English version На главную Контакты
  Общая информация   Школьникам и учителям
  Новости   Учебные проекты и лаборатории УНЦ
  Международное сотрудничество   Отдел разработки и создания образовательных программ
  Мероприятия   Научно-инженерная группа УНЦ
  Соискателям   Повышение квалификации
  Студентам  

Школьникам и учителям

Интернет-портал teachers.jinr.ru
Школы
Видеоконференции
Практические работы
Физические демонстрации
Физические проекты
Научно-образовательный интернет проект “Ливни знаний”
Межшкольный физико-математический факультатив
Отзывы и благодарственные письма
Полезная информация
Руководитель физического практикума

Физические проекты

Особенностью рассматриваемых проектов является то обстоятельство, что все они основаны на реальных и наблюдаемых явлениях из окружающего нас мира. Предполагается, что базовый уровень знаний участников проекта соответствует программе за 10 -11 классы.
Изучение обсуждающихся ниже физических явлений не требует сложного и дорогостоящего оборудования. При наличии определенной доли упорства и трудолюбия все они могут быть воспроизведены на базе оборудования обычного школьного кабинета физики. Вместе с тем, каждый из проектов далеко не исчерпывает круг рассматриваемых явлений. Например, в рамках проекта “Жизнь мыльного пузыря” представляет интерес исследование трехпузырьковой системы, объединяющей три мыльных пузыря, соединенных воедино посредством коротких трубочек. Каков характер динамики указанной системы? Можно ли выявить какие-либо закономерности процесса, и их зависимость от параметров пузырей? Решение этой конкретной задачи, в отличие от двухпузырьковой системы, представляется далеко неочевидным.
Приведенные ниже примеры исследовательской деятельности учащихся могут рассматриваться лишь в качестве некоторого ориентира. На самом деле круг возможных задач много шире.
 
 
Проект “Жизнь мыльного пузыря
 
О пузырях, в том числе мыльных, написано немало. И только на первый взгляд обычный мыльный пузырь представляется весьма незамысловатым объектом.
Например, можно сформулировать такую задачу: если выдуть пузырь через соломинку или тонкую трубочку, то, как показывает опыт, спустя некоторое время пузырь сдуется, поскольку давление воздуха внутри пузыря превышает наружное давление. Как зависит время сдувания пузыря от геометрических размеров трубки, а также от параметров самого пузыря, именно, от его радиуса и свойств мыльной пленки? Чтобы ответить на поставленные вопросы, необходимо сформулировать физическую модель явления, и на ее основе получить теоретическую оценку времени сдувания. Уровень согласия результатов расчета с опытными данными позволяет сделать вывод об адекватности используемой модели. Строгое решение данной задачи достаточно трудоемко. Однако для оценочных расчетов можно поступить проще, а именно, применить метод размерностей. Наиболее просто решение получается в случае, если длиной трубочки, через которую выходит воздух, можно пренебречь. Вместе с тем, как показали опыты, указанную длину не удается сделать менее 1-1,5 см. Решение данной проблемы было получено следующим способом: выдутый через трубочку пузырь подцепливался на проволочную петлю в виде кольца заданного радиуса, после чего трубочка осторожно отсоединялась от пузыря. Затем пленка на кольце протыкалась сухой бумажной иглой, т.е. получался мыльной пузырь с отверстием. Одновременно с протыканием пузыря включался секундомер, и измерялось время его сдувания. Метод размерностей позволяет установить зависимость искомой величины от главных параметров модели: радиуса пузыря, радиуса отверстия (кольца), плотности воздуха, коэффициента поверхностного натяжения мыльной пленки.
Вторая задача, поставленная в рамках данного проекта, заключалась в изучении зависимости времени “жизни” мыльного пузыря (шире, мыльных пленок вообще), от влажности окружающего воздуха. Для изучения указанной зависимости была изготовлена труба из прозрачной полиэтиленовой пленки, в основании которой помещался цилиндрический сосуд с водой. Высота трубы составляла примерно 2 м, диаметр – около 30 см. Внутрь трубы опускался психрометр, что позволяло оценивать влажность воздуха на разных высотах, начиная от поверхности воды в сосуде. Затем внутрь трубы на нити опускалось кольцо с мыльной пленкой, и измерялось время существования пленки на заданной высоте с фиксированной влажностью.
Как показали наблюдения, с увеличением влажности воздуха время существования мыльной пленки возрастает. В этой связи интересны опыты по созданию долгоживущих мыльных пузырей в замкнутых сосудах со 100% влажностью. В отдельных случаях время существования пузыря превышало 5 суток!
Файлы:
  • Сдувание пузыря (1,5Мб)
  • Время жизни пузыря (1,5Мб)
     
     
     
    Проект “Тепловой автогенератор звука
     
    Внимательный взгляд на реальные физические ситуации из окружающего нас мира позволяет сформулировать целый ряд интересных задач, на которые мы зачастую не обращаем должного внимания. Например, всем ли известно, что гудение пламени в печи относится к явлениям термической генерации звука (эффект Рийке)? Наиболее просто и удобно данный эффект наблюдать с помощью стеклянной трубки, внутрь которой помещается небольшой нагреватель, изготовленный в виде спирали из нихромовой проволоки. На спираль от автотрансформатора подается напряжение порядка 40 В (до красного каления). Трубка Рийке с помещенным вовнутрь нагревателем представляет собой пример автоколебательной системы с положительной обратной связью. Положение нагревателя внутри, при котором возникало громкое гудение, определялось экспериментально.
    Как показали опыты, нагреватель нужно помещать на расстоянии, равном одной четверти длины трубы от ее нижнего конца. Заметим, что этот результат согласуется с выводами работы.
    Была изучена также зависимость эффекта от длины трубы. Как показали наблюдения, вероятность возбуждения незатухающих колебаний существенно зависит от отношения длины трубы к ее диаметру. Например, для трубки диаметром 35 мм эффект исчезает при длине трубки менее 48 см. Оказалось, что оптимальная длина для возбуждения звуковых колебаний составляет 80-100 см. Для трубки диаметром 24 мм максимальная длина, при которой еще наблюдается устойчивое звучание, составляет примерно 200 см. Для трубки же диаметром 35 мм на такой длине колебания возбудить не удалось.
    Для всего набора трубок с помощью осциллографа были измерены соответствующие частоты звука: они составили диапазон от 90 до 350 Гц.
    Файлы:
  • Генератор (1,5Мб)
     
     
    Проект “Сонолюминесценция
     
    Суть явления сонолюминесценции заключается в следующем: маленький пузырек воздуха, помещенный в колбу с водой (объемом около 100 мл), подвергается ультразвуковому воздействию. Если правильно подобрать частоту и интенсивность звука, то при определенных условиях пузырек начинает излучать свет, хорошо видимый невооруженным глазом в слегка затемненной комнате.
    Для изучения некоторых характеристик наблюдаемого явления была изготовлена соответствующая экспериментальная установка. В общих чертах принцип действия устройства следующий: ультразвуковое поле внутри колбы (резонатор), представляющее собой сферическую стоячую волну, формируется с помощью пьезокерамических преобразователей, укрепленных на внешней поверхности колбы. На преобразователи подается переменное напряжение от задающего генератора, которое усиливается с помощью широкополостного аудиоусилителя с выходной мощностью около 200 Вт. В нашем случае в качестве акустического резонатора использовалась сферическая колба диаметром 60 мм. Необходимый уровень накачки ультразвукового поля достигался с помощью катушки с переменной индуктивностью, которая включалась в цепь последовательно с резистором. Для данного резонатора измеренное значение резонансной частоты оказалось близким к 27 кГц.
    Основная задача данного проекта заключалась в изучении явления, называемого ультразвуковой левитацией: при определенной интенсивности звукового поля воздушный пузырек зависает в акустическом центре резонатора. При этом пузырек пульсирует /4/  с частотой акустического поля.
    Определенный интерес представляет изучение влияния температурного режима на характер ультразвуковой левитации пузырька. Методика изучения заключалась в следующем: на колбу с водой направлялась струя теплого воздуха от электрофена, и с помощью термопары, помещенной в колбу, измерялся рост температуры воды в режиме реального времени. На основе полученных данных строилась соответствующая градуировочная кривая. Затем термопара удалялась из объема, и опыты по возбуждению левитации повторялись в режиме обдува колбы теплым воздухом.
    Файлы
  • Сонолюминесценция (1,5Мб)
     
     
    Проект “Изотермическая атмосфера
  • Проект представлен на летней школе-конференции «Современная физика-2008» 
  • 141980 г. Дубна, Московская область,
    ОИЯИ, Учебно-научный центр
    Тел.: +7 (49621) 6-50-89
    Факс: +7 (49621) 6-58-51