Модель електричного двигуна

Вивчення магнітних явищ (5 клас) можна доповнити простим і ефектним дослідом із батарейкою, постійним магнітом і мідним дротом, скрученим у вигляді котушки (рис. 2.12). Учні отримають уявлення про те, що магнітні властивості має провідник, по якому проходить струм, оскільки він взаємодіє із магнітом – рамка із мідного дроту обертається. Необхідно звернути увагу на те, що рамка не взаємодіє з магнітом, якщо по ній не проходить струм.

Знадобиться нова батарейка на 1,5 вольти, мідній дріт довжиною 1 метр, діаметром близько 0,5 мм, який використовується у обмотках двигунів, постійний магніт (від акустичного динаміка, гіпсових фігурок), дві шпильки, два гумових кільця (можна відрізати від велосипедної камери).

Рис. 2.12 Модель електродвигуна

 

Мідний дріт потрібно скрутити у вигляді спіралі, намотуючи його на циліндричний предмет, потрібно зробити не менше 10 витків. Бажано, щоб витки котушки не перекривали один одного. Вільні кінці дроту мають розміщуватися діаметрально назовні від котушки. Необхідно забезпечити симетричну форму котушки для рівномірного розподілу ваги, інакше котушка не буде обертатися.

 

Рис. 2.13 Зняття ізоляційного шару: а) лак знімається повністю; б) лак знімається з одного боку дроту

 

Два вільні кінці дроту, на які буде спиратися котушка, потрібно зачистити від шару лакової ізоляції.

Один вільний кінець дроту зачищається повністю (рис. 2.13, а), а інший – лише з одного боку (рис. 2.13, б), утворюючи пристосування на зразок щітки в електродвигуні. Котушка здійснює півоберта за інерцією (у двигуні постійного струму напрям струму змінюється кожні півоберти рамки).

Відріжте два гумових кільця від велосипедної камери. За їх допомогою закріпіть дві шпильки і магніт, як зображено на рисунку 2.12. Відхиліть одну шпильку і встановіть мідну котушку. Щоб вона почала обертатися необхідно її легенько штовхнути.

Можна запропонувати учням виконати декілька експериментів з цим простим електричним двигуном. Що відбувається, якщо замінити магніти? Якщо до моделі піднести ще один магніт? Якщо для котушки взяти провід іншого діаметру і довжини? Якщо взяти іншу батарейку?

Пояснюємо учням, що коли котушкою проходить струм, вона «перетворюється» на магніт. Ось чому котушка взаємодіє із магнітом, закріпленим на батарейці. Із принципом роботи двигуна постійного струму учні ознайомляться у старших класах на уроках фізики. Цілком достатньо, щоб п’ятикласники мали уявлення про те, що між електричними і магнітними явищами існує тісний зв’язок.

Спектроскоп

На уроках з природознавства у 5-му класі учні дізнаються, що біле світло є складним. Уперше склад сонячного світла у 1666 році дослідив Ісаак Ньютон. Він пропустив сонячне (біле) світло крізь маленький отвір у віконниці у затемнену кімнату, а на шляху променя поставив скляну призму. Призма заломила сонячний промінь і спрямувала його на стіну, на якій виникла багатоколірна смуга, яку Ньютон назвав спектром.

Кожний учень може зробити собі спектроскоп, навіть за відсутності скляної призми. Спектр можна спостерігати за допомогою старого компакт-диску, з якого потрібно вирізати сектор. Щоправда, розділення світла на монохроматичні складові у такому спектроскопі здійснюється завдяки явищу дифракції, а не дисперсії.

Для виготовлення спектроскопа знадобиться світлонепроникний папір, наприклад, від конвертів для фотопаперу, або достатньо товстий картон, щоб крізь нього не проникало світло, клей, ножиці, старий СD або DVD-диск.

 

 

Рис. 2.14 Послідовність виготовлення спектроскопа

 

З картону виріжемо розгортку корпуса, а з компакт-диску – сектор. Корпус потрібно ретельно склеїти, щоб світло не проникало у щілини. Сектор від CD-диску потрібно встановити, як зображено на рисунку. Світло має падати крізь отвір 1, а спостерігати спектр потрібно крізь отвір 2 (рис. 2.14).

 

На компакт-диску: креслення розгортки корпуса саморобного спектроскопа у масштабі 1:1.

 

Сопілка

Звук виникає внаслідок коливання тіл і поширюється в твердих тілах, рідинах і газах. Якщо відхилити вільний кінець стальної лінійки, затисненої у лещатах, то вона почне коливатися. Лінійка стискає шар повітря, що прилягає до одного з її боків, і одночасно створює розрідження з другого боку. Ці стиснення і розрідження чергуються у часі і в будь-якому середовищі – твердих тілах, рідинах, газах. Вони спричиняють коливання частинок, що й створює звук.

Чому наш власний голос здається нам незнайомим, коли ми прослуховуємо його запис на магнітофоні або комп’ютері? Самого себе ми чуємо переважно завдяки поширенню коливань через вибрацію кісток черепа і м’яких тканин голови. На плівці або диску записаний наш голос, який поширюється у повітрі, що надає йому іншого звучання і тембру. Голоси знайомих нам людей доходять до нас по повітрю, тому ми можемо їх легко упізнати.

 

Рис. 2.15 Сопілка із трубок

Звук може виникати внаслідок коливання не тільки твердих тіл, але й газів, зокрема, повітря. За цим принципом влаштовані духові музичні інструменти, зокрема, сопілка і флейта.

Для виготовлення сопілки знадобиться 8 трубочок для напоїв, скотч, картон. Від трубочок потрібно відрізати 8 частин так, щоб утворилося чотири пари однакової довжини. Вирівняйте трубки, приклейте їх до смужок картону і закріпіть за допомогою скотча.

Нижні кінці трубочок потрібно обрізати, як зображено на рисунку 2.15), і притиснути.

Якщо подути поверх кінців трубочок, то повітря у середині їх почне коливатися. Частота коливань залежить від довжини стовпа повітря, яке знаходиться у середині трубки. Довгі трубки створюють низький звук, короткі – високий. Кожна пара трубок створює свій звук. Чим більше трубок, тим більше різноманітних звуків може створити інструмент.

Компас

Для виготовлення компаса знадобиться: постійний магніт, невелика посудина з водою, пенопластові кульки, голка. Із міркувань безпеки голку можна замінити на сталеву дротинку діаметром
0,2-0,3 мм. Діаметр посудини має бути достатньо великий, щоб сили поверхневого натягу на межі води і посудини не діяли на кульки з голкою. Замість пенопластових кульок можна використати шматочки корку.

 

Рис. 2.16 Компас

 

Магнітом потрібно провести вздовж голки декілька разів, відриваючи магніт щоразу, як досягнете вістря голки. Намагнічену голку потрібно вставити до пенопластових кульок і розмістити на поверхні води. Голка зорієнтується у напрямі на фізичний полюс планети (рис. 2.16).

Водяний годинник – фонтан

За допомогою водяного годинника проводиться відлік певних проміжків часу.

Для виготовлення водяного годинника потрібно взяти дві пластикові пляшки, дві трубки, ножиці, клей або скотч чи ізоляційну ленту. Дві пробки від пляшок потрібно склеїти торцями або закріпити за допомогою ізоляційної ленти. Ножицями із гострими кінцями потрібно зробити два наскрізні отвори. Пластикові трубки для напоїв мають заходити щільно до отворів. Води має бути стільки у пляшках, щоб кінці трубок були над поверхнею. Воду бажано підфарбувати (рис. 2.17).

Рис. 2.17 Водяний годинник

Якщо у на кінцях трубок, якими вони закріплюються у пробках, зробити декілька невеликих отворів за допомогою голки, то годинник перетвориться на фонтан, оскільки повітря у верхній трубці підійматиметься вгору разом із краплями води, котри потраплятимуть до трубки крізь отвори (рис. 2.18).

Виготовлення цього приладу корисне буде при формуванні уявлень про тиск (тиск рідини, газу, атмосферний тиск) у 5-му класі.

Вже у процесі виготовлення годинника виникатимуть запитання: чи буде вода виливатися із пляшки, якщо зробити у ній тільки один отвір? Що відбуватиметься, якщо зробити маленькі отвори у трубках поблизу пробок? Чи буде працювати водяний годинник, якщо рівень води буде вищим за вільний кінець трубки?Як буде працювати годинник, якщо закрити пластиліном одну трубку? Як пояснити те, що ви спостерігаєте?

 

 

Рис. 2.18 Отвори у трубках

 

Тиск атмосферного повітря діє не тільки вниз, а у всі боки. Якщо зробити тільки один отвір у пробці, вода не буде витікати із пляшки (тільки якщо не стискати пляшку), оскільки атмосферний тиск більший за тиск водяного стовпа у пляшці. Система з двох трубок сполучає частини пляшок, в яких знаходиться повітря, тому тиск в них завжди однаковий і рідина вільно перетікає з однієї пляшки до іншої.

Якщо зробити отвори голкою у нижніх частинах трубок, то рідина у верхній пляшці і повітря у нижній будуть потрапляти до трубок, оскільки тиск у середині трубок менший за тиск назовні внаслідок перетікання рідини вниз під дією сили тяжіння.

Лінза

Збиральну лінзу можна зробити із пластикової пляшки. Верхня частина деяких 2-літрових пляшок має сферичну форму. За допомогою ножа потрібно вирізати дві однакові опуклі заготовки (рис. 2.19). За допомогою пластиліну потрібно з’єднати їх разом, щоб утворилась двоопукла лінза.

Після з’єднання потрібно заповнити внутрішній простір лінзи водою без бульбашок повітря. Зробити це можна за допомогою двох трубочок, як зображено на рис. 2.19. Лінзу потрібно занурити під воду, щоб кінець довгої трубки був на поверхнею води, а маленької – під водою. Через маленьку трубку вода буде затікати до лінзи, а через велику повітря буде виходити назовні.

Після наповнення водою отвори від трубочок потрібно закрити за допомогою пластиліну.

Лінзу можна виготовити із льоду. Льодяна лінза – цікава розвага зимового дня.

Для виготовлення лінзи необхідна посудина напівсферичної форми (рис. 2.20, а). Також необхідно підготувати воду, оскільки якщо заморозити звичайну воду, лінза не буде прозорою через бульбашки повітря, розчиненого у воді.

 

Рис. 2.19 Виготовлення збиральної лінзи із пластикових пляшок

 

 

Для видалення газів і домішок із води необхідно:

· відфільтрувати воду;

· закіп’ятити і охолодити;

· закіп’ятити і охолодити воду ще раз.

Після замерзання такої води отримаємо прозорий лід. Відокремити лінзу від посудини не складно, якщо попередньо потримати посудину при кімнатній температурі.

Можна використати заготовки від пластикових пляшок і виготовити не тільки збиральну, а й розсіювальну лінзу (рис. 2.20, б), за допомогою якої можна отримати зменшене зображення предметів. Пластикову або металеву посудину потрібно наповнити водою і занурити у воду заготовку із пластикової пляшки таким чином, щоб краї заготовки були на рівні із поверхнею води. Після замерзання води отримаємо збиральну (плоско-опуклу лінзу) і розсіювальну (плоско-увігнуту) однакових радіусів. Розсіювальна лінза утвориться із льоду у посудині після відокремлення пластикової заготовки. Відокремити заготовку від криги можна через деякий час, якщо потримати її при кімнатній температурі. Після цього лінзи «відполіруйте» долонями.

А тепер можна розглядати сніжинки на подвір’ї! Тільки обов’язково захопіть рукавички! J

Рис. 2.20 Виготовлення льодяних лінз

 

Барометр

Модель барометра можна виготовити із звичайної пляшки. Для цього знадобиться лише пластикова пляшка і ніж.

На бічній поверхні півторалітрової пластикової пляшки зробіть надріз ножем, як зображено на рис. 2.21. Розрізати потрібно тільки з одного боку половину пляшки. Міцно стисніть верхню частину пляшки у напряму, зображеному стрілкою. Нижня частина має залишатися не деформованою. Пляшку наповніть рідиною, зануривши її до посудини із водою. Якщо тепер встановити пляшку на рівну поверхню, то у деформованій частині пляшки рівень рідини буде вищим за рівень відкритої поверхні води у нижній частині пляшки. Важливо, щоб верхній край розрізу не був вищий за рівень води у нижній частині пляшки, інакше вода просто виллється із верхньої частини пляшки.

Стовп води у верхній частині пляшки і повітря над відкритою поверхнею води у нижній частині пляшки тиснуть на неї однаково. Тому вода не виливається із верхньої частини пляшки, бо її тиск зрівноважений атмосферним тиском на відкриту поверхню води.

За допомогою саморобного барометра можна провести спостереження за зміною атмосферного тиску, якщо робити позначки маркером на пляшці на рівні води у верхній частині пляшки.

Рис. 2.21 Виготовлення барометра із пластикової пляшки

Зміна рівня води свідчитиме про зміну атмосферного тиску. Можна навіть проградуювати саморобний прилад, якщо є справжній барометр.

Терези

Більшість механічних терезів працюють за принципом важеля, з яким учні ознайомлюються у 6-му класі.

Рис. 2.22 Терези

 

 

Прості терези для зважування невеликих предметів можна виготовити, використавши міцний картон, скріпки, нитки, гайку у якості тягарця, олівець, копійки. Із картону виріжемо квадрат зі стороною 9 см – згодиться, наприклад, стара поштова листівка. Проведіть діагоналі і зробіть за допомогою циркуля два отвори біля двох суміжних вершин паперового квадрату. В іншому куті квадрата виконайте розмітку для монетки. Монету бажано закріпити за допомогою клею, хоча можна у прорізах, якщо точність вимірювань вас особливо не хвилює. В останньому випадку потрібно обвести олівцем монету перед градуюванням приладу для позначення положення точного встановлення монети.

Встановіть скріпки до отворів у квадраті із картону, а монету у прорізи. Відвіс-покажчик можна виготовити із нитки та гайки (рис. 2.22)

Градуювання приладу полягає у почерговому закріпленні за допомогою скріпки монет відомої маси (рис. 2.23). Якщо почепити монету у 5 копійок, то лінія відвісу вказуватиме на масу 4,20 г, але для градуювання зручніше використовувати монету в 1 копійку – її маса дорівнює 1,50 г. Використовуючи дві монети вартістю в 1 копійку можемо позначити поділку у 3 грами, 3 монети – 4,5 грами і т.д. За допомогою цих терезів можна зважувати тіла невеликої маси.

 

0,64 г	1,50 г	1,70 г	2,90 г	4,20 г	4,30 г	7,10 г

Рис. 2.23 Маса монет

 

Ареометр

Прилад для вимірювання густини рідини має назву ареометр.

Для виготовлення ареометра знадобиться пластмасова трубка для напоїв довжиною 60-90 мм, пластилін, водостійкий маркер, лінійка, вода, склянки, сіль, вода.

За допомогою лінійки зробіть позначки на трубці на відстані 5 мм. До нижнього кінця трубки потрібно закріпити шматочок пластиліну. Довжину трубки оберіть експериментально, занурюючи ареометр до води, при цьому трубка має зберігати вертикальне положення.

 

Рис. 2.24 Саморобні ареометри

 

Опустіть трубку спочатку до звичайної, а потім до солоної води. За позначками можна зробити висновок про густину води.

Для градуювання ареометра використовуємо дані про те, що густина води (при 20^оС) дорівнює приблизно 998 кг/м³, соняшникової олії – 926 кг/м³, молока (зі знятими вершками)– 1032 кг/м³, 10 %-го розчину кухонної солі у воді 1071 кг/м³, 20 %-го – 1148 кг/м³, спирту – 790 кг/м³.

Оскільки у зануреному стані позначки зробити на ареометрі не можливо, як вже зазначалося, спочатку робимо риски на відстані 5-4 мм за допомогою лінійки. Потім занурюємо ареометр у воду і запам’ятовуємо, яка риска зрівнялася із поверхнею рідини – цій позначці відповідатиме густина 998 кг/м³. Готуємо 20 %-ий розчин солі у воді
(20 частин солі, 80 частин води) – 200 г солі засипаємо до 1-літрової пляшки і наливаємо воду, ретельно перемішуємо (або 100 г солі покладіть до півлітрової пляшки). Занурюємо ареометр і дивимось, яка риска зрівнялася із поверхнею рідини – їй відповідатиме густина 1148 кг/м³. Для градуювання можна використовувати й інші рідини.

Ареометр також можна зробити із використаного стрижня від кулькової ручки (рис. 2.24)

 

Блок

Блок – це диск із жолобком на ободі, через який перекинуто канат. До одного його кінця кріпиться вантаж, а за інший тягнуть. Такий блок не дає ніякого полегшення у роботі. Він тільки змінює напрям руху, що у багатьох випадках також має неабияке значення. Якщо ж блок може рухатися разом із вантажем, то він дає ще й виграш у силі. Блок застосовується у транспорті, будівництві та інш. Принцип роботи рухомого блоку вивчатиметься у старших класах, але проведення досліду, у якому учні зможуть особисто «відчути» виграш у силі, який дає рухомий блок, буде корисним на уроці природознавства у шостому класі. Для досліду знадобиться дерев’яний брусок, гачки, дріт, дві котушки, міцна мотузка, цеглина або гиря. Дріт продівається крізь отвори у котушках та згинається, як зображено на рисунку 2.25

Рис. 2.25 Рухомий блок

Гачки потрібно закріпити у дерев’яному бруску, який потрібно закріпити за допомогою двох штативів. Учні у домашніх умовах зможуть встановити, наприклад, між спинками двох стільців, або в іншому зручному місці. У якості вантажу можна використати цеглину із отворами.

Спробуйте підняти цеглину однією рукою. Зберіть систему блоків і потягніть повільно за мотузку. Бажано, щоб кожний учень зміг особисто порівняти зусилля, які необхідні для підняття вантажу рукою і за допомогою рухомого блоку.

Ще один дослід, який яскраво демонструє роботу рухомого блоку. Для його проведення знадобиться дві палки (згодяться ручки від швабри) і міцна мотузка. Цей експеримент дитина може провести разом із батьками або двома друзями. Один кінець мотузки необхідно прив’язати до однієї палки і натягнути, як зображено на рисунку 2.26.

 

Рис 2.26

 

 

Два учні тримаються за палки і тягнуть їх у протилежні сторони.

Третій учень тягне за вільний кінець мотузки й один зможе зсунути палки разом, хоч два учні йому протидіятимуть.

Палки і мотузка – це не що інше, як комбінація рухомих блоків. При цьому їхня кількість зростатиме щоразу, як обкручуємо мотузку навколо палок. Відповідно зростає і виграш у силі.