05 февраля 2016г.
Самый существенным метод познания в естественных науках – это экспериментальный, именно поэтому при обучении физике широко применяют демонстрационный и фронтальный физический эксперимент. Видеоверсию демонстрационного физического эксперимента используют для удовлетворения мировоззренческих потребностей в открытии нового, неизвестного, понимании и осмысливании природной действительности, постижении внутренних связей отношений между физическими явлениями, осмыслении глубины и целостности мира. Использование средств мультимедиа значительно упрощает построение эксперимента.
Практика использования видеозадач показывает, что они могут быть хорошим дополнением к «живому» эксперименту [1]. Это дает целый ряд преимуществ. Во-первых, мелкие детали установок и небольшие размеры некоторых значимых явлений, которые плохо различимы с рабочих мест, можно при необходимости показать на весь экран. Во-вторых, на видеозаписи можно манипулировать временем, то есть растянуть быстротекущий процесс (вспышка огнива, падение тел), или значительно сократить растянутые во времени процессы (диффузия в жидкостях). В-третьих, можно продемонстрировать природные явления, недоступные непосредственному наблюдению: разряд молнии, приливы и отливы. Наконец, просто возможна такая ситуация, что занятие приходится проводить в неприспособленной для показа эксперимента аудитории. Хотя нужно отметить, что видеодемонстрация является не заменой живого эксперимента, а новой составной частью средств наглядности и дополнением к системе учебного эксперимента.
На отбор задач, предлагаемых авторами, повлияли следующие немаловажные соображения. Во-первых, хороший эксперимент обязательно должен быть зрелищным, а, во-вторых, его результат должен быть в некотором роде парадоксальным, должен вызывать удивление. В качестве примера экспериментов, удовлетворяющего этим критериям, предлагаем следующую видеозадачу с описанием технологии ее постановки и объяснением [2].
«Батавские слезки» или свойства закаленного стекла
Неведомый нам голландский ученый некогда провел интересный опыт. Он плавил на сильной горелке стеклянную палочку, а капельки жидкого стекла ронял в стакан с холодной водой. Там они застывали в виде слегка вытянутых шариков с длинными, причудливо изогнутыми хвостиками. Исследователь назвал их «батавскими слезками» в честь старинного названия своей родины – Батавии.
Теперь достанем застывшие капельки стекла, положим на твердую поверхность
и ударим по ним молотком. Капельки
останутся целыми. Возьмем капельку в руку и надломим бокорезами
хвостик (у основания). Капелька рассыплется или даже взорвется, при этом во все стороны полетят мелкие кусочки стекла.
Для проведения другого эксперимента «батавская слезка» погружается в кипяченую воду, налитую в пробирку. В кипяченой воде отсутствуют растворенные газы, что делает ее практически несжимаемой. Держа слезку бокорезами, обламывают ее острый конец. Слезка тотчас же лопается, но при этом разлетается
и пробирка. При мгновенном разрыве слезки вода получает сильный толчок, передавая его стенкам пробирки, разрушающимся от удара.
Как объяснить странное поведение слезок? Дело в том, что при быстром охлаждении внешние слои стекла быстро застывают
и становятся достаточно твердыми. Когда внешние слои затвердевают, они оказывают сильное давление на внутренние слои. Капля напоминает сжатую пружинку, которая только и ждет, чтобы ее высвободили. Внутренние слои давят изнутри на поверхность капли, подобно сжатому газу в баллоне. Это внутреннее напряжение и противодействует силе удара. Отломанный хвостик разрушает поверхностную закаленную «корочку», и «слезку» разносит в пыль внутреннее давление.
Оценку толщины поверхностного закаленного слоя в слезке произвести нетрудно. Будем отламывать хвостик у слезки, начиная с самой тонкой его части, постепенно приближаясь к грушевидному утолщению. Перед каждым отламыванием хвостика будем измерять его толщину в данном месте. Ясно, что диаметр хвостика измеренный в ситуации когда слезка взрывается равна удвоенной толщине «корочки» d.
Оказалось, что чем ниже температура воды в стакане, в который падают «батавские слезки», тем выше вероятность
их
самопроизвольного разрушения, связанная,
по-видимому, с тем,
что
толщина «корочки» с
ростом температурного градиента уменьшается. Существует такая температура (20°C), при которой слезки получить не удается – они все взрываются при остывании на дне стакана с водой. Толщина «корочки», которая не выдерживает внутреннее давление, оказывается равной d»0,8 мм.
Рассмотрим
участок поверхности «корочки», находящийся под
действием сил
давления изнутри
Fдавления . Понятно, что при этом возникают растягивающие «корочку» касательные силы Fразрыва .
Рис.4.
Здесь
R – наибольший радиус кривизны поверхности «корочки», a – ширина участка,
Da – малый угол, под которым он виден из центра кривизны.
Из силового треугольника
видно,
что в силу малости угла Da соотношение между Fдавления и Fразрыва можно записать в виде
где P – давление внутренних слоев стекла. Выразив силу разрыва из закона Гука
где E – модуль Юнга закаленного стекла, а l
0– длина участка «корочки» в направлении разрыва, подставим (3) в (2).
– критическая
относительная
деформация
при
разрыве стекла, равная
по данным литературы
Принимая, что модуль Юнга E=3 ГПа,
d » 1 мм,R » 5м, получаем получаем P=18 МПа, то есть больше сотни атмосфер. Немудрено, что при таком давлении «батавскую слезку» разносит в пыль.
Список литературы
1. Антипова Е.П. Развитие самостоятельности учащихся на основе создания и использования видеозадач в процессе обучения физике: автореф. дис. на соиск. учен степ. канд. пед наук. Екатеринбург: 2007. 21 с.
2. Экспериментальные задачи по физике. В 2 ч. (DVD) / Г.О. Патрушев, Л.Ф. Аксюта, В.И. Якушевич. – Красноярск, Красноярский педагогический университет, РИО КГПУ, 2011
