Не так уж твёрд гранит науки...
У нас в Пищевом колледже уже традиционно под руководством преподавателя физики Федотовой Татьяны Александровны проводятся конференции под общим названием “Мой опыт в физике”.
Одна из таких конференций была посвящена научным открытиям Архимеда, Паскаля, Торричелли. В ней принимали участие студенты группы 15-МХД-11.
Первым выступил Данила Белов. Он говорил о том, что на медали, которую вручают математикам, отличившимся в своей научной области, начертаны слова Архимеда: “Превзойти человеческую природу и покорить Вселенную”.
Архимед – это личность, оставившая неизгладимый след более чем на две тысячи лет. Время Архимеда – это 25 веков тому назад. По счастью, до нас дошли многие из его трактатов, но мы не можем судить о деталях его биографии. Трактаты Архимеда поражают исключительной строгостью и весомостью, которые не удалось превзойти за последующие века. Они изящно построены, приятны и гармоничны для чтения. Архимед - математик, физик, инженер и астроном.
Считается, что царь Сиракуз поставил перед Архимедом задачу: определить, действительно ли корона состоит из чистого золота или мошенник-ювелир заменил часть драгоценного металла. Удивительно, но во времена Архимеда силы не умели измерять. Архимед решил задачу, сравнивая объёмы. Уравновесил корону слитком чистого золота в воздухе. Затем взвесил корону и слиток в воде. В воде равновесие не сохранилось, т.к. корона и слиток вытеснили разное количество воды – объёмы тел были разные, а массы одинаковые. Значит плотность короны и плотность слитка не равны, то есть корона сделана из сплава золота и серебра.
Фрагмент фильма об Архимеде дополнил выступление Белова Данилы и позволил студентам оценить значение работ Архимеда в истории науки. Величие Архимеда в том, что он входит в число людей, которых знает любой человек, независимо от уровня образования. Имя Архимеда в одном ряду с Галилеем, Ньютоном и Эйнштейном.
Затем фрагмент фильма о законе Архимеда озвучивается студентом: “Рассмотрим опыт по определению выталкивающей силы. Объём цилиндра равен объёму ведерка. Отметим вес этих тел в воздухе. Погрузим цилиндр в воду и соберем вытесненную воду. В воде вес уменьшился. Дольем вытесненную воду в ведерко, и вес тел восстановится. Значит, из жидкости тело выталкивается с силой, равной весу вытесненной жидкости”. После фильма Данила Белов повторил опыт по закону Архимеда для зрителей в аудитории.
Эванджелиста Торричелли (1608-1647 г.г.) –
итальянский математик и физик, ученик Галилея. С
рассказом о Торричелли выступил Голубев Георгий.
Торричелли написал трактат о движении, и Галилей
пригласил его для сотрудничества. В 1641 году
Торричелли окончательно переехал к Галилею в
Арчетри, где стал учеником и секретарем Галилея,
а после смерти Галилея (1642 г.) — его преемником
на кафедре математики и философии
Флорентийского университета.
1644 году он развил теорию атмосферного давления, доказал возможность получения так называемой “торричеллиевой пустоты” и изобрёл ртутный барометр, которым мы пользуемся до сих пор.
Фрагмент фильма иллюстрировал опыт по измерению атмосферного давления, который проводил Торричелли. По кадрам фильма опыт Торричелли комментировал Голубев Георгий. Торричелли взял трубку, запаянную с одного конца, заполнил её ртутью и закрыл пробкой. Опустил пробкой вниз в сосуд с ртутью и открыл пробку. Часть ртути вылилась из трубки. Почему не вся ртуть вылилась в чашку? Столб ртути высотой 760 мм уравновесил атмосферное давление на открытую поверхность ртути в сосуде по закону Паскаля. В трубке над ртутью “торричелливая” пустота.
“Все наше достоинство – в
способности мыслить. Только мысль возносит нас,
а не пространство и время, в котором мы – ничто”.
Блез Паскаль
Этими словами начал рассказ Абашин Павел.
Паскаль - классик французской литературы, один из основателей математического анализа, теории вероятностей и проективной геометрии, создатель первых образцов счётной техники, автор основного закона гидростатики. Паскаль отмечал также, что все явления, приписываемые ранее “боязни пустоты” на самом деле следствия давления воздуха. Он опроверг одну из основных аксиом старой физики и установил основной закон гидростатики.
Кинофрагмент, иллюстрирующий опыт Паскаля комментировал Павел Абашин: “Рассмотрим сосуд с отверстиями. В отверстия поместим трубки с каплями воды. Опустим поршень, сожмем воздух в сосуде. Давление воздуха в сосуде передается всем каплям, и они приходят в движение. Добавочное давление на газ в сосуде передается во все точки газа одинаково. Этот закон справедлив и для жидкостей”. По окончании кинофрагмента Абашин Павел повторил опыт, демонстрирующий закон гидростатики.
Паскаль формирует идею гидравлического пресса: “сосуд, наполненный водою, является новым принципом механики и новой машиной для увеличения сил в желаемой степени, потому что с помощью этого средства человек сможет поднять любую предложенную ему тяжесть”.
Демонстрируется кинофрагмент о домкрате, одновременно – рассказ: “Пресс, домкрат – любая гидравлическая машина состоит из двух цилиндров разного диаметра, соединенных между собой. Цилиндры закрыты поршнями, под поршнями налито масло. По закону Паскаля давление на одном уровне одинаковое. Действуя на малый поршень силой F1, получаем под большим поршнем силу F2, превосходящую F1 во столько раз, во сколько площадь большого поршня больше площади малого”.
Николаев Руслан – рассказ об атмосферном давлении. Он говорит: “Мы живем на планете, окруженной воздухом, т.е. атмосферой”. (На экране - кинофрагмент “Атмосфера”. В фильме показаны опыты, доказывающие наличие атмосферного давления.
В это время Гоша Зеренинов показывает опыт со с стаканом.
После опыта продолжается рассказ Руслана по картинкам: “Атмосфера Земли оказывает давление на все тела на Земле. Человек – не исключение, но он приспособился к этому. На 1 кв. см нашего тела атмосфера давит с силой 10Н, а на всю поверхность тела – 150 кН. Внутрь нашего тела входит воздух и уравновешивает атмосферное давление. Но давление в наших легких бывает выше и ниже атмосферного: при вдохе – ниже, чтобы воздух входил в легкие; при выдохе – выше атмосферного, чтобы воздух мог выйти из легких.
Давление в кровяных сосудах выше атмосферного. Кровяное давление, которое человек научился измерять, это избыточное над атмосферным. Норма для человека – 120/80 мм рт.ст..
Далее Руслан и Георгий рассказывают о том, как человек научился использовать атмосферное давление в бытовых приборах (клизма, пипетка, шприц и т.д.).
“Чтобы набрать воду в пипетку или клизму, мы уменьшаем объем воздуха внутри баллона и опускаем клизму или пипетку в воду. Отпускаем руку, объем воздуха в баллоне увеличивается, давление уменьшается, и атмосферное давление заставляет жидкость войти в сосуд.
Крючки для ванной комнаты, вантуз используют силу атмосферного давления для того, чтобы прижать к стене, поднять жидкость. На этом же основан набор жидкости в шприц, применение медицинской банки.
Георгий:
“Увеличивая давление воздуха в воздушном шаре,
помещенном в бутылку с водой, можно поднять
бутылку со дна водоёма. Шар вытеснит воду, вес
бутылки уменьшится, сила Архимеда будет больше
веса бутылки и произойдёт всплывание.
Атмосферное давление может загнать шарик в банку: облить банку горячей водой снаружи и внутри (НЕ ОБЖЕЧЬСЯ!!!). Поместить воздушный шарик на горло банки и плотно прижать к горлу. 10-20 секунд подержать. Видно, как шарик втягивается в банку.
Картезианский водолаз. Этому
занимательному опыту около трехсот лет. Его
приписывают французскому ученому Рене Декарту
(по-латыни его фамилия - Картезий). Опыт был так
популярен, что на его основе создали игрушку,
которую и назвали "Картезианский водолаз".
Прибор представлял собой стеклянный цилиндр,
наполненный водой, в которой вертикально плавала
фигурка человечка. Фигурка находилась в верхней
части сосуда. Когда нажимали на резиновую пленку,
закрывавшую верх цилиндра, фигурка медленно
опускалась вниз, на дно. Когда переставали
нажимать, фигурка поднималась вверх.
Пробирка,
трубочка и пробка – модель водолаза. Водолаз
помещается в пластиковую бутылку. Ребята сделали
такую модель и показали, как она работает. Почему
водолаз тонет? Нажимаем на бутылку, давление
внутри увеличивается, по закону Паскаля
передается по всем направлениям, загоняет воду в
пробирку. Вес пробирки увеличивается, а сила
Архимеда не изменяется и она меньше веса. Поэтому
водолаз тонет. Отпускаем руки, давление в бутылке
падает, а в пробирке воздух сжат. Сжатый воздух
выливает лишнюю воду и водолаз всплывает.
Продолжает
рассказ об атмосферном давлении Лагушкин
Александр.Магдебургские полушария - знаменитый
эксперимент немецкого физика Отто фон Герике,
демонстрирующий силу давления воздуха и
изобретённый им воздушный насос. В эксперименте
использовались “два медных полушария около 14
дюймов (35,5 см) в диаметре, полые внутри и прижатые
друг к другу”. Из собранной сферы выкачивался
воздух, и полушария удерживались давлением
внешней атмосферы.
Впервые в 1654 году фон Герике продемонстрировал эксперимент Рейхстагу в присутствии императора Фердинанда III. После выкачивания из сферы воздуха 16 лошадей, по 8 с каждой стороны, не смогли разорвать полушария.
Неизвестно,
использовались ли лошади с обеих сторон для
большей зрелищности или по незнанию самого
физика, ведь можно было заменить половину
лошадей неподвижным креплением, без потери силы
воздействия на полушария. В 1656 году Герике
повторял эксперимент в Магдебурге.
Насос и оригинальные полушария находятся в Немецком музее в Мюнхене.
Андрей Фролов рассказал о весовом давлении.. В
физике “весит” - значит ДАВИТ! На Земле жидкость
весит, значит, она давит на дно океана, реки,
сосуда. В космосе, на МКС, нет веса, жидкость не
давит на опору, нет никакого весового давления.
Но на других планетах Солнечной системы весовое
давление может быть гораздо больше, чем на Земле
– например, на Юпитере – в 2,5 раза больше!!!
Весовое давление вычисляется по простой формуле:
, если
плотность жидкости не меняется. h – высота
столба жидкости, отмеряется от её свободной
поверхности. (Показываешь на картинку указкой)
Поэтому для этих водолазов весовое давление воды
разное. Одному из них легче переносить
погружение. В древности при попытках погружения
под воду (например, в охотничьих целях) человек
мог рассчитывать только на свою выносливость и
отвагу. Ныряльщики могли дышать под водой,
опуская в него перевёрнутый котёл, в котором
оставался воздух. По сути, этот перевёрнутый
котёл был прототипом придуманного лишь в XVI веке
водолазного колокола, а в последствии –
водолазного костюма.
Андрей показал опыт с бутылкой, отметил разный напор воды и, соответственно, дальность полета струи.
После чего, он рассказал о сообщающихся сосудах, в которых, уровень однородных жидкостей всегда одинаковый. Это можно объяснить законом Паскаля – давление внутри жидкости на одном уровне всегда одинаково, значит и весовое давление должно быть одинаково. Из этого следует, что высота столба жидкости во всех сосудах равная, то есть уровень одинаковый. Но мы встречаемся с гидростатическим парадоксом, сущность которого заключается в том, что сила давления на дно сосудов не зависит от веса жидкости в сосудах, если площадь дна одинаковая. (Убедимся на опыте – идет видео). На одну и ту же площадку прикрепляются разные по форме и объему сосуды. Вес наливаемой в них жидкости разный, а сила давления – одинаковая.
После просмотра видео было сказано несколько слов по рисунку:
“Действительно, давление на дно сосуда будет зависеть только от величины площади поверхности этого дна, от высоты уровня жидкости в него налитой и от её плотности, от формы же сосуда оно зависеть не будет. Это положение известно под именем “гидростатического парадокса” и было разъяснено ещё Паскалем. Оно кажется на первый взгляд неверным, потому что в сосудах с равными доньями, наполненными до равной высоты одной и той же жидкостью, вес её будет очень различный, если формы различны. Но, вычисление и опыт (сделанный в первый раз Паскалем) показывают, что в сосуде, расширяющемся кверху, вес излишка жидкости поддерживается боковыми стенками и передается весам через их посредство, не действуя на дно, а в сосуде, суживающемся кверху, гидростатическое давление на боковые стенки действует снизу вверх и облегчает весы ровно на столько, сколько весило бы недостающее количество жидкости.
Великие физики жили в разные времена и были очень разными людьми – добрыми и злыми, аскетами и ловеласами, богословами и атеистами, но всех их объединяло желание узнать непознанное. Галилей хотел узнать - отчего качается маятник, Бойль – что будет с газом, если его сжать, Ньютон – почему яблоко падает с дерева, Фарадей – отчего поворачивается рамка с током в магнитном поле, Бор – как устроен атом, Эйнштейн - по каким законам живет Вселенная. Много веков люди задавали себе вопросы и искали на них ответы. И каждый ответ – маленький камешек, из которых создавалось здание Науки. Студенты сделали свои первые шаги...
Все участники – студенты группы 15-МХД-11 получили сертификаты и сфотографировались на память.
В заключение хочется выделить позитивные моменты такой практики, заключающейся в следующем:
- Формировать знания, которые составляют основу физики.
- Умение работать в команде, сопереживать и помогать друг другу.
- Осваивать и использовать по назначению приборы, устройства.
- Формировать обобщённые знания и уметь ими пользоваться в жизни.
От имени коллег, хочу поблагодарить Татьяну Александровну за многогранную, эстетически правильно выстроенную схему проведения внеурочных занятий, которые обеспечивают формирование общеобразовательных, общекультурных ценностей, профессиональных и образовательных компетенций.