Тема занятия

Создание модели воздушного шара и расчет его подъемной силы

Целевая аудитория

7 класс (18 учеников, качество знаний 43%, в классе присутствуют ученики с навыком критически воспринимать информацию, умеют активно проявлять свою позицию, задавать ситуативные вопросы на уроках, приводить при изучении физических законов бытовые примеры, технологические)

Учебный предмет, направление внеурочной деятельности

Физика

Аннотация

Работа посвящена моделированию воздушного шара и расчету его грузоподъемности, что имеет особое значение для безопасного и эффективного проведения аэростатических мероприятий. В контексте регионального фестиваля "Небосвод Белогорья" в городе Белгороде, исследование этих параметров может быть ключевым элементом организации праздника и обеспечения его успешного проведения.

Анализ эффективности грузоподъемности воздушного шара на фоне особенностей климатических условий региона поможет оптимизировать планирование и подготовку к празднику, а также обеспечить безопасность и комфортность участников и зрителей мероприятия. Таким образом, данная работа не только способствует научному исследованию в области аэростатики, но и предлагает практический инструмент для успешного освоения навыков моделирования.

Урок содержит элемент профориентации – при выполнении заданий, распределении ролей ученики смогут оценить, насколько им близка тема урока, сможет ли этот опыт оказаться для них ценным для проведения собственных исследований, возможно некоторых учеников практическая часть урока натолкнет на идеи для разработки проектов или научно-исследовательских работ в области аэростатики.

Цель занятия

Создать условия для формирования у учеников знаний о принципе работы аэростата через моделирование воздушного шара, навыков расчета подъемной силы воздухоплавательных средств. Создать условия для обучающихся, в которых они смогут оценить возможности применения полученных знаний и навыков в будущей профессиональной деятельности, связанной с инженерией, аэронавтикой или другими научно-техническими областями.

Образовательные результаты

Предметные

Освоенная обучающимися методика расчета подъемной силы воздушного шара, полученные обучающимися знания о принципах воздухоплавания, умение применять теоретические знания для решения практических задач, формирование умения планировать и выполнять эксперимент, формирование научного типа мышления.

Метапредметные

Формирование навыка планирования эксперимента, анализа полученных результатов расчета, формирование умений работать в группе с выполнением различных социальных ролей, формирование функциональной грамотности (математической, естественнонаучной).

Личностные

Понимание обучающимися, является ли рассмотренная тема областью их интересов, профессиональное самоопределение, возможность формирования навыков самостоятельности в проектной деятельности, понимание своего потенциала для проявления творческих и интеллектуальных способностей. Принятие ценности родного края через знакомство с мероприятиями, связанными с воздухоплаванием.

Тип занятия

• комбинированный урок

Вид занятия

• Урок-проект с элементами деловой игры

Ведущие педагогические технологии

• системно-деятельностный подход (проектная деятельность)
• практикоориентированное обучение
• деловая игра

Этап, хронометраж

• Краткое описание этапа
• Краткое описание слайдов презентации (при использовании)
• Требуемый контент
• Ссылки на интерактивные задачи
  и их текстовые описания

• Что делает педагог
• Краткое методическое обоснование
  (на достижение каких целей направлено)

• Что делают ученики
• Дидактические пособия
  и материалы, с которыми работает ученик

Вводная часть, постановка задач урока, 3 мин

Тема урока: Создание модели воздушного шара и расчет его подъемной силы

Цель урока: Создать условия для формирования у учеников знаний о принципе работы аэростата через моделирование воздушного шара, навыков расчета подъемной силы воздухоплавательных средств.

Задачи на урок:

• Выполнить макет (модель) воздушного шара из предложенных материалов
• Произвести расчет силы Архимеда и силы тяжести для макета для определения его подъемной силы.
• Определить возможности регулирования высоты плавания шара.
• Проверка расчетных результатов экспериментальным путем.

Рассказ преподавателя о цели и задачах на урок

Ученики слушают учителя, участвуют в постановке задач

Актуализация знаний, 2 мин

Рассказ учителя.

Неспешно парящий воздушный шар сейчас можно увидеть не только поблизости мегаполисов. Они стали столь популярными, что даже жители маленьких городков могут насладиться полетом, не уезжая далеко из дома.

(на фото Каппадокия и полеты на воздушном шаре)

На просторах Белгородской области полеты на воздушном шаре тоже становятся популярны. Ежегодно вот уже более десяти лет в конце августа проводится фестиваль военно-спортивных и авиационно-спортивных клубов - «Небосвод Белогорья».

Главный орган управления тепловым аэростатом — это газовая горелка, расположенная под оболочкой и направленная вверх. В ней горит смесь пропана и бутана, которую берут на борт в баллонах, похожих на те, что стоят у многих дачников на кухне. При помощи огня нагревается воздух в оболочке; температура растет, шар поднимается. В зависимости от объема оболочки (2-5 тыс. куб. метров воздуха), полезной загрузки и температуры окружающего воздуха температура внутри составляет 50-130 градусов Цельсия. Воздух в оболочке постоянно остывает и шар начинает снижаться, поэтому нужно периодически «поддавать жару» для сохранения постоянной высоты. В общем, все просто: больше огня — поднимаемся, меньше огня — сохраняем высоту, мало-мало-мало-мало-мало огня — снижаемся.

(на фото старт фестиваля у Звонницы на Прохоровском поле, Белгородская область)

Ребята, сегодня вам предстоит раскрыть свой внутренний потенциал инженера и приложить все свои знания и творческую энергию для создания собственного воздушного шара.
Для разделения класса на 2 группы по 9 человек раздать рандомно два пазла (выполненных разным цветом) – по 9 кусочков каждый. Пазлы – формула силы Архимеда FA=ρжgVт и формула силы тяжести Fт=mg.

Предлагаю вам вспомнить, как эти две формулы связаны с расчетом подъемной силы воздушного судна.

На доске прикрепить формулы в нужном порядке, чтобы получилась формула для расчета подъемной силы.

Ученики следят за экраном, слушают учителя

Ученики собирают пазл. В результате формируется две группы.

Ученики называют формулу для расчета грузоподъемности.

Прикрепляют формулы на доске.

Первичное усвоение новых знаний (запуск проекта: выделение проблемы и путей ее решения, описание предполагаемого продукта проекта и критериев его оценки, выбор способов решения проблемы и оценка требуемых ресурсов), 7 мин.

Первичная проверка понимания (решение проектных задач) 15 мин.

Две группы сформированы.

Итак, для решения поставленной задачи вам внутри каждой группы необходимо распределиться по нескольким отделам. Для того, чтобы реальный воздушный шар смог взмыть в облака, его производством занимается огромное количество людей: инженеры рассчитывают его конструкцию, дизайнеры продумывают привлекательный внешний вид и т.д. Вот и вам сегодня нужно будет выбрать, в каком этапе создания макета вы можете поучаствовать. Перед вами сейчас таблички отделов: производственный – занимается конструированием корзины (или гандолы) шара и сборкой макета; расчетный – занимается теоретическим изысканием по выяснению грузоподъемности; и дизайнерский (маркетинговый) – продумывает и реализует дизайн внешнего вида оболочки шара для привлечения внимания желающих совершить полет на фестивале. На распределение ролей вам предоставляется 1 минута.

Начинаем работу по отделам.

Производственный отдел.

Материалы для работы на каждую группу: оболочка шара (выполнена из папье-маше по форме воздушного шарика), тонкая бечевка, ножницы, клей, заготовка развертки корзины на плотной бумаге.

Ваша задача – по предложенному макету вырезать и собрать корзину для шара.(10 мин)

Расчетный отдел

Приборы: рычажные или электронные весы, линейка, нить.

Раздаточный материал: таблица плотности воздуха при различных температурах, формула объема шара.

Предлагаю вам провести исследование. Ваша задача – найти способ определить грузоподъемность шара.

FA=ρвgVт

Fт=mg

F= FA – Fт
В этих формулах необходимо определить, какие величины вы можете измерить, какие взять из предложенных таблиц.

Примечание: воздух от пламени свечи нагревается до 90-100оС.

Отдел дизайна и маркетинга

Ваша задача, ребята, подготовить дизайн-проект в виде рисунка, в котором вы реализуете свой творческий потенциал. Подумайте, каким требованиям должен отвечать внешний вид аэростата, подготовьте перечень критериев и только на основании этих критериев начинайте обсуждать варианты исполнения.

По окончании работы в отделах каждая группа собирает свой макет, если есть ресурс времени – то украшают и наносят цветовую схему, разработанную отделом дизайна и маркетинга.

Считаем, что обучающиеся справились с задачами этого этапа, если у них есть физическая модель воздушного шара, состоящего из оболочки, корзины, получены результаты расчета подъемной силы и есть рисунок дизайн-проекта.

Учитель предлагает сформировать внутри группы три отдела по 3 ученика.

Далее учитель следит за выполнением задач каждого из отделов, помогает с затруднениями, направляет.

Направляет ребят в поиске способов определения плотности нагретого воздуха (из раздаточного материала – плотность при температуре 80о примерно равна 1 кг/м3), объема оболочки (предложить им поразмышлять, к какой форме приближена оболочка - шар, в 7 классе формулу объема шара еще не проходили, предложить найти ее в раздаточном материале - V=4/3 πR3. А как определить радиус шара? Формулу длины окружности ученики уже знают – C=2πR. Как можно измерить длину окружности подручными средствами?

Если возникают сложности с определением веса воздушного шара – направить мысль наводящими вопросами, что именно учитывается в вес: сама конструкция и вес воздуха внутри шара.

Направляет деятельность учеников

Ученики выбирают роли.

Ученики вырезают развертку стереометрической фигуры, склеивают ее, с помощью бечевки прикрепляют к оболочке шара.

Ученики предлагают свои варианты, как можно вычислить или измерить необходимые физические величины для расчета по формулам. Производят замеры длины окружности в самом широком сечении оболочки, вычисляют радиус шара и его объем.

Делают расчет выталкивающей силы.

Производят измерение на весах массы конструкции шара.

Вычисляют по известной плотности и объему массу воздуха внутри шара.

Вычисляют вес.

Обсуждают критерии внешнего вида. Это могут быть: простота изготовления, принцип использования понятий базовой теории цвета (цветовой круг), яркость и контрастность на фоне неба (не желательно использовать оттенки синего), применение рекламных слоганов, мотивирующих фраз и т.д.

Первичное закрепление (критериальная оценка продукта проекта), 9 мин

Ну а теперь предлагаю вам, ребята, продемонстрировать спроектированное вами изделие и устроить ему настоящие полевые испытания. Каждая группа в результате исследования получила значение подъемной силы. Посмотрим, насколько этот результат окажется близким к практическому.

Группам выдают свечи-таблетки для нагревания воздуха, коробку с игрушками (человечки-лего и фигурки из киндер-сюрприза).

Пожалуйста, с помощью весов определите экипаж вашего судна с учетом того, какую массу может оно поднять.

Проводится эксперимент – фигурки помещают в корзину. Устанавливают свечу. Перед проведением эксперимента обсудить правила безопасного поведения при работе с легковоспламеняющимися материалами.

Критерий контроля промежуточных результатов: в ходе эксперимента удалось поднять шар в воздух либо с расчетными величинами груза, либо уменьшив нагрузку с обязательным анализом причин, почему это было необходимо сделать (приближенный метод расчета объема (шар меньше объемом чем оболочка), погрешности измерения, колебания температуры в куполе во время эксперимента и неизвестное точное ее значение и т.д.)

Учитель направляет деятельность учеников по определению массы груза. Напомнить, что свеча тоже является грузом!

Обучающиеся выбирают фигурки для груза, взвешивают их на весах.

Проверяют на эксперименте полученные расчетные данные. В зависимости от полученных результатов делают вывод о успешности или неудачах эксперимента. Обсуждают, как можно было бы избежать неудач, что улучшить

Вторичное закрепление знаний (задачи в ТРИЗ), 7 мин

Слайд «Интересные факты, связанные с воздушными шарами»:

• в 1785 году, спустя всего пару лет после феноменального изобретения, слава о котором разлетелась мгновенно, Жан-Пьер Бланшар и Джон Джеффрис отправились в дальнее путешествие на этом «транспорте». Они перелетели Ла-Манш. К сведению, максимально узкая часть пролива равна 32 км, но с учетом ветров эти цифры намного больше. Однако самое интересное в этой истории то, что оба участника полета абсолютно не умели плавать;
• XVIII–XIX века ознаменовались огромным количеством дуэлей. Это состязание «не на жизнь, а на смерть» не обошли стороной и монгольфьеры: в 1806 году состоялась первая в своем роде дуэль в воздухе. Проигравший участник с пробитым куполом в результате падения погиб на месте;
• Брайан Джонс и Бертран Пикар облетели планету на воздушном шаре. Кругосветное безостановочное путешествие длилось 478 часов (20 дней);
• французы всегда умели удивлять и обожали зрелища. Поэтому предсказуемо, что именно они установили мировой рекорд, запустив в небо 408 шаров одновременно.

Для закрепления понимания принципов воздухоплавания предлагается поучаствовать в ТРИЗ. Вопросы:

1. Возможна ли ситуация, когда шары сталкиваются в воздухе? Если да, то что происходит с шарами и как этого избежать?

2. Известно, что регулировать высоту полета можно за счет температуры воздуха в куполе. Но воздух остывает и нагревается медленно – скорость снижения/подъема маленькая. А что если есть необходимость быстро спуститься вниз? Предложите идеи, как это можно реализовать.
   
   
   
   
   
3. Почему пуск воздушных шаров производят на рассвете или на закате?
   
   
   
   
   
   
   
   
   

4. По карте оцените решение пилота на вылет на воздушном шаре, если известно, что планируемое время полета 30 минут, скорость ветра 3 м/с, направление ветра СВ.

Показывает слайд.

Организует образовательную деятельность с применением ТРИЗ

1. Вероятность столкновения шаров очень маленькая, потому что их движение направляется ветром, следовательно, они все летят в одну сторону. Если же шары сближаются, то по закону сохранения импульса, они просто отталкиваются друг от друга и продолжают полет.
2. Нужно организовать клапан для быстрого спуска воздуха из купола. Чтобы снизиться, можно не ждать, пока воздух остынет: в верхней части оболочки имеется клапан, открываемый и закрываемый веревками. Если его открыть, часть теплого воздуха выйдет наружу и шар полетит вниз.
3. Летом, как правило, на воздушных шарах летают рано утром ( – час.), пока не начались термики (вертикальные потоки воздуха), и вечером ( – час.), когда термики успокаиваются. Осенью – весной утренние полеты начинаются немного позже (8:00 часов утра), а вечерние – немного раньше (в 16:00 часов).
4. Рассматривается вопрос посадки шара вне черты города Прохоровка. Желательна близость автомобильной дороги для того, чтобы автотранспортом можно было забрать воздушное средство и пассажиров.

Смотрят слайд.

Предлагают решения и идеи

Рефлексия (подведение итогов занятия), 2 мин

В процессе проведения рефлексии оценивается не только освоение теоретического материала, но и способность учеников применять полученные знания на практике, их умение работать в команде, анализировать результаты и делать выводы.

Для рефлексии предлагается ученикам поразмышлять над следующими вопросами:
1. Какие факторы влияют на подъемную силу воздушного шара?

2. Какие изменения можно внести в модель воздушного шара, чтобы увеличить его подъемную способность?

3. Какие ошибки были допущены при создании модели воздушного шара? Как их можно исправить?

Оцените, пожалуйста, вашу работу в команде следующим образом: прикрепите карточку воздушного шара на ту высоту, на какую вы считаете повысили ваш уровень знаний по теме урока:
- усвоил материал на высоком уровне – шар улетает в небеса;

- не все получилось сделать, но вижу вектор своего развития – шар на среднем уровне;

- чувствую, что работа не вызвала интереса и отклика – шар остается на земле.

Или вариант 2 – предложить надуть воздушные шарики на тот объем, какой объем знаний и навыков ученики оценивают как усвоенный на уроке.

Учитель задает наводящие вопросы.

Раздает ученикам карточки-воздушные шары, предлагает подписать шар и прикрепить на доске на определенном уровне.

Учащиеся предлагают свои идеи и варианты.

Подписывают шары и крепят их на доску.

Домашнее задание

Решение задач на определение подъемной силы:
Считая, что плотность воздуха равна 1,29 кг/м3, а водорода – 0,09 кг/м3,определите подъемную силу воздушного шара объемом 700 м3.
Ответить на вопрос: Можно ли на Луне для передвижения космонавтов пользоваться воздушными шарами?

Материалы
к занятию

Оборудование и расходные материалы: оболочки шаров (выполнены в технике папьемаше), нитки (тонкая бечевка), ножницы, клей, бумага, цветная бумага, свечки, весы, линейка, фигурки-лего.

При опасениях проводить опыт с свечками можно заменить оболочки на два воздушных шара, наполненных ге