Laboratorium fizyczne w domu (WNT) - [PDF]

Zitiervorschau

· -

Od Autora

5

l. Holografia bez lasera 2. Co ma światło poprzecznego, czyli o zachłannej kałuży cukrze malkontencie 3. celofan jest niesprawiedliwy, czyli o poprzeczności światła dalszy

4.

7 12 18 22

28 7. Jak nie zbudować mikroskopu na 8. Tylko dl.a czarnowidzów: budujemy pirometr

świecie?

9. Prawo Ohma do lamusa? czyli- straszne wnioski, do japrzy cechowaniu pirometru kich można 10. Budujemy miernik prądu elektrycznego li. A jednak albo - bieg z przeszkodami dla elektronów 12. O samoindukcji, ładowaniu kondensatora i neonówce, napięciu w dzwonku i generatorze drgań o

33 35 45

48 51 57

59 13. elektryczny w szkle 14. Ring wolny: walki w wadze papierowej 15. Co można zmierzyć igłą magnetyczną? 16. Fotod1•oda

3

64 67 71

78

17. Kino krótkich filmów, czyli stroboskop 18. Prawo Webera-Fechnera 19. Oko i barwa 20. Bardzo duży zegar. retro 21. Komputer sadysta albo - jak zrobić wykres 22. Funkcja wykładnicza w fizyce

23. Czy Ziemia może podskoczyć albo - co się rusza w zegarku 24. Perpetuum mobile dla. każdego 25. Drgania są wszędzie 26. Co się kurczy przy ogrzewaniu? 27. Niestrudzone wahadełko albo - o niezbyt rezonansowym rezonansie 28. Jak drga struna i w czym fortepian jest lepszy od bębna? 29. Uczymy się u nietoperza: ultradźwięki

0

81 85 89 91 95 99

109 115 117 123 125 127. 130

30. Mała kriogenika: skraplamy gaz 31. Budujemy perpetuum mobile albo - i Ty możesz zostać ornitologiem 32. Jak pomóc Kopciuszkowi. 11lbo - chromatografia prawdę Ci powie 33. Mini-termofor albo - ile wynosi ciepło krzepnięcia utrwalacza? 34. Krótki kurs pilotażu dla czarownic, część teoretyczna: aerodynamika 35. Wielkość fizyczna, która ratuje życie skoczkom spadochronowym 36. Termodynamika w aerozolu 37. Co ma wspólnego stygnięcie naczynia z wodą z rozpadem promieniotwórczym?

160

Tablice

162

134 139 143

145 148 152 158

5

Wybacz, że zacznę od rzucenia pod Twoim adresem oskarżenia, tym bardziej bezczelnego, że nie mam na jego poparcie żadnych dowodów: otóż podejrzewam Cię, że w dzieciństwie niejednokrotnie dopuściłeś się niszczenia najróżniejszych przedmiotów w tym tylko celu, aby dowiedzieć się-CO JEST W ŚRODKU. Narażając się być może na potępienie wielu poszkodowanym, przyznam się od razu do wspólnictwa w tym przestępstwie. Należy bowiem wyjaśnić, że niektórzy ludzie, choć dawno już przestali być dziećmi, nie wyrastają wcale z tego nagannego zwyczaju: właśnie z nich biorą się fizycy. Podstawową umiejętnością fizyka jest ST AWIANIE PYT AŃ ·otaczającemu światu: pytań, których charakter znakomicie oddaje to dziecięce „co jest w środku?". Rozbierając pozostawiony lekkomyślnie w Twoim zasięgu budzik,. przeprowadziłeś pierwsze doświad­ czenie: dla uzyskania odpowiedzi na postawione pytanie wykonałeś określoną czynność specjalnie w tym celu zaplanowaną. Czy odczuwasz czasem chęć zadania tego pytania z dzieciństwa? Tak? A więc właśnie Tobie jest poświęcona ta książka. Znajdziesz w niej propozycje wykonania różnych doświadczeń, które wydały mi się na tyle ciekawe, żeby Ci je przedstawić. Spróbuję Cię też namówić do zastanowienia się nad tym, co naprawdę w tych doświadczeniach się dzieje. Mam nadzieję, że wybaczysz mi, Czytelniku, bezpośrednią formę, w jakiej się do Ciebie zwracam, ale mamy przecież sporo wspólnego, a poza tym ... świat jest dostatecznie skom-

plikowany, ięby sobie nie zawracać głowy inną gramatyką niż ta najprostsza. Jeszcze jedno pozostaje do wyjaśnienia. Wielokrotnie spotkasz się na następnych stronach z techniką. Jeżeli Cię interesuje na przykład, jak zbudowany jest zegarek, ile i jakich części w nim się znajduje i jak ze sobą wszystkie współpracu­ ją- nie szukaj zaspokojenia takiej ciekawości w tej książce. My będziemy patrzeć na zegarek z .punktu widzenia fizyka. Podstawową cechą podejścia fizycznego jest dążenie do maksymalnego uproszczenia skomplikowanego obrazu rzeczywistości, co z reguły prowadzi do stosowania przybliżeń oraz założeń upraszczających. z punktu widzenia fizyka przekład­ nia złożona ·z dwudziestu siedmiu kół zębatych nie wnosi zazwyczaj nic nowego w porównaniu z przekładnią, która zawiera tylkó dwa takie koła. Dzięki rezygnacji ze szczegóło- ' wego opisu całego bogactwa faktó"'j (które byłyby podstawowej wagi dla inżyniera) fizyk może poświęcić więcej uwagi związkom ogólniejszym-chociażby,jak w doświadczeniu 23, zastanowić· się, co ma wspólnego ruch zegarka z ruchem Ziemi. Opisy różnych urządzeń technicznych, jakie znajdziesz w tej książce, nie zostały umieszczone tutaj wyłącznie po, to, . abyś mógł poznać, jak urządzenia te są zbudowane; nie po to również, abyś mógł dowiedzieć się, jak jakiś przyrząd czy mechanizm możha wykonać- one są tutaj po to, aby na przykładach pokazać funkcjonowanie pewnych praw fizycznych i wykorzystanie określonych zjawisk. A więc: jeśli · interesJ,lje Cię, CO JEST W ŚRODKU w tym ogólniejszym sensie - zapraszam Cię do lektury i współpracy. Warszawa, w kwietniu 1980

">:kła, czy nie ma w nich naprężeń, które mogłyby skrócić ich żywot. Przyrząd taki (oczywiście działający na tej samej zasadzie) przedstawiono na

21

* Należałoby w celu sprawdzenia tego rozwiązać równania Maxwella dla takiego

ośrodka.,..

nie

będziemy

tu jednak tego robili.

pokryje się" od wewnątrz mgiełką wodną. To już jest ewaporograf, a jego ekranem jest oczywiście zaparowana folia .. W miejscach, gdzie padnie odpowiednio silne promieniowanie podczerwone, folia ogrzeje się i zaparowanie zniknie - powstanie widoczny obraz. Na stole umieszczamy blisko siebie lutownicę (lub inny gorący przedmiot) i ewapórograf, a nad nimi zwierciadło

zgodnie z rysunkiem 4.1 w taki sposób, aby obraz · lutownicy wytworzył się na ekranie ewaporografu. Wygodnie jest zastąpić na razie lutownicę płaską latarką kieszonkową i ustawić zwierciadło na odpowiedniej wysokości. Zwierciadło (słoik do góry dnem) można ustawić brzegami na dwóch linijkach opartych końcami na dwóch stosach książek. Po wstawieniu gorącego przedmiotu w miejsce latarki obraz pojawia się stopniówo w ciągu kilkunastu sekund do paru minut, zależnie od warunków doświadczenia.

Przedmiot gorący nie powinien być błyszczący i gładki, bo będzie słabo emitował podczerwień. Woda w ewaporografie nie powinna być ani za zimna (zaparowanie się nie pojawi), ani za ciepła (nie będzie łatwo ustępowało pod wpływem ciepła). Przyłożenie palca do folii na parę sekund powinno powodować zniknięcie zaparowania w tym miejscu. Doświadczenie można wzbogacić badając przepuszczalność różnych materiałów (szkło, folia polietylenowa) przez wstawianie ich w bieg promieni. Abyś, Czytelniku, nie miał wrażenia, że ewaporograf jest przyrządem wynalezionym specjalnie do wykonania tego doświadczenia, wypada mi wyjaśnić

Należy się

przy tym wystrzegać pomyłki, ponieważ dwa zupełnie różne przyrządy. Nie będziemy tu mówić o samopiszącym urządzeniu do pomiaru szybkości parowania wody, a jedynie o analogicznie jak w naszym doświadczeniu działającym przyrządzie do rejestracji obrazu w podczerwieni. Jego schemat przedstawiono na rysunku 4.4. W porównaniu znaszym słoikiem, który rejestruje obrazy przedmiotów o różnicach temperatur rzędu 100°C oraz ma zdolność rozdzielczą rzędu 1 mm-1' prawdziwy ewaporograf jest nazwą tą określa się

Rys. 4.4. Schemat otrzymywania obrazów w ewaporografie: J - obraz przedmiotu, 2 - obiektyw, 3 - membrana, 4- komora próżniowa, 5 - relief (według EF, t. l, s. 526)

24

sto razy czulszy i dziesięć razy dokładniej oddaje . szczegóły obrazu. Zawdzięcza to następującym swoim cechom: 1) Po stronie ekranu, na którą pada promieniowanie; wytworzono próżnię (izolacja termiczna), a powierzchnię ekranu poczerniono (lepsze pochłanianie energii promieniowania). 2) Ma doskonalszy układ optyczny. 3) Warstwę cieczy kondensującą się na ekranie ewaporografu obserwuje się poprzez efekty interferencyjne, dzięki czemu widoczne są niezwykle małe zmiany grubości tej warstwy. Mimo tych zalet ewaporograf, jak sobie z pewnością wyobrażasz, nie jest zbyt poręcznym urządzeniem. Od lat wynalazcy wkładają wiele wysiłku w konstruowanie i doskonalenie przyrządów, które mogą wyręczać oko ludzkie w warunkach kiedy bezpośrednie posługiwanie się nim jest niemożliwe lub niewskazane. Jednym z takich przyrządów jest wspomniany na wstępie Stosowany głównie do celów militarnych, przyrząd ten posiada zazwyczaj źródło podczerwieni i układ optyczny· do oświetlenia obserwowanego przedmiotu oraz wytworzenia jego obrazu (podczerwonego). Ta część nie wymaga specjalnych komentarzy, zajmiemy się więc podstawowym elementem noktowizora, jakim jest elektronowy przetwornik obrazu. Jego schemat przedstawia rysunek 4.5. Ekran, na którym wytwarza się obraz w podczerwieni, jest fotokatodą, podobnie jak w fotokomórce. Aby fotokatoda ta mogła wysyłać elektrony pod wpływem promieniowania podczerwonego, materiał, z którego została wykonana, musi posiadać odpowiednio małą wartość pracy wyjścia*. Opuszczające powierzchnię fotokatody elektrony biegną następ­ nie w opróżnionej z powietrza bańce przetwornika przez pole elektryczne o odpowiednim kształcie, które działa na nie jak soczewka, tak że elektrony, które wyszły z jednego punktu katody, są skupiane w odpowiednim punkcie na ekranie pokrytym warstwą luminoforu. Podobnie jak w telewizorze czy oscyloskopie, ekran ten świeci pod wpływem bombardowania elektronami. W

25

* Praca wyjścia - minimalna energia, jaką należy nowi, aby uwolnić go z powierzchni materiału. fotoelektrycznym znajdziesz w rozdziale 5.

dostarczyć

Więcej

elektroo zjawisku

Rys. 4.5. Zasada działania noktowizora: 1 - źródło promieni podczerwonych, 2 - obserwowany obiekt, 3 - obiektyw, 4 - przetwornik obra, zu, 5 - elektroda ogniskująca, 6 - okular, 7 - blok zasilania, 8 - obraz na fotokatodzie przetwornika, 9 - obraz widziany na anodzie (WEP, t. 7, s. 821)

ten sposób otrzymujemy widoczny okiem obraz przed. miotu, który ani nie wysyła, ani nie odbija ·światła widzialnego. Niestety, nawet noktowizor nie jest wolny od wad. Największą jest ograniczenie jego czułości do obszaru bardzo bliskiej podczerwieni (fale o długości około 1 µm). Gdybyśmy mogli wytwarzać obraz przy użyciu promieni o długości fali rzędu 1O µm, nie musielibyśmy oświetlać obserwowanych przedmiotów, gdyż każde ciało o temperaturze zbliżonej do pokojowej wysyła sporo podczerwieni w tym zakresie długości fal.Niestety, dotychczas nie wynaleziono materiału o odpowiednio małej pracy wyjścia i jest wątpliwe, aby mogło się to stać w niedalekiej przyszłości. Trzeba więc uciec się do zupełnie innej metody, by zobaczyć na przykład czło­ wieka świecącego tak, jakby był rozżarzony. System, w którym ten cel zrealizowano - to

26

Podobnie jak w telewizji; termowizja stosuje kodowanie obrazu w postaci sygnałów elektrycznych przez analizowanl.e go linia po linii. W związku z tym obrazy termowizyjne ogląda się na monitorze telewizyjnym, a podstawowa różnica między dwiema metodami tkwi w sposobie zamiany obrazu na sygnał elektryczny. Zasadniczą ideę termowizji przedstawia rysunek 4.6. Detektor promieniowania podczerwonego o małej powierzchni · aktywnej przesuwa się względem obrazu wytworzonego przez układ optycznywtaki sposób, jak wiązka elektra-

s

S - soczewka przepuszćzająca promienie podczerwone, Z 1, Z 2 - zwierciadła drgające i poziomej, D - detektor podczetwieni, W - wzmacniacz. lvl - monitor

nów przesuwa się po ekranie telewizora. Detektor ten wytwarza pod wpływem podczerwieni napięcie elektryczne proporcjonalne do natężenia promieniowania. Dalsze losy tego sygnału są takie same jak w telewizji. W praktyce odpowiednio szybkie przesuwanie detektora byłoby bardzo trudne, stosuje się więc drgające zwierciadła, powodujące odpowiedni ruch obrazu podczerwonego względem nieruchomego detektora. A jak działa taki detektor? - zapytasz. Jest to po prostu fotodioda półprzewodnikowa, analogiczna do opisanej w rozdziale 16. Nie jest to jednak fotodioda germanowa, ta bowiem dla promieniowania o długości fali przeki)czającej 2 µm jest już nieczuła. Detektory dalszej podczhwieni wykonuje się z półprzewodników o znacznie mniejszej przerwie energetycznej niż w germanie. Odpowiednim materiałem są kryształy mieszane dwóch związków półprze­ wodnikowych: HgTe i CdTe. Stosując odpowiednie proporcje można otrzymywać materiał o przerwie energetycznej o dowolnej wartości w zakresie od zera do około 1,5 eV. Wykonane z niego złączap-n działają jako detektory podczerwieni nadające się do zastosowania w termowizji. Innym przykładem takich materiałów są

pewne związki ołowiu. Produkowane obecnie urządze­ nia termowizyjne są bardzo drogie, co ogranicza ich praktyczne zastosowania. Z pewnością jednak udoskonalenie ich konstrukcji i technologii pozwoli na takie ich upowszechnienie,· jakie niewątpliwie jest pożądane. Z pewnością każdy lekarz chciałby mieć przyrząd pozwalający błyskawicznie ustalić rozkład ·temperatury na skórze pacjenta, niejeden inżynier chciałby jednym rzutem oka określić, która część maszyny się przegrzewa. Miejmy nadzieję, że wkrótce spełnią się ich życze­ ma.

Tak, nie mylisz się. Rozdział ten będzie poświęcony zjawisku fotoelektrycznemu. W warunkach amatorskich najłatwiej zaobserwować je za pomocą elektroskopu. Jak z pewnością pamiętasz, zjawisko fotoelektryczne (zewnętrzne) polega na wybijaniu elektronów z powierzchni przewodniką przez światło. Je.śli taki przewodnik połączymy z ujemnie naładowanym elektroskopem, . będzie on stopniowo tracił ładunek pod wpływem odpowiedniego oświetlenia przewodnika. Kto zdecyduje się zbadać doświadczalnie to zjawisko staje natychmiast wobec pytania:

W tym miejscu czas na przypomnienie minimum teorii. Elektrony w metalu są przyciągane przez dodatnie jony. Dopóki elektron znajduje się wewnątrz metalu, jony ciągną go w różne strony, siły od nich pochodzące z grubsza się znoszą i elektron może poruszać się w miarę swobodnie. Na powierzchni sytuacja jest inna. Kiedy próbujemy wyrwać elektron z metalu, musimy wykonać pewną pracę przeciwko tym siłom, tym razem działają­ cym już w jedną stronę. Ta praca (oznaczymy ją przez W) nosi nazwę pracy wyjścia. Aby wyrzucić elektrony z powierzchni metalu musimy skierować na nią światło 9 energii fotonów Er nie mniejszej :niż praca wyjścia W Er~

W

Spełnić

28

ten warunek jest tym łatwiej, im mniejszą pracę wyjścia ma badany przewodnik. W tablicy 4 znajdziesz dane na ten temat dla różnych przewodników.

W fotokomórkach używa się zazwyczaj katod pokrytych ·metalami alkalicznymi.(np. rubidem, cezem). Z materiałów ogólnie dostępnych oraz nie wymagających ochrony przed powietrzem najlepiej użyć cynku - kawałek blachy cynkowej znakomicie nada się do naszych celów pod warunkiem odpowiedniego oczyszczenia jego powierzchni (np. papierem ściernym). Zanim jednak zabierzemy_się do pracy, warto sobie przypomnieć, jak wyglądają praktyczne zastosowania zajwiska fotoelek-. trycznego. Oczywiście pierwszą rzeczą, którą w tym miejscu wypada się zająć, jest

Fotokomórkę możesz zobaczyć

Rys.5.1. Wygląd zewnętrzny fotoktr mórki (fot. Leszek Surowiec)

na rysunku 5.L Jej budowa jest bardzo prosta (rys. '5.2). Katodą jest zazwyczaj napylon,a na szkło warstwa metalu o odpowiednio małej pracy Wyjścia, a anodą - zwykle drucik w kształ­ cie pierścienia. Wnętrze fotokomórki najczęściej opróż­ nia się z powietrza, aby wybite z fotokatody elektrony mogły bez przeszkód docierać do anody. Przykładając odpowiednie napięcie - zwykle rzędu 100 V - „wycią­ gamy" wszystkie wybite z katody elektrony i w obwodzie zewnętrznym obserwujemy przepływ ptądu (rys. 5.3). Fotokomórki stosowano szeroko* w aparatach do projekcji filmu dźwiękowego; Na brzegu taśmy filmowej znajduje się tzw. ścieżka dźwiękowa (rys. 5.4). Przesuwając się między żarówką a fotokomórką, ścieżka dźwiękowa przepuszcza raz więcej raz mniej światła

Rys. 5.2. Budowa fotokomórki: a-anoda, k-katoda; b- bańka szklana

• • • • • • • • • • • • • • • • _ . ._ _ _;;;;;a . Rys. 5.4. ścieżka dźwiękowa

powodując.powstanie w obwodzie fotokomórki prądu

elektrycznego zmieniającego się w takt nagranych uprzednio dźwięków. Po wzmocnieniu sygnał ten zasila głośniki w sali kinowej. ' µA

Rys. 5.3

29

100

Dobrze jest st(>sować fotokomórkę tam, gdzie rozporzą;.. dzamy odpowiednią ilością światła. Przy słaóym oświet­ leniu natężenie prądu płynącego przez fotokomórkę staje się tak małe, że jego ostateczne wzmocnienie może być bardzo trudne. W takich przypadkach stosuje się urządzenie bardziej ód fotokomórki skompiikowane, a Plianowicie

* Obecnie 16.

wyparły

je elementy

półprzewodnikowe

- por.

dośw.

Jego wygląd zewnętrzn;c-przedstawia rysunek 5.5. Idea fotopowielacza polega na tym, że strumień elektronów · wyrzucany· z katody nie biegnie wprost do anody, jak w fotokomórce, ale zostaje uprzednio wzmocniony.

Rys. 5.5.

Wygląd

fotopowielacza (fot. Leszek Surowiec)

Wzmocnienie to odbywa się na zasadzie emisji wtórnej- zjawiska, w którym rozpędzony do odpowiedniej prędkości elektron wybija z powierzchni elektrody, na którą padł, sporą liczbę elektronów wtórnych. Elektrody, wzmacniające w ten sposób strumień elektronów, noszą nazwę dynod i są umieszczone w fotopowielaczu kaskadowo - to znaczy elektrony wybite z pierwszej dynody biegną do drugiej, wybijają z nich odpowiednio więcej elektronów, które biegną do trzeciej i tak dalej. Schemat fotopowielacza przedstawiono na rysunku 5.6 wraz z dzielnikie1!1 zasilającym. Aby proces powielania przebiegał tak, jak to tu opisano, każda następna dynoda musi mieć potencjał odpowiednio wyższy od poprzedniej. Najwyższy potencjał ma anoda zbierająca elektrony wybite'z ostatniej dynody. Fotopowielacze odznaczają się bardzo dużą czułością, pozwalającą nieraz na

30

Rys. 5.6. Schemat fotopowielacza

Stearyna

rejestrację pojedynczych fotonów. Nie marny się co jednak wstydzić naszych własnych detektorów promieniowania widzialnego - czułość oka jest również tak duża. Główną przewagą fotopowielacza jest jego szybkość - może on wykrywać zmiany oświetlenia w czasie rzędu 10--9 s, a więc jest od oka szybszy o osiem rzędów wielkości.. Miło było sobie pogawędzić, ale teraz spójrzmy w oczy .faktom: trzeba zbudować ' .

Czy to trudne? I tak, i nie. Konstrukcja jest szalenie prosta, ale zaniedbanie pewnych szczegółów może cał­ kowicie zniszczyć efekt rtaszej pracy. Postępując ściśle według moich wskazówek będziesz mógł, Czytelniku, zbudować przyrząd reagujący już na napięcie paruset woltów, co jak na elektrostatykę jest wartością bardzo małą.

Do zbudowania elektroskopu potrzebne Ci będą nastę­ szklana butelka, pręcik metalowy lub gruby drut, kawałek świeczki, cienki drucik i folia aluminiowa (może być nawet od cukierka). Ze świeczki wykonujemy rodzaj korka, pasującego do szyjki butelki i przetykamy przez niego pręcik lub gruby drut w taki sposób, żeby po włożeniu do butelki nie sięgał dna (rys. 5.7). Robimy to rozgrzawszy pręcik tak, aby topił stearynę, ale niezbyt mocno, żeby po wciśnięciu trzymał się dobrze. Na pręciku montujemy w płaskiej pętelce z cienkiego drucika pasek folii- listek elektrnskopu- w sposób zapewniający mu swobodę odchylanią się od pręcika (patrz rys. 5;7-fragrnent w powiększeniu). Butelkę z zewnątrz owijamy folią ~lurniniową zostawiając okienka 'do obserwacji listka elektroskopu. W braku odpowiedniego kawałka folii można butelkę parę razy owinąć drutem, Ta zewnętrzna osłona, którą w czasie używania elektroskopu uziemiamy, je~t potrzebna, jeśli nie chcemy, aby elektroskop zachowywał się w sposób niekontrolowany. Uziemić osłonę można łącząc ją z rurą wodociągową lub centralnego ogrzewania (nigdy gazową!) lub też staWiając elektroskop wprost na ziemi. Po zmontowaniu całości możemy przystąpić do sprawdzenia, czy nasz elektroskop działa. Najprościej wziąć grzebień (nie rnetalo\vy) i przeczesać nim włosy. Nae~ lektryzowany w ten sposób grzebień zbliżamy do wysta. jącego pręcika elektroskopu (rys. 5.8a)- listek powinien się odchylić. 'Możemy teraz albo przytknąć grzebień do pujące materiały:

Uziemić Ry~.

5.7

31

a)

~~

~

*;\

c) -~

d)

t\

lJ Rys. 5.8 pręcika

(rys. 5.8b), wtedy elektroskop naładuje się tym samym znakiem co grzebień, albo uziemić na krótko palcem pręcik (rys. 5.8c), a następnie· oddalić grzebień (rys. 5.8d) - elektroskop naładuje się przez indukcję zn'akiem przeciwnym. Mając więc jeden przedmiot naelektryzowany możemy ładować elektroskop zarówno dodatnio, jak i ujemnie. Można się długo bawić podobnymi doświadczeniami i na pewno każdy, kto zrobi sobie elektroskop, będzie tego próbował, przynajmniej do chwili, kiedy sobie przypomni, że zbudował go po to, żeby badać

Zn

-~

/\ Rys. 5.9

Jak je badać? Bardzo prosto. Blaszkę cynkową łączymy z pręcikiem elektroskopu (jak na rys. 5.9), ładujemy całość i oświetlamy. Tu doszliśmy do istotnego problemu. Cynk ma pracę wyjścia na tyle dużą, że aby wybijać z niego elektrony, należy oświetlić go światłem nadfioletowym. Jeżeli masz dostęp do kwarcówki używanej do opalania- problem z głowy. W przeciwnym razie popróbuj bezpośredniego światła słonecznego (nie przez szybę - pochłania nadfiolet). W trakcie doświadczeń przekonasz się, że światło rozładowuje elektroskop tylko wtedy, gdy jest o.n naładowany ujemnie; Jeśli elektroskop naładujemy dodatnio, elektrony wybite światłem będą przyciągane z powrotem i ładunek nie będzie się zmieniać.

Osoby, które zawsze wiedzą, jak się różne rzeczy robi, żeby dobrze wyszło, proszę o ominięcie następnego fragmentu. Będą to bowiem

32

1. Elektrostatyka udaje naprawdę na sucho.

się

tylko na sucho, ale to

2. Przedmioty metalowe w doświadczeniach elektrostatycznych nie powinny, w miarę możliwości, mieć ostrych końców ani krawędzi. 3. Dla uzyskania silnego efektu lampę kwarcową należy zbliżyć na odległość rzędu 20 cm. 4. Jeżeli listek elektroskopu początkowo ódchyla się dobrze, a potem szybciej lub wolniej opada, to jeśli tylko nie jesteśmy na skażonym radioaktywnie terenie, najprawdopodobniej winna jest izolacja (wilgoć lub złe materiały).

Teraz już mogą czytać wszyscy, bo wszystkim powodzenia w doświadczeniach.

życzę

Któż z nas niewidział tęczy? Proponuję dzisiaj wytwo-

rzenie jej w skali laboratoryjnej no i oczywiście zastanowienie się, skąd się ona bierze. Zacznijmy jednak od przypomnienia sobie obserwacji tęczy ·w naturze. Z dydaktycznego, a z pewnością także i z estetycznego

Rys. (i. J

33

punktu widzenia najciekawsza jest tęcza, którą niekiedy możha zobaczyć w górach, znajdując się ponad chmurą i· patrząc, stanąwszy plecami do Słońca tak, aby widzieć na chmurze własny cień. Widzimy wtedy tęczę w postaci łuku, którego środek pokrywa się z cieniem naszej głowy- przy szczęśliwym ustawieniu się w stosunku do terenu i kierunku promieni słonecznych można zoba" 3 Laboratorium ·

czyć

nawet pełny okrąg tęczowy. Promień kątowy tęczy wynosi około42° (patrz rys. 6.1). Przypominam, że na zewnątrz, a więc pod największym kątem do promieni słonecznych, obserwujemy barwę czerwoną. Kto tego nie pamięta, nie musi mi wierzyć. Może się o tym przekonać w.doświadczeniu, którego treścią jest

Podstawową trudnością

Rys. 6.2

jest takie przeprowadzenie doświadczenia, aby nie być oślepionym przez światło pochodzące od tła. Dlatego próby przeprowadzamy w zaciemnionym pokoju, do którego dość wąską smugą wpada światło słoneczne lub pochodzące od jednej żarówki. Zgodnie z ogólną opinią za tęczę odpowiadają zj~wiska zachodzące w kropelkach wody (deszczu, mgły, chmur itp.). Naszą „chmurę" wytworzymy za pomocą rozpylacza. Ostrzegam Cię jednak, Czytelniku, przed różnymi aerozolami- mgła powinna być wodna. Staraj się wytworzyć takie warunki, abyś patrząc na mgłę wodną pod odpowiednim kątem miał jako tło nieoświet­ loną część pokoju (jak na rys. 6.2). Obserwację „tęczy", która przy słabej żarówce może być widoczna jedynie jako jasny łuk bez kolorów, ułatwi Ci lekkie poruszanie głową - tęcza będzie się także poruszać. Po wstępnym zapoznaniu się ze zjawiskiem przychodzi nieuchronnie.kolej na pytanie

Na to pytanie będziesz musiał odpowiedzieć sobie sam. Ci w tym następne doświadczenie. Jednocześ­ nie ostrzegam Cię: w wielu książkach zjawisko tęczy jest wyjaśnione w sposób zupełnie niewystarczający, a czasem nawet błędny. Myśl więc samodzielnie, nie zrażając się tym, że nawet w Encyklopedii Fizyki nie podano interesującego nas wyjaśnienia. W doświadczeniu potrzebna Ci będzie żarówka (lub światło słoneczne), tekturka* i butelka lub szklanka (w miarę możliwości dokładnie w kształcie walca) napełniona wodą**. Żarówka powinna być umieszczona w odległości paru metrów od szklanki, nieco powyżej niej, najlepiej w sąsiednim pokoju. Podobnie jak w poprzednim doświadczeniu, należy wyłączyć wszelkie inne źródła Pomoże

34

*Nie używaj kartki papieru lub cienkiego kartonu, bo światło żarówki będzie przez nie przenikać i utrudni obserwację plamki. **Jeżeli dysponujesz odpowiednią ilością alkoholu - zastąp nim wodę w butelce, a przekonasz się, dlaczego odradzałem Ci aerozol.

światła.

Rys. 6.3

Rys. 6.4

W tekturce wytnij dziurkę i umieść ją tak, aby przepuszczany przez nią promyk światła żarówki padł na butel,kę. Po załamaniu i odbiciu w butelce z wodą, promyk padnie na tekturkę, gdzie możesz obserwować jego ślad, oczywiście ·patrząc od strony butelki (rys. 6.3). Spróbuj teraz przesuwać tekturkę na boki patrząc, co się dzieje z promieniem, kiedy pada on na butelkę w różnych miejscach. Zwróć szczególną uwagę na fakt, że przesuwając stopniowo promień padający od środka butelki ku jej brzegowi plamka na tekturce najpierw przesuwa się w jednym kierunku, a potem zawraca. Żeby nie mieć wątpliwości, że to to samo zjawisko, co we mgle wodnej, umieść tekturkę w sposób pokazany na rysunku 6.4 i patrz na nią od strony butelki- ujrzysz rodzaj tęczy, ale jednowymiarowej, bo butelka jest walcem, a nie kulą, jak kropelki wody. Jesteś gotów do doświadczeń? No to powodzenia,-w działaniu i w myśleniu.

Nawet najlepszy mikroskop optyczny nie przekroczy naturalnej granicy. wyznaczonej przez długość fali świetlnej: najbliżej leżące dwa punkty, które potrafi on rozróżnić, będą odległe o wielkość rzędu długości tej fali. Aby zaobserwować obiekty jeszcze mniejsze, do wytworzenia obrazu konieczne jest użycie fal o mniejszej niż fala świetlna długości. Taką możliwość dają mikroskopy elektronowe: wiązka elektronów przyspieszanych do . energii rzędu 1OO OOO eV nia długości fali równe .niewielkiemu ułamkowi rozmiarów atomu- pojawia się tu jednak inna trudność: wzajemne odpychanie jednoimiennie naładowanych elektronów zniekształca ich tory. Chciałoby się więc znaleźć do konstrukcji mikroskopu inne krótkie fale. Niezłe byłyby promienie Roentgena. Ich długość fali jest tego samego rzędu co długości fal szybkich elektronów- moglibyśmy więc oglądać najmniejsze nawet atomy pod mikroskopem rentgenowskim, gdyby taki istniał*. Nie da się zaprzeczyć, że zbudowanie takiego mikroskopu byłoby olbrzymim

35

* ściśle .mówiąc, istnieją mikroskopy rentgenowskie, działają one jednak na innej zasadzie niż mikroskopy z soczewkami i nie pozwalają na uzyskiwanie tak dużych powiększeń. 3•

37

rowa, a-nie ~PrźeS-tfzenna, Ofaz odległości między jej „atomami'', a także długość użytej fali są o kilka rzędów

Ekran .

D .

osiągnięciem. zrobić

Niestety nikomu nie udało się dotychczas soczewki, która skupiałaby promienie X, prze-

------------- ----------- ---„-·-·--- ____ „ _ _:_ _______ ~--------------------------·---

------ - - - - · - - - - - -

"""'"""-'"·--·-

-"··---------„~-----··-~----·--

........................................••..................•............................................ ~--~···································································································· ···········•···········•·········•····•·•····••···•··•·•······················•························· ···························································································~············· ·········································~······························································ ························•··•························•·•·······•··•·•·······•···•······•················· ··················~····················································································· ........................•... ,........•.....................•..•....•...............•...................•. ················································-························································ ··•····················••······•·········•····························•··································· •.....................•........•.......•......................•............•....•......................•. ·······································-································································· ····································································································~···· .......................................•............................•......•...•........................• ·······················•······•····················•·········•·········································• ......................•.......•.........•.......•......•..................•............................. ······•····················•·•••••••··••••·••••••··•··••···•·············•··•······•····•··············· ········••····•·····•·•·······••··•••·•·•··•·····•••••······•·····•·•·•••••••••·•··•·••···••••·•···•••·· ...................................•.....................................•............................... ············•··································•···•····················································· ..............•......................................................................................... .............................................•••........................................•............... ··································~····································································· .....•.................................................................................................. ····································································································-···· ····•••·•······•••·•·••··••·•·····•···•·•···•·••••·•·•···•···•··•••••••···••··•·•··••••••··········••··· ..•...•................................................................................................. .·······-································································································· . ... .. . . . . .. . . ··-· •-• •.• ......................................... ·~······································································································ ··························•····•········································································ ···········································•········•···················································· ...•......•....•...•.........•......•...•.•........•..................•....•...........•................ ··············-·························································································· ·····················••·······················•······•·········•····························•············ ·····························•·····•···•···········•······••········•······•···························· .•.................•........••..............•.......................•..............•.................... ·····•·····························•·····•··•······························•···························· ....................................••.•..•...............•.•...............•........................... ...........•...•................•...•....••.•..•..••....................•.....••...••..•....•........... ··········~····························································································· .....•.....•..•.................•...•...••...•..•.......................•.•....••....................... ·······j·····························································~·································· ······································-·································································· ···········•······················•·•···············•···················································· ...•......•..•...........•..........•........................................•..............•........... ...........•....•......•...........••......•......••........•.•..................•...................... ...........•.•.........•...........•......•.•......••...........•....................................... ·····~·································································································· ·····························································-············································ ·•····················••·•·····••··•••········•·•··•···················•·····•··•······················· •···•··•···••········•·······•················•··•·•·••····•·••············••···············•··········· •·• •-• ····················································-···················································· ..••...........•..........................•......•...•.••.......•..................•...........•........ ·············•··•·····•·········•·····••·························••······································ •............•.•...........•....•....•.......•.......•........•.•...................................•... ·······································································•································ .........................................•.•...•.............•........................•...... .....•••..

. ..... . . .. .... ......... . . . .... ............

............. .............. .......................................................................... ~

········································~······························································· ····························································~············································ ·························································-···············~······························· ·································································~·······································

····························································-············································ ..••.•.....................•...•...•.•.•.......................•.•••.•.................................• ··•················•··•·······•············•·•···•···••••····••·•··········•·············•·············· .................•.................•........•••.•..•...........••...•................................... ....•.•...............•............•............••...•..........•.......•.....•........................• .•....•....................•....•.•..•..•......•..•............•...........•............................ ························································~··············································· ·······································································································~ •..•..•..•................•.......•..........•.......•......•.••....•..•.....•.......................• .........•••.•......................•.................... ,...•..•......•.....•.•.............•.......... ······································································-·································· ·····································•········•·················•••·····•···•··•···•····················· ..........................•..........•.••..•.........................•.•••.•• .•........................ •····••··•·•·••··········•···•·······•·•··•················••············•·····•························ .............•................................••............•...........•....•...........•.............. ·············•••·········•··········•••·•············•····•····················•························ ···········•·•·············•·········•••····•·······•·····•··············•·•················•············ ··················~········································~············································· ··································~····································································· •......... .••...................................•.......................•............................... ··········~····························································································· ................•.....................••................................................•................ ···············•·········•······•·············••························································ •........•..•...•...........•.......•........•.•.......................................•................ ·····•·····················•······•············•·······•···································•············ ·······························•····•·······•······•···•··························•······•·············· ·····································-··································································· ···························•············································································ ......................•...•...•.......•............•...•... ·······-······················································································~·········· .- ........................................... . ..........................•...•.....•...............••...............••.•...........................•... :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: ·····•···················•·······················•······························•················•······ ···················•·•·········•····•·············•·•··················•···•···•·•········•············· ··•·····················•·····•····•·····•···························••····•···························· ·····································································································-··· ····•·······•·····•·······················•·•••············•···•············•··························· ················································-························································ •...........•••.. ...............•..•...•....•...........................•...•........................... ······················-·················································································· ·········••···············•····•···••·····•·····•···················••·················•····•··········· •.............•....•....•...........•••...........•..•.....................••.•...•.........••.......... ··········•··••························•·············••···••···················•······•················· ························-················································································ .•.......•............•..•..•.....................• .•.•...•..........•...........•........•......... ,.... ···•··•·····•···•···•····•·········•·•·····•······•···•·······••············•··················•········ •··•····•···························•··•··•····•··•••·······································••······•··· ········································~-·····~························································ ·······•••·•·•·······•······•···········•··•····••····•··········•···········•··············•············ ·······•····················•·•·•··•························•···········•···•··•······•················· ········•·······························•··········•·•·······•·······•····•·····•··•·•···•·•············ ...............................•....••........•.....••.........•.•.............................•........ •·····•·•···••·••·················•················••···•··•·······•············•······················· ·································································~······································ .............................•..•.......................•.................... ··························•····························•········•···········•··························· ,..•••..••.•••....•.•..•.... ......................................................................•.................................. ·······························································~········································ ............................•.................•....•.................•..........•........•............... .....•........................•..................•............................•......................... ...................................•..•..............•...............•.............................•.... ...........................••........................................................•.................. .....................•.....................................•..•............•....•.......•............... .....................................................•.......................•.••.............••.......• ·····~~·············~·······································································~··········· •••.•..................•.....•......•..•...••.....••...................•.••......•........•............•• .•........................•........••.....•..•....•..... ••········································•···•·················••··•·······•·•··················•·····•· .-.•.•...........•.....•.•.........••••......••.. ...•....•••...................•.....•...........•.•.......... ,•......................................... •··•···························•··•••··••·••·········••·····················•···························· •.•..•..••.••................••.•..••.•••••.....••••••..................•.•............................. •····••·•···••············••··•·•···•·••·······•···••·················•····••·······•·•················· •....•.....••••....•..•...............•...•...•.•..•.•.........................•........................ •··••···•···························•·•······••····••·······•·•············•••·•··················•····· ···································································································~···· ··························································J············································· ···································~···································································· ········································································································ •.............•.................•................•..•.•................................................. ·····································································································~·· ······•···•••···•····•····•·•·•·····•··•••·•··••··•••·····••·••·•······•····•······•·•·················· ·········•···•·····•·•···············•···········•·•••···········•·•·•·····•···························· ··-···········~·························································································

..

-

~

-

-

-

38

Rys. 7.3

••.....••... ............ ....... ...... .. ... . ........ ... ... . ... .................................................................. ......................... ..... ........... ........ . .. . .. . ........... ... ........ ....... . ................................. .. ........... .. .. ............... ........ ...... ........ . . ......... ........ ........ ..... . ........ .............. ................. ............................... .... ............... . . . . . . . . . . . . . . . .. ...:::::-:: . .... . . . . . . . . . .. . .......... ..... .......... .. .... . ..... ........ ...... ...... .......... ............ . .............................. . ......... . .. . . . . . . . . . . . . . . ......... ... .... ....... ......... ... .. ................. .. ............. ...... ...... ........ ......... .......... .......... .......... . . .. ........ ..... .... ..... ................... .. ........ ..... .......... . . ..... ........ ...... ......... ..... . . . . . . . . .... .. . .. ....... ................ ......... ........ ..... ....... .. ......... ......... . ..... ..................... ............ ...•••... ... . .......... ......... ...... „ .• .... ......... .... ..• ...... .... ....... . ... . . ... ... . . . . . .. . . . ... . ... . . . . .. . ..... . ... . .... . . ..... ........ ... . . . . . . . . . . . . ...... ....... ........... . . . . . . . . ..... ... .... . . ..: : : : ...... ...... . . . . ......... . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... .. . . . . . . . . : : : .:. : : .: : .. ........ .... .......... ... ... .... .. .. ......................... ... ......... .......... . . . . ····•·••• . ................ ...... ...... . .... . ... .. . . . . . . . . . . ...... ..... ...................... ..... .. ........ . . . . . . . . . . . .. ... . . . . . . . . . .. . . . . . . . . ... . ... ... .. ....... ...... .. ..... ........... . ... ... ..... ...... ........ . ............. ..... ... ... . ...... ......... .... ......... . .. . .. . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . .. . . . . .. ...... . . . ..... .... ....... . . . . .: .:. . . . ::: ::: . . . . . . .. : : . . ....... ..... ...... .... ... .... ........... ................ .... ........ . ..... ... ....... ... . . . .. . . . . . . . . . .. . . .... ... . .... ...... ..... ..... ...... ....... .. .... .... . . . . . . . . ......... ... . ............ .... ............. ... ........... ..... ..... . . . . . . . . . . ... ........ .. . ... . . . . . . .. . . . . ........ . . ....... ...... ..... . .... .... ...... ............ ......... . . . . . . . . ......... ..... ..• ........ .. .. ........ ......... ........ ........ ... ....... . . . ... . ..... ...... ... .. .. . .... .......... ............. .......... .. .. ......... .... ...... .. . .... .... .... ....... ............ ..... ..... .. .... ..... ..... ....... ....... ...... .... .. .......... ........ . ...... ........... . . . .. ........ . ....................... . ......... ... ........ ..... .............. ..... . . . . . . . . ...... ............... . . . ..... . . ......... ..... ....... ... ....... . .. . . . . . . . ..•.•..•..• . .•........... . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . ... . . ..... . . . . . . . . „ •••••••• ........ ................ ...... .............. ...... ...... .......... ... .: ..: .: ...: . ..: ................ ....... .... ..... ..... . ......... ........• ...... ... ........... .. ............... ............ ..... .... .. . . :::·:: . ...... .:::...... . . . . . . . . . . .. . . . . .. ... ............... ........................ ...... ..... ...... ........ ....... .... ...... ..... ........ ........ ......... ..... . ............... ....................... .... . .... .. ..... ... .. .. ... .. ... . ................ ...... . ............. . ... .... . .. ..... .. ........................... ..... .... .. ..... ......... . ...... . . . . ..... .. ... . .... . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . ...... . .... . . . . ... . ... ... .... ..... . ...... ..... ... . . .. . ....... . . . . ... . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . ...... .............. .. ........ .. ... ....... .... ...... . ...... ... ..... ....... ......... ...... .... . ........ ............... . ........ ....... .. ....... ..... ....... ..... .......... .... .............. ............... ....... .. . . .... ...... ......... ... . . .... ............. ...."... ...... .. . . . . . . . ... :::::::: ::::::·: . .... .... .. .... .: .: ....... ... .. ....... ..... .. ........ .:::::::: . .... . . . . . . . . . . . . . . . . ...... . . . . .. . ... . ....... . .. ...... ...... .. .... ...... ..... ................. ........... ........ ........ ........ ....... ...... ...... ....... . • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • e • • • •

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

@

•••••••••

o

• • • • • s •••••

• • • • • • o ••••

• • • • • • • • • • • • • e • •

o o ote • o

•

•

•

•

•

Ił

•

•

•

•

•

•

•••••••

ł

•

• •

• •

• ••••

&

o

•

• ••••

•

•• & "

~.

• • ••• „ ••• ..

• • • • • • • • •

•

•

•

•

•

•

•

e •

•

&

•

.

• • • •

• • •

o

•·

o • •

• •

::~

•• •••• „• o •••••

•• ·-· „ ••

t:

•

•

9

·•

••••

•

• • • • • • e • • •

• • o

.•

• • • • • o

• • • •

-•

• 'e • o e • e • e

•

•

• e • • • •

•

9

9

9c-' 9

O 9

9

9

9

••

e •

9

9

O 9

•

9

9

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

o

" • •

• • •

•

li

•

ł

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

ł

• • • • •

• • • • •

• • • • •

•

•

•

•

• •

• •

• •

• •

• •

• •

• •

ł

• • • • •

•

•

•

•

•

•

•

•

ł

ł

t

'

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

• • • • •

• • • • •

• • • • •

• • • • •

• • • • •

• • • • •

• • • • •

• • •

• • • • •

• • • • •

•

•

•

(il

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

9

•

•

•

•

•

•

•

•

• •

•

•

• •

•

•

• •

• •• o

•

•

•

•

•

•

•

•

•

ł

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

••••••

ł

• •

• •

• •

• •

• •

•

• •

•• 9 • • •

• •

• •

• •

• •

•••••• • • • • • łł

•

•

•

•

•

•

•

•

•

9

'

• •

•

• • • • •

•

'

•

&

•••

O oO

• •

•

•

t

•

•••

ł

• •

8

• • • • o •

•

ł •

ł

•

• • • • • • • • • • • • • • • •

•

•

•

•

•

•

•

•

•

• • • •

•••••

• • • • • • • • •

• ••• o ••

•

•

•

•

•

•

•

•••••••

łł

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

• • • • • • • • •

•·.

• •

•

•

•

••••••

..., •

•

&

•

•

Ci

•

•

•

•

•

•

•

•

e

&

•••

•

•

•

•

•

•

• o

••••••••• •

•••••

• e • • •

Cl

P •

••

•

•

,'

••• ••„ •• •

t •••

•

•. • • •

39

•

•

•

•

•

•

• • • • • • • •••••

•

•

•

•

•

•

•

•

fi • • • •

•• •• •• •e •• •• •• ••

•• •• •• •• •• •• •• ••

• •• •o •• •o •9 •• •o •

•

•

• •••••••

•

•

•

• •

•

•

• • • • • • • • • • •

• • • •