Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах и улицах «Добрая дорога детства» 2
Скачать 1.13 Mb.
|
Второй вариант уроков на тему «Измерения физических величин»Если Вы сочтете возможным выделить на применение знаний учащихся, полученных на уроках 3–4, некоторое количество дополнительного времени, то возможно использование материала из изложенного ниже второго варианта уроков. В другом случае, ориентируясь на состав учащихся в классе, возможно Вам захочется несколько отступить от текста учебника и полностью построить канву этих двух уроков, исходя из предложенных ниже материалов. Формирование физических понятий наиболее успешно проходит в процессе проведения самостоятельных экспериментов с соответствующими измерениями. Именно поэтому измерения физических величин лежат в основе всего здания науки физики. В 2005 году издательством «Бином» был издан элективный курс «Измерения физических величин» под редакцией О.Ф.Кабардина. Курс построен на базе материала курса физики основной школы и предназначен для учащихся 10–11 классов, желающих приобрести опыт самостоятельного применения знаний по физике на практике. Девизом курса можно считать мысль авторов курса, что уметь грамотно и безопасно (для себя и приборов) обращаться с техникой сегодня необходимо практически каждому независимо от профессии. Содержание курса выстроено по принципу «от простого к сложному»: первый уровень — учимся измерять, второй уровень — переходим к самостоятельным измерениям, третий уровень – исследуем, изобретаем, конструируем, моделируем! В качестве материалов для учителя при подготовке к урокам 3 и 4 далее приведены материалы для учителя из элективного курса и методического пособия к нему (в списке литературы №10 и №11). Материалы включают тексты для учителя, тексты для подготовки докладов учащихся, лабораторный практикум. Отдельно о лабораторном практикуме: лабораторные работы 1-4 не требуют особого оборудования, но являются очень хорошим материалом для организации и осуществления деятельностного подхода. Замечательно, что многие из приведенных работ могут быть проведены фронтально (работает головами и руками весь класс!). Некоторые варианты могут быть представлены на любых школьных олимпиадах как интереснейшие доклады с изложением теории вопроса и демонстрацией измерений и результатов. Лабораторный практикум, проведенный в начале учебного года, предоставляет учителю возможность показать все преимущества предмета и увлечь детей его красотой и возможностями – если захотим, измерим расстояние до Луны! Измерения физических величин Первый уровень: учимся измерять! Физические величины и их единицы Все природные объекты, которые изучает физика, называют физическими телами. Каждое физическое тело имеет что-то общее с одними телами и чем-то отличается от других тел. Задачей физики является выяснение, какие свойства наиболее общие для любых тел, каким образом можно выполнять количественные сравнения различных тел по их определенным физическим свойствам и как описывать процессы взаимодействий и превращений физических тел. Одно из наиболее общих свойств любых физических тел — их протяженность в пространстве или размеры. Это свойство тел известно каждому человеку с детства и кажется совершенно простым и понятным. Каждый ребенок понимает, что значат слова «большой дом» или «короткая палка». По своему жизненному опыту он знает, какие дома называют «большими» и какие палки считаются «короткими». В повседневной жизни размеры предметов часто сравнивают с размерами предметов, хорошо известных каждому, — с ростом человека, размахом его рук, длиной шага, ступни, ладони или пальца, толщиной человеческого волоса. Однако представьте себе такую картину: гипотеза о существовании внеземных цивилизаций подтвердилась и установлена устойчивая связь с разумными существами на одной из планет у далекой звезды. Расшифрован язык галактических соседей и начался взаимный обмен информацией. Они хотят знать, как мы выглядим, каковы наши размеры, то же самое хотим и мы узнать о наших соседях по космосу. Представьте, что именно вам поручено составить короткое и ясное послание о том, каков из себя человек. Как вы решите эту задачу? Самый простой и надежный путь — нарисовать условного человечка с одной головой, туловищем, двумя руками и двумя ногами. И такое послание действительно было отправлено в космическое пространство в 1974 г. с помощью крупнейшего в мире радиотелескопа «Аресибо» (Пуэрто-Рико) в направлении звездного скопления М13 в созвездии Геркулеса, находящегося на расстоянии 25 000 световых лет от Земли. В этом скоплении около миллиона звезд, подобных нашему Солнцу, и есть вероятность, что около какой-то из них существует планета с высокоразвитой цивилизацией. В «письме» землян содержатся закодированные образы человеческой фигуры и двойной цепочки ДНК, а также графический символ телескопа.   Историческое «Послание Аресибо». Цвета добавлены для лучшего различения отдельных элементов, оригинальное сообщение никакой информации о цвете не несёт (иллюстрация Arne Nordmann). А именно послание содержало: числа от 1 до 10 (одновременно являющиеся ключом к остальной части записи), атомные числа элементов водород, углерод, азот, кислород и фосфор; формулу сахарозы и основания нуклеотидов; количество нуклеотидов ДНК и её схематическое изображение; упрощённое изображение человека; строение Солнечной системы с выделенной третьей планетой; рисунок радиотелескопа в Аресибо и указание на его размеры. Но в этом послании не был указан масштаб картинки. Если это послание когда-то получат инопланетяне, они так и не поймут, каковы же размеры человека. А если на рисунке от инопланетян мы увидим существо с двумя головами, тремя ногами и одной рукой, то и нам будет непонятно, это маленькое существо, которое нужно рассматривать в микроскоп, или громадное чудовище? Можно воспользоваться английской мерой длины «фут» и сообщить, что рост человека примерно 6 футов. Сейчас же последует вопрос, а что такое фут? Отвечаем: фут — это средняя длина ступни 16 человек, вышедших из церкви от заутрени в воскресенье. Опять непонятно? Тогда сообщим, что рост человека равен примерно 1,8 метра, а метр равен одной сорокамиллионной доле длины парижского меридиана. Но нашим галактическим соседям Земля совершенно недоступна для наблюдений. Может быть, эта задача вообще не имеет решения? Решение есть, и мы вернемся к этой задаче после знакомства с современными способами определения единиц длины и времени. Измерение длины История метра. Потребность определять размеры предметов и расстояния между ними возникла у человека в глубокой древности. На протяжении тысячелетий каждая страна имела свои меры длины. Это усложняло научные связи, использование технических достижений, торговлю между государствами. Первой системой мер, принятой в 1872 г. в качестве международной системы, была метрическая система мер. За основу была принята единица длины метр, равная одной сорокамиллионной части парижского меридиана. Длина земного меридиана была взята в качестве эталона длины как природная, неизменная и в любое время восстанавливаемая мера длины. На основе измерений длины меридиана изготовили эталон метра и сдали на хранение в Архив Французской республики. Этот эталон стали называть архивным метром. Для использования метра в качестве единицы длины в странах, принявших метрическую систему, было изготовлено 34 копии эталона метра. Эталоны изготовлены из сплава, содержащего 90% платины и 10% иридия. Этот сплав обладает большой прочностью и стойкостью, длина эталона мало изменяется при изменении температуры. Международный эталон хранится в Международном бюро мер и весов в г. Севре во Франции в специальном помещении, огражденном от сотрясений и изменений температуры. Периодически национальные эталоны сравнивают с парижским эталоном. Копия № 28 служит государственным эталоном метра России. Современное определение метра. Метр был задуман как природная неизменная единица длины, связанная с длиной земного меридиана. Но по современным научным данным длина земного меридиана не остается строго постоянной. Континенты перемещаются по планете, в одних местах суша поднимается относительно уровня моря, в других опускается. Платиноиридиевый эталон также подвержен изменениям. Поэтому поиски способа создания неизменного природного эталона длины продолжались и привели к выбору нового способа определения единицы длины. Современной физикой установлено, что скорость распространения света в вакууме не зависит ни от движения источника света, ни от движения приемника света и равна 299.792.458 м/с. Не изменяется скорость света и с течением времени. Поэтому в 1983 г. международным соглашением в Международной системе единиц СИ принято следующее определение метра: метр — это расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299 792 458-ю долю секунды:  Такое определение метра не изменило размер единицы длины, но связало ее с неизменной природной постоянной, воспроизводимой при наличии необходимых приборов с высокой точностью в любом месте и в любое время. Теперь мы можем объяснить инопланетянам, что такое метр, так как свет в любом месте Вселенной распространяется в вакууме с одинаковой скоростью. Правда, остается еще объяснить, как отмерить время в одну секунду. Контрольные вопросы
Измерение времени Что такое время. Когда люди говорят «мало времени осталось» или «много времени прошло», то обычно хорошо понимают друг друга. Но попробуйте ответить на вопрос: «Что такое время? Как определить, мало ли его осталось и много ли прошло?» Уже древнегреческие философы поняли, что как длина не существует в мире сама по себе, а является лишь сравнительной характеристикой вещей, так и время в природе не существует само по себе. Вот как, например, изложил сущность взглядов древнегреческих философов Демокрита и Эпикура на природу времени в своей поэме «О природе вещей» римский поэт Лукреций Кар, живший в I в. до н, э,: «Так же и времени нет самого по себе, но предметы Сами ведут к ощущенью того, что в веках совершилось, Что происходит теперь и что воспоследует позже. И неизбежно признать, что никем ощущаться не может Время само по себе, вне движения тел и покоя». Однако в качестве меры времени нельзя выбрать «время какого-то предмета», как это делалось первоначально с длиной. Течение времени человек замечает по изменениям, происходящим в природе. Поэтому мерой времени может быть только непрерывный или периодически повторяющийся процесс изменения какой-то физической величины. Другой особенностью времени как физической величины является то, что любой промежуток времени можно измерить лишь один раз, когда он протекает. Повторить измерения, как это делают, например, при измерении длины, нельзя, так как вернуться в прошлое невозможно. Материалы для докладов учащихся  Солнечные часы Тексты возможных сообщений учащихся Они могут быть даны учащимся заранее для подготовки сообщений в классе. Сутки — естественная единица времени. Выбор единиц времени не был так разнообразен, как выбор единиц длины. Периодическая смена дня и ночи на Земле дала естественную единицу времени, общую для всех народов — сутки. Но день от восхода до захода Солнца разные народы делили по-разному. Персы, например, делили день на пять частей, древние египтяне — на 12, В наше время используется система деления суток на 24 часа и деление часа на 60 минут, как это делалось еще в Древнем Вавилоне. Естественная единица времени (сутки) часто оказывается слишком большой для практических целей, поэтому в качестве основной единицы времени выбрана секунда — 1/86400 часть суток.  Песочные часы  Водяные часы Простейшие приборы для измерения времени. Простейшие приборы для измерения времени — песочные и водяные часы — были изобретены в глубокой древности. С их помощью время измеряют по объему песка, пересыпающегося из верхнего воронкообразного сосуда в нижний, или по объему воды, вытекающей из сосуда с водой через маленькое отверстие в нижней его части. Песочные часы применяют и сейчас, например, в процедурных кабинетах больниц, где большой точности измерения времени не требуется. Память об употреблении водяных часов хранит выражение «с тех пор много воды утекло».  Хронометр Маятниковые часы. Песочные и водяные часы были очень грубыми инструментами для измерения времени и разнообразные усовершенствования не могли значительно увеличить их точность. Маятник для измерения времени впервые предложил использовать Галилео Галилей. Наблюдая качание люстры в соборе, Галилей заметил, что продолжительность одного колебания (период колебания) не изменяется при уменьшении или увеличении размаха качаний. Независимо от Галилея в 1656 г. голландский ученый Христиан Гюйгенс создал часы с маятником. Точность хода построенных им часов составляла 5—10 с в сутки. Самые точные маятниковые часы, изготовленные в прошлом столетии для астрономических измерений, имели точность хода ±0,0003 с. Неравномерность вращения Земли. Точные часы позволили обнаружить неравномерность вращения Земли вокруг ее оси. Приливы, вызываемые притяжением Луны и Солнца, «тормозят» вращение Земли, увеличивая продолжительность суток примерно на 0,002 с за столетие. На скорость вращения Земли оказывают влияние изменения распределения вещества внутри Земли во время землетрясений, вековые изменения формы и размеров Земли и ряд других причин. Например, после крупного землетрясения было зафиксировано изменение продолжительности суток скачком на 0,004 с. Электронные и атомные эталоны времени. Неравномерность вращения Земли заставила отказаться от использования периода вращения Земли в качестве природной единицы времени. В прошлом столетии были созданы электронные часы, в которых постоянство частоты электрических колебаний поддерживалось с помощью пластинки из кристалла кварца. Такие часы называют кварцевыми часами. Точность хода лучших кварцевых часов примерно в 100 раз выше, чем у наиболее точных маятниковых часов. Однако еще большей точности в измерениях времени удалось достигнуть на основе изготовления атомных эталонов времени. В цезиевом атомном эталоне частоты создаются условия, при которых атомы изотопа цезия-133 совершают переходы между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния. Эти переходы сопровождаются испусканием электромагнитного излучения с частотой 9 192 631 770 колебаний в секунду. Частота этих колебаний с очень высокой степенью точности постоянна. Отставание или убегание вперед атомных часов может быть не более  за сутки. Поэтому с 60-х годов прошлого столетия наиболее точные измерения времени производятся в «атомных» секундах.При переходе к атомному стандарту времени, как и в случае с единицей длины — метром, было решено не ломать сложившейся системы измерения времени. Для этого с большой степенью точности определили, сколько колебаний совершается в излучении атома изотопа цезия-133 за одну астрономическую секунду. С точностью до одного периода это число оказалось равным 9 192 631 770. Отсюда и было принято новое определение секунды. Единица времени (1 секунда) равна продолжительности 9 192 631 770 колебаний излучения при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Изменения способов измерения времени и определения секунды привели за последние десятилетия к очень большому повышению точности измерений времени. Первые маятниковые часы могли отставать или уходить за сутки примерно на 10 секунд, в 18-ом веке ошибка хронометров составляла примерно 1 секунду за 3 дня. В 20-ом веке кварцевые часы имели ошибку хода не более 1 с за 30 лет, а цезиевый атомный стандарт времени хранит время с погрешностью не более 1 с за 15 000 000 лет. Контрольные вопросы
Международная система единиц Физические величины. Характеристику объектов и явлений материального мира, общую в качественном отношении для множества объектов и явлений, но индивидуальную для каждого из них в количественном отношении, называют физической величиной. Длина (или расстояние) есть физическая величина. Она является характеристикой многих тел, но для каждого из них имеет индивидуальное количественное значение. Единицей физической величины называется физическая величина фиксированного размера, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице; она служит для количественного выражения однородных характеристик физических объектов. Единицы величин, выбираемые произвольно, называются основными единицами. Единицы физических величин, определяемые через уравнения связи между физическими величинами, называются производными единицами. Например, единица скорости, определяемая через расстояние, на которое перемещается тело за единицу времени, является производной единицей. Единица скорости в СИ выражается через основные единицы длины и времени: 1 м/с = 1 м/1 с. Международная система единиц. В 1960 г. на 11-й Генеральной конференции по мерам и весам была принята Международная система единиц (СИ, SI — система интернациональная). Эта система имеет семь основных единиц: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), кандела (кд), моль (моль). Соответственно в системе СИ приняты семь основных физических величин: l — длина, m — масса, t — время, I — сила электрического тока, Т — температура термодинамическая, J — сила света, — количество вещества. В большинстве стран система единиц СИ принята для преимущественного использования в науке и технике. Система единиц СИ — логически замкнутая система определений основных и производных единиц измерения. Основные единицы определены через описания соответствующих эталонов. Кроме этого в СИ содержатся наименования и обозначения физических величин. Контрольные вопросы
Измерение расстояний до небесных тел В сильном классе одному из учащихся можно заранее поручить подготовку сообщения об измерениях расстояний до небесных тел. В этом сообщении должно быть объяснено, что при измерениях расстояний от Земли до других небесных тел в пределах Солнечной системы в качестве базиса используют радиус Земли. Для измерений расстояний до ближайших звезд земной радиус в качестве базиса непригоден, так как угол, под которым радиус Земли виден со звезды, оказывается неизмеримо мал. Даже угол, под которым виден со звезды радиус земной орбиты, оказывается очень трудно измеримым.  Рис. 1 Расстояние R от Земли до Солнца называют астрономической единицей, оно равно примерно 150.000.000 км. Угол р, на который происходит кажущееся смещение близкой звезды относительно более далеких звезд при перемещении Земли на расстояние R, называется годичным параллаксом (рис. 1). Звезды так далеки от Земли, что параллактическое смещение большинства звезд не обнаружимо даже с помощью современных телескопов. В 1837 г. впервые удалось измерить годичный параллакс одной из наиболее близко расположенных к Земле звезд — звезды Веги. Эта задача была решена основателем и первым директором Пулковской обсерватории Василием Яковлевичем Струве. Зная параллакс р звезды и расстояние R от Земли до Солнца, можно найти расстояние D до звезды:   Расстояние, с которого радиус земной орбиты виден под углом в одну угловую секунду, называют парсеком (от слов «параллакс» и «секунда»):  Расстояние до Веги оказалось равным примерно 8,26 пс или  Чтобы представить себе, что значат эти числа, найдем, сколько времени затрачивает свет на преодоление такого пути. Расстояние, которое свет проходит за один земной год. в астрономии, называют световым годом. Скорость света в вакууме равна примерно  м/с, отсюда расстояние размером в световой год равно: Выразим расстояние до Веги в световых годах:  т. е. расстояние от Земли до Веги 27 световых лет. Как показали измерения расстояний до звезд, самой близкой к Солнечной системе звездой является звезда Альфа Центавра. Расстояние до нее равно 4,35 световых лет. Светолокация. Световой луч служит не только основой для определения единицы длины, но и средством для особо точных измерений больших расстояний. Использование световых сигналов для измерений расстояний стало возможным после изобретения мощных источников света — лазеров. Лазерные дальномеры используются для геодезических измерений на поверхности Земли, для измерения расстояний до искусственных спутников Земли, космических кораблей и планет Солнечной системы. Для измерения расстояния до космического корабля на оптическом телескопе устанавливают лазер и направляют его луч на космический корабль. На корабле устанавливают специальный лазерный отражатель. Импульс света отражается от корабля и возвращается к приемному устройству телескопа. По длительности времени между моментами отправления светового сигнала и его возвращения определяется расстояние до корабля. Лазерный дальномер расстояние до 1500 км измеряет с погрешностью не более 30 см. Примечание: в настоящее время есть приборы, основанные на лазерном излучении, которые позволяют измерять земные расстояния (например, размеры помещений) с большой степенью точности и очень быстро. Хорошо бы продемонстрировать такой прибор. Измерения малых расстояний. Второе сообщение можно поручить на тему об измерениях сверхмалых расстояний. Это позволит оценить современные возможности физики в области измерений расстояний и линейных размеров тел как в области мегамира, так и в области микромира. Поскольку информацию об измерениях сверхмалых расстояний отыскать не очень просто, эту тему можно поручить ученику, имеющему опыт поиска нужной информации в Интернете. Задание можно сформулировать следующим образом: нужно найти статьи, в которых описан принцип действия растрового туннельного микроскопа и рассказать об этом приборе и получаемых с его помощью результатах. В растровом туннельном микроскопе над поверхностью исследуемого тела устанавливается металлическое острие малого диаметра, между острием и поверхностью образца создается электрическое поле. Под действием электрического поля электроны вытягиваются с поверхности острия, однако их возможное удаление от конца острия не превышает диаметра атома. Если расстояние от острия до исследуемой поверхности меньше 1 нм, то между острием и поверхностью протекает электрический ток. При изменении расстояния на диаметр атома сила тока изменяется в 1000 раз. Это позволяет по силе тока очень точно определять расстояние от острия до исследуемой поверхности. Если перемещать острие по прямой вдоль горизонтально расположенной поверхности и автоматически поддерживать постоянное значение силы тока в цепи путем перемещений острия по вертикали, то полученная кривая зависимости вертикальной координаты острия от горизонтальной даст срез рельефа поверхности вдоль одной прямой. Повторяя такие срезы шаг за шагом, можно получить сведения о строении поверхности и преобразовать их в объемную картину на экране компьютера.  Рис. 2 На рисунке 2 представлена картина строения поверхности кристалла кремния, полученная с помощью растрового туннельного микроскопа. Бугры и впадины на этой картинке показывают структуру внешних электронных оболочек атомов кремния в кристалле. Очевидно, что для получения такой картины нужно иметь способ перемещения острия на очень малые расстояния во всех трех направлениях и способ точного измерения этих перемещений. Точные малые перемещения острия осуществляются за счет использования явления обратного пьезоэлектрического эффекта. Этот эффект заключается в том, что некоторые кристаллы, например кварц, под действием внешнего электрического поля удлиняются или сокращаются. Подавая на электроды на поверхности такого кристалла напряжение порядка 10–5 В, можно изменять его размеры на 0,1 нм и менее. Прикрепив острие к трем таким кристаллам, расположенным взаимно перпендикулярно, можно перемещать его на точно определенные расстояния в любых направлениях. Лабораторный практикум Для того чтобы приступить к выполнению измерений физических величин, необходимо познакомить школьников с такими понятиями, как размер и значение физической величины, пояснить, что такое мера и что называется измерительным прибором, какие измерения называются прямыми и какие косвенными, что такое абсолютная и относительная погрешности измерений. Однако теоретическое знакомство должно быть очень кратким и непосредственно связанным с выполнением лабораторной работы и творческого задания. После ознакомления с основными понятиями, необходимыми для грамотного проведения измерений дети начинают выполнять лабораторную работу 1. Измерения длины — это самые простые и привычные измерения, постоянно встречающиеся в повседневной жизни. Простая задача измерения диаметра монеты с помощью масштабной линейки и затем микрометром предлагается ученикам для того, чтобы они на практике применили приобретенные знания об абсолютной и относительной погрешностях измерений и подготовились к введению на следующем занятии понятий об инструментальной погрешности и погрешности отсчета. Вторая задача лабораторной работы — знакомство с точным измерительным прибором (микрометром). Настроение в классе должно быть соответствующим задаче, которая стоит перед каждым ученым, который измеряет параметры изучаемого объекта и должен поручиться перед научным сообществом, что результат близок к истинному. Если снабдить весь класс листами с текстом лабораторной работы, то время будет потрачено лишь на измерения, на заполнение таблицы. Можно заполнить на доске общую таблицу. Лабораторная работа 1 |
| d1, мм | d0, мм |  |  |
| | | | |
Контрольные вопросы
Какими причинами могут быть вызваны погрешности измерений?
Какими способами могут быть уменьшены погрешности измерений?
В сильной группе учащихся лабораторная работа 1 займет малую долю урока и большую часть времени можно использовать на решение задачи, знакомящей школьников с конкретными примерами косвенных измерений расстояний и достижениями современной науки в этой области.
Задача об измерении расстояния до Луны
Представьте себе, что вы живете примерно во 2-3 веке до нашей эры и обладаете лишь такими приборами и инструментами, какими располагали ученые в то время.
Попробуйте придумать в этих условиях метод измерения расстояний до Луны и до звезд.
Если вы найдете принципиальное решение задачи, испытайте свой метод на модели. Пусть небольшой мяч или резиновый шар будет моделью Луны. Поместите «Луну» на расстояние 5-6 метров от себя и попробуйте измерить расстояние до нее и ее диаметр. Потом прямыми измерениями проверьте, насколько хорош ваш метод.
Решение задачи
Задача об измерениях расстояний до небесных тел и их размеров имеет важное значение для формирования предстaвлeний учащихся о мире и возможности его познания. Для принципиального решения задачи нужно незаметно помочь детям догадаться, что для измерения расстояния до недоступного предмета можно использовать свойства подобных треугольников. Когда эта идея высказана, остается найти способы практического решения.
Вероятно, начать лучше с использования модели Луны. В классе роль «Луны» может выполнить любое шарообразное тело (глобус, мяч, резиновый шар), установленное на демонстрационном столе или укрепленное на классной доске. Автор идеи должен представить объяснение своего решения с использованием чертежа на доске. Этот чертеж и будет ориентиром для учеников при практическом выполнении задания.
Лабораторная работа 2
Измерение расстояния до «Луны» и диаметра «Луны»
Для определения расстояния от точки А, в которой находится наблюдатель, до недоступной точки В отметим направление прямой АВ и переместимся на некоторое измеренное расстояние до точки С по прямой, перпендикулярной направлению АВ (рис. 1). Из прямоугольного треугольника ABC искомое расстояние АВ равно: АВ = AC∙ctg. Так как расстояние АС измерено, для решения задачи нужно найти значение котангенса угла . Угол = 90 – можно определить непосредственным измерением угла между прямыми СА и СВ. Но более удобно выполнить следующее дополнительное построение. Прикрепим к листу картона лист белой бумаги и положим его на ученический стол таким образом, чтобы левый край листа совпал с прямой АВ. Совпадение проконтролируем наблюдением совпадения двух булавок, вколотых по левому краю листа, с центром «Луны» в точке В. Затем, не изменяя положения листа на столе, переместим глаз к правому углу листа. Вколем первую булавку в правый угол листа, а вторую на пересечении прямой, соединяющей первую булавку с центром «Луны», с дальним краем листа. Как видно по рис. 1,
Следовательно, искомое расстояние АВ равно:
После нахождения расстояния до небесного тела может быть решена задача нахождения размеров небесного тела, если удастся измерить угловой диаметр тела. Обозначим расстояние до небесного тела АВ = L. Тогда диаметр D небесного тела можно вычислить по измеренному углу , под которым виден диаметр небесного тела с Земли, и расстоянию L:
D = L∙tgg.
Тангенс угла можно найти, направив масштабную линейку вдоль прямой АВ и измерив расстояние l, на котором монета диаметром d точно закрывает диск «Луны» (рис. 2):
Лабораторная работа 3
Исследование зависимости периода колебаний
маятника от амплитуды колебаний – повторяем опыт Галилея!
Цель работы. Самостоятельное планирование эксперимента и анализ полученных результатов.
Оборудование. Шар, нить, штатив, измерительная линейка, секундомер.
Задание. Изготовьте маятник и исследуйте зависимость периода колебаний от амплитуды колебаний.
Лабораторная работа 4
Измерение времени реакции человека на световой сигнал
Цель работы. Экспериментальное исследование психофизиологических особенностей своего организма.
Оборудование. Измерительная линейка, или два секундомера, или электронный измеритель времени из комплекта «Лаборатория L-микро» по механике.
Задание. Используя предложенное оборудование, измерьте время реакции мышц своей руки на световой сигнал.
Домашнее исследовательское задание
Исследуйте зависимость времени своей реакции от времени суток, предварительной физической нагрузки, концентрации внимания, числа попыток измерения времени реакции, положения тела при проведении опыта и других факторов.
Итак, предлагаются лабораторные работы 3 и 4, предполагающие самостоятельное планирование эксперимента, и домашнее исследовательское задание. Учитель может предложить эти задания на выбор учащимся. Работы даются школьникам для самостоятельного выполнения без инструкций и указаний. Однако если для некоторых учащихся задание окажется еще слишком сложным, можно дать им краткие инструкции.
Инструкции
Возможный вариант выполнения лабораторной работы 3 «Исследование зависимости периода колебаний маятника от амплитуды колебаний».
1. Подвесьте стальной шарик на нити к лапке штатива. Отведите шарик от положения равновесия на небольшой угол и отпустите. Измерьте время t двадцати колебаний и вычислите период Т колебаний маятника:
Результаты измерений занесите в таблицу 1.
2. Изменяя значения начального отклонения а маятника от положения равновесия, выполните измерения периода колебаний маятника при различных значениях амплитуды колебаний. Результаты измерений занесите в таблицу 1.
Сделайте вывод о зависимости периода колебаний маятника от амплитуды колебаний.
Таблица 1
| | 1 опыт | 1 опыт | 3 опыт |
| а, см | | | |
| t, с | | | |
| Т, с | | | |
По результатам эксперимента учащиеся должны обнаружить, что период колебаний маятника не зависит от амплитуды колебаний. Правда, последнее утверждение не вполне точное: при больших значениях амплитуды колебаний может быть обнаружено небольшое изменение периода колебаний.
Три возможных варианта выполнения лабораторной работы 4 «Измерение времени реакции человека на световой сигнал»
Интервал времени между моментом действия светового сигнала на глаз человека и моментом ответного мышечного действия называется временем реакции. Учитывать существование времени реакции необходимо людям многих профессий: водителям автомобилей, летчикам, операторам в различных системах управления.
Для измерения времени реакции мышц руки на световой сигнал нужно одновременно с подачей светового сигнала запустить секундомер. В момент времени реакции мышц руки
на этот сигнал секундомер нужно остановить. Показания секундомера будут равны времени реакции.
Вариант 1. Если в комплекте предложенного оборудования нет секундомера, то эксперимент можно выполнить следующим образом. Один ученик держит измерительную линейку в вертикальном положении, второй располагает пальцы своей руки около нулевой риски шкалы линейки таким образом, чтобы поймать линейку, как только он увидит, что она начала падать.
Расстояние h, которое пролетает линейка от момента начала падения до момента схватывания ее пальцами, определяется временем t реакции второго ученика:
Измерения следует повторить 3–5 раз и вычислить среднее арифметическое значение.
Рис. 4.1
Вариант 2. В эксперименте участвуют два ученика и используют два секундомера. Учащийся, время реакции которого необходимо измерить (испытуемый), берет секундомер № 1, а второй учащийся (контролер) берет секундомер № 2. Оба экспериментатора располагаются рядом, чтобы секундомер контролера был виден испытуемому. Контролер запускает секундомер № 2, а испытуемый должен запустить секундомер № 1 в тот момент, как увидит движение стрелки секундомера № 2 или смену цифр на дисплее цифрового секундомера.
После запуска секундомеров таким способом испытуемый и контролер обмениваются секундомерами и производят остановку секундомеров в том же порядке: контролер останавливает секундомер № 1, а испытуемый — секундомер № 2 в момент, когда заметит остановку секундомера № 1.
Испытуемый запускает секундомер № 1 с опозданием на время реакции t и останавливает секундомер № 2 опять с опозданием на время реакции t. Поэтому показания секундомера № 1 должны быть меньше показаний секундомера № 2 на удвоенное время реакции 2t испытуемого:
Время t реакции испытуемого на световой сигнал определится выражением:
Измерения необходимо повторить трижды и определить среднее значение времени реакции.
Вариант 3. Для измерения времени реакции человека на световые сигналы можно использовать электронный секундомер 1 с двумя датчиками из комплекта «Лаборатория L-микро» по механике.
Устройство датчика
1) Главным элементом датчика является нормально разомкнутый магнитоуправляемый контакт. Он состоит из двух близко расположенных упругих ферромагнитных контактов, которые при внесении в магнитное поле или при приближении магнита намагничиваются и притягиваются друг к другу. В результате замыкается участок электрической цепи, соединенный с выводами геркона.
2) Электрические контакты геркона соединены проводом с электронным секундомером.
3) Для предотвращения случайного замыкания ферромагнитных контактов контакты размещены в центре 2 герметичного пластикового корпуса напротив небольшого отверстия.
Таким образом, ферромагнитные контакты размещены в герметическом корпусе. Кратко это устройство называют герметическим контактом. Ещё более кратко — геркон.
4) Место соединения пластикового корпуса геркона и провода охватывает постоянный магнит 3.
Как видно на фотографии, датчик устроен таким образом, что ферромагнитные контакты геркона расположены на некотором расстоянии от магнита. Это расстояние подобрано таким, что контакты геркона не замыкаются под воздействием магнита датчика.
5) Но при поднесении магнита одного датчика к ферромагнитным контактам второго датчика (к отверстию в центре пластикового корпуса) происходит замыкание ферромагнитных контактов второго датчика.
Схема электронного секундомера устроена так, что при первом замыкании геркона происходит запуск секундомера, а при следующем замыкании геркона секундомер останавливается.
Запуск и остановка электронного секундомера может осуществляться либо нажатием кнопки «пуск–стоп», либо с помощью магнитных датчиков (см. выше п. 5).
Содержание работы
Время реакции человека на световые сигналы с помощью электронного измерителя времени можно измерить следующим образом.
1. Нажатием на кнопку «Сброс» производится установка на секундомере нуля. Испытуемый берет датчики секундомера и готовится к тому, чтобы возможно быстро поднести магнит 3 одного датчика к геркону 2 второго датчика.
2. Контролер запускает электронный секундомер нажатием кнопки «Пуск». Испытуемый должен остановить секундомер, поднеся магнит 3 одного датчика к геркону 2 второго датчика.
На дисплее будет показано время, отсчитанное от момента запуска до момента остановки секундомера. Это и есть время реакции испытуемого на световые сигналы.
3. Измерения нужно повторить 3–5 раз и найти среднее арифметическое значение.
