Конкурс "Я иду на урок"

М.С.Смородина,
ГОУ «Педколледж № 14», г. Москва

Инструменты – наши помощники

Урок-презентация. 7-й класс

Рисунки из учебника М.М.Балашова "Физика-7" (М.: Просвещение, 1995).

Цель урока: систематизировать и расширить знания по теме, показать её прикладное значение.

Задачи урока: научить работать в коллективе, показывать свои знания в нестандартных ситуациях, реализовать творческие способности.

Оборудование: модели ворота, полиспаста, микрометра, винты, болты, микрометр, плакаты.

Подготовка. При изучении темы «Работа и энергия» ребята познакомились с рычагом, подвижным и неподвижном блоками, наклонной плоскостью, а также с «золотым правилом» механики. Проверка домашнего задания позволяет определить их умение применять знания в новых условиях. К уроку дети получили задание составить «паспорт»: на альбомном листе зарисовать инструмент, указать его название и назначение, определить, какой из простых механизмов в нём используется, изобразить действующие при работе силы и их плечи, а также рассчитать получаемый выигрыш. Что только не использовали учащиеся: различные виды ножниц, гвоздодёр, щипцы для сахара и орехов, кусачки, весло, садовую тележку, лом, лопату и т.д. Кроме того, каждая группа подготовила рассказ о простых механизмах, с которыми учащиеся не знакомились на уроках. Для их презентации нужно было принести соответствующий инструмент или изготовить его модель, нарисовать поясняющие плакаты, рассчитать получаемый выигрыш. Таким образом, учащиеся на этом уроке получили и новые знания.

Ход урока

Учитель. Мы изучили правило рычага и «золотое правило» механики. Сформулируйте их. (Выслушиваются ответы.) Эти правила лежат в основе действия различных инструментов и устройств, применяемых в технике и быту там, где требуется выигрыш в силе или в пути. Сегодня мы, опираясь на эти правила, опишем работу простых механизмов. Давайте послушаем сообщения об инструментах, которыми вы пользуетесь дома.

Ученица 1. Я изучила щипцы для сахара. Щипцы – это рычаг, ось вращения которого проходит через винт, соединяющий обе половинки. Действующей силой F₁ является мускульная сила руки человека, сжимающего щипцы. Сила F₂ – это сила сопротивления сахара. Ручки щипцов гораздо длиннее лезвий, т.к. сила сопротивления сахара достаточно велика и для её уравновешивания меньшей силой нужно взять большее плечо.

Согласно правилу рычага, Отсюда следует, что (l₁ = ОА = 80 мм, l₂ = ОВ = 34 мм.)

Эти щипцы дают выигрыш в силе в 2,3 раза. То есть с их помощью можно расколоть кусок сахара, прикладывая силу, в 2,3 раза меньшую.

(Учитель выбирает ещё несколько учеников, подготовивших «паспорта» разных инструментов, остальные сдают свои работы. На магнитной доске сразу организуется выставка «Инструменты – наши помощники». К следующему уроку «паспорта» будут проверены, и выставлены оценки.)

Учитель. Молодцы, вы определили много инструментов, которые работают, как рычаг. Но существуют и другие простые механизмы – ворот, винт, клин, механизмы для передачи движения. Сейчас рабочие группы расскажут нам о них и продемонстрируют их действие.

Группа 1. Мы познакомим вас с работой ворота. Его часто используют, чтобы поднимать воду из колодца. Ворот – это не что иное, как вид рычага. Он имеет барабан, насаженный на вал, и приводится в движение с помощью ручки. Плечи ворота: l₁ = R – длина ручки; l₂ = r – радиус вала. Условием равновесия является равенство F₁^.R = F₂ . r. Отсюда получаем F₁= F₂^.r/R. Чем больше радиус ручки по сравнению с радиусом вала, тем больше выигрыш в силе. (Демонстрируется модель колодца с воротом, поднимается «ведро».) В данный модели радиус ручки равен 4,5 см, радиус вала 1,5 см. Отношение R/r = 3. Следовательно, мы получаем выигрыш в силе в 3 раза. То есть, поднимая ведро с водой весом 90 Н (массой 9 кг), мы прикладываем силу всего 30 Н. Можно получить выигрыш в силе гораздо больше, но слишком большой радиус ручки делать не следует, т.к. крутить такую ручку при подъёме воды будет неудобно, а слишком большой проигрыш в расстоянии даст очень малую скорость подъёма, что тоже неудобно. Однако ручку можно заменить колесом или системой спиц.

Группа 2. Мы знаем, что, используя неподвижный блок, можно менять направление действия силы, а применяя подвижный блок, получить выигрыш в силе в два раза. В технике используют комбинации подвижных и неподвижных блоков. Такое устройство называется полиспаст. Полиспаст изобрёл Архимед; он используется для поднятия больших тяжестей и даёт выигрыш в силе во много раз.

Рассмотрим его действие. Состоит полиспаст из двух групп блоков; одна группа насаживается на общую ось и закрепляется неподвижно. А вторая группа блоков, насаженных на другую ось, может подниматься и опускаться вместе с грузом, т.е. является подвижной. Выигрыш в силе составляет 2n (n – количество блоков), т.к. блоки действуют независимо друг от друга. Вес груза распределяется между блоками поровну (Р/n), и с добавлением каждого нового блока сила уменьшается вдвое. В результате прикладываемая сила должна быть равна F=Р/(2n). Разумеется, выигрыш в силе приводит к проигрышу в расстоянии, так что в работе не выигрываем.

Следует, однако, отметить, что с увеличением числа блоков уменьшается КПД полиспаста: например, если КПД одного блока 95%, то КПД полиспаста из четырёх блоков – 91%, а из десяти блоков – 78%.

Группа 3. Помимо получения выигрыша в силе или в расстоянии нередко требуется преобразование движения, например, поступательного движения поршня во вращательное движение колеса. Такое преобразование выполняет кривошипно-шатунный механизм – непременная часть конструкции автомобилей, тепловозов, тракторов. Во многих устройствах (проигрывателях, комбайнах, транспортёрах и т.д.) необходимо преобразовать вращательное движение одного ролика или вала во вращательное движение другого, но с другим периодом. Рассмотрим такие механизмы подробнее.

Ременная ленточная передача осуществляется при помощи бесконечного ремня, охватывающего два шкива. Движение и усилие от ведущего шкива передается к ведомому благодаря силе трения между ремнём и поверхностью шкивов. Если ведомому шкиву необходимо сообщить движение в противоположную сторону, то ремень перекрещивают. Если радиусы этих шкивов одинаковы, то оба вращаются с одинаковой скоростью, если же разные – то больший шкив вращается медленнее во столько же раз, во сколько его радиус больше радиуса маленького шкива.

Зубчатую передачу применяют в тех случаях, когда необходимо строгое согласование движений ведущего и ведомого валов, а расстояние между ними небольшое. Если в передаче участвуют два зубчатых колеса, то ведомый вал вращается в противоположном направлении; при использовании третьего (промежуточного) зубчатого колеса получают движение ведущего и ведомого колёс в одном направлении.

В тех случаях, когда валы находятся на значительном расстоянии друг от друга, применяют цепную передачу, например, в велосипеде.

(Учащиеся демонстрируют виды передач на моделях, механических игрушках и т.д.)

Группа 4. Винт – это вид наклонной плоскости. С его помощью можно получить значительный выигрыш в силе. Представим себе, что наклонную плоскость высотой h и длиной l свернули в трубку. Такое «сооружение» представляет собой один виток всем хорошо известных видов винтов – болтов и шурупов. Поворачивая гайку, надетую на болт, мы поднимаем её по наклонной плоскости и выигрываем в силе: где h – высота наклонной плоскости, l – длина её основания. При закручивании шурупа в деревянную доску или скреплении деталей болтом и гайкой приходится преодолевать силу трения и силу упругости материала. Они бывают настолько большими, что пальцами это сделать трудно, а иногда невозможно. При этом недостаточно выигрыша в силе, получаемого с помощью винта, приходится применять ещё и рычаги: отвёртки и гаечные ключи.

(Учащиеся демонстрируют принесённые болты и шурупы, показывают результаты расчётов, рассказывают о садовом, земляном, ледовом бурах; показывают скрепление деталей болтами.)

Иногда выигрыш в силе – не главное при использовании винта, важнее – проигрыш в расстоянии, которое даёт винт. Это используется, например, для плавной подачи резца в токарном станке или для повышения точности при измерении расстояний микрометром. На демонстрационной модели микрометра хорошо видно, что его подвижная губка перемещается, как гайка по винту. Сделав полный оборот, гайка перемещается на один шаг винта. Пусть шаг винта равен 1 мм. Нанесём на поверхность гайки равномерную шкалу из 100 делений. Ясно, что при повороте гайки на одно деление она смещается вдоль винта на 0,01 мм. Именно с такой точностью с помощью микрометра можно определять размер деталей. Ведь это в 100 раз точнее, чем с помощью линейки! Понятно, что без микрометра не обойтись на производстве.

А теперь продемонстрируем, как с помощью микрометра можно непосредственно, не используя метод рядов, измерить размер малых тел.

Группа 5. Клин, так же как и винт, – вид наклонной плоскости. Клин предназначен для раскалывания прочных предметов. Его вгоняют в щели между деталями, чтобы создать большую силу давления одной детали на другую и тем самым увеличить силу трения покоя между ними, что обеспечит их надёжное сцепление. При огромных силах, прилагаемых к клину, он должен быть очень прочным, из самого твёрдого материала. Клинья используют для плотного насаживания обуха на топорище, клинообразную форму придают лезвиям щипцов для сахара, ножей, кусачек. А как вы думаете, почему так говорят: «Клин клином вышибают»?

(Выслушав мнение класса, группа даёт своё толкование этого выражения.)

Учитель. Рычаг, блоки, ворот, клин, винт – простейшие механизмы, применяемые для преобразования силы и расстояния. Однако выигрыш в силе, получаемый с помощью отдельных механизмов, невелик. Он ограничен прочностью материалов, из которых сделаны сами механизмы, и тем, насколько они удобны.

Для получения более существенного выигрыша в силе можно комбинировать простые механизмы, например, часто встречается комбинация винт–рычаг. Подумайте, где? При этом общий выигрыш – это произведение выигрышей, получаемых от каждого механизма. Дома, пожалуйста, рассмотрите мясорубку, схематично зарисуйте её. Определите, какие простые механизмы и их комбинации имеются в мясорубке.

(При подведении итогов урока большое значение имеет обсуждение сообщений групп, когда учащиеся сами оценивают содержательность, наглядность, эмоциональность выступлений своих одноклассников.)

Литература

Балашов М.М. Физика-7. – М.: Просвещение, 1995.
Пёрышкин А.В. Физика-7. – М.: Дрофа, 2000.
Энциклопедический словарь юного техника. – М.: Педагогика, 1988.