Проект по теме "Сегнерово колесо"

Государственное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа с углублённым изучением отдельных предметов г. Зуевка Кировской области»

Всероссийский конкурс исследовательских работ «Юный ученый»

Исследовательский проект по теме

Работу выполнила:

 Лимонова Татьяна

ученица 11 класса

                                                                Руководитель:

                                                Азанова Наталья Владимировна

                                                учитель физики и информатики

г. Зуевка, 2011 г.

Содержание

Введение………………………………………………………………..………………………...3

Глава 1. Что же такое реактивное движение…………………………………………..……….4

        1.2 Сегнерово колесо…………………………………………………………….………7

                1.2.1 Модели прибора……………………………………………………………7

Глава 2. Практическая часть………………………………….…………………………………7

Заключение ………………………………………………………………………………………9

Список литературы……………………………………………………………………………..10

Приложение 1…………………………………………………………………………………...11

Приложение 2…………………………………………………………………………………...12

Приложение 3…………………………………………………………………………………...12

Приложение 4…………………………………………………………………………………...13

Приложение 5…………………………………………………………………………………...13

Введение

Физика - комплекс научных дисциплин, изучающих общие свойства структуры взаимодействия и движения материи.

Физику (в соответствии с этими задачами) весьма условно можно подразделить на 3 большие области: структурную физику, физику взаимодействий и физику движения.

Науки, образующие структурную физику, довольно четко различаются по изучаемым объектам, которыми могут быть как элементы структуры вещества (элементарные частицы, атомы, молекулы), так и более сложные образования (плазма, кристаллы, звезды и т. д.).

 Физика взаимодействий, основанная на представлении о поле, как материальном носителе взаимодействия, делится на 4 отдела (сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное).

Физика движения (механика) включает в себя классическую (Ньютоновскую) механику, релятивистскую (Энштейновскую) механику, нерелятивистскую квантовую механику и релятивистскую квантовую механику. [5, стр. 2-3]

Жизнь каждого человека состоит из движений. Мы часто сталкиваемся с разного рода движением, Но едва ли многие из нас осознают природу и причины этого движения. Я рассмотрю лишь один раздел физики движения - классическую механику, а именно реактивное движение.

Изучая данную тему, нужно с первого урока понимать, о чем идет речь, но не всегда и не у всех это получается. Но материал становится более понятным, если в процессе изучения проводятся опыты, еще раз доказывающие новый материал.

Проблема: не для каждой темы по физике есть оборудование для проведения уроков. В том числе для изучения реактивного движения. По технике безопасности на уроках физики в школе не разрешено показывать опыты с использованием открытого огня. Подобные примеры мы можем увидеть только в видеофильмах. Не практике в кабинете физики возможно продемонстрировать реактивное движение - движение под действием вытекающей воды и движение под действием выпускаемого воздуха.

Цели: 

1. исследовать информацию о реактивном движении;
2. разработать и выполнить сегнерово колесо для изучения реактивного движения на примере движения под действием вытекающей воды;

Задачи:

1. Исследовать информация по теме;
2. Найти модели прибора, которые можно выполнить в самостоятельно;
3. Выбрать наиболее приемлемый вариант;
4. Выполнить чертеж прибора;
5. Создать прибор;
6. Проверить прибор на опыте;

Гипотеза: если я изучу информацию и  изготовлю прибор для изучения реактивного движения, то возможно уроки по изучению данной темы станут более интересными, а материал понятным.

Метод исследования: исследование, моделирование и конструирование Сегнерово колеса

Объект исследования: сегнерово колесо

Предмет исследования: физика, реактивное движение

Глава 1 Что же такое реактивное движение

В течение многих веков человечество мечтало о космических полётах. Писатели-фантасты предлагали самые разные средства для достижения этой цели. В XVII веке появился рассказ французского писателя Сирано де Бержерака о полёте на Луну. Герой этого рассказа добрался до Луны в железной повозке, над которой он всё время подбрасывал сильный магнит. Притягиваясь к нему, повозка всё выше поднималась над Землёй, пока не достигла Луны. А барон Мюнхгаузен рассказывал, что забрался на Луну по стеблю боба.

В конце первого тысячелетия нашей эры в Китае изобрели реактивное движение, которое приводило в действие ракеты - бамбуковые трубки, начиненные порохом, они также использовались как забава. Один из первых проектов автомобилей был также с реактивным двигателем и принадлежал этот проект Ньютону.

Автором первого в мире проекта реактивного летательного аппарата, предназначенного для полета человека, был русский революционер – народоволец Н.И. Кибальчич. Свой проект он разработал в тюрьме после вынесения смертного приговора. Кибальчич писал: “Находясь в заключение, за несколько дней до своей смерти я пишу этот проект. Я верю в осуществимость моей идеи, и эта вера поддерживает меня в моем ужасном положении…Я спокойно встречу смерть, зная, что моя идея не погибнет вместе со мною”.

Идея использования ракет для космических полётов была предложена ещё в начале нашего столетия русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским. Идея К.Э.Циолковского была осуществлена советскими учёными под руководством академика Сергея Павловича Королёва.

Принцип реактивного движения находит широкое практическое применение в авиации и космонавтике. В космическом пространстве нет среды, с которой тело могло бы взаимодействовать и тем самым изменять направление и модуль своей скорости, поэтому для космических полетов могут быть использованы только реактивные летательные аппараты, т. е. ракеты. [3]

Реактивное движение, т.е. движение под действием реактивной силы, возникает, когда в процессе его движения отделяется и движется с некоторой скоростью какая-то его часть. Пусть некоторая система выбрасывает часть своей массы, а выброшенная часть изменят при этом свой импульс, тогда на систему действует реактивная сила, равная изменению импульса выброшенной части за единицу времени.

Аналогичная ситуация возникает при захвате системой массы извне. Поэтому масса системы может и не изменяться. Реактивная сила при этом возникает за счет разности скоростей захватываемых и выбрасываемых частиц вещества.

Реактивное движение можно встретить и в мире растений. Например, созревшие плоды “бешеного огурца” при самом легком прикосновении отскакивают от плодоножки, а из образовавшегося отверстия с силой выбрасывается клейкая жидкость с семенами. Сам огурец при этом отлетает в противоположном направлении до 12 м.

Каракатица, как и большинство головоногих моллюсков, движется в воде следующим способом. Она забирает воду в жаберную полость через боковую щель и особую воронку впереди тела, а затем энергично выбрасывает струю воды через воронку. Каракатица направляет трубку воронки в бок или назад и, стремительно выдавливая из неё воду, может двигаться в разные стороны.

Сальпа - морское животное с прозрачным телом, при движении принимает воду через переднее отверстие, причем вода попадает в широкую полость, внутри которой по диагонали натянуты жабры. Как только животное сделает большой глоток воды, отверстие закрывается. Тогда продольные и поперечные мускулы сальпы сокращаются, все тело сжимается, и вода через заднее отверстие выталкивается наружу. Реакция вытекающей струи толкает сальпу вперед. [3]

Кальмар является самым крупным беспозвоночным обитателем океанских глубин. Он передвигается по принципу реактивного движения, вбирая в себя воду, а затем с огромной силой проталкивая ее через особое отверстие - "воронку", и с большой скоростью (около 70 км/ч) двигается толчками назад. При этом все десять щупалец кальмара собираются в узел над головой, и он приобретает обтекаемую форму. [6]

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую силу тяги для преобразования исходной энергии в кинетическую энергия струи рабочего тела, в результате истечения рабочего тела из сопла двигателя образуется реактивная сила в виде реакции струи, перемещающая в пространстве двигатель, и конструктивно связанный с ним аппарат, в сторону, противоположную истечению струи.  [1, стр. 82-86, текст]

Впервые реактивный двигатель изобрел Янош Андрош Сегнер. Это  венгерский математик и физик. Занимался конструированием и совершенствованием различных научных приборов, в частности, изобрел одну из первых реактивных гидравлических турбин (сегнерово колесо). Разработал теорию капиллярности. Ввел оси инерции (три главные оси вращения). Доказал правило Декарта о числе положительных и отрицательных корней алгебраического уравнения, предложил графический способ решения алгебраических уравнений высших порядков. [7]

Сегнерово колесо — двигатель, основанный на реактивном действии вытекающей воды. Первая в истории гидравлическая турбина. Гидротурбина, преобразует механическую энергию воды (её энергию положения, давления и скоростную) в энергию вращающегося вала. По принципу действия гидротурбины делятся на активные и реактивные. Основным рабочим органом гидротурбины, в котором происходит преобразование энергии, является рабочее колесо. Вода подводится к рабочему колесу в активных через сопла, в реактивных — через направляющий аппарат. Первая реактивная Гидротурбина была изобретена в 1827 французским инженером Б. Фурнероном. [9]

1.2 Сегнерово колесо

1. 2.1 Модели прибора

Сегнерово колесо из соломинок

Что потребуется:

1. большая пробка;
2. 4 соломинки (или металлические трубочки);
3. воск (или пробки);
4. нитка;
5. металлическая пуговица.

Сегнерово колесо из грецкого ореха и двух лесных орешков

Что потребуется:

1. ржаная соломинка;
2. грецкий орех;
3. два лесных орешка.

Большое "Сегнерово колесо"

Большое "сегнерово колесо" можно сделать из большого пакета для молока. Внизу у противоположных стенок пакета надо проделать по отверстию, проткнув пакет карандашом. К верхней части пакета привязать две нити и подвесить пакет на какой-нибудь перекладине. Заткните карандашами отверстия и налейте в пакет воду. Затем осторожно уберите карандаши. Из отверстий вырвутся две струи в противоположных направлениях, и возникнет реактивная сила, которая будет вращать пакет. [10]

Глава 2 Практическая часть

В любой науке, в любом искусстве

 лучший учитель - опыт.

Мигель Сервантес

Метод практической части: исследование, моделирование и конструирование Сегнерово колеса.

Цель практической части: создать модель Сегнерово колеса и изготовить прибор.

Ход практической работы

Для того, чтобы прибор отвечал требованиям, я провожу исследование размеров элементов прибора.

Метод исследования: физический анализ

Цель исследования: проанализировав информацию, выбрать наиболее подходящую длину желоба.

Рассмотрим два варианта желоба - длинный и короткий.

При прохождении воды по длинному горизонтальному желобу вода потеряет большую часть своей энергии, чем при прохождении по короткому. За одно и то же время скорость истечения воды по длинному желобу будет меньше, чем скорость истечения воды по короткому желобу. Энергия движущейся воды прямо пропорционально зависит от скорости вытекания воды. Поэтому энергия при длинном желобе будет меньше, чем при коротком желобе. Чем больше скорость, тем быстрее будет вращаться колесо, а значит, опыт будет более наглядным.

Таким образом, проанализировав информацию, я выбираю короткие желоба. А, составив чертеж, для изготовления выбираю модель «Сегнерово колесо из соломинок»,  т.к. она наиболее приемлемая для проведения опытов и проста в своем изготовлении. (Приложение 5)

Заключение

Воля, которая стремиться к познанию,

никогда не удовлетворяется оконченным делом.

Джордано Бруно

 Многие люди не задумываются о природе явлений, происходящих вокруг нас, тем не менее, почти каждое можно объяснить с точки зрения физики.

Закончив проект, я узнала больше о реактивном движении. Смогла доказать это на опыте, сделав самостоятельно прибор - сегнерово колесо.

Цель, которую я ставила перед собой, достигнута. Прибор изготовлен и отвечает всем требованиям.

Мое предположение подтвердилось, уроки по теме «Реактивное движение» стали более понятными и интересными.

Я считаю, что мой проект и прибор удался. Я своей работой довольна. Надеюсь, что мой проект будет полезен как учителю, так и ученикам.

Список литературы

1. А.В. Перышкин, Е.М. Гутник Физика. 9 кл.: учебник для общеобразовательных учреждений, М.: Дрофа, 2010.
2. http://class-fizika.narod.ru/o55.htm
3. http://coolreferat.com/Реактивное_движение_в_природе_и_технике
4. http://freepapers.ru/85/istoriya-razvitiya-reaktivnogo-dvigatelya/3888.35649.list1.html
5. http://www.koipkro.kostroma.ru/Buy/School_13/DocLib16/Реактивное%20движение%20в%20природе%20и%20технике_Виноградов%20А,%20Куков%20А.doc
6. http://www.extim1.narod.ru/popular/jet.htm
7. http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc3p/267066
8. http://www.narovol.narod.ru/art/lit/perelman.htm
9. .http://bse.sci-lib.com/article010346.html
10. http://ru.wikipedia.org/wiki/Сегнерово_колесо
11. http://rutube.ru/tracks/3186047.html 

Приложение 1

Модели Сегнерово колеса

Приложение 2

Материал для изготовления

Приложение 3

Чертежи модели «Сегнерово колеса из соломинки»

Рисунок 1 (Вид сбоку)                                                    Рисунок 2 (Вид сверху)

Приложение 4

Элементы прибора

Приложение 5

Готовый прибор

Рисунок 2 (Вид сверху)