Сила тяжести в игрушках
Обновлено: 17.05.2024
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.
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
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Боготольская средняя общеобразовательная школа
«Физика в игрушках»
ученики 7 класса Восковский Данил,
учитель физики Радченко Л.А.
Изучая на уроке тему «Центр тяжести тела», мы узнали, что принцип действия игрушки «Ванька-встанька» или «неваляшка», можно объяснить с точки зрения физики. Оказалось, что играя, мы не задумываемся о том, что в основе действия многих игрушек лежат законы физики. Мы решили узнать, какие бывают игрушки? В какие игрушки играют наши одноклассники? Есть ли у них игрушки, сделанные своими руками? В какие игрушки играли наши предки? И попытаться объяснить принцип действия этих игрушек, основываясь на законы физики и физические явления. Для ответа на эти вопросы мы провели анкетирование в классе и столкнулись с такой проблемой, что большинство семиклассников играют в компьютерные игры, а игрушки, которые у них есть дома, принадлежат их младшим братьям и сестрам. А наши родители назвали не так много игрушек, в которые они играли, но у них были игрушки, которые, они мастерили сами. Поэтому мы решили провести систематизацию игрушек по принципу их действия, самостоятельно изготовить некоторые из них и показать одноклассникам, что игрушки, сделанные своими руками, могут быть интереснее, чем компьютерные игры.
Актуальность проекта: считаем свою работу актуальной, так как она повысит интерес к изучению физики, позволит систематизировать игрушки по принципу действия, также данный материал можно будет использовать на уроках при изучении законов и явлений, показывая практическую значимость физики.
Цель проекта: выяснить, какие физические явления и законы лежат в основе изготовления игрушек, в какие игрушки играли наши предки, изготовить некоторые игрушки своими руками.
Объект исследования - детские игрушки.
Предмет исследования - физические явления и законы, используемые в устройстве и работе детских игрушек.
Методы исследования: анкетирование, анализ, синтез, сравнение, классификация.
1. Систематизировать все знакомые нам и имеющиеся у нас дома игрушки по принципу действия.
2. Сделать презентацию "Физика в игрушках" для кабинета физики.
3. Изготовить игрушки своими руками.
Какие бывают игрушки? Что общего между мягкой игрушкой и паровозиком? Как физика помогает объяснить их устройство и принцип действия, не ломая и не разбирая игрушку? Какие физические законы и явления мы можем применить для объяснения действия той или иной игрушки?
Конечно, все виды игрушек мы рассмотреть сегодня не сможем, и будем говорить о тех игрушках, принцип действия которых мы уже можем понять.
Звуковые игрушки
Погремушка – это самая первая игрушка для малышей уже с первых дней их жизни. Погремушки представляют собой образные фигурки или геометрические формы на ручке, изготовленные из дерева, пластмассы или других материалов. При встряхивании раздается негромкий шум (звук). Во времена Древней Руси погремушки называли тарахтушками или побрякушками. Изготавливали их из дерева, бересты, костей животных, внутрь помещали горох, разные семена, камушки. А само слово «погремушка» произошло от выражения «погреметь у ушка».
Звук – это механические упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях или твердых телах. Частота звуковых волн от 16 – 20 000 Гц. Распространение звука происходит в виде звуковых волн, которые распространяясь в упругой среде (воздух, жидкости, твердые тела) достигают нашего уха и приводят барабанную перепонку в колебательное движение. В результате у нас возникают определенные слуховые ощущения. Звуки бывают разные: громкие и тихие, высокие и низкие. Чем чаще колеблется тело, тем выше звук.
Магнитные игрушки
Это магнитные шашки и шахматы, магнитные буквы и цифры, магнитный конструктор, магнитная рыбалка, магниты на холодильник, магнитная доска. В этих игрушках используется свойство магнитов притягивать к себе некоторые железосодержащие материалы.
Магни́т – тело , обладающее собственным магнитным полем . Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон . Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них.
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. Отпускаем ручку, пружина внутри игрушки начинает раскручиваться, потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию игрушки. В основе работы этих игрушек лежит закон сохранения механической энергии.
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 больше архимедовой силы , то тело будет опускаться на дно, тонуть. Если сила тяжести равна архимедовой силы , то тело может находиться в равновесии в любом месте, т. е. тело плавает . Если сила тяжести меньше архимедовой силы , то тело будет подниматься из жидкости, всплывать.
Итак, при изготовлении игрушек учитываются законы плавания тел, поэтому они и сами плавают на воде, и нам помогают плавать.
Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести.
Неваляшка появилась в России не так давно. Историки считается, что неваляшка пришла к нам из Японии. Эти игрушки стали праобразами известной игрушки «Ваньки-Встаньки». Первые русские деревянные неваляшки появились на ярмарке в начале XIX века. Тогда их называли «кувырканами». Кувырканы изображались в виде богатых купцов, разодетых в роскошные одеяния, а также клоунов (скоморохи) и девочек на шаре. Например, скоморох (клоун-жонглер) был очень популярным в то время. Клоун-скоморох придумывал сам свои песни и шутки. Скоморох выступал и как танцор, и как автор, и как музыкант, и как певец, и как шутник, и как фокусник. Для детей он был словно из мира волшебной сказки. А детям всегда нравились яркие и красочные персонажи. Поэтому на ярмарках особенной популярностью среди покупателей пользовался деревянный скоморох. Этого неваляшку выполняли в технике ручной росписи. Деревянный «Ванька-Встанька» - клоун-скоморох - расписывался яркими красками в традиционном русском стиле искусства росписи по дереву.
Самая простая неваляшка представляет собой полый круглый корпус, внутри которого в нижней части закреплен груз. В результате получается объемная фигура со смещенным относительно геометрического центра центром тяжести. 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.
Пуговица «жужжалка»
Старинная забавная игрушка, в принципе действия которой работают силы инерции, силы упругости и даже аэродинамические силы – все вместе. Все очень просто! Берется большая – чем больше, тем лучше – пуговица, и через ее дырочки продевается веревочка, которая завязывается так, чтобы получилось веревочное кольцо. Если не торопясь тянуть веревку в стороны, плавно, без особых усилий, пуговица начнет крутиться, все быстрее и
быстрее. В тот момент, когда веревка раскрутится и начнет заворачиваться в
другую сторону, перестанем тянуть, немножко сведем руки. Только не слишком сильно, чтобы веревка была все время чуть-чуть натянута. Когда пуговица завернет веревочку в другую сторону и начнет останавливаться, опять потянем в разные стороны. Пуговица начнет раскручиваться в другую сторону. И так до бесконечности. Мы потихонечку, то тянем в стороны, то ослабляем натяжение – а пуговица крутится туда-сюда. Если веревочка достаточно длинная, а пуговица большая и тяжелая, то при вращении она издает приятный жужжащий звук, словно немножко фырчит! Вот и готова жужжалка.
Что же происходит?
Когда мы тянем закрученную веревку, мы заставляем ее раскручиваться, веревка передает свою энергию пуговице, и вся система начинает вращаться. Это работают силы упругости. Когда веревка раскрутится, в действие вступают силы инерции. Пуговица продолжает движение и уже сама начинает работать как мотор, закручивая веревку в другую сторону. Ну, а воздух, обтекающий вращающуюся пуговицу (это аэродинамические силы), завихряется в дырочках, и возникают волны, звук. Мы слышим глухое жужжание!
Дети многих поколений в СССР считали эту игру – переговоры по телефону из спичечных коробков забавной и увлекательной. На практике может быть применим только в идеальных условиях – нить телефона должна быть натянута и не должна касаться каких-либо препятствий, да и длина нити ограничена.
Через центры двух пустых спичечных коробков протягивают нить, закрепив ее с обеих сторон с помощью спичек. Натягивают нить, передают друг другу информацию. Для этого один ребенок, прижав коробок к губам, говорит; другой, приложив ухо ко второму коробку, слушает. Звук заставляет дрожать один коробок, «бежит» по нитке ко второму. Спичечный «телефон» работает по принципу настоящего телефона: там звук бежит по проводам. Звук передается при дрожании нитки, если нитка не дрожит, звук не передается, т.е. звук передается через колебания нити.
Село Богородское - родина замечательного народного промысла резных деревянных игрушек и скульптур. Кто из крестьян вырезал первую деревянную игрушку, уже никто не помнит, но более 300 лет из уст в уста передаются два интересных придания. Первое предание гласит: «Жила в селе Богородском крестьянская семья. Вот задумала мать позабавить ребятишек – вырезала из чурбачка забавную фигурку и назвала ее «аукав». Ребятишки поиграли с «аукой» и забросили ее за печку. Вот поехал муж крестьянки на базар, да и взял с собой «ауку» показать торгашам. «Ауку» тут же купили и еще игрушек заказали. Говорят, что с тех пор и началась резьба деревянных игрушек и стали они называться «богородской».
Все игрушки сделаны из липы, причём ошкуренное дерево сначала
выдерживают в течение трёх лет под навесом (для того, чтобы в процессе естественной сушки проявились все трещины). Потом целый ствол распиливают на части, а их уже разрубают радиально – они должны быть треугольными (основание треугольника становится основанием игрушки). Затем заготовку приносят в «зарубочную», где топором снимается лишнее.
Следующий этап – обрезка специальным богородским ножом.
Потом деревянную игрушку доводят до совершенства разными стамесками. Гладкие поверхности обрабатываются тонкой наждачной бумагой. В конце покрывают готовое изделие воском и лаком или цветными морилками.
Особенно интересны подвижные Богородские игрушки.
Некоторые фигурки укреплены на параллельно расположенных подвижных планках, скрепленных гвоздиками. Так сделана, например, игрушка «Кузнецы». Кузнецы Мишка и Мужик – главные герои богородского промысла, они бьют молоточками по наковальне, если поочерёдно двигать планки.
Когда известному французскому скульптору Огюсту Родену подарили популярную Богородскую игрушку "Кузнецы", он сказал: «Народ, который создал эту игрушку - великий народ».
И игрушка «Курочки» - тоже долгожитель. Ею играли дети еще во времена Пушкина и Лермонтова. Но и в наше время при всем изобилии игрушек незатейливая игра с расписными курочками по-прежнему радует и детей, и взрослых. Натягивается веревочка – наклоняется головка курочки. Стоит слегка покачать игрушку в руках, как курочки начнут клевать зернышки. Раскрутишь посильнее, и курочки стучат клювами дружнее. Чем сильнее качаешь игрушку - тем активнее курочки клюют.
Вывод: Изучив принцип действия игрушек, мы увидели, что законы физики находят широкое применение. Сделанную нами презентацию можно использовать на уроках физики при изучении физических законов и явлений. А если мастерить игрушки самим по готовым чертежам или придумывать их самому, гораздо интереснее, чем сидеть целыми днями за компьютером.
1. Дмитриев А.С. Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей. – Этерна. 2009г.
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.
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.
Физика в игрушках
1 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города Тулуна «Средняя общеобразовательная школа № 1», МБОУ СОШ №1
1 Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение города Тулуна «Средняя общеобразовательная школа № 1», МБОУ СОШ №1
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Актуальность
Я считаю, что игрушки были сделаны для того, чтобы развивать детей физически и интеллектуально, ведь мы не раз замечали, наблюдая за игрой младших братьев и сестер, как они пытаются разобрать игрушки, чтобы узнать, что внутри их. Все они отличаются друг от друга по многим признакам. И мы не задумываемся о том, что в основе действия некоторых из них лежат законы и явления физики.
В своей работе я хочу не просто рассмотреть физику некоторых игрушек, но и самостоятельно их изготовить из экологически чистых материалов. И думаю, что моя работа будет повышать интерес к изучению физики у учащихся и будет доступна людям разных возрастов, даже не обладающих большими знаниями в области технических наук.
Цель работы:
Изготовить игрушки, действие которых основано на явлениях и законах физики.
1. Изучить литературу, в которой описывается история создания игрушек и их изготовление;
2. Изготовить игрушки и объяснить принцип их работы;
3.Провести опрос среди учеников нашей школы (7-11 классы), какой закон или явление лежат в основе действия той или иной детской игрушки.
Объект исследования: физические явления и законы, используемые в устройстве и работе детских игрушек.
Гипотеза: если игрушка интересна детям, то она их развивает, а также будет интересна взрослым своей физической составляющей.
Методы исследования: наблюдение; эксперимент; сравнение; анализ.
1. Основная часть
1.1 История создания игрушек
Игрушки известны человечеству с глубокой древности, они были обнаружены археологами при раскопках остатков древних цивилизаций. Игрушки, найденные при раскопках Индской цивилизации (3000 -1500 до н. э.) включают маленькие повозки, свистки в виде птиц и игрушечных обезьянок, которые могут сползать по верёвке.
Самые древние игрушки сделаны из доступных природных материалов, камней, палок и глины. Тысячи лет назад египетские дети играли в куклы, у которых были парики и подвижные конечности, они были сделаны из камня, керамики и дерева. В Древней Греции и Древнем Риме дети играли с куклами, сделанными из воска и терракоты, луком и стрелами. В Греции, когда дети, особенно девочки, достигали совершеннолетия, было принято приносить игрушки детства в жертву богам. Накануне свадьбы девушки возраста около четырнадцати лет в качестве обряда посвящения во взрослую жизнь приносили свои игрушки в храм.
Технологический прогресс цивилизации повлиял и на детские игрушки. Сегодня игрушки изготовляются из пластмассы, появились игрушки с батарейками. Если раньше игрушки были самодельными, то сейчас существует целая индустрия игрушек с массовым производством и механизмами реализации.
По принципу работы игрушки делятся на следующие группы:
Игрушки, действие которых основано на существовании архимедовой силы и атмосферного давления (кораблики, лодочки, резиновые (полые) игрушки – уточки, водяные пистолеты).
Заводные игрушки (машины, зверюшки, железная дорога).
Инерционные игрушки (автомобили, самолеты).
Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести (кукла-неваляшка, клоун на проволоке).
Звуковые игрушки (погремушки, пищащие игрушки, говорящие куклы).
Электрические и магнитные игрушки (электрическая железная дорога, электрические автомобили, роботы, детский телефон).
Игрушки, действие которых основано на законах оптики (калейдоскоп, детские бинокли и подзорные трубы, детские фотоаппараты и камеры).
2.Практическая часть
2.1. Игрушки, действие которых основано на магнитном взаимодействии
Для изготовления этих игрушек я использовала следующее оборудование :
один шарик от пинг-понга;
На картоне я нарисовала и вырезала фигурки кошки и собаки. Шарики от пинг-понга разрезала пополам.
Заполнила полученные половинки пластилином, вдавила в него магниты. Рис.1
У магнита имеется два полюса: северный и южный. При этом если приблизить магниты друг к другу одноименными полюсами, они будут отталкиваться, а если разноименными – притягиваться. На взаимодействии магнитных полюсов и основано действие этой игрушки.
Сверху на половинках шариков я укрепила фигурки, ориентируя их и учитывая полярность магнитов таким образом, чтобы собака и кошка поворачивались друг к другу. Рис.2
2.2. Игрушки, действие которых основано на состоянии устойчивого равновесия
Равновесие тел. Если тело покоится, значит, оно находится в состоянии равновесия. Тогда геометрическая сумма сил, действующих на тело, равна нулю. Большинство тел покоится на опорах, в том числе и человек. Стоящий предмет (тело на опоре), не опрокидывается, если вертикаль, проведенная через центр тяжести, пересекает площадь опоры тела. Чем ниже располагается центр тяжести тела, тем оно устойчивее на опоре.
Устойчивое равновесие.
Если пытаться вывести тело из состояния устойчивого равновесия, то обязательно возникает сила, возвращающая его в исходное равновесное состояние. Например, шарик на дне чаши находится в единственном состоянии устойчивого равновесия. В этом положении линия, соединяющая точку опоры и центр тяжести тела, вертикальна. Рис.3
Игрушка "Ванька-встанька"
Действие этой игрушки основано на состоянии устойчивого равновесия. У неваляшки внутреннее устройство таково, что создает смещенный вниз центр тяжести. Поэтому такое положение равновесия является устойчивым: центр тяжести корпуса неваляшки и точка ее опоры лежат на вертикали, причем расстояние между центром тяжести и точкой опоры, всегда наименьшее. Рис. 4
Для изготовления ванька-встаньки я использовала оборудование:
На конце яйца я проткнула небольшую дырочку и извлекла содержимое. Внутренность яйца несколько раз промыла водой и в течение нескольких дней хорошо просушила. Через отверстие положила внутрь скорлупы 7 штук свинцовых дробинок и залила воском от свечи. После этого я обклеила игрушку цветной бумагой и раскрасила фломастерами. Рис. 5
Рис. 5. Этапы изготовления игрушки "Ванька-встанька"
Ванька-встаньку невозможно уложить. Какое бы положение ему не придать, он всегда будет стремиться принять состояние устойчивого равновесия.
2.3. Игрушки, действие которых основано на законах отражения
Калейдоскоп - это одна из старейших научных игрушек. Он в толковом словаре Даля назван «узорником». А далее описывается его устройство: «это трубка с двумя зеркальцами клином, где цветные стекляшки отражаются узорочною звездою, переменною, при всяком движении или обороте трубки».
Калейдоскоп – это оптический прибор, в основе действия которого лежит принцип отражения света от плоских зеркал, образующих между собой угол.
Изображение в плоском зеркале мнимое ("за зеркалом"), прямое (неперевернутое), в натуральную величину и расположено симметрично источнику относительно плоскости зеркала.
Для изготовления калейдоскопа я использовала оборудование:
втулка от бумажных полотенец
Сначала я приклеила к картону фольгу с помощью клея. Затем согнула картон равносторонним треугольником и поместила во втулку. Сверху я поместила прозрачный диск, который вырезала из пластиковой бутылки. Насыпала в игрушку (на прозрачный диск) бисер и прикрыла вторым пластиковым диском, затем склеила это скотчем. На другой конец трубы поместила черный картонный диск с отверстием. Затем я выполнила внешний декор поделки, обернув ее цветной бумагой. Рис.6
Рис.6 Этапы выполнения калейдоскопа
3. Анкетирование
Форма анкетирования - анонимная
Участники - 30 учащихся 7-11 классов
Цель – смогут ли учащиеся объяснить принцип действия детских игрушек, с физической точки зрения.
1. Какой физический закон или явление лежит в основе действия той или иной детской игрушки (кораблик, «Ванька-встанька», калейдоскоп, машинка, водные пистолеты)?
2. Кто из вас разбирал в детстве игрушки?
В ходе анонимного анкетирования было установлено, что дети с удовольствием играли в детстве с игрушками. Разбирали и не всегда собирали их. Правильно указали принципы работы игрушек: кораблик (условия плавания тел, Архимедова сила), «Ванька-встанька» (законы статики, у стойчивое равновесие тел), калейдоскоп (закон отражения света), машинка (инерция), водные пистолеты (давление жидкости и воздуха).
В ходе выполнения работы я изучила историю создания игрушек, смогла сама изготовить игрушки и объяснить устройство самих игрушек, опираясь на знания такого предмета, как физика.
Результаты анкетирования учащихся нашей школы меня порадовали. Большая часть опрошенных знают принципы работы детских игрушек и что большинство детей также интересовались устройством и принципами работы игрушек ещё в раннем детстве, разбирая их.
Я считаю, что рассматривая мир простых и сложных игрушек, которые есть в любом доме, где только живут дети, можно посеять семена для будущих научных открытий и даже заложить основы будущей карьеры в науке.
Данную работу можно продолжить. Сделанные игрушки и теоретический материал можно использовать во внеклассной работе для демонстрации занимательных опытов, а так же на уроках физики.
Читайте также: