XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование движения тел в трубках с жидкостями

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Вакатов К.А. 1

---

1МБОУ СОШ №3 с УИОП БМР РТ

Мифтахова В.Р. 1

---

1МБОУ СОШ №3 с УИОП БМР РТ

Работа в формате PDF

575.2 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Меня заинтересовало движение тел в стеклянной трубке с жидкостью по двум причинам:

В о-первых: Я вместе со своей бабушкой дополнительно занимаюсь физикой. И один раз я просматривая её книги, в методической литературе по физике (А. В. Перышкин, Н. А. Родина, Х. Д. Рошовская «Преподавание физики в 6-7 классах») я обнаружил только рисунок и запись, что воздушный пузырь всплывает равномерно; стальной шарик тонет равномерно в стеклянной трубке с водой. Расчётных данных не было. Я решил проверить действительно ли это равномерное движение, что и легло в основу моей маленькой исследовательской работы.

Во-вторых: Естественное равномерное движение встречается редко: падение капель дождя, всплывание пузырьков воздуха, падение тел в жидкостях. По-моему, это все-таки относительно независимое движение, так как я не могу повлиять на это движение из вне.

2. Основная часть

По крупицам собирал материал по стеклянным трубкам. Материал разрозненный, в основном материал в рисунках. Сейчас найти такие стеклянные трубки в принципе невозможно. Я подумал, а чем можно её заменить? Обратил внимание на прозрачную силиконовую трубку, которую дед использует как водомер в большой садовой бочке. Я пришел к решению, использовать в своей работе силиконовую трубку.

Опыты я проводил в силиконовых трубках, заполненных разными жидкостями. Исследовал прямолинейное движение разных тел в этих трубках. То, с чем я работал, приведено в таблице.

Приборы и материалы: 3 силиконовые трубки, закрытые с обоих концов, пластиковый шарик и 2 металлических шарика, штатив, 2 струбцины.

Измерительные приборы: школьные весы, разновес, секундомер с сотового телефона, транспортир, рулетка, линейка.

1. Исследование движения пластикового шарика в трубке с водой.

Ц ель работы: проверить равномерность падения пластикового шарика в трубке №3 с водой.

Провел следующие измерения:

1. Диаметр шариков измерял методом рядов, с помощью линейки с ценой деления 0,1 см. Абсолютная погрешность ( )= 0,05 см

2. Массу измерял при помощи школьных весов, уравновесив при помощи песка, с точностью до 1 мгм. Внутренний диаметр трубки измерял при помощи линейки с ценой деления 0,1 см, с абсолютной погрешностью ( )= 0,05 см

3. Длину воздушного столба измерил линейкой с ценой деления 0,1 см, с абсолютной погрешностью ( )= 0,05 см

Сначала теоретически проверю, будет ли это движение равномерным. Для этого:

Рассчитаю плотность шарика по формуле ρ = m / V (г/см³)

1. Измерил массу m= 240 мг= 0,24 г =240* кг

2. Измерил диаметр методом рядов D= 0,75 см

3. Рассчитал объем

(плотность воды меньше плотности шарика следовательно шарик будет тонуть)

На шарик действуют три силы: сила тяжести (mg), сила Архимеда ( ) и сила сопротивления воды

5. Вычислил архимедову силу = 1000 кг/м * 9,8Н/кг*0,2* Н = 1,96* Н

6. Рассчитал силу тяжести, действующую на шарик *9,8 Н = 2,35* Н

При сравнении сил, оказалось, что , значит сила сопротивления воды мала, то равнодействующая сил будет равна нулю, значит движение должно быть равномерным.

Это предположение я проверил опытным путём, для чего измерил время движение шарика на расстоянии: 10 см, 20 см, 30 см и рассчитал скорость по формуле .

Относительная погрешность измерения скорости =

• Провожу опыт и измерения при вертикальном падении.

• Провожу опыт и измерения при наклонном движении под углом .

ВЫВОД: при движении по вертикали и наклонно, в пределах допустимых погрешностей, движение пластикового шарика можно считать равномерным.

2. Исследование движения воздушного пузырька в трубках разного диаметра с водой:

Ц ель работы: определить скорость движения воздушных пузырьков в трубках с водой разного диаметра №1 и №3. Выяснить, как зависит скорость движения от диаметра трубки.

1. Измерил длину воздушного столба, L= 1,5 см= 1,5* , она должны быть одинаковой в обеих трубках.

2. Рассчитал объем воздушного пузырька V=

3. Затем я приступил к изучению движения.

4. Измерил время движения пути на 20 см, 30 см и 40 см, при вертикальном подъёме пузырьков воздуха в трубках разного диаметра.

• Вертикальный подъем в трубке с D= 10 мм

  S	20 см	30 см	40 см
  t	3,55 сек	5,51 сек	7,27 сек
  	5,6 см/сек	5,4 см/сек	5,5 см/сек

• Вертикальный подъем воздуха в широкой трубке D = 12 мм

1. Рассчитал скорость движения, я пришел к выводу, что движение является равномерным, чем больше диаметр трубки, тем больше скорость движения.

2. Так как на вертикально движущийся пузырек воздуха действуют три силы: сила тяжести, архимедова сила и сила сопротивления воды, то и равнодействующая должна быть равна нулю при равномерном движении. Сила тяжести мала, поэтому можно ею пренебречь, значит сила сопротивления воды, направленная против движения, должна быть примерно равна силе Архимеда.

3. =

4. Рассчитав силу Архимеда, я определил примерно, какую силу сопротивления испытывает пузырек воздуха при движении в воде

5. Вывод: Я определил скорость движения воздушного пузырька в трубке №1. В пределах допустимых погрешностей скорость одна и таже. Значит движение в этой трубке равномерное. Затем определил скорость движения пузырька в трубке №3. В пределах допустимых погрешностей она одна и таже, но больше по значению, чем в трубке №1. Движение в ней также является равномерным. Значит, чем больше диаметр трубки, тем больше скорость равномерного подъёма воздушного пузырька. Кроме этого, я определил какую примерно силу сопротивления испытывает пузырек воздуха при движении в воде.

3. Исследование движения металлического шарика в трубках равного диаметра, но с разной жидкостью.

Цель работы: определение скорости движения стального шарика в трубке с водой №1 и в трубке с глицерином №2 при вертикальном движении и движении наклонном. Сравнение этих скоростей.

Порядок выполнения работы:

1. Определил диаметр шарика методом рядов

2. Рассчитал объем шарика по формуле

3. И змерил массу шарика

4. Определил плотность ( ) шарика по формуле

5. Рассчитал силу тяжести по формуле mg

6. Рассчитал силу Архимеда по формуле

7. Сравнил силу тяжести и силу Архимеда

1. Диаметр измерил методом рядов:

Измерил длину ряда=2,4 см

Количество шариков= 5

* м

1. Уравновесил школьные весы песком кг

2. Определил объем шарика = 57,9 * м

На движущийся шарик действуют три силы: сила Архимеда, сила тяжести и сила сопротивления воды. Силу тяжести и силу Архимеда я могу рассчитать.

3. Затем по формуле определил плотность шарика

= шарик стальной

4. Рассчитаем силу тяжести и силу Архимеда:

5. Сравним во сколько раз сила тяжести больше силы Архимеда:

Теоретически =7,8 (раз)

Из расчетных данных = =7,76 (раз)

Рассчитав силу тяжести, силу Архимеда, я обнаружил, что разница между ними в 7,8 раз. Если считать, что движение равномерное, то сила сопротивления должна быть примерно равна разнице этих двух сил. Падение стального шарика происходит очень быстро, измерить время падения на 10 см, 20 см и 30 см на удаётся. Я попробовал замерить время движения на всем пути и рассчитал примерную скорость.

Утверждать, что это движение равномерное я не могу.

Я попробовал замерить скорость движения металлического шарика под углом близким к горизонту.

к вертикали

Скорость шарика в пределах допустимой погрешности постоянна, значит это движение является равномерным.

В указанной литературе скорей всего равномерность движения металлического шарика в вертикальной трубке с водой обнаружили методом стробоскопического фотографирования, который позволяет с большей точностью измерять малые промежутки времени и фиксировать положение шарика в эти моменты. Данным методом я пока не владею.

Я просмотрел много литературы по физике и обнаружил, что воду в трубке можно заменить другой жидкостью, к примеру маслом или глицерином. Я заглянул в справочник по физике, из которого взял данные по свойствам этих жидкостей. Я решил заменить воду на глицерин, у которого вязкость в 1500 раз больше, чем у воды, а плотность ( )=1260 (Вязкость- это свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой, связанное с молекулярным сцеплением) что и приводит к уменьшению скорости. Я заполнил трубку №2 глицерином.

1. Провожу измерения скорости движения стального шарика в трубке №2 при вертикальном положении и при наклонном положении трубки.

• Скорость движения стального шарика при вертикальном положении трубки

  S, см	10	20	30
  t, сек	1,61	3,21	4,82
  , см/сек	6,21	6,23	6,22

• Скорость движения стального шарика при наклонном положении трубки

S, см	10	20	30
t, сек	4,85	9,76	14,46
, см/сек	2,06	2,05	2,07

При сравнении скорости движения стального шарика в трубке №1 и в трубке №2, оказалось, что скорость равномерного движения уменьшилась примерно в 8 раз.

Вывод: при вертикальном падении стального шарика в трубке №2 скорость в пределах допустимой погрешности постоянна, значит движение является равномерным. При движении шарика в наклонной трубке №2 скорость также постоянна, значит движение является равномерным. Чем больше угол наклона от вертикали, тем скорость шарика меньше.

 III. ОБЩИЙ ВЫВОД

В результате своей исследовательской работы я пришёл к выводу, что движения тел при вертикальном положении трубок и наклонном положении трубок, заполненных водой и глицерином являются равномерными.

В своей исследовательской работе по изучению движения тел я внес следующие изменения:

1. Изучив много литературы по физике, я систематизировал материал по стеклянным трубкам.

2. Стеклянную трубку длиной 1 метр заменил на силиконовые, которые более безопасные и удобные, относительно недорогие, имеющиеся в продаже, причём различного диаметра.

3. Исследовал движение разных тел:

1. Движение воздушного пузыря, в трубках с водой разного диаметра

2. Движение одинаковых стальных шариков, в трубках одинакового диаметра, но заполненные водой и глицерином, при вертикальном и наклонном положении трубок.

3. Движение пластикового шарика в трубке с водой при вертикальном движении и движении под углом.

4. Пришел к выводу, что все эти движения в пределах допустимых погрешностей являются равномерными.

5. В результате выполнения своей исследовательской работе я приобрел новые умения и навыки обращения с приборами, измерения величин.

6. Приобрел большой опыт в работе с литературой.

7. Мне нравиться участвовать в исследовательских работах, я и в дальнейшем буду принимать участие в таких работах.

4. Область применения

Я думаю, что движение тел в трубке с жидкостью можно использовать при изучении равномерного движения в школе как демонстрационный эксперимент, для проведения фронтальных работ, в качестве домашнего эксперимента и для детей учащихся на домашнем обучении. А также данный эксперимент можно использовать для составления физических задач на равномерное движение.

С ейчас много говорят об энергетическом кризисе. Планета уже не в состоянии прокормить население земли, кроме того, она перенаселена. Нужны новые источники энергии, полезные ископаемые, биоресурсы. Земля истощена в результате человеческой деятельности. На земле ведутся войны ради новых источников энергии. Я думаю, это не выход из создавшейся ситуации. Человек должен обживать новые пространства, то есть переселяться, а не перекраивать границы государств. Переселение людей возможно в космос, к новым источникам энергии, либо переселение в водную среду, ведь около 2/3 поверхности планеты покрыта водой. А почему бы её не заселить? Научные исследования ведутся в этой области. Проводя исследования в своей работе, я пришел к мысли, что можно использовать трубу, заполненную водой, как лифт-поплавок. Давление воды на трубу, снаружи и изнутри будет одинаковое, при этом оно будет увеличиваться с глубиной. Кабина лифта должна быть из особо прочного материала, так как давление воды её может раздавить. Этот лифт можно использовать как грузовой, так и пассажирский (для исследования морских глубин, туризма). Достоинства такого лифта состоит в равномерности движения кабины без подъемного двигателя. Компрессор нужен только в начале движения.

Также я могу предложить идею индивидуального дома-поплавка, который перемещается, как тело в трубке с водой, с одной лишь разницей, что его движение не ограничено стенками трубы. Допустим, что на поверхности воды штормит, волны, высотой в несколько этажей, автоматическая система определила начало шторма и включила компрессор на погружение. Я думаю, возможны поселения из

в ысотных домов поплавков, у которого часть находится над поверхностью воды, а часть под водой. Подъем и спуск людей можно осуществлять при помощи боковых труб-лифтов.

Вот к таким размышлениям привела моя исследовательская работа. Я не К. И. Циолковский, который мечтал о полетах в космос, космических кораблях и космических поселениях. Я думаю, что мои мечты и мечты таких как я, когда ни будь, начнут претворяться в жизнь.

5. Список литературы:

1. Методика преподавания физики в 6-7 классах средней школы, под редакцией В. П. Орехова и А. В. Усовой, М., «Просвещение», 1976

2. А. В. Перышкин, Н. А. Родина, Х. Д. Рошовская. Преподавание физики в 6-7 классах средней школы, М., «Просвещение», 1974

3. А. С. Енохович. Краткий справочник по физике.

4. И. Г. Антипин. Экспериментальные задачи по физике в 6-7 классах. Пособие для учителей. М., «Просвещение», 1974

5. П. А. Знаменский и др. Сборник вопросов и задач по физике для 8-10 классов средней школы. М., 1960

6. В. А. Буров, А. И. Иванов, В. И. Свиридов. Фронтальные экспериментальные задания по физике 8 класс. Под редакцией В. А. Бурова. М., «Просвещение», 1985