VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Что такое умные игрушки из подручного материала или вторая жизнь компакт- дисков
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность.
Технический прогресс движется с неумолимой скоростью, еще совсем недавно СД диски считались одним из самых востребованных и ходовых устройств для сохранения и передачи информации. На сегодняшний день осталось очень немного сфер, где они используются и поэтому огромное количество дисков остались просто не востребованы. В своей работе мы хотели исследовать, как их можно использовать для изготовления умных игрушек по физике.
Что такое умные игрушки? Игрушка для ребенка – инструмент познания окружающего мира. С помощью умных игрушек очень доступно, просто, наглядно можно объяснить разные физические явления и законы, а самое главное повысить интерес учащихся к предмету.
Цель: Изучить и создать умные игрушки из компакт - дисков для наглядного изучения физики.
Задачи:
Изучить характеристику умных игрушек по физике.
Провести эксперимент по изготовлению и демонстрации умной игрушки-Маятника Максвелла.
Провести эксперимент по изготовлению и демонстрации умной игрушки- оптического гироскопа.
Провести эксперимент по изготовлению и демонстрации умной игрушки- йо-йо.
Сделать выводы и рекомендации.
Методы исследования:
Поиск информации
Анализ информации
Эксперимент
Описание
Объект исследования: умные игрушки.
Предмет исследования: умные игрушки из подручного материала.
Гипотеза: мы предполагаем, что с помощью умных игрушек изучение физики будет более эффективным и наглядным для детей, что будет способствовать повышению интереса к данной науке.
Глава 1. Характеристика умных игрушек по физики
Маятник Максвелла.
Маятник Максвелла представляет собой массивный диск, ось которого подвешена на двух накрученных на нее нитях (рис. 1). При наматывании нитей на маятник, маятник поднимается вверх. Если маятник отпустить, то он будет совершать возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости при одновременном вращении диска маятника вокруг горизонтальной оси [1].
Рис. 1. Маятник Максвелла Рис. 2. Игрушка йо-йо
Действие прибора основано на одном из основных законов механики - законе сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы, на которую действуют только консервативные силы, постоянна. Под действием силы тяжести маятник совершает колебания в вертикальном направлении и вместе с тем крутильные колебания вокруг своей оси. Пренебрегая силами трения, систему можно считать консервативной. Закрутив нити, мы поднимаем маятник на высоту h, сообщив ему запас потенциальной энергии. При освобождении маятника он начинает движение под действием силы тяжести: поступательное вниз и вращательное вокруг своей оси. При этом потенциальная энергия переходит в кинетическую. Опустившись в крайнее нижнее положение, маятник будет по инерции вращаться в том же направлении, нити намотаются на ось и маятник поднимется. Так происходят колебания маятника [2].
Игрушка йо-йо.
Всем известна игрушка под названием Йо-йо. С помощью неё многие выполняют разные эффектные трюки. Первое определение Йо-йо — игрушка из двух одинаковых по размеру и весу дисков, скрепленных осью с привязанной к ней верёвкой (рис.2). Это определение самого древнего варианта игрушки, который можно встретить и по сей день. Нам стало интересно, на чём основана её работа. Оказалось, что Йо-йо этого типа работает по принципу маятника Максвелла, оно раскручивается по верёвке и возвращается обратно и так, пока не остановится [3].
По материалам корпуса йо-йо делятся на 3 типа:
Пластиковые йо-йо
Композитные йо-йо (металл + пластик). Корпус этих йо-йо состоит из комбинации алюминия и пластика.
Металлические йо-йо. Корпус этих йо-йо состоит из алюминиевого сплава, что делает йо-йо прочным и увеличивает время вращения на конце веревки.
Конструкция йо-йо:
Подшипник — основная часть йо-йо. Именно за счет него йо-йо приобретает способность вращаться на конце веревки. Более продвинутый вариант подшипника — подшипник с канавкой (Grooved bearing). За счет канавки веревка центруется при вращении и не трется о боковые стенки, что способствует более долгому вращению и более чистому исполнению трюков. Чтобы подшипник прослужил дольше, за ним необходимо тщательно ухаживать.
Тормозная система необходима для возвращения йо-йо в руку. «Тормоза» представляют собой два диска, вставленных в углубления вокруг подшипника, либо насечками на половинках йо-йо. Тормоза у всех йо-йо долговечны и требуют замены крайне редко.
Веревка для йо-йо — специально скрученная веревка для игры с йо-йо. Во время игры веревка изнашивается и перетирается и ее необходимо регулярно менять. Веревки для йо-йо изготавливаются из хлопка или полиэстера. Полиэстровые веревки намного прочнее своих хлопковых собратьев и дольше служат. Рекомендуется своевременно менять веревки, не допуская их полного износа, так как старая веревка может легко порваться [4].
Оптический гироскоп.
Гироско́п (от др.-греч. γῦρος «круг» + σκοπέω «смотрю») — устройство, способное реагировать на изменение углов ориентации тела, на котором оно установлено, относительно инерциальной системы отсчета. Простейший пример гироскопа — юла (волчок)[5].
Волчо́к — игрушка (и не только), которая, в общем случае, во время вращения сохраняет устойчивость на одной точке опоры.
Быстро вращающийся волчок не падает (закон сохранения момента импульса препятствует падению), но постепенно из-за трения угловая скорость собственного вращения уменьшается. Когда скорость вращения становится недостаточно большой, ось волчка начинает спиралеобразно отклоняться от вертикали (прецессировать, рис.3.), и в конце концов волчок прекращает вращение и падает.
Рис. 3. Прецессия волчка
Волчок — это простейший пример гироскопа, являющегося важнейшим элементом целого ряда навигационных приборов[6].
Оптические эффекты - группа физических эффектов и явлений, связанных с взаимодействием света и вещества, а также с особенностями человеческого зрения [7].
Глава 2. Эксперимент по изготовлению и демонстрации умной игрушки-Маятника Максвелла
Для эксперимента нам понадобилось (рис.4):
Два листа картона, формата А4
Один компакт- диск
Тонкая веревка, длиной около 1.5 м
Широкий скотч, ножницы, суперклей,
Клей- карандаш,
Линейка, карандаш простой.
Рис. 4. Необходимый материал
Ход эксперимента. В самом начале, мы взяли один лист картона и с помощью карандаша (можно применить ручку) закрутили его в трубочку. Это будет нашей верхней опорой для маятника (рис. 5).
Рис.5 Верхняя опора Рис. 6. Нижняя опора с диском
Далее, мы закрутили точно такую же трубочку для нижней опоры, но нижняя должна быть такого диаметра, какой диаметр отверстия у компакт диска. Далее мы просунули трубочку в это отверстие ровно посередине и зафиксировали с помощью суперклея, а края трубочки (и верхней и нижней) скрепили с помощью широкого скотча (рис.6). Затем, мы привязали тонкие веревочки одинаковой длины (по 70 см) к концам верхней и нижней опоры, вымерили после этого еще раз одинаковую длину и закрепили с помощью скотча (рис. 7).
Рис. 7. Закрепление веревки Рис.8. Маятник Максвелла в действии.
Демонстрация игрушки в действии показала, что маятник совершает колебательные движения вверх и вниз и мы можем наблюдать закон сохранения энергии в действии. (рис. 8). Потенциальная энергия переходит в кинетическую, а затем обратно в потенциальную. Самое главное условие, чтобы получился данный маятник: веревочки должны быть одинаковой длины и размещаться на одинаковом расстоянии от края верхней и нижней опоры, а также, чтоб диск был зафиксирован строго посередине опоры.
Глава 3. Эксперимент по изготовлению и демонстрации умной игрушки - оптического гироскопа
Для эксперимента нам понадобилось (рис.9):
Шаблоны для оптического эффекта
Лист картона
Один компакт- диск
Шарик для декорирования интерьера
Крышка от пластиковой бутылки
Ножницы,
Супер - клей,
Клей- карандаш.
Рис. 9. Необходимый материал
Ход эксперимента. В начале, мы взяли оптические шаблоны выбрали один, вырезали, сделали отверстие под диск и приклеили шаблон к диску (рис. 10). Шаблоны можно заготовить самим, а можно взять готовые с сайта Тавика. На данном сайте есть различные заготовки для оптического эффекта.
Рис. 10. Оформление диска. Рис. 11. Приклеивание шарика.
Затем взяли шарик для декорирования интерьера и с помощью супер - клея приклеили его с нижней стороны диска (рис.11). Далее, мы взяли крышку от пластиковой бутылки и с помощью суперклея приклеили ее с верней стороны диска, строго посередине компакт- диска. Оптический гироскоп готов. С помощь данной игрушки можно демонстрировать закон сохранения момента импульса и оптические законы.
Рис. 12. Демонстрация оптического эффекта.
Запуская волчки, мы видим, как при быстром вращении фигуры сливаются. (рис. 12.). Например, нарисованный треугольник или квадрат превращается в круг Это демонстрирует неспособность нашего глаза "ухватить" быструю смену картинки. На этом основан эффект анимации, применяемый для создания кино и мультфильмов. Также, с помощью разноцветных вращающихся кругов можно увидеть слияние цветов. Части круга, окрашенные по-разному, во время вращения сливаются, и наш глаз фиксирует это как новый цвет. Желтый и синий дают зеленый, красный и синий - фиолетовый, красный и желтый - оранжевый и т.д. Окраска зависит не только от цветов исходных частей, но и от их расположения: окрашенные половинки дают не совсем такой же цвет, как окрашенные в эти же цвета четвертинки [8].
Глава 4. Эксперимент по изготовлению и демонстрации умной игрушки- йо-йо
Для эксперимента нам понадобилось (рис. 13):
Пол листа картона
Два компакт- диска
Тонкая веревка длиной около 1 метра
Ножницы,
Супер - клей,
Клей- карандаш,
Простой карандаш,
Линейка.
Рис. 13. Необходимый материал
Ход эксперимента. Вначале, мы взяли лист картона, отмерили от него полоску 5 см и отрезали. Затем, отмерили от края полоски 1 см, строго посередине сделали дырочку и продели в нее веревочку длиной около 1 м. Один край веревки завязали и приклеили к данной полоске картона с помощью супер - клея, а на другом сделали петлю (рис. 14). Далее, мы закрутили эту полоску картона в трубочку. Диаметр данной трубочки должен быть, точной равной диаметру отверстия в компакт диске.
Рис. 14. Фиксация веревочки Рис. 15. Фиксация дисков по расстоянию
Затем, мы взяли два компакт диска и насадили их с двух сторон на нашу трубочку, расстояние от края до дисков должно быть 1 см (рис. 15). Для того, чтобы диски очень прочно соприкасались с картоном необходимо промазать стыки соприкосновения диска и картона суперклеем. Йо- Йо готово (рис.16).
Рис. 16. Готовый йо-йо. Рис. 17. Демонстрация йо-йо.
При демонстрации этой игрушки мы увидели в действии тот же закон сохранения энергии, что демонстрировал нам маятник Максвелла (рис.17).
Заключение
На основе проделанной работы мы сделали следующие выводы:
С помощью данных умных игрушек изучение физики будет более эффективным и наглядным для детей, что будет способствовать повышению интереса к данной науке. Наша гипотеза подтвердилась.
Все выполненные нами игрушки сделаны из использованных компакт- дисков, что не маловажно в экономическом плане.
Изучая тему «Энергия», можно продемонстрировать принцип действия маятника Максвелла, сравнив его с йо-йо; на уроке трудового обучения изготовить йо-йо из подручных материалов; на уроке физкультуры провести соревнование на тему «Кто придумает лучший трюк с йо-йо?»
Рекомендации
Результат нашей работы хотим порекомендовать широкому кругу населения, особенного у кого есть дети, не выбрасывать старые и использованные компакт- диски, а дать им «Вторую жизнь», а также всем учителям физики и технологии, применять данные игрушки для изготовления (уроки технологии) и демонстрации физических законов и явлений (уроки физики).
В перспективе, мы хотим продолжить изучать умные игрушки, для освоения физики и создать свою авторскую коллекцию умных игрушек из подручного материала.
Список источников:
https://infourok.ru/nauchnaya-rabota-po-teme-zakon-sohraneniya-energii-mayatnik-maksvella-2960374.html
http://genius.pstu.ru/file.php/1/pupils_works_2014/Sokolova_Darja.pdf
http://genius.pstu.ru/file.php/1/pupils_works_2014/Sokolova_Darja.pdf
https://ekagam.ru/text-blog/chto-takoe-jo-jo/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Гироскоп
https://ru.wikipedia.org/wiki/Волчок_(игрушка)
https://traditio.wiki/Оптические_эффекты
http://www.tavika.ru/2013/05/volchki.html