"Использование физических законов в процессе создания детских игрушек"

Министерство образования и науки РК

МКУ «Управление образования и культуры АЛРМО»

МКОУ «Красинская средняя общеобразовательная школа

имени Л.И. Манджиева»

Муниципальный этап республиканской

научно — практической конференции

«Первые шаги в науку»

Направление: «Первые шаги в науку»

«Использование физических законов

в процессе создания

детских игрушек»

Работу выполнила:

Мельникова Алена Алексеевна,

ученица 9 класса

МКОУ «Красинская СОШ

имени Л.И. Манджиева»

Руководитель:

Егорова Галина Николаевна,

учитель физики

МКОУ «Красинская СОШ

имени Л.И. Манджиева»

с. Красинское, 2021 г.

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………………...3

Глава 1. Теоретическая часть………………………………………………………………………….4

1.1. Классификация игрушек……………………………….……………………………………….....4

1.2. Звуковые игрушки…………………………………………………………………………..……..4

1.3. Архимедова сила в игрушках……………………………………………………………….…….5

1.4. Гироскопические игрушки…………………………………………………………….………….5

1.5. Положение центра тяжести в игрушках…………………………………………………...……..6

1.6. Заводные игрушки………………………………………………………………………….……...7

1.7. Инерционные игрушки……………………………………………………………………….…...8

1.8. Электрические игрушки…………………………………………………………….…………….8

1.9. Магнитные игрушки……………………………………………………………..………………..9

1.10. Законы оптики в игрушках………………………………………………………...…………….9

Глава 2. Исследовательская часть……………………………………………………….…………...10

2.1. Анкетирование……………………………………………………………………………………10

2.2. Изготовление игрушек……………………………………………………………………….…..10

2.2.1. Игрушка «Медуза»……………………………………………………………………………..10

2.2.2. Игрушка «Ванька — встанька»………………………………………………….…………….10

2.2.3. Игрушка «Стрекоза»………………………………………………………………………..…..11

2.2.4. Игрушка «Волчок»……………………………………………………………………….…….11

Заключение……………………………………………………………………………………..……..12

Список литературы…………………………………………………………………………………...13

Приложения………………………………………………………………………………….………..14

Аннотация

        С самого раннего детства мы даже не подозреваем, что знакомимся с удивительной и познавательной наукой — физикой. Физика окружает нас повсюду.

        Игрушка — это первое, что берет в руки маленький человек, стремясь изучить окружающий его мир. Поэтому она должна быть простой и увлекательной. Играя в разные игрушки, мы не обращаем внимания на встречающиеся в их устройстве и работе физические явления и законы. Разбираясь в принципах работы игрушек, можно лучше понять и одну из самых серьезных наук — физику. Любое движение любой игрушки можно объяснить с помощью физических и механических законов. Моя работа объединяет развлекательную тему – игрушки, и удивительную науку  – физику.

        Актуальность этой темы в том, что детство было у каждого и интерес к строению поющей, либо просто движущейся игрушки не уменьшается с возрастом. Когда ты сам еще маленький, ты не задумываешься над тем, почему все это работает: почему машина едет, самолет летит, почему двигается робот. Мы не раз замечали, как маленькие дети пытаются разобрать игрушки, узнать, что в середине. Дети взрослеют, и меняются их взгляды на вещи. Их уже интересуют механизмы, находящиеся внутри. Каждый человек должен иметь представление о физических явлениях и законах, с которыми непосредственно сталкивается в повседневной жизни с самого раннего детства.

        Цель работы: рассмотреть применение физических явлений и законов в практической деятельности человека на примере создания детских игрушек.

        Задачи:

1. Вспомнить, какими игрушками сами играли в детстве.
2. Классифицировать игрушки по принципу действия.
3. Объяснить принцип действия игрушек на основе законов физики.
4. Исследовать, а знают ли ученики нашей школы (7-11 классы), какой физический принцип лежит в основе действия той или иной игрушки.
5. Изготовить игрушки, действие которых основано на законах физики.

        Гипотеза: в основе действия любой детской игрушки лежат законы физики.

        Объект: детские игрушки, которые помогают ребенку узнать окружающий мир.

        Предмет исследования: физические явления и законы, используемые в устройстве и работе детских игрушек.

        Методы исследования: изучение источников информации, анкетирование, анализ, эксперимент.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1. Классификация игрушек

        Почти все знакомые нам игрушки можно объединить в определённые группы на основе принципа их работы (таблица 1).

Таблица 1

1.2. Звуковые игрушки

Как большой сидит Андрюшка

На ковре перед крыльцом

У него в руках игрушка –

Погремушка с бубенцом.

        Мы все живём в мире звуков. Где бы мы ни находились, нас сопровождают разные звуки. Самой первой игрушкой, которую ребенок берет в руки, является погремушка. Она относится к звуковым игрушкам. Что же такое звук? Звук – это колебания, которые распространяются в окружающей среде. Человек, воспринимает звуки, частота которых колеблется от 16 до 20 колебаний в секунду. Внутри погремушки находятся шарики, бусинки, которые ударяясь о ее стенки, вызывают колебания. Эти колебания передаются окружающему воздуху и распространяются в нем. Звуки бывают разные: громкие и тихие, высокие и низкие. Чем чаще колеблется тело, тем выше звук.

Мы растем, и у нас появляются другие игрушки: бубны, различного рода свистульки, барабаны, свирели (рис.1). Их принцип действия такой же, как и у погремушки.

        Затем появляются «говорящие» куклы, но их устройство более сложное. Внутри игрушки находится кожаная коробочка с отверстиями. При наклоне куклы грузик, находящийся в коробочке, падает, заставляя воздух в ней сжиматься и выходить из отверстия. Колебания воздуха сопровождаются звуком. Причиной музыкальных звуков, издаваемых шарманкой, тоже является воздух внутри неё. Чтобы звук был громче, ящик шарманки делают большим и полым.

Рис. 1

1.3. Архимедова сила в игрушках

Наша Таня громко плачет:

Уронила в речку мячик.

- Тише, Танечка не плачь:

Не утонет в речке мяч.

        Если погрузить в воду мячик и отпустить его, то мы увидим, как он тут же всплывет. То же самое происходит и с другими телами (пробкой, щепкой). Какая сила заставляет их всплывать?

        На тело, находящееся внутри жидкости, действуют две силы: сила тяжести, направленная вертикально вниз, и архимедова сила, направленная вертикально вверх.

Если Fтяж> FA, то тело тонет.

Если Fтяж = FA, то тело плавает .

Если Fтяж< FA, то тело всплывает.

        Если вы не умеете плавать, вам на помощь придут надувные резиновые игрушки. Эти игрушки обладают большой подъемной силой, потому что действующая на них сила тяжести намного меньше выталкивающей силы (рис.2).

        Итак, законы плавания тел всегда учитываются при изготовлении игрушек, поэтому они и сами плавают на воде, и нам помогают плавать. На этом принципе основаны плавающие игрушки: кораблики, уточки, спасательные круги, жилеты, надувные матрасы.

Рис.2

1.4. Гироскопические игрушки

К трем годам, у ребенка появляется интерес к различным    механическим игрушкам. Самая простая из них – юла – древнейшая народная игрушка. Вот запустили волчок! Мы любуемся его кружением, удивляемся его устойчивости, и нам хочется разгадать его тайну (рис.3). Почему неподвижный волчок не может стоять на острие своей оси, а приведи его в быстрое движение – и, словно перед тобой совсем другой предмет, он стойко держится, вращаясь вокруг вертикальной оси? Мало того, волчок упорно сопротивляется попыткам вывести его из этого положения. Попытайтесь, толкнув его, вывести волчок из вертикального положения, опрокинуть, но волчок после толчка отскакивает в сторону и продолжает кружиться, описывая своей осью коническую поверхность.

В чем причина такой устойчивости вращения? Она тоже связана с одним из физических законов – законом сохранения момента количества движения. В этом и состоит секрет устойчивости волчка, а само это свойство сохранения устойчивости при вращении называют гироскопическим свойством. (Гироскоп – от греческого «гирос» - круг, кольцо и «скопео» - смотреть.)

Рис.3

1.5. Положение центра тяжести в игрушках

        В русском фольклоре  игрушку "неваляшку» иногда называют «Ванька-встанька». Хорошо известен принцип ее действия  — эффект возвращения в одно и то же состояние достигается за счёт смещения центра тяжести (рис. 4). Благодаря этому у неё есть только одно положение устойчивого равновесия (на основании) и только одно положение неустойчивого равновесия (на голове).

        У каждого предмета есть центр тяжести. "Центром тяжести каждого тела является некоторая расположенная внутри него точка - такая, что если за неё мысленно подвесить тело, то оно остается в покое и сохраняет первоначальное положение. " ( Архимед) Так, например, можно определить центр тяжести плоской фигуры: стоящий предмет, не опрокидывается, если вертикаль, проведенная через центр тяжести,  пересекает площадь опоры тела.

        Падающая башня в  итальянском городе Пиза  не падает, несмотря на свой наклон, т. к. отвесная линия, проведенная из центра тяжести, не выходит за пределы основания.

        Если сделать в спичечной коробке двойное дно и спрятать туда маленький грузик (получим тело со смещенным центром тяжести), то можно с этим коробком показать фокус. Показать зрителям, что коробок “пуст”, и сдвинуть грузик к одному краю коробка. Установить коробок на край стола так, чтобы большая часть его свешивалась. Почти весь коробок висит в воздухе, но не падает со стола! Если не знать о грузике, то кажется, что центр тяжести коробка уже не проецируется на площадь опоры, и коробок просто обязан по всем законам физики упасть. Однако, нет!

        У неваляшки внутреннее устройство таково, что создает смещенный вниз центр тяжести. Поэтому такое положение равновесия является устойчивым: центр тяжести корпуса неваляшки и точка её опоры лежат на вертикали, причем расстояние между центром тяжести и точкой опоры, всегда наименьшее. Самая простая неваляшка представляет собой круглый полый корпус, внутри которого в нижней части закреплен груз. В результате получается объемная фигура со смещенным относительно геометрического центра центром тяжести.

Рис.4

1.6. Заводные игрушки

        Внутри этих игрушек - пружина. Сжатая пружина обладает потенциальной энергией, за счет которой тело может совершать работу. Когда мы заводим игрушку, поворачивая ключ, пружина внутри игрушки сжимается, увеличивается ее потенциальная энергия. Чем больше оборотов ключа мы сделаем, тем сильнее сожмем пружину, тем больший запас потенциальной энергии получит пружина (рис. 5). А теперь пора игрушку отпустить. Пружина внутри игрушки начинает раскручиваться, потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию игрушки. В основе работы этих игрушек лежит закон сохранения механической энергии.

        А вспомните пружинные пистолеты с пулями-присосками. Когда мы вставляем пулю в пистолет, сжимается пружина, находящаяся внутри. Деформированная пружина обладает запасом потенциальной энергии, за счет которой при спуске курка начинается движение пули. В соответствии с законом сохранения механической энергии потенциальная энергия пружины превращается в кинетическую энергию пули-присоски. Можно объяснить и следующее за выстрелом явление присасывания пули к поверхности. Это явление можно объяснить существованием атмосферного давления. Когда присоска ударяется о поверхность, некоторая часть воздуха выбрасывается из-под присоски из-за этого удара. В результате силы атмосферного давления прижимают пулю-присоску к поверхности, т.к. атмосферное давление больше, чем давление под присоской.

1.7. Инерционные игрушки

        Про тело, которое при взаимодействии медленнее изменяет свою скорость, говорят, что оно более инертно и имеет большую массу. А про тело, которое при этом быстрее изменяет свою скорость, говорят, что оно менее инертно и имеет меньшую массу.

        Движение по инерции лежит в основе принципа действия игрушек - автомобилей, мотоциклов: на задней или передней оси, соединяющей колёса, находится ряд шестерёнок, которые в свою очередь соединяются с маховиком, то есть массивным цилиндром. Мы толкаем автомобиль, шестерёнки передают движение маховику. Маховик же обладает большой массой, поэтому будет долго сохранять состояние движения, которое ему сообщили. Именно благодаря тяжелому маховику такую игрушку трудно остановить и она будет двигаться по инерции гораздо дольше времени, чем такая же игрушка без маховика (рис. 6).

1.8.  Электрические игрушки

        Это различные интерактивные, светящиеся, летающие, музыкальные, радио игрушки, робоигрушки (рис.7). Внутри этих игрушек батарейки - химические источники тока. Электрический ток оказывает различные действия: тепловое, магнитное, механическое.

        Светящиеся игрушки изготавливаются как из пластика, так и из плюша. Модификаций светящихся игрушек чрезвычайно много – это и фонарики, и светящиеся браслеты, зверушки и транспорт, светильники, палочки и многое другое.

        На сегодня есть и еще одна категория музыкальных игрушек, которые пока что мало доступны из-за их высокой цены - такие игрушки представляют собой целый компьютер - робот, и могут управляться голосом, они видят вас, могут передвигаться, говорить, петь, и многое другое. Однако стоят они очень дорого, и возможно получат широкое распространение только в будущем.

          Рис.5                                                  Рис. 6                                                  Рис. 7

1.9.  Магнитные игрушки

        Это магнитные шашки и шахматы, магнитные буквы и цифры, магнитный конструктор, магнитная рыбалка, магниты на холодильник, магнитная доска (рис. 8). В этих игрушках используется свойство магнитов притягивать к себе некоторые железосодержащие материалы.

        Магни́т— тело, обладающее собственным магнитным полем. Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном— фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).

1.10. Законы оптики в игрушках

        Одной из самых красочных игрушек является калейдоскоп (рис. 9). Он может не только доставлять удовольствие разнообразными узорами, но и оказывать большую помощь художникам в создании рисунков для тканей, обоев, керамики, в создании орнаментов для витрин, выставок.

        Для того, чтобы рассмотреть и понять устройство калейдоскопа мы должны вспомнить основной закон геометрической оптики: закон отражения света. Представьте, что вы направили тонкий луч света на отражающую поверхность, например, посветили лазерной указкой на зеркало или полированную металлическую поверхность. Луч отразится от такой поверхности и будет распространяться дальше в определенном направлении. Угол между перпендикуляром к поверхности (нормалью) и исходным лучом называется углом падения, а угол между нормалью и отраженным лучом - углом отражения.

Закон отражения света гласит: отраженный и падающий лучи лежат в плоскости, содержащей перпендикуляр к отражающей поверхности в точке падения, и угол падения α равен углу отражения β (рис.10)

           Рис. 8                                            Рис. 9                                                     Рис. 10        

Глава 2. Исследовательская часть

        Всё исследование проводилось в два этапа.

        Первый этап - изучение учебной, справочной литературы по теме проекта, что соответствует главе 1.

        Второй этап - проведение опроса учеников нашей школы, с целью вспомнить, какими игрушками они играли в детстве, исследовать, а знают ли они какой физический принцип лежит в основе действия той или иной игрушки. А также создание собственных игрушек.

2.1.  Анкетирование

     Исследование проводилось среди обучающихся 7-11 классов (39 учащихся) МКОУ "Красинская СОШ имени Л.И. Манджиева. Учащимся была предложена анкета, состоящая из 6 вопросов (приложение 1). Результаты анкетирования представлены в приложение 2.

        Вывод: большая часть опрошенных знают принципы работы детских игрушек. Познакомившись на уроках физики с физическими законами, ребята могут сопоставить принцип работы игрушки с физическими знаниями. По результатам анкетирования оказалось, что большинство детей также интересовались устройством и принципами работы игрушек ещё в раннем детстве. Все ребята разбирали в детстве игрушки: изучить ее внутреннее строение  - 19 человек, понять принцип ее работы - 17 человек. Некоторым ученикам (3 человека) игрушки просто не нравились, и они не видели другого выхода, как сломать её.

2.2. Изготовление игрушек

2.2.1. Игрушка «Медуза»

        Для изготовления медузы я использовала следующее оборудование:

1. пластиковая бутылка
2. клей
3. ножницы
4. свеча
5. нитки.

        Из пластиковых бутылок получаются отличные медузы (приложение 3).  Для этого отрезаем часть бутылки ближе к дну и крутим края над свечой, пока они не загнутся внутрь. Дальше отрезаем нитки, тесемки нужного цвета и размера, завязываем один конец в узел и этот узел приклеиваем внутрь головы медузы. Медуза — плавающая игрушка, принцип действия которой основан на применении силы Архимеда.

2.2.2. Игрушка "Ванька-встанька".

        Действие этой игрушки основано на состоянии устойчивого равновесия. У неваляшки внутреннее устройство таково, что создает смещенный вниз центр тяжести.

        Для изготовления ванька-встаньки использовала следующее оборудование:

1. пластиковое яйцо от киндер- сюрприза;
2. бумага;
3. краски;
4. клей;
5. свинцовая дробь;
6. свеча.

        В одну половину яйца  набросала внутрь около 30 штук мелких свинцовых дробинок, которые залила расплавившейся свечой. Потом поставила яйцо на широкий конец. Свеча застыла и слепила дробинки между собой, а так же приклеила их к оболочке яйца. После этого замаскировала все дефекты поверхности при помощи полосок бумаги, которыми обклеила оболочку яйца. В итоге получилась игрушка бутылочка «Ванька - встанька» (приложение 4).

        Ванька-встаньку невозможно уложить. Какое бы положение мы ему не придали, он всегда будет стремиться принять состояние устойчивого равновесия.

2.2.3. Игрушка "Стрекоза"

        При изготовлении этой игрушки мы использовали следующее оборудование:

1. картон;
2. пластилин;
3. ножницы.

        Вырезала из картона стрекозу таким образом, что ее крылья немного выступали вперед головы. На эти выступающие части крыльев на концах и снизу укрепила небольшие кусочки пластилина. Если прислонить нашу стрекозу головой к острию карандаша, то она повиснет в воздухе. Стрекоза находится в состоянии устойчивого равновесия, так как ее точка опоры находится выше точки тяжести (приложение 5).

2.2.4 Игрушка «Волчок»

        Для изготовления использовали оборудование:

1. деревянная шпажка;
2. картонный диск;
3. клей.

Принцип действия игрушки связан с законом сохранения момента количества движения. В этом и состоит секрет устойчивости волчка (приложение 6).

        Вывод: изготовление детских игрушек очень увлекательный и познавательный период. В ходе работы я поняла принцип действия многих игрушек и поделилась своими знаниями с друзьями. Они заинтересовались.

Заключение

        В своей работе на примере простых игрушек, которые есть в любом доме, где только живут дети, я показала, что физика – это не только наука о природе, а ещё и то, что её законы лежат в основе всех действующих тел, придуманных человеком для того, чтобы его жизнь была более удобной и интересной.

В ходе проведенного исследования гипотеза подтвердилась. Мне удалось показать устройство игрушек, опираясь на физические законы и явления,  практические опыты.

        В практической части своей работы мы исследовали, а знают ли ученики 7-11 классов МКОУ «Красинская СОШ имени Л.И. Манджиева» принципы работы той или иной игрушки. Результаты анкетирования порадовали. Большая часть опрошенных, благодаря знаниям физики, знают принципы работы детских игрушек. По результатам анкетирования оказалось, что большинство детей также интересовались устройством и принципами работы игрушек ещё в раннем детстве. Я показала игрушки не как забаву, а как физику и физику не как науку, а как забаву.

        Я изготовила лишь несколько игрушек, объяснив их принцип действия. Данную работу можно продолжить. Изучение принципа действия игрушек показало нам, что законы физики находят широкое применение. Сделанные игрушки можно использовать во внеклассной работе для демонстрации занимательных опытов, а так же на уроках физики.

        При выполнении этой исследовательской работы я узнала много нового, заинтересовалась изучением физики и лучше стала в ней разбираться. Эта работа доступна людям всех возрастов, ведь для объяснения работы многих детских игрушек достаточно знаний школьного курса физики. На этом я не собираюсь останавливаться и планирую продолжить свою работу, ведь впереди еще так много интересного.

Список литературы

1. Билимович Б.Ф. «Физические викторины в средней школе», М: «Просвещение», 1977 г.
2. Блудов М.И. «Беседы по физике» часть 2, издание 4 переработанное, М: «Просвещение», 1992 г.
3. Ланина И.Я. «Внеклассная работа по физике», М: «Просвещение», 1977 г.

4. Перельман Я.И. «Занимательная физика» книга 1, издание 22 стереотипное. Под редакцией А.В.  Митрофанова, М: «Наука» главная редакция физико-математической литературы, 1986 г.
5. Сикорук Л.Л. «Физика для малышей», М: «Интеллект», 2015 г.
6. Хилькевич С. С. «Физика вокруг нас», Библиотечка «Квант», выпуск 40, Москва, Наука, 1985.

7. http://class-fizika.narod.ru/

8. http: project1september.ru/works/

9. http://leopold-baby.com/

10. http://interactivetoys.ru/

Приложение 1

Анкета

1. Какая игрушка тебе в детстве нравилась больше всего?

А) неваляшка

Б) погремушка

В) дудочка

Г) мячик

Д) другой ответ

2. Какой физический принцип действует в неваляшке?

А) движение по инерции

Б) сила трения

В) сила тяжести

Г) устойчивое равновесие

3. Какой физический принцип действует на резиновый мячик, если его опустить в воду?

А) энергия

Б) выталкивающая сила

В) равновесие

Г) давление

4. Для чего в детстве вы разбирали игрушки?

А) изучить её внутреннее строение

Б) понять принцип её работы

В) она тебе не нравилась

5. Можешь ли ты сам сделать игрушку?

А) Да

Б) Нет

6. Нужны ли тебе для этого знания законов физики?

А) Да    Б) Нет