XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Загадки электричества
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Научно-исследовательская работа
Физика
Загадки электричества
Выполнил:
Шафеев Ринат Маратович,
обучающийся 6 класса
Государственного бюджетного общеобразовательного
учреждения «Специализированная физико-
математическая школа №35 г. о. Донецк»
Донецкой Народной Республики
Руководитель:
Кучеренко Маргарита Васильевна
учитель физики
Государственного бюджетного общеобразовательного
учреждения «Специализированная физико-
математическая школа №35 г. о. Донецк»
Донецкой Народной Республики
Оглавление
|
3 |
|
|
|
4 |
|
4 |
|
5 |
|
7 |
|
11 |
3. Заключение |
14 |
4.Список использованных источников и литературы |
15 |
5. Приложения |
16 |
Введение
Каждый день мы используем электрические устройства — от лампочек до компьютеров и телевизоров. Все устройства и технологии, с которыми мы сталкиваемся каждый день — от мобильных телефонов до освещения в наших домах — основываются на принципах электричества. Знания о том, как электрика функционирует на уровне электризации и электрического тока, позволяют не только лучше понимать работу этих устройств, но и предлагать инновационные решения и улучшения.
Мне интересно узнать, как получить электричество. Понимание основ электричества может вдохновить меня на изучение инженерии или физики в будущем.
Целями моего проекта стали: изучение основных понятий, связанные с электризацией и электричеством; понимание процесса электризации; приведение личного примера практического применения электричества.
Для достижения поставленных целей мною решались следующие задачи:
Собрать информацию о том, что такое электризация и электричество.
Провести эксперименты для наблюдения явлений электризации.
Научиться отличать статическое электричество от динамического.
Сконструировать простейший источник тока и электронную открытку.
Гипотеза: проявление эффектов электризации (притяжение лёгких предметов, возникновение искр, удержание бумажных кусочков) зависит от некоторых факторов — материала предмета, способа электризации; источник электрического тока можно получить в домашних условиях и использовать.
Объектом исследования являются явление электризации и электрический ток. А предметом исследования являются методы электризации тел и их практическое применение в жизни.
Методы исследования: изучение литературы и интернет-ресурсов, анализ, проведение экспериментов, их пояснение и обобщение, конструирование.
Основная часть
Обзор научной и популярной литературы по темам «Электризация», «Электрический ток»
Исторические сведения об электричестве
Неправильно считать, что электричество было открыто одним конкретным ученым. Это явление изучалось еще в древности, когда люди наблюдали за природой и её свойствами. На протяжении многих веков выдающиеся умы трудились над пониманием сущности электричества.
Первые упоминания об электричестве относятся к античному математику Фалесу, который заметил, что при трении меха о янтарь на материале появляются притягивающие силы. Это и есть то, что мы сегодня знаем как статическое электричество. [1]
Существует легенда, когда дочь Фалеса во время рукоделия, уронив янтарное веретено в воду, начала обтирать его шерстяным куском своей одежды, заметила, что к веретену пристало несколько ворсинок. Думая, что они прилипли, еще сильнее начала тереть. Что в итоге? Ворсинок еще больше налипло. Отец и пояснил дочери, что вся причина в веществе, из которого сделано веретено.
Древние греки любили украшения из янтаря, который в переводе с греческого обозначает «электрон». Отсюда и произошло слово «электричество». [2]
Появление термина "electricity" в английском языке связано с работами Уильяма Гилберта, который в 1600 году объяснил эксперименты Фалеса, введя понятие электрической силы.
Позже французский ученый Шарль Франсуа Дюфе открыл два типа электричества, которые мы сейчас идентифицируем как положительный и отрицательный заряды. Он продемонстрировал, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а заряды с разными знаками – притягиваются.
В XVIII веке значительный вклад в исследования электричества внёс Бенджамин Франклин, который экспериментально доказал, что молнии – это форма электричества.
Также важные открытия сделал итальянский физик Алессандро Вольта, который сформулировал закон ёмкости, впоследствии названный его именем.
Работы физика Андре-Мари Ампера также оказали большое влияние на развитие науки; в его честь назвали единицу измерения электрического тока — ампер.
В 1831 году Майкл Фарадей сконструировал первую электрическую динамомашину, а в 1879 году, благодаря достижениям своих предшественников, американец Томас Эдисон разработал первую практичную лампочку.
В 1882 году в Лондоне была открыта первая общественная электростанция, которая вырабатывала и распределяла электричество по домам, используя при этом постоянный ток.
Никола Тесла запатентовал систему, основанную на новом типе двигателя переменного тока, что позволило значительно удлинить расстояния передачи электроэнергии. [3]
Множество ученых, благодаря своему упорству и желанию исследовать, вносили свой вклад в понимание электричества на протяжении веков. Исследования в этой области продолжаются и сегодня, так как рост населения и повышение уровня жизни требуют поиска новых и устойчивых источников энергии.
Что такое электризация и электрический ток?
Электризация — это процесс, в ходе которого тела (объекты) становятся заряженными. Заряд может быть положительным или отрицательным. Тела могут приобретать заряд по разным причинам:
- трение: когда два различных материала трутся друг о друга, электроны могут переходить с одного материала на другой (расческа и волосы);
- соприкосновение (контакт): при соприкосновении разных тел один объект может передать часть своего заряда другому (пыль прилипает к монитору и удерживается на поверхности);
- индукция (влияние): заряд одного объекта может влиять на распределение зарядов другого объекта, даже если они не соприкасаются (к расческе после расчесывания волос притягиваются мелкие бумажки или кусочки пенопласта).
Заряженные тела между собой взаимодействуют – одноименно заряженные (имеют заряды одинакового знака) отталкиваются, а разноименные – притягиваются.
Электрическим зарядом могут обладать не только тела, но и маленькие частицы. Одной из элементарных частиц является электрон, имеющая отрицательный заряд. И «живут» электроны в атоме – непрерывно вращаются вокруг его сердцевины, которая называется ядром. Состоит ядро из элементарных частиц протонов (положительно заряженных) и нейтронов (незаряженных). Количество электронов и протонов в атоме равное количество.
Если на поверхности тела скопилось больше отрицательного заряда, то говорят – тело заряжено отрицательно. А если этих зарядов стало меньше, то – тело положительно заряженное. Если при трении, нагревании или под воздействием света электрон покидает ядро, он становится свободным. [1]
Упорядоченное движение заряженных частиц называют электрическим током. Вещества, проводящие электрический ток называются проводниками, например, металлы, вода, растворы солей и т.д.
Чтобы в проводнике существовал электрический ток, необходимо, чтобы в нем были свободные заряженные частицы, которые могут передвигаться. В металлах это электроны, в растворах – ионы (атом теряет или приобретает лишний заряд).
Существует два основных типа электричества: статическое и динамическое.
Статическое электричество возникает, когда одно тело накапливает электрический заряд, а динамическое — когда заряд движется (электрический ток).
Свободным электронам для движения необходима энергия. Где ее они берут? В домашних условиях мы используем батарейки. Энергия накапливается источниками электрического тока в результате химической реакции, происходящей внутри батарейки. На полюсах батарейки распределяются заряды, которые будут двигаться по проводам к потребителям.
Проведение экспериментов по наблюдению явления электризации
Проведем эксперименты по электризации разными видами, воспроизведя известные. [4]
Эксперимент 1.
Оборудование и материалы: воздушный шарик, волосы.
Ход эксперимента:
Надуть шарик.
Потереть его о волосы.
Медленно поднимая шарик, пронаблюдать что произойдет.
Что произойдёт: волосы начнут подниматься и «прилипать» к шарику.
Объяснение: при трении шарика о волосы часть электронов переходит на шарик, он приобретает отрицательный заряд. Волосы при этом заряжаются положительно и притягиваются к шарику (свойство взаимодействия разноименных зарядов).
Эксперимент 2.
Оборудование и материалы: два надутых воздушных шарика, шерстяная ткань.
Ход эксперимента:
Потереть оба шарика о шерстяную ткань.
Поднести их друг к другу. Наблюдаем происходящее.
Что произойдёт: шары будут отталкиваться.
Объяснение: оба шарика получили отрицательный заряд при трении о шерсть, а одноимённые заряды отталкиваются (свойство взаимодействия одноименных зарядов).
Эксперимент 3.
Оборудование и материалы: пакет-майка, скотч, воздушный шарик, ножницы, шерстяная или меховая вещь.
Ход эксперимента:
Вырезать из пакета полоску длиной 30 см и шириной 5 см.
Сложить её вдвое и склейте свободные края скотчем.
Свернуть полоску пополам и сделать надрезы, не дорезая до середины.
Надуть шарик, завязать его.
Потереть шарик и бахрому из пакета (паучок) о шерсть или мех.
Подкинуть паучка в воздух и снизу поднести к ней заряженный шарик.
Что произойдёт: паучок начнёт парить над шариком.
Объяснение: шарик и паучок получили отрицательный заряд при трении о мех. Предметы с одинаковым зарядом отталкиваются, поэтому паучок «парит» над шариком.
Эксперимент 4.
Оборудование и материалы: чайная ложка молотого перца, чайная ложка соли, бумажное полотенце, воздушный шарик, шерстяной свитер.
Ход эксперимента:
Высыпать на бумажное полотенце смесь соли и перца.
Надуть шарик, потереть его о шерстяной свитер.
Поднести шарик к смеси.
Что произойдёт: перец прилипнет к шарику, а соль останется на столе.
Объяснение: перец — лёгкий материал, и его частицы могут получить заряд. Когда к смеси поднесли отрицательно заряженный шарик, электроны в перце сместились, и ближайшая к шарику часть перчинок приобрела положительный заряд. Соль не притягивается к шарику, так как в ней электроны перемещаются плохо, и её заряд не меняется.
Эксперимент 5.
Оборудование и материалы: пластмассовая ученическая линейка; шерстяная ткань; тонкая бумага; ножницы; скотч.
Ход эксперимента:
Нарисовать на бумаге маленьких человечков высотой 2-3 см, с ручками и ножками.
Вырезать фигурки.
Разложить бумажных человечков на ровной и гладкой поверхности стола. Приклеить их за ножки к столу.
Энергично потереть линейку о шерстяную ткань в течение 10-15 с.
Поднести наэлектризованную линейку к бумажным человечкам, не касаясь их. Медленно перемещать линейку над человечками. Наблюдать происходящее.
Объяснение: при трении о шерсть линейка приобретет отрицательный заряд за счет перетекания электронов с шерстяной ткани на линейку. Линейка зарядится отрицательно. Когда поднести ее к нейтральным бумажным человечкам происходит электростатическая индукция (электризация через влияние):
- электроны на бумаге отталкиваются от отрицательно заряженной линейки и смещаются в противоположную сторону фигурки;
- ближайшая сторона человечка приобретает положительный заряд (из-за недостатка электронов).
Разноименные заряды притягиваются: положительно заряженная часть человечка притягивается отрицательно заряженной линейке. Бумага очень легкая, поэтому даже слабого электростатического притяжения достаточно, чтобы притянуть человечков.
Эксперимент 6.
Оборудование и материалы: воздушный шарик; кран с водой; шерстяная ткань или свитер.
Ход эксперимента
Надуть шарик и закрыть его, чтобы воздух не выходил.
Взять шерстяную ткань и несколько раз потереть шарик. Это поможет наэлектризовать шарик — он начнет накапливать электрические заряды.
Открыть кран и настроить струю на тонкую линию.
Поднести наэлектризованный шарик к струе воды, так, чтобы он не касался воды. примерно 5-10 см от струи. Наблюдать.
Что наблюдем: струя воды начинает искривляться и двигаться в сторону шарика.
Объяснение: когда потереть шарик о шерсть, на его поверхности накапливаются отрицательные заряды. Шарик становится отрицательно заряженным. Струя воды состоит из молекул, которые в обычном состоянии не заряжены. Но поднести к ним наэлектризованный шарик, молекулы воды начинают «реагировать». Они могут слегка изменять своё расположение: одна сторона молекулы становится более положительной, а другая — отрицательной. Наэлектризованный шарик притягивает положительные частицы в молекулах воды, и поэтому струя воды начинает искривляться и двигаться в его сторону.
Электризация – это только первый шаг в мире электричества. Если мы хотим, чтобы электрический заряд начал двигаться, нам нужен электрический ток. Это потоп электронов, который течет по проводнику. Чтобы электризация превратилась в электрический ток, необходимо создать условия для движения заряженных частиц. Это достигается с помощью источников тока, таких как батарейки или генераторы, которые создают разность потенциалов.
Электрический ток может течь не только через провода, но и через растворы. Это явление происходит благодаря наличию в растворе ионов, которые могут переносить электрический заряд. Такой процесс называется электролизом, и он имеет большое значение как в природе, так и в промышленности.
Эксперимент 7. Проверить какие растворы проводят электрический ток.
Оборудование и материалы: источник постоянного тока; соединительные провода, лампочка на подставке; электроды, сосуд с очищенной водой; сосуд с насыщенным раствором соли; сосуд с раствором медного купороса.
Ход эксперимента
Собрать электрическую цепь из источника тока, лампочки и электродов, опущенных в сосуд, поочередно меняющейся жидкостью.
При замыкании электрической цепи наблюдать за горением лампочки.
Что наблюдали: при погружении электродов в растворы соли и медного купороса лампочка загорелась. При погружении в очищенную воду – лампочка не горела.
Вывод: Жидкость проводит ток, когда в ней есть свободные ионы (заряженные частицы): растворы солей – проводники электричества. Очищенная вода не проводят ток, она диэлектрик.
Конструирование простейшего источника тока и электронной открытки
Электрическую энергию накапливает источник тока, потребитель (различные устройства, работающие от электричества) ее расходует. Между собой они соединены проводами. Все вместе они составляют электрическую цепь.
Конструкторское задание 1. Получить простейший источник из овощей.
Оборудование и материалы: сырой картофель 1 шт., лимон; цинковый и медный электроды (монеты, гвозди), светодиод 3В, соединительные провода.
Порядок работы
Взять чисты свежий сырой картофель (в нем много сока, который содержит кислоту для химических процессов, как в батарейке).
Два электрода из разного металла вставить в картофель. Медный электрод имеет положительный полюс, цинковый – отрицательный.
Соединить последовательно картофель, электроды и светодиод проводами особым способом: медный электрод соединить с длинным выводом светодиода (положительный контакт), а короткий вывод с цинковым электродом (отрицательный контакт). Важно: если подключить неправильно, светодиод не загорится.
Если не горит светодиод при соблюдении всех правил подключения, необходимо увеличить силу тока путем параллельного подключения картофелины и лимона. Источник тока готов (см. приложение 8). Но получена экспериментальная установка низкой мощности. Такой способ не подходит для питания серьезных устройств.
На занятии школьного кружка «Лаборатория занимательных исследований и изобретений» к празднику Нового года изготовили электронную открытку и поделились мастерством со своими друзьями из ГБОУ «Краснолучская школа № 8 имени героя советского союза В.П. Погорелова» Луганской Народной Республики на телемосте https://vk.com/wall-161272238_3217
С целью укрепления национального единства, мира и согласия между представителями разных этносов, проживающими в стране, этот год 2026 объявлен Годом единства народов России. Поэтому, было решено сконструировать электронную открытку, посвященную именно этому. Но в качестве источника была взята батарейка, которая широко используется в миниатюрной электронике благодаря компактным размерам, длительному сроку службы и стабильным характеристикам.
Конструкторское задание 2. Сконструировать электронную открытку к Году единства народов России.
Оборудование и материалы: бумага А3, ножницы, токопроводящая лента, батарейка CR2032 3В, светодиоды разного цвета. Фигурки человечков в национальных костюмах; карандаши, клей.
Порядок выполнения
Свернуть лист бумаги, получим горизонтальную заготовку открытки.
На титульной стороне открытки наклеить карту России. Расставить и закрепить человечков вокруг карты.
На внутренней стороне открытки простым карандашом начертить схему электрической цепи – где будем прокладывать соединительные провода от светодиодов к батарейке, т.е. рисуем принципиальную схему (рис. 1). Расположение схемы синхронизируется с рисунком на внешней стороне открытки.
Рисунок 1. Принципиальная схема
Проложить по линиям токопроводящую ленту.
На титульной стороне проделать отверстия для светодиодов, чтобы в этих местах на внутренней стороне закрепить к ленте светодиоды.
Контакты светодиодов приклеить скотчем поверх токопроводящей ленты.
К полоске ленты, идущей от «-» светодиода, приклеить батарейку минусом вниз.
На обратной стороне титульного листа приклеить кусок токопроводящей ленты так, чтобы, когда открытка закрывается, он замыкал цепь. При этом соединении светодиод начнет светиться. [5]
На внутренней стороне рядом с электрической цепью приклеить лист с текстом:
Народное единство — наша сила!
Сила народа — в его сплочённости,
а сила страны — в единстве её граждан.
Давайте же вместе создавать атмосферу
взаимопонимания и поддержки,
помогать друг другу
и стремиться к общему благополучию.
Вместе мы сможем преодолеть любые трудности
и достичь новых высот! (см. приложении 9)
На титульной стороне открытки приклеить «Единство и сила»
Просмотров работы: 18