V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Демонстрация закона сохранения энергии
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Значение изучения законов сохранения энергии для мировоззрения школьника велико: они доказывают материальность мира, показывают диалектику природы в части взаимосвязи и взаимообусловленности явлений природы. При изучении данной темы развиваются политехнические умения: наблюдать, ставить эксперимент, конструировать.
Актуальность выбранной темы обусловлена противоречием между тем, что для познания теории нужен эксперимент, а промышленных приборов для иллюстрации и демонстрации закона сохранения в школе нет.
Цель: сконструировать приборы для иллюстрации закона сохранения энергии.
Задачи:
Изучить историю открытия закона сохранения энергии
Обосновать необходимость конструирования приборов.
Сконструировать и описать принцип действия приборов.
Выступить с демонстрацией приборов перед учащимися МАОУ КШ
Методы исследования:
Анализ.
Эксперимент.
Предмет исследования: закон сохранения энергии
Объект исследования: иллюстрация закона сохранения энергии в механике
Мы считаем нашим вкладом в решение увиденных нами проблем проведенную просветительскую работу среди одноклассников, проведение демонстраций, снабжение кабинета физики методическим материалом.
История открытия закона сохранения энергии
Энергия - это физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело [5].
Различают два вида механической энергии: потенциальную и кинетическую [5].
Закон сохранения энергии в механике: сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной [1].
Замкнутая система тел в механике - совокупность физических тел, у которых взаимодействия с внешними телами отсутствуют или эти воздействие этих тел скомпенсировано.
В 7-ом классе говорится о том, что явления природы обычно сопровождаются превращением одного вида энергии в другой.
Истоки открытия закона сохранения энергии можно найти в первых научных школах древней Греции. «Из ничего ничего не бывает» - так древние греки выражали идею сохранения. «Золотое правило» механики сформулировал Архимед: «Если выигрываешь в силе, то проигрываешь в расстоянии».
Герон Александрийский, живший в 1 веке нашей эры сконструировал эолипил - "шар Эола", принцип действия которого основан на превращении энергии пара в энергию движения
Рене Декарт (1596-1650 гг.) - Сформулировал закон сохранения количества движения: «Если одно тело сталкивается с другим, оно не может сообщить ему никакого другого движения, кроме того, которое потеряет во время этого столкновения, как не может отнять у него больше, чем одновременно приобрести себе».
Готфрид Лейбниц (1646-1716 гг.) - Дает свой закон – сохранения «живых сил». Под живой силой Лейбниц понимал величину mυ2 ,то есть удвоенную кинетическую энергию тела.
Томас Юнг (1773-1829 гг.) - Ввел понятие кинетической энергии. Под словом «энергия» понимал «способность тела совершать работу вследствие приобретении скорости».
Сади Карно (1796-1832 гг.) - Впервые в его работах было упомянуто понятие потенциальной энергии, которое вошло во всеобщее употребление в середине 19 века благодаря трудам шотландского ученого Уильяма Ранкина.
..Михаил Васильевич Ломоносов (1711-1765 гг.) - В 1748 году М.В. Ломоносов писал: «встречающиеся в природе изменения происходят так, что если б к чему-либо нечто прибавилось, то это отнимается у чего-то другого…Тело, своим толчком побуждает другое к движению, столько же теряет от своего движения сколько сообщает другому, им двинутому».
В середине 19 века немецким врачом и физиологом Р. Майером, английским физиком Дж. Джоулем и немецким врачом и естествоиспытателем Г. Гельмгольцем примерно в одно и тоже время был установлен закон сохранения и превращения энергии как всеобщий закон природы
Закон сохранения энергии - один из самых основных законов природы. Это не только физический закон. Он применим:
В астрономии (для расчета движения планет и звезд);
В космонавтике (для расчета движения космических кораблей и спутников);
В технике (для расчета движения и работы различных машин и механизмов);
В химии (для расчета энергии химической реакции, энергии ионных связей);
В биологии (превращение энергии в биосфере)и т.д. [4]
2. Зачем нужно демонстрировать эксперименты по физике.
Эксперимент является источником познания и критерием истинности любой теории, поэтому он должен лежать в основе изучения и механики. Опыты иллюстративного характера имеют обучающее значение. Для этих опытов промышленность выпускает специальные приборы по механике для демонстрации и лабораторных работ.
В нашем кабинете есть два прибора для демонстрации по теме «Законы сохранения в механике»: маятник Максвелла и прибор для демонстрации закона сохранения импульса. Приборы сконструированы и описаны кадетами нашей школы в 2016 году [3]. Однако, как отметил В.Я. Синенко, «проблема изготовления самодельного физического оборудования должна решаться не только в связи с дефицитом, недоступностью заводских приборов и приспособлений. В большей степени это важно для развития творчества и формирования практических умений у детей. Современные подручные материалы позволяют создать ряд неплохих приборов и установок по физике (различные пластиковые емкости с герметично завинчивающейся пробкой, громадное разнообразие крепежных материалов, разнообразные упаковочные материалы и т.п.)» [2].
В нашей школе учитель задает задания по желанию: например, подготовить демонстрации по теме урока. Меня привлекла тема «Превращение энергии», проанализировав учебник, интернет, я нашел заинтересовавшие меня установки и решил их изготовить.
Чтобы изготавливать приборы необходимо владеть определёнными приёмами обработки тех или иных материалов, зная не только какой, но и как надо применять инструмент. Эти знания и навыки приобретаются либо путём самостоятельных упражнений и опытов, либо, чаще всего, в процессе специального обучения на уроках технологии.
Можно выделить четыре основных раздела в требованиях к самодельным приборам:
- экономические - приборы должны иметь низкую себестоимость;
- научные - приборы должны способствовать получению научно достоверной информации;
- технические - надёжность и долговечность, совершенство конструкции, хорошая чувствительность и высокая точность;
- эстетические - форма прибора и вспомогательных принадлежностей должны быть современными, окраска рекомендуется двухцветная с целью выделения основных цветов.
В эти требования обычно включаются такие: хорошая демонстративность прибора для показа того или другого явления, доходчивость его конструкции, обеспечивающая ясное понимание взаимодействия частей прибора в минимально короткий промежуток времени, отсутствие лишних деталей; быстрая готовность прибора к действию, т. е. небольшая затрата времени для его подготовки к демонстрации; надежность прибора в отношении его прочности и стабильности даваемых результатов; численные результаты, получаемые на приборах, не должны давать больших ошибок и быть в пределах допускаемых ошибок для технических измерительных приборов; соответствие размеров его частей, так сказать, архитектурное оформление и, наконец, возможность изготовления прибора из имеющихся материалов с использованием оборудования мастерской.
3.Демонстрационные установки
3.1. «Вертушка» - прибор для демонстрации превращения механической энергии (рис.1)
Краткое описание
Для конструирования установки требуется часть удочки: ручка и катушка. К катушке с помощью клея присоединяется стержень с противовесами, на катушку наматывается нить с грузом. Нить пропускается через ушко держателя.
Рис. 1
Порядок работы с прибором и описание физического процесса
Поднятый груз обладает потенциальной энергией, когда груз опускается, его потенциальная энергия убывает, он приобретает кинетическую энергию. Нить разматывается и приводит во вращательное движение катушку удочки, с ней вращается стержень с грузами. Происходит превращение потенциальной энергии груза в кинетическую энергию поступательного движения груза и вращательного движения катушки.
3.2. Установка для изучения закона сохранения энергии (рис.2)
Краткое описание
Прибор состоит из основания, состоящего из двух опор, связанных между собой демонстрационной пластиной с листом бумаги. Вертикальная стойка находится посредине за демонстрационной пластиной и поднимается над ней на высоту пластины. В стойке проделаны отверстия для стопора (гвоздя).
Рис.2 К вертикальной пластине на нити прикреплен груз.
Порядок работы с прибором и описание физического процесса
В статическом положении на груз действуют внешние силы: сила тяжести G и силы натяжения нити N. Сумма внешних сил, действующих на груз, равна нулю.
В начале опыта отклоняют груз влево на заданную высоту, сообщая ему потенциальную энергию и отпускают. Под действием силы тяжести, груз приходит в движение и, поднимаясь вправо в крайнее положение, испытывает превращение потенциальной энергии в кинетическую, а затем опять кинетической энергии в потенциальную. Визуально наблюдаем, что в крайнем правом положении груз поднимается на ту же высоту, что и в крайнем левом положении. Передвигая ступор, можно увидеть, что груз меняет траекторию движения, но не меняет высоту поднятия. Что говорит о сохранении энергии в данном опыте.
Заключение
Мы считаем, что цели, поставленные в проекте, достигнуты. Проанализировано 5 источников литературы. Нами выбрано 2 прибора для изготовления по теме «Законы сохранения в механике». Продумана конструкция приборов с наименьшими затратами и хорошим эстетическим видом. Проведена апробация приборов на занятиях по физике в 7 классе МАОУ КШ, успешно прошло выступление на городской научно-практической конференции учащихся и студентов «Академия».
В ходе апробации приборов мы выяснили, что приборы можно использовать при демонстрации по темам «Закон сохранения энергии», включить в лабораторный практикум.
При изготовлении самодельных приборов мы совершенствовали навыки работы с простейшим инструментом, научились оценивать результаты своей работы. Кроме того, изготовление самодельных приборов побудило нас к самостоятельному получению знаний за счет более глубокого изучения принципа действия приборов.
Наблюдать за опытом проводимым учителем, интересно. Проводить его самому интереснее вдвойне. А проводить опыт с прибором, сделанным и сконструированным своими руками, вызывает очень большой интерес у всего класса.
Список источников:
Закон сохранения энергии [Электронный ресурс] // https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_сохранения_энергии (дата обращения 12.03.2018)
Синенко В. Я. Изготовление и использование самодельных приборов и приспособлений: методические рекомендации для учителей физики. Новосибирск: Изд-во НИПКиПРО, 2013.
Федоренко А.Н., Чугуй А.И. Самодельные приборы по физике (тема «Законы сохранения в механике») // Старт в науке. – 2016. – № 2. – С. 137-142;URL: http://science-start.ru/ru/article/view?id=52 (дата обращения: 03.04.2018).
Фестиваль педагогических идей «Открытый урок»[Электронный ресурс]// http://xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai/%D1%81%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D0%B8/654470/ (дата обращения 3.03.2018)
Физика. 7 класс: учебник для общеобразоват. учреждений/ Н.С. Пурышева, Н.Е. Важеевская. – М.: Дрофа, 2016.