III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ФИЗИКА НА ВОЗДУШНЫХ ШАРИКАХ
Митрошин Д.А.
Автор работы награжден дипломом победителя первой степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

Актуальность

Знакома ли вам ситуация, когда после дня рождения или какого-то другого праздника в доме появляется множество воздушных шаров? Сначала шарики детей радуют, они играют с ними, но вскоре на них перестают обращать внимание и шарики только путаются под ногами. Что с ними сделать, чтобы они не лежали без всякой цели, а принесли пользу? Конечно же, использовать в познавательной деятельности!

Вообще, воздушные шарики - прекрасный материал для демонстрации различных опытов и моделей. Было бы интересно написать книжку, в которой все физические понятия будут объяснятся через них. Ну а пока я хочу предложить вам провести больше десятка экспериментов из разных областей науки - от термодинамики до космологии, - в которых общим является реквизит: воздушные шары.

Цель: Исследовать воздушные шарики как бесценный подручный материал для наблюдения физических явлений и постановки различных физических экспериментов.

Задачи:

  1. Изучить историю создания воздушных шариков.

  2. Поставить ряд экспериментов с воздушными шариками.

  3. Проанализировать наблюдаемые явления и сформулировать выводы.

  4. Создать мультимедийную презентацию.

Объект исследования: воздушный шарик.

Методы исследования:

Теоретические: изучение литературы по теме исследования.

Сравнительно-сопоставительный.

Эмпирические: наблюдение, измерение.

Экспериментально-теоретические: эксперимент, лабораторный опыт.

Материалом данного исследования являются Интернет-источники, методические пособия по физике, учебники физики, задачники, данные архива и другая справочная литература.

Практическая значимость: результаты исследования могут быть использованы на уроках физики, на конференциях, при чтении элективных курсов и на внеклассных мероприятиях.

-3-

  1. Теоретическая часть

История создания воздушных шариков

Глядя на современные воздушные шары, многие люди думают, что эта яркая, приятная игрушка стала доступной только недавно. Некоторые, более осведомленные, считают, что воздушные шары появились где-то в середине прошлого века, одновременно с началом технической революции. На самом деле это не так. История шаров, наполненных воздухом, началась гораздо раньше. Только выглядели предки наших шариков совсем не так, как сейчас. Первые, дошедшие до нас, упоминания об изготовлении летящих в воздухе шаров встречаются в карельских рукописях. В них описывается создание такого шара, сделанного из кожи кита и быка. А летописи XII века рассказывают нам о том, что в карельских поселках воздушный шар имела практически каждая семья. Причем именно с помощью таких шаров древние карелы частично решали проблему бездорожья - шары помогали людям преодолевать расстояния между населенными пунктами. Но такие путешествия были достаточно опасными: оболочка из шкур животных не могла выдерживать давление воздуха долгое время – то есть, говоря другими словами, эти воздушные шары были взрывоопасными. И вот, в итоге, от них остались только легенды. Но не прошло и 7 столетий с той полумифической эпохи, как в Лондоне профессором Майклом Фарадеем были изобретены резиновые воздушные шары. Ученый изучил эластические свойства каучука – и соорудил из этого материала две «лепешки». Для того чтобы «лепешки» не слипались, Фарадей обработал их внутренние стороны мукой. И после этого пальцами склеил их необработанные, оставшиеся липкими края. В итоге получилось нечто вроде мешочка, который можно было использовать для опытов с водородом. Лет через 80 после этого научный мешочек для водорода превратился в популярную забаву: каучуковые шары широко использовались в Европе во время городских праздников. За счет наполнявшего их газа они могли подниматься вверх – и это очень нравилось публике, еще не избалованной ни воздушными полетами, ни другими чудесами техники. Но эти воздушные шарики чем-то походили на своих легендарных предшественников: в них применялся водород (а он, как известно, газ взрывоопасный). Но, тем не менее, к водороду все привыкли – благо, что особых бед от шариков с этим газом не было вплоть до 1922 года. Тогда в США на одном из городских праздников некий шутник ради забавы взорвал художественное оформление праздника – то есть воздушные шарики. В результате этого взрыва пострадал чиновник, и поэтому органы правопорядка отреагировали достаточно оперативно. Забаву, оказавшуюся достаточно опасной,

-4-

наконец-то прекратили, запретив наполнять воздушные шарики водородом. От этого решения никто не пострадал – место водорода в шариках моментально занял гораздо более безопасный гелий. Этот новый газ поднимал шарики вверх ничуть не хуже, чем это делал водород. В 1931 году Нейлом Тайлотсоном был выпущен первый современный, латексный воздушный шарик (полимер латекс получают из водных дисперсий каучуков). И с тех пор воздушные шарики наконец-то смогли измениться! До этого они могли быть только круглыми – а с приходом латекса впервые появилась возможность создавать длинные, узкие шарики. Это новшество немедленно нашло применение: дизайнеры, оформляющие праздники, стали создавать из шаров композиции в виде собак, жирафов, самолетов, шляп… Компания Нейла Тайлотсона продавала через почту миллионы комплектов шаров, предназначенных для создания смешных фигурок. Качество воздушных шариков в то время было далеко не таким, как сейчас: при надувании шарики теряли часть своей яркости, они были непрочными и быстро лопалось. Поэтому воздушные шарики медленно утрачивали свою популярность – то, что они могут летать в воздухе, в двадцатом веке уже не казалось таким чудесным и интересным.Поэтому, еще задолго до конца 20 века, воздушные шарики стали раскупаться только для городских и детских праздников. Но изобретатели не забывали о воздушных шариках, работали над их улучшением. И ситуация изменилась. Сейчас промышленность выпускает такие шарики, которые не теряют цвет при своем надувании – и вдобавок стали гораздо более прочными, долговечными. Поэтому сейчас воздушные шарики вновь стали очень популярны – дизайнеры охотно используют их при оформлении разнообразных праздников, концертов, презентаций. Свадьбы, дни рождения, общегородские праздники, PR-компании, шоу… - обновленные, яркие шары везде на месте. Вот такая интересная, давняя история у простой, с детства знакомой нам забавы.

-5-

  1. Практическая часть

Эксперимент №1

Качественное сравнение плотностей воды – горячей, холодной и соленой

Если исследовать не смешивающиеся и не вступающие в химическую реакцию жидкости, то достаточно просто слить их в один прозрачный сосуд, допустим, пробирку. О плотности можно судить по расположению слоев: чем ниже слой, тем выше плотность. Другое дело, если жидкости смешиваются, как, например, горячая, холодная и соленая вода.

Мы сравниваем поведение шариков, наполненных водой горячей, холодной и подсоленной в, соответственно, горячей, холодной и подсоленной воде. В результате опыта мы можем сделать вывод о плотностях этих жидкостей.

Оборудование: три шарика разных цветов, трехлитровая банка, холодная, горячая и соленая вода.

Ход эксперимента

  1. Наливаем три порции разной воды в шарики – в синий горячую,

в зеленый холодную и в красный соленую воду.

2.Наливаем в банку горячую воду, помещаем туда по очереди шарики (Приложение №1).

3.Наливаем в емкость холодную воду, снова помещаем туда по очереди все шарики.

4.Наливаем в банку соленую воду, наблюдаем за поведением шариков.

Вывод:

1. Если плотность жидкостей различна, то жидкость с меньшей плотностью всплывает над жидкостью с большей плотностью, то есть

горячей воды < холодной воды < соленой воды

2. Чем больше плотность жидкости, тем больше ее выталкивающая сила:

FА=Vg; так как V и g постоянны FА зависит от величины .

Эксперимент №2

Худеющий и толстеющий шарик.То, что различные тела и газы расширяются от тепла и сжимаются от холода, можно легко продемонстрировать на примере воздушного шара.В морозную погоду возьмите с собой на прогулку воздушный шар и там туго надуйте его. Если потом внести этот шарик в теплый дом, то он, скорее всего, лопнет. Это произойдет из-за того, что от тепла воздух внутри шара резко расширится и резина не выдержит давления.

Оборудование: воздушный шарик, сантиметровая лента, холодильник, кастрюля с горячей водой

Ход эксперимента

Задание № 11. Надуваем в теплой комнате воздушный шарик.

-6-

2. С помощью сантиметровой ленты измерили его окружность (у нас получилось 80,6 см).

3. После этого положили шарик в холодильник на 20-30 минут.

4. Снова измерили его окружность. Мы обнаружили, что шарик "похудел" почти на сантиметр (в нашем опыте он стал 79,7 см). Это произошло из-за того, что воздух внутри шарика сжался и стал занимать меньший объем.

Задание № 2

1 С помощью сантиметровой ленты измерили окружность воздушного шарика (у нас получилось 80,6 см).

2.Кладем шарик в миску и обливаем его горячей водой из банки.

3.Измеряем новый объем шарика. Мы обнаружили, что шарик "потолстел" почти на сантиметр (в нашем опыте он стал 82 см). Это произошло из-за того, что воздух внутри шарика расширился и стал занимать больший объем.

Вывод: воздух, содержавшийся в шарике, при охлаждении сжимается, а при нагревании расширился, что доказывает наличие теплового расширения. Давления газов зависит от температуры. При уменьшении температуры, уменьшается давление воздуха в шарике, т.е. уменьшается объём шарика. При увеличении температуры, увеличивается давление воздуха в шарике, что доказывает зависимость объема и давления газов от температуры.

.

Эксперимент №3

«Шарик в банке»

Оборудование: шарик, трехлитровая банка, горячая вода.

Ход эксперимента.

1. Наливаем в шарик воду так, чтобы он не проходил в горлышко банки.

2. Наливаем в банку горячую воду, болтаем и выливаем ее. Оставляем банку на 5 минут.

3. Кладем шарик, наполненный водой, на банку. Ждем 20 минут. Шарик падает в банку

Вывод:так как шарик, наполненный водой и больший по диаметру, чем горлышко банки, провалился внутрь, значит, имеет место разница давлений: теплый воздух внутри банки имеет меньшую плотность, чем атмосферный воздух, давление внутри меньше; следовательно, большее атмосферное давление способствует проникновению шарика в банку.

-7-

Эксперимент №4

«Воздушный парадокс»

Этот опыт ставит многих в тупик.

Оборудование: два одинаковых воздушных шарика, трубочка длиной 10–30 см и диаметром 15–20 мм (на неё должен туго надеваться шарик). два воздушных шарика, по-разному надутых, трубка из пластика, подставка.

Ход эксперимента.

1. Несильно и НЕ ОДИНАКОВО надуваем шарики.

2. Натягиваем шарики на противоположные концы трубки. Чтобы шарики при этом не сдувались, перекручиваем их горловины.

3.Раскрываем горловины для свободного сообщения воздуха между шариками.

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. (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.

Вывод: давление газа внутри сферы тем больше, чем меньше ее радиус.

Эксперимент № 5

Шарик - йога

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.

Оборудование: доска с гвоздями, воздушный шарик, доска, гиря, два штатива.

Ход эксперимента.

1. На доску с гвоздями положить воздушный шарик и надавить его рукой сверху.

2. Надавливаем на шарик предварительно измеренным грузом.

3. Наблюдаем за поведением шарика.

-8-

Наблюдения: шарик остается цел. А все дело в площади опоры! Чем больше гвоздей, тем больше точек опоры для тела (т.е. больше площадь поверхности, на которую тело опирается). И вся сила распределяется по всем гвоздям так, что на отдельно взятый гвоздь приходится слишком мало силы для прокола шарика.

Вывод: давление распределяется равномерно по всей поверхности шарика, и до определенного момента давление это для шарика безобидно.

Эксперимент № 6

Индикатор электростатического поля

Информация. Электростатические поля удобно исследовать с помощью индикаторов, позволяющих оценить направление и величину кулоновской силы в каждой точке поля. Простейший точечный индикатор представляет собой лёгкое проводящее тело, подвешенное на нити. Раньше для изготовления лёгкого шарика рекомендовали использовать сердцевину ветки бузины. В настоящее время бузину целесообразно заменить пенопластом. Возможны и другие решения проблемы.

Задание. Разработать конструкцию и изготовить простейший индикатор электростатического поля. Экспериментально определить его чув­ствительность.

Ход эксперимента.

1. Из кусочка резины от детского воздушного шара выдуваем резиновый шарик 1 диаметром 1–2 см. Шарик привяжем к шёлковой нити 2, которая укреплена к резиновой пробке.

2. Поверхность шарика натираем до характерного металлического блеска графитовым порошком от грифеля мягкого простого карандаша.

3. Шарик зарядили от потёртой мехом эбонитовой палочки.

4. Ввели индикатор в поле сферического заряда и по величине действующей силы оцените чув­ствительность индикатора.

Вывод: маленький резиновый шарик, покрытый проводником является точечным индикатором электрического поля.

-9-

Эксперимент № 7

Шарик и кораблик

Оборудование: бумажный кораблик, металлическая пластмассовая крышка,

сосуд с водой.

Ход эксперимента.

1. Делаем бумажный кораблик и пускаем его на воду.

2. Электризуем шарик и подносим к кораблику.

Наблюдение. Кораблик последует за шариком.

3. Опускаем металлическую крышку на воду.

4.Электризуем шарик и подносим к крышке, не касаясь её.

Наблюдение. Металлическая крышка плывёт в сторону шарика.

5. Опускаем на воду пластмассовую крышку.

6. Электризуем шарик и подносим к крышке, не касаясь её.

Наблюдение. Тяжёлая крышка плывёт за шариком.

Вывод: В электрическом поле шарика бумага и пластмасса поляризуются и притягиваются к шарику. В металлической крышке также индуцируется заряд. Поскольку сила трения на воде незначительна, то кораблики легко приходят в движение

Эксперимент № 8

Попрыгунчики

Оборудование: воздушный шарик, мелко нарезанная металлическая фольга, лист картона.

Ход эксперимента.

1. Насыпаем на лист картона мелко нарезанную металлическую фольгу.

2. Электризуем шарик и подносим к фольге, но не касаемся её.

Наблюдение. Блёстки ведут себя как живые кузнечики-попрыгунчики. Подскакивают, касаются шарика и тут же отлетают в сторону.

Вывод:Металлические блёстки электризуются в поле шарика, но при этом остаются нейтральными. Блёстки притягиваются к шарику, подпрыгивают, при касании заряжаются и отскакивают как одноимённо заряженные.

-10-

Эксперимент № 9

Воздушный поцелуй по закону Бернулли

Оборудование: 2 воздушных шарика, 2 нитки длинной 1 м.

Ход эксперимента.

1.Надуваем шарики до одинакового размера и привязываем к каждому нитку.

2.Берём шарики за нитку правой и левой рукой так, чтобы они висели на одном уровне на некотором расстоянии друг от друга.

3.Не касаясь шариков руками, попробуйте соединить их.

Объяснение. Из закона Бернулли следует, что давление в струе воздуха ниже, чем атмосферное. Сила атмосферного давления с боков сблизит шарики.

Эксперимент № 10

Испытание на тепловую прочность

Оборудование: шарик и свеча

Ход эксперимента.

• Наливаем в шарик воды и вносим шарик с водой в пламя свечи.

Наблюдение. Резина только коптится.

Объяснение. Температура оболочки, пока в ней есть вода, не будет подниматься выше 100 °С, т.е. не достигнет температуры горения резины.

-11-

Эксперимент № 11

Как работают лёгкие?

Оборудование: пластиковая бутылка, воздушный шарик №1, воздушный шарик №2 ( вместо него я использовал целофановый пакет), скотч.

Ход эксперимента.

1.Отрезаем дно пластиковой бутылки

2.Помещаем воздушный шарик внутрь бутылки и натягиваем его на горлышко.

3.Отрезанную часть затягиваем тлёнкой от другого воздушного шарика (или целофановым пакетом) и закрепить скотчем.

4.Оттягиваем плёнку – шарик надувается, надавливаем на плёнку – шарик сдувается.

Объяснение. 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.

Эксперимент № 12

Воздушный шарик в качестве реактивного двигателя

Оборудование: воздушный шарик, трубочка, канцелярская резинка, скотч, машина.

Ход эксперимента.

1.Воздушный шарик надо закрепить на одном конце трубки при помощи канцелярской резинки.

2. Второй конец трубки надо закрепить на корпусе машинки при помощи скотча так, чтобы была возможность надувать шарик через трубку.

3. Модель готова, можно запускать! Для этого нужно через трубку надуть шарик, зажать пальцем отверстие трубки и поставить машинку на пол. Как только вы откроете отверстие, воздух из шарика станет вылетать и толкать машинку. -12-

Объяснение. Эта наглядная модель демонстрирует принцип работы реактивных двигателей. Принцип ее работы в том, что струя воздуха, вырывающаяся из шарика, после того, как его надули и отпустили, толкает машинку в противоположном направлении.

3.Заключение

На воздушных шариках можно изучать законы давления тел и газов, тепловое расширение (сжатие), теплопроводность, плотность жидкостей и газов, закон Архимеда; электризацию тел можно даже сконструировать приборы для измерения и исследования физических процессов.

Опыты, проведенные в данной исследовательской работе, доказывают, что шарик – отличное пособие для изучения физических явлений и законов. Использовать эту работу можно в школе на уроках при изучении разделов «Первоначальные сведения о строении вещества», «Реактивное движение», «Давление твердых тел, жидкостей и газов», «Тепловые и электрические явления». Собранный исторический материал применим на занятиях кружка по физике и внеклассных мероприятиях.

Созданная на основе практической части компьютерная презентация поможет школьникам быстрее понять сущность изучаемых физических явлений, вызовет большое желание проводить эксперименты с помощью простейшего оборудования.

Очевидно, что наша работа способствует формированию неподдельного интереса к изучению физики.

4.Литература

  1. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.demaholding.ru

  2. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.genon.ru

  3. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.brav-o.ru

  4. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.vashprazdnik.com

  5. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.aerostat.biz

  6. [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.sims.ru

  7. Туркина Г. Физика на воздушных шариках. // Физика. 2008. №16.

с.25-30.