ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВАННОЙ КОМНАТЕ

I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВАННОЙ КОМНАТЕ

Михеева Елизавета Алексеевна 1
1
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьника
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Краткая аннотация

Работа состоит из следующих разделов:

  • Введение;

  • теория явлений, встречающихся в воде;

  • практикум;

  • заключение, выводы;

  • список использованной литературы.

Цель данного проекта - показать, что эксперименты и наблюдения позволяют проверить истинность теоретических выводов, научиться проводить исследования различных физических явлений, понять природу происхождения этих явлений и научиться применять основы физики в повседневной жизни каждого человека. Для достижения цели рассматриваются физические явления, изучение и объяснение которых осуществляется через постановку проблемы, выдвижение гипотезы, ее доказательство или опровержение.

В работе сформулирована гипотеза: многие процессы, изучаемые в школьном курсе физики, имеют практическое применение в различных областях повседневной жизни. Для доказательства гипотезы проводятся эксперименты (опыты) по таким разделам физики, как: распространение и образование звуковых волн, магнетизм, диффузия, архимедова сила, трение, плавание тел с использованием предметов бытовой техники и всего того, чем пользуется человек в обыденной жизни.

Основные задачи исследования:

  • Расширение теоретической и практической частей учебной программы;

  • развитие творческой самостоятельности;

  • усиление связи обучения с жизнью;

  • развитие склонностей к изучению физики.

Актуальность исследования состоит в том, что, изучив данный вопрос можно найти ему практическое применение, объяснить те или иные явления, происходящие в природе, доме и т.д.

В заключительной части работы подведены некоторые итоги. Отмечено, что практически все физические явления, описанные в работе, нашли применение и имеют место в жизни человека. Данная работа может быть использована на уроках физики, как вспомогательное пособие при изучении некоторых разделов курса физики. Привлечение имеющегося бытового опыта способствует повышению мотивации к изучению физики, как общеобразовательного предмета.

Оглавление

  1. Введение…………………………………………… 5

  2. Основная часть работы

Теория явлений, встречающихся в ванной комнате… 6

2.1.Образование волн в воде………………………………….. 6

2.2.Образование и распространение звуковых волн………… 7

2.3 Отражение волн 8

  1. Магнитное поле……………………………………………. 9

  2. Теплопроводность………………………………………… 10

  3. Архимедова сила…………………………………………… 11

  4. Трение………………………………………………………. 11

  5. Диффузия…………………………………………………. 13

  6. Закон Паскаля……………………………………………… 14

  7. Заключение и выводы……………………………………… 16

  8. Список использованной литературы и

Интернет – источники………………………………………… 17

  1. Приложение……………………………………………………………..18

Введение

Исследовательский проект «Физические процессы в ванной комнате» предназначен для учащихся средней школы, может быть использован в качестве дополнительного материала при изучении некоторых разделов физики, таких, как: волны, магнитное поле, давление жидкостей, теплопроводность и диффузия.

Основополагающим вопросом данного проекта является вопрос о том, как объяснить те или иные процессы, происходящие в природе и быту с точки зрения физики. Перед учеником стоят проблемные вопросы: Какие физические процессы и явления можно обнаружить в повседневной жизни? Можно ли применить знания по физике для объяснения тех или иных процессов происходящих повседневно при жизнедеятельности человека?

Для ответа на эти вопросы нужны некоторые экспериментальные исследования, а значит необходимо провести следующие опыты:

  • Как образуются и распространяются звуковые волны?

  • Существует ли магнитное поле в ванной?

  • Сколько воздуха может вдохнуть человек за один раз?

  • Существует ли трение в воде?

  • Какая вода окрашивается быстрее: холодная или горячая?

  • Как проводят тепло различные предметы?

На личном опыте я убедилась, что, все события, которые каждый может легко наблюдать, находясь в ванной комнате, влекут за собой вопросы, а каждый вопрос может вырасти в целое исследование.

Для объяснения описанных в работе физических явлений, я провела несложные экспериментальные исследования и опыты, которые не требуют специальной подготовки. Опыты и физические явления, описанные в моей работе, может повторить любой желающий без особой подготовки и ещё раз подтвердить сделанные мною выводы и законы физики.

Объектом исследования являются предметы и явления, встречающиеся в воде (вода, воздух, морская соль, ванна).

Предмет исследования – пластмассовая чашка, резиновая трубка, фонарик, ванна, вода.

Цель исследования: научиться проводить исследование различных физических явлений, понять природу происхождения этих явлений, объяснить эти явления с применением фундаментальных основ физики.

Задачи исследования:

  • Подобрать и изучить литературу, позволяющую объяснить физические явления, происходящие в ванной комнате (в том числе использовать интернет – ресурсы);

  • рассмотреть теорию явлений, встречающихся в воде;

  • провести исследования в виде практических заданий (опытов);

  • подтвердить или опровергнуть выдвигаемую гипотезу о том, что многие процессы, изучаемые в курсе физики, имеют практическое применение в быту (в частности в мореходстве).

2. Теория явлений, встречающихся в ванной комнате.

2.1. Образование волн на воде

Волна – это изменение некоторой совокупности физических величин (характеристик некоторого физического поля или материальной среды), которое способно перемещаться, удаляясь от места их возникновения, или колебаться внутри ограниченных областей пространства.

Опыт №1. Оборудование: ванная с водой, тяжелый предмет (например, пуговица), пластмассовая чашка.

Рассмотрим образование волн на водяной поверхности. Наполним ванну водой и подождем, пока поверхность воды успокоится. Уронив в воду какой-нибудь небольшой, но тяжёлый предмет, наблюдаем: в месте, где он ударится о воду, происходит образование волны, «которая начнет расходиться во все стороны в виде колечка». (Прил.1, рис.1)

Что служит причиной образования волны? Ударяясь о воду, предмет начинает толкать её вниз. Но вода не в состоянии опуститься вниз, потому что внизу уже есть вода, а вода практически несжимаема. Чтобы дать камню дорогу, воде остается только один путь — вверх и в стороны, выше своего обычного уровня. (Прил.1, рис.2). Теперь попробуем вызвать волны, равномерно покачивая в воде пластмассовую чашку — вверх и вниз, в определённом ритме. Расстояние между отдельными горбами называется длиной волны. Теперь начнём двигать чашку чуть быстрее. На сей раз, горбики волны идут ближе друг к другу — значит, длина волны меньше. Если же двигать чашку медленнее, то расстояние между горбами волн увеличится — следовательно, длина волны будет больше.

Явление управляемого образования волн различной длины и частоты можно наблюдать в аквапарке.

  1.  

    1. Образование и распространение звуковых волн

Воздух — упругое вещество. Воздух и прочие газы - хорошие проводники колебаний, которые передаются в виде волн. В результате мы слышим звуки, проходящие по воздуху, точно так же, как и звуки, проходящие сквозь твёрдое вещество.

Опыт №2: Включим воду в ванной. При наборе воды в ванну струя воды заставляет колебаться вещество, из которого сделана ванна, а оно заставляет колебаться окружающей воздух. Звуковая волна, распространяясь по воздуху, достигает ушей и заставляет колебаться гибкую барабанную перепонку. Тогда нервы внутреннего уха посылают в мозг сигналы о приходе звука, а мозг эти сигналы анализирует. Вот так мы слышим.

Звук может распространяться через твёрдые вещества, газы, а так же воду.

Распространение звука невозможно при отсутствии какого - либо вещества, т.е. в вакууме. Например, мы не можем слышать звук двигателя космических аппаратов из-за отсутствия в космосе вещества, проводящего звуковые волны. Это ещё раз доказывает, что в космическом пространстве присутствует вакуум.

Применение данного физического явления нашлось в производстве стеклопакетов. Стеклопакет, с откаченным между рамами воздухом, препятствует распространению звука с улицы в помещение и в обратном направлении.

В качестве доказательства данной теории проведём опыт №3.Оборудование: будильник, стеклянный колпак. (Прил. 1, рис. 3)

  1. Поместим будильник под стеклянным колпаком и включим его звонок. Звонок можно услышать, находясь в классе.

  2. С помощью вакуумного насоса откачаем воздух из-под колпака и включим сигнал будильника. Сигнал будильника будет не слышен в помещении.

  1.  

    1. . Отражение волн: все волны способны отражаться от разного рода поверхностей. Проведём опыт доказывающий, что волны способны отражаться.

Опыт №4. Оборудование: ванна, наполненная водой, фонарик.

Наберём в ванную воду и выключим в ванной комнате свет. С помощью фонарика выполним различные манипуляции и пронаблюдаем за происходящим. Сначала будем держать фонарик наклонно. Существует несколько способов проверить, отражается ли свет от поверхности воды? Один из них — попытаться найти световой зайчик на стене возле ванны (Прил. 1., рис. 4). Другой - выставить ладонь, на ней покажется яркое пятно.

Так же при проведении опыта я заметила следующую закономерность: если световой пучок ударяется о воду под большим углом, как на рисунке а), отражение от поверхности происходит под таким же большим углом. Если же угол между световым пучком и поверхностью воды меньше, как на рисунке б), то отраженный луч отходит от воды также под меньшим углом. Если же пучок идет почти вертикально вниз, как на рисунке в), он отражается почти вертикально вверх. Таким образом, я убедилась, что существует закономерность при отражении световых волн, т.е. угол падения равен углу отражения (Прил. 1., рис 5). Когда же я «потревожила» воду, то на её поверхности образовалась рябь. Из-за этого наклон каждого отдельного луча света к воде постоянно меняется. Пучок света начал прыгать, расширяться — он становился то меньше, то больше, в зависимости от того, насколько взбудоражена поверхность воды (Прил. 1, рис 6).

Изучив явления отражения звуковых волн, зная скорость звука и выполнив несложные математические вычисления, можно рассчитать расстояние от объекта, генерирующего звуковую волну, до объекта контроля. На основе данного физического явления разработаны такие приборы как: эхолот и радар (Эхолот - Прил. 1, рис 7).

  1. Магнитное поле. Компас и ванна.

Известно, что наша планета имеет постоянное магнитное поле. Все металлические предметы, находящиеся долгое время в неподвижном состоянии, намагничиваются «Землёй» и имеют полюса, расположенные аналогично магнитным полюсам «Земли».

Опыт №5. Оборудование: металлическая ванна, компас.

Держа компас ровно, поднесем его к верхнему краю ванны. Северный конец стрелки повернётся и уставится прямо на ванну. Теперь положим компас на пол, около ванны. На сей раз стрелка повернётся в сторону ванны своим южным концом. Повторим опыт в разных местах вверху и внизу ванны. Всюду получается один результат: все участки в верхней части ванны притягивают к себе северный конец компасной стрелки, все участки в нижней части — южный конец.

Таким образом, мы убедились, что ванна имеет постоянные магнитные полюса, расположенные аналогично полюсам «Земли».

Вывод: Вышеуказанный результат я могу объяснить тем, что железо — это магнитное вещество, так как крохотные зерна, из которых оно состоит, сами по себе являются маленькими магнитиками, которые могут поворачиваться и горизонтально, и вертикально. Зерна железа поворачиваются, пока они не установятся своими обращенными на север концами под углом примерно 60—70 градусов к Земле. Эти «обращённые к северу» зерна в целом создают северный полюс в нижней части ванны. Одновременно южные полюса мельчайших магнитных зерен железа создают южный полюс в верхней части ванны.

  1. Теплопроводность. Тепло и холод.

Теплопроводность – это явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной его части к другой. В ванной раздетому человеку холодно, а в кровати он чувствует себя хорошо, хотя температура кровати и ванны одинакова. Ванна отнимает тепло у тела гораздо быстрее и энергичнее, чем кровать. Ванна сделана из железа, которое, как и все металлы, — хороший проводник тепла; это значит, что оно довольно легко пропускает сквозь себя тепло. А вот вата и шерсть — плохие проводники тепла (изоляторы). Можно установить, как проводят тепло различные предметы в ванной комнате и на кровати (опыт №6). Для этого нагретый до температуры 36°С стакан поставим в ванную и такой же стакан на кровать. Определим, какой из этих двух стаканов остынет до комнатной температуры быстрее?

Вывод: Стакан в ванной остыл до комнатной температуры быстрее, чем стакан, установленный на кровать. Таким образом, мы увидели, что теплопроводность металлической ванны выше, чем кровати из дерева и ткани.

  1. Архимедова сила.

Опыт №7. Сколько воздуха может вдохнуть человек за один раз? Оборудование: банка с водой, ванна, резиновая трубка.

Это легко узнать. Возьмём большую банку, наполним её водой, погрузим в наполненную ванну, перевернём вверх дном и отпустим— пусть банка плавает. Подведем вниз резиновую трубку, другой конец трубки возьмём в рот и сделаем обычный выдох. Каков объем воздуха в банке – таков и есть объем одного обычного вдоха. Снова наполним банку, опустим её в ванну и перевернём. Возьмем в рот трубку и сделаем глубокий-глубокий выдох. Одного такого выдоха, пожалуй, будет достаточно, чтобы вытеснить всю воду из литровой банки.

Вывод: Оказывается, при равномерном закачивании воздуха в банку, воздух будет сжиматься за счёт давления воды снизу. Вода будет вытесняться воздухом потому, что давление воздуха внутри банки больше давления воды. Вода может попасть внутрь стакана только при условии уравнивания давлений воды и воздуха.

  1. Трение в воде и на суше.

Опыт №8. Оборудование: пустаяпластмассовая чашка, ванна.

Возьмём пустую пластмассовую чашку и положим её на воду в ванне. Закрутим миску, пусть она кружится. Она долго будет продолжать вращение. На твёрдом столе миска может кружиться 1,5-2 оборота, что примерно в 2 раза меньше чем в воде.

А теперь поместим миску на одном конце ванны и слегка подтолкнём ее к другому концу. Она плывет по воде, почти не меняя скорости. Если попробовать толкнуть ее на полу, такого не увидишь. Тот факт, что лодка в воде не испытывает слишком большого трения, имел весьма любопытные последствия для развития нашей цивилизации.

Вывод: Небольшое трение в воде означает, что для движения нагруженной лодки с неизменной скоростью нет необходимости прилагать большую силу. Поэтому затраты на перевозку по воде, особенно на дальние расстояния, меньше, чем при любом способе перевозки по суше (Прил.1, рис.8)

  1. Устойчивость плавающих тел.

Опыт №9. Мы держим брусок в воде наклонно. Одна часть (А) выступает из воды. На неё вода не оказывает никакого выталкивающего действия. Единственная сила, которая действует на эту часть бруска,— это сила тяжести (стрелка Б). Другая часть бруска (В) находится под водой. Поэтому на неё действует направленная вверх выталкивающая сила, которая превышает направленную вниз силу тяжести этой части бруска. Этот остаток направленной вверх силы показан стрелкой Г. Вместе обе эти силы (Б и Г) стараются повернуть брусок, как показано стрелкой Д, в горизонтальное положение (Прил. 1, рис. 9)

Добавочный груз на одном из концов делает брусок устойчивым только в вертикальном положении: сила тяжести и выталкивающая сила стараются повернуть деревянный брусок в направлении стрелки В, и он устанавливается в вертикальном положении. Брусок с грузом наверху поворачивается до тех пор, пока нагруженный конец не окажется внизу, а сам брусок — в вертикальном положении: тяжёлый груз сверху заставляет конец бруска двигаться дальше налево и вниз, как показывает стрелка А. В то же время, выталкивающая сила (Б) воды, действует на нижнюю часть бруска. Совокупность этих сил поворачивает брусок в направлении, показанном стрелкой В (Прил.1, рис .10).

Конструкторы кораблей обязаны учитывать поворачивающие силы. На рисунках 11,12 (Прил.1, рис.11,12) приведён пример установки добавочного груза для исключения опрокидывания судна в кораблестроении.

  1. Диффузия в стакане с холодной и горячей водой.

Всем хорошо известно, что если в комнату внести какое- либо пахучее вещество, например духи, то запах будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы духов движутся. Возникает вопрос: почему запах в комнате распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время? Дело в том, что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Молекулы духов на своем пути сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха. Они постоянно меняют направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате. Такое же явление происходит и в воде. Молекулы воды, двигаясь непрерывно и беспорядочно, распространяются по всему объему ванной, жидкость в сосуде становится одного цвета. Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называют диффузией. Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что с повышением температуры увеличивается скорость движения молекул.

Опыт №10. Проведём эксперимент с окрашиванием холодной и горячей воды в стакане (данный эксперимент можно было провести и в ванной, но с целью экономии времени и воды я провела его в стакане). Возьмём два стакана с водой: один с холодной, другой - с горячей.

В каждый стакан положим по одинаковому количеству перманганата калия (Прил.1, рис. 13-15). По истечению 10 секунд мы увидим, что окрашивание воды в стакане с горячей водой происходит быстрее, чем в стакане с холодной.

Заставим молекулы в стакане с холодной водой двигаться быстрее с помощью помешивания воды деревянной палочкой. После помешивания в течение трех секунд вода в стакане с холодной водой окрасилась так же, как и в стакане с горячей.

Вывод: Окрашивание горячей воды происходит быстрее, чем холодной, так как скорость окрашивания зависит от скорости движения молекул. Чем быстрее движутся молекулы, тем быстрее происходит окрашивание.

  1. Закон Паскаля.

Опыт №11. Оборудование: бутылка, спичка с намотанной на один из её концов проволокой.

Поместим спичку с намотанным на неё куском проволоки в бутылку с водой. Подберём массу проволоки таким образом, чтобы спичка плавала её поверхности. Если плотно закрыть бутылку, а её стенки сжать, то спичка утонет, если перестать сжимать стенки — он снова всплывёт. Такая игрушка называется “картезианским водолазом”. В чём причина того, что «водолаз» тонет? (Прил. 1, рис.16) При сдавливании стенок бутылки давление воды и воздуха внутри неё повышается, при этом воздух, находящийся над поверхностью воды, сжимается. Аналогичным образом сжимается и воздух, находящийся в порах древесины, из которой сделана спичка. В результате часть объёма пор заполняется водой и увеличивается средняя плотность водолаза. Когда средняя плотность древесины становится больше плотности воды, согласно условию плавания тел, спичка тонет (Прил.1, рис. 17).

Вывод: Опыт показывает, что эффект не зависит от того, где именно сжимать стенки бутылки. Более того, вместо сжатия стенок можно давить на поршень шприца, соединённого с бутылкой трубочкой. Под давлением воздух в трубочке будет давить на поверхность воды в бутылке, и «водолаз» утонет. Получается, что где бы мы ни оказали давление на жидкость или газ, оно передаётся в любую другую точкуих объёма одинаково. Это явление впервые изучил французский учёный Блез Паскаль. Он сформулировал закон, который гласит: давление в жидкости и газе передаётся во все стороны одинаково.

На жидкости, как и на все тела на Земле, действует сила тяжести. Поэтому, каждый слой жидкости, налитой в сосуд, своим весом создает давление на другие слои. Значит, внутри жидкости существует давление. Внутри жидкости существует давление и на одном и том же уровне оно одинаково по всем направлениям. С глубиной давление увеличивается. По определенной формуле можно рассчитать давление жидкости на дно и стенки сосуда. Если рассчитывать давление жидкости на дно сосуда, то формула выглядит так: где h – высота сосуда, g – ускорение свободного падения,  – плотность [1,91]. Из этой формулы видно, что давление жидкости на дно сосуда зависит только от плотности и высоты столба жидкости. Поэтому, по ней можно рассчитывать давление жидкости, налитой в сосуд любой формы и по ней же можно вычислить давление на стенки сосуда.

Заключение и выводы

Проведенные опыты, объясняют ряд обыкновенных явлений, к которым мы привыкли и, сталкиваясь с ними в жизни, не задумываемся об их причине. Исследовав данную проблему в своем проекте, я пришла к следующему выводу: гипотеза о том, что многие процессы, изучаемые в курсе физики, имеют практическое применение в быту, нашла свое подтверждение. Работа над данным проектом показала, что знание законов физики – это объективная необходимость. Можно все процессы объяснить, а для этого необходимо тщательно изучать данный предмет.

Список литературы:

1. «Физика в ванне»; Рачлис Х.; издательство «Мир»; Москва 1972

  1. Перельман Я.И. Физическая смекалка. Занимательные задачи и опыты по физике для детей. – М., Омега, 1994

  2. Перышкин А.В. Физика. 7 кл.: Учеб. для общеобразоват. учеб. заведений. – 4-е изд., испр. – М.: Дрофа, 2001

  3. Настольный справочник школьника для 5-11 классов (том 1). Под редакцией: В. Е. Фрадкина, А. В. Ляпцева. - АСТ-Пресс, 2001

Интернет- ресурсы:

  1. https://yandex.ru/images/search?text=%D0%BA%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%BA%D0%B8%20%D0%BF%D0%BE%20%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B5&stype=image&lr=11218&noreask=1&source=wiz

  2. http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/waves.htm

  3. http://markx.narod.ru/pic

Приложение 1

Рис. 1 Рис. 2

Рис. 3 Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6 Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 10

Рис. 11 Рис.12

Рис. 13

Рис. 14

Рис. 15

Рис. 16 Рис. 17

20

Просмотров работы: 2404