Установки студентов для вопроса по выбору на экзамене по общей физике

21 Января

На устных экзаменах по общей физике в МФТИ один из вопросов - вопрос по выбору студента. Это давняя физтеховская традиция. Часто студенты подготавливают экспериментальные установки своими силами для этой части экзаменационного билета. Последние несколько лет лучшие вопросы по выбору выдвигаются на конкурс, победители которого премируются при поддержке ФЦК МФТИ. Рассказываем, какие установки делают студенты.

Эффект Кэя. Дмитрий Вовк и Илья Мазуренко

Почему выбрали эту тему

В процессе поисков темы я натолкнулся на задачу с "Турнира юных физиков", связанную с эффектом Кэя и решил почитать про него. Нашёл статью на английском, в которой была представлена физическая модель этого явления и несколько описывающих его формул.

Я похвастался Диме, что нашёл достаточно интересную тему для вопроса по выбору, и мы пришли к выводу, что вдвоём будет проще работать, особенно с учётом того, что до экзамена оставалось чуть меньше недели.

Тема привлекла нас тем, что открыла что-то новое в, казалось бы, совершенно тривиальных вещах. Оказалось, что обычный шампунь обладает необычными свойствами. Да и вообще - сам эффект довольно красиво выглядит на наш взгляд.

В чём суть явления

Эффект Кэя_1000.jpg

Если тонкой струёй выливать шампунь (или другую псевдопластичную жидкость) на плоскую поверхность, то сначала будет образовываться небольшая вязкая "куча" из этой жидкости. Отличительное свойство псевдопластичной жидкости - её вязкость уменьшается с увеличением градиента скорости в её потоке. Поэтому, когда падающий поток входит в "кучу", образуется небольшая прослойка с низкой вязкостью между жидкостью из кучи и входящим потоком, иными словами, "коридор", через который теперь протекает входящий поток. Потом он выходит из какого-то места "кучи". Входящая жидкость давит на жидкость из кучи в месте падения, постепенно "коридор" становится похожим на "рампу", и шампунь "выстреливает" из "кучи" небольшим фонтаном.

Что вы сделали

Установка_1000.jpg

Мы взяли физическую модель и математическое описание из прочитанной статьи и придумали эксперимент, который позволил бы на практике подтвердить верность теории.

Основные моменты, которые мы проверяли:

1) Существование описанного выше "коридора". Для этого достаточно было показать, что масса, входящая в "кучу" в единицу времени равна массе, выходящей из "кучи" в единицу времени.

2) Справедливость выведенных математических формул - например, формулы для минимальной высоты, с которой необходимо выпускать шампунь, чтобы была возможность наблюдать эффект. Мы вычислили её по формуле и сравнили с минимальной высотой, полученной экспериментально.

В результате оказалось, что полученные опытным путем данные находятся в хорошем соответствии с теорией. Так мы и подтвердили верность физической и математической модели эффекта Кэя.

Какие сложности были при постановке эксперимента

В основном были проблемы технического характера. Как закрепить упаковку шампуня, как не залить всё вокруг и самих себя, как установить камеру и так далее. На первом этапе оказалось, что в зависимости от химического состава шампуня, эффект Кэя может проявляться сильнее или слабее в зависимости от того, сильнее или слабее выражены псевдопластичные свойства. Также потребовалось достаточно много шампуня. Одна упаковка ушла целиком, прежде чем мы наловчились правильно проводить измерения.

Изучение процесса разрыва тонких мыльных пленок. Даниил Приказчиков

Почему выбрали эту тему

Ещё в 10 классе наткнулся на один выпуск журнала "Квант", где говорилось о мыльных пузырях. Когда выбирал тему для вопроса по выбору, вспомнил тот журнал и решил придумать что-нибудь с мыльными пузырями.

Я стал искать в интернете оригинальную статью (~ 1955 года), в которой впервые выводилась формула для скорости разрыва пленки мыльного пузыря. Пока искал, нашел в одной статье, что есть необъяснимые причины того, что пузырь лопается медленнее, чем предсказывает формула. Стал копать дальше, нашел, что в одной работе по исследованию звука разрыва мыльных пузырей (честно, удивился, что такое тоже исследуют) мельком упоминают, что наблюдали нарушение интерференции на поверхности вблизи фронта разрыва. Тогда и решил, что было бы интересно проверить это на опыте и заодно оценить толщину пленки непосредственно в момент разрыва.

Что вы сделали

1) Сделал мыльный раствор, определил его вязкость, коэффициент поверхностного натяжения и плотность.

2) Собрал установку из шприца и трубок, чтобы заснять на высокочастотную камеру как лопаются мыльные пузыри.


3) По этому видео смог наблюдать эффект с нарушением интерференции, получил скорость разрыва и оценил толщину пленки в момент разрыва.

Термоэлектрический преобразователь. Артём Синельников

Почему выбрали эту тему

При подготовке вопроса по выбору я всегда ищу не слишком популярную тему, плюс вопрос по выбору должен быть практическим и коррелировать с программой курса. Поэтому, наиболее практичной на мой взгляд стала тема полупроводников. Сначала я хотел исследовать термоэлектрические свойства полупроводников в магнитном поле, но потом остановился на термоэлектрических модулях, так как они были у меня в наличии для проекта компактного термоэлектрического генератора-холодильника. Я решил исследовать их свойства, чтобы оценить характеристики конечного прибора и заодно сделать интересный вопрос по выбору.

Мне удалось измерить основные параметры термоэлектрического модуля TEC1-12712 SR: значение химпотенциала, теплопроводность, температурную зависимость термо-ЭДС, концентрацию примесных атомов, чтобы определить его рабочие характеристики и оптимальные режимы работы.

В чём суть явления

Эффект Пельтье заключается в переносе тепла в месте контакта двух проводников при протекании через них электрического тока. Это лежит в основе термоэлектрических модулей, используемых для контролируемого нагрева, охлаждения и термостатирования. Обратный ему, эффект Зеебека, заключается в возникновении ЭДС в замкнутом контуре из двух проводников, спаи которых находятся при разных температурах. Оба этих эффекта сильно зависят от параметров электронного газа обоих проводников, поэтому на практике обычно используют полупроводники для лучшего проявления эффекта, так как параметры Ферми-газа можно сильно менять, домешивая в полупроводник различные примеси. Теплоперенос напрямую зависит от силы тока, текущего через спай, и структуры энергетических зон двух полупроводников. 

Что вы сделали

Для исследования различных параметров термоэлектрического элемента я собрал установку:

foto_ustanovki_1000.jpg

Между двумя радиаторами поместил термоэлектрический модуль. К одному из радиаторов прикрепил резисторы для его нагрева, а другой радиатор охлаждался водой, для чего приварил к нему закрывающую пластину и отводящие трубки методом TIG сварки. Большой объём термостата с водой (19 л) позволял проводить эксперимент при практически постоянной температуре одного из спаев. Вода прокачивалась через радиатор с помощью помпы.

Вольтметр V2 измерял напряжение на термоэлектрическом модуле, а амперметр измерял ток, текущий через него. Нормально замкнутая кнопка К нужна для прекращения подачи напряжения на элемент и наблюдения быстрых неравновесных процессов, происходящих при изменении тока через модуль. Для этих же целей к цепи подключил осциллограф. 

Какие сложности были при постановке эксперимента

Основная сложность заключалась в исследовании вольт-амперных характеристик термоэлектрических модулей, так как у данных изделий ток и тепловой поток - понятия связанные, и при протекании тока там возникает термоЭДС, которая портит всю картину. Из-за этого пришлось придумывать другие методы по определению параметров модуля и проводить измерения быстро (с помощью осциллографа).

Также было непросто сварить алюминиевый радиатор для водяного охлаждения, так как требовалось приваривать тонкие трубки к толстому основанию. Из-за неравномерного нагрева сплав трескался, но герметик эту проблему решил.

Однопузырьковая сонолюминесценция. Иван Русских и Александр Даниярходжаев.

Почему выбрали эту тему

Мы заинтересовались сонолюминесценцией уже довольно давно. Тот факт, что при некоторых условиях звук можно преобразовать в свет, сам по себе уже интересен. А самое удивительное, что эффект сонолюминесценции, который при желании можно воссоздать в домашних условиях, до сих пор не имеет общепринятого научного обоснования. Существует несколько различных теорий, но ни одна из них так и не была признана канонической. Нам было интересно исследовать этот эффект и попробовать описать его теоретически.

В чём суть явления

Сонолюминесценция — это явление свечения мелких пузырьков, находящихся в жидкости, в интенсивных акустических полях. Оно может протекать в двух видах: в виде многопузырьковой сонолюминесценции, в процессе которой взаимодействует большое количество пузырьков, и в виде однопузырьковой сонолюминесценции, в ходе которой свечение создаётся одиночным пузырьком. В работе исследуется второй тип сонолюминесценции — однопузырьковая.

Наблюдение_сонолюминесценции.png

Что вы сделали

На круглодонную колбу объёмом 100 мл симметрично приклеели два ультразвуковых пьезоизлучателя, которые, работая в фазе, создают стоячую сферическую акустическую волну в жидкости. Снизу к колбе приклеели пьезоэлемент-микрофон, показания которого на осциллографе будут демонстрировать возбуждённые в жидкости колебания. Амплитуда напряжения на излучателях повышалась с помощью усилителя и катушки индуктивности. Показания на осциллографе выводились в режиме X—Y, по X — колебания генератора, по Y — сигнал с микрофона. 

Установка_1000.jpg

Для получения свечения пузырька выполнялась следующая последовательность действий: колба заполнялась водой, частота генератора подбиралась так, чтобы амплитуда сигнала на микрофоне была максимальной (то есть чтобы возник резонанс), затем в центре колбы для получения пузырька искусственно создавалась неоднородность путём внесения какого-либо предмета, после чего настройкой амплитуды с помощью перемещения ферритового стержня внутри катушки добивались свечения пузырька.

Какие сложности были при постановке эксперимента

При проведении эксперимента нужно было учитывать большое количество факторов (температуру воды, тонкую настройку частоты и другое), поэтому эксперимент был довольно непростым. Но через некоторое время мы привыкли и стали стабильно получать явление.

При решении различных проблем нам помогали сотрудники кафедры общей физики. Также было несколько интернет-ресурсов, на которые мы опирались при решении технических задач.

Комментарий Георгия Федорова, доцента кафедры общей физики МФТИ

На первом курсе безусловным лидером является работа «Однопузырьковая сонолюминесценция», выполненная студентами Александром Даниярходжаевым и Иваном Русских. Сонолюминесценцию наблюдать очень непросто, и попыток это сделать в рамках вопросов по выбору было немало. То, что это впервые удалось первокурсникам — уже удивительно. Тем более, что решение этой задачи потребовало изготовления высокомощного у/з усилителя. Ребята разработали и спаяли его сами. Кроме этого, выполнение этой работы требует аккуратности при монтаже установки, в частности приклеивании динамиков к стеклянной колбе и т.д. Замечу, что авторы провели очень много времени в 401 ЛК. Я почти всегда кого-то из них заставал там. А «успех пришел» только к концу семестра.

Благодаря вашим пожертвованиям в целевой капитал №1 поддерживаются проекты, связанные с традицией вопроса по выбору.