Школьная научно-экспериментальная физическая лаборатория «Вектор»

Ученическая научно-исследовательская работа

Сейчас сокращаются (на базовом уровне) часы физики, переиздаются учебники, вводится новая форма сдачи экзамена – ЕГЭ. Основная составляющая базовых знаний – практическая направленность. При этом никого не интересует, что кабинет физики не имеет полного комплекта приборов, что экзамен в форме ЕГЭ требует в 11-м классе обязательного повторения базовых знаний, что между программой базовых знаний и требованиями вузов слишком большой разрыв, что в классе 25–30 учащихся, а не 15–20, что у учителя слишком много часов по ставке. Я понимаю, что самым сложным предметом в школе скоро будет именно физика. Чтобы не отбить у ребят интереса к предмету, мы создали научно-экспериментальную физическую лабораторию «Вектор». В ней может заниматься любой ученик (главное условие – интерес к физике). Мы готовимся к олимпиадам, решаем задачи (качественные и количественные), ежегодно выпускаем журнал «Электрон» (см. выдержки из него на с. 47–48), который учащиеся сами делают, предварительно обговорив с учителем все рубрики и объём, по возможности проверяем помещаемую в него информацию в лаборатории, выполняем экспериментальные задания, пишем творческие сочинения, т.е. каждому находим интересное дело. При подготовке к олимпиадам я использую учебное пособие [1]. Экспериментальное задание для 10-го класса № 10.35 (определите коэффициент трения графитового стержня карандаша о лист бумаги) подтолкнуло на интересное исследование, которое я здесь и привожу.

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Тема: «Это удивительное трение»

Автор: Кириченко Дмитрий, ученик 9-А класса, лицей № 2, г. Протвино, Московская обл.

Научный руководитель: Н.С.Зверева.

Вступление

Где-то на белом свете,
Там, где всегда мороз...

Возьмём монету и потрём ею о шершавую поверхность. Мы отчётливо ощутим сопротивление – это и есть сила трения. Если тереть быстрее, монета начнёт нагреваться, напомнив нам о том, что при трении выделяется тепло, – факт, известный ещё человеку каменного века, ведь именно таким способом люди впервые научились добывать огонь.

Снова потрём о ту же поверхность, но уже не монетой, а школьным ластиком, и сопротивление резко возрастёт. Это также не вызывает особого удивления: всякий знает, что кроме скользких предметов, норовящих выскочить из рук, есть резина, которая в отличие от других материалов не скользит, а потому с успехом идёт на подметки для обуви.

Изучением причин трения и природы этого явления занимались в разные времена и эпохи самые выдающиеся естествоиспытатели: Аристотель, Леонардо да Винчи, Г.Галилей, И.Ньютон, Л.Эйлер, Дж.Джоуль. В 1669 г. Гильом Амонтон направил письмо во Французскую академию наук, в котором впервые представил в математическом виде закон о прямой пропорциональности между силой N, прижимающей одно тело к другому, и силой трения F = kN.

Надо отметить, что постоянство отношения F/N было установлено ещё Леонардо да Винчи, который путём измерения нашёл его равным 1/4 для всех материалов. Ничего не знавший об этом Амонтон подтвердил вывод великого итальянца собственными опытами с медью, свинцом, железом и деревом, получив во всех случаях значение k 1/3. Теперь мы знаем, что коэффициент трения непостоянен и зависит от свойств двух соприкасающихся материалов. Закон Амонтона дожил до нашего времени и стал основой при расчёте и решении множества инженерных задач. Но этот закон при его видимой простоте таит в себе множество секретов, не разгаданных до сих пор.

Известно, что значение силы трения не зависит от площади поверхности соприкасающихся тел. Я решил провести своё исследование коэффициента трения. Я взял карандаш и попытался найти коэффициент трения грифеля. Сначала разработал теорию эксперимента. Она вкратце заключалась в следующем:

С трением мы сталкиваемся на каждом шагу. Вернее было бы сказать, что без трения мы и шагу ступить не можем. Но несмотря на большую роль, которую играет трение в нашей жизни, до сих пор не создана достаточно полная картина природы трения. Это связано, скорее, с тем, что опыты с трением очень чувствительны к обработке поверхности и поэтому трудно воспроизводимы.

Теория

Линейку, обёрнутую бумагой, ставим вертикально на другой такой же лист бумаги, лежащий на столе. Прислоняем к линейке карандаш (заточенный с двух сторон) под углом – предельным, когда карандаш ещё не скользит. Условия равновесия карандаша определяются равенством нулю моментов сил относительно общей точки. Запишем в проекциях на горизонтальную и вертикальную координатные оси условие условия равенства нулю суммы всех сил:

N₂ – F_тр1 = 0; (1)

N₁ + F_тр2 – mg = 0. (2)

Определим моменты сил относительно точки О:

0,5mgLcos – N₂L sin – F_тр2L cos = 0, (3)

где L – длина карандаша. В результате математических операций (они здесь опущены. – Ред.) с уравнениями 1–3 получаем формулу

(4)

Экспериментальные данные

Таблица1*

Таблица 1

Графики 1–4

Выводы

1. Коэффициент трения не зависит от длины карандаша: при изменении L меняется критическое расстояние x, а отношение L/x не меняется.

2. Коэффициент трения зависит от твёрдости карандаша (Н, НВ, В).

3. Коэффициент трения составил 0,39 для остро заточенных грифелей и 0,25 – для тупых. Мы знаем, что коэффициент не зависит от площади соприкасающихся тел, он получился разным, возможно, потому, что в критический момент острый грифель чуть-чуть застревает в малейшей неровности.

Литература

1. Всероссийские олимпиады по физике. 1992–2001 гг. Под ред. С.М.Козела, В.П.Слободянина. – М.: Вербум-М, 2002.

Наталья Семёновна Зверева

Наталья Семёновна Зверева – Соросовский учитель физики, заслуженный работник образования Московской области, педагогический стаж 25 лет.

___________________

*Здесь приводится только одна таблица из представленных восьми, в которых даны результаты исследования зависимости коэффициента трения грифеля от марки карандаша, твёрдости (Н, НВ, В), длины, остроты заточки. – Ред.