Воздушный шар

Материал из Saratov FIO Wiki
Перейти к: навигация, поиск

Авторы

Соин Алексей, ученик 8 класса

Тема

"Воздушный шар - демонстрационная модель реактивного движения"

Рекомендуемые (учителем) ресурсы

Громов. Учебник Физика 8 класс. М: Дрофа, 2007 г.

http:www.ourkids.ru

http:www.college.ru/phusics

http:home-edu.ru

http:class-fizika.ru

Гипотеза исследования

Предполагаю, что наиболее удачной моделью, для демонстрации реактивного движения является воздушный шар, имеющий следующие качественные характеристики: он должен быть новым, иметь узкое входное отверстие, иметь круглую форму.

Цели и задачи исследования

Изучение зависимости пути, пройденного шариком от его массы, формы и качества резиновой оболочки, диаметра выходного отверстия.

План исследовательской работы

Изучить научную литературу.

Провести опыты, демонстрирующие реактивное движение.

В качестве модели для исследования выбрать наиболее удачную модель.

Провести ряд опытов по своей работе.

Графически показать зависимость пройденного пути от физических свойств тела.

Сделать вывод.

Результаты исследования

Изучили научную литературу. Провели опыты по демонстрации реактивного движения: Большое Сегнерово колесо,Реактивная банка, Реактивный воздушный шар.В качестве модели для демонстрации реактивного движения выбрали воздушный шар. Определили физические свойства шара, определили их вес, форму, определили объем воздуха в шаре. Провели опыты для определения пути, пройденного шаром. Для этого использовали 7 шаров разной формы, веса, цвета. Создали презентацию

Под реактивным движением понимают движение тела, возникающее при отделении от него с какой-либо скоростью некоторой его части. При этом возникает так называемая реактивная сила, сообщающая телу ускорение. На реактивном движении основан принцип работы космической ракеты. Первые пороховые фейерверочные и сигнальные ракеты были применены в Китае в 10 веке. В 18 веке при ведении боевых действий между Индией и Англией, а также в Русско-турецких войнах. Были использованы боевые ракеты. Живые ракеты. Морской моллюск-гребешок, резко сжимая створки раковины, рывками может двигаться вперед за счет реактивной струи воды, выброшенной из раковины. Приблизительно также передвигаются и некоторые другие моллюски. Личинки стрекоз набирают воду в заднюю кишку, а затем выбрасывают ее и прыгают вперед за счет силы отдачи. Так как в этих случаях толчки отделены друг от друга значительными промежутками времени, то большая скорость движения не достигается. Чтобы увеличить скорость движения, иначе говоря, число реактивных импульсов в единицу времени, необходима повышенная проводимость нервов, которые возбуждают сокращение мышц, обслуживающих «реактивный двигатель». Такая большая проводимость возможна при большом диаметре нерва. Известно, что у кальмаров самые крупные в животном мире нервные волокна. Они достигают в диаметре 1 мм – в 50 раз больше, чем у большинства млекопитающих, и проводят возбуждение со скоростью 25 м/с. Этим и объясняется большая скорость движения кальмаров (до 70 км/ч). Быстроходность и маневренность кальмара объясняется также прекрасными гидродинамическими формами тела животного, за что его прозвали «живой торпедой». Инженеры уже создали двигатель, подобный двигателю кальмара. Его называют водометом. В нем вода засасывается в камеру. А затем выбрасывается из нее через сопло; судно движется в сторону, противоположную направлению выброса струи. Вода засасывается при помощи обычного бензинового или дизельного двигателя. Осьминог, так же как и кальмар, движется реактивным образом. Всасывая и с силой выталкивая воду, он скользит в волнах, точно живая ракета. Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается, и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед. Бешеный огурец Примеры реактивного движения можно обнаружить и в мире растений. Созревшие плоды “бешеного” огурца при лёгком прикосновении отскакивают от плодоножки, и из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается горькая жидкость с семенами; сами огурцы при этом отлетают в противоположном направлении. Стреляет бешеный огурец более чем на 12 метров: так он распространяет свои семена. М. Метерлинг замечал: «Это действие столько же необычно, как если бы нам удалось сохраняя те же пропорции тела, выбросить одним спазматическим движением все наши органы, внутренности и кровь на полкилометра от нашей кожи или нашего скелета». Его еще называют взрывающийся огурец. Каждое семечко достигает скорости 100 километров в час. Бешеный огурец растет на побережье Черного моря. Как похож рисунок К.Э.Циолковского на оболочку кальмара, осьминога, бешеного огурца, и конечно же – воздушного шара Суть реактивного движения заключается в том, что импульс газов, вырывающихся из сопла ракеты, равен импульсу ракетной оболочки. Топливо, необходимое для образования газов, должно находиться в этой же оболочке. Практика Проведен ряд опытов, демонстрирующих реактивное движение "РЕАКТИВНАЯ БАНКА" Взята пустая консервная банка без верхней крышки. На равных расстояниях по верхнему ободу банки проделаны два маленьких отверстия и вставлены в них прочные нити, с помощью которых банка подвешивается к водопроводному крану. У донышка на боковой стенке банки проделана пара отверстий напротив друг друга диаметром около 5 мм. Подвешивается банка на водопроводный кран и открывается кран с водой, чтобы банка наполнилась. Банка начинает вращаться! РЕАКТИВНЫЙ ВОЗДУШНЫЙ ШАР Надувается детский воздушный шар, и прежде, чем перевязывается отверстие ниткой, вставляется в него согнутая под прямым углом пластиковая трубочка. Чтобы воздух не выходил, наружный конец трубки надо заглушить с помощью спички.В маленький тазик, размером меньше диаметра шара, наливается вода и опускается туда шар так, чтобы стержень торчал сбоку. Вынув спичку, воздух из шара начинает начинает выходить, и шар начинает вращаться по воде под действием реактивной силы.

ВОДЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ или реактивное движение Берется небольшая пластиковая бутылка и вырезается кусок пенопласта в форме лодочки. Проделывается в пенопласте отверстие и вставляется бутылка. Под пенопластом сбоку в бутылке проделывается отверстие, бутылка закрывается пробкой, а через отверстие в пробку в бутылку просовывается конец гибкой пластиковой трубки. Второй конец трубки прикрепляется к велосипедному насосу. Нажимая на поршень насоса, заметно перемещение лодочки в сторону, противоположную направлению струи воды, выбрасываемой из бутылки. При поднятии поршня насоса лодочка не движется. ВОЗДУШНАЯ КАРУСЕЛЬ или реактивное движение. В шарике для пинг-понга по диаметру просверливается два сквозных отверстия диаметром 4-5 мм. В два отверстия, лежащих на одной линии, вставляются изогнутые над горячей плиткой две полихлорвиниловые трубочки. В третье отверстие вводится металлический стержень от шариковой ручки, в верхней части которого, находящейся внутри шарика, сделано несколько отверстий. Чтобы шарик от пинг-понга устойчиво держался на конце стержня, внутри тупым шилом выдавливается небольшое углубление. На нижний конец стержня надевается резиновая груша. Следим, чтобы не было утечки воздуха в месте соединения груши и стержня. При нажатии на грушу в шарик поступает воздух и карусель (сегнерово колесо ) начинает кружиться, при отпускании груши, притока воздуха в шарик нет, он неподвижен. Периодически нажимая и отпуская грушу, можно добиться вращения сегнерова колеса с большой скоростью.

БОЛЬШОЕ "СЕГНЕРОВО КОЛЕСО" Венгерский физик Я.А.Сегнер в 1750 году продемонстрировал свой прибор, который в честь его создателя назвали "сегнеровым колесом". Впрочем, это не было новым изобретением, а лишь повторением изобретенного Героном Александрийским эолоопила. Изобретем же и мы своё "сегнерово колесо"! Большое "сегнерово колесо" можно сделать из большого пакета для сока. Внизу у противоположных стенок пакета проделывается по отверстию, проткнув пакет карандашом. К верхней части пакета привязывается две нити и подвешивается пакет на перекладине. Затыкаем карандашами отверстия и наливаем в пакет воду. Затем осторожно убраем карандаши. Из отверстий вырвались две струи в противоположных направлениях, и возникла реактивная сила, которая стала вращать пакет.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА Возьмем детский резиновый шарик, надуем его и отпустим. Мы увидим, что, когда воздух начинает выходить из него в одну сторону, сам шарик полетит в другую. Опыт с воздушным шаром тоже основан на реактивном движении. У моего шарика нет никакого двигателя, а есть только горлышко и пространство внутри его, заполненное воздухом. Работа шарика основана на растяжении резины. Резина растягивается за счет воздуха, вдувая очередную порцию воздуха в оболочку, мы увеличиваем массу воздуха и концентрацию молекул внутри шара. Растет давление на стенки шара, резина растягивается, возникает сила упругости. Когда входное отверстие свободно, воздух с силой вырывается наружу в одну сторону, а оболочка шара начинает двигаться в другую сторону. По третьему закону Ньютона сила, с которой воздух давит на оболочку, равна силе, с которой оболочка давит на шарик. Шарик пролетает некоторое расстояние за счет выталкивания воздуха из шарика через горловое отверстие. Практическую часть исследования я построил на опытах движения шариков разной массы и конфигурации. Для того чтобы шарик двигался по прямой, мне пришлось прикреплять шар к полой трубке, которая находилась на нити, закрепленной в другом конце класса. Крепить пришлось скотчем. Массу оболочки шариков я находил путем взвешивания на рычажных лабораторных весах. Массу воздуха внутри шара я решил сделать постоянной величиной. Вдувая в шар строгое количество порций воздуха, я убедился, что масса воздуха в оболочке не меняется, остается действительно постоянной величиной, хотя погрешности имели место быть. Качество и свойство резины я характеризовал, исследуя прочность, упругость на ощупь, визуально. Я знал, какой из испытуемых шариков новый, а какой бывал уже в эксплуатации. Размеры выходного отверстия (ширину и длину) я измерял с помощью линейки.

Исследования:

1. Выяснить зависимость пройденного шаром пути от параметров самого шара

2. Выяснить условия, при которых модель – шар наиболее правдиво и убедительно продемонстрирует реактивное движение ракеты.

В ходе исследования, при проведении опытов, я заполнил таблицы и строил графики, анализ результатов помог сделать мне выводы.

1. параметры воздушных шаров в испытаниях: масса, форма, резина шарика, длина горла, срок использования – различны.

Вывод: Я понял, что существует следующая зависимость: чем резина более прочная, тем шар проходит большее расстояние. И чем уже входное и выходное отверстие («горло» шара), тем расстояние, пройденное шаром, больше.

Таблица

№ Цвет Масса в граммах Пройденный путь 1 Зеленый 2,5г 335см 2 Желтый 8,2г 752см 3 Красный 4,5г 380см 4 Синий 3г 642см 5 Желтый 0,7г 437см 6 Розовый 3г 602см 7 Оранжевый 2,5г 622см

Вывод Из этой таблицы видно следующее: шары запущены под углом 30 градусов проходят большее расстояние,чем эти же шары, запущенные под углом 90градусов. Чем ширина горла меньше, тем путь под углом 30градусов больше. Чем ширина горла меньше, тем путь под углом 90градусов больше.

Выводы

1. После проведения серии экспериментов выдвинутая гипотеза подтвердилась. Однако, чтобы опыт прошел «чисто», чтобы мы воочию смогли увидеть реактивное движение необходимо, чтобы шар был достаточно новым, он должен иметь узкое входное отверстие, иметь круглую форму и эластичную резину.

2. Наиболее наглядно демонстрируется реактивное движение шара под углом в 30 градусов.

3. Желательно в качестве направляющей лучше использовать шелковую нить длиной 7 метров, натянутой под углом 10-30 градусов к горизонту.

4. Шары всегда можно приобрести в магазине, и проводить демонстрации, не опасаясь за жизнь и здоровье школьников, сидящих в кабинете физики.

Информационные источники

Громов. Учебник Физика 8 класс. М: Дрофа, 2007 г.

http:www.ourkids.ru

http:home-edu.ru

http:class-fizika.ru