Путевые заметки

Решили сделать представление для младших (стоящих на пороге изучения физики) школьников. При этом захотелось уйти от тривиального набора опытов, привлёк сюжет и желание раскрыть тему. Красивое название подобралось сразу – «На дне пятого океана». А с остальным – приятные муки творчества. Рождение представления – занимательный процесс. Не верите, убедитесь:

Предполагаемое содержание меняется постоянно, каждая выстраданная идея, кажется интереснее предыдущих, но не всегда оказывается такой по сути. Частенько это понимается, когда точка невозврата пройдена: затрачены средства и время. Сложность задачи в том, что мы пытаемся в малый объём времени (45-60мин) вместить «самое главное – просто и интересно», от обилия вариантов глаза разбегаются. Метод проб и ошибок, плюс здравый смысл и опыт – другого рецепта мы не знаем.

Решили взвешивать воздух. Аристотель это делал, Галилей тоже. Чем мы хуже? Но это однозначно должен быть не школьный опыт, а захватывающее расследование. Заказали чувствительные электронные весы, манометр, и предварительно бутылками измерили объём воздуха в нашем помещении…

Склоняемся к мнению, что старые добрые рычажные весы лучше всякой электроники. Решающим аргументом будет величина погрешности взвешиваемого воздуха.

Только за счёт реактивного движения можно выйти за пределы пятого океана, поэтому «строим» воздушную ракету. Пластиковые бутылки, клапаны, ниппели, насосы… – пришлось повозиться. Помещение маловато – протянули леску по диагонали. Стоит только сдвинуть колечко, как «бух» – сжатый до 2атм воздух, толкает ракету по направляющей. Для пущего эффекта, на финише она иголкой протыкает надутый воздушный шарик – «бах»!

Диаметр оригинальных магдебургских полушарий – 35см, модели, продаваемой в учколлекторе – около 10. Для нас более привлекательным оказался плоский аналог установки (среднего размера), описание которого обнаружили в архивах газеты «Физика». Осталось только найти резиновое уплотнительное кольцо от скороварки и сделать установку.

Почему дует ветер? Не потому, что деревья качаются! И эту тайну Эола зрителям предстоит узнать в эксперименте.

После того, как мы, совершили географическое открытие, и «нашли» пятый Антарктический (Южный) океан, то надолго задумались о правомерности названия нашего представления. (В 2000г Международная гидрографическая организация приняла разделение на пять океанов, но это решение так и не было ратифицировано). На дно, какого же океана мы отправляемся: пятого или шестого? (В действующем определении океанов от 1953г Южного океана нет).

Под потолком лаборатории уже сгорело несколько воздушных шаров, а оптимальной (простой и надёжной) конструкции ещё не найдено. Значит, будут ещё катастрофы.

Нас увлекла идея показать от чего небо голубое, а Солнце красное. Это выход из механической плоскости представления и стремление к его гармонии.

Чего только не узнаешь в процессе подготовки представления. Оказывается, существует теорема «О причёсывании ежа»: пусть f – ненулевое непрерывное векторное поле на сфере. Тогда существует точка, в которой поле перпендикулярно сфере. Проще: пусть сфера – свернувшийся в клубок ёж, вектор – колючка. Тогда такого сферического «ежа» нельзя причесать так, чтобы он нигде не кололся (без вихрей и проборов). Следствие: если на Земле дует хоть какой-то ветер, то где-то на её поверхности обязательно должна быть точка, в которой не будет ветра (нуль касательного векторного поля) и эта точка будет являться центром циклона или антициклона. Причёсывать ежа с детьми мы, конечно же, не будем, но доходчиво объяснить им образование атмосферных вихрей собираемся.

Как-то по школьному (методически верно, но скучно) звучало название классического опыта «Магдебургские полушария», а надо по ТЗНовски – в игровом стиле и с интригой. Так, будоража фантазию, появились «Воздушные слоны в Магдебурге». Не ради формы пришли, ради содержания.

О коварстве аналогий. В опыте с «воздушной гирей» мы взвешиваем воздух, содержащийся в пластиковой бутылке. Атмосфера – это многокилометровая бутылочная пирамида. Нижней «бутылке» хуже всего, ведь те, что сверху, давят на неё своим весом. Неплохая аналогия – радовались мы. Но после первого представления подошёл малыш и спросил «А космос это там, где заканчиваются бутылки?»

Обстоятельства подтолкнули, и первые показы прошли в нештатном режиме: вместо зрителей 5-7кл – старшеклассники; вместо одного Ведущего – Капитан и Юнга. У представления есть запас прочности и потенциал.

Сюжет обогатился новым виртуальным персонажем – юным исследователем Вовочкой, который вовлекает зрителей в спор Аристотеля с Галилеем.

Руки как в детстве в чернилах, но не от перьевой ручки, а от шарика, который мы «учим» рисовать спирали на вращающемся диске. Зачем? Чтобы на пальцах объснить образование циклонов – атмосферных завихреней.

А зрителям-то образование чернильных спиралей со своих мест не видать. Что делать? Устанавливать над вращающимся диском наклонное зеркало или видеокамеру для проецирования изображения на экран. Знать бы только, что лучше…

При сгорании паров спирта, дым, заполняющий бутыль Эола, покидает её аж со свистом. Зрелищно! – Так почему же дует ветер? – перекидываем мы мостик аналогии между моделью и Природой. – Да потому, что сгорают пары спирта! – рушится наше ненадёжное сооружение.

– Весь зал в серпантине туалетной бумаги, кто за беспорядок отвечать будет? – Даниил Бернулли!

Необходимо сделать выбор: насос ручной или современный электрический? Конечно же, старинный, тот, который при вращении ручки чарующе поскрипывает и чавкает маслом. Собственноручно получить вакуум – событие памятное.

Каждый раз в финале представления звучит песня «Заправлены в планшеты космические карты…», но однажды мы поняли, что мало быть слушателями и вместе со зрителями стали подпевать. «… На пыльных тропинках далёких планет останутся наши следы». Останутся. Непременно и наши. Замечательная педагогическая находка вошла в сюжет представления и стала для нас лакмусовой бумажкой в выстраивании отношений со зрителями.

Как с помощью кусочка быстрорастворимого сахара проверить остался ли сухим «Отважный водолаз» после погружения на дно морское? Догадаться не трудно – надо сладость сначала погрузить вместе с водолазом, а потом положить в рот. Хороший ход, если бы… после показа следующего эксперимента из зала не спрашивали кусочек сахара.

Был жёлтый шарик, подрисовали очки и рот, получился Колобок. Теперь изучаем его аэродинамику. Главное, чтобы занимательность не развлекала, а помогала.

Восемь представлений подряд мы разглагольствовали о том, как ветер за счёт разности давлений срывает крыши домов. Но, как говорится, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. На девятом представлении – исправились: наша воздушная струя вырывает из стопки пластиковые стаканчики (крыши) и кидает их в зрителей.

С.Н. решил опробовать все, ранее сделанные находки, дабы отобрать лучшие. Получилось 140-минутное (!) представление для школьников 7-8кл летней математической школы.

– Мы специально написали формулу мелким подчерком, чтобы Вы её не разобрали… Не тут-то было. Это не предупреждение, это руководство к действию. То же, что при знакомстве сказать «Не запоминайте, как меня зовут! А зовут меня …»

Попытка первая: нормальное атмосферное давление – 1кгс на см2. Услышали, да и только. Попытка вторая: Ведущий вызывает зрителя и ставит ему на кончик носа килограммовую гирю. Увидели, улыбнулись. Окончательный вариант: каждый зритель давил пальцем с силой 10Н на кончик носа соседа, добиваясь понимания нормального атмосферного давления. Поиграли, ощутили.

«Всем! Всем! Всем! Департаментом Небесной полиции разыскивается особо опасный преступник Бурев Ураган Торнадович – рецидивист по кличке «Небесный пылесос». Особые приметы: опасен, коварен, неуловим» – был и такой эпизод в истории создания представления.

Около 350 лет учёные наблюдают на Юпитере гигантский вихрь – Большое Красное Пятно. Желаете увидеть Малое Красное Пятно? – Конечно! – срабатывает интрига, и мы демонстрируем водоворот в бутылке. Однажды один из старшеклассников разочарованно заметил, что опыт знаком и прост. Ведущий принял вызов и достал из загашников Зелёное Загадочное Нечто. Оно долго таинственно булькало, перемещая жидкую зелень из одной бутылки в другую. Не найдя природного аналога Зелёному Нечто, знатоки угомонились, а мы ещё долго размышляли над педагогической целесообразностью таких явлений.

Капитан вызвал пассивную девушку к бутыли Эола, чтобы она задала богу, интересующий нас вопрос о причине ветра. Её позёрство и расслабленность как ветром сдуло, когда она, после падения горящей спички внутрь сосуда, получила ОТВЕТ. Осталось только, задавая ей наводящие вопросы, расшифровать послание.

Четверо здоровых ребят, пыжатся, но не могут разъединить магдебургских полушарий. Но Капитан с помощью маленькой девочки из зала чудесным образом справляются с этой задачей. Догадались как?

Благодаря летнему математическому лагерю «Интеллектуал», мы приобрели небольшую рынду, которую вознамерились подвесить на сцене, чтобы всякий раз, отбывая в океанские плавания, бить склянки. К рынде на судне отношение трепетное – менять её не принято, и, если судно изменяет название (например, при переходе во флот другого государства), на нём остаётся старая рында со старым названием. Вот пусть и наше представление имеет свою добрую константу.

Своё путешествие мы начинаем от «края света». – А где это? – будоражим фантазию зрителей. – За линией горизонта. – Там, где нет тени. – Это же в Санкт Петербурге! – догадывается кто-то и начинается диалог.

Аппетит приходит во время еды. После энного количества погружений «на дно пятого океана» мы осознали, что для полноты картины происходящего в атмосфере не хватает рассмотрения вопросов термодинамики (туманы, облака, парниковый эффект) электродинамики (ионосфера, грозовые тучи, молнии, огни Святого Эльма, полярные сияния), оптики (зелёный луч, миражи, гало, радуга) и квантовой физики (озоновый слой). И так всегда: простенькая тема при погружении в неё обнаруживает завораживающую глубину и потенциал. Порой некоторые учителя, не сознавая этого, обращаются к нам за сценарием для копирования, но мы принципиально пытаемся зажечь цепную реакцию творческого процесса.

Приобрели конвекционную лампу, что дало нам возможность любоваться фантастическими явлениями, происходящими в атмосфере загадочной планеты Солярис (эта аналогия – память о любимой нами фантастике С. Лема). Из темноты зала (глубин космоса) зрители зачарованно наблюдают, как красное (горячее) нечто колышется на дне, затем из него формируется округлый отросток, связь истончается и вот уже большой каплей оно неспешно всплывает в фиолетовой (холодной) атмосфере-жидкости. Зависло, остыло. И медленно устремилось вниз, в среду, породившую её, уступая место новым протуберанцам. Завораживающий круговорот. От фантастики к реальности один шаг: оказывается, подобные процессы происходят и в атмосфере Земли!

– Мы неправильно измерили массу воздуха в помещении! – заявил юнга-зритель. – Почему? – удивился Капитан. – Дверь в комнату открыта! (Кондиционер работает!)

– Кто бывал в Санкт Петербурге? – спросил Ведущий у зрителей, в надежде перекинуть словесный мостик на Атлантов, стоящих у Эрмитажа. – Пётр Первый! – тут же последовал правильный, но бесполезный ответ.

После показа представления поинтересовался у третьеклассника, случайно примкнувшего к группе восьмиклассников, что ему понравилось больше всего. Неожиданный ответ порадовал, пленила не зрелищность, а концептуальность: «как взвешивали воздух и что никто не смог поднять этот груз, хоть и хвалились вначале».

Разгадан секрет упрямой пробки – задувать её внутрь бутылки можно с помощью тонкой трубочки! Капитан вновь озадачивает: – Каким образом по дну долины Смерти перемещаются камни массой в сотни килограмм? Удивлённый голос зрителя: – Неужели кто-то в трубочку дует?

Излюбленная корабельная шутка над новичками-юнгами – отправлять их на клотик чай пить… (Для непосвящённых: клотик – набалдашник на вершине мачты или флагштока.) Непоседу-зрителя Капитан может назначить юнгой и приобщить к работе – отправить с первого этажа на «клотик» (лестничную площадку пятого этажа). Не шутки ради, а чтобы с помощью барометра-анероида зафиксировать уменьшение атмосферного давления (в нашей аналогии – веса бутылочной пирамиды). Ожидается положительный педагогический эффект и минус два мм.рт.ст. Не терпится быстрее купить прибор и опробовать задумку!

– Почему мы не ощущаем действия атмосферного давления? – С детства привыкли. (Оценим силу «привычки»: так на спину /S>0,2м2/, лежащего на пляже человека, атмосфера давит с силой, большей F=p0S=105Па×0,2м2=20000Н, что соответствует камешку массой 2т). – Какие есть ещё гипотезы?

Оценил массу Джомолунгмы и теперь буду этим эталоном мерить массу земной атмосферы. Масса небес – две тысячи пятьсот подобных гор! Это сравнение лучше убеждает в весомости атмосферы, нежели число с восемнадцатью нулями.

Мостиком к рассказу об ураганах служит вопрос: – Как объяснить невероятный факт падения с небес на головы людей: а) серебряных монет; б) живых лягушек? Сегодня прозвучал уверенный ответ: – Деньги традиционно кидали во время свадьбы, а лягушки убежали (и десантировались) из французского ресторана, расположенного на энном этаже.

На прощание классный руководитель пожал руку и поведал, что он был первым (может и единственным) ребёнком, который «держал Луну в руках»: когда со спутника в земную лабораторию был доставлен реголит, один сотрудник космического НИИ дал своему сыну в качестве игрушки поиграть пробирку с серым порошком. Вот такие воспоминания разбудило у него наше представление.

Из трёхлитровой банки изготовлена установка «Чудо-шар», в которой зритель не может надуть воздушный шарик, а когда это делает Ведущий, тот, сообщаясь с атмосферой, не сдувается. Разыгранная интрига приводит нас к разговору о воздушном давлении.

– Как убедить неверующих, что надутый шарик сообщается с атмосферой? – Ввести в него извне трубочку с горящим светодиодом на конце. Засучиваем рукава и изготавливаем!

Пора накопленные экспериментальные «кубики» и смысловые блоки складывать в три пересекающиеся, и при этом индивидуальные программы об одном: 6кл. – 60мин.; 7кл. – 60-90мин.; 8кл. – 90-120мин.

На глазах у всех пытаюсь надуть «Чудо-шар» в банке – не получается, но я скрываюсь от «рентгеновских» взглядов за демонстрационным столом и там легко справляюсь с задачей. – Догадайтесь, как? – ставлю проблему и получаю моментальный ответ: – А под столом атмосферное давление больше, чем сверху!

На вопрос «Почему ветер дует?» один из зрителей самоуверенно ответил: «Потому что Земля вращается!». Каково же было его удивление, когда Капитан по секрету сообщил, что знает на планете два НЕПОДВИЖНЫХ ветреных места… После демонстрации Большого Красного Пятна другой зритель углядел аналогию с водяной воронкой, возникающей в раковине при сливе воды. – А в какую сторону она закручивается? Зависит ли этот эффект от направления вращения Земли? А давайте, каждый придёт домой, проверит, а завтра сообщит учителю… «Экспромты» Ведущих частенько оказываются наигранными ситуациями, в основе которых лежат повторяющиеся зрительские вопросы, ответы, реакции. Мы их очень ценим и со знанием дела коллекционируем. – Как долго вы готовились к этому экспромту? – Две минуты и всю жизнь!

– Можно ли изогнуть вихрь кольцом, замкнув его начало на конец? – Труднопредставимо, но реально! И вот мы уже обстреливаем восторженных зрителей из воздушной пушки вращающимися дымовыми торами.

На поверхности воды в аквариуме плавает плотик с укреплённой на нём бумажной фигуркой водолаза. «Как опустить его на дно, чтобы он не намок?» – oзадачивает Капитан и мгновенно получает лихие варианты: «Раскрутить аквариум относительно вертикальной оси симметрии, чтобы вода прогнулась параболой» и «выкачать воду». «Давайте лучше попросим помощи у паука-серебрянки… » – предлагает он.

– Как задуть пробочку, размещённую в горлышке горизонтально расположенной бутыли, внутрь сосуда? – задали мы вопрос. А в ответ получили, пожалуй, самый оригинальный за сорок семь показов (не шуточный) ответ: – Надо рядом посвистеть!

Зрители поочерёдно выходят на сцену и соревнуются в дуновении на пробку. Всякий раз она вылетает из бутылки и падает на пол. Начинается самое интересное. Некоторые зрители заботливо поднимают её и передают Ведущему, а у других – даже мысли такой не возникает, привыкли к обслуживанию. Вот такой индикатор самостоятельности и воспитанности мы имеем. Интересно, что зафиксированный в этом опыте результат, всегда согласуется с поведением школьников на всём представлении.

«Среди преподавателей большинство составляют те, кто не прервёт чтение своих лекций по навигации, даже если корабль уже тонет» (Джеймс Г. Борен). Очень не хочется быть похожими на них. Так как, приходящие к нам школьные группы имеют разный уровень подготовки и заинтересованности, то чтобы Капитан лавировал-лавировал и вылавировал, мы постепенно эволюционировали до использования нескольких стратегий или их комбинаций: 1) если заранее известны особенности группы, то сценарий корректируется под них, выбором маршрута (опытов), благо скрыть некоторые страницы презентации – минутное дело; 2) если видно, что экипаж в процессе путешествия подустал, то на одном из островов объявляется пятиминутная остановка (антракт). Например, после решения загадки «Перехитри невидимку», но с обязательным заданием – «Подумать над секретом движущихся камней, раскрытием которого мы займёмся сразу после перерыва»; 3) если Ведущий о группе ничего не знает, то, рассказывая о предстоящем путешествии, он предупреждает, что только от них зависит полностью или частично будет пройден маршрут. И смело, если требуется, сокращает сценарий.

Первый показ нашей рукотворной радуги зрителей явно разочаровал, она показалась им не такой цветастой как в природе (или в кино). Будем искать скрытую красоту в явлении. Интересно, что радуга Рене Декарта была белой, он смог лишь объяснить преломление солнечных лучей на каплях дождя, а «раскрасил» её уже позже Ньютон, открыв явление дисперсии. Вот и нам предстоит постараться.

Только после 50-го показа догадались вращать диск сначала в одну, а затем в другую сторону. Благодаря этому на бумажном кружке появляются две чернильные завитушки с противоположной закруткой. Такова и земная реальность: в северном и южном полушарии циклоны (воздушные массы) также закручиваются в разные стороны. Так наш модельный эксперимент приобрёл дополнительную глубину.

– Задумывались ли вы о том, почему небо голубое? – обращается Ведущий к зрителю и получает истинно гуманитарный ответ: – Я не ученица, я учитель русского языка.

Группа год назад была у нас в гостях. Достаю девятнадцатилитровую бутыль для эксперимента. Зал в один голос: – Мы это видели! И так уверенно это заявляют, что я начинаю сомневаться. Но мы принципиально не используем одинаковые эксперименты в разных представлениях… – Ребята, да на этой бутылке можно всю физику показать, – догадываюсь, в чём дело: – Раньше вы видели опыт номер двенадцать, а сегодня увидите только сороковой!

Эол из бутыли подал свой голос, да так эффектно, что девушка, удерживающая сосуд, от избытка чувств неожиданно для себя и окружающих ляпнула нецензурное слово. И испуганно замерла, осознав, что произнесла. Интересно, как бы вы на месте Ведущего отреагировали на это?..

Всякий раз восторгаюсь, что несколько простейших школьных формул, нацарапанных прутиком на земле, позволяют оценить массу её атмосферы: po = F/S = Mg/4πR2 ⇒ M = 4poπR2/g ≈ 4×105×3×(6,4×106)2/10 ≈ 5×1018кг!

Рассматриваем почтовую марку, на которой изображено историческое действо с магдебургскими полушариями. К сожалению, зрители узнают в нём лишь «опыт из учебника», а не опыт, показанный учителем на уроке.