Методическое пособие «Создание комплекта простые механизмы»
Скачать презентацию (5.28 МБ)
Целью данной работы является обобщение и распространение педагогического опыта, способствующего совершенствованию и оптимизации образовательного процесса на уроках физики в 7-м классе при изучении темы «Простые механизмы». Работа содержит рекомендации по созданию комплекта «Простые механизмы» и его использованию на уроках физики.
При создании комплекта частично использовались видеоматериалы сайта «GetaClass», которые были доработаны, дополнены, а возникшие проблемы устранены.
1. Равноплечий рычаг
Рычаг и стойку изготавливаем из деревянных реек, подставку – из деревянной доски (слайд 7). В качестве держателей для грузов можно использовать канцелярские зажимы (их легко перемещать на нужное расстояние). В качестве грузов – футляры от «Киндер-сюрпризов», заполненные металлическими предметами или песком. Грузы должны быть одинаковой массы (с учётом погрешности), определяемой с помощью весов. Для предотвращения раскрытия футляров, снаружи используют самоклеющуюся плёнку или изоленту.
Для демонстрации опыта Архимеда по проверке правила рычага, можно использовать планки из пеноплекса (очень лёгкие), а к верхним концам нити привязать бусины, чтобы нити, за которые подвешиваются грузы, не прошли сквозь пеноплекс. К центральным грузам в нижней части пеноплекса нужно привязать зубочистку или спичку, что позволит уменьшить давление нити на пеноплекс и придаст прочность конструкции.
При проведении опыта Архимеда по изучению правила рычага, на равные расстояния друг от друга подвешивают 10 грузов одинаковой массы – 7 красных и 3 синих (слайд 4). С помощью лёгких планок из пеноплекса собирают в единую группу синие грузы, а затем красные. Равновесие рычага сохраняется. Придерживая рукой планки, перерезают в каждой группе все нитки, кроме центральных. Рычаг по-прежнему уравновешен. При этом, 7 грузов на плече в 3 единицы уравновешивают 3 груза на плече в 7 единиц.
Для любого числа грузов доказательство проводится аналогичным образом, но если количество грузов чётное, положение точки подвеса можно определить методом «Балка на двух опорах».
На вопрос: «Как получилось, что грузы пропорциональны своим плечам?», можно дать следующее объяснение:
Каждое плечо рычага было разделено на 10 частей. И в группе 3-х грузов мы убрали 3 такие части, а в группе 7 грузов – 7 таких частей, поэтому слева из 10 частей осталось 7, а справа - 3. Если заменить 3 груза одним в 3 единицы и 7 грузов одним в 7 единиц, то и получается, что груз весом 3 единицы висит на плече в 7 единиц, а груз весом 7 единиц висит на плече в 3 единицы.
Закрепление и контроль знаний может быть проведён в форме решения экспериментальных задач с элементами проблемного обучения (см. презентацию).
2. Неравноплечий рычаг
Если центр масс рычага не совпадает с осью вращения, то можно получить рычаг, на котором с одной стороны вообще нет грузов (слайд 8), но рычаг находится в равновесии. Это объясняется тем, что сам рычаг тоже имеет вес. Когда центр тяжести рычага совпадал с осью вращения, рычаг был в равновесии. Когда ось вращения не совпадает с центром тяжести рычага, центр тяжести перевешивает. Для того, чтобы его уравновесить, нужно к другой стороне рычага прикрепить груз.
Чтобы определить вес рычага, нужно в формуле для правила рычага в качестве второго плеча взять расстояние от оси подвеса до центра тяжести рычага.
На слайде 10 показан безмен или весы с бегунком. На одной стороне висит чаша для взвешиваемого предмета. По другой стороне может перемещаться бегунок, к которому прикреплён груз. Бегунок изготовлен из пеноплекса, чаша – пластмассовый стаканчик, подвешенный на капроновых нитях к канцелярскому зажиму. Её плечо примем за единицу измерения длины.
Вес груза вместе с бегунком примем за единицу измерения веса. Положение бегунка, при котором рычаг находится в равновесии отмечено цифрой 0.
Груз единичного веса положим на чашу весов. Слева на рычаг действует избыточный момент, равный 1 и направленный против часовой стрелки. Чтобы рычаг был в равновесии, нужно справа увеличить момент на единицу. Менять груз на бегунке мы не можем, поэтому смещаем груз на единичное расстояние вправо. Если в чашу положим ещё один единичный груз, плечо нужно будет ещё увеличить на единицу.
3. Блок
Для доказательства того, что блок – это разновидность рычага, торцы колеса блока изготавливают из картона, после загибания которых убеждаются, что блок – это разновидность рычага (слайд 11). Такой же вывод можно сделать, если приклеить переброшенную через блок верёвку к самому блоку, а потом удалить часть блока так, чтобы от него остался только брус, к которому прикреплены концы верёвки. Этот брус и будет равноплечим рычагом, поэтому приложенные к концам этого рычага силы будут равны между собой.
4. Ворот
Ворот является разновидностью рычага. С помощью обычного рычага груз можно поднять лишь на ход плеча, а с помощью ворота - насколько хватит верёвки. Для изготовления рукоятки ворота может использоваться ручка от старой мясорубки (слайд 12). Чтобы катушка не прокручивалась, её можно скрепить со стержнем с помощью двустороннего скотча.
В качестве груза можно использовать двух килограммовую гирю. В этом случае учащиеся «на себе» почувствуют существенный выигрыш в силе при подъёме гири с помощью ворота. Плечо силы, которую мы прикладываем – это расстояние от оси до рукоятки, а плечо груза – это расстояние от оси до наматываемой верёвки, т.е. радиус барабана. Подсчитать выигрыш в силе без учёта трения можно, найдя отношение плеч ворота. Второй способ подсчёта аналогичен первому и основан на применении «Золотого правила» механики. Для этого нужно найти отношение пути, который проходит рукоятка ворота за один оборот, к длине того куска верёвки, который за один оборот накручивается на вал. Третий способ нахождения выигрыша в силе –найти отношение силы, действующей на рукоятку к весу груза. Учащимся предлагается самостоятельно найти выигрыш с помощью представленных моделей.
5 Двойной блок
Двойной блок состоит из двух барабанов, закреплённых на общей оси. Если потянуть за верёвку, которая разматывается с большого барабана (слайд 13), то начнёт вращаться и малый барабан, наматывая на себя другую верёвку, при этом груз начнёт подниматься.
Для изготовления двойного блока хорошо подходят катушки от рыболовных лесок. Груз – футляр от «Киндер-сюрприза» с наполнителем. Скрепить катушки между собой можно двусторонним скотчем.
Плечо груза равно радиусу малого барабана. А плечо силы, с которой мы тянем за верёвку равно радиусу большого барабана. Отношение этих радиусов равно максимальному выигрышу в силе. Выигрыш в силе можно определить и с помощью безмена (кухонных весов) – аналог динамометра.
Учащимся предлагается самостоятельно определить выигрыш в силе теоретически (слайд 15) и экспериментально, а затем сравнить полученные результаты, объяснить незначительное расхождение (если имеется).
6. Редуктор
При использовании нескольких двойных блоков (например, в редукторе), выигрыш в силе равен отношению радиусов парных блоков, в степени, равной количеству блоков, с учётом силы трения. Согласно «золотому правилу механики», таким же будет проигрыш в перемещении нитей. На рисунке 1 отношение радиусов равно 4, значит, максимальный выигрыш в силе равен 64 раза. Учащиеся убеждаются в этом, поочерёдно потянув за левую и правую нити.
Рис. 1. Редуктор
Для связи блоков можно использовать канцелярские резинки. Сами блоки можно изготовить из полиэтиленовых крышек или листа пластика.
7. Полиспаст
Полиспаст – это устройство, состоящее из нескольких блоков. С помощью полиспаста можно получить выигрыш в силе в 2, 3, 4 и т.д. количество раз (рис.2).
Рис. 2. Полиспаст
Учащимся предлагается самостоятельно создать полиспаст, дающий выигрыш в силе в 2, 3, 4, 5 раз, теоретически и экспериментально определить выигрыш в силе (слайд 16), объяснить расхождение (за счёт веса блока и наличия трения).
Для изготовления блоков полиспаста можно использовать лазерные диски. Лишнюю часть диска можно отрезать обычными острыми ножницами, но лучше взять диск с заводской записью (меньше ломается), предварительно немного нагрев. Если вместо крючка (на правом рисунке) нить прикрепить к безмену (динамометру), можно определить выигрыш в силе.
8. Клин
Клин представляет собой разновидность наклонной плоскости. По принципу клина работают многие колющие и режущие инструменты, например, нож, топор, рубанок и т.д. Для изготовления клина использовались деревянные бруски, скреплённые между собой канцелярскими резинками (слайд 17). Разъединить бруски в горизонтальном направлении (растягивая резинки) очень трудно, а вдавить клин в вертикальном направлении гораздо легче.
Пусть стенки, которые раздвигает клин, сдавливается с обеих сторон силой F2, а клин вдавливается с силой F1. Когда клин проходит расстояние l1, каждая стенка проходит расстояние l2. Приравнивая работы, получаем формулу, представленную на слайде 17.
Учащимся предлагается сравнить выигрыш в силе, который дал бы топор (более острый) и колун при прочих равных условиях.
9. Винт
Сворачивая «наклонную плоскость» в трубку вокруг вертикальной металлической трубки, вставленной в пеноплекс (слайд 18), можно наглядно показать, что винт – это разновидность наклонной плоскости. Верхний край бумаги желательно отделить полоской из самоклеящейся плёнки
10. Цепочная линия
В свой комплект мы решили включить очень интересный механизм, который нашёл широкое практическое применение в строительстве – цепочная линия. На его принципе возводятся мосты, соборы и т.д. Интересной особенностью цепочной линии является тот факт, что если закрепить звенья в этом положении и перевернуть цепочку, получится арка, на звенья которой будет действовать только сила сжатия. Элементы упираются друг в друга, что обеспечивает наибольшую прочность и устойчивость конструкции. Нагрузка в таких моделях правильно распределяется сама без всяких расчётов.
Демонстрация цепной линии, состоящей из 8-ми звеньев в сравнении с такой же по длине цепочкой, состоящей из двух звеньев, объясняет прочность конструкций, построенных по принципу «перевёрнутых цепных линий». Если звенья цепочки сильно стянуть, прочность конструкции будет очень высокой (слайд 20).