ПЕРШЕ ОРГАНІЗАЦІЙНЕ ЗАНЯТТЯ

Мета заняття: 

    -   ознайомити учнів з темами, які будуть розглядатися на заняттях гуртка,

-     познайомити учнів з історією розвитку фізики і більше зацікавити учнів у вивченні даного предмета,

-  формувати навички розв’язування експериментальних задач з фізики і роботи з фізичними приладами,

-         виховати акуратність і відповідальність при виконанні завдань з фізики,

-  Розвивати логічне мислення учнів через проведення таких операцій як аналіз, порівняння, систематизація. Розвивати вміння і навички правильного користування заданим обладнанням для розв’язання експериментальної задачі.

Хід заняття

1.     Організаційний момент

Запис бажаючих відвідувати фізичний гурток;

Складання плану роботи гуртка на рік;

Затвердження плану роботи.

2.     Розгляд теми: «зародження і розвиток фізики як науки»

а) бесіда учителя

ЗАРОДЖЕННЯ І РОЗВИТОК ФІЗИКИ ЯК НАУКИ

Люди завжди цікавилися природними явищами і завжди намагалися їх досліджувати і тлумачити. Вивчення природи, а отже і зародження такої науки як фізика почалося з давніх давен.

Народи Вавилонії, Єгипту, Ассірії, Індії, Китаю за багато років нагромадили значний запас природничо-наукових і технічних знань. Свідченням цього є величні споруди Вавилона, унікальні єгипетські піраміди, іригаційні системи, різного роду військові колісниці, метальні машини і пристрої.

Новий етап у розвитку науки починається з середини І тисячоліття до нашої ери, коли на історичну арену виходить Стародавня Греція. Родоначальником першої грецької філософської школи був Фалес із Мілета (бл. 625—547 до н.е.), якого називали одним із семи мудреців стародавніх часів. Від нього беруть початок наші знання з електрики й магнетизму. Він описав властивості натертого бурштину (янтарю) притягати легкі тіла, а магніту — залізо. Його наступником був Анаксімандр (610—546 до н.е.), який висловив думку про єдність матеріального світу. Геракліт з Ефеса (594—475 до н.е.) стверджував, що все існує і у той же час не існує, бо все тече. Піфагорійці «надали геометрії характеру справжньої науки». Ксено-фан (580—488 до н.е.), Парменід (V ст. до н.е.), Зенон (V ст. до н.е.) стверджували єдність світу, але разом з тим проголосили тезу про незмінність і нерухомість усього існуючого. Проти рухомості особливо відомі висловлювання Зенона. Демокріт (460—370 до н.е.) перший з наївно матеріалістичних позицій пояснив, що всі тіла складаються з найдрібніших матеріальних частинок — атомів, що немає нічого, крім атомів і пустоти. Основна теза Демокріта — вічність і незнищуваність матерії. Епікур (341—270 до н.е.) стверджував, що всі тіла складаються з неподільних, щільних частинок, які розрізняються формою, вагою, величиною. Він також визнавав існування атомів і пустоти, стверджував вічність матерії. Епікур узагальнив усі наукові досягнення свого часу і виклав їх у таких творах, як «Фізика», «Метафізика», «Метеорологія» тощо. Значний внесок у розвиток механікизробив Арістотель. Він не тільки дав означення механіки як науки, а й детально вивчав розбіжності тиску й удару, зробив важливий внесок у розв'язок задачі про важіль, увів поняття про два роди рухів — природні й вимушені, дав класифікацію руху тіл. Архімед (бл. 287—212 до н.е.) у дослідженнях значну увагу приділяв статиці.

У XIII ст. з'явився провісник нової експериментальної науки Роджер Бекон (1214—1294), який стверджував, що істинне знання здобувається дослідно; сам багато експериментував, зокрема дізнався про склад пороху, досліджував властивості пари, винайшов способи одержання у чистому виді фосфору, магнію, вісмуту тощо. Микола Кузанський (1401—1464) висловив думку про матеріальну єдність світу. Йому належать відомі досліди з вимірювання часу падіння різних тіл: дерева, каміння, свинцевої кулі тощо. Леонардо да Вінчі (1452—1519) вважав найправильнішим дослідне вивчення природи, стверджуючи, що дослід був учителем тих, хто добре писав, і що мудрість — дочка досліду, бо тільки ґрунтуючись на ньому, можна дістати позитивні результати у дослідженні природи. Міколай Копернік (1473—1543) у своїх працях не лише відкинув систему світу Птолемея, а й запропонував нову, геліоцентричну систему. З цього часу розпочалася наукова революція у природознавстві. Галілео Галілей (1564—1642), досліджуючи падіння різноманітних тіл, відкинув хибне твердження Арістотеля про залежність швидкості падіння тіл від їхньої ваги, доповнив і розвинув далі вчення Арістотеля про рух і розробив основи динаміки. Френсіс Бекон (1561—1626) виклав основний метод пізнання природи — метод індукції. Він приділив велику увагу питанню експерименту як абсолютно необхідній умові при вивченні природи. Рене Декарт (1596—1650 ) дав чітке формулювання закону інерції і багато уваги приділив визначенню таких важливих понять, як маса, сила, тиск, удар тощо. Він вперше увів поняття про закон збереження кількості руху і сформулював його: «...коли одне тіло зіштовхується з іншим, воно не може надати йому ніякого іншого руху крім того, що втрачає під час цього зіштовхування, як не може і відняти у нього більше, ніж одночасно придбати собі».

Д. Фаренгейт (1686—1736) у 1709 р. виготовив спиртові термометри, а в 1714—1715 рр. створив перші ртутні термометри з основними точками 0о і 212о. Р. Реомюр (1683—1757) описав винайдений ним спиртовий термометр, шкала якого між точкою танення льоду (взятої ним за 80о) і точкою кипіння води (0о) була поділена на 80 рівних частин, А. Цельсій (1701—1744) запропонував у 1742 р. термометричну шкалу з основними точками 0о і 100о. Г. Ріхман (1711—1753) виконав важливі експериментальні дослідження з визначення впливу температури, форми і поверхні тіл та швидкості руху охолоджувального середовища на теплообмін, обґрунтував закон охолодження тіла, дослідив процеси випаровування залежно від стану середовища, температури. А. Лавуазьє (1743—1794) і П. Лаплас (1749—1827) у 1783 р. запропонували калориметричний метод вимірювання теплоємностей тіл і у праці «Мемуари про теплоту» описана-    Саді Карно сконструйований ними калориметр.

Створені в кінці XVII — на початку XVIII ст. (в 1690 р. французьким фізиком Д. Папеном (1647—1714), у 1698 р. англійським інженером Т. Севері (1650—1712) і, нарешті, у 1705 р. англійським винахідником Т. Ньюкоменом (1663—1729)) вогнедіючі пароатмосферні машини не могли задовольнити потреби суспільства через свою технічну недосконалість. У цих машинах парові двигуни були зроблені у комбінації з водяними колесами, які відігравали роль передавального механізму; вони були надто громіздкі, неекономічні і використовувалися лише для відкачування води з шахт. Першу парову машину універсальної дії, яка забезпечила практичне застосування теплоти для механічних потреб, сконструював видатний російський теплотехнік 1.1. Ползунов (1728—1766).

Виникнення термодинаміки було тісно пов'язане з практичними вимогами знайти раціональні основи для будівництва теплових двигунів. Вивчення робочих циклів теплових машин бере свій початок від 20-х років XIX ст., тобто з часу виходу в світ теоретичної праці молодого французького інженера С. Карно (1796—1832) «Міркування про рушійну силу вогню і про машини, що здатні розвивати цю силу» (1824). Праці С. Карно відіграли важливу роль у розвитку наукових основ теплотехніки. Стало зрозумілим, що для підвищення ККД теплових машин важливо йти шляхом розширення температурних меж, між якими проходить цикл робочого тіла, тоді як заміна одного робочого тіла іншим сама по собі не може дати ніякої користі. Карно не зміг узагальнити елементарне формулювання другого начала термодинаміки на довільний оборотний коловий процес. Це зробили пізніше Р. Клаузіус (1822—1888) і У. Томсон (1824—1907). Дослідження С. Карно були продовжені в 1834 р. французьким інженером і фізиком П. Клапейроном (1799—1864), який застосував графічний метод — так званий метод індикаторних діаграм для графічного зображення робочих циклів. У 1834 р. Клапейрон вивів рівняння стану ідеального газу. Це рівняння узагальнив у 1874 р. Д. І. Менделєєв, який увів поняття універсальної газової сталої, розкрив її фізичну суть і записав рівняння стану ідеального газу для будь-якої маси. Це рівняння було назване рівнянням Клапейрона—Менделєєва.

Слід зауважити, що у першій чверті XIX ст. були встановлені, переважно дослідно, основні газові закони і запроваджені такі важливі поняття, як газова стала, питомі теплоємності газів, парціальний тиск газу тощо. У 1802 р. французький фізик Ж. Гей-Люссак (1778— 1850) відкрив закон. Паралельно з цими дослідженнями французький фізик Ж. Шарль (1746—1823) установив зв'язок між тиском газу, який займає сталий об'єм, і його температурою. Із закону Шарля неважко встановити існування температури, при якій майже припиняється рух молекул і яка дістала назву «абсолютного нуля». Абсолютний нуль, як відомо, лежить на 273,16о нижче від 0о за шкалою Цельсія, і на його основі запроваджено нову шкалу температур, так звану абсолютну шкалу Кельвіна. У 1811 р. італійський фізик А. Авогадро (1776—1856) сформулював важливе для фізики твердження, яке було назване законом Авогадро.

40-і роки XIX ст. посідають особливе місце в розвитку термодинаміки: вони ознаменовані цілою низкою фундаментальних досліджень, які привели до остаточного визначення першого начала термодинаміки. Г. І. Гесс (1802—1850) вивів важливий закон, згідно з яким тепловий ефект будь-якої хімічної реакції не залежить від шляху (проміжних стадій), а залежить тільки від вихідного і кінцевого станів системи. Дослідженнями, в яких був сформульований принцип еквівалентності теплоти і роботи у зв'язку із загальною ідеєю про взаємоперетворюваність різних форм енергії, були праці німецького вченого Р. Майєра (1814—1878) «Про кількісне і якісне визначення сил» (1841) та «Замітки про сили неживої природи» (1842).

У 1843 р. російський фізик Е. X. Ленц опублікував працю «Про закони виділення теплоти гальванічним струмом». англійський фізик Дж. Джоуль (1818—1889) видав працю «Про тепловий ефект електромагнетизму і величину роботи теплоти», в яких було встановлено закон теплової дії електричного струму. Джоуль здійснив серію експериментів для визначення механічного еквівалента теплоти за допомогою механічної роботи сил тертя і визначив його числове значення. У 1847 р. видатний німецький природодослідник Г. Гельмгольц (1821—1894) написав працю «Про збереження сил», в якій закон збереження і перетворення енергії набув строгої математичної форми. У. Томсон (1824—1907) поширив принцип Карно для процесів, які відбуваються в теплових машинах, на довільні явища, що пов'язані з тепловим рухом у макроскопічних тілах.

 

Перейдемо до виконання експериментальних задач

Завдання 1

    Виготовте з дроту  електричний нагрівник. Дослідіть залежність сили струму в нагрівнику від його опору. Визначте максимальну потужність нагрівника, який можна виготовити з цього дроту для наданого Вам гальванічного елемента. Визначте при якому опорі нагрівника це досягається.

Обладнання

Індивідуальне:

-  амперметр лабораторний;

-  гальванічний елемент;

-  лінійка;

-  дріт без ізоляції, опір одного метра якого 8,2 Ом;

-  два з’єднувальні провідники;

     - аркуш міліметрового паперу.

У звіті:

Опишіть Вашу установку і принцип дії;

- Опишіть хід Вашого експерименту;

- Побудуйте графіки залежності сили струму та потужності від опору нагрівника;

- Опишіть, що Ви зробили для підвищення точності вимірювань.

 

Завдання 2

    З допомогою запропонованого обладнання:

1.     Виготовте прилад для визначення концентрації солі у водному розчині.

2.     Виміряйте концентрацію солі запропонованого розчину.

Обладнання

Індивідуальне:

пластилін;

зубочистка;

- шматок корку;

8 г солі в колбі (колба в експерименті не використовується);

міліметровий папір;

стакан з водою;

стакан порожній.

Групове:

-  посудина з розчином солі невідомої концентрації;

мензурка;

-  маркер.

Довідка:

Концентрація – відношення маси солі до маси води.

Ареометр – це скляний циліндр, що в нижній частині має розширення, заповнене дробом. У верхній вузькій частині ареометра є шкала з поділками. Чим менша густина рідини, тим більше занурюється в неї ареометр. Тому на шкалі зверху нанесене найменше значення густини, яке можна визначити даним ареометром, а знизу – найбільше.

Завдання 3

1.     З допомогою запропонованого обладнання розробіть метод визначення теплової потужності власної долоні як нагрівача. Визначте потужність такого нагрівача.

2.     При яких умовах можна отримати максимальну потужність?

Обладнання

Індивідуальне:

-   шматочок льоду;

-   два стакани;

-   міліметровий папір або лінійка

-   прозора трубка з внутрішнім діаметром 5 мм.

Групове:

-   маркер;

-   годинник.

Довідка:

-   об’єм циліндру висотою h і радіусом r обчислюється за формулою: ;

-   питома теплота плавлення льоду 330·103 Дж/кг.

ІІІ. Підведення підсумків

ІV. Домашнє завдання

-         Підготувати повідомлення про відомих українських фізиків та їх вклад у науку;

-         Підібрати добірку цікавих задач з фізики.