Махалото на Фуко, Социална мрежа на педагозите
Целта на тази работа е да систематизира събраната информация и да създаде настолна демонстрационна инсталация на махалото на Фуко.
Областен конкурс за млади изследователи „Стъпка в бъдещето“
Тема: Махалото на Фуко
Кожевников Евгений Александрович
9 "Б" клас МБОУ "СОУ №6"
Давидова Ирина Николаевна
учител по физика МБОУ "Средно училище № 6"
1. Махало на Фуко 3
1.1. Историята на създаването на махалото на Фуко 3
1.2.1. Демонстрация на опит 5
1.2.2. Принцип на действие на махалото 6
1.3. Биография на J.B.L. Фуко 6
1.4. Активни махала на Фуко 7
1.4.1. Работещи махала в България и страните от ОНД 7
1.4.2. Работа с махала в други страни 9
1.5. Интересни факти 11
2. Практическа част 11
2.1. Модели на махало, които можете да направите сами 11
2.2. Модел на махало, представен за конкурс 13
Препратки 15
За съществуването на махалото на Фуко научих от курса по физика в 9 клас (темата е „Трептения и вълни”). И тогава гледах телевизионното предаване "Галилео", в което видях модел на махало, направен от майсторите на програмата. И реших да видя дали мога сам да направя такъв работещ модел. За да направя това, събрах и проучих информация от различни източници: книги, медии, интернет. Материалът беше толкова интересен, че реших да го систематизирам и сам да направя модела.
Целта на тази работа е да систематизира събраната информация и да създаде настолна демонстрационна инсталация на махалото. В тази работа представих материал за историята на създаването на махалото, първата му демонстрация, принципа на работа, за различни видове модели на махало, създадени по света, и предлагам модел на махало, направен от мен, за разглеждане от журито.
С работата си говорих на урок по физика пред съученици и на училищната научно-практическа конференция „Пътища на откритията“ и бях награден с грамота за победа в номинацията „Приложна физика“
1.1 Историята на създаването на махалото на Фуко
Оказва се, че не само Галилей е обичал да гледа люлеенето на лампите в катедралата. Той предава тази страст на своя ученик Винченцо Вивиани. През 1660 г., за разлика от Галилей, той обърна внимание на друга особеност на трептенията на махало върху дълга нишка.
Оказва се, че равнината на техните люлеения постоянно се отклонява и винаги в една и съща посока - по часовниковата стрелка, ако погледнете махалото отгоре надолу. И през 1664 г. учен от град Падуа Джовани Полени свързва това отклонение с въртенето на Земята - те казват, че Земята се върти и равнината на колебание на махалото остава такава, каквато беше. Така че това се наблюдава от хората, стоящи на Земята, като отклонение на равнината на люлеенето на махалото.
Но се оказва, че това свойство на махалото е било известно и на вездесъщите древни. Наистина, новото е добре забравеното старо. Ето какво пише за това римският учен Плиний Стари, живял през 1 век пр. н. е. в своята „Естествена история“. н. д.: „Възможно е да се организира компас без магнит. За да направите това, трябва да вземете махало и да го завъртите в определена посока. Когато корабът се върти, махалото ще запази посоката, която му е дадена” (фиг. 1).
Ориз. 1. Компас на Плиний Стари на кораба Фиг. 2. Бар, захванат във въртящ се
патрон, не променя равнината на трептене
Трябва да кажа, че нещо в съветите на Плиний е съмнително. Първо, Плиний не можеше да знае за компаса, в Европа научиха за него много по-късно, поне му дадоха това име. Толкова много, приписвани на Плиний, може да са допринесли от преводачана неговите произведения от латински през 18 век. Второ, невъзможно е махалото да не променя равнината на своите трептения толкова дълго време, окачването му не може да се направи идеално и въздухът около него ще пречи. И трето, въртенето на Земята само ще "отклони" равнината на трептенията на махалото, така че корабът да "застане" в кръг. Но по един или друг начин Плиний забеляза, че махалото запазва равнината на люлеенето си. И това свойство е блестящо приложено от френския учен Жан Бернар Леон Фуко (1819-1868), който създава своите известни махала. От детството си Фуко не обичаше да учи, знанията му се даваха трудно. Но ръцете му бяха златни - правеше играчки, уреди, правеше сам парна машина, работеше перфектно на струг.
След като Фуко забеляза, че ако затегнете дълъг еластичен стоманен прът в патронника на машината и го накарате да осцилира (фиг. 2), тогава равнината на трептене няма да се промени дори при бързото въртене на патронника. Заинтригуван от това явление, Фуко първо започва да наблюдава поведението на същия прът във въртящ се патрон, а след това за удобство решава да го замени с махало.
Първите си експерименти с махалото Фуко прави в мазето на къщата си в Париж. Той прикрепи двуметрова тел от закалена стомана на върха на свода на избата и окачи на нея петкилограмова месингова топка. Вземайки топката настрана, фиксирайки я с конец близо до една от стените, Фуко изгори нишката, позволявайки на махалото да се люлее свободно. И след половин час стана свидетел на въртенето на Земята.
За опита на Фуко се говореше навсякъде. Всеки искаше да види въртенето на Земята със собствените си очи. Нещата стигнаха дотам, че президентът на Франция принц Луи-Наполеон реши да приложи това преживяване в наистина гигантски мащаб, за да го демонстрира публично. На Фуко е дадена сградата на Парижкия Пантеон с височина на купола 83м.
1.2.1. Демонстрация на опит
За първи път публична демонстрация е извършена от Жан Фуко през 1851 г. в Парижкия Пантеон (фиг. 3): под купола на Пантеона той окачи метална топка с тегло 28 kg с острие, фиксирано върху нея върху стоманена тел с дължина 67 m, закрепването на махалото му позволява да се люлее свободно във всички посоки, под него е направена кръгла ограда с диаметър 6 метра точката на закрепване, пясъчна пътека беше изсипана по ръба на оградата по такъв начин, че махалото в своето движение да може да начертае маркировки върху пясъка, когато я пресича. За да се избегне страничен тласък при стартиране на махалото, той беше отведен настрани и вързан с въже, след което въжето беше изгорено.
Ориз. 3. Махалото на Фуко в Парижкия пантеон
Периодът на трептене на махалото с тази дължина на окачването е 16,4 секунди, при всяко трептене отклонението от предишното пресичане на пясъчната пътека е
3 mm, за един час равнината на трептене на махалото се обърна с повече от 11 ° по часовниковата стрелка, тоест за около 32 часа направи пълен оборот и се върна в предишното си положение.
1.2.2. Принципът на действие на махалото
Принципът на действие на махалото на Фуко е, че при всяко трептене то се отклонява около дадена траектория поради въртенето на Земята около оста си, този ефект е най-забележим на полюсите на планетата и изобщо не се забелязва на екватора. Колкото по-голямо е махалото, толкова по-забележим е ефектът на отклонение. Ако работното махало или по-скоро рамката започне да се върти, тогава махалото запазва позицията си, това се случва и със Земята, тя се върти под махалото и изглежда, че махалото променя посоката на своите трептения, но всъщност махалото просто запазва позицията си и Земята се върти. Следователно, тъй като махалото не е свързано здраво с рамката сирамката се върти заедно със земята, а махалото запазва позицията си.
1.3. Биография на J.B.L. Фуко
1.4. Активни махала на Фуко
1.4.1. Работещи махала в България и страните от ОНД
Ориз. 4. Махалото на Фуко в Киевския политехнически институт
Ориз. 5. Махалото на Фуко в Московския планетариум
Сегашното махало на Фуко с дължина на нишката 20 метра се предлага в Сибирския федерален университет (Красноярск).
Сегашното махало на Фуко, тежащо 12 килограма и дължина на нишката 8,5 метра, се предлага във Волгоградския планетариум.
Сегашното махало на Фуко в момента се намира в планетариума в Санкт Петербург. Дължината на резбата му е 8 метра.
В Беларус махала на Фуко са монтирани в Белобългарския държавен педагогически университет на името на Максим Танк (дължината на нишката е 7,5 метра) и в параклиса на мемориалния комплекс Буйничское поле (Могильов) (фиг. 6).
Друго махало на Фуко се намира в Барнаул в AltSTU на името на A.I. И. И. Ползунова в катедрата по експериментална физика в стая 403. Дължината на резбата му е 5,5 метра.
Функциониращото махало на Фуко в момента се намира в Техническия университет на Молдова.
1.4.2. Оперативни махала в други страни
Общо в света има около двадесет модела махала на Фуко, включително в САЩ, Франция, Румъния, Австралия, Кувейт и други страни.
Махалото на Фуко в Парижкия Пантеон, музей на изкуствата и занаятите, Париж
Мисури пещера (САЩ) Илинойс, Чикаго (САЩ)
Калифорния (САЩ) Орегон, Портланд (САЩ)
Норвегия Барселона (Испания)
Център Коперник във Варшава Солт Лейк Сити Планетариум
Обсерватория Грифит (Лос Анджелис) Музей на естествените науки в Хюстън
1.5. Интересни факти
Един от елементарните начини за решаване на забавнаПроблемът на П. Л. Капица за облачността на Венера е измерването на продължителността на деня с помощта на махалото на Фуко.
Текстът на проблема: „Астрономическите наблюдения показват, че планетата Венера е напълно облачна, така че „жителите“ на Венера са лишени от възможността да наблюдават небесните тела. Опишете как биха могли точно да измерят продължителността на деня си.
3. И още за Фуко. Той учи зле в училище (внимание, мързеливи хора!), Той не беше привлечен от знанието. Освен това той беше в много лошо здраве. Но увлечен от интересен бизнес, той стана световноизвестен учен, името му беше включено във всички енциклопедии. Ето какво е страстта!
2. Практическа част
2.1. Модели махало, които можете да направите сами
1. Завържете конец с тежест за молива - например с гайка. Поставете линийка на масата и като държите молива хоризонтално, натиснете махалото, така че да се люлее по линийката (Фигура 7). Започнете постепенно да въртите молива в хоризонтална равнина.Ще се убедите, че въртенето на молива не влияе на махалото, то все пак ще се люлее по линията. По време на този експеримент не трябва да има вятър, течение, което да повлияе на махалото. Ориз. 7
2. Можете да обърнете табуретката с главата надолу и да закрепите в краищата на двата й крака по диагонал някаква дървена пръчка или метална тръба, а в средата й да завържете махало. Накарайте го да се люлее така, че равнината на люлеенето му да минава между краката на столчето. Бавно завъртете столчето около вертикалната му ос и ще забележите, че сега махалото се люлее в другата посока (фиг. 8). Всъщност тя се люлее по същия начин, а промяната е настъпила поради завъртането на самото столче, което в този експеримент играе ролята на нашата Земя. Ориз. 8
3. Можете да направите махало, например, като вържете къмнанижете тежка гайка, вземете свободния край на конеца в ръката си и ... Не, не е нужно да стоите с часове, чакайки Земята да се завърти. По-добре е да застанете на известната пейка Жуковски или дори на закупената "Грация" и, като протегнете ръката си с люлеещо се махало, опитайте се да се завъртите. Махалото в ръката ви ще поддържа първоначално зададената посока на трептене, например от вратата към килера (фиг. 9).
4. Вземете дървена дъска с дължина 50-60 сантиметра, ширина 12-15 сантиметра и дебелина 2-3 сантиметра. Фиксирайте върху него U-образна стойка, изработена от тесни дървени летви. Височината на стойката трябва да бъде около 30-40 сантиметра. Пробийте вертикален отвор в средата на горната лента и вкарайте парче тел в него, като огънете горния край, за да го задържите в отвора. Огънете долния край на жицата с кука, на нея ще бъде окачено махало. Тази кука трябва да се върти свободно в гнездото си.
На тънък шнур закачете тежка тежест от куката (голяма гайка, голяма топка от лагер, увита в парцал).
Завъртете махалото така, че люлеенето му да не надвишава дължината на стойката. Завъртайки стойката около вертикалната си ос обратно на часовниковата стрелка, вие като че ли повтаряте в миниатюра въртенето на Земята от запад на изток. Нашият модел на Земята се върти, а махалото продължава да трепти в същата равнина, в която е изстреляно.
2.2. Модел на махало, представен за конкурса
Моделът на моето махало е направен по
подобие на модела от програмата
Модел на махалото на Фуко (фиг. 10)
направено със следното
Като тежест на махалото се използва конструктивно окачване
Рамката е изработена от 3 металопластмасови тръби
Закрепването на тръбата е направено от стоманен прът.
събрани материали ипроизведеното устройство може да се използва както в уроци по физика, така и в извънкласни дейности, например в рамките на „Седмицата на физиката“, в часовете на предметния кръг.
Тъй като математическият апарат, който придружава описанието на махалото на Фуко, принадлежи към курса на висшата математика, считам за уместно да продължа работата по тази тема.
Pinsky A.A., Razumovsky V.G. Физика и астрономия. 7 клетки - М .: Просвещение, 1999
Перишкин А.В. Физика. 9 клетки - М .: Дропла, 2008
Верин А. Опитът на Фуко
Нурбей В. Г. „Удивителна физика“
Храмов Ю.А. "Физика". Биографичен справочник. - М.: Наука, 1983
Енциклопедия на Collier. - Отворено общество, 2000