Игрушки действие которых основано на различном положении центра тяжести
Обновлено: 18.05.2024
Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.
Обращаем Ваше внимание, что c 1 сентября 2022 года вступают в силу новые федеральные государственные стандарты (ФГОС) начального общего образования (НОО) №286 и основного общего образования (ООО) №287. Теперь требования к преподаванию каждого предмета сформулированы предельно четко: прописано, каких конкретных результатов должны достичь ученики. Упор делается на практические навыки и их применение в жизни.
Мы подготовили 2 курса по обновлённым ФГОС, которые помогут Вам разобраться во всех тонкостях и успешно применять их в работе. Только до 30 июня Вы можете пройти дистанционное обучение со скидкой 40% и получить удостоверение.
Столичный центр образовательных технологий г. Москва
Получите квалификацию учитель математики за 2 месяца
от 3 170 руб. 1900 руб.
Количество часов 300 ч. / 600 ч.
Успеть записаться со скидкой
Форма обучения дистанционная
С этого года, когда мы приступили к изучению нового предмета физики, и игрушки открылись для нас с новой, совершенно неожиданной стороны. С самого раннего детства начинается наше знакомство с физикой. Играя, мы не обращаем внимания на встречающиеся в устройстве и работе игрушек физические явления и законы. Внимательно посмотрев на игрушки, которые в большом количестве есть в каждом доме. Мы нашли в них много материала, который требует объяснения с физической точки зрения.
Поэтому мы решили отразить мир физики через детские игрушки.
Актуальность исследования: Мы считаем свою работу актуальной, так как она повышает интерес к изучению физики и доступна людям разных возрастов, даже не обладающих большими знаниями в области технических наук. Каждый человек должен иметь представление о физических явлениях и законах, с которыми непосредственно сталкивается в повседневной жизни с самого раннего детства.
Цель работы: рассмотреть применение физических явлений и законов в практической деятельности человека на примере создания детских игрушек.
Объект исследования - детские игрушки.
Предмет исследования - физические явления и законы, используемые в устройстве и работе детских игрушек.
Методы исследования: поисковый. обобщение, исследование опытным путём.
1.Собрать игрушки, имеющиеся дома и у знакомых, в детском саду, постараться «увидеть» их физическую суть.
2. Классифицировать игрушки по принципу действия .
3. Сделать презентацию "Физика в игрушках"
1. Инерционные игрушки
Про тело, которое при взаимодействии медленнее изменяет свою скорость, говорят, что оно более инертно и имеет большую массу. А про тело, которое при этом быстрее изменяет свою скорость, говорят, что оно менее инертно и имеет меньшую массу.
Движение по инерции лежит в основе принципа действия игрушек - автомобилей, мотоциклов: на задней или передней оси, соединяющей колёса, находится ряд шестерёнок, которые в свою очередь соединяются с маховиком, то есть массивным цилиндром. Мы толкаем автомобиль, шестерёнки передают движение маховику. Маховик же обладает большой массой, поэтому будет долго сохранять состояние движения, которое ему сообщили. Именно благодаря тяжелому маховику такую игрушку трудно остановить и она будет двигаться по инерции гораздо дольше времени, чем такая же игрушка без маховика.
2. Плавающие игрушки
Если погрузить в воду мячик и отпустить, то мы увидим, как он тут же всплывет. То же самое происходит и с другими телами (пробкой, щепкой). Какая сила заставляет их всплывать?
На тело, находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести, направленная вертикально вниз, и архимедова сила, направленная вертикально вверх. Если сила тяжести F тяж больше архимедовой силы FA , то тело будет опускаться на дно, тонуть, т. е. если F тяж > FA , то тело тонет. Если сила тяжести F тяж равна архимедовой силы FA , то тело может находится в равновесии в любом месте, т. е. если F тяж = FA , то тело плавает . Если сила тяжести F тяж меньше архимедовой силы FA , то тело будет подниматься из жидкости, всплывать, т. е. если F тяж < FA , то тело всплывает.
Если вы не умеете плавать, вам на помощь придут надувные резиновые игрушки. Эти игрушки обладают большой подъемной силой, потому что действующая на них сила тяжести намного меньше выталкивающей силы.
Итак, законы плавания тел всегда учитываются при изготовлении игрушек, поэтому они и сами плавают на воде, и нам помогают плавать.
3. Звуковые игрушки
Мы все живём в мире звуков. Где бы мы ни находились, нас сопровождают разные звуки. Совсем ещё маленький ребёнок, а уже гремит погремушкой. Это его первая игрушка, и она звуковая.
Звуки бывают разные: громкие и тихие, высокие и низкие. Чем чаще колеблется тело, тем выше звук .
Теперь посмотрите другую игрушку – «Кот в сапогах». Когда мы нажимаем на неё, воздух выходит из подушки, находящейся внутри игрушки, а когда мы её отпускаем – устремляется внутрь подушки, она постепенно распрямляется, воздух внутри неё колеблется, издавая звук.
«Говорящие» куклы умеют произносить «Мама». Причина этого – колебания воздуха внутри кожаной коробочки с отверстиями, которую помещают внутрь игрушки. При наклоне куклы грузик, находящийся в коробочке, падает, заставляя воздух в ней сжиматься и выходить в отверстия. Колебания воздуха сопровождаются звуком.
Причиной музыкальных звуков, издаваемых шарманкой, тоже является воздух внутри неё. Чтобы звук был громче, ящик шарманки делают большим и полым.
4. Гироскопические игрушки
Это юла или волчок – древнейшая народная игрушка. Такие волчки приводят в движение рукояткой, снабжённой ходовым винтом.
Попытки повалить быстро вращающийся волчок не удаются. Под действием толчка волчок лишь отскакивает в сторону и продолжает вращаться вокруг вертикальной оси.
В чем причина такой устойчивости вращения? Она тоже связана с одним из физических законов – законом сохранения момента количества движения. Попробуем установить волчок вертикально. Это нам не удаётся. Заставим волчок быстро вращаться, и он сразу становится устойчивым. Заметим, что волчок при этом описывает своей осью коническую поверхность. В этом и состоит секрет устойчивости волчка, а само это свойство сохранения устойчивости при вращении называют гироскопическим свойством.
5. Заводные игрушки
Внутри этих игрушек - пружина. Сжатая пружина обладает потенциальной энергией, за счет которой тело может совершать работу.
Когда мы заводим игрушку, поворачивая ключ, пружина внутри игрушки сжимается, увеличивается ее потенциальная энергия. Чем больше оборотов ключа мы сделаем, тем сильнее сожмем пружину, тем больший запас потенциальной энергии получит пружина. А теперь пора игрушку отпустить. Пружина внутри игрушки начинает раскручиваться, потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию игрушки. В основе работы этих игрушек лежит закон сохранения механической энергии.
А вспомните пружинные пистолеты с пулями-присосками. Когда мы вставляем пулю в пистолет, сжимается пружина, находящаяся внутри. Деформированная пружина обладает запасом потенциальной энергии, за счет которой при спуске курка начинается движение пули. В соответствии с законом сохранения механической энергии потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию пули-присоски. Можно объяснить и следующее за выстрелом явление присасывания пули к поверхности. Это явление можно объяснить существованием атмосферного давления. Когда присоска ударяется о поверхность, некоторая часть воздуха выбрасывается из-под присоски из-за этого удара. В результате силы атмосферного давления прижимают пулю-присоску к поверхности, т.к. атмосферное давление больше, чем давление под присоской.
6. Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести
В русском фольклоре эту игрушку иногда называют "Ванька-встанька".
Хорошо известен принцип действия популярной детской игрушки-"неваляшки" - эффект возвращения в одно и то же состояние достигается за счёт смещения центра тяжести. Благодаря этому у неё есть только одно положение устойчивого равновесия (на основании) и только одно положение неустойчивого равновесия (на голове). У каждого предмета есть центр тяжести.
"Центром тяжести каждого тела является некоторая расположенная внутри него точка - такая, что если за неё мысленно подвесить тело, то оно остается в покое и сохраняет первоначальное положение." ( Архимед)
Стоящий предмет (тело на опоре), не опрокидывается, если вертикаль, проведенная через центр тяжести, пересекает площадь опоры тела.
У неваляшки внутреннее устройство таково, что создает смещенный вниз центр тяжести. Поэтому такое положение равновесия является устойчивым: центр тяжести корпуса неваляшки и точка её опоры лежат на вертикали, причем расстояние между центром тяжести и точкой опоры, всегда наименьшее.
Самая простая неваляшка представляет собой круглый полый корпус, внутри которого в нижней части закреплен груз. В результате получается объемная фигура со смещенным относительно геометрического центра центром тяжести.
У Ваньки - Встаньки в нижней части находится тяжелый полушар. Центр тяжести полушара - точка С - при наклоне поднимается. Расстояние CD больше расстояния АС. Значит , равновесие в первом случае устойчиво.
Для тела, опирающего на одну точку, в состоянии равновесия, центр тяжести находится на одной вертикали с точкой опоры ( СА -вертикаль). При отклонении от положения равновесия возникает момент силы, возвращающий тело в равновесное состояние с наизнишим положением центра масс.
Обычный полый шар обладает безразличным равновесием: как бы его не положили, он будет находиться в состоянии покоя, т.к. центр тяжести такого тела всегда равноудален от точки опоры.
А полый шар со смещенным центром тяжести будет стремиться занять положение, при котором центр тяжести будет наиболее приближен к точке опоры. Тогда такой шар окажется в единственном для него положении устойчивого равновесия.
Для малышей, которые ещё не научились аккуратно кушать есть даже чашка-неваляшка.
Чашка - неваляшка с "носиком" и удобными ручками научит малыша, привыкшего к бутылочке, пить из чашки. Утяжеленное дно не позволяет чашке окончательно перевернуться, даже если ребенок неудачно ставит ее на стол. А носик кружки сделан так, что если ребенок и перевернет ее вверх дном, то из нее не выльется ни капельки. Когда малыш научится обращаться с чашкой, крышку с носиком для питья и утяжеленное дно можно будет снять.
При выполнении этой исследовательской работы мы узнали много нового, заинтересовались изучением физики и лучше стали в ней разбираться. Эта работа доступна людям всех возрастов, ведь для объяснения работы многих детских игрушек достаточно знаний школьного курса физики.
В результате исследования была выделена следующая классификация игрушек:
1. Инерционные игрушки.
2. Плавающие игрушки в воде
3. Звуковые игрушки.
4. Гироскопические игрушки.
5. Заводные игрушки.
6. Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести.
Предметом нашего проекта : является игрушка сделанная своими руками
1. Физика. 7 кл. 8 кл, 9 кл. учеб. для общеобразоват. учреждений/Ф. В. Перышкин., Е. М .Гутник. - 17 изд-е, стеоретип. м. : Дрофа, 2012.
2. Сикорук Л.Л. Физика для малышей.
3. Том Тит. Научные забавы: интересные опыты, самоделки, развлечения/пер. с франц. М., Издательский Дом Мещерякова, 2008.
4. Хилькевич С. С. Ю. "Физика вокруг нас", Библиотечка "Квант", выпуск 40, Москва, Наука, 1985.
Многие детские игрушки позволяют показать те или иные физические принципы, явления, законы.
Сегодня обратимся к понятиям центр тяжести (центр масс), устойчивость, условие устойчивого равновесия.
1. Ванька-встанька
« …Мой характер не сломить,
меня никак не положить,
Хоть старайся, расстарайся,
никогда тому не быть».
Если при достаточно малом отклонении тела от положения равновесия возникают силы, возвращающие его обратно, то такое равновесие называют устойчивым .
Ванька-встанька (или неваляшка) возвращается всегда в вертикальное положение – значит, это есть положение его устойчивого равновесия. Для тела, находящегося в состоянии устойчивого равновесия, выполняется условие: центр тяжести тела занимает самое низкое возможное положение . При попытке вывести тело из положения устойчивого равновесия, центр тяжести поднимается.
У Ваньки-встаньки в нижней части находится тяжёлый полушар. Центр тяжести полушара – точка С – при наклоне приподнимается. В самом деле, расстояние CD больше расстояния АС. Значит, равновесие в первом случае устойчиво. Пунктиром изображён воображаемый шар, центр которого (точка С) совпадает с центром тяжести полушара.
Для тела, опирающегося на одну точку, в состоянии равновесия центр тяжести находится на одной вертикали с точкой опоры (на первом рисунке СА – вертикаль). ( Замечание. Рисунок взят из «Элементарного учебника физики» под ред. Ландсберга, но исправлена неточность. У Ландсберга отрезок СВ нарисован вертикальным (B – точка касания полушара и плоскости), что может быть только в состоянии равновесия. )
При отклонении от положения равновесия возникает момент силы, возвращающий тело в равновесное состояние с наинизшим положением центра масс. Зелёная стрелка - реакция опоры (сила, с которой плоская поверхность опоры действует на полушар, синяя - сила тяжести (сила, с которой Земля притягивает полушар). Тело будет находиться в состоянии равновесия, когда обе эти силы, будучи противоположно направленными и равными по величине, будут действовать вдоль одной прямой.
Многие пытались удерживать в равновесии на ладони или кончике пальца бильярдный кий, школьную указку или большую линейку, как это показано на рисунке. ( Рисунок взят отсюда: Хилькевич С. С.Ю «Физика вокруг нас», Библиотечка «Квант», Выпуск 40. Москва, Наука, 1985 )
Идея написать эту статью возникла совершенно случайно. Мы с сыном посмотрели фильм Кристофера Нолана «Начало». Не могу сказать, что я фанат этого фильма, по своей идее погружений с одного уровня действительности в другой он мне напомнил книгу «Рукопись найденная в Сарагосе» (фильм тоже по ней есть), но сыну понравился. После просмотра он залез в ящик со старыми игрушками и долго в нем рылся, пока не откопал два волчка. Один из них очень похож на тот, что был в фильме. Запустив несколько раз, он стал спрашивать почему волчок вращается и не падает. Я люблю объяснять наглядно. Это возможно не всегда правильно с научной точки зрения, но гораздо интереснее и лучше для понимания. Поэтому мы отправились в мастерскую, где провели несколько опытов.
Ребенку сложно понять «на пальцах», что такое центр масс, оси вращения и т.п. На счет инерции он уже был знаком. Поэтому я начал с показа простого опыта. Для этого понадобился фанерный круг и заостренная палочка.
Опыты мы обычно проводим по собственной методике – почти весь реквизит изготавливает сын сам. Это дополнительный стимул работать руками и возможность узнать что-то новое. На этот раз нам нужно было просверлить отверстие в центре круга. Если вырезать круг «коронкой», то центр будет автоматически, но у меня круги были целые. Мы использовали самодельный «искатель центра» - инструмент новый для сына.
С помощью него можно нарисовать линию, проходящую через центр круга, а если сделать этих линий 2-3 под разными углами, то их пересечение и будет центром. Далее замеряем штангенциркулем диаметр палочки (с этим инструментом он был уже знаком) и сверлим нужным сверлом отверстие. Вставляем палочку острием вниз и наш простой волчок готов.
Вроде всё просто. На мой вопрос «почему крутится?» я услышал, что диск круглый, палочка острая и вращение быстрое. В какой-то степени он был прав. Если палочка будет тупой, то за счет трения волчок быстро остановится, значит с трением нужно бороться. Если не будет быстро вращаться – не удержит равновесие и упадет, т.е. важна инерция при вращении.
Однако не всё так просто. Я просверлил рядом еще одно отверстие и переставил туда палочку. Волчек вращаться перестал. Острие тоже, скорость вращения задается на старте похожая, а не работает. Тут появляется понятие центра масс.
Я закрепил шило перпендикулярно вертикальной доске. На него повесил круг за центральное отверстие. Круг можно вращать и он остается в покое, т.е. он сбалансирован. Теперь перевешиваем круг на смещенное отверстие. Он всегда проворачивается вниз точно противоположной стороной от смещенного отверстия – баланс нарушился.
Мы высверлили несколько отверстий, чтобы сбалансировать круг снова относительно нового отверстия. Этого оказалось мало и пришлось добавить дополнительный груз с противоположной стороны. Конечно, такая балансировка очень примитивна и не точна, но у нас получилось уравнять стороны относительно оси вращения.
Волчек снова заработал. Так мы узнали, что для устойчивой работы волчка нужно, чтобы центр масс был в точке оси вращения.
Еще одним примером правильного расчета центра масс является волчок, который в 1986 изобрел японский профессор Такао Сакаи. Он сделан из обычной скрепки.
Уникальность этого изобретения, что волчок легко собирается, но при этом есть у него одна особенность – угол отсутствующего сектора должен быть равен в идеале 53.13 градусов. Почему именно такой – есть целые математические объяснения. Я не стану их приводить, так как опыты рассчитаны на детей. Для наглядности я взял большую канцелярскую скрепку, но она имеет более жесткий металл. Получилось несколько кривобоко, но опыт удался.
Причем волчок крутится долго, если ось вращения строго перпендикулярна кругу и ее половинки максимально соосны.
Волчок профессора Сакаи был интересен, но он очень легкий и мы решили сделать тяжелый волчок. Для этого выточили его из ореха диаметром около 10 см.
За счет веса его сложнее раскрутить, но потом он хорошо стабилизируется и вращается очень долго.
Нам понравилось экспериментировать с волчками. Следующим этапом была сборка волчка Томсона, который еще называют Китайский волчок. Его конструкция представляет шар со срезанной крышкой и установленной осью вращения. Главной особенностью такого волчка является форма, когда центр масс смещен ниже геометрического цента шара. По сути это похоже на неваляшку. Как не оттягивай его от вертикального положения, он возвращается обратно. Для сборки мы использовали деревянный шарик и цилиндрическую палочку.
Я немного вырезал внутри шара углубление, чтобы эффект неваляшки был лучше.
Цель работы: рассмотреть применение физических явлений и законов в практической деятельности человека на примере создания детских игрушек.
Просмотр содержимого документа
«ПРОЕКТ на тему «Физика в детских игрушках»»
Управление образования администрации Жуковского района
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
Жуковская средняя общеобразовательная школа №2
имени Героя Советского Союза Егора Павловича Новикова
242700, Брянская область, г. Жуковка, ул. Карла Либкнехта, д.2а
на тему «Физика в детских игрушках»
по предмету физика
учащейся 7б класса
Руководитель проекта: Овчинникова Татьяна Владимировна, учитель физики и математики
3. Практическая часть. Изготовление игрушки «куклы-неваляшки»………..7
3.1Неваляшка своими руками…………………………………………. 8
7. Список использованной литературы и интернет-ресурсов………….……..10
Иногда о чем-нибудь незначительном, пустячном говорят: «А! Это просто игрушки!». Но разве игрушки - пустяк? Игрушки, несомненно, были сделаны для того, чтобы развивать детей физически и интеллектуально. Детские игрушки запечатлели в себе историю развития человечества и науки. Вот такая серьезная вещь - игрушки.
С прошлого года, когда мы приступили к изучению нового предмета физики, и игрушки открылись для меня с новой, совершенно неожиданной стороны. С самого раннего детства начинается наше знакомство с физикой. Играя, мы не обращаем внимания на встречающиеся в устройстве и работе игрушек физические явления и законы. Внимательно посмотрев на игрушки, которые в большом количестве есть в каждом доме, я нашла в них много материала, который требует объяснения с физической точки зрения.
Поэтому я решила отразить мир физики через детские игрушки.
Актуальность темы «Физика в игрушках» в том, что детство было у каждого и интерес к строению поющей, либо просто движущейся игрушки не уменьшается с возрастом. Разбираясь в принципах работы игрушек, можно лучше понять и одну из самых серьезных наук — физику, которая коренным образом изменила быт человека за последние несколько десятков лет.
Гипотеза: «Если игрушка интересна своей подвижностью, музыкальностью детям, то она интересна взрослым своей физической составляющей».
Цель работы: рассмотреть применение физических явлений и законов в практической деятельности человека на примере создания детских игрушек.
Объектом исследования являются детские игрушки, а предметом исследования – физические явления и законы, используемые в устройстве и работе детских игрушек.
Группы игрушек
С помощью игрушек и игр ребенок наиболее естественно и непосредственно открывает для себя одну за другой сферы общечеловеческого знания, получает необходимую предметную информацию.
Играя, ребенок осваивает различные способы действия в определенных мыслительных или реальных ситуациях, накапливает свой первый опыт жизни. Ассортимент игрушек чрезвычайно многообразен и непрерывно обновляется с учетом последних достижений в различных областях знаний.
Деление игрушек по группам:
Игрушки, действие которых основано на существовании архимедовой силы и атмосферного давления (Если вы не умеете плавать, вам на помощь придут надувные резиновые игрушки. Эти игрушки обладают большой подъемной силой, потому, что их вес намного меньше действующей на них со стороны воды выталкивающей силы. Следовательно, законы плавания тел всегда учитываются при изготовлении игрушек, поэтому они и сами плавают на воде, и нам помогают плавать. К таким игрушкам относятся: надувные “спасательные” круги, кораблики, лодочки, плавающие свечи, резиновые (полые) игрушки (уточки, лягушки и т.д.), водяные пистолеты);
Заводные игрушки (Очень давно, еще маленькими, мы полюбили эти игрушки. Почему же они движутся? Внутри этих игрушек – пружина. Сжатая пружина обладает потенциальной энергией, за счет которой тело может совершать работу. К таким игрушкам относятся: машины, зверюшки, железная дорога, заводная лодочка с гребцом и т.д.);
Инерционные игрушки (Движение по инерции лежит в основе принципа действия игрушек - автомобилей, мотоциклов: на задней или передней оси, соединяющей колёса, находится ряд шестерёнок, которые в свою очередь соединяются с маховиком, то есть массивным цилиндром. Мы толкаем автомобиль, шестерёнки передают движение маховику. Маховик же обладает большой массой, поэтому будет долго сохранять состояние движения, которое ему сообщили. Именно благодаря тяжелому маховику, такую игрушку трудно остановить, и она будет двигаться по инерции гораздо дольше времени, чем такая же игрушка без маховика);
Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести (Большой устойчивостью обладает тело, имеющее форму шарового сегмента, лежащего на своей выпуклой поверхности. Такое тело используется в устройстве распространённой игрушки неваляшки. При всяком наклоне игрушки её центр тяжести поднимается. Это вызывает самостоятельное движение игрушки к исходному положению устойчивого равновесия, при котором центр тяжести расположен ниже);
Звуковые игрушки (Самые первые ваши игрушки это погремушки. Мы живем в мире звуков. Вот погремушки у них внутри различные ударные предметы и при ударах они звенят. Примером является игрушечный металлофон, он звенит от ударов молоточком по металлическим клавишам. Следовательно, источником звука является колеблющееся тело. Поющая птичка, обезьянка говорящая всем «я люблю тебя», говорящая кукла издают звуки, за счет воздуха выходящего из специального устройства находящегося внутри них «подушки». Нажимая на нее, воздух выходит из подушки, а потом, когда мы отпускаем ее – устремляется внутрь при этом, распрямляя ее, воздух колеблется, издавая звуки);
Электрические и магнитные игрушки ( Мы знаем свойства магнита притягивать металлические тела. Это свойство применено в играх "Эрудит", "Шахматы", "Магнитная мозаика". Если пропустить через проводник, помещённый в магнитное поле электрический ток, то он отклонится. Это свойство проводников с током двигаться в магнитном поле используется в электродвигателях. Электрический двигатель является главной частью электрических игрушек. В них электродвигатели питаются от батарейки);
Игрушки, действие которых основано на законах оптики (Одной из самых красочных игрушек является калейдоскоп. Он может не только доставлять удовольствие разнообразными узорами, но и оказывать большую помощь художникам в создании рисунков для тканей, обоев, керамики, в создании орнаментов для витрин, выставок. В основе действия таких игрушек лежит принцип отражения света от плоских зеркал, образующих между собой угол);
Гироскопические игрушки (Внимание многих учёных и изобретателей привлекла древнейшая народная игрушка-волчок. Их приводят в движение рукояткой, снабжённой ходовым винтом. Попытки повалить быстро вращающийся волчок не удаются. Под действием тока волчок лишь отскакивает в сторону и продолжает вращаться вокруг вертикальной оси, положение которой несколько смещено относительно первоначального. В чём же причина такой устойчивости вращения? Она связана с законом сохранения момента количества движения. Придавая волчку быстрое вращение, он сразу становится устойчивым, описывая своей осью коническую поверхность).
Практическая часть. Изготовление игрушки «куклы-неваляшки»
Неваляшка появилась в России не так давно. Историки считают, что неваляшка пришла к нам из Японии. Эти завезённые в Россию куклы стали прообразом известной игрушки Ванька-встанька. Первые русские неваляшки, появившиеся на ярмарках в начале 19 века, назывались "кувырканами", они изображали купцов или клоунов. Такого Ваньку вытачивали на токарном станке из липы, в нижнюю часть вставляли свинцовый груз и раскрашивали яркими красками.
Самая простейшая неваляшка устроена незамысловато. Полое округлое тело, в котором центр тяжести максимально опущен вниз, таким образом, что при наклоне корпуса груз приподнимается и стремится вернуть куклу в вертикальное положение. При всяком наклоне неваляшки её центр тяжести повышается. Это вызывает самостоятельное движение игрушки к исходному положению наиболее устойчивого равновесия, при котором центр тяжести расположен ниже.
Неваляшка своими руками
Для изготовления игрушки нам понадобится: пластиковое яйцо (киндер-сюрприз), металлический утяжелитель, пластилин.
В нижней части пластикового яйца, в центре, крепим пластилин.
На пластилин кладем металлический утяжелитель.
Чтобы утяжелитель не передвигался в другое положение, закрепляем его сверху пластилином, пока он не покроет весь утяжелитель.
После этого, закрываем верхнюю часть яйца, игрушку можно ставить в любое положение - она всегда будет возвращаться назад.
В работе рассматривается физические законы и явления и принцип работы некоторых детских игрушек.
| Вложение | Размер |
|---|---|
| rabota_samsonova_milana.docx | 55.64 КБ |
Предварительный просмотр:
Всероссийская школьная конференция
учебно-исследовательских и проектных работ
«Мир науки и творчества»
ТЕМА: ФИЗИКА В ИГРУШКАХ
учащегося 4 «Е» класса
МОУ «Средняя общеобразовательная школа №55»
Васильева Елена Николаевна
«Первые шаги в науку» - физика
- Игрушки, действие которых основано на существовании архимедовой силы …………………………………………………
- Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести ……………………………………….
С самого рождения нас окружают игрушки, начиная с красочной звонкой погремушки. Позднее нам хочется общаться с другими игрушками. Наверное, каждый из нас задумывался хоть раз, как работает та или иная игрушка. Многие от любопытства даже разбирали их.
Актуальность данной темы состоит в том, что детство было у каждого и интерес к строению поющей, либо просто движущейся игрушки не уменьшается с возрастом. Когда ты сам еще маленький, ты не задумываешься над тем, почему все это работает: почему юла вращается, самолет летит, почему двигается робот… Я не раз замечал, наблюдая за игрой младшего брата, как он пытается разобрать игрушку, узнать, что внутри. Дети взрослеют, и меняются их взгляды на вещи. Их уже интересуют механизмы, находящиеся в игрушках.
Цель работы: рассмотреть применение физических явлений и законов в практической деятельности человека на примере создания детских игрушек.
Объект исследования - детские игрушки, которые помогают маленькому человеку познавать окружающий мир.
1. Классифицировать игрушки по принципу действия.
2. Объяснить принцип действия игрушек на основе законов физики.
3. Провести опыты, сделать выводы.
4. Провести исследование среди моих одноклассников.
5. Познакомить с принципом работы некоторых игрушек учащихся 4-х классов нашей школы.
Гипотеза: предположим, что в основе действия любой игрушки лежат физические законы.
Методы исследования: изучение источников информации (книги, статьи, сайты), наблюдение, эксперимент, сравнение, анализ.
- Основная часть
- Классификация игрушек
Игрушки во все исторические эпохи были связаны с игрой – ведущей деятельностью, в которой формируется типичный облик ребенка: ум, физические и нравственные качества. Игрушки помогали ребенку развиваться и учиться.
Почти все знакомые нам игрушки можно объединить в определённые группы на основе принципа их работы.
Погремушки, дудочки, бубен, барабан, пищащие игрушки, говорящие куклы
основано на существовании архимедовой силы и атмосферного давления
Надувные «спасательные» круги, кораблики, лодочки, резиновые (полые) игрушки - уточки, лягушки и т.д., водяные пистолеты
основано на различном положении центра тяжести
Кукла-неваляшка, кукла, с закрывающимися глазами, клоун на проволоке
Машины, зверюшки, железная дорога, заводная лодочка с гребцом
Электрическая железная дорога,
электрические автомобили, роботы, детский телефон, игра “Рыболов”, магнитные шашки и шахматы
- Игрушки, действие которых основано на законах оптики
Калейдоскоп, детские бинокли и подзорные трубы, детские фотоаппараты и камеры.
Я хочу рассказать об устройстве и действии некоторых из них.
1.2 Звуковые игрушки
Как большой сидит Андрюшка
На ковре перед крыльцом
У него в руках игрушка –
Погремушка с бубенцом.
Мальчик смотрит - что за чудо?
Мальчик очень удивлен,
Не поймет он: ну откуда
Раздается этот звон.
Самой первой игрушкой, которую ребенок берет в руки, является погремушка. Она относится к звуковым игрушкам. Что же такое звук? Звук – это колебания, которые распространяются в окружающей среде. Человек, воспринимает звуки, частота которых колеблется от 16 до 20 колебаний в секунду [4]. Внутри погремушки находятся шарики, бусинки, которые ударяясь о ее стенки, вызывают колебания. Эти колебания передаются окружающему воздуху и распространяются в нем. Звуки бывают разные: громкие и тихие, высокие и низкие. Чем чаще колеблется тело, тем выше звук.
Мы растем, и у нас появляются другие игрушки: бубны, различного рода свистульки, барабаны, свирели. Их принцип действия такой же, как и у погремушки.
Затем появляются «говорящие» куклы, но их устройство более сложное. Внутри игрушки находится кожаная коробочка с отверстиями. При наклоне куклы грузик, находящийся в коробочке, падает, заставляя воздух в ней сжиматься и выходить в отверстия. Колебания воздуха сопровождаются звуком.
1.3. Игрушки, действие которых основано на существовании архимедовой силы
Когда ребенок начинает ползать или ходить, он знакомится с другой простейшей игрушкой – мячом. Каждый малыш знает стихотворение А.Л. Барто:
Наша Таня громко плачет:
Уронила в речку мячик.
- Тише, Танечка не плачь:
Не утонет в речке мяч.
Так почему же мяч не тонет?
Оказывается, на него действует со стороны воды выталкивающая или архимедова сила (она была открыта древнегреческим ученым Архимедом). Если сила тяжести тела больше выталкивающей силы, то тело тонет. Если выталкивающая сила равна силе тяжести, то тело плавает. Если выталкивающая сила больше силы тяжести тела, то тело всплывает [1].
Выталкивающая сила зависит от объема тела.
Опыт 1. Прикрепим груз к пружине, пружина растянется. Опустим пружину с грузом в жидкость, пружина начнет сжиматься. Это происходит потому, что на груз со стороны воды действует выталкивающая или архимедова сила. В результате вес груза в жидкости уменьшается. Если к динамометру подвесить груз меньшего объёма, то длина пружины уменьшится на меньшую величину.
Так же она зависит от плотности жидкости.
Опыт 2. Опустим в сосуд с водой яйцо – оно тонет. Будем подсыпать в воду соль. По мере увеличения солёности воды яйцо всплывает. Таким образом, мы убедились, что выталкивающая сила зависит от объема тела и плотности жидкости.
На этом принципе основаны плавающие игрушки: кораблики, уточки, спасательные круги, жилеты, надувные матрасы.
К трем годам, у ребенка появляется интерес к различным механическим игрушкам. Самая простая из них – юла – древнейшая народная игрушка. Жжж-жи! Вот запустили волчок! Мы любуемся его кружением, удивляемся его устойчивости, и нам, конечно, хочется разгадать его тайну. Почему неподвижный волчок не может стоять на острие своей оси, а приведи его в быстрое движение – и, словно перед тобой совсем другой предмет, он стойко держится, вращаясь вокруг вертикальной оси? Мало того, волчок упорно сопротивляется попыткам вывести его из этого положения. Попытайтесь, толкнув его, вывести волчок из вертикального положения, опрокинуть, но волчок после толчка отскакивает в сторону и продолжает кружиться, описывая своей осью коническую поверхность.
В чем причина такой устойчивости вращения? Она тоже связана с одним из физических законов – законом сохранения момента количества движения. В этом и состоит секрет устойчивости волчка, а само это свойство сохранения устойчивости при вращении называют гироскопическим свойством. (Гироскоп – от греческого «гирос» - круг, кольцо и «скопео» - смотреть.) [4]
1. 5. Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести
У каждого тела есть центр тяжести. Центром тяжести каждого тела является некоторая расположенная внутри него точка - такая, что если за неё мысленно подвесить тело, то оно остается в покое и сохраняет первоначальное положение. Стоящий предмет не опрокидывается только тогда, когда отвесная линия, проведенная из центра тяжести, проходит внутри основания предмета [1].
Опыт 3. Этажерка стоит, так как отвесная линия, проведенная из центра тяжести, проходит через основание. Начнем наклонять этажерку, и пока отвесная линия будет проходить через основание, этажерка будет находиться в устойчивом положении. Как только отвесная линия выйдет за основание - этажерка упадет.
Часто для того, чтобы придать телу более устойчивое положение, центр тяжести смещают ближе к основанию.
Теперь рассмотрим, в каких положениях равновесия может находиться шар, центр тяжести которого находится в его центре.
Рассмотрим шар, лежащий на горизонтальной поверхности (рис.1).
Рис. 1. Шар в безразличном равновесии
На него действуют две силы – сила тяжести, направленная вниз и сила реакции опоры, направленная вверх. Эти силы равны по величине, направлены в противоположные стороны, уравновешивают друг друга. В этом случае, шар находится в состоянии безразличного равновесия [4].
Рассмотрим положение шара на вогнутой поверхности. Если шар находится в нижней точке, то на него также действуют две силы, и он находится в состоянии равновесия. Выведем шар из этого положения. На него опять действуют сила тяжести и сила реакции опоры, направленная под углом 90°. В результате возникает третья сила, возвращающая шар в положение равновесия. Такое положение называется устойчивым (рис. 2).
Рис. 2. Шарик в состоянии устойчивого равновесия
Если поместить тело на выпуклую поверхность и отклонить его на некоторый угол, на него также действует сила тяжести и сила реакции опоры,
но в результате сложения этих сил, возникает сила, уводящая тело от положения равновесия. Это равновесие называется неустойчивым (рис.3).
Рис. 3. Шарик, лежащий на выпуклой поверхности
Устройство и принцип работы неваляшки
Неваляшка появилась в России не так давно. Историки считают, что неваляшка пришла к нам из Японии. Эти завезённые в Россию куклы стали прообразом известной игрушки Ванька-встанька. Первые русские неваляшки, появившиеся на ярмарках в начале XIX века, назывались "кувырканами", они изображали купцов или клоунов. Такого Ваньку вытачивали на токарном станке из липы, в нижнюю часть вставляли свинцовый груз и раскрашивали яркими красками [3].
Неваляшка устроена так, что обладает положением устойчивого равновесия. Во-первых, центр тяжести ее смещен ближе к основанию, т.к. полый нижний шар заполняется чем-то тяжелым. Во-вторых, при выведении ее из положения равновесия, возникает сила, которая возвращает ее в устойчивое положение [4].
Я предложил своим одноклассникам ответить на вопросы анкеты (приложение). Было опрошено 27 человек. Результаты показаны на диаграммах.
Любимые детские игрушки
Если ты в детстве разбирал игрушки, то для чего ты это делал?
Из диаграммы видно, что самыми любимыми у моих одноклассников были плавающие игрушки. Большинство из опрошенных учеников разбирали в детстве игрушку, чтобы изучить ее внутреннее строение (11 чел.) или, чтобы понять принцип ее работы (11 чел.). Я не предполагал, что столько людей ещё в детстве интересовались этим. 3 человека злоупотребляли добротой своих родителей и ломали игрушки, чтобы получить новые в подарок. Некоторым ученикам (2 чел.) игрушки просто не нравились, и они не видели другого выхода, как сломать её.
В ходе проведенного исследования гипотеза подтвердилась. Нам удалось показать устройство игрушек, опираясь на физические законы и явления, практические опыты.
В практической части своей работы, проведя анкетирование одноклассников, мне удалось доказать, что дети с самого раннего детства проявляют любопытство и интерес к устройству и работе разных механизмов.
При выполнении этой исследовательской работы я узнал много нового, заинтересовался изучением физики и смог заинтересовать других ребят.
В дальнейшем, мне бы хотелось изучить принцип работы других детских игрушек и физические законы, лежащие в их основе, а так же принцип действия интерактивных игрушек, которые появляются в современном обществе.
Читайте также: