Исследовательская работа "Полет Вини-Пуха на воздушном шарике – сказка или реальность?"

Полет Вини-Пуха на воздушном шарике – сказка или реальность?

Исследовательская работа

Автор: Мосейкова Екатерина                         

     МБОУ СОШ № 26, 7 «А» класс

     Руководитель: Сиваш Татьяна Петровна        

учитель физики МБОУ СОШ № 26

Сургут, 2016

Аннотация………………………………………………………………………….…2

Введение………………………………………………………………………………3

Основная часть……………………………………………………….…………….…4

1. Узнаем больше о законе Архимеда…………………………….………..…..4
2. Воздухоплавание…………………………….………………………………..5
3.  Мог ли Вини-Пух летать на воздушном шарике? ………………………....6

Заключение………………………………………………………….………………...9

5. Список источников и использованной литературы …………………………….10

Аннотация

Одной из основных концепций современного школьного образования считается умение пробудить в детях интерес к предмету, стремление постичь его законы и применить их в жизни, а не заставлять зазубривать основные формулировки и формулы как, это было раньше. Изучение физических законов, явлений должно проходить через практическое применение. Опыт, проведенный учеником, эксперимент, поставленный самостоятельно, имеет более важное значение, чем теоретическое изучение этого же процесса.

Проектирование ставит ученика в активную позицию деятельного субъекта, поскольку именно он сам генерирует идеи, инициирует деятельность, реализует свои творческие замыслы. А деятельность в свою очередь формирует мышление, умения, способности, характер, качества личности, багаж знаний, межличностные отношения.

В основу этого проекта положен мультфильм "Винни-Пух" по сказке А. Милна (Винни-Пух и Пятачок идут за медом к дереву с пчёлами).

Проект реализуется учащимися 7 класса при изучении темы “Сила Архимеда”.

Актуальность данного проекта обусловлена тем, что многие физические законы трудно объяснить, пользуясь лишь словесными описаниями, а эксперимент является наглядным средством обучения. Знания усваиваются лишь тогда, когда ученик получает их через опыт. Опыт есть критерий истины.

1. Введение

С давних времен люди мечтали о возможности летать над облаками, плавать в воздушном океане, как они плавали в море.

В детстве я читала повести о Вини - Пухе, автором которых является английский писатель Алан Александр Милн. Меня очень заинтересовало «Мог ли на самом деле Винни Пух летать на воздушном шарике, так же как он это делал в своем сказочном мире?» и поэтому я решила провести это исследование.

Цель исследования: Проверить условия воздухоплавания; исследовать, мог ли действительно Вини – Пух летать на воздушном шарике; установить экспериментально подъёмную силу воздушного шарика, наполненного гелием.

Задачи исследовательской работы:

• Изучение теоретических основ воздухоплавания.
• Подготовка оборудования.
• Проведение эксперимента.
• Анализ результатов.
• Подготовка отчета и защита проекта.

Объекты исследования: Архимедова сила

Предмет исследования: воздушный шарик, наполненный гелием

Методы: сравнительно-аналитический, частично- поисковый, анализ, синтез.

"Что кажется нам чудом, на самом деле таковым не является!"

Симон Стевин

1. Узнаем больше о законе Архимеда.

В первой части мы рассмотрели, что зависимость давления в жидкости или газе от глубины погружения тела приводит к появлению выталкивающей силы (или иначе силы Архимеда), действующей на любое тело, погруженное в жидкость или газ.

        Архимедова сила направлена всегда противоположно силе тяжести, поэтому вес тела в жидкости или газе всегда меньше веса этого тела в вакууме. Величина Архимедовой силы определяется по закону Архимеда. FА= g pЖ VТ

Закон назван в честь древнегреческого ученого Архимеда, жившего в 3 веке до нашей эры.

Открытие основного закона гидростатики - крупнейшее завоевание античной науки.
        Закон Архимеда, впервые был упомянут им в трактате " О плавающих телах". Архимед писал: " тела более тяжелые, чем жидкость, опущенные в эту жидкость, будут опускаться пока не дойдут до самого низа, и в жидкости станут легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела». Еще одна формула для определения Архимедовой силы:     FА= g mЖ =РЖ
Интересно,  что сила Архимеда равна нулю, когда погруженное в жидкость тело плотно, всем основанием прижато ко дну.
        Вес тела в вакууме P0=mg.
Если тело погружено в жидкость или газ, то P = P0 – FА = Р0 – PЖ
Вес тела, погруженного в жидкость или газ, уменьшается на величину выталкивающей силы, действующей на тело. Или иначе: Тело, погруженное в жидкость или газ, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость.

2. Воздухоплавание

На все тела в воздухе действует выталкивающая (архимедова) сила. Чтобы найти силу, действующую на тело в воздухе, надо рассчитать ее по формуле, умножив ускорение свободного падения на плотность воздуха и на объем тела.

FА= g pЖ VТ

Если эта сила окажется больше силы тяжести, действующей на тело, то тело взлетит. На этом основано воздухоплавание.

Чтобы воздушный шар поднимался выше, его надо наполнить газом, плотность которого меньше, чем у воздуха. Это может быть водород, гелий или нагретый воздух.

Для того чтобы определить, какой груз может поднять воздушный шар, надо знать его подъемную силу. Подъемная сила воздушного шара равна разности между архимедовой силой и действующей на шар силой тяжести.

Fпод = FА- (Fт оболочки + Fт газа внутри + Fт груза)

Чем меньше плотность газа, заполняющего воздушный шар данного объема, тем меньше действующая на него сила тяжести и потому тем больше возникающая подъемная сила. При нагревании воздуха от 0 до 100 градусов Цельсия его плотность уменьшается только в 1,37 раз. Поэтому подъемная сила шаров, заполненных теплым воздухом, оказывается небольшой. Плотность же водорода в 14 раз меньше плотности воздуха, и подъемная сила шара, наполненного водородом более чем в три раза превышает подъемную силу нагретого воздуха того же объема. Водород, однако, горит и образует с воздухом легко воспламеняющуюся смесь. Негорючим и одновременно легким газом является гелий.

Плотность воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем моря. Поэтому по мере поднятия воздушного шара действующая на него архимедова сила становится меньше. 
После того, как архимедова сила достигнет значения, равного силе тяжести, подъем воздушного шара прекратится. Чтобы подняться еще выше, с шара сбрасывают балласт. При этом сила тяжести уменьшается, и выталкивающая сила опять оказывается вновь большей.

Для того, чтобы опуститься на землю, выталкивающую силу надо уменьшить. Для этого можно уменьшить объем шара. В верхей части оболочки шара имеется специальный выпускной клапан, через который можно выпустить часть газа. После этого шар начнет опускаться вниз.

Температуру теплого воздуха внутри воздушного шара можно регулировать с помощью обычно газовой горелки, установленной под оболочкой. Увеличивая пламя горелки, можно заставить воздушный шар подниматься выше и наоборот. Если подобрать такую температуру, при которой сила тяжести, действующая на шар с корзиной окажется равной силе Архимеда, то шар " повиснет" в воздухе.

3. Практическая часть

                                 Мог ли Вини-Пух летать на воздушном шарике?

Во второй части мы провела эксперимент по определению подъёмной силы воздушного шарика. Рассчитали сколько необходимо воздушных шариков, чтобы поднять нашего Винни-Пуха массой 250г.

Для проведения эксперимента мы использовали оборудование: шарик наполненный гелием, весы электронные, линейка ученическая, игрушка.

                Подъемная сила воздушного шара равна разности между силой Архимеда и действующей на шар силой тяжести.

Fпод = FА -  (Fт оболочки + Fт газа внутри + Fт груза)

В ходе эксперимента:

1. Определили силу Архимеда, действующая на шарик:

FА = ρ (воздух). g. V, где

p(воздух) - плотность воздуха,

V - объём шарика,

 g - ускорение свободного падения.

3.1             Объём шарика: V=4/3πR3         

π = 3,14

R=27см=0,27м

V=4/3. ,3,14. (0,27м)3=0,01м3

3.2.                 Сила Архимеда: FА = 1,29 кг/м2. 9,8Н/кг. 0,01м3

FА= 0,049Н

3.3.       Сила тяжести, действующая на оболочку шарика: Fт.об = m ,g

   m – масса оболочки шарика;

   m = 0,96г = 0,00096кг

                  Fт.об = 9,8Н/кг 0,00096кг=0,0096Н

3.4.      Сила тяжести, действующая на газ (гелий) в шарике:                                            Fт газа внутри = m ,g = ρ (Не) ,g V 

 Fт = 9,8Н/кг.0,18кг/м3.0,01м3

Fт =0,018Н

Плотности возьмём из таблицы:

ρ (He) = 0,18 кг/м3

ρ (воздух) = 1,29 кг/м3 

3.5.        Определили подъёмную силу одного шарика:

   Fпод = FА – (Fт оболочки + Fт газа внутри )

   Fпод = 0,049Н – (0,0096Н +0,018Н) =0,02 Н

Вывод: в ходе эксперимента установили, что подъёмная сила одного шарика, наполненного гелием равна приблизительно 0,02Н, то есть один шарик может поднять груз массой 2г

m = F/ g

3.6.    Сколько шариков необходимо, чтобы поднять груз массой 250 г? Чтобы определить количество шариков необходимых для поднятия груза массой 250г, необходимо массу груза разделить на подъёмную силу одного шарика.

N = 250 г/2г

N = 125

Вывод: для подъёма Вини-Пуха массой 250 грамм необходимо использовать приблизительно 125 гелиевых шариков.

Заключение

                Для того, чтобы дать ответ на вопрос, мог ли Вини-Пух подняться на воздушном шарике, мы использовали воздушный шарик, наполненный гелием. Экспериментально установили, что стандартный воздушный шарик диаметром 27 сантиметров может поднять груз массой 1-2 грамма.  Масса нашего Вини-Пуха 250 грамм и поэтому, для его подъёма необходимо использовать приблизительно 125 гелиевых шариков.

                По результатам эксперимента мы убедились, что Вини-Пух не мог подняться за медом лишь на одном воздушном шарике.

Список литературы

1. Перышкин А.В. Физика. 7 класс: учебник / А.В.Перышкин  – 4-е издание, стереотипное. – М.: Дрофа, 2015. – 224, с.: ил.
2. Сайт http://class-fizika.narod.ru/7_vosdplav.htm
3. Сайт http://videoblock.info/article/38/vini-pukh
4. Сайт http://poradumo.pp.ua/svoimu-rukamu/32914-yak-zrobiti-povtryana-kulya.html
5. Сайт http://www.livemaster.ru/item/1275531-kukly-igrushki-vinni-puh
6. Сайт https://www.youtube.com/watch?v=0mDx5CMLd4k