Проект по физике Юные исследователи

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Открытая сменная школа г. Черемхово»

_____________________________________________________________________________________

Научно-практическая конференция «Калейдоскоп идей»

Номинация: Практико-ориентированный проект

Тема:

ЮНЫЕ ИССЛЕДОВАТЕЛИ

(прибор своими руками для изучения

некоторых законов по МКТ)

Авторы: Пыжов Б., Хорошилов С.,

Пещеров К..

Класс : 10

Руководитель:

Стефанцева Н.Г.

Содержание

1. Задача Молекулярно-кинетической теории………………………..

5

5

2. Давление………………………………………………………………

6

Глава 2. Практическая часть ……………………………………………….

10

Опыт 1. Закон Паскаля ……………………………………………………..

10

Опыт 2. Зависимость давления жидкости от высоты столба жидкости …

11

Опыт 3. Модель вулкана ……………………………………………………

12

Опыт 4. Сообщающиеся сосуды ……………………………………………

13

Опыт 5. Давление в жидкости и газе ………………………………………

14

Заключение ………………………………………………………………….

15

Литература …………………………………………………………………..

16

Введение

«О сколько нам открытий чудных

Готовит просвещенья дух

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг….»

А.С. Пушкин

Мы не зря взяли эпитетом строчки великого русского поэта А.С. Пушкина, ведь изучение большинства наук невозможно без постановки опытов.

Для того, чтобы поставить необходимый опыт, нужно иметь приборы и измерительные инструменты. И не думайте, что все приборы делаются на заводах. Во многих случаях исследовательские установки сооружаются самими исследователями. При этом считается, что талантливее тот исследователь, который может поставить опыт и получить хорошие результаты не только на сложных, а и на более простых приборах. Сложное оборудование обоснованно применять только в тех случаях, когда без него нельзя обойтись. Так что не надо пренебрегать самодельными приборами - гораздо полезнее сделать их самим, чем пользоваться покупными.

Постановка опытов очень увлекательное занятие. Все проведенные нами опыты просты и проводятся с выполнением техники безопасности, что немаловажно для тех, кто проводит эксперименты в домашних условиях, особенно впервые. В своей работе мы описываем предварительную подготовку и стадии выполнения, что позволяет в дальнейшем аккуратно обращаться с предметами и правильно организовывать план своей работы. Помимо изучаемых явлений природы, в этих опытах можно параллельно познакомиться с законами физики (закон Паскаля) и приобрести технические навыки (дрель, работать отвёрткой, шилом). Это всегда пригодится мужчине. Пришлось проявить творческую мысль и смекалку.

Мы решили использовать подручный материал (пластиковые бутылки, гипс, детали авторучек и т.д.), так как они являются доступным средством и кроме этого, безопасны в использовании. Предложенные установки являются универсальными, одна установка может быть использована для показа нескольких опытов.

В нашей работе представлены опыты для использования на уроках физики по теме «Молекулярно-кинетическая теория» (далее МКТ). Разработанные опыты можно показывать как на уроке при изучении явлений, так и в качестве домашних заданий учащимся.

Цель: сделать приборы для демонстрации физических явлений по теме «МКТ» своими руками, объяснить принцип действия каждого прибора и продемонстрировать их работу.

Гипотеза: сделанный прибор можно применить на уроке физики. При отсутствии данного прибора в физической лаборатории, он сможет заменить недостающую установку при демонстрации и объяснении темы.

Задачи:

• изучить научную и популярную литературу по теме «МКТ»;

• составить систему доступных и простых опытов с использованием подручного материала;

• провести опыты, демонстрирующие физические явления и законы;

• сделать приборы вызывающие затруднение в понимании теоретического материала по физике по теме «МКТ»;

• сделать приборы, отсутствующие в лаборатории;

• дать рекомендации по постановке опытов.

Методы:

• теоретический анализ научной литературы;

• конструирование учебного материала.

Практическая значимость проекта

Значимость данной работы состоит в том, что в последнее время, когда материально-техническая база в образовательных учреждениях значительно ослабла, опыты с применением приборов, сделанных своими руками, помогают формировать некоторые понятия при изучении физики.

Глава 1. Основы молекулярно - кинетической теории

1. Задача молекулярно - кинетической теории

Молекулярно-кинетическая теория (сокращённо МКТ) - теория, возникшая в XIX веке и рассматривающая строение вещества с точки зрения трёх основных приближенно верных положений:

• все тела состоят из частиц: атомов, молекул и ионов;

• частицы находятся в непрерывном хаотичном движении (тепловом);

• частицы взаимодействуют друг с другом.

Основоположником этой теории был русский ученый М. В. Ломоносов</</font>.

МКТ в своё время была одной из самых успешных физических теорий и была подтверждена целым рядом опытных фактов. Основными доказательствами положений МКТ стали:

• Диффузия

• Броуновское движение

• Изменение агрегатных состояний вещества

Согласно МКТ все вещества состоят из мельчайших частиц - молекул. Молекулы разделены промежутками, находятся в непрерывном движении и взаимодействуют между собой. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы состоят из более простых частиц - атомов химически элементов. Молекулы различных веществ имеют различный атомный состав.

Молекулы обладают кинетической энергией Wкин и одновременно потенциальной энергией взаимодействия Wпот. В газообразном состоянии Wкин >> Wпот. В жидком и твердом состояниях кинетическая энергия частиц сравнима с энергией их взаимодействия (Wкин, Wпот).

Задача МКТ состоит в том, чтобы установить связь между микроскопическими (масса, скорость, кинетическая энергия молекул) и макроскопическими параметрами (давление, объём, температура). Мы в своих опытах рассматривали один параметр - давление.

2. Давление

В отличие от твердых тел отдельные слои и мелкие частицы жидкости и газа могут свободно перемещаться относительно друг друга по всем направлениям. Подвижность частиц газа и жидкости объясняется, что давление, производимое на них, передается не только в направлении действия силы, а в каждую точку жидкости и газа.

Давление - это фи­зи­че­ская ве­ли­чи­на, рав­ная мо­ду­лю силы , дей­ству­ю­щей пер­пен­ди­ку­ляр­но по­верх­но­сти, ко­то­рая при­хо­дит­ся на еди­ни­цу пло­ща­ди этой по­верх­но­сти.

Важно по­ни­мать, что дав­ле­ние - ве­ли­чи­на ска­ляр­ная, то есть у нее нет на­прав­ле­ния.

Если в сплош­ном бе­тоне сде­лать сфе­ри­че­скую по­лость и взо­рвать там порох, как будет рас­про­стра­нять­ся дав­ле­ние? Во все сто­ро­ны (рис. 1).

Рис. 1. Рас­про­стра­не­ние дав­ле­ния

Как будут раз­ле­тать­ся оскол­ки бе­тон­ной обо­лоч­ки - это будет за­ви­сеть от самой обо­лоч­ки, от того, какая она проч­ная, тол­стая. Но да­вить на стен­ки по­ло­сти газ будет везде оди­на­ко­во. И если бы внут­ри по­ло­сти был ка­кой-ни­будь пред­мет, на него газ тоже ока­зы­вал бы дав­ле­ние, при­чем со всех сто­рон (рис. 2), как бы мы ни по­вер­ну­ли этот пред­мет.

Рис. 2. Дав­ле­ние газа на пред­мет

Если мы за­хо­тим из­ме­рить дав­ле­ние, на­при­мер под водой, то на нуж­ную нам глу­би­ну необ­хо­ди­мо по­ме­стить ма­но­метр (рис. 3).

Рис. 3. Ма­но­метр

Это неболь­шая эла­стич­ная мем­бра­на, ко­то­рая про­ги­ба­ет­ся под дей­стви­ем дав­ле­ния. Как бы мы ни рас­по­ло­жи­ли эту мем­бра­ну - го­ри­зон­таль­но, вер­ти­каль­но, наи­ско­сок, на нее все­гда будет дей­ство­вать одна и та же сила и мем­бра­на про­гнет­ся оди­на­ко­во.

То есть для дав­ле­ния на­прав­ле­ние не имеет смыс­ла. Оно про­сто есть в дан­ной точке, как и тем­пе­ра­ту­ра. Тем­пе­ра­ту­ра тоже не имеет на­прав­ле­ния. Она ни­ку­да не на­прав­ле­на, она ха­рак­те­ри­зу­ет энер­гию теп­ло­во­го дви­же­ния ча­стиц ве­ще­ства. В дан­ной точке тем­пе­ра­ту­ра имеет опре­де­лен­ное зна­че­ние. Для век­тор­ной ве­ли­чи­ны, на­при­мер силы, мы можем за­дать во­прос: «Куда она дей­ству­ет, в каком на­прав­ле­нии?» (рис. 4).

Рис. 4. Век­тор­ная ве­ли­чи­на

Для дав­ле­ния и тем­пе­ра­ту­ры этот во­прос про­сто не имеет смыс­ла.

Дав­ле­ние пе­ре­да­ет­ся ве­ще­ством из одной точки в дру­гую. Вода в гид­рав­ли­че­ском прес­се пе­ре­да­ла дав­ле­ние. Когда мы на­ка­чи­ва­ем ко­ле­со на ве­ло­си­пе­де, мы давим на пор­шень на­со­са и дав­ле­ние по­вы­ша­ет­ся в ко­ле­се (рис. 5).

Рис. 5. Уве­ли­че­ние дав­ле­ния в ко­ле­се

Если два че­ло­ве­ка возь­мут­ся за про­дол­го­ва­тый воз­душ­ный шарик и один из них со­жмет этот шарик, вто­рой это по­чув­ству­ет, дав­ле­ние во всем ша­ри­ке по­вы­сит­ся (рис. 6).

Рис. 6. По­вы­ше­ние дав­ле­ния в ша­ри­ке

Воз­дух тоже пе­ре­да­ет дав­ле­ние. А если мы так же со­жмем ме­тал­ли­че­ский прут, пе­ре­да­чу дав­ле­ния мы не ощу­тим. Вы­хо­дит, твер­дые тела не пе­ре­да­ют дав­ле­ние? Если по этому же пруту уда­рить ( рис. 7), то он за­зве­нит весь, звук по пруту пе­ре­даст­ся. А зву­ко­вая волна - это об­ласть по­вы­шен­но­го дав­ле­ния, ко­то­рая пе­ре­ме­ща­ет­ся.

Рис. 7. Удар по же­лез­но­му пруту

С твер­ды­ми те­ла­ми, как ви­ди­те, всё слож­нее, эти про­цес­сы изу­ча­ет наука «ме­ха­ни­ка сплош­ных сред».

Воз­дух тоже не все­гда пе­ре­да­ет дав­ле­ние: если над Аме­ри­кой про­мчал­ся ура­ган (рис. 8) и там об­ласть по­вы­шен­но­го дав­ле­ния, то в Рос­сии мы этого не по­чув­ству­ем.

Рис.8. При­род­ных яв­ле­ний в Аме­ри­ке мы не по­чув­ству­ем

Опи­сать все слу­чаи одним про­стым за­ко­ном нель­зя. По­это­му нам нужна мо­дель и закон, ко­то­ро­му она будет под­чи­нять­ся. С по­мо­щью этой мо­де­ли можно опи­сать неко­то­рые ре­аль­ные про­цес­сы и при­ме­нять к ним тот же закон. Рас­смот­рим жид­ко­сти и газы огра­ни­чен­но­го объ­е­ма. Для них спра­вед­лив закон Пас­ка­ля: дав­ле­ние, ока­зы­ва­е­мое на по­верх­ность газа или жид­ко­сти, пе­ре­да­ет­ся в любую точку без из­ме­не­ний во всех на­прав­ле­ни­ях. Закон Паскаля справедлив для жидкостей и газов.

За единицу измерения давления в Международной Системе Единиц (СИ) принято давление, которое производит сила 1 Н на перпендикулярную к ней поверхность площадью 1м². Эта единица называется паскалем (Па).

Наименование единице давления дано в честь французского учёного Блёза Паскаля.

В физики Паскаль занимался изучение барометрического давления и вопросами гидростатики.

Давление существует и в жидкости. Давление внутри жидкости зависит от её плотности, от высоты столба жидкости. На одном и том же уровне давление одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается.

Немало важный вклад в изучение темы «Давления» внес Торричелли. Он поставил опыт с трубкой, наполненный ртутью. Таким образом доказал существование атмосферного давления. Нормальное атмосферное давление равно 768 мм.рт.ст. Продемонстрировать давление можно опытным путем, изготовив оборудование из подручных средств.

Глава 2.Практическая часть

ОПЫТ 1. Закон Паскаля

Цель: продемонстрировать закон Паскаля.

Оборудование: пластиковая бутылка, шило

Схема установки

1. пластиковая бутылка

2. кювета

Ход проведения опыта:

1. Возьмите пластиковую бутылку емкостью 1,5-2 л.

2. Сделайте отверстия шилом от дна сосуда на расстоянии 10-15 см в разных местах.

3. Бутылку заполните водой.

4. Надавите руками на верхнюю часть бутылки.

5. Наблюдайте явление.

Результат: наблюдаем вытекание воды из отверстий в виде одинаковых струек.

Анализ: сила действует на поверхность воды, находящиеся в бутылке. Это давление передается нижним слоям воды, которое распределяется в каждую точку жидкости.

ОПЫТ 2. Зависимость давления жидкости от высоты столба жидкости

Цель: показать зависимость давления от высоты столба жидкости.

Оборудование: пластиковая бутылка с проделанными в ней отверстиями на разной высоте, кювета, скотч.Схема установки

1. 2

1. пластиковая бутылка

2. трубочки от гелиевой ручки

3. кювета

Ход проведения опыта:

1. В пластиковой бутылке на различной высоте делаем несколько отверстий (d≈ 5 мм).

2. В отверстия помещаем трубочки от гелиевой ручки.

3. Бутылку заполняем водой (отверстия предварительно закрываем скотчем).

4. Открываем отверстия.

5. Наблюдаем за струйками воды.

Результат: вода из отверстия, расположенного ниже вытекает дальше.

Анализ: давление жидкости на дно и стенки сосуда зависит от высоты столба жидкости (чем больше высота, тем больше давление жидкости p=gh).

ОПЫТ 3. Модель вулкана

Цель: показать простейшую модель вулкана.

Оборудование: пластиковая бутылка, гипс, перекись водорода, моющее средство, перманганат калия, картон, пищевой краситель.С

хема установки

2

3

1

1. картон

2. колба от лампочки

3. гипс

Ход проведения опыта:

1. Изготовить макет вулкана. Основным материалом является гипс.

2. Осторожно добавить раствор марганцовки и мыло в жерло макета вулкана.

3. Осторожно и быстро влить в жерло макета вулкана перекись водорода .

4. Пронаблюдать за явлением.

Результат: наблюдаем образование «вулканической лавы».

Анализ: когда происходит химическая реакция, резко возрастает объём и давление жидкости. Чем больше моющего средства в смеси, тем больше будет извержение «лавы».

ОПЫТ 4. Сообщающиеся сосуды

Цель: показать расположение поверхности однородной жидкости в сообщающихся сосудах на одном уровне.

Оборудование: нижние части от пластиковых бутылок разных сечений, резиновые трубки.Схема установки

1. две или три пластиковые бутылки

2. резиновая трубка

Ход проведения опыта:

1. Отрежем нижние части пластиковых бутылок, высотой 15-20 см.

2. Соединим части между собой резиновыми трубками.

3. Нальем в один из получившихся сосудов воду.

4. Пронаблюдаем за поведением поверхности воды в сосудах.

Результат: уровни воды в сосудах оказались на одном уровне.

Анализ: в сообщающихся сосудах любой формы поверхности однородной жидкости устанавливаются на одном уровне (при условии, что давление воздуха над жидкостью одинаково).

ОПЫТ 5. Давление в жидкости и газе.

Цель: доказать существование давления внутри жидкости.

Оборудование: пластиковая бутылка, перчаткаСхема установки

1

2

3

1. пластиковая бутылка

2. резиновая перчатка

3. пластиковая бутылка цилиндрической формы

Ход выполнения опыта:

1. Возьмите пластиковую бутылку, отрежьте дно и верхнюю часть. У вас получится цилиндр.

2. К нижней часть привяжите перчатку.

3. Опустите изготовленный прибор в сосуд с водой.

4. Наблюдайте физическое явление.

Результат: внутри жидкости существует давление.

Анализ: На одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается.

Заключение

В результате работы мы:

• провели опыты, доказывающие существование атмосферного давления;

• спроектировали и изготовили модель вулкана;

• создали самодельные приборы, демонстрирующие зависимость давления жидкости от высоты столба жидкости, закона Паскаля.

Нам понравилось изучать давление, делать самодельные приборы, проводить опыты. Но в мире много интересного, что можно ещё узнать, поэтому в дальнейшем:

- мы будем продолжать изучение этой интересной науки;

- мы надеемся, что наши одногруппники заинтересуются этой проблемой, и постараемся помочь им.

- в дальнейшем мы будем проводить новые эксперименты

Наблюдать за опытом проводимым преподавателем, интересно. Проводить его самому интереснее вдвойне.

А проводить опыт с прибором, сделанным и сконструированным своими руками, вызывает очень большой интерес у всей группы. В таких опытах легко установить взаимосвязь и сделать вывод как работает данная установка.

Проводить данные опыты не сложно и интересно. Они безопасны, просты и полезны. Новые исследования впереди!

Литература

1. Вечера по физике в средней школе/ Сост. Э.М. Браверман. М.: Просвещение, 1969.

2. Внеурочная работа по физике/ Под ред. О.Ф. Кабардина. М.: Просвещение, 1983.

3. Гальперштейн Л. Занимательная физика. М.: РОСМЭН, 2000.

4. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. М.: Просвещение, 1985.

5. Горячкин Е.Н. Методика и техника физического эксперимента. М.: Просвещение. 1984 г.

6. Майоров А.Н. Физика для любознательных, или о чем не узнаешь на уроке. Ярославль: Академия развития, Академия и К, 1999.

7. Макеева Г.П., Цедрик М.С. Физические парадоксы и занимательные вопросы. Минск: Народная асвета, 1981.

8. Никитин Ю.З. Потехе час. М.: Молодая гвардия, 1980.

9. Опыты в домашней лаборатории // Квант. 1980. №4.

10. Перельман Я.И. Занимательная механика. Знаете ли вы физику? М.: ВАП, 1994.

11. Перышкин А.В., Родина Н.А. Учебник физики для 7 класса. М.: Просвещение. 2012 г

12. Перышкин А.В. Физика. - М.: Дрофа, 2012