XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Физический прибор своими руками

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Федорова Д.Д. 1

---

1МБОУ ДОД "Дом детского творчества Оренбургского района"

Бекмукашева А.Н. 1

---

1МБОУ "Чебеньковская СОШ Оренбургского района"

Работа в формате PDF

13.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Обоснование возникшей проблемы.

Физика – это наука, основанная на опытах, и все открытия в этой науке не смогли бы осуществиться без применения лабораторных опытов.

Но порою демонстрационных приборов для такой работы либо не хватает, либо нет вообще. Но ведь некоторые из них можно изготовить самим, даже из подручных материалов. Я решила изготовить рычажные весы для использования их при выполнении лабораторных работ и демонстрации опытов.

Цель работы: разработать и изготовить рычажные весы для кабинета физики.

Задачи:

Найти и изучить литературу, проследить и описать в хронологическом порядке историю возникновения и совершенствования весов;

Применение рычажных весов на уроках физики;

Опытным путем проверить действие прибора;

Презентовать и представить прибор на суд жюри.

Прибор должен быть одновременно красивым, прочным и удобным, а также достаточно компактным.

Анализ идей и выбор лучшего варианта.

Равноплечные

рычажные весы

№1 Подвесные №2 Пружинные №3 №4

весы весы

Я решила сделать равноплечные рычажные весы № 4, потому что данная конструкция наиболее удобна, не требует больших затрат и соответствует самой идее изделия – разработать и изготовить удобный, прочный, практичный, красивый прибор.

Эскиз прибора

Из истории мер и весов.

В есы - один из древнейших приборов, изобретенных человеком. Они возникли и совершенствовались с развитием торговли, производства и науки. Первые найденные археологами образцы весов относятся к V тысячелетию до н. э., применялись они в Месопотамии. Согласно древнеегипетской «Книге мертвых», Анубис,на входе в подземное царство, взвешивает сердце всякого умершего на особых весах, где в качестве гири выступает богиня правосудия Маат.

Простейшие весы в виде равноплечного коромысла с подвешенными чашками широко использовались в Древнем Вавилоне и Египте.

У древних римлян существовало 22 единицы массы. Самая крупная, талан – равнялась 26, 2 килограмма. Самые маленькие - силиква и гран. С древности и до наших дней аптекари измеряли гранами сильнодействующие вещества, например, яды.

1 гран = 64,2 мг

Ю велиры в силиквах измеряли массу драгоценных камней и золота. В качестве гирь использовались семена рожкового дерева. Растение получило название по форме плода, напоминающего рог, а его семена по массе почти не отличаются друг от друга, словом, природные гирьки. Позднее силикву стали именовать каратом.

В Древнем Вавилоне за единицу массы принимали талант – массу воды, наполняющей такой сосуд, из которого вода равномерно вытекает через о тверстие определенного размера в течение часа.

В 17 веке царь Федор Алексеевич ввел регулярную поверку мер, которые затем клеймились «орленной печатью». Применение «неорленных мер» запрещалось под страхом смертной казни.

Наиболее полным был указ 1797 года «Об учреждении повсеместно в Российской империи верных весов питейных и хлебных мер», который узаконил набор гирь в 1, 3, 9 и 27 фунтов.

« На все времена, для всех народов». Под таким девизом 1 августа 1793 года во Франции проходила Метрическая конвенция. Результатом ее работы стало создание Метрической системы мер. Система была основана на двух основных единицах – единице длины (метр) и единице массы (килограмм).

З а единицу массы – килограмм приняли массу 1 дм³ (1 литр) воды, взятой из реки Сены, при температуре наибольшей плотности, то есть при 4 ⁰ С. К сожалению, природный прототип килограмма – вода из Сены не отличалась постоянством. В 1889 году роль прототипа килограмма была «поручена» цилиндрической гире из платино-иридиевого сплава, а ее 40 точных копий стали международными эталонами. Две из них (№ 12 и № 26) были переданы России. Эталон № 12 был принят в качестве Государственного первичного эталона массы. В настоящее время эталон хранится в институте метрологии им. Д. И. Менделеева в Санкт - Петербурге.

Классификация по принципу действия.

По тому, на каких физических законах основано взвешивание, весы можно разделить на:

рычажные (основаны на принципе рычага);

пружинные (основаны на законе Гука);

электротензометрические (основаны на изменении электрического сопротивления);

гидростатические (основаны на действии архимедовой силы);

гидравлические.

Разновес

Наборы гирь для определённых весов называются разновесом. В зависимости от максимальной и минимальной массы, взвешиваемой на весах, разновес может состоять из большего или меньшего числа элементов. С появлением гирь впервые возникла идея о стандартизации, которая, правда, получила своё полное развитие в других сферах лишь через тысячи лет! Необходимость в стандартизации гирь настолько была всем очевидна, что торговцы безропотно ей подчинились.

В то далёкое время в основе самой первой в истории системы весовых единиц – древневавилонской – лежал вес одного хлебного зерна – грана. Не кусочек золота, платины, серебра, а зерно, получаемое с таким трудом и являющееся главным продуктом до сих пор. Ну, и конечно, сыграло свою роль то обстоятельство, что зёрна самой природой были, как бы стандартизированы и имели почти одинаковые размеры и массу.

Позже появилась система гирь, изготовленная человеком. Меры длины и веса, а также формы и материал гирь различались в зависимости от местных особенностей. К примеру, в Месопотамии гири изготавливались из камня или бронзы в виде груши, утки или льва. Греки применяли квадратные или прямоугольные пластины, круглые, конусообразные, трех- или многогранные куски свинца или бронзы. Римляне использовали шары, кубики, круглые шайбы или призмы из бронзы, камня или свинца.

Вокруг гирь часто разгорались страсти, т. к. "порча" гирь, сулила торговцам дополнительную прибыль. И они этим занимались весьма часто. На Руси вплоть до XV века заботливой хранительницей мер и весов была Церковь. В монастырях и храмах появились первые смотрители за правильностью измерений. Князья Владимир и Всеволод поручали «епископам наблюдать за мерами и весами», а за обвешивание и обмеривание велели «казнить близко к смерти». Царь Иван Грозный вообще запретил торговцам иметь собственные гири и весы. Разрешалось пользоваться только «государственными». Царь Федор Алексеевич обязал проверять существующие меры с клеймлением их «орлёной печатью». Петр I своим указом ввел их обязательную проверку два раза в год.

Современные наборы гирь (разновесы) выпускают разных классов точности. Они подлежат обязательной сертификации и первичной и периодической поверке органами метрологического контроля. Для образцовых и аналитических гирь особое значение имеет материал, применяемый для их изготовления. Для того чтобы гири не изменяли своей массы, необходимо, чтобы материалы для них были:

антимагнитными – для исключения влияния магнитных полей на результат взвешивания;

устойчивыми к действию коррозирующих агентов окружающей среды;

стойкими к износу в процессе эксплуатации;

плотными по строению, во избежание поглощения пара, газов и влаги.

Для самодельных весов в качестве гирь можно использовать монеты (до 1990г) достоинством: 1к. – 1г., 2к. – 2г., 3к. – 3г., 5к. – 5г. Миллиграммовые разновесы можно изготовить из тетрадной бумаги в клетку. Кусочек такой бумаги, размером 3х3см. имеет массу 1г.

Измерение массы тела на рычажных весах

Работа по взвешиванию тел – первая работа с оборудованием, которое представляет большую материальную ценность для кабинета физики. Непосредственная подготовка к нему начинается при ознакомлении с весами и правилами взвешивания, когда уже освоено понятие «масса».За единицу измерения массы тела принят один килограмм. А на практике применяют и другие единицы – грамм, миллиграмм, тонна и т.п. Для измерения массы тела существуют разные способы. Один из них – это сравнение скоростей тел после взаимодействия. Например, если один мяч после столкновения полетел в два раза быстрее другого, то, очевидно, что он в два раза легче. Иной, более простой и привычный нам способ измерения массы заключается в измерении массы тела на весах, то есть взвешивании, если говорить по-простому. При взвешивании сравнивается масса тела с телами, массы которых известны – специальными гирями. Гири существуют по 1, 2 килограмма, по 100, 200, 500 грамм и так далее. Существуют также специальные аптечные гири весом в несколько грамм. Тело, весом в несколько миллиграмм, например, комара можно взвесить на специальных аналитических весах. В настоящее время почти повсеместно используют для взвешивания не механические, а электронные весы, в принципе действия которых лежит воздействие веса тела на специальный датчик, который преобразует этот вес в определенный электрический сигнал. Но суть остается та же – мы заранее знаем, какое воздействие оказывает тот или иной вес на датчик, и поэтому можем по получаемым от датчика сигналам судить о весе предмета, преобразовывая этот сигнал в цифры на табло.

Расчет массы тела очень крупных объектов, таких как земля, солнце или луна, а также, очень мелких объектов: атомов, молекул производят иными способами – через измерение скоростей и иных физических величин, входящих в различные законы физики вместе с массой.

Выбор оборудования, материала и инструментов.

С толярный угольник

Столярный верстак

Слесарные тиски

Ножовка

Напильник

Шлифовальная бумага

Сверло 3.4;

Лобзик ручной

Отвертка

Карандаш

Фанера и рейка

Круглогубцы

Плоскогубцы

Охрана труда.

До начала работы:

Одеть спецодежду;

Проверить исправность инструментов;

Навести порядок на рабочем столе.

Во время работы:

Инструмент переносят в опущенной рукой;

Заготовка должна быть надёжно закреплена;

Во время работы разметка должна оставаться на заготовке;

Инструменты должны использоваться по назначению.

После работы:

Привести в порядок рабочее место;

Убрать инструмент;

Провести влажную уборку.

Правила техники безопасности (приложение №1)

Технологическая карта изготовления рычажных весов.

Экспериментальное задание.

Равноплечные весы.

П оложим на одну чашку равноплечих весов тело, массу которого мы хотим измерить, а на другую чашку поставим такой набор гирь (их масса известна), чтобы весы оказались в равновесии. Тогда масса тела равна массе гирь. В самом деле, так как весы находятся в равновесии, то силы, с которыми давят на чашки весов тело и гири, т. е. вес тела и вес гирь, равны между собой. Но вес тела равен

P(т)=m(т) g, а вес гирь P(г)=m(г)g.

Значит, m(т)g=m(г)g, откуда

m(т) = m(г).

Аналитические весы

С овременные конструкции весов очень разнообразны. На рисунке изображены учебные весы, позволяющие взвешивать предметы с массой от 10 мг до 200 г. Для определения массы в иных пределах используют другие весы. Например, вагоны и автомашины взвешивают на транспортных весах, рассчитанных на нагрузку до 200 т, а тела, имеющие массу порядка 1 мг и меньше,– на так называемых аналитических весах.

Пружинные весы

Н а пружинных весах. Равенство притяжения тел к Земле можно установить и по равному растяжению пружины при поочередном подвешивании к ней тел с одинаковыми массами. Используя набор эталонных тел с известными массами – гири, можно произвести градуировку пружинных весов и затем с их помощью измерить по растяжению пружины массы тел.

Опытным путем проверим действие прибора.

На одну сторону помещаем взвешиваемое тело, в другой – мензурка.

Зная массу и цену деления мензурки, мы определяем массу взвешиваемого тела: в мензурку плавно наливаем воду, до того уровня, пока плечи весов не уравновесятся. Снимаем с мензурки показания объёма и умножаем его на плотность воды. К полученному результату прибавляем массу мензурки и находим истинную массу взвешиваемого тела.

Уравновесим весы и взвесим пустую мензурку. (m_м=4г.)

2. В левую чашу помещаем взвешиваемое тело, в другую -мензурку. Наливаем воду пока плечи весов не уравновесятся. (V=10мл)

3. К полученному результату прибавляем массу мензурки и находим истинную массу взвешиваемого тела.

Дано: Решение:

m=m ₁ + m₂

V =10мл=1*10 ^-5м³m₂= ρ * V

m ₁=4г m₂=1000кг/м³*1*10 ^-5м³ =0,01кг. =10г.

m -? m =10г.+4г.=14г.

Вывод: масса взвешиваемого тела – 14г. («Вес воздуха». Приложение №2)

Экономическое и экологическое обоснование.

Экологическое обоснование.

Мое изделие является экологически безвредным, не приносящим опасных последствий здоровью человека, так как изготовлен из древесины и покрыт натуральным лаком. Технология изготовления при соблюдении техники безопасности и санитарно-гигиенических норм также является безопасной. Выполненный прибор не представляет опасности окружающей среде, так как он не выделяет вредных веществ.

Экономическое обоснование.

Проведу расчет количества денежных средств, которое мне пришлось израсходовать на изготовление изделия и проанализирую, сколько же мне пришлось бы потратить денег, если бы я покупала прибор в магазине.

Рейка, фанера, крышки алюминиевые, стрелки от часов и отвесы я взяла у папы.

ИТОГО: себестоимостьизделия составила: 225р.

Считаю, что себестоимость изготовленного мною изделия, малая, финансовые расходы небольшие, меньше, чем стоимость прибора в магазине, как минимум, в два раза.

Результаты и выводы.

Итак, изделие готово. Пришло время сделать выводы, добилась ли я ожидаемого результата. Я своими руками выполнила изделие, которое изначально спланировала. Изучив литературу, используя знания и умения, полученные на уроках технологии и физики, я изготовила прибор. Сделав расчеты, я поняла, как же это выгодно творить самостоятельно. Главное, верить в себя, в то, что обязательно все получится, что ни простую, ни сложную вещь нельзя сделать без любви к своей работе, без творческого подхода к делу. А творчество начинается с желания что-либо сделать своими руками.

Я достигла своей цели – изготовила физический прибор для кабинета физики, провела лабораторную работу и на опыте доказала, что рычажные весы, сделанные своими руками, ничем не хуже купленных в магазине.

Использованная литература

Физика, 7 класс: учебник, /А.В.Перышкин/;

Книга для чтения по физике 6-7: пособие для учащихся, /И. Г. Кириллова/;

http://elkin52.narod.ru;

http://class-fizika.narod.ru;

http://physics03.narod.ru;

http://school-collection.edu.ru

Приложение №1

Техника безопасности при работе ручным лобзиком.

Работать разрешается только исправным, подготовленным к работе инструментом. Ручка лобзика должна быть плотно насажена на хвостовик рамки, и не иметь сколов и трещин. При работе лобзиком деталь нужно плотно прижимать свободной рукой к выпиловочному столику. Пилка лобзика должна быть хорошо натянута и надёжно зажата зажимами. Зубья полотна должны быть расположены по направлению к ручке. Запрещается работать лобзиком в непосредственной близости от рук. По окончанию работ, лобзик очистить щёткой от опилок и убрать в отведённое для хранения место.

Техника безопасности при работе с напильником.

Инструмент всегда должен быть исправным и готовым к работе. Полотно напильника не должно иметь дефектов и не должно быть изношенным. Ручка инструмента не должна иметь сколов и трещин, кольцо ручки должно быть плотно насажено на своё посадочное место. При выполнении работ напильником их необходимо периодически очищать металлической щёткой. Переносить инструмент можно только в опущенной руке. Во время работ не оставлять напильник на краю верстака, а укладывать их только в лоток верстака. После окончания работ инструмент очищают от загрязнений при помощи щёток и укладывают на хранение в специально отведённые для этого места.

Техника безопасности при работе на столярном верстаке.

Работать разрешается только на исправном, подготовленном к работе верстаке. Верстак должен быть подогнан по росту учащегося, ладони рук должны свободно касаться крышки верстака. Зажимы верстака должны быть исправными. На верстаке должны находиться только необходимые для работы инструменты, они должны располагаться в лотке верстака. Следить за тем, чтобы инструменты не свисали с края верстака. Во время работы не допускать захламления верстака. После окончания работ смести опилки и стружки щёткой, и закрутить зажимы.

Правила безопасной работы шлифовальной шкуркой.

В работе используют только не надорванную, желательно новую шкурку. Нельзя сдувать пыль, образующуюся в ходе работы, очищать только щёткой. В процессе работы чтобы не поранить руки, не удерживайте шкурку руками, накручивайте её на деревянный брусок. Не проверяйте гладкость обрабатываемой поверхности руками. По окончании работ помещение нужно проветрить, и сделать влажную уборку в нём. Шкурку убрать на место хранения.

Правила безопасной работы отвёртками.

Работать разрешается только исправной отвёрткой. Ручка отвёртки не должна иметь сколов и трещин, плотно держаться на стержне. Стержень отвёртки не должен быть изогнут, рабочая часть отвёрток не должна быть изношена. По размеру, отвёртка должна соответствовать размеру шурупа. В процессе работы нельзя отвлекаться и разговаривать. По отношению к шурупу, отвёртка должна располагаться строго вертикально. Передавать отвёртку можно только вперёд ручкой. Переносят отвёртки только в опущенной руке. По окончании работы, отвёртки убирают на место хранения.

Техника безопасности при работе со столярной ножовкой.

1. Заготовку необходимо правильно и устойчиво закрепить на верстаке или столе;

2. При работе с ножовкой следует избегать рывков и следить, чтобы полотно не изгибалось;

3. Никогда нельзя направлять полотно пилы пальцем;

4. Рука, придерживающая заготовку, должна располагаться на безопасном от пилы расстоянии;

5. Для уборки стружек используют специальную щетку.

Правила техники безопасности при работе с плоскогубцами.

1. Перед работой, проверьте исправность инструмента;

2. Никогда не используйте плоскогубцы как молоток. Такие злоупотребления, скорее всего, приведут к поломке инструмента;

3. Откусывайте закаленную проволоку только плоскогубцами, предназначенными для этой цели;

4. Всегда отрезайте проволоку под прямым углом. Никогда не водите плоскогубцами из стороны в сторону и не перегибайте проволоку туда и обратно от режущих кромок;

5. При работе плоскогубцами не держите проволоку на уровне лица;

6. При работе не подставляйте пальцы левой руки (если левша – то за пальцами правой руки) между режущих кромок;

7. Передавайте инструмент товарищу ручками вперед в закрытом виде;

8. После работы кладите инструмент на место.

Требования техники безопасности при ручном сверлении древесины.

1. Правильно без перекосов и прочно закреплять сверло в патроне коловорота и дрелей;

2. Запрещается коловорот и дрели держать повернутыми сверлом к себе;

3. При сверлении отверстий не нажимать сильно на коловорот грудью или подбородком. Подачу вести легко и плавно;

4. Не допускать падения сверл на пол; сверла при заточке следует прочно закреплять в тисках;

5. Прочно закреплять обрабатываемое изделие на верстаке или на станке.

Приложение №2

Опытным путем проверим действие прибора.

Существуют ли тела, не имеющие массу? Возможно, что воздух не имеет массы?

Измерим вес воздуха на наших весах.

Уравновешиваем весы.

Находим массу шарика, наполненного воздухом. m=2,5г.

Выпустим воздух и уравновесим весы.

m=2г.

m=2,5г-2г=0,5г – масса воздуха в шарике.

Вывод: все тела состоят из молекул, молекула имеет массу, следовательно, все тела жидкие, твердые и газообразные имеют массу.