Игрушки – демонстрационные модели при объяснении физических явлений

В начале года в школе был организован элективный курс «Физика занимательных игрушек» под руководством учителя физики Махотиной Евгении Николаевны. Я узнал чем будут заниматься желающие посещать этот курс, на презентации элективных курсов. Преподаватели различных предметов приходили в наш класс, каждый агитировал посещать именно его курс. Программа курса «Физика занимательных игрушек меня очень заинтересовала. Учитель предлагал изготовить нам самостоятельно игрушки по предложенной технологии, подготовить теоретический материал, объясняющий принцип действия игрушек и защитить свои работы на итоговых занятиях, проводимых в конце каждой четверти.

На первый взгляд может показаться, что игрушки делают несерьезные люди. Однако я, проведя много времени за изготовлением игрушек, могу с уверенностью опровергнуть этот тезис. Самой интересной для меня работой было – объяснить принцип действия игрушки с физической точки зрения. После очередной защиты игрушки я решил изготовить игрушки, которые можно было бы применять на уроках физики в качестве демонстрационных моделей. В начале я сделал обычную игрушку «Кувыркалка». Позже я сделал игрушечный «Мини фонтан» и игрушечную «Ракетную установку». А затем самую сложную для меня игрушку, «Лиса и виноград».

Оказалось, что при использовании моих игрушек для демонстрации физических явлений, учитель испытывал некоторые неудобства, вызванные как качеством изготовленных мною игрушек, так и материалом, из которого изготовлена модель. Я понял, что необходимо учитывать и материал для изготовления моделей, а также изменять некоторые детали, добавлять свои технические секреты.

Цель работы: Выяснить каким образом материалы, из которых изготовлена игрушка, влияют на качество проводимой демонстрации и объяснения физического явления.

Гипотеза: Я предположил, что материалы, размеры изготовленных игрушек – не смогут повлиять на качество демонстрации физических явлений.

Теоретический материал:

Для исследовательской работы мне необходимо, прежде всего, определиться с такими понятиями как: демонстрация физического явления, качество демонстрации.

Обратившись к словарям, я нашел нужную информацию.

В современном словаре иностранных слов ДЕМОНСТРАЦИЯ – наглядный способ ознакомления с каким-либо явлением, предметом; публичный показ.

В словаре С. И. Ожегова КАЧЕСТВО – то или иное свойство, достоинство, степень пригодности чего-нибудь.

В книге А. А. Марголис «Практикум по школьному физическому эксперименту» я нашел очень интересную информацию, которая предназначается учителям, но соответствует теме моего исследования:

«Подавляющее число изучаемых физических явлений, понятий, закономерностей не может быть хорошо усвоено школьниками без тщательно разработанной системы опытов, отвечающих требованиям методики и техники демонстрации. Несмотря на кратковременность, демонстрационные опыты должны быть предельно убедительными и ясными. Эти важные качества демонстрационных опытов во многом определяются техникой их постановки. Эффект любого эксперимента зависит от качества физических приборов.

К демонстрационным приборам предъявляются особые требования. К ним в первую очередь относятся высокие технические качества, простота устройства, достаточно большие размеры. В практике работы учителю физики приходится часто пользоваться самодеятельными приборами. Успешность постановки демонстрационного опыта зависит не только от качества самих приборов, но и во многом от их технических данных и умений по эксплуатации этих приборов».

Практическая часть

Кувыркалка

Предложенная учителем технология изготовления игрушки.

Я отступил от технологии, создав свою модель игрушки. Вместо наклонной плоскости, я изготовил футляр, используя коробку из-под конфет.

Моя «Кувыркалка» состоит из небольшого бумажного цилиндра закрытого со всех сторон. Внутри цилиндра находится круглый железный шарик, диаметр которого меньше диаметра цилиндра. И если по технологии «Кувыркалку» пускают с доски, наклоненной в виде невысокой горки под углом 15о-20о, то моя модель предполагает изменять угол наклона нижней части футляра. Для того чтобы цилиндр не соскальзывал, поверхность футляра должна иметь шероховатую поверхность. Такое движение происходит благодаря смещению центра тяжести игрушки, изменению момента сил. Шарик внутри цилиндра перекатывается на другой край, и игрушка меняя свой центр тяжести переворачивается. Так «Кувыркалка» может двигаться бесконечно. Наблюдая за такими же игрушками, изготовленными моими одноклассниками, я заметил, что скорость движения «Кувыркалок» зависит от материала, из которого изготовлен цилиндр, а также массы шарика, находящегося внутри. Данная игрушка использовалась учителем для демонстраций при объяснении таких тем как: Механическое движение, Сила тяжести, Правило моментов сил, определение центра тяжести тела, Трение. Кроме того, она может быть использована в качестве «Уровня», при самом малом наклоне поверхности, на которое она помещается, происходит мгновенное реагирование игрушки, которая стремится занять устойчивое равновесие. Мы даже устраивали соревнования наших «Кувыркалок», победителем всегда выходила игрушка, изготовленная качественно, из более легкого материала. Таким материалом является офисная бумага. Когда я освоил компьютерную программу Flash-5, я предложил учителю анимационную демонстрацию движения «Кувыркалки», с помощью которой можно заглянуть внутрь игрушки.

Модель фонтана.

Предложенная учителем технология

Мой фонтан состоит из картонного основания. Причем картон довольно плотный и тонкий, опять же это коробка из под конфет. Резервуар под воду я изготовил из третьей части пластмассовой бутылки. Для соединения резервуара с бассейном, я использовал медицинские трубки. Сам бассейн изготовил из низкой жестяной консервной банки. Чем выше поднят резервуар с водой и тоньше выходное отверстие, тем выше будет бить струя воды. Лучше всего использовать пипетку. Резервуар и стойку лучше замаскировать, создав модель красивого дома с фонтаном. Мой фонтан пригодился учителю для демонстрации свойства сообщающихся сосудов, зависимости давления жидкости на дно сосуда от высоты столба жидкости, налитой в резервуар, реактивного движения отводной трубки при вытекании из нее воды с некоторой скоростью, отклонение струи жидкости при поднесении к ней наэлектризованного тела. Однако после первой демонстрации модели, обнаружились недостатки: картон промокает, плохо отводится вода из бассейна, напор воды из выходного отверстия фонтана очень слабый. Я предлагаю основание модели изготовить из фанеры или пластиглаза, высоту домика, резервуар увеличить, тем самым повысить давление, усилить напор фонтана. Думаю, что созданная мною анимация данной модели, привлечет школьников, как к рассматриваемой теме, так и к их участию в создании своих моделей.

Модель ракеты с катапультой

Предложенная учителем технология изготовления игрушки

Необходимые материалы и детали для изготовления модели ракеты с катапультой: деревянное основание размером 20х50х150 мм; два бруска размером 10х15х200 мм; две скобы из конструктора на 7 отверстий каждая; бумага для трубки (корпуса) ракеты; наконечник для головки (обтекатель) ракеты из древесины или пластмассовой пробки; отрезок резинового шнура или ленты длинной 250 мм; брусок размером 10x15x30 мм для площадки пускового устройства; мелкие шурупы, два-три небольших гвоздя. Основной конструкции служит доска, в которую врезаны две вертикальные стойки.

Мною была изменена технология. Моя модель изготовлена полностью из дерева, размеры те же, сама ракета однородна, без отдельного обтекателя. При демонстрации движения тела по инерции, у учителя была сложность: неудобно приводить в движение модель, требуется помощник. Я решил, что данную модель стоит усовершенствовать, либо утяжелять основание, либо жестко крепить его к демонстрационному столу. Модель можно использовать при изучении тем: Инерция, Сила упругости, Импульс тела, Сила всемирного тяготения. Я же использовал ее в качестве практической задачи: «Является ли движение моей ракеты реактивным движением?»

Гипотеза не подтвердилась. Я убедился, что качество изготовления игрушки при демонстрации физических явлений зависит от материала и размеров основания модели. И вновь я предложил анимацию.

Модель электрического маятника «Лиса и виноград»

Предложенная учителем технология изготовления игрушки

Действие игрушки лиса и виноград основано на использование электромагнита и принципа электрического маятника.

Необходимые материалы и детали: плотный картон для стоек и коробки основания; электромагнит; полоска жести; иголка или булавка для оси; несколько отрезков монтажного провода; батарейка; кнопка или выключатель. Картонная кисть винограда прикреплена к полоске жести с утолщением в нижней части. При включенной батарее небольшой отрезок провода (контактный шпенёк), очищенный от изоляции, разомкнёт цепь. Достаточно слегка качнуть маятник, чтобы контактный шпенёк прикоснулся к жести и замкнул электрическую цепь. Электромагнит (школьный соленоид) мгновенно сработает и притянет к себе маятник. Маятник, качнувшись, разомкнёт цепь, но, продолжая движение под действием тяжести, отойдёт в противоположную сторону и снова коснётся контакта. Электромагнит опять сработает, и всё повторится сначала. Так кисть винограда будет беспрерывно покачиваться до тех пор, пока включена батарея, а лисица будет к ней всё время тянуться носом. Изготавливая модель, я придерживался размеров, указанных в технологической карте. В результате модель получилась довольно маленьких размеров, основание гораздо больше действующей части, с задних парт усмотреть действие невозможно, да и объяснять физический смысл сложно. Моим усовершенствованием модели было добавление в электрическую сеть переключателя – прерывателя. Конечно, более крупная модель смотрелась бы эффектней. Я замыслил создание такой же модели с использованием электромагнита с подвижным внутренним стержнем, работающим на переменном токе. Игрушку можно использовать для демонстрации электромагнитах явлений. Можно поспорить – заменит ли анимационная (виртуальная) демонстрация наглядную демонстрацию.

Итак: Целью моей работы было выяснить, каким образом материалы, из которых изготовлена игрушка, влияют на качество проводимой демонстрации и объяснения физического явления.

Я предположил, что материалы, размеры изготовленных игрушек – не смогут повлиять на качество демонстрации физических явлений.

На основании моего исследования, я могу утверждать, что гипотеза не подтвердилась. Качество проведения демонстрации физического явления очень зависит и от материалов, и от размеров моделей. Особенно такие параметры, как высота и ширина изделия, то есть чем крупнее и ярче игрушка, тем наглядней и понятней будет демонстрация того или иного физического явления, о котором идет речь на данном уроке физики.