АЛГОРИТМ ПРОВЕДЕНИЯ ДОМАШНЕГО ЭКСПЕРИМЕНТА

ДОМАШНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

РАВНОВЕСИЕ ГАЗОВ

Цель эксперимента: изучить явление равновесия газов и дать объяснение каждому опыту.

ОПЫТ 1.

Материалы: стакан, вода, груз (маленькая гайка), лист бумаги.

Процесс.

Стакан налить до половины водой;

положить в него груз;

закрыть листом бумаги и, придерживая его, перевернуть стакан вверх дном;

убрать руку от листа и держать стакан только за дно.

Несмотря на то, что изнутри на бумагу давят воздух, вода и груз, она не отрывается. Почему?

(Ответ. Под тяжестью воды и груза бумага слегка прогибается, объем воздуха увеличивается, и его давление становится меньше атмосферного и поэтому внешнее атмосферное давление может уравновесить давление содержимого стакана.)

ОПЫТ 2.

Материалы: чайный стакан, плотная промокательная бумага, кусок оконного стекла, вода.

Процесс.

Чайный стакан наполнить до половины водой;

закрыть куском плотной промокательной бумаги;

сверху еще куском оконного стекла;

придерживая стекло рукой, перевернуть стакан вверх дном;

затем возвратить в прежнее положение;

удерживая стекло рукой, убедиться, что стакан плотно прилип к нему и не падает.

Почему?

(Ответ. Промокательная бумага впитывает часть воды, вследствие этого давление внутри стакана будет меньше атмосферного и поэтому внешнее атмосферное давление прижимает кусок стекла к краям стакана.)

ОПЫТ 3.

Материалы: резиновая подушка (спасательный круг), квадратная фанера, трубка.

Процесс.

На резиновую подушку (спасательный круг) положите фанеру;

пусть один из участников опыта сядет на нее.

Можно ли, вдувая ртом воздух в подводящую трубку, поднять человека, сидящего на фанере? Ответ проверить опытом.

(Ответ. Да. Человек с помощью легких может создать избыточное давление в 150-200 мм рт. ст. Используя это давление, можно получить силу давления, равную весу человека.)

ОПЫТ 4.

Материалы: бутылка с широким горлышком (из-под молока), кусочек бумаги, спички, круто сваренное и очищенное яйцо.

Процесс.

В бутылку опустить зажженную бумажку;

быстро закрыть горлышко яйцом.

Яйцо постепенно втягивается и проваливается в бутылку. Почему?

(Ответ. Пламя нагревает воздух в бутылке, и часть его выходит наружу. Когда бутылку закрывают яйцом, воздух в ней охлаждается, давление его падает и внешнее атмосферное давление загоняет яйцо в бутылку.)

ЗАДАЧА. Тело неправильной формы подвешено на динамометре (рис. А). После того, как тело полностью опустили в воду, показания динамометра изменились (рис. Б). Определите плотность материала тела.

РЕКОНСТРУКЦИЯ УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ.

1 этап.

Установление отношения к объекту как некоторой целостности, определение сути представленного.

Рассмотрев все рисунки, приходим к выводу, сто здесь изображены приборы для определения плотности материала.

2 этап.

Рассечение целостности на элементы.

Приступая к решению задачи, поэтапно изучаем все рисунки, которые ее иллюстрируют:

На рис. а изображен динамометр с подвешенным к нему телом неправильной формы.

Разберемся, что это за прибор.

Динамометр - прибор для измерения силы.

Он состоит из пружины с двумя крючками, укрепленной на дощечке. К нижнему концу пружины прикреплен указатель, на дощечке нанесена шкала.

Цена деления динамометра - 0,2 Н.

Цена деления динамометра - это деление соответствующее 0,2 Н (расстояние между двумя ближайшими штрихами).

Для того чтобы определить цену деления, необходимо: 1) найти два ближайших штриха шкалы, возле которых написаны значения величины; 2) вычесть из большего значения меньшее и полученное число разделить на число делений, находящихся между ними.

На рис. б изображен динамометр с подвешенным к нему телом неправильной формы после того, как его полностью опустили в воду.

3 этап.

Поиск связей между элементами, как видимых, так и сущностных.

Рисунки а и б связаны:

На рис. а динамометр показывает силу тяжести, действующую на тело, на рис. б разность силы тяжести и силы Архимеда.

4 этап.

Определение функции особого элемента, т.е. установление механизма внесения изменений в процесс.

Устанавливаем механизм изменений:

На рис. а на тело действует сила тяжести и сила упругости (равны по модулю и противоположно направлены).

На рис. б помимо сил тяжести и упругости на тело действует сила Архимеда. Следовательно, вес тела в воде уменьшился на силу равную разности силы тяжести и силы Архимеда.

5 этап.

Выявление связей между элементами.

На рис. а показания динамометра F1= 1,6Н. Это показания силы тяжести.

Fт=F1=mg=pтVтg. (1)

На рис. б показания динамометра F2= 1,4Н. Это показания равнодействующей силы, учитывающей действие силы тяжести и силы Архимеда на тело (разность этих сил).

Формула силы Архимеда: FА=pжgVт.

Получим формулу для F2: F2=F1-FA=pтVтg - pжVтg. (2)

Зная формулы (1) и (2) можно определить плотность материала тела.

6 этап.

Восстановление целостности объекта на качественно другом уровне.

Плотность материала можно определить, исключив неизвестный объем тела и ускорение свободного падения из (1) и (2):

F1\pт = F2\(pт-pж); F1(pт-pж) = F2pт; F1рт - F1рж = F2рт; F1pт - F2рт = F1рж;

рт(F1-F2) = F1рж;

(плотность воды определим по таблице плотностей веществ)

рт = (F1рж)\(F1-F2) = (1,6Н.1000кг\м куб.) \ (1.6-1,4)Н = 8000кг\м куб.

Ответ: плотность материала тела рт = 8000 кг\ м куб.

ЗАДАЧА. Брусок массой 1 кг прикрепили к пружине динамометра. Динамометр перемещают с постоянной скоростью вверх вдоль наклонной плоскости. Вычислите коэффициент полезного действия наклонной плоскости.

РЕКОНСТРУКЦИЯ УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЗАДАЧИ

Логика конкретных действий

Результат действия при решении задачи

1. Записать название объекта и сформулировать сущностное определение

1. На фотографии представлены приборы для определения коэффициента полезного действия наклонной плоскости.

2. Выделить элементы из целостности и определить соответствие названия элемента и его изображения. Например, если изображена шкала прибора, то первоначально следует определить цену деления.

На фото представлены следующие элементы:

- наклонная плоскость,

- брусок, массой 1 кг,

- динамометр,

- транспортир.

Динамометр - прибор для измерения силы. Цена деления - 0,1 Н.

Транспортир - прибор для измерении угла. Цена деления - 1 градус.

3 Создание модели происходящего.

3. Кроме схемы проведения эксперимента на фото представлены показания динамометра и транспортира. Понятно, что показания динамометра связаны с движением бруска по наклонной плоскости.

4. Определение функции особого элемента, т.е. установление механизма внесении изменений в процесс.

4. Устанавливая механизм внесения изменений, приходим к пониманию, что если мы будем менять скорость перемещения динамометра с бруском по наклонной плоскости, то будут меняться показания динамометра.

5. Осознание механизма осуществления изменений.

5. Необходимо перемещать динамометр и брусок с постоянной скоростью для определения показаний динамометра.

6. Проявление механизма изменений в форме связи невидимого и видимого.

Определяем показания приборов. На брусок действуют силы тяжести, упругости пружины динамометра, реакция опоры и сила трения. Пояснительный рисунок:

Дано: Fупр= 9,3Н, α = 30 градусов, m = 1 кг, η - ?

Решение:

Брусок движется с постоянной скоростью, равнодействующая сил действующих на него согласно 2 закону Ньютона равна нулю, т.е.

Fупр + Fтр + mg + N = 0.

Перейдем к проекции на ось х: Fупр - Fтр - mg sinα;

Fтр = Fупр - mg sinα = 9,3Н - 1кг 10Н\кг 0,5 = 4,3Н.

Полезной работой при подъеме бруска на высоту h по наклонной плоскости будет работа по увеличению его потенциальной энергии: Аполезн = mgh.

Работа совершенная учитывает еще и работу против силы трения, следовательно:

Асов = mgh + Fтр S, S = h\sinα - путь бруска по наклонной плоскости до высоты h.

Коэффициент полезного действия наклонной плоскости:

η = (Аполезн\Асов) 100% = ( mgh\ (mgh + FтрS)) 100% = (1 кг 10Н\кг \ (1 кг 10Н\кг + 4,3\0,5)) 100% = 54 %.

Ответ: η = 54 %.