Учебная исследовательская работа «Оценка давления внутри шарика, избыточного над атмосферным по площади его расплющивания под действием груза»

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Средняя школа № 78 Краснооктябрьского района

Волгограда»

Учебная исследовательская работа «Оценка давления внутри шарика, избыточного над атмосферным по площади его расплющивания под действием груза»

Руководитель:

Овчинников Александр Александрович,

учитель физики

Волгоград, 2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение…………………………………………………. 3

Теоретические основы исследования………………….. 5

Экспериментальная часть ……………...………………. 6

Заключение……………………………………………… 8

Список литературы………………………………….….. 9

ВВЕДЕНИЕ

Надувной резиновый шарик это распространенный предмет, которым часто играют дети. И, конечно, становится любопытно, какое давление внутри шарика, но измерить его в домашних условиях, невозможно, т.к. у нас нет нужных приборов.

Мы поставили перед собой цель: предложить достаточно простой способ оценить давление внутри шарика. Оценить какую-нибудь величину, это значит определить ее значение примерно, но зато быстро и легко.

Мы хотим это сделать, измеряя площадь расплющивания шарика под действием груза.

Непосредственно определить площадь расплющивания шарика на столе очень трудно, а измеряется она с большой ошибкой. Тогда мы решили расплющивать шарик грузами до какой-то определенной площади, т.е. нужно взять подставку известной площади.

При проведении опытов мы экспериментировали с разными подставками для расплющивания. Начали с прямоугольных, но поняли, что круглая дает меньшую ошибку при оценке давления.

После оценки давления измерим давление внутри шарика с помощью манометра и сравним получившиеся данные.

В нашем опыте будет следующее оборудование:

• Шарик, накачанный воздухом, закрытый с помощью зажима.

• Фанера большой площади и известной массы для установки гирь.

• Весы для взвешивания и разновесы.

• Гири для весов, массами 2, 1 и 0,5 кг.

• Диск известного диаметра для определения площади расплющивания шарика.

• Стеклянная и гибкая трубки для соединения шарика с манометром.

• Манометр лабораторный для измерения давления.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Обосновать наше исследование можно так:

1. Когда шарик накачан, но не нагружен, то давление на воздух внутри шара складывается из атмосферного давления и давления упругой оболочки. Получается, что давление оболочки уравновешивает избыточное над атмосферным давление внутри шарика.

1. Когда мы нагружаем шар грузом – гирями, то на газ внутри шарика действует добавочная сила – сила тяжести, которая по третьему закону Ньютона уравновешивается силой упругости воздуха.

2. Тогда, давление воздуха внутри шарика, избыточное над атмосферным, определим как вес груза, деленный на площадь расплющивания шарика.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1. Определим взвешиванием массу фанеры, которую будем использовать как подставку для гирь. Она составила 140 граммов.

1. Диаметр диска подберем такой, чтобы имеющихся у нас гирь (до 4 кг) было достаточно для расплющивания шарика на площади диска. Из имеющихся в наличии мы выбрали диск диаметром 10,9 см.

1. Определим площадь диска, на котором будет расплющиваться шарик, по формуле

S=π∙D²/4 (1)

S – площадь диска;

D – диаметр диска.

Площадь диска составила примерно 93 см², т.е. 0,0093 м².

1. Надуем шарик, зажмем зажимом, расположим на диске и будем нагружать шарик гирями до тех пор, пока площадь расплющивания шарика не станет равна площади диска.

2. Масса груза составила 3,5 кг и масса фанеры 0,14 кг.

3. Рассчитаем давление по формуле

p=F/S (2) или p=m∙g/S (3)

оно составило примерно 3914 Па, т.е. около 4000 Па.

1. Оценка давления сделана, теперь измерим давление воздуха внутри шарика.

2. Для этого сначала нужно разобраться с ценой деления на манометре. Цена деления манометра составляет 0,2 единицы. А единица, как указано слева вверху на манометре, равна «mm Hg х 10», т.е. «1 мм рт. ст. х 10» = 1333 Па.

Тогда цена 1 деления в паскалях равна 266,6 Па.

1. Теперь измерим давление внутри шарика с помощью манометра. Соединим шарик с помощью стеклянной и гибкой трубок с манометром, снимем зажим и считаем показания манометра. Они составили 22 деления, что соответствует примерно 5850 Па.

2. Проведем анализ полученных результатов. Будем считать показания манометра точными. Тогда оценочные результаты отличаются от замеренных на 1850 Па, что составляет около 30% от показаний прибора. Точность для такого эксперимента, по нашему мнению, вполне достаточная.

3. Еще необходимо обсудить один вопрос: то, что мы в оценочном расчете подвергаем шарик дополнительной нагрузке, в данном случае в 36 Н, мы повышаем в нем давление. На сколько это меняет показания манометра? Мы определили практически это искажение результатов. Причем сделали это просто: мы подключили шарик с установленными на нем грузами, к манометру и оказалось, что эти грузы на шарике увеличивают показания манометра примерно на 1,5 деления, т.е. на 400 Па. Конечно же, такой малой величиной, по сравнению с измеряемым давлением, можно пренебречь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы провели все запланированные эксперименты и пришли к выводу, что выбранный нами способ оценки давления внутри шарика вполне себя оправдал, точность вполне достаточная.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Элементарный учебник физики. Под ред. Г.С. Ландсберга

2. О. Н. Козлова «Эксперимент — как метод активизации мыслительной деятельности учащихся на уроках физики» http://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2012/06/08/eksperiment-kak-metod-razvitiya-myshleniya-na-urokakh-fiziki

3. С. А. Иванов «Эксперимент на уроках физики и новые ФГОС» http://ipk.kuz-edu.ru/forum2/viewtopic.php?p=1489

4. Г. Н. Данилова «Постановка и решение проблемы в ходе эксперимента» http://area7.ru/metodic-material.php?8087

5. Е. В. Фролов «Организация наблюдений и постановка опытов по физике обучающимися» http://www.proshkolu.ru/user/pumba2010/file/2432970/

6. «Физика – наука экспериментальная» teacherjournal.ru›attachments/3848

7. «Вычислительный эксперимент в физике» А. А. Самарский, Ю. П. Попов http://nplit.ru/books/item/f00/s00/z0000045/st007.shtml