элективный курсx

Элективный курс
Для учащихся 9 классов на тему:
«Измерение пространства и времени»
учитель физики МОУ СОШ №3
Захарченко И.Н.
Учебно-тематический план:
№ Название разделов и тем курса
1
2
3
4
5
6
7
8
Из истории изменения
Измерение длины
Измерение размеров тел с помощью
микрометра, микроскопа
Измерение времени
Изготовление механического
стробоскопа и математического
маятника
Методы измерения скорости
Определение максимальной
скорости движения руки и пальца
руки
Подведение итогов по теме:
«Практическое применение
измерений пространства и времени»
Всего
часов
1
1
1
1
1
Формы
проведения
лекция
семинар
Практическая
работа
семинар
Практическая
работа
1
1
семинар
Практическая
работа
1
Круглый столзащита
рефератов
Пояснительная записка
В окружающем нас мире ничто не остается неизменным, все движется, все изменяется.
Самый постой вид движения, при котором тела изменяют свое положение в пространстве и никаких
других изменений в не происходит, называют механическим движением.
Многие явления можно рассматривать как механическое, если условия задачи позволяют пренебречь
другими изменениями, происходящими в телах и вокруг них. К механическому движению при
определенных условиях можно отнести полет космической ракеты и футбольного мяча, движение
автомобиля и пешехода, молекул газа и планет Солнечной системы.
Любое физическое явление происходит в какой-то определенном месте и в какой-то определенный
момент времени. С ответа на вопросы, где и когда произошло данное событие, начинается описание
механического движения тел. Для того что бы уметь определять положения тела в пространстве в
момент времени, в который тело находилось в данной точке пространства, нужно уметь измерять
пространство и время, так как, по меткому определению великого русского ученого Д. И. Менделеева
«наука начинается с тех пор, как начинают изменять»
Задачи элективного курса:
-развитие творческих способностей у учащихся, осознанных мотивов учения; подготовка к
продолжению образования и сознательному выбору профессии;
-ознакомить учащихся с основными применениями метрической системы мер в практической
деятельности человека;
-ознакомить с методами естественнонаучного исследования, в частности с экспериментом и началами
построения теоретических концепций.
В плане реализации этих задач элективный курс строится на следующий принципах:
-он должен быть по возможности завершенным
-предложенный учебный материал должен удовлетворить интерес учащихся и написан доступным для
понимания языком;
-должна быть обеспечена преемственность с пропедевтическим курсом естествознания;
-содержание курсов должно способствовать расширению кругозора и включать оригинальный
материал, входящий за рамки школьной программы.
1. Из истории измерения.
Потребность определять размеры предметов и расстояния между ними возникла у человека в
глубокой древности. Размеры окружающих предметов обычно сравнивали с ростом человека,
размахом его рук, шириной шага, длиной ступни, ладони, пальца, толщиной человеческого
волоса. Это мы часто делаем и теперь. Таким образом, размеры неизвестного предмета
определяли через величины, хорошо известные каждому.
В древней Руси, например, ткани измеряли локтями, потому что ткань или ленту удобно
наматывать на руку. Локоть составлял длину руки от конца среднего пальца до локтя. Купцы,
провозившие ткани из азиатских стран, продавали их на аршины. Слово «аршин» происходит
от персидского слова «арш», что означает локоть. В XVII в. аршин был узаконен в России как
меры длины.
Для измерения меньших длин пядь, фут,дюйм. Пядь – это расстояние между вытянутыми
указательным и большим пальцами руки. « Фут – это по-английски ступня. Для определения
этой единицы длины составляли цепочку из 16 человек, стоящих так, что пятка предыдущего
касалась концов пальцев следующего. Одна шестнадцатая такой «цепочки» и составляла фут.
Дюйм – длина последнего состава большого пальца.
Распространенной единицей на Руси была сажень. Слово «сажень» происходит от глагола
«сягать», т.е. доставать до чего-либо. Расстояние «сажень» обозначает досягаемое рукой
расстояние. Различали маховую сажень – расстояние концами пальцев раскинутых рук и
косую сажень – «с ног на руки, от земли до руки», расстояние от ступни левой ноги до конца
пальцев вытянутой правой руки. В XVII в. сажень приняли равной трем аршинам. До сих пор
сохранилось выражение «косая сажень в плечах».
Крупной мерой длины в России служила верста. Она была равна 500 саженям.
Моряки пользовались для измерения больших расстояний милей. «Миллей» - по-латыни
тысяча. Тысяча двойных шагов – шаг левой, шаг правой – составляли расстояние, равное
миле.
На протяжении многих тысячелетий каждая страна имела свои меры длины и даже внутри
страны меры, носящие одно название, на проверку оказывались значительно отличающимся
друг от друга. Это с давних времен было замечено человеком. Ведь как нет одинаковых
людей, так нет и одинаковых локтей, пядей, футов, дюймов. Поэтому и сложены были
пословицы «Нет одинаковых людей, нет одинаковых локтей» или « мерить на свой аршин».
Такой разнобой в единицах измерения длины мешал развитию науки и техники, усложнял
торговлю между государствами.
В конце XVII в. была сделана первая попытка создания единой системы мер «для всех веков,
для всех народов».
2. Измерение длины.
Что значит измерить физическую величину? Это значит сравнить ее с другой, однородной
величиной, условно принятой за единицу.
Например, чтобы измерить длину какого – либо предмета, надо сравнить ее с единицей длины
– метром. При измерениях различных длин надо выбирать подходящий инструмент. Для
измерения больших длин, например, земельных участков, употребляют стальные мерные
ленты длиной до 50 м. При обмере зданий используют рулетку. Рулетка – это гибкая лента
длиной10 – 20 м, разделенная на сантиметры. Для измерения небольших по величине
предметов употребляют масштабные линейки.
Каждое измерение носит всегда приближенный характер. Это связано с возможностью
ошибки при измерении, а также с неточностью самих измерительных приборов.
Погрешность измерения прежде всего зависит от цены деления измерительного прибора.
Например, применение рулетки дает возможность измерять с точностью до 1 – 0,5 см, а с
масштабной линейки – с точность до 1 – 0,5 мм.
Штангенциркуль. Для измерения размеров деталей с точностью до десятых долей
миллиметра применяют ш т а н г е н ц и р к у л ь.
Основная часть штангенциркуля – линейка с сантиметровыми и миллиметровыми делениями.
На одном из концов линейки закреплена ножка. По линейке скользит рамка с другой ножкой.
В рамке сделано окошко, по внутреннему краю которого нанесена шкала – нониус. Десять
делений этой шкалы равны 9 мм, а одно деление, следовательно, составляет 0,9 мм.
При соприкосновении ножек штангенциркуля нули обеих шкал совпадают. Для определения
размера детали ее зажимают между ножками штангенциркуля и по положению нулевого
штриха на шкале линейки находят число целых миллиметров. Затем смотрят, какой из
штрихов нониуса, считая от нулевого, совпадает со штрихом шкалы на линейке. Размер
детали получают сложением числа целых миллиметров, отсчитанных по линейке, и десятых
долей миллиметра, определенных по шкале нониуса.
Микрометр. Более точно можно измерять размеры деталей с помощью м и к р о м е т р а.
Основная деталь микрометра – стальная скоба. С одной стороны в ней закреплена
неподвижная пятка, а с другой – стебель. Внутри стебля помещен микрометрический винт,
заканчивающийся с левой стороны измерительной поверхностью. С правой стороны винт
соединен с барабаном, охватывающим стебель микрометра.
Для измерения размеров детали ее помещают между пяткой и измерительной поверхностью
микрометрического винта. Затем вращением барабана достигают соприкосновения
измерительных поверхностей пятки и микрометрического винта с точками поверхности
измеряемой детали.
Микрометр дает возможность определять размеры детали с точностью до сотых долей
миллиметра.
Звуколокация. В современной жизни человеку часто требуется «видеть в темноте» и даже в
непрозрачной воде. Это необходимо в первую очередь капитанам морских кораблей, для того
чтобы ночью или в тумане избежать столкновения кораблей, заранее узнать о находящихся на
пути корабля подводной скале или айсберге. Летчику важно уметь определять расстояние до
земной поверхности и ночью, и в тумане, на достаточно большом расстоянии обнаруживать
другие самолеты. Все эти задачи решают с использованием методов л о к а ц и и, сходных с
теми, которые применяют для ориентировки в пространстве и нахождения добычи летучие
мыши и дельфины.
Радиолокация. Звуковые волны в воздухе сравнительно быстро затухают. Вместо них для
определения расстояний до кораблей, самолетов, спутников используют радиосигналы.
Приборы, служащие дл определения расстояний с помощью радиоволн, называют
радиолокаторами или радарами.
Светолокация. Использование световых сигналов для локации стало возможным после
изобретения мощных источников света – лазеров. Созданы лазерные дальнометры,
используемые на поверхности Земли.
Лазерные дальнометры позволяют определять траекторию искусственных спутников Земли,
используют для измерений расстояний до Луны.
3. Использование линейных размеров тел с помощью
микрометра и микроскопа.
Оборудование: микроскоп, микрометр, миллиметровая бумага, волос.
Цель: определить толщину волоса с помощью микрометра и микроскопа.
Порядок выполнения работы:
1. Возьмите микрометр и осторожно сомкните измерительную поверхность
микрометрического винта с неподвижной пяткой. Отрегулируйте прибор, чтобы край
барабана установился против нулевой отметки на шкале стебля.
2. Возьмите волос и поместите его между пяткой и микрометрическим винтом
микрометра. Снимите показания микрометра.
3. Установите в микроскопе увеличение Г=80.
4. Натяните волос между зажимами микроскопа на предметном столике и получите
резкое изображение.
5. Расположите миллиметровую бумагу так, чтобы при наблюдении двумя глазами один
край изображения волоса, получаемого с помощью микроскопа, совпал с жирной
линией миллиметровой бумаги, наблюдаемой невооруженным глазом. Измерьте
толщину изображения волоса D.
6. Рассчитайте истинную толщину волоса N. Для этого толщину изображения разделите
на увеличение микроскопа.
N=D/Г
Контрольные вопросы:
1. Какой из описанных методов определения толщины волоса более точен?
2. Каким образом можно повысить точность измерения толщины волоса с помощью
микроскопа?
3. Предложите еще один способ определения толщины волоса. Какие приборы вам
потребуются для его осуществления?
4. Измерение времени.
Очень часто мы употребляем такие выражения, как «мало времени осталось» или «много
времени прошло», и отлично при этом понимаем друг друга. Но попробуйте ответить на
вопрос: что такое время?
Правильный ответ на вопрос о сущности времени был найден еще древнегреческими
философами – материалистами. Вот как изложил сущность их взглядов на природу времени в
своей поэме «О природе вещей» римский поэт Лукреций Кар, живший в I в. до н.э.
Также и времени нет самого по себе, но предметы
Сами ведут к ощущению того, что в веках совершилось,
Что происходит теперь и что воспоследует позже.
И неизбежно признать, что никем ощущаться не может
Время само по себе, вне движения тел и покоя.
Ньютон в своих трудах сделал попытку внести в науку понятие абсолютного времени. Он
писал: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по своей сущности, без
всякого отношения к чему – либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется
длительностью».
Сегодня физики считают, что ближе к пониманию природы времени были древнегреческие
философы – материалисты, чем Ньютон. Абсолютное время может существовать лишь в
воображении людей. При любых же измерениях времени по необходимости приходится
общаться к совокупности физических явлений, последовательно сменяющих друг друга.
Время как физическая величина обладает рядом особенностей, в силу которых методы его
измерения отличаются от методов измерения других величин. Любой промежуток времени
можно измерить лишь один раз, только тогда, когда он протекает. Повторить измерения, как
это делают, например, при измерении длины, нельзя, так как вернуться в прошлое
невозможно.
Сутки – естественная единица времени. В единицах времени не было такого разнообразия,
как в единицах длины. Уже в глубокой древности периодическая смена дня и ночи служила
мерой измерения времени у всех народов. «День и ночь – сутки прочь», - говориться в
пословице.
День от восхода до захода Солнца разные народы делили по – разному. Персы, например,
делили день на пять частей, древние египтяне на 12. Мы сейчас пользуемся системой счета
времени, которая была создана еще в древнем Вавилоне. Там делили сутки на 24 часа, час – 60
минут.
Видимое движение Солнца и звезд вокруг Земли, как известно, происходит вследствие
вращения Земли вокруг своей оси. Следовательно, при выборе суток в качестве единицы
времени длительность одного такого оборота и принята за единицу времени.
Созданные в последние годы особо точные часы позволили обнаружить неравномерность
вращения Земли вокруг ее оси.
Приливы, вызываемые притяжением Луны и Солнца, «тормозят» вращение Земли, увеличивая
продолжительность суток примерно на 0,001 с за столетие.
На скорость вращения Земли оказывают влияние и изменения распределения вещества внутри
Земли во время землетрясений, и вековые изменения формы и размеров Земли, и ряд других
еще не до конца изученных причин. Иногда после крупных землетрясений продолжительность
суток скачком меняется на 0,004 с.
Песочные и водяные часы. Простейшие приборы для измерения времени – песочные и
водяные часы. Песочные часы появились задолго до новой эры народов Азии. Время этими
часами определяют по объему песка, пересыпающегося из верхнего воронкообразного сосуда
в нижний. Песочные часы долгое время применяли на кораблях. По корабельным «склянкам»
устанавливался распорядок дня моряков – смена вахт и отдыха. Песочные часы применяют и
сейчас, например, в процедурных кабинетах.
Большое распространение в древности получили водяные часы, так называемые клепсидры.
Клепсидры состояли из сосуда, наполненного водой, в дне которого было маленькое
отверстие. Время этими часами определяли по объему вытекающей воды.
Маятник – основная часть современных часов. Маятник для измерения времени впервые
предложил использовать Галилео Галилей. Наблюдая качание люстры в соборе, Галилей
заметил, что продолжительность одного колебания – период колебания – не изменяется при
уменьшении или увеличении размаха качаний. При удлинении же нити маятника
продолжительность его колебаний увеличивается.
Независимо от Галилея в 1656 г. создал часы с маятником голландский ученый Христиан
Гюйгенс. Точность хода построенных им часов составляла 5 – 10 с. в сутки.
Благодаря Галилею и Гюйгенсу часы стали точным измерительным прибором.
Особенно удобны для измерения коротких промежутков времени с е к у н д о м е р ы – часы,
пускаемые в ход и останавливаемые нажатием кнопки. Они снабжены стрелкой, позволяющей
отсчитывать по циферблату десятые доли секунды.
Стробоскоп. Одним из методов измерения малых промежутков времени является
стробоскопический метод. Простейшая модель механического стробоскопа представляет
собой вращающийся диск, с прорезями вдоль радиуса. Если привести диск во вращение и
смотреть сквозь прорези, например на колеблющийся шарик на нити, то можно подобрать
такую скорость вращения диска, при которой колеблющееся тело будет казаться
неподвижным. Это явление наблюдается в том случае, когда период колебания тела равен или
кратен промежутку времени между прохождением двух соседних прорезей перед глазом.
Таким образом, с помощью стробоскопа можно измерить промежутки времени, которые
меньше времени его полного оборота во столько раз, сколько равноотстоящих щелей имеется
на диске стробоскопа.
5. Изготовление механического стробоскопа и
математического маятника.
Оборудование: шарик, нить, штатив с муфтой и лапкой, линейка, часы с секундной стрелкой.
Порядок выполнения работы:
1. Из стального шарика и нити изготовьте маятник и подвесьте его к лапке штатива.
Отведите шарик от положения равновесия на небольшой угол и отпустите. Измерив
время, в течении которого шарик совершает 20 колебаний, определите период
колебаний маятника.
2. Изменяя длину маятника повторите опыт несколько раз и результаты занесите в
таблицу.
№ опыта
l
t
n
T
1.
2.
3.
4.
3. По результатам сделайте вывод о зависимости периода колебаний маятника от его
длины.
Оборудование: картон, ножницы, линейка, транспортир, гвоздь.
Порядок выполнения работы:
1. Вырежьте из плотной бумаги круг диаметром 20 см. Проведите через каждые 30
градусов диаметры и сделайте вблизи края круга через каждые 30-90 градусов прорези.
2. Насадите диск на гвоздь. Для того чтобы диск не соскакивал с гвоздя, наденьте на
гвоздь с обеих сторон диска две картонные шайбы диаметром 3-5 см. Шайбы должны
быть плотно насажены на гвоздь, чтобы они могли удержать вращающийся диск в
вертикальном положении.
3. Приведя диск во вращение, посмотрите через прорези полученного механического
стробоскопа на вращающийся диск с полосой. Проведите наблюдения, используя
диски с различным числом щелей. Опишите и объясните наблюдаемые явления.
6. Методы измерения скорости.
Для количественного описания движения тел необходимо измерять все кинематические
характеристики их движения – перемещение, время, скорость и ускорение.
Определение мгновенной скорости движения тела связано с принципиальной трудностью: для
того чтобы найти скорость тела в данный момент времени, необходимо измерить
перемещение за возможно более короткий интервал времени t. При уменьшении же интервала
времени уменьшается и модуль перемещения. Когда измеряемое перемещение станет
сравнимым со значением ошибки, допускаемой измерительными приборами, точность
определения скорости резко падает. Отсюда можно сделать вывод: точность определения
мгновенной скорости увеличивается с уменьшением интервала времени t между двумя
моментами определения координат тела до некоторого его значения. Интервал времени, при
котором может быть получено наиболее точное значение мгновенной, определяется
точностью измерений координат тела и момента времени.
Одним из методов измерения скорости, широко применяемый в астрономии и космонавтике,
основан на использовании явления Доплера.
Это явление, носящее имя открывшего его ученого, играет важную роль в физике. В
упрощенном виде сущность явления заключается в следующем.
Пусть, например, на космической ракете установлен радиопередатчик. Который через равные
промежутки времени Т посылает радиосигналы. Если ракета неподвижна относительно
приемника, то он будет принимать эти сигналы через такие же промежутки времени Т. Иное
дело, если ракета движется, причем так, что расстояние от нее до приемника со временем
меняется. Если ракета приближается к приемнику со скоростьюV, то за время Т, прошедшее
от момента посылки одного сигнала до посылки следующего, расстояние от приемника до
ракеты уменьшится на величину L=VT. Очередному сигналу, посланному ракетой, предстоит
уже меньший путь, и этот сигнал пойдет его за меньшее время, чем предыдущий.
Промежутки между принимаемыми сигналами будут тем меньше, чем больше скорость
ракеты V. Следовательно, от приближающейся к приемнику ракета в единицу времени
поступит больше сигналов, чем от неподвижной .
И так, периодические сигналы от приближающегося источника приходят с большей частотой ,
чем такие же сигналы от неподвижного источника. Если повторять рассуждение для случая
удаления ракеты от приемника, то окажется что промежутки между моментами прихода
сигналов, наоборот, возрастут. Сигналы станут приходить реже, т. е. с меньшей частотой. И в
том и в другом случае изменение частоты прихода сигналов будет тем больше , чем больше
скорость сигналов. В этом и состоит явление Доплера.
7.
Определение максимальной скорости движения руки
и пальца руки.
Оборудование: ластик , линейка.
Порядок выполнения работы:
Положите ластик на край стола, щелкните по нему пальцем и заметьте точку падения ластика
на пол. Измерив максимальное расстояние S от стола до места падения ластика, определите
дальность полета в горизонтальном направлении.
Скорость V ластика вычислите по формуле: V=S/t , предварительно определив время t
падения ластика. Его можно найти, измерив высоту стола H и используя формулу :
H=gt2/2 , откуда t=(2H/g)1/2.
Для скорости окончательно получим:
V=S/(2H/g)1/2.
Оборудование: теннисный мяч, рулетка , секундомер.
Порядок выполнения работы :
Бросая мяч на спортплощадке, измерьте с помощью секундомера максимальную
длительность его полета, а с помощью рулетки – дальность полета. Подсчитайте скорость по
формуле:
V=(g2t2/4+S2/t2)1/2.
Контрольный вопрос :
Какие упрощающие допущения сделаны нами при расчете максимальной скорости движения
руки в данной работе ?
8. Подведение итогов по теме: «Практическое применение
измерений пространства и времени».
Рекомендуемая литература :
1. Б.Ф. Билимович Законы механики в технике. М., «Просвещение», 1975г.
2. Э. Роджерс Физика для любознательных . Т.1. М., «Мир», 1969г.
3. А. Т. Григорян Механика от античности до наших дней . М., «Атомиздат», 1974г.
4. Б. М. Яворский Основы физики . Т.1. М., «Наука», 1974г.
Картинки:
1. http://pda.mn.ru/society_science/20120816/325269044.html
2. http://www.liveinternet.ru/users/bahera/post253248668/