблизил между собою отдалённейшие точки. Даже выученное он применяет не ина- че, как с трудом и напряжением. На сей степени останавливаются одарённые гораздо более памятью, нежели самомышлением; но они прилежанием сво- им доказывают любовь к науке. Эту степень можно назвать степенью удовлетворительных успехов, потому что ученик, достигнув оной, в состоянии будет следовать за дальнейшим развитием науки и применять её в случае надобности. При- том и размышление, всегда позже памяти нас посещающее, пробуждается часто даже среди этой механической работы. 4-я степень: успехи хорошие. Ученик отчётливо знает преподанное ему учение; он умеет изъяснить все части из на- чал, постигает взаимосвязь их и легко применяет усвоенные истины к обыкновенным случаям. Тут действующий разум ученика не уступает памяти и он почитает невозможным выучить что-либо, не понимая. Один недостаток прилежания и упражнения препятствует такому ученику подняться выше. С другой стороны, и то правда, что самомышление в каждом человеке имеет известную степень силы, за которую черту при всех напряжениях перейти невозможно. 5-я степень: успехи отличные. Ученик владеет наукой: весьма ясно и определённо отвечает на вопросы, легко срав- нивает отдалённейшие точки учения и с проницательностью, 178 Приложения довольно изощрённою упражнениями, разбирает новые и сложные предлагаемые ему случаи; знает слабые стороны учения, в коих сомневаться должно, и что можно возразить против теории... Только необыкновенный ум при помощи хорошей памяти, в соединении с пламенной любовью к на- укам, а следовательно, и с неутомимым прилежанием может подняться на такую высоту в области знания. О Г Л А В Л Е Н И Е Введение 3 Часть 1 5 Работы по механике 5 Простые измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Тормоза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Прочность нити . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Вес купюры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Маятник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Электрические измерения на постоянном токе 17 Резисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Большие сопротивления . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Точные измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Нагрузочная кривая . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Зависимость сопротивления от температуры . . . . . 27 Баллистический метод . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Малые интервалы времени . . . . . . . . . . . . . . . 35 Погрешности 38 Приборы и способы измерений физических величин 48 Правила записи измеренных величин с указанием ошибок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Вероятности осуществления событий . . . . . . . . . 51 Как не следует поступать, или гипотетический школьник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Часть 2 58 Планирование эксперимента . . . . . . . . . . . . . . 59 Оформление отчёта о работе . . . . . . . . . . . . . . 60 180 Оглавление Экспериментальные задачи физических олимпиад 62 Механика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Термодинамика и молекулярная физика . . . . . . . 88 Электрические измерения . . . . . . . . . . . . . . . 105 Колебания и переменный ток . . . . . . . . . . . . . 127 Магнитные измерения . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Оптика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 Самодельный манометр . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Использование технических средств . . . . . . . . . . 159 Школьные мини-лаборатории «NOVA5000» . . . . . 161 Реле в экспериментальных задачах . . . . . . . . . . 165 Задачи, которые ещё не давались на олимпиаде . . . 168 Приложения 175 Инструкция по технике безопасности для учеников, работающих в школьной учебно-научной лаборатории 175 Оценки успеваемости в академии генерального штаба (1880 г.) 176 Варламов Сергей Дмитриевич Зильберман Александр Рафаилович Зинковский Василий Иванович Э К С П Е Р И М Е Н Т А Л Ь Н Ы Е З А Д А Ч И Н А У Р О К А Х Ф И З И К И И Ф И З И Ч Е С К И Х О Л И М П И А Д А Х Редакторы А. К. Кулыгин, М. В. Семёнов, Д. Е. Щербаков Корректор О. А. Васильева Тех. редактор Д. Е. Щербаков Подписано в печать 15/XII 2008 года. Формат 60 × 90 1 / 16 Бумага офсетная № 1. Печать офсетная. Объём 11,5 печ. л. Гарнитура Школьная. Тираж 2000 экз. Заказ № Издательство Московского центра непрерывного математического образования. 119002, Москва, Большой Власьевский пер., 11. Тел. (499) 241 74 83. Отпечатано с готовых диапозитивов в ППП «Типография „Наука“». 119099, Москва, Шубинский пер., 6. |