Автор: Туркина Галина Федоровна, ГОУ ЦО «Технологии обучения. Школа дистанционной поддержки образования детей с ограниченными возможностями по здоровью», г. Москва, учитель физики, руководитель детского научно-познавательного клуба «Маленькие находчивые из i-Школы»
«Наука должна быть веселая,
увлекательная и простая»
П. Л. Капица
Ниже приведен фрагмент занятий «Физика на воздушных шариках»
Воздушные шарики – бесценный подручный материал для наблюдения физических явлений и постановки различных физических экспериментов. Опыты с ними яркие, наглядные, простые в исполнении, легко повторяемые, не несут существенных материальных затрат.
Испытание воздушного шарика на прочность
Попробуйте иголкой проткнуть воздушный шарик, чтобы он не лопнул с шумом.
Подсказка: Это можно сделать тремя способами!
- с боков, где резина сильно растянута, приклеить кусочек скотча и проколоть шарик в этом месте – такой трюк проделывают клоуны в цирке;
- там, где резина наиболее толстая, т.е. «на макушке»;
- там, где резина не натянута – где нитка.
Примечание: Отверстие от иголки настолько маленькое, что шарик сдувается незаметно. После удачных экспериментов проколите шарик насквозь спицей или острой деревянной палочкой.
Изучаем давление
Опыт «Шарик-йог»
Мы настолько привыкли к тому, что надутый шарик, попав на остриё, с шумом лопается, что шарик на гвоздях под тяжестью груза воспринимается нами как сверхъестественное явление. Тем не менее, это факт…
Вам понадобится: аппликатор (Кузнецова, Ляпко) или доска с равномерно набитыми гвоздями (через каждый сантиметр).
- Надуваем воздушный шарик и кладем его на острия аппликатора Кузнецова.
- Осторожно сверху надавливаем на шарик. Увеличиваем нажим. Хватит ли у вас сил, чтобы он лопнул?
Наблюдение: Самое удивительное, что шарик, лежащий на остриях, только сплющивается под нажимом, но не лопается!
Объяснение: Из-за большого количества острых концов, с которыми соприкасается шарик, давление на оболочку шарика оказывается незначительным, допустимым для тонкой резины. Воздушный шарик на гвоздях выдерживает 60 Н (груз массой 6 кг)!
Опыт «Воздушный парадокс»
Если соединить два воздушных шарика, надутых до разных размеров, трубочкой, то воздух будет перетекать из одного в другой. Из какого шарика в какой?
Этот опыт ставит многих в тупик.
Понадобятся два одинаковых воздушных шарика, трубочка длиной 10–30 см и диаметром 15–20 мм (на неё должен туго надеваться шарик).
- Несильно и неодинаково надуваем шарики.
- Натягиваем шарики на противоположные концы трубки. Чтобы шарики при этом не сдувались, перекручиваем их горловины.
- Раскручиваем горловины – шарики свободно сообщаются между собой через трубку.
Наблюдение: Воздух перетекает из одного шарика в другой.
Но … маленький шарик надувает большой!
Объяснение: Многие считают, что раз масса воздуха больше в шарике большего размера, то этот шарик будет сдуваться и надувать маленький шарик. Но такое рассуждение ошибочно. Причина наблюдаемого явления в давлении внутри шарика. Давление газа зависит от кривизны поверхности, т.е. от радиуса сферы: чем меньше радиус, тем больше давление. (Вспомним сообщающиеся сосуды – вода перетекает не из того сосуда, где меньше воды, а из того, где давление больше.) Кроме того, все знают, как трудно начинать надувать шарик, но когда «мёртвая» точка преодолена, дальше он надувается легко. Следовательно, и упругость резины играет немаловажную роль.
Примечание: Можно наблюдать и такой результат: маленький шарик «не хочет» сдуваться и надувать большой. По-видимому, в этом случае упругость резины играет ведущую роль.
Опыт «Воздушный поцелуй»
Один из основных законов гидро- и аэродинамики – закон Бернулли: чем выше скорость воздушного потока, тем меньше в нём давление.
- Надуваем два воздушных шарика до одинакового размера и привязываем к каждому нитку длиной около метра.
- Берём шарики за нитки правой и левой рукой так, чтобы они висели на одном уровне на некотором расстоянии друг от друга.
- Не касаясь шариков руками, попробуйте соединить их.
Подсказка: Решение предельно простое, но не очевидное – подуйте между шариками сверху, снизу или сбоку – значения не имеет.
Объяснение: Из закона Бернулли следует, что давление в струе воздуха ниже, чем атмосферное. Сила атмосферного давления с боков сблизит шарики.
Изучаем газовые законы
- Закон Бойля-Мариотта
Газовый закон, независимо открытый английским ученым Бойлем и французским ученым Мариоттом: при неизменной массе и температуре давление газа обратно пропорционально его объему.
Опыт “Модель работы легких»
Как дышит человек?
Диафрагма опускается – вдох, поднимается – выдох. Сделаем модель лёгких и посмотрим на её работу глазами физика.
- Отрезаем дно пластиковой бутылки.
- Помещаем воздушный шарик внутрь бутылки и натягиваем его на горлышко.
- Отрезанную часть бутылки затягиваем плёнкой от другого воздушного шарика (разрезаем его ножницами) и закрепляем скотчем.
Оттягиваем плёнку – шарик надувается, надавливаем на плёнку – шарик сдувается.
Объяснение: В нашем опыте объём воздуха внутри бутылки оказывается изолированным. При оттягивании плёнки этот объём увеличивается, давление уменьшается и становится меньше атмосферного. Шарик внутри бутылки надувается воздухом атмосферы. При надавливании на плёнку объём воздуха в бутылке уменьшается, давление становится больше атмосферного, шарик сдувается. Так же работают и наши лёгкие. Резиновая пленка имитирует диафрагму, воздушный шарик – лёгкие. Резиновая пленка-диафрагма опускается (оттягивается) – вдох, поднимается – выдох.
Опыт «Шарик в бутылке»
Возможно ли надуть воздушный шарик, натянутый на горлышко бутылки даже если она двухлитровая?
- Помещаем шарик внутрь бутылки и натягиваем его на горловину.
- Пробуем надуть шарик.
Наблюдение: Надуть шарик в бутылке, практически, невозможно!
Объяснение: При увеличении объёма шарика воздух, объём которого в бутылке изолирован, сжимается, давление увеличивается. Только человек с мощными лёгкими (певец, пловец) может отчасти справиться.
- Делаем шилом отверстие в бутылке ближе ко дну.
- Пытаемся ещё раз надуть шарик. Получается!
- Когда шарик надуется, закрываем пальцем отверстие.
Наблюдение: В бутылке с отверстием шарик можно надуть. Если отверстие в бутылке перекрыть, шарик остается надутым!
- Отрезаем донышко у пластиковой бутылки.
- Пытаемся снова надуть шарик.
Наблюдение: Шарик легко надувается.
- Закон Шарля
Газовый закон, открытый французским учёным Шарлем, утверждает: чем выше температура газа при постоянном давлении и неизменной массе, тем больший объём он занимает.
Опыт «Как шарик в банку попал»
Может ли шарик, размеры которого больше горлышка банки, проникнуть в нее?
Первый способ:
- Надеваем шарик на водопроводный кран и наливаем в него воды так, чтобы размер шарика с водой стал немного больше горловины стеклянной банки. Надёжно завязываем шарик.
- Поджигаем листок бумаги и бросаем в большую (двух или трехлитровую) банку.
- Кладём шарик на горловину банки.
Наблюдение: Пламя в банке гаснет. Шарик втягивается в банку.
Второй способ:
- Наливаем в банку горячей воды из чайника.
- Выливаем воду и тут же кладём шарик с водой на горловину банки.
Наблюдение:
Шарик забавно втягивается в банку.
Примечание: Последний опыт протекает медленнее первого.
Объяснение: В первом опыте воздух в банке нагревает горящая бумага. Когда на банку кладут шарик, он перекрывает доступ кислорода, горение прекращается. Плотность горячего воздуха меньше плотности холодного. Воздух в банке быстро остывает, его плотность увеличивается, объём уменьшается – шарик втягивается в банку.
Во втором опыте горячая вода нагревает банку, а банка нагревает воздух. Банка с воздухом быстро остывает, и тяжёлый шарик засасывается внутрь. Опыт можно проводить с шариком, надутым воздухом, но тогда он получается не таким ярким.
Изучаем электрические явления
Опыты по электростатике с воздушными шариками ярки и зрелищны – резина является хорошим диэлектриком, легко электризуется, на шарике накапливается большой заряд.
Опыт «Электричество из головы»
Самый простой способ наэлектризовать воздушный шарик – это потереть его о волосы. Дальше начинаются эксперименты со статическим электричеством. Опыты по электростатике лучше проводить в сухую погоду. При высокой влажности заряд быстро стекается, не все опыты получаются.
- Надуваем шарик и завязываем его.
- Электризуем шарик, потерев его о волосы.
- Приподнимаем шарик над головой.
Наблюдение: За шариком тянутся волосы, что хорошо чувствуется.
- Электризуем шарик ещё раз.
- Кладём шарик на письменный (деревянный) стол наэлектризованной стороной вверх.
Наблюдение: Шарик мгновенно переворачивается и ложится на стол заряженной стороной. При попытке вернуть его в прежнее положение он переворачивается снова.
- Электризуем шарик снова.
- Прижимаем шарик наэлектризованной стороной к вертикальной стене или к потолку.
Наблюдение: Шарик прилипает к стене надолго – в сухую солнечную погоду он может провисеть час.
Объяснение: При натирании шарика о голову электроны переходят с волос на резиновую оболочку шарика. Шарик заряжается отрицательно, волосы – положительно. Разноименно заряженные тела притягиваются, поэтому волосы тянутся к шарику.
Заряженный шарик создает вокруг себя электрическое поле, которое воздействует на стол, стену, потолок – наводит заряд противоположного знака. Мы наблюдаем электризацию через влияние. Разноимённо заряженные тела притягиваются, что мы и наблюдаем.
Примечание: Существенно, чтобы волосы были чистыми, без косметических средств (лака, геля). Опыты по электризации проводят в сухую погоду, т.к. влажный воздух хороший проводник, и заряд на шарике не будет накапливаться.
Опыт «Соляные столбики»
- Насыпаем на лист картона небольшую горку поваренной соли.
- Надуваем и электризуем воздушный шарик.
- Подносим наэлектризованный шарик к горке поваренной соли.
Наблюдение: Маленькие кристаллики соли выстраиваются в вертикальные столбики, тянутся «ниточками» к шарику.
Объяснение: Поваренная соль – полярный диэлектрик. Под действием электрического поля наэлектризованного шарика происходит смещение положительных и отрицательных связанных зарядов молекулы в противоположные стороны. Со стороны заряженного шарика всегда образуется в кристаллике соли противоположный по знаку заряд. Кристаллики соли притягиваются к шарику, пристраиваясь один к другому.
Примечание: Кристаллики сахарного песка внешне напоминают поваренную соль, но молекула сахара неполярная, поэтому слабее поляризуется. Кроме того, кристаллики сахара крупнее, более тяжёлые, что не позволяет получить хороших столбиков.
Продолжите эксперименты с другими веществами, такими как мука, мелко нарезанная металлическая фольга, силиконовыми шариками. Вы будете наблюдать любопытные вещи …
Опыт « Кораблики»
- Делаем бумажный кораблик и пускаем его на воду.
Электризуем шарик и подносим к кораблику
Наблюдение: Кораблик последует за шариком.
- Опускаем металлическую крышку на воду.
Электризуем шарик и подносим к крышке, не касаясь её.
Наблюдение: Металлическая крышка плывет в сторону шарика.
- Опускаем на воду пластмассовую крышку
Электризуем шарик и подносим к крышке, не касаясь её.
Наблюдение: Тяжелая пластмассовая крышка плывет за шариком.
Объяснение: В электрическом поле шарика бумага и пластмасса поляризуются и притягиваются к шарику. Поскольку сила трения на воде незначительна, то кораблики легко приходят в движение. В металлической крышке также индуцируется заряд.
Изучаем закон Архимеда
Эти эксперименты лучше проводить на берегу водоёма летним днём в хорошую погоду или, на худой конец, в ванной комнате или в большом тазу. Опыт веселее проходит в компании друзей. Вам понадобятся несколько шариков.
- Надуйте шарики до разного размера. Они лёгкие и плавают на поверхности воды.
- Попытайтесь утопить шарики.
Это весёлое, но трудное задание. У вас может не хватить силёнок, чтобы утопить большой шар. Когда «победите» выталкивающую силу, проведите расчёт и оцените свою силу: FА = ρgV = ρg · 4/3 ·R).
Об опытах
Идеи некоторых опытов взяты из выступлений коллег («Шарик-йог», С.Н. Кириллов), из литературы («Как шарик в банку попал», Майер)
Есть авторские опыты, придуманные детьми («Соляные столбики», Корешков П., 6 класс, «Кораблики» Иванов А., 6 класс).
Научно-познавательный клуб «Маленькие находчивые» – это то место, куда без принуждения приходят дети разного возраста (от 1 до 11 классов), разных способностей (как успешные в учебе, так и не очень), разных возможностей по состоянию здоровья (много детей с диагнозом ДЦП).
Что так привлекает детей к занятиям?
- Занимательно и просто изучаются законы природы.
- Все участвуют в увлекательных экспериментах, делая собственную установку, самостоятельно повторяя опыт и ни кто не выступает просто зрителем.
- При обсуждении результатов работы свое мнение высказывают все.
- От занятия к занятию у детей появляется навык постановки эксперимента, вырабатывается наблюдательность, умение формулировать и высказывать свои мысли, научно отстаивать свое мнение, умение слушать своих товарищей и вести научный спор.
- Появляются знания.
- Занятия всегда проходят весело и интересно.
- Каждый ребенок чувствует себя успешным.
- От простых опытов дети переходят к проектной деятельности.
- Это как индивидуальные проекты, так и коллективные.
- Темы проектов разнообразны. Например,«Бумага преподносит сюрпризы», «Со спичками не шутят», «Какого цвета тень?», «Мой брат волшебник», «Мыльные пузыри и пленки», «Капелька жидкости», «Очевидное-невероятное», «Живопись глазами физика», «Мир звука» и другие.
- Надо отметить, что многие проекты учащимися выполнены как мультимедийные.
Есть работы, опубликованные в журналах «Наука и жизнь», «Юный техник», газете «Первое сентября. Физика».
Со своими проектами ребята участвуют в научно-технических конференциях и выставках, фестивалях увлекательной науки. Масштабы участия от школьных выступлений, до городских, всероссийских и даже международных выставок. Грамоты, дипломы, медали.
Успех окрыляет детей, особенно тех, чьи возможности по состоянию здоровья, ограничены.