home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Explore the World of Soft…e: Engineering & Science / Explore_the_World_of_Software_Engineering_and_Science_HRS_Software_1998.iso / programs / physics / wwdem.exe / WWDEM.TXT
Text File  |  1992-11-11  |  88KB  |  2,120 lines

  1.       PHYSICS DEMOS FROM THE WOODROW WILSON PHYSICS INSTITUTE
  2.  
  3.                                    compiled by Pat Cannan
  4.                        submitted by Preston "The Boom" Boomer
  5.  
  6. Physics Institute
  7. Woodrow Wilson National Fellowship Foundation
  8. Box 642
  9. Princeton, NJ 08542
  10.  
  11. Banana Drop:
  12.      When introducing acceleration of gravity, discuss it in terms of a 
  13. falling banana (or rutabaga, or whatever).  Demonstrate the fall and 
  14. then compare to a heavy banana (filled with lead shot and rubber 
  15. latex or aquarium sealant).  Drop both bananas at once by quickly 
  16. pulling a book out from under them.  
  17. Conclusion:  All bananas accelerate at the same rate.  This can then 
  18. be quoted for the rest of the year to remind students of the 
  19. demonstration.
  20.  
  21. And/or another variation:
  22.      Galileo's home country-- Italy.  National fruit of Italy-- Grapes.
  23. So all grapes fall at the same rate whether dropped individually or 
  24. in a bunch.  Show it.  Bunching them makes no difference!  Each atom 
  25. accelerates at g regardless of its companions.
  26.  
  27. Ellipses:
  28.      Kepler's dad was a plumber.  So take two plumber's helpers 
  29. (preferably with short handles) and stick them onto the chalkboard 
  30. for the foci of the ellipse.  Then using a looped string and chalk, 
  31. draw the ellipse around the two helpers.
  32.  
  33. Lead Banana:
  34.      How can an astronaut distinguish between a lead banana and one 
  35. that is just a hollowed out (and reinforced) peel?
  36. By sensing their resistance to motion by shaking them.  Pass bananas 
  37. around so students can FEEL the mass.
  38.  
  39. Gravity discovered-- the real story.
  40.      One day, young Isaac Newton, then in his mid-twenties, was 
  41. sitting under the banana tree in his back yard...
  42.  
  43. Centripetal hang-ups:
  44.      Bend a coat hanger and its hook so that a penny will balance on 
  45. the upturned hook.  Hold the hanger by your index finger and swing it 
  46. in a circle.  The penny will (with practice) remain in place.
  47.  
  48. Swingin' big scare:
  49.      Suspend a small (25cm diam) board from three strings so it can 
  50. be vertically swung around.  Place objects on the board and scare 
  51. everyone!  Practice this before trying beakers of water etc.
  52.  
  53. Car Parts:
  54. Cars come equipped with a positive accelerator, a negative 
  55. accelerator, and a change sign lever.  When the lever is in the + 
  56. position, the positive and negative accelerators work as designed.  
  57. When the lever is in the - position, the positive accelerator produces 
  58. a negative acceleration, the negative accelerator a positive 
  59. acceleration. (for those doubting students, what would have 
  60. happened in the second case if the - accelerator had indeed 
  61. accelerated the car negatively?)
  62.      
  63. TP Rip-off: 
  64.     Single-ply toilet paper takes a force of about 10 newtons to 
  65. separate.  A rapid linear acceleration of the paper takes advantage 
  66. of the rotational inertia of the roll to help stretch and tear the 
  67. paper.  The build-up to the breaking point must occur quickly so that 
  68. angular velocity of the roll is kept small and paper is not dumped 
  69. onto the floor. As the roll is used up, the moment of inertia 
  70. decreases making it increasingly difficult to get paper off with one 
  71. hand.  
  72.   Place a new roll of TP and an almost empty roll on a bar held by 
  73. two students.  Give the new roll a yank, and the paper should tear 
  74. nicely. Give the small roll a yank, and it should unravel onto the 
  75. floor.
  76.    Discuss the moment of inertia.  The new roll approximates a disk, 
  77. the old roll a hoop.
  78.  
  79.  
  80. Sound Thinking:
  81.    With a small transistor radio blaring away, enclose it in a cage of 
  82. wire mesh.  The Faraday cage will shield the radio from any electric 
  83. fields and hence will shield it from radio waves.  (The electric 
  84. waves of light enter and leave the cage because their wavelengths 
  85. are much smaller than the mesh size.)
  86.  
  87. When Chocolate Chip Speaks, Students Listen:
  88.    Take about 50 turns of fine, insulated wire and tape to the back of 
  89. an ice cream carton (or whatever), leaving the two leads of the wire 
  90. to attached to the output of an amplifier.  Bring a large magnet up to 
  91. the back of the voice coil when the amplifier is signaling 
  92. appropriate music.
  93.   You may construct the speaker in class, discussing it in abstract 
  94. terms so students are taken by surprise.  If you do not have a carton, 
  95. the daily bulletin or and administrative pronouncement will do.
  96.  
  97. Mixed Nuts:
  98.    Tie large steel hex nuts (of varying mass) on a string at spaces of 
  99. S=1/2gt2 where t=.1,  .2, .3, etc. Release the string onto a noisy flat 
  100. plate and listen for a constant rat-a-tat-tat as th nut hit.  First 
  101. drop a string with evenly spaced nuts.
  102.  
  103. Instant Parabola:
  104.    Put tape on a meter stick at intervals similar to the Mixed Nuts.  
  105. Mark off a parabola on the board by moving equal horizontal 
  106. distances as you mark off vertical positions from the tape.
  107.    Challenge students to toss an object that matches the parabola, or 
  108. drag a student in a wagon while she tosses an object straight up.
  109.  
  110. The Beat Goes On:
  111.    Drafting supply stores have stick-on tape with parallel bars.  By 
  112. Xeroxing this and shrinking it various amounts, waves of different 
  113. length are obtained.  Make transparencies and place them over each 
  114. other to project beats or group velocity onto the screen.
  115.    By choosing l = fl (l= lambda) where f is a simple fraction, beat 
  116. frequencies are harmonic with the generating frequencies and give a 
  117. pleasing sound.  (Thank you, Pythagoras).
  118.  
  119. Running Interference:
  120.    Concentric ring patterns may be purchases from drafting suppliers 
  121. of about $3 per sheet. Make different wave lengths by enlarging or 
  122. reducing the pattern.  With these made into overheads, you may 
  123. demonstrate (1)  2-slit interference, (2) the effect of changing slit 
  124. spacing or wavelength (3) n-slit interference (4) diffraction grating 
  125. (5) effect of telescope aperture and incident wavelength on 
  126. resolving power.
  127.  
  128. Golden Rule:
  129.    Measuring the wavelength of light with a diffraction grating 
  130. demands and act of faith-- are there really all  those lines on the 
  131. grating?  You can diminish those concerns by using a metal ruler 
  132. with scored divisions of less than a millimeter or so ($2.50 at a 
  133. hardware store).  Allow laser light to reflect off it at a grazing 
  134. angle and project the pattern onto a wall. 
  135.  
  136. Kitchen Scale Equilibrium:
  137.    Take a two-meter or so 2X4, mark it at 30 cm intervals and show 
  138. your class its weight on the scale.  Now support one end on the 
  139. scale, one on a block, and ask the class to predict weight on the 
  140. balance before you actually release the board.  Then reverse block 
  141. and scale and ask again. Try various locations of the block and scale 
  142. and even add extra weights to the beam.  This demonstrates 
  143. moments under a variety of conditions.
  144.  
  145. Back to Normalcy:
  146.    Clamp a weight to the scale and tilt it to show normal force 
  147. variance with angle.  In general, you will find a kitchen scale to be a 
  148. frequently used piece of apparatus for all sorts of phenomena. They 
  149. are available with metric readouts.
  150.  
  151. Reflections on the Wave Nature of Light:
  152.    Reflect a laser beam off a flat mirror, make incident and reflected 
  153. beams visible with clouds of chalk dust. Then reflect light off a good 
  154. quality diffraction grating.  Ask students what is going on.
  155.  
  156. Polarizing Influence:
  157.    Kids do not outgrow the desire to take something home with them.  
  158. diffraction gratings and polarizing materials are so cheap that they 
  159. should be given to every student. Tape 1cm X 1cm pieces of each 
  160. behind punched holes on a card.  Challenge students to write down 
  161. observations when they look at clouds, reflected light, neon or 
  162. sodium lamps, stars, etc.
  163.  
  164. Trapped in the corner:
  165.    A corner reflector may be made by cementing three mirrors 
  166. together at right angles to each other. Use aquarium sealant for 
  167. adhesive and drafting triangles to insure accurate right angles.  
  168. Reflect laser beam off the interior of the cube.  Students will be 
  169. able to see how three reflections are required for it to work, and 
  170. they will actually be able to follow the light path.  Rock the cube 
  171. around so it is clear that the return path is not dependent upon 
  172. orientation.
  173.  
  174. Bubble Dome:
  175.    Make a soap solution as follows: 70ml of Joy, 200ml glycerin, 230 
  176. ml water.  Roll a cone from a piece of paper and blow a large bubble 
  177. onto a glass plate on an overhead projector.  Ignore projection on 
  178. screen and look at beautiful, iridescent interference on the bubble 
  179. itself.  With the right mixture of bubble soap the bubble should get 
  180. thin enough to become totally transparent to reflected light, just 
  181. before it breaks.
  182.  
  183. Canned music:
  184.    Reflect a strong light off a soap film across the end of a can.  With 
  185. a lens of appropriate focal length, focus an image of the bubble on a 
  186. screen. A series of spectra characteristic of a thin film is visible.  
  187. Now bring a speaker to the back of the can, and interesting 
  188. distortions of the image will occur. If you hook up a signal 
  189. generator, very the frequencies to get resonance on the soap film.
  190.  
  191. The Swing Era:
  192.    Hang several pendula of different lengths from a semi-rigid 
  193. support.  Challenge students to get a particular pendulum swinging 
  194. to the exclusion of the others by pulling on a rubber band attached to 
  195. the support.
  196.  
  197. Spring String:
  198.    The classic demonstration of a mass suspended between two 
  199. strings, protecting the upper string from breaking by its inertia does 
  200. not communicate the importance of a stretchable string.  If the 
  201. string were absolutely unyielding, the upper string would break 
  202. every time.
  203.    By replacing the upper string with a spring, a slow motion of the 
  204. mass downward stretches the spring and visibly puts tension on it.  
  205. A rapid jerk on the string breaks it without significant stretch of 
  206. the spring. 
  207.  
  208. The Big Attraction:
  209.    With a charged lucite rod, rubber rod, or golf tube, attract an 
  210. empty pop can. Balance objects on the dome of a watch glass and 
  211. observe the effects-- everything up to a 2-meter 2X4 will work.
  212.    Small charged objects may be discharged with an anti-static gun 
  213. available at a record store.  The gun has a piezoelectric crystal 
  214. connected to a sharp pin.  The potential developed on the point 
  215. creates ions that stream off the point and discharge whatever.  
  216.  
  217. Funneling Momentum:
  218.    Suspend a large funnel from a support so that it can spin freely. 
  219. Fill it with sand and release it, giving it a small initial angular 
  220. velocity.
  221.  
  222. Soda Straw Symphony:
  223.    Clip the flattened end of a drinking straw to a point, forming a 
  224. double reed.  Pinch the reed end slightly with your lips as you blow 
  225. HARD to get something like a high-pitched duck call. (No self-
  226. respecting beaver would respond to such a noise).  While blowing, 
  227. clip the other end off to change resonant frequencies.  Remind the 
  228. class that shorter tube lengths produce higher resonant frequencies.  
  229. in the straw just as it did on the soap bubble.
  230.    Connect multiple straws and flex straws for good bass notes, 
  231. insert smaller straw to make a slide trombone, cut holes for 
  232. advanced work.  Cut appropriate lengths so class can play school 
  233. fight song, Christmas carols, etc.
  234.  
  235. No Strings Attached:
  236.    Poke a hole 2/3 of the way into a Nerf ball and imbed a 30g sinker 
  237. attached to a string in the middle of the foam. Swing the ball in a 
  238. circle over your head and ask students at what moment in its path 
  239. you should release it to hit a target.  The demonstration is more 
  240. forceful if some of the student predictions result in the ball flying 
  241. into the class.
  242.  
  243. Shifting to Doppler:
  244.    Get a code oscillator circuit (e.g. Radio Shack #20-115), a 5cm 
  245. speaker, a small switch and a 9volt battery clip.  With a sharp knife 
  246. slice into a Nerf ball and imbed all parts inside. Turn on the switch 
  247. and throw the ball to students in the class. Pitch will change 
  248. noticeably depending on whether the ball is approaching or receding. 
  249. (Total cost is about $9).
  250.    
  251. Electric Washtub:
  252.    Mount a length of piano wire under tension (from a spring or 
  253. weights).  Place a large magnet over it and hook the ends of the wire 
  254. to the input of an amplifier.  Plucking the wire will induce currents 
  255. that will amplify as musical sounds.
  256.  
  257. Splitting Hairs:
  258.     A human hair held in the laser beam will produce a single-slit 
  259. interference pattern.  (The hair forms a single thin barrier.) The 
  260. width of the hair can be determined by measuring the spacing of the 
  261. secondary maxima and using the single-slit equation.
  262.  
  263. Learning the Ropes:
  264.    A convincing session in vectors:
  265.        Have two burley guys pull a rope between them as tight as they 
  266. can.  Then have your smallest kid pull sideways in the center of the 
  267. rope.  He will have no trouble pulling the burleys toward each other.
  268.  
  269. Bubble Battle:
  270.    If two soap bubbles (or balloons) are connected at opposite ends of 
  271. a pipe, the smaller bubble (or balloon) will force air into the larger 
  272. one.  The pressure inside a bubble varies inversely as the radius of 
  273. the bubble. It's neat to have a valve in the pipe and set up the 
  274. bubbles or balloons and ask the kids to hypothesize on what will 
  275. happen when the valve is opened and why.
  276.  
  277. Soap Film Trampoline:
  278.    Use a coat hanger or a large wire frame. Dip it into a bubble 
  279. solution. With practice you can cause the large soap film to undergo 
  280. many interesting modes of vibration.
  281.  
  282. Football Spin:
  283.    Try spinning the following objects on a bare floor or on a smooth 
  284. table top:  Small toy football, hollow egg-shaped plastic container 
  285. (l'eggs), full-size football.  though the football begins its rotations 
  286. about its short axis, it reorients itself to a lower energy state by 
  287. standing up and rotating about its longer axis.  (see The Physics 
  288. Teacher, Vol. 15. p 188, 1977).
  289.  
  290. The Levitating Screwdriver:
  291.    When various objects are individually placed in a narrow stream of 
  292. fast moving air, they seem to float.  Objects which have been used 
  293. include: golf balls, small footballs, styrofoam balls, rubber balls, 
  294. steel balls, hollow egg-shaped plastic containers, and smooth 
  295. handled screwdrivers.
  296.  
  297. Pat the Pipe:
  298.    Pat the end of the pipe with the flat palm of your hand.  Use two 
  299. distinctly different motions:  1. Leave the hand against the end of 
  300. the pipe after striking it.  2. Quickly remove the hand away from the 
  301. end of the pipe immediately after striking it.  If you listen carefully, 
  302. you should hear two different octaves because an open pipe has 
  303. antinodes at both ends while a closed pipe has a node at one end.
  304.  
  305. Singing Rod:
  306.    Hold on to the midpoint of a solid aluminum rod (18mm diameter is 
  307. good) with the thumb and forefinger of one hand.  Stroke the rod with 
  308. the thumb and forefinger of the other hand.  A LOUD tone emerges 
  309. from the longitudinal oscillations set up in the rod.  By holding the 
  310. rod at other locations, higher harmonics are heard.  It is helpful 
  311. (essential to get resin, stick-um, or some kind of frictional material 
  312. on the rod.  Consult your local sports store.
  313.  
  314. Baffle the Speaker:
  315.    Purchase an ear phone attachment for a cassette player. Cut off 
  316. the ear piece and in its place solder a small (5cm) speaker (Radio 
  317. Shack). Plug  this speaker into the cassette player and listen to the 
  318. musical sounds before and after the speaker is placed near the 
  319. opening of each of the following objects: plastic pipe, bottomless 
  320. styrofoam cup, a sheet of 60cm square cardboard with a 5cm hole 
  321. cut in the center.
  322.  
  323. Light My Balloon:
  324.    Fill one balloon with water.  Fill another balloon with air.  Place a 
  325. lighted match beneath each of the balloons.  Explain.
  326.  
  327. Follow the Vector:
  328.    Use a bicycle wheel or a circular disk (such as a disk stroboscope).  
  329. Attach a styrofoam ball and arrows radially inward and tangential to 
  330. the circle.  Use shadow projection and watch the length of the arrow 
  331. s  shadows simulate the acceleration and velocity vectors of a body 
  332. in simple harmonic motion. A 1cm hole in an aluminum slide in the 
  333. projector helps narrow the beam of light.
  334.  
  335. An Uplifting Experience:
  336.    Use duct tape to attach a plastic garbage bag to the outlet hose of 
  337. an air blower (vacuum cleaner). Have someone sit on the bag as you 
  338. turn on the air.  Watch the person being lifted as the bag fills with 
  339. air.  An alternative is to attach several hoses and have classmates 
  340. blow up the bag with lung pressure.  This method is sometimes used 
  341. to lift automobiles in accident situations.  Big total force from a 
  342. small pressure over a large area.
  343.  
  344. Smoke Cannon:
  345.    How to construct a smoke cannon:  Remove one end of a cardboard 
  346. box. Attach long rubber bands to each of the remaining 4 corners.  
  347. Use duct tape to attach a sheet of flexible plastic across the open 
  348. end of the box.  Attach each of the four free ends of the rubber bands 
  349. to a knob near the middle of the plastic sheet.  Cut a circular hole  in 
  350. the side of the box opposite the plastic sheet.  Saturate the interior 
  351. of the box with smoke and blow smoke rings across the room.
  352.  
  353. Vortex Generator:
  354.   A simpler version of the Smoke Cannon.  Use a plastic milk bottle. 
  355. Whap it on the side. Nice vortex rings shoot out.  Fill the bottle with 
  356. methane from your gas jets.  Shoot the vortex rings at a burning 
  357. burner.  Watch the rings ignite with nice sound action!
  358.  
  359. Better still super great Vortex Blammer:
  360.    Take a plastic bucket (10 liter) and cut a 25cm hole in the bottom.  
  361. Cover the top with rubber (wet suit) material (surfers can usually 
  362. supply you with old wet suits). Tie or clamp the rubber on (with hose 
  363. clamp stock).  It should be tight as a drum.  Bam the rubber and WOW! 
  364. Great vortex rings.  Shoot the kids across the room.  Fill it with 
  365. methane, shoot the Bunsen Burner and oooohhhhhh.... NEAT!  Big 
  366. roaring rings of fire!
  367.  
  368. Diet Lite:
  369.    Drop two full cans of pop into a tank of water.  One a can of diet 
  370. pop, the other regular.  The diet drink will float. The sugar content 
  371. of the regular drink will increase its density sufficiently to sink it.
  372.  
  373. Instant Recycling:
  374.    Take an empty pop can, put in a few ml of water.   Heat over a 
  375. burner until steam emerges vigorously from the opening.  Quickly 
  376. invert the can into a pan of cold water.  Condensing of the steam is 
  377. so rapid that the low pressure created allows the atmosphere to 
  378. crush the can instantly. (Unless you are a real man, you'll want to 
  379. hold the can in tongs).  The pressure of the atmosphere is 1kg/cm2 
  380. (9.8n)/cm2.
  381.  
  382. Sweet Success:
  383.    The sugars in Karo syrup rotate the plane of polarized light and 
  384. rotate different colors different degrees.  Place a bottle of it on a 
  385. polarizing filter on the overhead.  Students looking at the bottle 
  386. through their own polarizers see spectacular colors.
  387.    The trick may also be done by stretching scotch tape and layering 
  388. it randomly on a glass plate.  The stretching is essential to 
  389. straighten out long coiled organic molecules.
  390.  
  391. The Silver Lining (or a cloud in a 4-liter jug):
  392.    Take a 4-liter jug (you may first have to consume the contents the 
  393. previous weekend), swirl a few ml of water around in it and pour out 
  394. the excess to raise the humidity. Introduce some smoke from a 
  395. freshly blown out match for hydroscopic particles. With your mouth 
  396. over the mouth of the jug (mouth-to mouth) blow hard into the jug 
  397. and then release the pressure.  Ah, fog in a 4-liter jug!  
  398.    Or connect a rubber tube to the jug with a one-hole stopper and 
  399. glass tube and blow or suck on the tube.  Nice adiabatic warming and 
  400. cooling.
  401.    Discuss capacity of air, absolute humidity, relative humidity, and 
  402. the variance of the capacity with temperature. And do not forget the 
  403. dew point.
  404.  
  405. Sticky Situation:
  406.    Mix corn starch (from the grocer) with water to make a fluid 
  407. paste.  Pour it into a beaker and challenge students to QUICKLY punch 
  408. their finger into it and withdraw.
  409.    Under rapidly applied force the mixture becomes an elastic solid. 
  410. Scoop out some of the fluid and squeeze it into a ball.  As soon as 
  411. you quit squeezing it will become a liquid in your hands.
  412.    This is completely washable, so you can really get into it.
  413.  
  414. Vanishing Charge:
  415.    Take a commercial disectible Layden jar and charge it by holding 
  416. the base in your hand and reaching toward a Van de Graaf generator 
  417. with the central plate.  Be sure your body is grounded or it won t 
  418. charge.
  419.    With a wire between the inside and outside plate, show it is 
  420. charged.  Great Spark!  Set it on a table and with faked care lift the 
  421. center plate out with an insulated rod and hand it to a reluctant 
  422. student.  Remove the glass and with the insulated rod hand the outer 
  423. cup to another student.  Ask them to touch hands.  Nothing happens.
  424.    Now touch the cups to show there is no charge.  Nothing happens. 
  425. Reconstruct the jar and VOILA there is a spark.
  426.    You can make your own jar with the bottom half of a soda can in a 
  427. peanut butter jar with a steel can on the outside.
  428.    The charge resides on the glass, not the metal.
  429.  
  430. Change in the Wind:
  431.    Place a dime about 3 cm in from the edge of a table.  Set a can at 
  432. an angle near the coin.  Challenge students to get the coin into the 
  433. can without touching either.
  434.    Solution is to blow SHARPLY over the top of the coin. The Bernoulli 
  435. effect will lift it and pop it into the can.  A real expert can lift a 
  436. quarter.
  437.  
  438. Milk, Motion, and Molecules:
  439.    Dilute homogenized milk with about 10 parts water to 1 part milk. 
  440. Place a drop on a microscope slide, cover and view under high power.  
  441. The tiny fat particles will be seen to dance continually from the 
  442. collisions of the water molecules.  The effect is called Brownian 
  443. Motion and was crucial evidence for the existence of molecules.  
  444. Einstein did the math on it.
  445.  
  446. Absorbing Interest:
  447.    Dissolve about 10g of erbium chloride or any rare earth chloride in 
  448. a large test tube.  Hold the tube in front of a showcase bulb while 
  449. students look through diffraction gratings.  They will see a beautiful 
  450. absorption spectrum.
  451.  
  452. The Incredible Inverting Pin:
  453.    Take a plastic film container and poke a small pinhole in the 
  454. bottom center. Then push the pin through the side near the front so 
  455. the head is centered in the opening.  Hold it up to you eye and look at 
  456. the pin silhouetted in the little circle of light.  It will appear to be 
  457. inverted.
  458.  
  459. Bloogle:
  460.   Take a short piece of flexible plastic hose (60 cm long) and swing 
  461. it briskly in a circle.  Three or four resonant frequencies can be 
  462. heard.  With a little practice you can play Taps on it.
  463.  
  464. Acoustical hang-ups:
  465.    Tie about 1.5m of thread or very fine wire to a coat hanger.  Loop 
  466. it over your head as you lean forward, and with your index fingers 
  467. stick the tread into you ears.  Have a friend strike the hanging 
  468. hanger with a pencil, and revel in the sound produced.  Ah, Great Tom 
  469. of Westminster!
  470.  
  471. Physics Transferred:
  472.    Take two PSSC air core solenoids. Attach lamp cord directly to the 
  473. terminals of one. to the other attach the terminals from a low-watt 
  474. household light bulb.  Through the first solenoid place a bundle of 
  475. straightened coat hanger wires. Plug the assembly into the 120 volt 
  476. line.
  477.    The coil will jump a little  onto the iron core. 
  478.  
  479. Pressure Situation:
  480.    To find the pressure on a balloon, simply press the inflated balloon 
  481. down onto a balance until it flattens to a circle of known radius 
  482. (cm).  Read the balance for force and calculate pressure. P = fA.
  483.  
  484. Eggstra Eggsitement:
  485.    Tow students hold a sheet by its four corners. Someone throws a 
  486. raw egg into the sheet as hard as possible.  It does not break.  Be 
  487. careful not to miss the sheet.
  488.  
  489. Tubular Resonance:
  490.    The is a good follow-up to the closed-tube resonance one gets 
  491. from reflecting tuning-fork sound into a graduated cylinder with 
  492. water in it.
  493.    Just take two cardboard tubes that fit one inside the other.  
  494. Adjust the total length by sliding them in and out until resonance 
  495. with the tuning fork is found.  Your open tube will resonate at twice 
  496. the length of the closed tube.
  497.  
  498. Look Look!
  499.    Print  DICK  JANE  on a card.  DICK in blue, JANE in red.  When 
  500. viewed through a water-filled test tube, JANE appears inverted, 
  501. while DICK appears normal.  Let the kids hypothesise this one.  The 
  502. fact is that they are both inverted, but DICK looks the same either 
  503. way.
  504.  
  505. Lake Level:
  506.    Famous Archimedian problem.  Ask class... A row boat has an 
  507. anchor in it as it floats on a lake.  When the anchor is thrown 
  508. overboard, will the lake level rise, fall, or stay the same?
  509.    Collect student answers and justifications. Then try this 
  510. experiment.  
  511.    Float a 400 or 500 ml beaker with mass in it (say 200g) in a larger 
  512. beaker of water (say 2000 ml beaker). Mark the water level.  Then 
  513. remove the mass and place it in the bottom of the larger beaker (the 
  514. lake).  The lake lowers because in the boat, the anchor displaces its 
  515. weight of water but in the lake it displaces its volume of water.
  516.  
  517. Pin-Point Discharge:
  518.  
  519.    Get a Pom-Pon from a cheerleader.  Place it on the Van de Graaf 
  520. machine and charge it up.  Approach the charged pom pon with a 
  521. sharp pointed object. It will discharge fast.  Ben Franklin found that 
  522. charge accumulates on sharp points... The Lightning Rod.
  523.  
  524. Galloping Gourmet:
  525.  Cook a hot dog by inserting nail electrodes at each end and 
  526. connecting to the 120 v line.  Watch out for shock hazard!
  527. it takes only a few monents to cook.
  528.  
  529. Electric Jump Rope:
  530.    Connect a long wire to the terminals on a galvanometer.  Swing it 
  531. like a jump rope.  In the earth s magnetic field it will generate 
  532. current.  Swing only one loop of the wire so that the opposite loop 
  533. won t cancel the current.
  534.  
  535. PHYSICS INSTITUTE 1987          GREAT DEMOS              DEPARTMENT
  536.  
  537.  
  538.  
  539.                            THE DISCOVERY OF ATMOSPHERIC PRESSURE
  540.  
  541.                                                       or
  542.  
  543.                                         The Earth Sucks Not
  544.  
  545. (Theses demos takes a full period)
  546.  
  547.  
  548.      Demonstrate a piston pump (tire pump or glass demo pump), and 
  549. tell how the ancients knew why it worked--  Aristotle had told 
  550. them...
  551.  
  552.                                   NATURE ABHORS A VACUUM .
  553.  
  554.      The story of the Duke of Tuscany s pump (17 th cent).  The Duke 
  555. had his pump moved from the water source up the hill into his castle 
  556. (so foul foe couldn t mess with it).  Well, it wouldn t cause water to 
  557. rise higher than 10 meters above the source.  Nature had pooped out 
  558. at 10 meters of water.  He called in Torricelli (a student of Galileo) 
  559. to solve the problem. Torri experimented with inverted tubes, closed 
  560. at the top, filled with water and mercury.  The water always ran 
  561. down to 10 meters, and the mercury to about 760 mm.
  562.  
  563.      Set up this device by filling a glass tube, with one end sealed 
  564. whose length is at least  78 cm, with mercury (use a dropper).  Place 
  565. the  finger of Torricelli  over the open end and invert the tube into a 
  566. beaker containing mercury (be careful not to allow any air to enter).  
  567. When the finger and tube end are beneath the mercury in the beaker, 
  568. remove the former.  Clamp the inverted tube of mercury to a 
  569. ring stand, and place a meter stick next to it to measure the 
  570. millimeters from the mercury in the beaker to the top of the column 
  571. of mercury.
  572.  
  573.      On closer examination, Torri found the mercury level varied from 
  574. day to day, dropping with rainy weather and rising with fair 
  575. weather.  Ah, Yaz, it must be a function of the atmosphere. Hence he 
  576. deduced that the atmosphere must exert pressure, and therefore 
  577. must have weight!  (Aristotle said,  Air is Levity , so Torricelli has 
  578. shot down two of the ancient wrongs, and invented the Barometer).
  579.  
  580.      On the same ring stand, attach an 80 cm glass tube (with a 90 deg 
  581. bend at the top is nice) with one end in the same mercury reservoir 
  582. with the Tube of Torricelli (Ooohh, the Barometer), and connect the 
  583. top of this tube to an aspirator (or other vacuum pump) with a piece 
  584. of heavy walled rubber tubing. Place a safety beaker under the 
  585. aspirator to catch any mercury that accidentally comes through the 
  586. system.
  587.  
  588.      Start the aspirator and watch the mercury zip up the tube. Gasp, 
  589. it stops in the nick of time (we hope), and guess where? Ah, 
  590. interesting, about the same level as the barometer.
  591.  
  592.      Well, if Torri is right, air must have weight (not levity), so let s 
  593. weigh air.  Use the aspirator to remove air from a hollow metal ball 
  594. (obtainable from the catalogs) or a separatory funnel, close the cock 
  595. thereon, and weigh it  empty . Then, let air in (nice hiss), and 
  596. re weigh it.  There is quite an increase in weight.  You can even 
  597. calculate the density of air by dividing the mass of air in the ball by 
  598. the volume of the ball.
  599.  
  600.  
  601.                           MORE DEMOS ON ATMOSPHERIC PRESSURE:
  602.  
  603.      Give these equivalents of atmospheric pressure:
  604.  
  605.     One Atmosphere = 760 mm of mercury (sea level average)
  606.                               =  10 m  of water   (sea level average)
  607.                               =   1 kg of mass per square cm of area
  608.                               = 101 kpa   (of that kind of pressure)
  609.                               = 1013 mb   (for weather)
  610.  
  611.      Point out that a vacuum is nothing, and nothing cannot do 
  612. anything, which includes  suction .  Vacuums do not suck, the 
  613. atmosphere pushes!  One does not  pull a vacuum   or  put a vacuum 
  614. in  something. One creates a lower pressure outside, say by 
  615. expanding the volume in a pump, and molecular motion (kinetic 
  616. theory) causes the air to move into the lower pressure region.
  617.  
  618.      Evacuate the Magdeburg Hemispheres (obtainable from catalogs) 
  619. and have two burly guys try to pull them apart.  Tell the story of 
  620. Otto von Guerrike, Mayor of Magdeburg in the 17 th century, setting 
  621. eight horses to the task.  His hemispheres were much larger, and the 
  622. horses failed to do it.
  623.  
  624.      Now, take back the hemispheres from the burlys, and, while your 
  625. back is turned, let the air sneak in. Face the class and tell them that 
  626. only the strongest can succeed.  Tear them apart with considerable 
  627. moaning, etc.
  628.  
  629.      Calculate the number of kilograms needed to really separate them 
  630. by measuring the radius in cm, using pi r squared for the area in 
  631. centimeters squared, and that the atmosphere exerts 1 kg per 
  632. centimeter squared.  It take about 75 kg, which may be about the 
  633. mass of the instructor.  Hence, Spider Man is in trouble with these 
  634. things as suction cups.
  635.  
  636.      To illustrate this, moisten one hemisphere and place it on the 
  637. smooth surface of the demo table, remove the air, and get on the 
  638. table, and pull (watch your back), and you can do it (or a burly can).
  639.  
  640.      Point out, again, that there is no mysterious  force of vacuum , 
  641. but merely the force of the atmospheric pressure, which is not all 
  642. that strong.  Also, that it is the surface area and the pressure that 
  643. determine how many horses are needed.  But it can be done!
  644.  
  645.      Crush a ditto juice can (or a plastic jug) by removing the air from 
  646. it with rubber stopper, glass bend, and pump. (Great fun).
  647.  
  648.      Then, wrap a 4-liter glass wine jug in a safety towel, place it in 
  649. the sink (as a safety precaution) and remove the air from it as with 
  650. the above can.  It doesn t crush!  This shows, again, that there is no 
  651. mysterious irresistible force of  vacuum .  The strong construction 
  652. of the jug enables it to withstand the great total force of a large 
  653. number of centimeters of surface area on which there is about 1 kg 
  654. of atmospheric action on each. WOW!
  655.  
  656.      Now for the mysterious Siphon.  Take two large beakers and a 
  657. transparent plastic tube, and fill one beaker with water. Immerse 
  658. most of the tube into the beaker of water allowing it to fill to the 
  659. water level. Then block off the upper end of the tube
  660. with a finger.  Pull the blocked end down until the water level in it 
  661. is below the water level in the first beaker, and holding it into the 
  662. empty beaker, open the blocked end.  Ah, the water flows.  This is 
  663. the proper way to start a siphon, not with the mouth (unless it s 
  664. wine being siphoned). Perhaps the action is caused by the heavier 
  665.  water piston  in the longer tube lowering the pressure so that the 
  666. atmosphere will push the water into the shorter end which has the 
  667. lighter  water piston .
  668.  
  669.  
  670. ****  Great new video--
  671.                   (1991)
  672. Shows the ten-meter water action with glass pipes.  The water 
  673.                  boils, too!
  674. Crushes a steel oil barrel... Neat.
  675.  
  676.  
  677.                  Atmospheric Pressure
  678.                                     from                
  679.              Films for Humanities & Sciences
  680.              Box 2053 Princeton, NJ  08543-2053
  681.                   around $49.
  682.  
  683. ---------------------------------------------------------
  684.  
  685.  
  686.                                   ATMOSPHERIC PRESSURE & HUMIDITY
  687.  
  688. PRESSURE--
  689.  
  690.      The density of air is 1 gram per liter (at room temp and press).
  691.  
  692.      The pressure due to the weight of 300 km of atmosphere above is 
  693. equal to that of:
  694.  
  695.                  1  atmosphere
  696.                  1  kg per square centimeter
  697.                 10  meters of water
  698.                100  kpa
  699.                760  mm of mercury
  700.               1000  millibars (where a bar is 1 atmosphere)
  701.  
  702.      The total force on the human body due to the pressure of 1g/cm2 
  703. is about 22 megagrams (metric tons).
  704.  
  705.      It is the force of atmospheric pressure that causes the 
  706. phenomenon commonly called  suction .  The atmosphere pushes air 
  707. into regions of lower pressure.
  708.  
  709. HUMIDITY--
  710.  
  711.      Capacity of air is the number of grams of water vapor that can be 
  712. dissolved in 1 cubic meter of air at a given temperature.  The 
  713. capacity increases with temperature.
  714.  
  715.      Absolute Humidity is the actual number of grams of water vapor 
  716. dissolved in a cubic meter of air at any moment.
  717.  
  718.      Relative Humidity is the ratio of Absolute Humidity to Capacity 
  719. expressed in percent.
  720.           100% Relative Humidity means that the air is saturated as in 
  721. a cloud or in fog.
  722.  
  723.           Example determination of Relative Humidity:
  724.  
  725.                At 20oC,  the Capacity is 18 g/m3.  If the Absolute 
  726. Humidity is 9 g/m3,
  727.  
  728.                The Relative Humidity is 9 g/m3/18 g/m3 = 50%
  729.  
  730.                Here is a table of Capacities at various Temperatures:
  731.  
  732.                     Temp in oC   Capacity in g/m3
  733.  
  734.                                    0             5
  735.                                    5             8
  736.                                   10          10
  737.                                   15          14
  738.                                   20          18
  739.                                   25          22
  740.                                   30          30
  741.                                   35          40
  742.  
  743.  
  744. ADIABATIC TEMPERATURE CHANGES--
  745.  
  746.      Adiabatic refers to changing the temperature of air by either 
  747. compressing it or expanding it. Compression warms air, expansion 
  748. cools air. (An example of adiabatic heating is in the ignition of a 
  749. diesel engine.  The air is heated so hot by compression that it 
  750. ignites the fuel on contact. Adiabatic cooling is noticed when air is 
  751. allowed to escape from a tire).
  752.  
  753.           Upslope fog is formed by adiabatic cooling of the air as it is 
  754. blown uphill. As the air is cooled, its Capacity is lowered until it 
  755. equals the Absolute Humidity.  Then we have 100% Relative Humidity 
  756. and further cooling will cause fog to form.  Fog, like clouds, is 
  757. composed of LIQUID droplets (NOT water vapor).
  758.  
  759.  
  760.  
  761. -------------------------------------------------------------
  762.  
  763.  
  764.  
  765.                                        BAROMETER STORY
  766.  
  767. METHODS OF MEASURING THE HEIGHT OF A BUILDING WITH A 
  768.       BAROMETER:
  769.  
  770.  
  771. Atmospheric Pressure diminishes 1 cm per 100 meters of ascent.
  772.  
  773. Lower the barometer on a rope and measure the rope.
  774.  
  775. Drop the barometer and time its fall.   S=1/2gt2  to calculate the 
  776. height.
  777.  
  778. On a sunny day, measure the shadow of the barometer on the ground 
  779. and the shadow of the building.  Use proportions of right triangles 
  780. and the height of the barometer to calculate the height of the 
  781. building.
  782.  
  783. Going up the stairs, use the barometer as a  meter stick  to mark off 
  784. on the walls the height of the building.
  785.  
  786. Tie a string to the barometer, use it as a pendulum to determine g at 
  787. the street level and at the top of the building.  The difference in g 
  788. can be used.
  789.  
  790. Take the barometer to the superintendent of the building and say, 
  791.  Sir, I will give you this fine barometer if you will tell me the 
  792. height of this building. 
  793.  
  794.  
  795. ------------------------------------------------------------
  796.  
  797.  
  798.                                                  PULLEY STORY
  799.  
  800.  
  801. Respected Sir,
  802.  
  803.     When I got to the building, I found that the hurricane had knocked 
  804. some bricks off the top.  So I rigged up a beam with a pulley at the 
  805. top of the building and hoisted up a couple of barrels full of bricks.
  806.  
  807.      When I had fixed the building, there were many bricks left over.
  808.  
  809.      I hoisted the barrel back up again and secured the line at the 
  810. bottom, and then went up and filled the barrel with extra bricks. 
  811. Then I went to the bottom and cast off the line.
  812.  
  813.      Unfortunately, the barrel of bricks was heavier than I was and 
  814. before I knew what was happening, the barrel started down, jerking 
  815. me off the ground.  I decided to hang on and halfway up I met the 
  816. barrel coming down and received a severe blow on the shoulder.
  817.  
  818.      I then continued to the top, banging my head against the beam and 
  819. getting my finger jammed in the pulley.  When the barrel hit the 
  820. ground it burst its bottom, allowing all the bricks to spill out.
  821.  
  822.      I was now heavier than the barrel and so started down again at 
  823. high speed.  Halfway down, I met the barrel coming up and received 
  824. severe injuries to my shins.  When I hit the ground I landed on the 
  825. bricks, getting several painful cuts from the sharp edges.
  826.  
  827.      At this point I must have lost my presence of mind, because I let 
  828. go the line.  The barrel then come down giving me another heavy blow 
  829. on the head and putting me in the hospital.
  830.  
  831.      I respectfully request sick leave.
  832.  
  833.  
  834.  
  835. -------------------------------------------------------
  836.  
  837.  
  838. PHYSICS CAMP 1987                                                     GREAT DEMOS 
  839. DEPARTMENT
  840.  
  841.  
  842.                                      BACK ELECTROMOTIVE FORCE
  843.                                                  by the Boom
  844.  
  845.      When an electric motor is running, its armature windings are 
  846. cutting through the magnetic field of the stator.  Thus the motor is 
  847. acting also as a generator.  According to Lenz s Law, the induced 
  848. voltage in the armature will oppose the applied voltage in the stator. 
  849. This induced voltage is called BACK EMF. The strength of the Back 
  850. EMF depends upon the number of magnetic lines cut per second.  So 
  851. the faster the motor turns, the greater the Back EMF.
  852.  
  853.      Back EMF is very important in electric motors.  When the motor is 
  854. first turned on, there is no Back EMF inasmuch as the armature is not 
  855. yet turning.  This means that the motor will have a high starting 
  856. torque since there is no opposition to the applied voltage.  Then 
  857. when the motor is running at speed, the Back EMF will oppose much 
  858. of the applied voltage and the net result is a relatively small amount 
  859. of power consumption.  A big load will slow the motor, reducing the 
  860. Back EMF, so more power is applied to maintain the torque. (The 
  861. inverse feedback principle). This is the reason why a motor will burn 
  862. out if it is not allowed to run.  The windings are designed to operate 
  863. at the net voltage determined by taking the difference between the 
  864. Applied Voltage and the Back EMF. The starting motor takes several 
  865. times as much current as the windings can tolerate for more than a 
  866. few seconds.
  867.  
  868.      Set up your 120 volt power supply, switch, and light sockets and 
  869. bulbs (see the apparatus in ELECTRIC CIRCUITS).
  870.  
  871.      Use an ordinary 120 volt AC motor (such as an electric fan or 
  872. power drill).  Connect it in SERIES with a large clear glass light bulb 
  873. and your switch.  With the bulb in series with the motor, you should 
  874. be able to prevent the motor from starting with your hand (better 
  875. use a cloth on the shaft just in case it s stronger than normal).
  876.  
  877.      Start the power, and note the intensity of the bulb.  Then allow 
  878. the motor to run at full speed.  The bulb should be brightest when the 
  879. motor is stopped because there is no Back EMF to oppose current 
  880. flow.  At full speed, the Back EMF will cut down on the power 
  881. consumption, and the bulb will dim. You may need to experiment with 
  882. different wattage bulbs to find the one that works best for your 
  883. motor.
  884.  
  885.      Add load to the motor with friction, and note the bulb gets 
  886. brighter as Back EMF is reduced.
  887.  
  888.      You may wish to use AC meters to measure quantitatively the 
  889. above results.
  890.  
  891. ---------------------------------------------------------
  892.  
  893.  
  894. PHYSICS INSTITUTE 1987                                              GREAT DEMOS 
  895. DEPARTMENT
  896.  
  897.  
  898.                               VAPOR PRESSURE & BOILING POINT
  899.  
  900.                                       a super demo by the Boom
  901.  
  902.  
  903.      This is a fun demo that takes a full period and covers the 
  904. following concepts:  Vapor pressure, Boiling Point, Cooling by 
  905. Evaporation, Liquid to Gas Phase Change, and the Equilibrium 
  906. between liquid and gas in a closed system at constant temperature.
  907.  
  908.  
  909. APPARATUS:
  910.  
  911.      Ring stand, 2 utility clamps, a 500 ml thick-walled round-bottom 
  912. flask, two glass bends, two pieces of thick walled rubber tubing 
  913. (about a meter in length), rubber stoppers for the flask [a solid, a 
  914. one-hole, and a three-hole (I had to drill my third hole)], a tall glass 
  915. cylinder, a straight glass tube at least 80 cm long (a 90 deg bend at 
  916. one end is nice), a meter stick, a 100 ml beaker containing about 30 
  917. ml of mercury, an aspirator or other vacuum pump, a thermometer (0 
  918. - 110 deg), a pinch clamp, and a burner.
  919.  
  920.  
  921. PROCEDURE:
  922.  
  923.      Set up a 500 ml thick-walled round-bottom flask on a ring stand 
  924. over a burner.  Insert a 3-hole rubber stopper therein. One hole gets a 
  925. thermometer, the other two are for glass bends for attaching rubber 
  926. tubing.
  927.  
  928.      Using the same ring stand, set up a glass tube at least 80 cm long 
  929. with one end resting in a 100 ml beaker containing about 30 ml of 
  930. mercury.  Mount a meter stick along side the tube.  This will be a 
  931. manometer for measuring the vapor pressure.
  932.  
  933.      Fill the 500 ml flask about half-full with water and preheat the 
  934. water to about 50 deg C.
  935.  
  936.      Attach an aspirator or other vacuum pump via rubber tubing to 
  937. the top of the manometer tube. Start the pump and note how many 
  938. millimeters the mercury in the glass tube is pushed up above the 
  939. mercury in the beaker by the atmospheric pressure.  Call this reading 
  940.  atmospheric pressure .
  941.      Explain that when there is very little air left in the tube, the 
  942. atmosphere will push the mercury up until the pressure of the 
  943. mercury equals the pressure of the atmosphere.
  944.  
  945.      Allow air to enter the manometer by removing the rubber tubing 
  946. from the pump.  (Warning: do not lift the glass tube out of the 
  947. mercury or the mercury in the tube will flow to the pump. If you are 
  948. using an aspirator, place a safety beaker under the water flow to 
  949. catch any mercury that comes through).
  950.  
  951.      Now, attach the manometer to the flask with a rubber tube, and 
  952. attach the pump to the flask with the other rubber tube.
  953.  
  954. Explain the following two definitions:
  955.  
  956.      Vapor pressure is the force exerted by evaporating molecules 
  957. escaping through the surface tension of the liquid.
  958.  
  959.      Boiling point is the temperature at which the vapor pressure 
  960. equals the atmospheric pressure (or the gas pressure within a closed 
  961. flask).
  962.  
  963.  
  964.      Explain now that we shall measure the vapor pressure in the 
  965. flask by pumping the air out, pinching off the aspirator, and waiting 
  966. for the system to reach equilibrium, reading the manometer, and 
  967. obtaining the vapor pressure by subtracting the manometer reading 
  968. from the atmospheric pressure reading.
  969.  
  970.      Note: with  no air  in the manometer, the mercury goes so many 
  971. mm high.  Then, when vapor molecules from the flask enter the 
  972. manometer, they will push the mercury down so far.  The difference 
  973. between the two manometer readings is the vapor pressure in mm of 
  974. Hg.
  975.  
  976.      Start the pump... Oh Oh, What s this, the water is BOILING! WOW! A 
  977. STATE OF SHOCK!
  978.  
  979.      Now explain what boiling is and how it is possible to boil a liquid 
  980. by TWO methods: by either raising the vapor pressure to the 
  981. atmospheric pressure or by lowering the atmospheric pressure to 
  982. the vapor pressure (say by a pump).
  983.  
  984.      Back to the vapor pressure measurements. Pump the system until 
  985. boiling occurs, then pinch off the rubber tube to the pump, stop the 
  986. pump and allow the system to reach equilibrium (boiling stops at 
  987. equilibrium).  Read the manometer and calculate the vapor pressure 
  988. by subtracting the manometer reading form the atmospheric 
  989. pressure reading.
  990.  
  991.      Heat the system and note how raising the temperature increases 
  992. the vapor pressure and pushes the mercury further down in the 
  993. manometer.
  994.  
  995.      Take several readings at different temperatures and note the 
  996. vapor pressures. Then note the boiling temperature at one 
  997. atmosphere of pressure when the mercury is pushed all the way 
  998. down the manometer.
  999.  
  1000.      Here s a good place to discuss why it takes so long to boil an egg 
  1001. on a high mountain (At 5000 meters elevation, it takes a half hour or 
  1002. so), and the principle of the pressure cooker.
  1003.  
  1004.  
  1005. ENDOTHERMIC REACTION:
  1006.  
  1007.      Now let air back into the system, and heat the water to boiling 
  1008. with the burner.  Remove the burner, and note for a minute that the 
  1009. water cools very slowly. Then start the pump, and read off how fast 
  1010. the temperature DROPS as the water is boiling!
  1011.  
  1012.      Here is a good place to discuss that evaporation is endothermic, 
  1013. and boiling is a cooling process. Give examples of cooling by 
  1014. evaporation, the wind-chill factor, and refrigeration. (Inasmuch as 
  1015. the typical teenager will attack the fridge frequently, he can be told 
  1016. to listen for the sound of boiling liquid around the ice trays when 
  1017. the fridge is running).
  1018.  
  1019.      Water + 538 cal/g <----> Vapor
  1020.  
  1021.  
  1022. GREAT PHASE CHANGE:
  1023.  
  1024.      To demonstrate the tremendous volume change when water goes 
  1025. from liquid to gas, remove the stopper from the flask and boil the 
  1026. water with the burner. Remove the burner, and place a solid rubber 
  1027. stopper in the flask before the steam stops coming out.
  1028.  
  1029.      Carefully cool the flask with a damp cloth and note how COOLING 
  1030. makes the water BOIL FASTER!  GASP! What s happening?? When the 
  1031. flask is cool enough to handle, remove it from the ring stand and 
  1032. hold 
  1033. it under the cold tap.  It really boils now! The steam within is 
  1034. condensing and lowering the pressure inside to boil the water by 
  1035. reduced atmospheric pressure.
  1036.  
  1037.  
  1038. MORE ACTION:
  1039.  
  1040.      Now replace the solid rubber stopper with a one-hole stopper and 
  1041. attach a piece of rubber tubing.  Boil the water with the burner, and 
  1042. show that LIVE STEAM is an INVISIBLE GAS by noting that the visible 
  1043. CONDENSATE, which is composed of tiny droplets of LIQUID water, 
  1044. shooting out of the tubing is preceded by a few millimeters of 
  1045. invisible region.  Also the vapor inside the flask is invisible.
  1046.  
  1047.      Place the end of tubing with the steam shooting out into a tall 
  1048. cylinder of cold water. ROAR! BIG NOISE!  The bubbles of steam are 
  1049. condensing in the cold water with much rattling.  Here, again, you 
  1050. may discuss the big volume change when a gas becomes a liquid, and 
  1051. the water is collapsing onto itself.
  1052.  
  1053.      For the next mystification, and another illustration of the big 
  1054. volume change, keep the steam tube at the bottom of the cylinder of 
  1055. cold water and remove the burner from the flask. Soon the water 
  1056. will be pushed with much vigor by the atmospheric pressure into the 
  1057. flask.
  1058.  
  1059.      This demonstration is a blast to do and the kids love it. Good luck!
  1060.  
  1061. ----------------------------------------------------------
  1062.  
  1063.  
  1064. PHYSICS INSTITUTE 1987          GREAT DEMOS           DEPARTMENT
  1065.  
  1066.  
  1067.                                        ADIABATIC ACTION
  1068.  
  1069.                                                       or
  1070.  
  1071.                              THE FOUR LITER CLOUD CHAMBER
  1072.  
  1073.                                              by the Boom
  1074.  
  1075.      We shall use two variations of adiabatic temperature change to 
  1076. produce a cloud in the jug. Adiabatic expansion by pump, and 
  1077. adiabatic compression using Boyle s Law with a water piston.
  1078.  
  1079.      Take a clear glass 4-liter wine jug (you may have to dispose of 
  1080. its contents on a previous weekend), fit it with a one-hole rubber 
  1081. stopper with a glass bend therein.  Attach it with a rubber tubing to 
  1082. an aspirator or vacuum pump.
  1083.      Give it a safety test run in the sink covered with a towel to be 
  1084. sure there are no flaws in the glass.
  1085.  
  1086.      Discuss adiabatic temperature changes, capacity of air, absolute 
  1087. humidity, relative humidity, saturation of air, condensation nuclei, 
  1088. and in general why a cloud forms.  The capacity of air at 20 deg C is 
  1089. about 5 grams of water vapor per cubic meter, and increases with 
  1090. temperature.
  1091.  
  1092.      Introduce a few ml of water into the jug, insert stopper, and 
  1093. shake it for a few seconds.  Point out that the air will be saturated 
  1094. with vapor, that is at 100% relative humidity.
  1095.  
  1096.      Now attach aspirator and lower the pressure somewhat (if you 
  1097. are worried about an implosion, don t pump it all the way.  I ve done 
  1098. this demo five times a year for the past 30 years with no mishaps).
  1099.  
  1100.      Not much fog forms.  Oooh, we need some condensation nuclei. 
  1101. Remove the stopper and allow some match smoke into the jug.  Pump 
  1102. again and, nice, there s the fog. Perhaps most noticeable when it 
  1103. disappears when air is re-admitted.  Repeat this a couple of times.
  1104.  
  1105.      Point out that when air is blown up a hill, the lower atmospheric 
  1106. pressure allows the air to expand, cool adiabatically, and upslope 
  1107. fog may form.
  1108.  
  1109.      Also explain that fog and clouds are not water vapor, which is 
  1110. invisible, but tiny droplets of liquid water.  They can be seen in a 
  1111. beam of light.
  1112.  
  1113.      Now try this for even better fog in the jug.  Add some more 
  1114. smoke, attach the rubber tubing to the water jet.  Holding the 
  1115. stopper on the jug to prevent its blowing out, force in enough water 
  1116. to fill the jug one-third full. (You would have to fill it half-full to 
  1117. acquire the same pressure differential that you had when it was 
  1118. evacuated).
  1119.  
  1120.      By Boyle s Law you have increased the pressure in the jug, this 
  1121. will adiabatically warm the air therein, increase its capacity, and 
  1122. cause it to dissolve more vapor and reach a new saturation 
  1123. equilibrium.
  1124.  
  1125.      After a few seconds, pop the top. The sudden drop of pressure 
  1126. inside will give a quick adiabatic cooling, and, WOW, great fog.  
  1127. Some will be pouring out of the neck of the jug. Four liters of London 
  1128. Fog!
  1129.  
  1130. -----------------------------------------------------------
  1131.  
  1132. PHYSICS INSTITUTE 1987                                               NEAT LABS 
  1133.                                                  DEPARTMENT
  1134.  
  1135.  
  1136.  
  1137.                                     LAWS OF HEAT EXCHANGE
  1138.  
  1139.                                   THE COFFEE-CREAM PROBLEM
  1140.  
  1141.  
  1142. This lab takes about half an hour.
  1143.  
  1144. NEWTON S LAW OF COOLING:
  1145.      The rate of heat conduction is proportional to the temperature 
  1146. difference between an object and its surroundings.
  1147.  
  1148.  THE STEFAN-BOLTZMANN LAW OF RADIATION:
  1149.      The rate of heat lost by radiation is proportional to the fourth 
  1150. power of the absolute temperature.
  1151.  
  1152. THE HISTORIC PROBLEM:
  1153.  
  1154.      Ah, you see, there is this business man who likes a large amount 
  1155. of cream in his coffee, and he wants the resultant mixture as hot as 
  1156. possible. (Alas, there is no microwave oven available).
  1157.  
  1158.      He has just prepared his boiling coffee when he is called by the 
  1159. boss for a quickie conference of ten minutes duration.  The boss 
  1160. tolerates no coffee in his presence.
  1161.  
  1162.      What to do?  To keep the coffee as hot as possible should he add 
  1163. the cream now or wait until after the conference?
  1164.  
  1165.      Have the students try to answer this problem for part of their 
  1166. homework assignment the day before the lab. Then they can test 
  1167. their theories in lab.
  1168.  
  1169.      Use two 250-ml beakers for coffee cups and two 100-ml beakers 
  1170. for creamers.  Put 200 ml of water (coffee) in the cups
  1171. and 40 ml of water (cream) in the creamers.  Heat the coffee to 
  1172. boiling (try not to evaporate much).
  1173.  
  1174.      To one cup add the cream immediately, set both cups on the same 
  1175. table (for the same conductivity and radiation conditions), and 
  1176. record the temperatures in deg C for each cup every 30 seconds for 
  1177. ten minutes.  Then add the cream to the creamless cup, and continue 
  1178. to record temperatures for another two minutes.
  1179.  
  1180.      Graph the temperature-time curves on the same set of axes, and 
  1181. evaluate the results.
  1182.  
  1183. -----------------------------------------------------------
  1184.  
  1185. PHYSICS INSTITUTE 1987                                            GREAT DEMOS 
  1186.                                                 DEPARTMENT
  1187.  
  1188.  
  1189.                                 MAGNETISM, THE DOMAIN THEORY
  1190.  
  1191.                                                by the Boom
  1192.  
  1193.  
  1194. Here we shall do a series of neat evidences supporting the domain 
  1195. theory of magnetism. It needs most of a period.
  1196.  
  1197. THE DOMAIN THEORY states that groups of atoms join to make tiny 
  1198. magnets in the metal.  When these domains are lined up they combine 
  1199. their feeble magnetic forces to make the total magnet.
  1200.  
  1201. Equipment:  A beaker of iron filings, a demonstration compass, 
  1202. various pieces of iron (such as nails, screwdriver, knife, etc.), a 
  1203. good 
  1204. permanent magnet, a burner, a hammer or two, a couple of good 6-
  1205. volt batteries, a hookup source of 120-volts AC (a plug-in cord with 
  1206. roach clips on one end or use the switch board described in 
  1207. ELECTRICAL CIRCUITS).
  1208.  
  1209. You can make your own coil (solenoid) by acquiring enamel covered 
  1210. wire (#22 or #24 is good) from a motor shop and winding it about 8 
  1211. cm deep on a cardboard tube about 5 cm in diameter and about 20 cm 
  1212. long.  You will need ends on the tube to keep the wire on. Blocks of 
  1213. wood drilled and glued onto the tube are ideal.  This solenoid will be 
  1214. useful for many electrical experiments. A fat coil like this can 
  1215. operate directly on the 120 volt line without overheating. It will be 
  1216. quite powerful.  You may need to test it as you wind it.  Too many 
  1217. turns will cause it to weaken as the resistance and reactance 
  1218. increase.  Too few and it will overheat. You ll probably want to bolt 
  1219. it into a slow running drill press to wind it. (A lot of work but it 
  1220. will last you for your career. I m still using the one I made as an 8th 
  1221. grade shop project in 1945).
  1222.  
  1223.  
  1224. NOW FOR THE ACTION:
  1225.  
  1226. First, demagnetize your nails, knife, and screwdriver by activating 
  1227. your coil with 120 v AC and pulling the metals through the tube 
  1228. while the coil is ON.  Test them by dipping them in iron filings.
  1229.  
  1230.  
  1231.                           EVIDENCES SUPPORTING THE DOMAIN THEORY:
  1232.  
  1233.  
  1234. MAGNETIZING BY RUBBING ON ONE DIRECTION ONLY--
  1235.  
  1236.      Use the permanent magnet to magnetize the knife or screwdriver 
  1237. by stroking in one direction.  Check it with compass and iron filings.  
  1238. The domains have been lined up in the same direction.
  1239.      Reverse the direction by stroking the metals in the opposite 
  1240. directions.
  1241.  
  1242.  
  1243. BREAKING A MAGNET GIVES TWO MORE MAGNETS--
  1244.  
  1245.      Breakable magnets can be had from the catalogs. (I fake mine by 
  1246. having a previously broken one assembled in the demo drawer, and 
  1247. pretending to break a good one above the drawer, and it s slight-of-
  1248. hand time).
  1249.      The domains maintain the two pole magnetism even when the bar 
  1250. is broken many times.
  1251.  
  1252.  
  1253. HEATING DESTROYS A MAGNET--
  1254.  
  1255.      Magnetize a large nail.  (It won t be very strong as it is soft iron, 
  1256. but you don t want to heat your knife or screwdriver and destroy 
  1257. their temper).
  1258.      Test it in iron filings, then heat it red hot.  Test again with 
  1259. filings and it s no magnet.
  1260.      The thermal agitation of the domains has scrambled them. (The 
  1261. temperature  at which this happens is called the Curie Point).
  1262.  
  1263. MECHANICAL SHOCK DESTROYS A MAGNET--
  1264.  
  1265.      Magnetize a large nail, test it, and pound the heck out of it with a 
  1266. hammer. (Placing it on concrete or another hammer for an anvil 
  1267. works)  Well, what do you know, that magnet s dead. The domains 
  1268. have been persuaded to scramble.
  1269.  
  1270.  
  1271. SATURATION OF A MAGNET--
  1272.  
  1273.      When all of the domains are lined up, the magnet gets no stronger.  
  1274. Weakly magnetize the screwdriver by passing the permanent magnet 
  1275. nearby, test it and then be more serious about it.
  1276.  
  1277. DEMAGNETIZING WITH AN ALTERNATING FIELD--
  1278.  
  1279.      When the magnet is pulled through the coil charged with AC, the 
  1280. domains are scrambled as the bar moves through the alternating 
  1281. magnetic field.  It s good and dead!
  1282.  
  1283. MAGNETIZING BY THE DC COIL--
  1284.  
  1285.      Place the screwdriver inside the coil, and energize it with two 6 
  1286. volt batteries in series.  This will do it if the current is strong 
  1287. enough and the bar is not too thick.  Now the domains
  1288. are aligned in one direction by the constant electromagnetic field.
  1289.  
  1290.  
  1291. MAGNETIZING BY SUDDEN AC JOLT--
  1292.  
  1293.      Place the screwdriver inside the coil and give the AC circuit a 
  1294. quick zap.  Because the AC is sinusoidal, we know not wherein the 
  1295. cycle we zap it.  It might be high on the positive side or anywhere 
  1296. else.  We find out by testing the magnet produced to see if it is 
  1297. strongly magnetized and which pole is which. Repeat this several 
  1298. times to see the variance.
  1299.  
  1300.  
  1301. SIZE OF MAGNET DETERMINES ITS STRENGTH--
  1302.  
  1303.      Make different sized magnets using different sized screwdrivers 
  1304.  
  1305. and compare.  The more metal, the more domains are adding their 
  1306. magnetisms.
  1307.  
  1308.  
  1309. HARD STEEL VS SOFT IRON--
  1310.  
  1311.      Compare the strengths of nail magnets Vs screwdriver ones. The 
  1312. alloy elements in the hard steel tend to hold the domains in place.  
  1313. Hence, hard steel is not only more permanent but harder to 
  1314. magnetize.
  1315.  
  1316. ELECTRON MICROSCOPES HAVE PHOTOGRAPHED THE DOMAINS.
  1317.  
  1318.  
  1319. ------------------------------------------------------- ---
  1320.  
  1321.                                  GREAT DEMOS DEPARTMENT
  1322.  
  1323.                                      ELECTRICAL CIRCUITS
  1324.  
  1325.                                             by the Boom
  1326.  
  1327.  
  1328. CIRCUITS IN SERIES, PARALLEL, AND COMBINATIONS.
  1329.  
  1330. A nice way to allow students to see the results of combining 
  1331. resistors in series, parallel, and compound circuits, is to use 
  1332. standard clear glass 120-volt light bulbs as well as electrical 
  1333. meters.  This way, they can see the changes in voltage drops by the 
  1334. intensity of the filament glow.
  1335.  
  1336. Screw a sturdy double-pole knife switch to one end of a board about 
  1337. one meter long.  Attach to the switch the leads of a cord that has a 
  1338. plug on one end.  This will enable you to activate your circuits by the 
  1339. switch rather than by pulling the plug.
  1340.  
  1341. To the rest of the board, attach five or six surface sockets in a row.
  1342.  
  1343. Radio Shack supplies bags of inexpensive connectors (with Roach 
  1344. clips at each end) that are ideal for making your circuits.
  1345.  
  1346. Acquire five or six clear glass light bulbs of the same wattage and 
  1347. several bulbs of different wattage.
  1348.  
  1349. If you want to do quantitative measurements, you ll need AC meters 
  1350. for at least 120 volts, and 10 amps.
  1351.  
  1352. Now you re ready for electric action, and do not include yourself in 
  1353. any of the circuits.
  1354.  
  1355. Set up first several series circuits with the same wattage bulbs, 
  1356. then include some different sized ones, note the intensities of the 
  1357. bulbs and measure the voltages drops and amperages in the circuits. 
  1358. See if the sum of the voltage drops equals the applied voltage.
  1359.  
  1360. Set up parallel combinations and likewise measure the voltages and 
  1361. amperages. And see if the total amperage is the sum of the 
  1362. individual ones.
  1363.  
  1364. Set up compound circuits and do likewise.
  1365.  
  1366. Calculate wattages by multiplying voltage drops by amperages.
  1367.  
  1368. Another interesting measurement is the difference between the 
  1369. resistance of a light bulb when the filament is cold and when it is 
  1370. white hot.
  1371. To do this, determine the resistance of a single bulb by measuring 
  1372. its voltage and amperage and using Ohm s Law to find its resistance.  
  1373. For the cold bulb, use a battery as your voltage source, and for white 
  1374. hot, use the line voltage on the bulb.  The resistance is very much 
  1375. higher at higher temperatures.
  1376.  
  1377. After comparing the two resistances for the same bulb, ask why an 
  1378. electric appliance such as a stove, a heater, or a toaster, will warm 
  1379. up to red hot but not keep heating further and melt down. It is 
  1380. because the resistance increases with temperature until it finally 
  1381. opposes further heating (the inverse feedback system).
  1382.  
  1383. To demonstrate the action of a fuse, cut a very thin (couple of 
  1384. millimeters wide) piece of aluminum foil about three or four 
  1385. centimeters long, fold over the ends a bit to increase their strength, 
  1386. and clip the ends to two connectors.  Being sure your switch is open, 
  1387. and connect the roach clips to the switch.  Stand by to execute the 
  1388. fuse...  Throw the switch and watch it blow! Neat action!  (Be sure 
  1389. you know where your circuit breaker is located as you may have to 
  1390. re-set it).
  1391.  
  1392. ---------------------------------------------------------
  1393.  
  1394.  
  1395. PHYSICS INSTITUTE 1987                                       GREAT DEMOS 
  1396.                                              DEPARTMENT
  1397.  
  1398.  
  1399.                                     PROBLEM OF THE BALANCE
  1400.  
  1401.                                           By Preston Boomer
  1402.                                        Solved by Jearl Walker
  1403.  
  1404. Ah, we are about to learn something that very few people know!
  1405.  
  1406. BACKGROUND:
  1407.  
  1408.      For many years, The Boom wondered why an object, say a 
  1409. meter stick, will balance horizontally.  A force is needed to rotate 
  1410. the stick a few degrees, and when the stick is released, it returns to 
  1411. the horizontal.  Why?
  1412.  
  1413.      When the balanced meter stick is turned somewhat, one end is 
  1414. closer to the earth by a few centimeters and should therefore be 
  1415. ever so slightly heavier, while the other end, being a few 
  1416. centimeters farther from the earth, should be somewhat lighter. 
  1417. This torque will tend to keep the stick turning toward the vertical, 
  1418. and not return it to horizontal balance.
  1419.  
  1420.      Also, when the meter stick is rotated, its center of gravity is 
  1421. shifted to one side of the fulcrum, and this torque should encourage 
  1422. the stick to continue rotating to the vertical.
  1423.  
  1424.      Over the years, The Boom has asked knowledgeable people about 
  1425. this and received the same answer,  Gee, I don t know, I never 
  1426. thought about it before. 
  1427.  
  1428.      After reading an anthology of Isaac Asimov articles, The Boom 
  1429. wrote to him and received a nice reply on 9/7/76, in which he 
  1430. stated,  I am but an amateur physicist but it seems to me that 
  1431. torque depends on weight and distance from fulcrum,  If the bar 
  1432. tilts, horizontal distance from fulcrum decreases and torque moves 
  1433. back to maximum--- but I may be all wrong. 
  1434.  
  1435.      In May, 1987, The Boom re-read his copy of FLYING CIRCUS OF 
  1436. PHYSICS by Jearl Walker (who also is editor of THE AMATEUR 
  1437. SCIENTIST in SCIENTIFIC AMERICAN), and noticed that in it he invites 
  1438. questions.  The Boom sent him the problem, and immediately 
  1439. received an enthusiastic answer.  He said that he didn t known 
  1440. either, but he proposed the following explanation:
  1441.  
  1442.       It must be that the fulcrum is not microscopically sharp. 
  1443. Instead, it must have a slightly flat top, although it may look sharp 
  1444. to the unaided eye.  When you lower the right side, the stick actually 
  1445. pivots around the right side of the flat top, with the center of mass 
  1446. always slightly to the left of that pivot. When you then release the 
  1447. stick, gravity pulls on the center of mass, causing a torque that 
  1448. returns the stick to the horizontal. This action by gravity 
  1449. overwhelms the slight difference in the weight of the two halves of 
  1450. the stick when the stick is released. 
  1451.  
  1452.  
  1453. PUT IT TO THE TEST:
  1454.  
  1455.      So we clamped a razor blade in a vice and attempted to balance a 
  1456. meter stick on it.  After 15 frustrating minutes, we gave it up.  We 
  1457. could not balance the stick on a super sharp fulcrum (where the shift 
  1458. of the fulcrum to a new fulcrum would by negligible).
  1459.  
  1460.      We then we tried it with kilogram masses hanging at each end of 
  1461. the meter stick.  At first it was easy to balance,  but then we 
  1462. noticed 
  1463. quite a bend in the stick due to the heavy weights.  So we turned the 
  1464. stick onto its narrow edge to reduce bending.  We were unable to 
  1465. balance it.  We would get very close, but never succeeded in having it 
  1466. balance for more than a few seconds.
  1467.  
  1468.  
  1469. Here are the diagrams provided by Jearl:
  1470.  
  1471. -----------------------------------------------------
  1472.  
  1473.  
  1474. PHYSICS INSTITUTE 1978                                          GREAT DEMOS 
  1475.                                                  DEPARTMENT
  1476.  
  1477.  
  1478.  
  1479.                            EVIDENCES FOR THE KINETIC THEORY
  1480.  
  1481.                                               by the Boom
  1482.  
  1483.  
  1484.      The KINETIC THEORY states that molecules are in motion, have 
  1485. elastic collisions, and the warmer they are the faster they move.
  1486.  
  1487.                  (These demonstrations a full period to perform).
  1488.  
  1489.  
  1490. 1.   GAS PRESSURE.  Inflate a balloon and ask why it expands as air is 
  1491. added.  If it is just because the balloon must make room for the air, 
  1492. then why is the air so very compressible? A sand-filled balloon 
  1493. would not be compressible.  Ah, there must be much space between 
  1494. the molecules, but then why doesn t the balloon squeeze  em tightly 
  1495. together?  HMO, the molecules must be moving and going BAM 
  1496. BAM BIFF BIFF and pushing each other apart and the balloon too.
  1497.  
  1498. 2.   EXPANSION UPON HEATING.  Use the standard ball and ring device 
  1499. to show expansion of solids.  A flask fitted with a one-hole stopper 
  1500. and a piece of glass tube, and filled completely with colored water, 
  1501. will show liquid expansion (a Galileo thermometer).  A balloon 
  1502. immersed in hot water will show gaseous expansion.
  1503.      Note: Be sure to point out that the molecules themselves do not 
  1504. expand, but it s the impact of their collisions which push them 
  1505. further apart to cause expansion.
  1506.      Then there is the famous discussion on whether a hole in a metal 
  1507. plate gets larger or smaller when the plate is heated. It gets larger 
  1508. along with the rest of the plate since molecules are pushing each 
  1509. other farther apart in all directions.
  1510.  
  1511. 3.   DIFFUSION.  At the beginning of the period, fill a large beaker (i.e. 
  1512. 3000ml) with water and, when the water is still, add a couple of 
  1513. drops of food coloring.  Later in the period the color will have 
  1514. diffused throughout the water.  Ah the intermingling of moving 
  1515. molecules.
  1516.      For gaseous diffusion, pour a few ml of 15 Molar ammonium 
  1517. hydroxide onto the floor in the middle of the room.  The students 
  1518. will soon notice that the ammonia has diffused through the air.
  1519.  
  1520. 4.   OSMOSIS. Diffusion through a porous membrane can be shown 
  1521. either with the usual biological methods, or with the unglazed 
  1522. porous cup made for this purpose obtainable from scientific 
  1523. catalogs.  Insert a one-hole rubber stopper in the cup with a glass 
  1524. tube about 50cm long.  Hold the cup up with the tube sticking into a 
  1525. beaker of colored water (the
  1526. diffusion beaker above is ideal).  Then invert a 1000ml beaker over 
  1527. the cup which you are holding with your hand. Then with the other 
  1528. hand, put a piece of rubber tubing onto the gas jet, start the gas, and 
  1529. hold the end up inside the beaker containing the cup and your first 
  1530. hand.  After a few seconds, you may turn off the gas jet. Inasmuch as 
  1531. the low density methane will diffuse into the cup faster than the 
  1532. higher density air will diffuse out, an osmotic pressure is built up 
  1533. shown by the bubbles coming out in the water below.
  1534.      Then, when the bubbles stop, remove the upper beaker.  Now the 
  1535. gas inside the cup will be diffusing out faster than the air outside 
  1536. will diffuse in, the osmotic pressure inside is less than 
  1537. atmospheric, and the water in the beaker below will dramatically be 
  1538. pushed up the glass tubing.  Neat!
  1539.  
  1540.  
  1541. 5.   MORE DIFFUSION.  Wearing your goggles, pour a couple of ml of 12 
  1542. M hydrochloric acid into a collecting bottle. Likewise pour a couple 
  1543. of ml of 15 M ammonium hydroxide into another collecting bottle.  
  1544. Cover both bottles with glass plates.  Carefully shake the bottles to 
  1545. encourage some evaporation of the liquids.  Point out that the HCl 
  1546. fumes from the acid are twice as dense as the ammonia fumes from 
  1547. the ammonium hydroxide.  Next remove the glass plates, invert the 
  1548. ammonia bottle, and place its mouth on top of the mouth of the HCl 
  1549. bottle.  The white fumes (ammonium chloride) formed show the 
  1550. meeting of the gases.  Even though gravity would have the gases 
  1551. remain apart, due their densities, there is diffusion in both 
  1552. directions. Those molecules are moving!
  1553.  
  1554. 5.   HEAT CONDUCTION.  Place drops of candle wax on a bar of metal 
  1555. (the standard heat conduction demo bars are nice). Heat one end and 
  1556. see the progress of heat conduction by the melting of the wax drops.
  1557.  
  1558. 6.   VAPOR PRESSURE.  Toy steam engines are great for this (there is 
  1559. usually a student that can bring one in). Or make a steam generator 
  1560. with a thick walled flask, a one-hole stopper with a glass bend.  Boil 
  1561. the water and shoot the steam on a pinwheel.  If you have a Hiero s 
  1562. Steam Ball, use it. Steam power is neat!
  1563.  
  1564. 7.   BROWNIAN MOTION.  Try the Biology department for the apparatus 
  1565. for this. Otherwise, describe it (cop out time). It is usually shown in 
  1566. your films anyway.  But it does need a microscope or microprojector.
  1567.  
  1568.  
  1569. ----------------------------------------------------------
  1570.  
  1571. PHYSICS INSTITUTE 1987                  NEAT  DEMOS  DEPARTMENT
  1572.  
  1573.  
  1574.                          AQUEOUS RHEOSTAT AND HEATING
  1575.  
  1576.                                           by the Boom
  1577.  
  1578.  
  1579. THE SALT WATER RHEOSTAT--
  1580.  
  1581.      Set up a circuit with switch, large clear glass light bulb (i.e. 300 
  1582. watt), or several smaller bulbs in parallel (the board in ELECTRICAL 
  1583. CIRCUITS is ideal), the 120 volt source and the following rheostat:
  1584.  
  1585.      The aqueous rheostat is a 500 ml beaker containing dilute salt 
  1586. water, and a pair of electrodes that you can raise and lower into the 
  1587. solution.  The electrodes can be pieces of metal (screwdrivers are 
  1588. nice because of their insulated handles), or carbons from flashlight 
  1589. cells.
  1590.  
  1591.      Connect the electrodes in series with your light bulb(s). (Be sure 
  1592. your bulbs are in parallel for maximum load on the circuit).
  1593.  
  1594.      Raising and lowering the electrodes into the solution will cause 
  1595. the lights to vary their intensity, and illustrate the principle of 
  1596. ionic solution conduction and surface area of contact to vary 
  1597. resistance.
  1598.  
  1599.      This principle was used in 1946 to control the lights in the 
  1600. Boomer Gambling Palace, a somewhat dubious operation in the 
  1601. grandfather s basement, whose objective was for the 9th graders to 
  1602. relieve the loose change from the underclassmen.
  1603.  
  1604.      The above usage led to another discovery. That soon the solution 
  1605. became heated by the current flow of many lights.  The intensity of 
  1606. the lights increased as the temperature rose.  Then the lights began 
  1607. to flicker as a result of the rheostat s commencing to boil.
  1608.  
  1609.  
  1610. So here is another neat demo with this apparatus:
  1611.  
  1612.  
  1613.               ZEE QUEEK BOIL
  1614.  
  1615.  
  1616.      Increase the concentration of the salt solution, connect the 
  1617. electrodes directly to the AC switch, immerse the electrodes all the 
  1618. way, be sure that they do not touch each other, and let  er ROAR.  We 
  1619. should have quick boil in a matter of seconds.  If your circuit breaker 
  1620. kicks out, dilute the salt solution (always know where your breaker 
  1621. is located).
  1622.  
  1623.      This principle was used some years back in high speed egg 
  1624. cookers and baby bottle warmers.
  1625.  
  1626. ----------------------------------------------------------
  1627.  
  1628.  
  1629.                                           CHAOS
  1630.  
  1631.                                    James Gleick
  1632.  
  1633.  
  1634. THE BUTTERFLY EFFECT--
  1635.  
  1636.      Sensitive Dependence upon Initial Conditions
  1637.  
  1638.           The movement of a butterfly s wings in China may affect the 
  1639. weather in Paris.
  1640.  
  1641.  
  1642.      For want of a nail, the shoe was lost;
  1643.      For want of a shoe, the horse was lost;
  1644.      For want of a horse, the rider was lost;
  1645.      For want of a rider, the battle was lost;
  1646.      For want of a battle, the kingdom was lost!
  1647. -------------------------------------------------------------
  1648. ----
  1649.  
  1650. TRIBOELECTRIC SEQUENCE
  1651.  
  1652. Left hand substances tend to lose electrons, Right hand ones tend to 
  1653. gain electrons.
  1654.  
  1655.     
  1656. bunnyfur/lucite/glass/quartz/wool/kitty/silk/cotton/wood/amber/
  1657. re sins/metals/teflon  -
  1658.  
  1659. -------------------------------------------------------------
  1660.  
  1661.                                      THE LOCOMOTIVE PROBLEM
  1662.  
  1663.                                                        or
  1664.  
  1665. Why does the Train move forward when the piston pulls backward?
  1666.  
  1667.  
  1668.      The Steam Pressure pushes the piston in BOTH directions, 
  1669. forward and reverse.
  1670.  
  1671.      On the Forward Push, the piston rod is connected to the driver 
  1672. wheel above the axle forming a lever of the second class where the 
  1673. fulcrum is at the track and the forward thrust (the load) is at the 
  1674. axle.  This gives the forward thrust of the piston a mechanical 
  1675. ADVANTAGE.
  1676.  
  1677.      On the Backward Push of the piston, we now have a lever of the 
  1678. third class where the piston rod is connected to the driver wheel 
  1679. between the axle and the track, that is the force is between the load 
  1680. and the fulcrum.  This gives the backward pull of the piston (which 
  1681. is trying to make the train move in reverse) a mechanical 
  1682. DISADVANTAGE.
  1683.  
  1684.      Take an example where the connecting rod joins the driver wheel 
  1685. half way between the axle and the rim:
  1686.  
  1687.      During the forward movement of the piston.
  1688.  
  1689.           Inside the cylinder there is a balance of steam pressure 
  1690. against the piston and the cylinder head.  However the force exerted 
  1691. against the wheel has a lever arm whose length is THREE compared 
  1692. to the load arm which is TWO.
  1693.                Hence the MA is 3/2 or 1.5.
  1694.  
  1695.                Subtracting the backward force against the cylinder head 
  1696. of say one unit from the forward force caused by the lever action of 
  1697. 1.5 units gives a net forward force of 0.5 units.
  1698.  
  1699.      During the backward movement of the piston.
  1700.  
  1701.           Now with the load arm equal to the distance from the track to 
  1702. the axle, and the force arm equal to half the distance from track to 
  1703. the axle, we have a third class lever whose MA is 1/2 or 0.5. A 
  1704. disadvantage!
  1705.  
  1706.           Again the forward force of steam pressure is equal against 
  1707. piston and cylinder head.  However it is now against the FORWARD 
  1708. cylinder head.
  1709.  
  1710.           Taking the difference between the wheel s MA of 1/2 trying to 
  1711. push the train in reverse, and the full force of 1 unit pushing 
  1712. forward against the cylinder head (which is firmly attached to the 
  1713. locomotive) we find a net forward force of 0.5 units.  The same as in 
  1714. the first case above.
  1715.  
  1716.  
  1717.      Hence, both halves of the cycle contribute equally to the forward 
  1718. propulsion of the locomotive.
  1719.  
  1720. ------------------------------------------------------------
  1721.  
  1722.    FUNDAMENTAL INTERACTIONS
  1723.  
  1724.  
  1725.    FORCE        RANGE (m)  STRENGTH           ROLE
  1726.  
  1727.  
  1728. Strong Nuclear    10-15      1041  Binds Protons &  Neutrons
  1729.  
  1730.  
  1731. Weak Nuclear      10-15      1028  Radioactive Decay
  1732.  
  1733.  
  1734. Electromagnetic   Infinite   1039  Binds Atoms to form
  1735.                                      molecules, propagates
  1736.                                      light, electromagnetic
  1737.                                      waves.
  1738.  
  1739. Gravitation       Infinite     1   Holds planets and stars
  1740.                                      together.
  1741.  
  1742.  
  1743.                                  BUILDING BLOCKS OF MATTER
  1744.  
  1745. PARTICLE          DESCRIPTION                 EXAMPLE
  1746.  
  1747.  
  1748. Lepton      Dimensionless , <10-35m.      Electron
  1749.            Do not participate in the      Muon
  1750.            strong force.                  Neutrino
  1751.  
  1752. Quarks     Small, <10-18m. Do             Hadrons (three
  1753.            Participate in strong force.     quarks)
  1754.                                           Mesons (two quarks)
  1755. ------------------------------------------------
  1756.                                     
  1757.  
  1758.                                     ATOMIC STRUCTURE
  1759.                                                   and
  1760.                   The Discovery of Sub-Atomic Particles
  1761.  
  1762. ATOMIC THEORIES:
  1763.      Democritus
  1764.      Dalton  (Modern)
  1765.  
  1766. LAW OF CONSERVATION OF MASS  (Exper 8)
  1767.     The Total Mass Entering a chemical reaction = the         total 
  1768. mass leaving the reaction.
  1769.  
  1770. LAW OF DEFINITE PROPORTIONS (Dalton s Law)
  1771.     Every compound has a definite ratio of elements by     
  1772.     mass. (Ah... Formulae!)
  1773.  
  1774. LAW OF MULTIPLE PROPORTIONS
  1775.     Some compounds exhibit whole number ratios of elements,
  1776.  
  1777.         H2O, H2O2, NO, N2O, N2O3, N3O4, FeO, Fe2O3, Fe3O4
  1778.  
  1779. THE LAW OF GAY LUSSAC
  1780.     The combining ratios in chemical reactions are in the     
  1781.         ratio of small whole numbers.
  1782.  
  1783. The Above Laws indicate that there are basic particles (atoms) that 
  1784. make up matter.
  1785.  
  1786. FARADAY S DISCOVERY--
  1787.     Electricity decomposes compounds into elements.  On      
  1788.     re-forming, electricity is re-generated.
  1789.  
  1790.     This shows that the binding force between atoms in a      
  1791.     compound is electrical.  (Not the mechanical  hooks and eyes  
  1792. of Dalton s atoms.)
  1793.  
  1794.  
  1795. THE DISCOVERY OF PARTS OF THE ATOM:
  1796.     (Late 19th and early 20th century action)
  1797.  
  1798.     The high voltage Induction Coil,  Sparky , gave the     
  1799.     energy needed to probe the atom.
  1800.  
  1801.      Discharge Tubes-- lowering air pressure in a tube      
  1802.     allowed the  Cathode Rays  to travel great          
  1803.     distances.
  1804.  
  1805. *** Diagrams ***
  1806.  
  1807. THE DISCOVERY OF THE ELECTRON--
  1808.  
  1809.     Crookes Tube (the tube of Sir William)
  1810.         Showed that the Rays
  1811.  
  1812. Travel from Cathode (negative) to Anode (positive).  Hence they are 
  1813. NEGATIVE.
  1814.                 
  1815. Are easily stopped by thin metal obstacles (the Iron Cross).
  1816.                     
  1817. Travel in Rectilinear Propagation (Straight lines) because the 
  1818. shadow of the cross is sharp.
  1819.  
  1820. Are attracted to positive electric charges and repelled by negative 
  1821. charges placed beside the tube. Hence, again, the rays are Negative.
  1822.  
  1823. Are bent at right angles by magnet fields. Cause fluorescence.
  1824.                 
  1825.  Paddle Wheel Tube (the tube of Jean Perrin) showed that the 
  1826. Cathode Rays have mass and velocity (momentum) because they push 
  1827. the paddles. Great fluorescence colors are demonstrated by paint on 
  1828. the paddles.
  1829.  
  1830. The rays therefore must be particles and were named  Electrons .
  1831.             
  1832.         
  1833.           Sir JJ Thompson s candy cane-shaped tube bent the cathode 
  1834. rays in a magnetic field and showed     their path on a fluorescent 
  1835. screen. This enabled the calculation of the Charge to Mass Ratio. 
  1836. Higher charge would bend the beam more, higher mass would bend 
  1837. the beam less.
  1838.  
  1839.                    e/m = ratio = 1.8  X 10 8   coulomb/gram
  1840.  
  1841.  Millikan Oil Drop Experiment to measure the actual charge on an 
  1842. electron.  X-Rays would add or subtract electrons to the microscopic 
  1843. droplets. By varying the electric charge needed to balance the weight 
  1844. of the droplet, three biggies were discovered:
  1845.     All electrons are identical.
  1846.     The charge of the electron.
  1847.     The electron is a basic particle of electricity.
  1848.  
  1849.                         e = 1.6  X  10  -19   coulomb of charge
  1850.  
  1851.           Mass of the electron determined from e/m ratio and the 
  1852. charge:
  1853.  
  1854.                                    m = 9.11  X  10 -29   gram/electron
  1855.  
  1856. THE DISCOVERY OF IONS AND THE PROTON--
  1857.  
  1858.      The Canal Ray tube was built to see if there are rays from the 
  1859. anode.  There were positive rays, but not from the anode. They were 
  1860. produced by the impact of electrons with atoms of gas in the tube.
  1861.  
  1862.      The collisions knocked electrons off the atoms     creating positive 
  1863. IONS. The e/m ratios of the ions (in a JJ tube) depended on which gas 
  1864. was used. When using the simplest gas, Hydrogen, we found the 
  1865. simplest ion, the Hydrogen nucleus called the  PROTON .
  1866.  
  1867.  
  1868. THE DISCOVERY OF ISOTOPES--
  1869.         
  1870.      The Mass Spectroscopy is a refined Sir JJ tube built for accurate 
  1871. measurements. When ions were sent through it, they separated into 
  1872. several beams according to different masses (their charges were the 
  1873. same). These different masses for the same element were called 
  1874.  ISOTOPES  (same place on the periodic table).
  1875.  
  1876. THE DISCOVERY OF THE NEUTRON--    
  1877.  
  1878.    To explain Isotopes, we needed a NEUTRAL particle whose mass 
  1879. was equal to that of the Proton. This way we could account for a 
  1880. change in mass without changing which element was present.
  1881.  
  1882.    The Neutron was discovered in 1932 by Chadwick using a piece of 
  1883. jam jar paraffin to react with radiation. 
  1884.  
  1885. THE DISCOVERY OF X-RAYS--
  1886.  
  1887.      Roentgen was experimenting with discharge tubes found 
  1888. fluorescent substances were glowing around in his lab including 
  1889. places behind barriers. Powerful!
  1890.    X-rays are electromagnetic waves above the Ultra-Violet on the 
  1891. spectrum.
  1892.  
  1893.   X-rays are used to determine:
  1894.  
  1895.    The Atomic Number (the number of protons in the nucleus. The 
  1896. wave length of X-rays depends on number of protons).
  1897.    The Structure of crystals  (X-ray diffraction studies).
  1898.  
  1899.  THE DISCOVERY OF RADIOACTIVITY AND ITS THREE RAYS--
  1900.         
  1901.    Becquerel, experimenting with fluorescent minerals, found that 
  1902. Uranium ore on his desktop exposed film in the drawers below with 
  1903. the shadow of a key thereon.
  1904.  
  1905.    Marie Curie analyzed Uranium ore and discovered new radioactive 
  1906. elements including Radium.
  1907.  
  1908.   Lord Rutherford, using Marie s Radium, found three rays coming 
  1909. therefrom:                            
  1910.            Alpha rays--
  1911.            Positive Helium ions
  1912.            Beta rays--  Electrons
  1913.            Gamma rays-- Electromagnetic waves of very high energy. 
  1914. WOW!
  1915.                     
  1916.              Properties of Radioactivity:
  1917.                  Cause ionization
  1918.             Discharge electroscope
  1919.             Cause fluorescence
  1920.                  Expose photographic film                        
  1921.                  Destroy cells                                       
  1922.                  Promote nuclear reactions
  1923.  
  1924. THE SIZE OF THE ATOM--
  1925.  
  1926.     For Copper, weigh out 1 mole-- 63.5 g/mol.
  1927.         Make it into a cube.  Ah, it s 2 cm per side.
  1928.         This cube contains 6 X 10 23 atoms (1 mol).
  1929.         To find the number of atoms per side of the cube, take  
  1930.                      the cube root of 6 X 10 23.  It s about 10 8 atoms per 
  1931.                      side.
  1932.         Now divide the 2 cm per side by the 10 8 atoms per side,
  1933.                   and you get about 10-8 cm per atom.
  1934.                      This is called the Angstrom unit (the size of an atom).
  1935.  
  1936. THE SIZE OF THE NUCLEUS--
  1937.  
  1938.           Lord Rutherford shoots Alpha Particles (Helium nuclei) 
  1939.               through a thin piece of gold foil.
  1940.                SHOCK! most Alphas go right on through. Hence the atom 
  1941. must be mostly empty space!
  1942.      A very few Alphas are deflected however.  From the statistics of 
  1943. the deflection patterns, the size of the nucleus is calculated. About 
  1944. 10 - 13 cm diameter! Compared to the size of the atom (10 -8 cm), 
  1945. the nucleus is  The flea in Yankee Stadium).
  1946.  
  1947. DISCOVERY OF THE ORBITALS OF THE ELECTRONS:
  1948.  
  1949.  Spectroscopy--
  1950.  
  1951.      When electrical discharge is sent through gases in a tube, and the 
  1952. light emitted passed through a prism, we get a spectrum of bright 
  1953. lines. These lines are the spectral  finger prints of the atom . From 
  1954. the line spectra we learn:
  1955.  
  1956.     Which elements are present (like in the stars).
  1957.          The arrangement of electrons around the nucleus, called the
  1958.             Electronic Configuration (the electronic structure chart).
  1959.                     
  1960.  
  1961.  
  1962. ------------------------------------------------------------
  1963.  
  1964.  
  1965. NUCLEAR REACTIONS--
  1966.  
  1967.     Top numbers are the mass numbers (protons + neutrons).
  1968.     Bottom numbers are the charge numbers (atomic numbers).
  1969.     The sum of the numbers on the right must equal the sum of the
  1970.                    numbers on the left.
  1971.  
  1972.      4/2 He  +  9/4 Be   --->  12/6 C  +  1/0 n
  1973.  
  1974.      2/1 H   +  16/0  O  --->  14/7 N  +  ?
  1975.  
  1976.      4/2 He  +  27/13 Al --->  30/14 Si  +  ?
  1977.  
  1978.      2/1  H  +  10/5  B  --->  11/6 C  +  ?
  1979.  
  1980.      210/84 Po --->     ?      +  4/2 He
  1981.  
  1982.          ?     ---> 212/83 Bi  +  0/-1 e
  1983.  
  1984.  
  1985. TRANSMUTATION--
  1986.  
  1987.      1/0 n  + 238/92 U  --->  239/93 Np  +  0/-1 e
  1988.  
  1989. then:
  1990.  
  1991. NUCLEAR FISSION  & THE CHAIN REACTION--
  1992.  
  1993.   235/92 U  +  1/0 n --->  141/56 Ba  +  92/36 Kr  +  3 1/0 n  +  
  1994. ENERGY
  1995.  
  1996. NUCLEAR REACTIONS--
  1997.  
  1998.  
  1999.      4/2 He  +  9/4 Be   --->  12/6 C  +  1/0 n
  2000.  
  2001.      2/1 H   +  16/0  O  --->  14/7 N  +  ?
  2002.  
  2003.      4/2 He  +  27/13 Al --->  30/14 Si  +  ?
  2004.  
  2005.      2/1  H  +  10/5  B  --->  11/6 C  +  ?
  2006.  
  2007.      210/84 Po --->     ?      +  4/2 He
  2008.  
  2009.          ?     ---> 212/83 Bi  +  0/-1 e
  2010.  
  2011.  
  2012. TRANSMUTATION--
  2013.  
  2014.      1/0 n  + 238/92 U  --->  239/93 Np  +  0/-1 e
  2015.  
  2016. then:
  2017.  
  2018. NUCLEAR FISSION  & THE CHAIN REACTION--
  2019.  
  2020.   235/92 U  +  1/0 n --->  141/56 Ba  +  92/36 Kr  +  3 1/0 n  +  
  2021.                                                                           BIG ENERGY
  2022.  
  2023.  
  2024. THE NUCLEAR REACTOR--
  2025.          Fuel
  2026.          Moderator
  2027.          Control Rods
  2028.          Coolant/power source
  2029.          Shielding
  2030.  
  2031. NUCLEAR BOMB--  The Critical Mass and Separation of Isotopes
  2032.  
  2033.  
  2034. NUCLEAR FUSION & MASS DEFECT--
  2035.  
  2036.      2/1 H  +  3/1 H ---> 4/2 He  +  1/0 n
  2037.  
  2038.             Reactants:   2 H    2.01471    g/mol
  2039.                          3 H    3.01707
  2040.                                 _______
  2041.                                 5.03178
  2042.  
  2043.             Products:    4 He   4.00390
  2044.                          1 n    1.00893
  2045.                                 _______
  2046.                                 5.01283
  2047.  
  2048.                      Reactants:         5.03178
  2049.                      Products:          5.01283
  2050.                                 _______
  2051.                      Mass Defect        0.01895
  2052.  
  2053.                 E = mc2
  2054.  
  2055.             COMPARISON OF ENERGIES
  2056.  
  2057.  
  2058.  
  2059.  
  2060. PHYSICAL--
  2061.  
  2062.  
  2063.        Rearrangement of molecules, no new substance formed.
  2064.  
  2065.             Involves electrons, van der waals forces,
  2066.             and hydrogen bonding.
  2067.  
  2068.                  Crystals
  2069.                  Melting
  2070.                  Evaporation
  2071.  
  2072.  
  2073. CHEMICAL--
  2074.  
  2075.             Rearrangement of atoms, new chemical substances formed.
  2076.  
  2077.                  Involves electron transfer and sharing.
  2078.  
  2079.                       Chemical reactions of various types.
  2080.  
  2081.  
  2082.  
  2083. NUCLEAR--
  2084.  
  2085.             Rearrangement of the atomic nuclei, new elements,
  2086.             isotopes and sub-atomic particles formed.
  2087.  
  2088.                  Energy is from the Mass Defect in  E = mc 2
  2089.  
  2090.                       Transmutation
  2091.                       Fission
  2092.                       Fusion
  2093.                       Particle interactions.
  2094.  
  2095.  
  2096.  
  2097. COMPARISON OF ENERGIES--
  2098.  
  2099.  
  2100.                  Physical : Chemical : Nuclear
  2101.  
  2102.                     1     :   100    : 1,000,000
  2103.  
  2104.  
  2105.                                WOW!
  2106.  
  2107.  
  2108. ------------------------------------------------------------ 
  2109. -------
  2110.  
  2111.  
  2112.  
  2113. Any comments, corrections, or additions may be sent to
  2114.  
  2115. Preston  The Boom  Boomer
  2116. 60 Verde Drive
  2117. Santa Cruz, CA 95060
  2118. 408 426-2617
  2119.  
  2120.