'

Физические модели и задачи - оценки в школьном эксперименте

Понравилась презентация – покажи это...





Слайд 0

Физические модели и задачи - оценки в школьном эксперименте Объединенный институт ядерных исследований Учебно-научный центр Физический факультатив для школьников


Слайд 1

Одно из главных требований ФГОС: создание современной информационно-образовательной среды Комплекс информационно-образовательных ресурсов взамен традиционных предметных комплектов; Широчайшие возможности использования электронных ресурсов в образовательном процессе; Создание на этой основе открытой и информационно избыточной образовательной среды; Новые возможности организации практических и проектных работ с использованием сетевых ресурсов и, вместе с тем, опасность вытеснения физического эксперимента и его замена “виртуальными образами” на электронных носителях.


Слайд 2

Место и роль экспериментальных заданий при изучении физики: составляют неотъемлемую часть изучаемой дисциплины; способствуют более глубокому пониманию и усвоению физических законов; помогают вырабатывать и совершенствовать экспериментальные умения и навыки учащихся; способствуют формированию ответственности и самостоятельности при проведении необходимых измерений.


Слайд 3

I. Творческие задания Практическое задание “Шагающий человек” Цель работы: оценить мощность, развиваемую пешеходом при ходьбе; Мощность в механике N=DA/ Dt=F?v F=Fтрения покоя, v – скорость пешехода Сила трения покоя работу совершать не может! Как оценивать мощность?


Слайд 4

Физическая модель явления Идея решения: когда человек делает шаг, его центр масс C поднимается на некоторую высоту h. h L C l L-длина ноги, l - длина шага (L»1 м, l »0,7 м) h=L-Lcosa, sina=l/2L h=L(1-O1-l2/4L2), x=l2/4L2<<1, O1-x »1-x/2 h» l2/8L »5 см a


Слайд 5

Некоторые численные оценки Если v =4 км/ч, t =1 мин, то пройденный путь s »66 м. Число шагов n =s/l »100. Механическая работа за указанное время A =mghn. Механическая мощность N =A/t =mghn/t =mglv/8L Если масса человека m =60 кг, то развиваемая им мощность N »60 Вт.


Слайд 6

Практическая работа «Взаимодействие магнита с железной пластиной Оборудование: подковообразный магнит; железная пластина; динамометр Бакушинского; нить


Слайд 7

Возможное решение: измерение №1 Задачу можно решить, проделав следующие три измерения: 1) F1 =Fтр1 Fтр1 =mN = m(mg + F) F1 = m(F + mg) (1) m – коэфф. трения; m – масса магнита; F – искомая сила. Fтр Fтр F1 mg F N


Слайд 8

Измерение № 2: F2 =Fтр2 Fтр2 = mN = m(F – mg) F2 = m(F – mg) (2) Примечание: опыт показывает, что если воздействовать на магнит с помощью динамометра вертикально вниз, то оторвать магнит от пластины невозможно. mg N F2 F Fтр Fтр


Слайд 9

Измерение №3: F3 + Fтр= mg Fтр =mN = mF F3 =mg – mF (3) Система уравнений (1) – (3) полностью решает поставленную задачу F3 Fтр Fтр mg F N v


Слайд 10

Практическая работа “Оценка радиуса микропузырька в воде” Оборудование: мензурка с водой; соль; линейка; секундомер; справочник физических величин Некоторые обозначения: r – радиус пузырька; r – плотность воды; v - скорость движения пузырьков; h - вязкость воды


Слайд 11

Физическая модель явления Т. к. v =const, для пузырька выполняется условие равновесия: FA =Fc FA Fc FA =rgv =4/3pr3 rg -сила Архимеда Fc- сила гидродинамического сопротивления воды Метод размерностей: Fc = rhv Точная формула Fc = 6prhv (формула Стокса) 4/3pr3 rg = 6prhv Оценка радиуса микропузырька r = O9hv/2 rg v


Слайд 12

Численные оценки: Dl вода с пузырьками чистая вода r =103 кг/м3 h =10-3 Па с V = Dl/ Dt » 0,1-1 мм/с r » O10-3v/(4 ?103?10) »0,5O10-7v СИ: [r] =м; [v] =м/c Более точная оценка: r @ 2O10-7v м » 6 – 20 мкм


Слайд 13

Практическая работа “Оценка толщины стенки мыльного пузыря” Оборудование: мыльный пузырь,выдутый через трубочку; рулетка; секундомер; справочник физических величин


Слайд 14

Физическая модель явления: v =const mg =Fc+ FA - условие равновесия FA =4/3?prвозgR3 –сила Архимеда, R – радиус пузыря rвоз =1,29 кг/м3 – плотность воздуха, m = 4prвdR2 – масса пузыря, rв =103 кг/м3 – плотность воды, d – толщина стенки пузыря Сила сопротивления воздуха Fcоп =? Метод размерностей: Fс = vhR, h =2?10-5 Па ?с –вязкость воздуха (Fс =6p vhR –точная формула) Из условия равновесия получаем оценку для d: d =(9 vh + 2 rвоз gR2)/6 rв gR mg FA Fс d v R


Слайд 15

Численные оценки: Высота падения пузыря h » 2 м, время падения t » 3 c; радиус пузыря R » 3 см; скорость падения v » 0,7 м/с Оценка толщины стенки: d =(9?0,7?2?10-5 + 2?1,3?10?9?10-4)/(6?103?10?0,03) » »1,3 ?10-5 м =13 мкм


Слайд 16

Практическая работа “ Плавающее сито”. Оборудование: металлическое сито; динамометр; линейки; набор грузов; сосуд с водой.


Слайд 17

Силы поверхностного натяжения Силы поверхностного натяжения весьма малы: F=sL, s- коэффициент поверхностного натяжения. Например, для воды s=73 мН/м. Для границы длиной L=100 м получаем значение F=7.3 Н ! вода L


Слайд 18

Схема опыта: сито как “усилитель” проявления сил поверхностного натяжения. Масса сита: M=146 г; Диаметр сита:D=14.5 cm; Масса грузиков: m=123 г; Масса линеек: m0=18 г; Размер элементарной ячейки: s=1мм х 1 мм M m m0 D Элементарная ячейка l l M


Слайд 19

Простые оценки: Силы поверхностного натяжения поддерживают каждую элементарную ячейку: F0= 4s? l. Для всей поверхности решета: F=F0?N, N=S/s0, N –число элементарных ячеек. Для данного опыта s0=1 mm2, S»165 cm2. N»16500 ! – фактор усиления поверхностных сил. sl


Слайд 20

Оценка коэффициента поверхностного натяжения воды из условия плавания сита Пренебрегая незначительным вкладом архимедовой выталкивающей силы, запишем условие равновесия сита: 4sl?N = Р, где Р = (M+m+m0)g – вес всех тел, g – ускорение свободного падения. Отсюда легко получить оценку коэффициента поверхностного натяжения: sexp »45 мН/м. Табличное значение для воды: s=73 мН/м. Основная причина отличия приведенной оценки от табличного значения заключается в наличии частичного смачивания водой сетки решета.


Слайд 21

Практическая работа “Взаимодействие гладких стеклянных пластин” Оборудование: две гладкие стеклянные пластины; линейка; микрометр; пипетка; вода.


Слайд 22

Физическая картина явления В результате смачивания поверхностей пластин водой, боковые поверхности слоя воды между пластинами оказываются вогнутыми вовнутрь. Это приводит к уменьшению давления внутри жидкости по сравнению с внешним атмосферным давлением.


Слайд 23

Давление под искривленной поверхностью: Взаимное прижатие пластин обусловлено превышением внешнего давления над давлением внутри жидкости. on a large scale вода пластина атмосферное давление P0 P0 P P- давление внутри воды; P =P0 - 4s/d d (лапласово давление); d – толщина слоя воды


Слайд 24

Простые оценки: P0=105 Пa, P=P0 – DP, DP=4s/d; d»0.04 – 0.1 mm; F=DP?S, S=0.13?0.18 m2; dmin»0.04 mm Fmax » 170 Н ! F 0.13 m 0.18 m 16 kg ! F Можно удержать пудовую гирю! d


Слайд 25

Проект “Жизнь мыльного пузыря”: 1. Зависимость времени жизни мыльной пленки от влажности воздуха Вопросы: а) какие главные факторы влияют на время жизни мыльной пленки? б) можно ли создать долгоживущие мыльные пузыри? Оборудование: цилиндрическая труба из полиэтилена; психрометр (гигрометр); цилиндрический сосуд с водой; проволочное кольцо, затянутое мыльной пленкой; секундомер.


Слайд 26

Схема эксперимента вода психрометр Мыльное кольцо L»2 м нить Прозрачная труба j0=70%, t0»1 min j=80%, t»1.5 min j=85%, t»2 min j=90%, t»2.5 min j=95%, t»3.5 min D»0.3-0.4 м . секундомер


Слайд 27

Анимация эксперимента Зависимость времени жизни мыльной пленки от влажности воздуха


Слайд 28

Простая модель явления d –толщина мыльной пленки vd=vисп-vконд; влажный воздух j=100% d Сухой воздух j=50-60% Vкондµ nпара µ j; (j=100% vисп=vконд j=50% vd=vисп-vконд=1/2vисп) j1 Vd 1 =Vисп – Vконд1=(1 – j1)Vисп j2 Vd 2=Vисп – Vконд2 =(1 – j2)Vисп t µ1/Vd Vd1/Vd2=(1- j1)/(1- j2); Vd1/Vd2=t2/t1 t=t0(1- j0)/(1- j)


Слайд 29

Сравнение результатов расчетов с опытными данными При относительной влажности воздуха вне трубы j0» 70%, t0»1 мин. В рамках упрощенной модели согласно формуле: t= t0?(1 – j0)/(1 – j), j – влажность воздуха вдоль трубы t, мин j, % 75 80 85 90 95 100 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 эксп теор


Слайд 30

Некоторые выводы Предположим, что для мыльного пузыря созданы идеальные условия (отсутствуют воздушные потоки, пылинки, относительная влажность j=100% и т.п.) Вопрос: может ли пузырь жить вечно? Ответ очевиден: нет, не может. крышка банка вода пузырь пробка ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? j=100% · капля процесс диффузии P0 P P=P0 + 4s/r, r – радиус пузыря 1) диффузионное увядание; 2) образование капли внизу пузыря Согласно наблюдениям, время жизни мыльного пузыря в закрытом сосуде может достигать суток и более. P0 -атмосферное давление


Слайд 31

Проект «Жизнь мыльного пузыря”: 2. Время сдувание мыльного пузыря


Слайд 32

The objects of investigations are the air and water streams. There are the opportunities to intensificate the oscillations of air stream inside glass tube and to display the structure of water stream. In addition we can discuss the influence of sound field on the water stream. undulatory movement Part 2: the intensification of


Слайд 33

Sounding tube – the thermal autogenerator of sound Equipment: glass tube about 80 – 100 cm; small heater about P~100 – 200 W; transformer for AC (voltage about 30 – 40 V); laboratory support; oscilloscope (not obligatory); microphone (not obligatory).


Слайд 34

Set-up of experiment ~220 V ~127 V ~30-40 V heater air flow (draught) oscilloscope microphone glass tube transformer ( L» 80 cm, ?»35 mm)


Слайд 35

Sounding tube – the resonance system with positive reverse connection. There’s air flow through the tube forming of the standing wave inside the tube. The heater provides the positive reverse connection. x Dx, Dp stage of pressure Dp=0 (node of pressure) Dpmax(antinode) Dx=0 (displacement of air) Dx · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · stage of rarefaction · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·· · · Dpmin Dp Dx Dx draught draught


Слайд 36

Some results The positive reverse connection depends on extremaly of location the heater. There’s effect (sound) in case only the heater’s located in lower part of the tube. h L Dp Dx In accordance with experiments h=L/4. l=2L – the wave-length of standing wave; c – the velocity of sound in the air; f0 = c/l = c/2L – the frequency of main harmonic;


Слайд 37

Some discussion The directions are opposite: there’s the negative reverse connection the oscillations of air will be suppressed. The directions are the same: there’s the positive reverse connection the oscillations of air wont be suppressed. stage of pressure pressure pressure draught


Слайд 38

One remark There isn’t effect of the sounding tube. This experiment demonstrates that there’s really the pressure antinode in the centre of the tube. The positive reverse connection is absent. L/2 small hole Dp=0


Слайд 39

The water streams Introduction: There are some questions: a) can we observe the process of disintegration (dropping) water stream? b) can we influence on this process? C) can we extract some physical quantities from these observations?


Слайд 40

Equipment: volume about 5 litres (vessel for water); rubber or plastic hose about 2 m, ?=10-15 mm; medicine dropper (nozzle); clamp; loupe; stroboscope; sound generator; loud speaker; support.


Слайд 41

Set-up of experiment: sound generator support water clamp nozzle loud speaker water streams stroboscope .


Слайд 42

Some discussion. It’s necessary to have a stroboscope to observe the dropping structure of water stream. There’s the capillary wave on the surface of water stream. The direction of motion the capillary wave is opposite the water stream one. But the velocity of capillary wave always equals the water stream one: c = v. Hence we can observe the capillary wave like the standing wave. The reason of existence the capillary waves is the surface tension. l v c loupe capillary wave droppings structure of stream nozzle stroboscope


Слайд 43

Some estimations: There’s the simple estimation for l: l >9/2?r, r » 0.5 mm – radius of the nozzle. Hence l > 2.25 mm. It’s easy to determine the velocity of the stream: v » 2 m/s, hence c » 2 m/s. According to the observations the resonance frequency of the dropping process is about 300 Hz: fres » 300 Hz. Therefore we can calculate the wave-length of the capillary wave: l = c/fres, lobs » 6.6 mm.


Слайд 44


Слайд 45


Слайд 46


Слайд 47


Слайд 48


×

HTML:





Ссылка: