Спецвыпуск

Игра «Школа физиков». 7-9-й классы

··· Спецвыпуск Республики Коми ···

О.В.КОМИССАРОВА, С.П.ТУГОЛУКОВА, Т.В.МИШАРИНА,
МОУ Эжвинская гимназия, г. Сыктывкар, Республика Коми

Школа физиков

(Игра была приурочена ко Всемирному году физики и проводилась весной 2005 г. Однако авторы надеются, что она не потеряла актуальности и до сих пор.)

Игра проводилась во время весенних каникул в течение трёх дней: первый день – решение качественных и расчётных задач; второй день – проведение и объяснение экспериментальных задач; третий день – составление докладов о жизни и научной деятельности великих учёных А.Эйнштейна, К.Рентгена и М.Кюри с составлением кроссвордов или викторин.

Игра командная. В состав команды входили по два учащихся из 7-го, 8-го и 9-го классов, а в состав жюри – учащиеся 10-го класса. Члены жюри оценивали работу команд, а по окончании каждого этапа проводили разбор и анализ решения задач и ответов на вопросы.

В начале каждого дня команды получали маршрутные листы с указанием кабинета и последовательности прохождения станций, а на каждой станции – задание, которое надо выполнить за определённое время. После прохождения станций все участники собирались в кабинете физики для обсуждения пройденного дня и чаепития. Итоги подводились как командные, так и личные. Лучшие игроки и члены жюри были награждены дипломами и ценными подарками. В конце третьего дня перед подведением окончательного итога было проведено анкетирование участников и членов жюри.

Фамилия ________________ Класс ____________

Что полезного для себя ты взял(а) из игры «Школа физиков»? ________________________

Согласен (согласна) ли ты участвовать ещё? _________

Что бы ты изменил(а) или добавил(а) (содержание, ход проведения и т.д.?) Твои предложения. ________________________________________

 

Маршрутный лист

ПРАКТИЧЕСКИЙ ТУР (каждая задача – 2 балла)

1. Тонкостенный цилиндр равномерно вращается вокруг вертикальной продольной оси. Под незначительным углом к горизонту в центр цилиндра произвели выстрел, и пуля проходит цилиндр навылет. При каких условиях в цилиндре могло оказаться только одно отверстие?

2. Определите скорость течения воды в Волге на участке, где скорость грузового теплохода по течению равна 600 км/сут., а против течения – 336 км/сут.

3. Почему входное отверстие, пробиваемое в парафиновой пластинке пулей из воздушного ружья, меньше выходного?

4. На столе лежат стопкой 10 одинаковых книг. Что легче: сдвинуть пять верхних или вынуть из стопки четвёртую сверху книгу? Ответ обоснуйте.

5. Можете ли вы одним пальцем произвести давление 1000 атм (100 000 000 Па)?

6. Чтобы разорвать верёвку, человек тянет её руками за концы в разные стороны, причём каждая рука тянет с силой 100 Н. Не разорвав таким образом верёвку, человек привязывает один её конец к гвоздю, вбитому в стену, а за другой тянет обеими руками с силой 200 Н. Сильнее ли натягивается верёвка во втором случае?

7. На внутренней стенке закрытой банки, уравновешенной на чувствительных весах, сидит муха. Что произойдёт с весами, если, покинув своё место, муха станет летать внутри банки?

8. Почему облака не падают?

9. Можно ли приготовить каменное ложе, чтобы лежать на нём было так же комфортно, как на мягком диване? Ответ поясните.

10. Лет сто назад для работы человека под водой его опускали туда в водолазном колоколе. Находящийся в колоколе воздух не давал воде проникнуть внутрь. Колокол опускали на дно, и человек производил необходимую работу. Была ли при этом в колоколе вода?

11. Определите плотность стекла, из которого сделан куб массой 857,5 г, если площадь всей поверхности куба равна 294 см³.

Ответы*

1. За время полёта пули внутри цилиндра он должен сделать (n ± 1/2) оборота.

2. 5,5 км/ч.

3. Скорость пули при выходе из пластинки меньше, чем при входе.

4. Легче сдвинуть пять верхних книг: для этого нужно приложить силу, равную силе трения между 5-й и 6-й книгами. Её числовое значение зависит от качества трущихся поверхностей (пусть они одинаковы) и веса пяти книг. Следовательно, сила пропорциональна весу пяти книг. Для вытягивания 4-й книги нужно преодолеть две силы: силу трения между 3-й и 4-й книгами (она пропорциональна весу трёх книг) и силу трения между 4-й и 5-й книгами (она пропорциональна весу четырёх книг). Равнодействующая этих двух сил больше, чем сила трения между 5-й и 6-й книгами.

5. Сила давления пальца на острую булавку, иголку или кнопку около 3Н. Площадь кружка радиусом 0,1 мм равна 0,000 000 03 м², давление на него составляет 1000 атм.

6. В первом случае верёвка растягивается двумя силами по 100 Н, приложенными к её концам, во втором – двумя силами по 200 Н, также приложенными к концам, потому что сила рук вызывает равную противодействующую силу со стороны стены. Следовательно, натяжение верёвки во втором случае вдвое больше, чем в первом.

7. Держась в воздухе на неизменном уровне, муха давит крылышками на воздух с силой, равной своему весу. Это давление передаётся дну банки. Следовательно, весы должны оставаться в исходном положении. Если же муха поднимется или опустится, то чувствительные весы должны покачнуться. Банка с мухой – изолированная система. Если какая-нибудь внутренняя сила передвинет муху вверх, то центр масс системы сохранит неизменное положение лишь в том случае, когда банка сдвинется немного вниз. И наоборот. Ясно, что при полёте мухи вверх чашка опустится, а при полёт вниз – поднимется. Добавим, что полёт мухи вверх или вниз предполагается ускоренным. Равномерное движение, т.е. движение по инерции, а следовательно, без участия силы, не вызывает никакого изменения в величине давления банки на чашку.

8. Водяной пар легче воздуха, однако он невидим, и если бы облака состояли из пара, они были бы совершенно прозрачны. Облака и туман (это одно и то же) состоят из сплошных водяных капелек диаметром 0,01–0,02 мм, зачастую даже 0,001 мм. Такие шарики тяжелее сухого воздуха в том же объёме в 800 раз. Но, обладая при своей малой массе весьма большой поверхностью, водяные шарики при падении встречают настолько значительное сопротивление, что опускаются крайне медленно (значительная «парусность»). Например, капельки радиусом 0,01 мм падают равномерно со скоростью всего 1 см/с. Значит, облака, в сущности, не плавают в воздухе, а падают, но чрезвычайно медленно – достаточно самого слабого восходящего течения воздуха, чтобы не только удержать облако, но и поднять его. По той же причине держатся в воздухе и пылинки, хотя масса многих из них, например, металлических, больше массы воздуха в том же объёме в несколько тысяч раз.

9. Да, если поверхность ложа точно соответствует форме тела человека, – тогда вес тела приходится на большую площадь.

10. Под давлением воды воздух под колоколом сжимается, и немного воды попадает под него.

11. 2500 кг/м³.

Тепловые явления (каждая задача – 5 баллов)

1. Что теплее: три рубашки или рубашка тройной толщины?

2. Одна бутылка с водой положена в лёд, имеющий температуру 0 °С, другая – в воду, также при 0 °С. В какой бутылке вода замёрзнет раньше?

3. На больших высотах (300–400 км) скорость молекул газов, входящих в состав атмосферного воздуха, достигает величин, соответствующих температуре приблизительно 2000 °С. Отчего же не плавятся оболочки искусственных спутников Земли на такой высоте?

4. В одной из статей французского журнала «География» написано: «Насколько же нам легче переносить зиму, чем жителям Верхоянска в Сибири, где приходилось видеть, как ртуть в термометре опускается до отметки –70 °С». Может ли такое быть?

5. На втором этаже здания потенциальная энергия вязанки дров больше, чем на первом. Будет ли энергия, полученная от сжигания дров на втором этаже, больше энергии, получаемой при их сжигании на первом?

6. Почему колёса поездов и трамваев при движении «стучат»?

7. Как влияет ветер на показания термометра в морозный день?

8. Вода нагревается на разогретой электрической плитке постоянной мощности. Когда требуется больше времени – чтобы нагреть её от 10 до 20 °С или от 80 до 90 °С?

9 (20 баллов). Каково отношение масс спирта и бензина, если удельная теплота сгорания смеси этих горючих веществ 4,2 · 10⁷ Дж/кг? Удельная теплота сгорания спирта 2,7 · 10⁷ Дж/кг, бензина – 4,7 · 10⁷ Дж/кг.

Ответы

2. Вода не замёрзнет ни в одной бутылке, потому что при равных температурах нет передачи теплоты.

3. Плотность воздуха на больших высотах весьма мала, и количество теплоты, которое передаётся быстрыми частицами оболочке спутника, незначительно.

4. Нет, ртуть замерзает при температуре –30 °С.

5. Энергия от сжигания дров зависит лишь от их массы. Потенциальная энергия поднятых дров перейдёт в потенциальную энергию продуктов сгорания.

6. Между рельсами предусматривают зазор во избежание их изгиба при нагревании.

7. Никакого влияния на показания термометра ветер не оказывает, если термометр сухой. Другое дело – действие ветра на организм. Ветер быстро сгоняет слои воздуха, нагреваемые нашим телом, заменяя их холодными, и удаляет насыщенные влагой слои, прилегающие к телу. То и другое вызывает усиленный расход тепла, а следовательно, резкое ощущение холода.

8. Тепло плитки расходуется не только на нагревание воды, но и на излучение, которое тем больше, чем выше температура. При равномерном подведении тепла температура плитки повышается тем медленнее, чем сильнее она нагрета.

9. Пусть отношение m₁ : m₂ = n, Q = qm – тепло, выделенное смесью, где m = m₁ + m₂. Q = q₁m₁ + q₂m₂.

q(m₁ + m₂) = q₁m₁ + q₂m₂ q(nm₂ + m₂) = q₁ n m₂ + q₂m₂ n = (q₂ – q)/(q – q₁) n = 1 : 3.

Электрические и оптические явления (каждая задача 5 баллов)

1. Каково строение ядра висмута

2. Металлическому шарику сообщили положительный заряд. Как изменилась его масса?

3. Почему аккумуляторы называют иногда вторичными элементами?

4. Две одинаковые лампы включены в сеть (см. схему). Как будет изменяться накал ламп при перемещении ползунка реостата к точке А?

5. Две одинаковые лампы включены, как показано на схеме. Ползунок реостата находится посередине. Как изменится накал ламп, если сместить ползунок?

6. Сколько времени идёт свет от Солнца до Земли?

7. Что с земли не поднимешь?

8. Почему на люминесцентные лампы (лампы дневного света) можно смотреть спокойно: они не «режут» глаза?

9. Юный рыбак, сидя на берегу озера, видит на гладкой поверхности воды изображение утреннего Солнца. Куда переместится это изображение, если он встанет?

10. Почему в железнодорожной практике для сигнала остановки выбран красный свет?

11 (20 баллов). Элект роплитки мощностью 360 Вт и 500 Вт включили в сеть последовательно. В какой из плиток за одинаковое время выделится большее количество теплоты?

Ответы

3. Аккумуляторы не сами вырабатывают электрическую энергию, а сохраняют её, получив от другого источника.

6. 8 мин 20 с.

8. Излучение света люминесцентной лампой происходит с поверхности, площадь которой во много раз больше площади поверхности нити лампы накаливания.

9. Удалится от берега.

10. Красные лучи имеют бльшую длину волны, нежели жёлтый и зелёный, и рассеиваются взвешенными в воздухе частицами слабее. А как можно более дальняя видимость сигнала остановки является на транспорте первостепенным требованием: чтобы успеть остановить поезд, машинист должен начать торможение как можно раньше. К тому же наш глаз наиболее чувствителен к красной области спектра. На большей прозрачности атмосферы для длинноволновых лучей основано и использование астрономами ИК-светофильтра для фотографирования планет (в особенности Марса). Подробности, незаметные на обычном фотоснимке, отчётливо выступают на ИК-фотографии, удаётся заснять даже саму поверхность планеты, между тем как на обыкновенном снимке фотографируется лишь её атмосферная оболочка.

11. При последовательном соединении сила тока одинакова, но электроплитка мощностью 360 Вт обладает бо1льшим сопротивлением. Следовательно, по закону Джоуля–Ленца Q = I²Rt, большее количество теплоты за одинаковое время выделится именно на ней.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ТУР

Механические явления (каждая задача 10 баллов)

1. Подберите две пробирки так, чтобы одна входила в другую с небольшим зазором. Заполните большую пробирку водой наполовину и вставьте в неё вторую. Затем опрокиньте их, держа внешнюю пробирку рукой. Из большей пробирки вода постепенно вытекает, а внутренняя пробирка втягивается вверх. Почему?

2. Определите массу деревянной линейки и оцените плотность дерева. (Оборудование: деревянная линейка, гири 1 г, 2 г, 5 г.)

3. Определите скорость вылета шарика из игрушечного пистолета при вертикальной стрельбе. (Оборудование: пистолет, метровая линейка, шарик.)

4. Определите коэффициент трения дерева по наждачной бумаге. (Оборудование: деревянный брусок, трибометр, динамометр, набор грузов.)

5. С помощью маятника и секундомера определите длину класса.

6. Картонный конус поднимается по наклонной плоскости вверх. Объясните причину этого явления.

7. Жестяную полоску уравновесьте на острие карандаша. Нарушится ли равновесие, если согнуть один из концов полоски? Ответ проверьте опытом.

Ответы

1. Когда вода вытекает, давление между донцами пробирок становится меньше атмосферного, и атмосферный воздух поднимает малую пробирку вверх.

2. Используем уравнение моментов относительно точки равновесия.

3. Используем закон сохранения энергии.

6. При движении конуса вверх его центр тяжести понижается.

7. Да, при сгибании конца полоски её центр тяжести смещается и уже не совпадает с точкой опоры.

Тепловые явления

1 (5 баллов). Под колокол воздушного насоса поместите завязанный резиновый шарик и откачайте воздух из-под колокола – оболочка шарика примет форму почти идеального шара. Объясните наблюдаемое явление.

2 (10 баллов). На подъёмный столик налейте немного воды и поставьте алюминиевый стаканчик со снегом. В снег подсыпьте соль и перемешивайте до тех пор, пока стаканчик не примёрзнет к столику. Поднимите стакан – вместе с ним поднимется и столик. Почему?

3 (10 баллов). Определите температуру стального болта, нагретого в пламени спиртовки. (Оборудование: болт, весы, разновес, спиртовка, калориметр, мензурка, стакан с водой, термометр, держатель.)

4 (10 баллов). В стакан до половины налейте воду, положите в него монету, закройте листом бумаги и, придерживая рукой, осторожно переверните. Несмотря на то, что изнутри на бумагу давит воздух, вода и монета, она не отрывается. Объясните явление.

5 (10 баллов). В пробирку на 2/3 налейте холодную воду, закройте листом бумаги. Затем, придерживая его пальцем, переверните, бумагу быстро, но осторожно, уберите. Вода из пробирки не выливается. Почему?

6 (5 баллов). Имея комнатный термометр и психрометрическую таблицу, определите относительную влажность воздуха.

7 (20 баллов). Брусок льда положите концами на два подъёмных столика. Наденьте на него петлю из тонкой проволоки диаметром 0,3 мм, на которую подвесьте груз массой 5–10 кг. Проволока постепенно проходит через лёд. Над ней куски льда снова смерзаются, и брусок остаётся целым. Почему?

Ответы

4. Под тяжестью воды и груза бумага слегка прогибается, объём воздуха увеличивается, и его давление становится меньше атмосферного.

5. Вода удерживается в пробирке силами поверхностного натяжения и атмосферного давления.

7. Под давлением проволоки лёд тает, происходит поглощение тепла, которое берётся из окружающей среды, в том числе из воды над проволокой. В итоге вода над проволокой замерзает.

Оптические и электрические явления

1 (10 баллов). С помощью двух зеркал получите максимальное количество изображений свечи.

2 (10 баллов). Прочитайте надпись при помощи стеклянной пробирки, заполненной водой. Объясните эффект.

3 (15 баллов). С помощью штангенциркуля и линейки определите удельное сопротивление реостата сопротивлением 6 Ом.

4 (10 баллов). К клеммам миллиамперметра присоедините с помощью проводов медную и цинковую пластинки. Воткните пластинки в картофелину. Что при этом наблюдаете и почему? Теперь попробуйте увеличить показания миллиамперметра. Обоснуйте свои действия.

5 (10 баллов). Имея амперметр и резистор известного сопротивления, определите неизвестное сопротивление второго резистора. Нарисуйте схему.

6 (10 баллов). По предложенной схеме соберите переговорное устройство и испытайте его в работе.

7 (5 баллов). Начертите схему и соберите цепь так, чтобы две лампочки загорались независимо друг от друга от одного источника. (Оборудование: два ключа, две лампочки, батарейка, провода.)

Ответы

2. Пробирка с водой – цилиндрическая собирающая линза, дающая перевёрнутое изображение.

4. Картофелина со вставленными пластинками – источник тока. Чтобы увеличить показания прибора, надо уменьшить сопротивление, для этого пластинки следует сблизить и погрузить глубже.

Светлана Петровна Туголукова, Ольга Владимировна Комиссарова и Татьяна Валериановна Мишарина со своей «Школой физиков»

Рекомендуемая литература

(3-й день)

Власов П. Беседа о рентгеновских лучах. – М.: Молодая гвардия, 1977.

Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни её творцов. – М.: Просвещение, 1986.

Кюри Е. Мария Кюри. – М.: Атомиздат, 1976.

Мощанский В.Н., Савёлова Е.В. История физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1981.

Храмов Ю.А. Физики: Биографический справочник. – Киев, 1997.

Хрестоматия по физике: Под ред. Б.И.Спасского. – М.: Просвещение, 1982.

Чолаков В. Нобелевские премии. Учёные и открытия. – М.: Мир, 1986.

Энциклопедический словарь юного физика. – М.: Педагогика – Пресс, 1997.

________________________

*Ответы на уже встречавшиеся в газете задачи опущены. – Ред.