исследовательская работа "физика в игрушках"
творческая работа учащихся по физике (9 класс)

Государственное бюджетное общеобразовательное

учреждение гимназия №85

Петроградского района Санкт-Петербурга

Исследовательская работа по физике

на тему:

«Физические законы, которые используются в игрушках»

Выполнила: Галибина Софья,

Ученица 9 «Б» класса

Руководители:

Учитель физики

Непомнящий Сергей Михайлович

Санкт-Петербург

2021

Проблема, которая решается в ходе работы над проектом.

Многие люди не задумываются, как физические законы проявляются в привычных детских игрушках. Я решила провести исследование, демонстрирующее некоторые законы физики на примере детских игрушек. (на основе опытов и экспериментов)

Кажется, что детские игрушки понятны каждому – они знакомят ребенка с особенностями окружающего мира. Но мало кто из взрослых и тем более детей задумаются о том, какие законы лежат в основе взаимодействия с ними (их использования).

Цели и задачи проекта

Цель проекта:

Продемонстрировать наглядность и доступность понимания физических явлений и законов с помощью детских игрушек.

Задачи проекта:

1.Классифицировать игрушки по принципу действия.

2.Провести опыты, которые подтвердят использование физических законов в игрушках.

3.Объяснить принцип действия физических законов, проявляющихся в некоторых игрушках и выявленных из опытов.

4. Сделать выводы.

5.Создать брошюру о проявлении физических явлений и законов в детских игрушках.

Идея

С самого рождения нас окружают игрушки, начиная с красочной звонкой погремушки. Наверное, каждый из нас задумывался хоть раз, как работает та или иная игрушка. Я решила более глубоко исследовать строение некоторых видов игрушек и узнать какие законы лежат в основе их использования.

Описание этапов работы:

1. Классифицировать игрушки по принципу действия.

В рамках этого этапа я изучила информацию из интернет-источников и различных литературных носителей о разных видах игрушек и изложила её в параграфе 1.

2. Провести опыты, которые подтвердят использование физических законов в игрушках.

Я рассмотрела типы игрушек, в которых применяются физические законы. Для каждого вида игрушек я сначала распланировала, а потом провела опыт, в ходе которого подтверждалось использование физических законов в данном виде игрушек. Об этом более подробно изложено в параграфе 2.

3. Объяснить принцип действия игрушек на основе законов физики, выявленных из опытов.

После проведения опытов я выявила законы, которые объясняют принцип действия игрушек. Это изложено в параграфе 3.

4. Сделать выводы.

В параграфе 4 я обобщила знания, которые узнала из проведённых опытов. Для каждой группы игрушек соответствует часть физических законов.

5. Создать брошюру о проявлении физических явлений и законов в детских игрушках.

В параграфе 5 я поместила фотографии и результаты проведённых опытов, на основе которых я создала брошюру о проявлении физических явлений и законов в детских игрушках.

§1         Классификация игрушек

Игрушки помогают ребенку развиваться и учиться.

Почти все знакомые нам игрушки можно объединить в определенные группы на основе принципа их работы.

§2         Опыты, доказывающие, что в различных группах игрушек используются разные физические законы

Звуковые игрушки.

Что же такое звук? Звук – это колебания, которые распространяются в окружающей среде. Погремушка является самой популярной и примитивной звуковой игрушкой. Внутри погремушки находятся шарики, бусинки, которые ударяясь о ее стенки, вызывают колебания. Эти колебания передаются окружающему воздуху и распространяются в нем. Звуки бывают разные: громкие и тихие, высокие и низкие. Чем чаще колеблется тело, тем выше звук.

Принцип действия бубна, различного рода свистулек, барабанов, свирели такой же, как и у погремушки.

У «говорящих» кукол устройство сложнее. Внутри игрушки находится кожаная коробочка с отверстиями, которую помещают внутрь игрушки. При наклоне куклы грузик, находящийся в коробочке, падает, заставляя воздух в ней сжиматься и выходить в отверстия. Колебания воздуха сопровождаются звуком.

Теперь рассмотрим другую игрушку – «Кот в сапогах». Когда мы нажимаем на неё, воздух выходит из подушки, находящейся внутри игрушки, а когда мы ее отпускаем – устремляется внутрь подушки, она постепенно распрямляется, воздух внутри нее колеблется, издавая звук.

Причиной музыкальных звуков, издаваемых шарманкой, тоже является воздух внутри нее. Чтобы звук был громче, ящик шарманки делают большим и полым.

Рис.1  Звуковые волны                                                                      Рис.2  Погремушка

Игрушки, действие которых основано на существовании архимедовой силы.

Когда ребенок чуть-чуть подрастает, он знакомится с другой игрушкой – мячом. Иногда дети играют с мячом не аккуратно, вследствие чего мяч может упасть в жидкость. Но почему же мяч не утонет?

Оказывается, на него действует со стороны воды выталкивающая или архимедова сила. Если сила тяжести тела больше выталкивающей силы, то тело тонет. Если выталкивающая сила равна силе тяжести, то тело плавает. Если выталкивающая сила больше силы тяжести тела, то тело всплывает.

Выталкивающая сила зависит от объема тела.

Опыт 1. Прикрепим груз к пружине, пружина растянется. Опустим пружину с грузом в жидкость, пружина начинает сжиматься. Это происходит потому, что на груз со стороны воды действует выталкивающая или архимедова сила. В результате вес груза в жидкости уменьшается. Если к динамометру подвесить груз меньшего объема, то длина пружины уменьшится на меньшую величину.

Так же она зависит от плотности жидкости.

Опыт 2. Опустим в сосуд с водой яйцо – оно тонет. Будем подсыпать в воду соль. По мере увеличения солености воды яйцо всплывает. Таким образом, мы убедились, что выталкивающая сила зависит от объема тела и плотности жидкости.

На этом принципе основаны плавающие игрушки: кораблики, уточки, спасательные круги, жилеты, надувные матрасы.

Рис.4 Резиновая уточка                                       Рис.5 Надувной круг

Гироскопические игрушки.

 Самая простая механическая игрушка – юла. Она приводят в движение рукояткой, снабженной ходовым винтом. Почему неподвижный волчок не может стоять на острие своей оси, а приведи его в быстрое движение – и, словно перед тобой совсем другой предмет, он стойко держится, вращаясь вокруг вертикальной оси? Мало того, волчок упорно сопротивляется попыткам вывести его из этого положения. Попытайтесь, толкнув его, вывести волчок из вертикального положения, опрокинуть, но волчок после толчка отскакивает в сторону и продолжает кружиться, описывая своей осью коническую поверхность.

В чем причина такой устойчивости вращения? Она тоже связана с одним из физических законов – законом сохранения момента количества движения. В этом и состоит секрет устойчивости волчка, а само это свойство сохранения устойчивости при вращении называют гироскопическим свойством. (Гироскоп – от греческого «гирос» - круг, кольцо и «скопео» - смотреть.)

Рис.6 Волчок                     Рис.7 Юла                    Рис.8 Механическое устройство волчка

Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести.

У каждого тела есть центр тяжести. Центром тяжести каждого тела является некоторая расположенная внутри него точка - такая, что если за неё мысленно подвесить тело, то оно остается в покое и сохраняет первоначальное положение. Стоящий предмет не опрокидывается только тогда, когда отвесная линия, проведенная из центра тяжести, проходит внутри основания предмета.

Пример:падающая башня в итальянском городе Пиза не падает, несмотря на свой наклон, т. к. отвесная линия, проведенная из центра тяжести, не выходит за пределы основания.

У неваляшки внутреннее устройство таково, что создает смещенный вниз центр тяжести. Поэтому такое положение равновесия является устойчивым: центр тяжести корпуса неваляшки и точка её опоры лежат на вертикали, причем расстояние между центром тяжести и точкой опоры, всегда наименьшее. При выведении неваляшки из положения равновесия, возникает сила, которая возвращает ее в устойчивое положение

Самая простая неваляшка представляет собой круглый полый корпус, внутри которого в нижней части закреплен груз. В результате получается объемная фигура со смещенным относительно геометрического центра центром тяжести.

Рис. 9а-б устройство неваляшки

Заводные игрушки

Внутри этих игрушек - пружина. Сжатая пружина обладает потенциальной энергией, за счет которой тело может совершать работу.

Когда мы заводим игрушку, поворачивая ключ, пружина внутри игрушки сжимается, увеличивается ее потенциальная энергия. Чем больше оборотов ключа мы сделаем, тем сильнее сожмем пружину, тем больший запас потенциальной энергии получит пружина. Если мы отпустим игрушку, то пружина внутри неё начнёт раскручиваться, потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию игрушки. В основе работы этих игрушек лежит закон сохранения механической энергии.

А вспомните пружинные пистолеты с пулями. Когда мы вставляем пулю в пистолет, сжимается пружина, находящаяся внутри. Деформированная пружина обладает запасом потенциальной энергии, за счет которой при спуске курка начинается движение пули. В соответствии с законом сохранения механической энергии потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию пули.

Рис.10 Заводная игрушка                              Рис.11 Механическое устройство заводной игрушки

Инерционные игрушки

Про тело, которое при взаимодействии медленнее изменяет свою скорость, говорят, что оно более инертно и имеет большую массу. А про тело, которое при этом быстрее изменяет свою скорость, говорят, что оно менее инертно и имеет меньшую массу.

Движение по инерции лежит в основе принципа действия игрушек - автомобилей, мотоциклов: на задней или передней оси, соединяющей колёса, находится ряд шестерёнок, которые в свою очередь соединяются с маховиком, то есть массивным цилиндром. Мы толкаем автомобиль, шестерёнки передают движение маховику. Маховик же обладает большой массой, поэтому будет долго сохранять состояние движения, которое ему сообщили. Именно благодаря тяжелому маховику такую игрушку трудно остановить, и она будет двигаться по инерции гораздо дольше времени, чем такая же игрушка без маховика.

Рис.12  Инерционная машинка                       Рис.13 Устройство инерционной машинки

Электрические игрушки

Это различные интерактивные, светящиеся, летающие, музыкальные, радио игрушки. Внутри этих игрушек батарейки - химические источники тока. Электрический ток оказывает различные действия: тепловое, магнитное, механическое.

Светящиеся игрушки изготавливаются как из пластика, так и из плюша. Модификаций светящихся игрушек чрезвычайно много – это и фонарики, и светящиеся браслеты, зверушки и транспорт, светильники, палочки и многое другое.

Большинство таких игрушек, как правило, представляют собой мягкую игрушку, которая работает на батарейках, и способна при определенных действиях, либо издавать звуки, либо петь песенку, либо повторять произнесенные слова.

Первая категория музыкальных мягких игрушек самая простая - внутри находится электронное устройство, которое может воспроизводить небольшой отрывок детской песни, или может говорить какие-нибудь фразы. Такие игрушки могут также быть более сложными - например, могут иметь встроенный механизм, который заставляет игрушку двигать лапками или ходить, хлопать в ладоши и так далее.

Второй вариант детских мягких музыкальных игрушек - это так называемые "повторюшки", которые записывают сказанную фразу или музыкальный фрагмент и потом воспроизводят их.

Но самые сложные мягкие музыкальные игрушки, относятся к разряду обучающих развивающих игрушек. Внутри таких игрушек находится программируемый плеер, который имеет сменный носитель (флешку) на который можно записать детские песни, сказки, стихи, и даже уроки иностранного языка для малышей.

На сегодня есть и еще одна категория мягких музыкальных игрушек, которые пока что мало доступны из-за их высокой цены - такие игрушки представляют собой целый компьютер - робот, и могут управляться голосом, они видят вас, могут передвигаться, говорить, петь, и многое другое. Однако стоят они очень дорого, и возможно получат широкое распространение только в будущем.

Рис.14 Электронное устройство куклы                      Рис.15 Электрическая железная дорога

Магнитные игрушки

Это магнитные шашки и шахматы, магнитные буквы и цифры, магнитный конструктор, магнитная рыбалка, магниты на холодильник, магнитная доска. В этих игрушках используется свойство магнитов притягивать к себе некоторые железосодержащие материалы.

Магнит - тело, обладающее собственным магнитным полем. Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них.

Магнит на холодильник — элемент декора, сувенир на магнитной основе, как правило, прикрепляемый к кухонной бытовой технике. Благодаря специальной конструкции, магнитное поле с лицевой стороны магнита практически отсутствует и удваивается с оборотной.

Рис.16 Магнитные линии

Рис.17 Магнитный конструктор                           Рис.18 Магнитные шахматы

Игрушки, действие которых основано на законах оптики

Одной из самых красочных игрушек является калейдоскоп. Он может не только доставлять удовольствие разнообразными узорами, но и оказывать большую помощь художникам в создании рисунков для тканей, обоев, керамики, в создании орнаментов для витрин, выставок.

Для того, чтобы рассмотреть и понять устройство калейдоскопа мы должны вспомнить закон отражения света. Представьте, что вы направили тонкий луч света на отражающую поверхность, например, посветили лазерной указкой на зеркало или полированную металлическую поверхность. Луч отразится от такой поверхности и будет распространяться дальше в определенном направлении. Угол между перпендикуляром к поверхности и исходным лучом называется углом падения, а угол между нормалью и отраженным лучом - углом отражения.

Закон отражения света гласит: отраженный и падающий лучи лежат в плоскости, содержащей перпендикуляр к отражающей поверхности в точке падения, и угол падения равен углу отражения (рис.19)

Рис.19 Закон отражения света (α = β)

α – угол падения

β – угол отражения

Мы знаем, что лучшими отражающими свойствами обладает белая поверхность. Но ничуть не хуже отражает свет поверхность зеркальная. Эти поверхности отражают почти все падающие на них лучи, но делают это по-разному. Причина различия в способах отражения белой и зеркальной поверхности кроется в фактуре самих поверхностей. Белое отражение дает шероховатая поверхность, а зеркальное - гладкая поверхность.

Именно принцип отражения света от зеркальной поверхности лежит в основе работы калейдоскопа.

Рис.20 Калейдоскоп

§3         Принцип действия игрушек на основе законов физики

В результате исследования и проведенных опытов я классифицировала физические законы к каждой группе игрушек и составила таблицу. В игрушках применяются не только физические законы, но и все различные силы, свойства и явления.

§4         Вывод

В своей работе на примере простых игрушек, которые есть в любом доме, где только живут дети, я показала, что физика – это не только наука о природе, а ещё и то, что её законы лежат в основе всех действующих тел, придуманных человеком для того, чтобы его жизнь была более удобной и интересной.

В ходе проведенного исследования я узнала, что в основе действия любой игрушки лежат физические законы. Мне удалось показать устройство игрушек, опираясь на физические законы и явления, практические опыты. В результате была выделена классификация игрушек. Я показала игрушки не как забаву, а как физику и физику не как науку, а как забаву. Изучение принципа действия игрушек показало нам, что законы физики находят широкое применение в быту.

§5         Создание брошюры о проявлении физических явлений и законов в детских игрушках.

Я выбрала несколько опытов из вышеперечисленных и провела их, отсняв каждый этап работы. После чего я создала брошюру на основе проведённых опытов.

Литература и ссылки

1. Занимательная физика. Ральперштейн Л.Я., М.: РОСМЕН, 2000.
2. https://bip-mip.com/nevalyashka-i-kuvyrkalka.html
3. http://class-fizika.ru/caled4.html
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D0%B3%D1%80%D1%83%D1%88%D0%BA%D0%B
5. http://www.poprobot.ru/ideologia/sensor

Государственное бюджетное общеобразовательное

учреждение гимназия №85

Петроградского района Санкт-Петербурга

Брошюра на тему:

«Физические законы, которые используются в игрушках»

Выполнила: Галибина Софья,

Ученица 9 «Б» класса

Руководитель:

Учитель физики

Непомнящий Сергей Михайлович

Санкт-Петербург

2021

Оглавление

Звуковые игрушки        3

Игрушки, действие которых основано на существовании архимедовой силы        4

Гироскопические игрушки        5

Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести        6

Заводные игрушки        7

Инерционные игрушки        8

Электрические игрушки        9

Магнитные игрушки        10

Игрушки, действие которых основано на законах оптики        11

2

Звуковые игрушки

Что же такое звук? Звук – это колебания, которые распространяются в окружающей среде. Погремушка является самой популярной и примитивной звуковой игрушкой. Внутри погремушки находятся шарики, бусинки, которые ударяясь о ее стенки, вызывают колебания. Эти колебания передаются окружающему воздуху и распространяются в нем. Звуки бывают разные: громкие и тихие, высокие и низкие. Чем чаще колеблется тело, тем выше звук.

Принцип действия бубна, различного рода свистулек, барабанов, свирели такой же, как и у погремушки.

Физические явления: звуковые колебания.

Рис.1 Звуковые волны

3

Игрушки, действие которых основано на существовании архимедовой силы

Действие этих игрушек основано на существование силы Архимеда. Они обладают большой подъёмной силой, потому что их вес намного меньше действующей на них со стороны воды выталкивающей силы.

Если выталкивающая сила равна силе тяжести, то тело плавает. Если выталкивающая сила больше силы тяжести тела, то тело всплывает.Выталкивающая сила зависит от объема тела.

На этом принципе основаны плавающие игрушки: кораблики, уточки, спасательные круги, жилеты, надувные матрасы.

Физические законы и явления: архимедова сила, атмосферное давление.

Рис.2 Надувной круг

4

Гироскопические игрушки

 Самая простая механическая игрушка – юла. Она приводит в движение рукояткой, снабженной ходовым винтом. Почему неподвижный волчок не может стоять на острие своей оси, а приведи его в быстрое движение, он стойко держится, вращаясь вокруг вертикальной оси? Мало того, волчок упорно сопротивляется попыткам вывести его из этого положения. В чем причина такой устойчивости вращения? Она тоже связана с одним из физических законов – законом сохранения момента количества движения. В этом и состоит секрет устойчивости волчка, а само это свойство сохранения устойчивости при вращении называют гироскопическим свойством.

Физические законы: гироскопическое свойство.

Рис.3 Волчок                                      Рис.4 Юла

5

Игрушки, действие которых основано на различном положении центра тяжести

У каждого тела есть центр тяжести. Центром тяжести каждого тела является некоторая расположенная внутри него точка - такая, что если за неё мысленно подвесить тело, то оно остается в покое и сохраняет первоначальное положение. Стоящий предмет не опрокидывается только тогда, когда отвесная линия, проведенная из центра тяжести, проходит внутри основания предмета.У неваляшки внутреннее устройство таково, что создает смещенный вниз центр тяжести. Самая простая неваляшка представляет собой круглый полый корпус, внутри которого в нижней части закреплен груз. В результате получается объемная фигура со смещенным относительно геометрического центра центром тяжести.

Физические свойства: различные положения центра тяжести.

Рис.5 Устройство неваляшки

6

Заводные игрушки

Внутри этих игрушек - пружина. Сжатая пружина обладает потенциальной энергией, за счет которой тело может совершать работу.

Когда мы заводим игрушку, поворачивая ключ, пружина внутри игрушки сжимается, увеличивается ее потенциальная энергия. Если мы отпустим игрушку, то пружина внутри неё начнёт раскручиваться, потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию игрушки.

Физическое свойство: переход из кинетической энергии в потенциальную.

Рис.6 Механическое устройство заводной игрушки

7

Инерционные игрушки

Движение по инерции лежит в основе принципа действия игрушек - автомобилей, мотоциклов: на задней или передней оси, соединяющей колёса, находится ряд шестерёнок, которые в свою очередь соединяются с маховиком, то есть массивным цилиндром. Мы толкаем автомобиль, шестерёнки передают движение маховику. Маховик же обладает большой массой, поэтому будет долго сохранять состояние движения, которое ему сообщили. Именно благодаря тяжелому маховику такую игрушку трудно остановить, и она будет двигаться по инерции гораздо дольше времени, чем такая же игрушка без маховика.

Физические закономерности: движение по инерции.

Рис.7 Инерционная машинка

8

Электрические игрушки

Это различные интерактивные, светящиеся, летающие, музыкальные, радио игрушки. Внутри этих игрушек батарейки - химические источники тока. Электрический ток оказывает различные действия: тепловое, магнитное, механическое.

Светящиеся игрушки изготавливаются как из пластика, так и из плюша. Модификаций светящихся игрушек чрезвычайно много – это и фонарики, и светящиеся браслеты, зверушки и транспорт, светильники, палочки и многое другое.

Большинство таких игрушек, как правило, представляют собой мягкую игрушку, которая работает на батарейках, и способна при определенных действиях, либо издавать звуки, либо петь песенку, либо повторять произнесенные слова.

Физические явления: различные действия электрического тока.

Рис.8 Электрическая железная дорога

9

Магнитные игрушки

Магнит - тело, обладающее собственным магнитным полем. Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них.

Это магнитные шашки и шахматы, магнитные буквы и цифры, магнитный конструктор, магнитная рыбалка, магниты на холодильник, магнитная доска. В этих игрушках используется свойство магнитов притягивать к себе некоторые железосодержащие материалы.

Физические свойства: свойства магнитов.

Рис.9 Магнитный конструктор                  Рис.10 Магнитные шахматы

10

Игрушки, действие которых основано на законах оптики

Одной из самых красочных игрушек является калейдоскоп.

Мы знаем, что лучшими отражающими свойствами обладает белая поверхность. Но ничуть не хуже отражает свет поверхность зеркальная. Эти поверхности отражают почти все падающие на них лучи, но делают это по-разному. Причина различия в способах отражения белой и зеркальной поверхности кроется в фактуре самих поверхностей. Белое отражение дает шероховатая поверхность, а зеркальное - гладкая поверхность.

Именно принцип отражения света от зеркальной поверхности лежит в основе работы калейдоскопа.

Физические законы: закон отражения света.

Рис.11 Калейдоскоп

                                        11