Інструменти – наші помічники
Урок-презентація. 7-й клас
Малюнки з підручника М.М.Балашова "Фізика-7" (М.: Просвітництво, 1995).
Мета уроку: систематизувати і розширити знання на тему, показати її прикладне значення.
Завдання уроку: навчити працювати у колективі, показувати свої знання у нестандартних ситуаціях, реалізувати творчі здібності.
Устаткування: моделі ворота, поліспаста, мікрометра, гвинти, болти, мікрометр, плакати.
Підготовка. При вивченні теми «Робота та енергія» хлопці познайомилися з важелем, рухомим і нерухомим блоками, похилою площиною, а також із «золотим правилом» механіки. Перевірка домашнього завдання дозволяє визначити їхнє вміння застосовувати знання в нових умовах. До уроку діти отримали завдання скласти «паспорт»: на альбомному аркуші замалювати інструмент, вказати його назву та призначення, визначити, який із простих механізмів у ньому використовується, зобразити сили та їхні плечі, що діють при роботі, а також розрахувати отримуваний виграш. Що тільки не використовували учні: різні види ножиць, гвоздодер, щипці для цукру та горіхів, кусачки, весло, садовий візок, лом, лопату тощо. Крім того, кожна група підготувала розповідь про прості механізми, з якими учні не знайомилися на уроках. Для їхньої презентації потрібно було принести відповідний інструмент або виготовити його модель, намалювати плакати, що пояснюють, розрахувати отримуваний виграш. Таким чином, учні на цьому уроці отримали нові знання.
Хід уроку
Вчитель. Ми вивчили правило важеля та «золоте правило» механіки. Сформулюйте їх. (Вислуховуються відповіді.) Ці правила лежать в основі дії різних інструментів та пристроїв, які застосовуються в техніці та побуті там, де потрібновиграш у силі чи у дорозі. Сьогодні ми, спираючись на ці правила, опишемо роботу простих механізмів. Послухаймо повідомлення про інструменти, якими ви користуєтеся вдома.
Учениця 1. Я вивчила щипці для цукру. Щипці - це важіль, вісь обертання якого проходить через гвинт, що з'єднує обидві половинки. Чинною силою F1 є м'язова сила руки людини, що стискає щипці. Сила F2 – це сила опору цукру. Ручки щипців набагато довші за леза, т.к. сила опору цукру досить велика і для її врівноважування меншою силою потрібно взяти більше плече.
Відповідно до правила важеля, Звідси випливає, що (l1 = ОА = 80 мм, l2 = ОВ = 34 мм.)
Ці щипці дають виграш у силі у 2,3 рази. Тобто за допомогою їх можна розколоти шматок цукру, прикладаючи силу, в 2,3 рази меншу.
(Вчитель обирає ще кілька учнів, які підготували «паспорти» різних інструментів, інші здають свої роботи. На магнітній дошці одразу організується виставка «Інструменти – наші помічники». До наступного уроку «паспорта» будуть перевірені та виставлені оцінки.)
Вчитель. Молодці, ви визначили багато інструментів, які працюють як важіль. Але є й інші прості механізми – воріт, гвинт, клин, механізми передачі руху. Зараз робочі групи розкажуть нам про них та продемонструють їхню дію.
Група 1. Ми познайомимо вас із роботою ворота. Його часто використовують, щоб піднімати воду з колодязя. Воріт - це не що інше, як вид важеля. Він має барабан, насаджений на вал, і рухається за допомогою ручки. Плечі ворота: l1 = R - Довжина ручки; l2 = r – радіус валу. Умовою рівноваги є рівність F1. R = F2. r. Звідси отримуємо F1=F2. r/R. Чим більший радіус ручки в порівнянні з радіусом валу, тим більшевиграш у силі. (Демонструється модель колодязя з коміром, піднімається «відро».) У даній моделі радіус ручки дорівнює 4,5 см, радіус валу 1,5 см. Відношення R/r = 3. Отже ми отримуємо виграш в силі в 3 рази. Тобто, піднімаючи цебро з водою вагою 90 Н (масою 9 кг), ми прикладаємо силу всього 30 Н. Можна отримати виграш в силі набагато більше, але занадто великий радіус ручки не слід робити, тому що. крутити таку ручку при підйомі води буде незручно, а занадто великий програш на відстані дасть дуже малу швидкість підйому, що теж незручно. Однак ручку можна замінити колесом або системою спиць.
Група 2. Ми знаємо, що, використовуючи нерухомий блок, можна змінювати напрямок дії сили, а застосовуючи рухомий блок, отримати виграш у силі вдвічі. У техніці використовують комбінації рухомих та нерухомих блоків. Такий пристрій називається поліспаст. Поліспаст винайшов Архімед; він використовується для підняття великих тягарів і дає виграш у силі у багато разів.
Розглянемо його дію. Складається поліспаст із двох груп блоків; одна група насаджується загальну вісь і закріплюється нерухомо. А друга група блоків, насаджених іншу вісь, може підніматися і опускатися разом із вантажем, тобто. є рухомий. Виграш у силі становить 2n (n – кількість блоків), т.к. блоки діють незалежно один від одного. Вага вантажу розподіляється між блоками порівну (Р/n), і з додаванням кожного нового блоку сила зменшується вдвічі. В результаті сила, що прикладається, повинна дорівнювати F=Р/(2n). Зрозуміло, виграш у силі призводить до програшу на відстані, так що в роботі не виграємо.
Слід, однак, відзначити, що зі збільшенням числа блоків зменшується ККД поліспасту: наприклад, якщо ККД одного блоку 95%, то ККД поліспасту з чотирьох блоків – 91%, аіз десяти блоків – 78%.
Група 3. Крім отримання виграшу в силі або на відстані нерідко потрібно перетворення руху, наприклад, поступального руху поршня в обертальний рух колеса. Таке перетворення виконує кривошипно-шатунний механізм - неодмінна частина конструкції автомобілів, тепловозів, тракторів. У багатьох пристроях (програвачах, комбайнах, транспортерах і т.д.) необхідно перетворити обертальний рух одного ролика або валу на обертальний рух іншого, але з іншим періодом. Розглянемо такі механізми докладніше.
Ремінна стрічкова передача здійснюється за допомогою нескінченного ременя, що охоплює два шківи. Рух та зусилля від ведучого шківа передається до веденого завдяки силі тертя між ременем та поверхнею шківів. Якщо веденому шківу необхідно повідомити рух у протилежний бік, то ремінь перехрещують. Якщо радіуси цих шківів однакові, то обидва обертаються з однаковою швидкістю, якщо ж різні - то більший шків обертається повільніше в стільки ж разів, скільки його радіус більше радіуса маленького шківа.
Зубчасту передачу застосовують у тих випадках, коли необхідно суворе узгодження рухів ведучого і провідного валів, а відстань між ними невелика. Якщо у передачі беруть участь два зубчасті колеса, то ведений вал обертається у протилежному напрямку; при використанні третього (проміжного) зубчастого колеса отримують рух провідного та веденого коліс в одному напрямку.
У тих випадках, коли вали знаходяться на значній відстані один від одного, застосовують ланцюгову передачу, наприклад, у велосипеді.
(Учні демонструють види передач на моделях, механічних іграшках тощо)
Група 4. Гвинт – це вид похилої площини. З його допомогою можнаотримати значний виграш у силі. Уявімо, що похилу площину заввишки h і довжиною l звернули в трубку. Така «споруда» є одним витоком усім добре відомих видів гвинтів – болтів і шурупів. Повертаючи гайку, надіту на болт, ми піднімаємо її по похилій площині і виграємо в силі: де h – висота похилої площини, l – довжина її основи. При закручуванні шурупа в дерев'яну дошку або скріплення деталей болтом і гайкою доводиться долати силу тертя і пружності матеріалу. Вони бувають настільки великими, що пальцями це зробити важко, інколи ж неможливо. При цьому недостатньо виграшу в силі, що отримується за допомогою гвинта, доводиться застосовувати ще й важелі: викрутки та гайкові ключі.
(Учні демонструють принесені болти та шурупи, показують результати розрахунків, розповідають про садовий, земляний, льодовий бури; показують скріплення деталей болтами.)
Іноді виграш у силі – не головне при використанні гвинта, важливіше – програш на відстані, яку дає гвинт. Це використовується, наприклад, для плавної подачі різця в токарному верстаті або підвищення точності при вимірюванні відстаней мікрометром. На демонстраційній моделі мікрометра добре видно, що його рухома губка переміщається як гайка по гвинту. Зробивши повний оберт, гайка переміщається на один крок гвинта. Нехай крок гвинта дорівнює 1 мм. Нанесемо на поверхню гайки рівномірну шкалу зі 100 поділів. Зрозуміло, що при повороті гайки на один поділ вона зміщується вздовж гвинта на 0,01 мм. Саме з такою точністю за допомогою мікрометра можна визначити розмір деталей. Адже це у 100 разів точніше, ніж за допомогою лінійки! Зрозуміло, що без мікрометра не обійтись на виробництві.
А тепер продемонструємо, як за допомогою мікрометра можна безпосередньо, не використовуючиметод рядів, виміряти розмір малих тіл.
Розмір
Вимірювання
мікрометром
лінійкою
-
Група 5. Клин, як і гвинт, – вид похилої площині. Клин призначений для розколювання міцних предметів. Його вганяють у щілини між деталями, щоб створити велику силу тиску однієї деталі на іншу і тим самим збільшити силу тертя спокою між ними, що забезпечить їхнє надійне зчеплення. При величезних силах, що додаються до клину, він має бути дуже міцним, із самого твердого матеріалу. Клини використовують для щільного насаджування обуха на сокир, клиноподібну форму надають лезам щипців для цукру, ножів, кусачок. А як ви вважаєте, чому так кажуть: «Клин клином вибивають»?
(Вислухавши думку класу, група дає своє тлумачення цього висловлювання.)
Вчитель. Важіль, блоки, воріт, клин, гвинт – найпростіші механізми, що застосовуються для перетворення сили та відстані. Однак виграш у силі, який отримується за допомогою окремих механізмів, невеликий. Він обмежений міцністю матеріалів, з яких зроблено самі механізми, і тим, наскільки вони зручні.
(При підбитті підсумків уроку велике значення має обговорення повідомлень груп, коли учні самі оцінюють змістовність, наочність, емоційність виступів своїх однокласників.)
Література
Балашов М.М. Фізика-7. - М.: Просвітництво, 1995. Перишкін А.В. Фізика-7. - М.: Дрофа, 2000. Енциклопедичний словник молодого техніка. - М.: Педагогіка, 1988.