Статья "Физика и научно-техническое творчество"

ФИЗИКВАНТУМ. Физика и научно­ техническое творчество.                                           Преподаватель Плетенская Светлана Дмитриевна. Среди фундаментальных наук, определяющих современный научно­технический прогресс,  физика играет особую роль. Она является одной' из главных наук, достижениям которой  обязан современный научно­технический прогресс.  Физика, как учебный предмет обладает особенностями, дающими наиболее благоприятные условия для развития творческих  способностей учащихся в процессе обучения.  В учебном модуле «Решение олимпиадных задач по физике», большую роль в развитии  творческих способностей учащихся  играет решение экспериментальных, и  исследовательских задач, проведение практикумов по решению задач.  В качестве примера можно привести два занятия для учащихся 9 классов по изучению  законов баллистического движения. 1 занятие., повышение качество зна Тема: «Исследование баллистического движения с использованием программы Задача – исследование.  LabQuest». Группа исследователей в Антарктиде потерпела аварию. Необходима срочная помощь:  продовольствие, медикаменты и топливо.  Расстояние от базы до группы известно L.  добраться до группы по льду возможно, но помощь подоспеет слишком поздно. На базе  имеется баллистическая установка, с помощью которой можно послать груз. Задача:  исследовать баллистическую установку, выбрать исходную  силу давления и угол  стрельбы, чтобы произвести единственный выстрел и попасть в цель. Актуальность темы: Баллистика ­ важная и древняя наука, она применяется в военном  деле, авиации, космонавтике  и в криминалистике. С помощью эксперимента необходимо  исследовать   зависимость между углом вылета и дальностью полета снаряда. Изучая  баллистику,  мы видим тесную связь двух наук:  физики и математики Область исследования –  механика. Предмет исследования –  движение тела, проходящего часть пути как свободно  брошенное тело под действием силы тяжести. Цели: изучить закономерности, характерные для баллистического движения и проверить  их выполнение с помощью эксперимента.   Задачи данной работы: 1 Изучение дополнительного материала по механике. 2 Знакомство с историей и видами баллистики. 3 Провести исследовательскую работу по изучению закономерностей  баллистического движения. 4 раскрыть конверт, в котором указаны координаты группы полярников. Имея  исходные данные и графики зависимости дальности стрельбы от угла начальной  скорости к горизонту,  выбрать начальную силу давления и угол стрельбы и  произвести выстрел точно в цель. Теоретический материал из механики. 1 Проекция начальной скорости на оси координат.  υх проекция начальной скорости на ось Х υy проекция начальной скорости на ось Y Если пренебречь влиянием воздуха на тело, то на тело, брошенное под углом к горизонту,  как и на тело, свободно падающее, или на тело, получившую начальную скорость,  направленную вертикально, действует только сила тяжести. Как бы тело не двигалось, сила тяжести может сообщить ему только ускорение g, направленное вниз. Этим и  определяются и траектория движения тела, и характер его движения.  При стрельбе на горизонтальной поверхности под различными углами к горизонту  дальность полета снаряда выражается формулой  ? = (2V²cos  sin  )/g или ? = (V²sin(2 ) )/g α α α   Из данной формулы следует, что при изменении угла вылета снаряда от 90 до 0° дальность полета снаряда, место его падения сначала увеличивается от нуля до некоторого максимального значения, а затем снова  произведения cos  и sin  наибольшее. Эту зависимость необходимо проверить  уменьшается до нуля дальность падения максимальна когда  α α экспериментально. Дополнительные формулы для расчетов.  Максимальная высота подъема тела определяется формулой Н =  υ2 ∙ sin2   Полное время полета t = 2 υ sinα/g / 2α g Алгоритм решения задачи: 1 Установить на датчике баллистической установки силу давления на снаряд. 2 Выбрать и установить произвольно угол стрельбы. 3 Произвести тренировочный выстрел.  4 Записать значение модуля (численного значения) начальной скорости снаряда. 5 Вычислить дальность полета снаряда при данных начальных условиях силы и скорости  для разных углов к горизонту от 200 до 700, с интервалом в 100 , включая дополнительно угол 450.  6 Составить таблицу и занести в нее расчетные данные зависимости дальности полета от  угла начальной скорости к горизонту. 7 Построить график зависимости дальности полета от угла начальной скорости. Ответить на вопрос: При каком угле к горизонту дальность полета будет максимальной? 8 Раскрыть конверт с координатами полярников. Выбрать угол стрельбы и произвести  выстрел в цель. Дополнительная задача.  Необходимо послать продовольствие путешественникам, находящимся в корзине  воздушного шара. Алгоритм решения задачи: 1. Установить зависимость высоты подъема груза от угла выстрела. 2. Построить график зависимости высоты подъема от угла начальной скорости к  горизонту. 3. Получить координату воздушного нара. Выбрать угол стрельбы и попасть в цель. Занятие  исследовательского характера с применением  игровых технологий. Тема: Соревнование баллистиков. Изучение законов баллистического движения можно проводить в виде дидактической игры. Игровые технологий при обучении физики являются мощным методом развития  творческой активности учащихся. Актуальность темы:  Исследуя законы баллистического движения, учащиеся становятся основоположниками  новых интеллектуальных видов спорта в командных и индивидуальных зачетах. Правила соревнования:  Каждая команда соревнуется в меткости стрельбы. Снаряд должен вылететь из пушки,  пройти сквозь кольцо на высоте h,, находящееся на расстоянии 0.5 м от пушки и попасть  точно в лузу на глубину L. Согласно жеребьевке, команды получают значения начальных  условий стрельбы: h, м,  L, м. Далее участники команды  определяют,  на каком  расстоянии от пушки надо поставить мишень, под каким углом к горизонту надо вести  стрельбу. После этого нужно попасть в лузу с одного выстрела. Побеждает команда,  попавшая точно в десятку.   До установки мишени вы имеете право стрелять любое  количество раз и под любым углом к горизонту. Предварительные исследования 1. Собрать данные для определения зависимости дальности полета снаряда от  значения начальной скорости и угла начальной скорости к горизонту. 2. Построить график зависимости дальности полета снаряда от значения начальной  скорости и угла начальной скорости к горизонту. Что нам нужно? (оборудование) 1. Баллистическая установка. 2. Датчики для измерения начальной скорости тела, угла начальной скорости к  горизонту, силы удара по снаряду и длительность удара. 3. Таблица синусов углов. Экспериментальная часть. 1. Повторим   геометрию.   Определение   синуса   и   косинуса   угла   в   прямоугольном треугольнике. 2. Запишем рабочие формулы для будущих расчетов. 3. Составим   таблицу   для   сбора   экспериментальных   данных.   Теперь   приступим   к эксперименту  и заполним таблицу. 4. Построим   график   зависимости   дальности   полета   от   угла   выстрела   между направлением начальной скорости снаряда и горизонтом. Соревнования. 1. Жеребьевка. 2. Вычислите угол стрельбы.  3. Вычислите, на каком расстоянии от пушки вы должны поставить мишень.  4. На старт!  Всем командам мы желаем успеха! Еще одним действенным приемом  раскрытия творческого потенциала учащихся, развития  познавательного интереса при обучении физики является проведение практикумов по  решению олимпиадных задач в виде ролевых дидактических игр, или в виде занятий –  путешествий,  Занятие – путешествие для учащихся  8 классов  «Per aspera ad astra»  Создание проблемной ситуации: Сегодня мы осуществим с вами космический полет. А  помощниками нам будут законы физики.  Задача  Преодолеть земное притяжение.. Стартовая площадка нашего космического корабля находится на высоте 20 м над уровнем моря. Если бросить тело без начальной скорости, двигаясь только под действием силы тяжести, тело упадет на землю за 2 секунды. Почему? ( Действие силы тяжести сообщает всем телам у поверхности Земли одинаковое ускорение 9.8 м/с2. Это число показывает, что каждую секунду скорость тела увеличивается в вертикальном направлении на 9.8 м/с.) План решения::  Постройте график зависимости скорости  тела от времени.   По графику скорости определите, на какое расстояние  снизится тело за 1 секунду.   Вычислить, какую скорость надо сообщить космическому кораблю, чтобы он двигался  по круговой траектории вокруг Земли  (первая космическая скорость). Вопросы в полете Среднее расстояние между центрами Луны и Земли равно большой полуоси лунной орбиты — 384 399 км или 0,00257 астрономической единицы, т.е. среднего расстояния от Земли до Солнца. Чтобы пройти путь, равный среднему расстоянию от Земли до Луны, с разными скоростями потребовалось бы: пешком (5 км/час) — 9 лет непрерывной ходьбы; автомобилем (100 км/час) — 160 суток; расстояние сравнимо с максимальным пробегом современного автомобиля за все время эксплуатации самолетом (800 км/час) — 20 дней полета; Наш космический корабль преодолеет это расстояние за 3 суток. Первый день полета  преподнес нам несколько вопросов. 1. На борту корабля есть сосуд, частично заполненный водой, которая не смачивает его  стенки. Можно ли, в условиях невесомости перелить воду из этого сосуда в другой  такой же сосуд? 2. Можно ли, в состоянии невесомости с помощью рычажных весов определить, у какого из двух тел масса больше? 3. Космонавт, находясь в состоянии невесомости, висит внутри спутника. Как ему  повернуться на 180° вокруг продольной оси? 4. Астронавту, находящемуся в открытом космосе  необходимо вернуться на корабль.  Как сдвинуться с места? Для ответа используйте сохранения импульса.  Задача Соревнования на эскалаторе. Наш корабль совершил мягкую посадку на Луну. Лунная база построена на 20­м градусе  южной широты с обратной стороны Луны в кратере «Циолковский» », названном в честь  основоположника космонавтики. Этот кратер имеет обширную ровную поверхность из  темной породы, появившуюся здесь, по всей вероятности, намного позже других форм  рельефа, поскольку на ней очень мало вторичных кратеров. Жилой модуль станции  купольной конструкции соединен с башней управления тоннелем. В башню управления  астронавты поднимаются на эскалаторе. Для поддержания спортивной формы используют  подъем для небольшой тренировки. Эскалатор движется со скоростью 1 м/с. Астронавт   заходит на эскалатор и начинает идти по его ступеням следующим образом: делает шаг на  одну ступеньку вперед и два шага по ступенькам назад. При этом он добирается до другого конца эскалатора за время 35 с. Через какое время астронавт доберется  до другого конца  эскалатора, если будет идти другим способом, делая два шага вперед и один шаг назад?  Скорость астронавта относительно эскалатора при движении вперед и назад одинакова и  равна 0.5 м/с. Считайте, что размеры ступеньки много меньше длины эскалатора. Задача  Первый эксперимент. На Земле, тело, брошенное с высоты 5 м, достигнет  поверхности земли  за 1 секунду. На Луне – за 2.4секунды. Вычислите ускорение свободного падения на Луне. Задача  Алые паруса на Луне. На Луне все тела весят в 6 раз меньше, чем на Земле.  Вообразим, что на Луне существует озеро с пресной водой. На озеро спущен пароход, который в земных пресноводных озёрах имеет осадку 3 метра. Как  глубоко будет сидеть наш пароход в воде лунного озера? Заодно решите и такую задачу: где не умеющий плавать человек может утонуть скорее ­ в  земном озере или в нашем воображаемом лунном?  Задача  Водяной метроном. Большая нагруженная пробирка плавает в воде в вертикальном положении, и может совершать колебания вверх — вниз. Рассчитайте массу пробирки, чтобы погруженная в воду на Лунной базе, она имела период колебаний 1 с. Эксперимент (в земной лаборатории). Имея линейку (или штангенциркуль) и весы, рассчитайте период колебания пробирки и проверьте расчет экспериментально.   Объясните расхождение между теорией и экспериментом.  Задача . Утренний кофе. На Лунной базе астронавты проводят научные эксперименты, изучают технологию  строительства, добычи и переработки полезных ископаемых на Луне. Технология  строительства в Антарктиде, вполне применима и для условий Луны. На базе  организовано само обеспечение путем выращивания сельскохозяйственных культур для  питания  астронавтов. В лунном реголите имеются почти все необходимые для этого элементы, за  исключением азота, цинка, бора и молибдена, из которых последние три необходимы  только в качестве микроэлементов. В Лунных  теплицах  выращивают томаты, капусту,  морковь, баклажаны и сладкий картофель. Астронавты поделились с нами рецептом  приготовления фирменного кофе. ◦ В фарфоровую чашку массой m1 = 100 г, находящуюся при комнатной температуре t1 = 2 = 150 г горячего кофе при температуре t2 = +90  C. Затем  +20  C, наливают m ◦ достают из холодильника брикет мороженого, имеющий температуру t3 = −12  C, и  ложкой  кладут понемногу мороженое в кофе, каждый раз размешивая его. Так  поступают до тех пор, пока не установится температура   = +45  C, когда кофе  приятно пить. Оцените, сколько граммов мороженого надо положить для этого в  кофе? Потерями тепла на нагревание воздуха и ложки пренебречь. Считать  известными удельные теплоёмкости воды C2 = 4200Дж/(кг ∙ C), льда C3 = 2100Дж/ λ (кг ∙ C), фарфора C1 = 800Дж/(кг ∙ C) и удельную теплоту плавления льда  000Дж/кг  = 340  ◦ ◦ ◦ Ѳ ◦ ◦ Экспериментальные задачи. Использование творческих заданий экспериментального характера существенно повышает  мотивацию в изучении физики. Задача Расстояние до Луны Известно, что диаметр Луны 3.4∙ 106м. Используя линейку и карандаш, определите  расстояние от Земли до Луны. Для решения этой задачи нужно дождаться лунной ночи. А  сейчас, используя линейку и брусок высотой 2 см, определите расстояние до соседнего  дома, если известно, что его высота 8 м.  Удельное сопротивление Определите, из какого сплава изготовлен резистор. В вашем распоряжении источник тока,  амперметр, вольтметр, штангенциркуль и таблица удельных сопротивлений. Подзорная труба. Ремонтируем подзорную трубу. Для этого надо знать, из какого сорта стекла изготовлена  основная собирающая линза. Определите экспериментально, какой показатель  преломления имеет стекло вашей собирающей линзы. Черный ящик. На лунной базе хранятся несколько черных ящиков с электрическими цепями. Схемы  цепей утеряны. Нам необходимо, используя амперметр, вольтметр и источник тока,  исследовать черные ящики и восстановить утерянную электрическую схему. Задача – софизм. Физик древности Герон Александрийский предложил оригинальную конструкцию фонтана.   каков принцип его действия? получится ли вечный круговорот воды в фонтане? Задача  Средняя скорость  Продолжаем исследование поверхности Луны. Наш Луноход находится  на расстоянии  1665 км от кратера Пири. Кратер находится недалеко от северного полюса Луны. Здесь   построена  (в 2025 году) первая Лунная база. Это самое удобное место. В этот район  постоянно попадают солнечные лучи, средняя температура минус 50 градусов по Цельсию,  и ее колебания незначительны. Кроме того, в районе этого довольно большого кратера  крупные участки поверхности постоянно находятся в тени, и не исключено, что там ­ лед, а это может пригодиться  для получения воды. Расстояние от корабля до промежуточного  лагеря  мы ехали  36 часов на планетоходе  и еще 36 часов до кратера Пири на луноходе.   Расстояние, которое мы проделали на луноходе,  составляет 80 км. Найдите среднюю  скорость планетохода  и среднюю скорость на всем пути. Заключение. Описанные занятия по физике,  в рамках  учебного модуля Решение олимпиадных задач   способствуют более глубокому усвоению физических законов и теорий,  развитию  творческих способностей учащихся, повышению познавательного интереса и качества  знаний учащихся по физике.  Калининград 2017 год