Исследование физических свойств ученического простого карандаша.

Государственное казенное образовательное учреждение

города Москвы

специальная (коррекционная) общеобразовательная

школа-интернат №2

Проектная работа

по теме:

 «Исследование физических свойств ученического простого карандаша».

Авторы                                 Бирюкова Полина 9 класс

   Дроботов Андрей 9 класс

Руководитель проекта:     Романова Мария Викторовна,

 учитель физики и информатики

Научный консультант:    Лютов Валентин Николаевич,

учитель биологии, ответственный за

инновационную работу в ОУ

Москва

2016

Тема проекта: Исследование физических свойств ученического простого карандаша.

Актуальность: Всегда интересно, что скрывается за обычными вещами, какие физические характеристики можно изучать на примере широко распространенных физических тел, отработать разные методы проведения экспериментов и обработки данных.

Способы, которыми выполняются исследования, очень актуальны, так как ответить на вопрос: «Что значит измерить физическую величину правильно?» - непросто. Поэтому необходимо точно знать смысл двух понятий: правильно и точно. Данная работа позволяет развести эти понятия и научиться выполнять измерения правильно и точно, а также углубить свои знания в области изучения физики.

Цель проекта:

• исследовать некоторые физические свойства обычного ученического  простого карандаша, который находится в портфеле каждого ученика.

Основные задачи деятельности: измерить у отдельных деталей простого карандаша:

• плотность дерева и грифеля;
• сопротивление грифеля механическим нагрузкам;
• теплопроводность грифеля;
• теплоемкость грифеля;
• электрическое сопротивление грифеля;
• снять вольтамперную характеристику для грифелей разной длины и сравнить их проводимости.

Объект исследования: простой ученический карандаш.

Предмет исследования: физические свойства ученического простого карандаша.

Методы исследования:

• Физический эксперимент.
• Математическая обработка полученных данных.
• Анализ современной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Каранда́ш (тюрк. karadaş, «кара» — чёрный, «даш» — камень, дословно, — чёрный камень) — инструмент в виде стержня, изготавливаемого из пишущего материала (угля, графита, сухих красок и т. п.), применяемый для письма, рисования, черчения. Часто, в целях удобства, пишущий стержень карандаша вставляется в специальную оправу.

Простой карандаш имеет графитовый грифель и пишет серым цветом с оттенками от светлого до почти чёрного (зависит от твёрдости графита).

Карандаши различаются по твёрдости грифеля, которая, как правило, указана на карандаше и обозначается буквами М (или B — от англ. blackness (букв. чернота) — мягкий и Т (или H — от англ. hardness (твёрдость) — твёрдый. Стандартный (твёрдо-мягкий) карандаш обозначается сочетаниями ТМ или HB. Буква F (от англ. fine point (тонкость) – это средний тон между НВ и Н.

Интересные факты:

• Известный французский карикатурист Эммануэль Пуаре (1858—1909), родившийся в России, придумал себе аристократично звучащий на французский манер псевдоним Caran d’Ache, которым стал подписывать свои работы. Позднее этот вариант французской транскрипции русского слова «карандаш», был выбран названием и фирменным знаком швейцарской торговой марки Caran d’Ache, основанной в Женеве в 1924 году, выпускающей эксклюзивные пишущие инструменты и аксессуары.
• Обычным карандашом средней твёрдости можно провести линию длиной 55 км или написать 45 тысяч слов. Одна буква, написанная карандашом, весит в среднем 0,00033 грамма.

Определение плотности дерева и грифеля.

Для определения плотности дерева и грифеля нам пришлось отделить грифель карандаша от деревянной оболочки.

Определяем плотности дерева: дерево имеет плотность меньше, чем у воды, поэтому плотность определялась отношением массы деревянной оболочки к ее объему. Масса определялась на рычажных весах с разновесами, а объем – с помощью мензурки. Деревянные стружки были помещены в сосуд цилиндрической формы (мензурку) и  уплотнены. Измерения объема цилиндра превышали реальный объем дерева, так как стружки, конечно, не идеально уплотнены. Для определения объема в цилиндр добавили воды столько, чтобы она заполнила все промежутки между стружками. Вычисляем:

 масса m=1,95 г. Плотность , что соответствует плотности дерева в таблице плотностей некоторых твердых тел.

Определяем плотности грифеля: форму грифеля считаем цилиндрической. Длину грифеля и его толщину определяем с помощью штангенциркуля. Массу и плотность – аналогично определению плотности дерева. Вычисляем:

Определение сопротивления грифеля механическим нагрузкам.

Графит - жирное на ощупь вещество черного или серо-черного цвета с металлическим блеском. Его свойства зависят от происхождения или способа получения. Наиболее правильные кристаллы образует минерал цейлонских месторождений.

Кристаллическая решетка графита имеет слоистую структуру. 

Молекулярные связи внутри слоя сильные, а между слоями – слабые.

Определяем сопротивление грифеля механическим нагрузкам:

• Измеряем длину грифеля. Длина грифеля 5 см. Закрепляем его в лапке штатива и подвешиваем к его концу динамометр.
• Грифель сломался при нагрузке 2,9Н (m=290г).
• Предел прочности грифеля составляет

Определение теплопроводности грифеля.

Теплопроводность — это способность вещества пропускать через свой объём тепловую энергию, а также количественная оценка этой способности (также называется коэффициентом теплопроводности).

Явление теплопроводности заключается в том, что кинетическая энергия атомов и молекул, которая определяет температуру тела, передаётся другому телу при их взаимодействии или передается из более нагретых областей тела к менее нагретым областям.

Исторически считалось, что передача тепловой энергии связана с перетеканием гипотетического теплорода от одного тела к другому. Однако с развитием молекулярно-кинетической теории явление теплопроводности получило своё объяснение на основе взаимодействия частиц вещества. Молекулы в более нагретых частях тела движутся быстрее и передают энергию посредством столкновений медленным частицам в более холодных частях тела.

В физике известен закон теплопроводности Фурье, который применяют для определения теплопроводности материала. Но в нашей работе мы не смогли записать закон Фурье для грифеля, поэтому сравнили теплопроводность грифеля с теплопроводностью меди следующим способом:

• На равных расстояниях вдоль грифеля и вдоль медного проводника прикрепляем с помощью парафина кнопки.
• Соединив концы грифеля и металлического проводника, начинаем нагревать один из концов.
• Через 6 секунд первая кнопка отпадает от медного проводника и через 17 секунд от грифеля.
• Теплопроводность грифеля меньше, чем меди.

Определение теплоемкости грифеля.

• Составляем уравнение теплового равновесия: Q отданное =Q полученное
• В пробирку наливаем воды и опускаем в нее грифель. Пробирку нагреваем в пламени спиртовки до кипения.
• Опускаем пробирку в мензурку с холодной водой.
• Измеряем температуру в начале и в конце, массу грифеля, пробирки, воды в мензурке и пробирке.
• Составляем уравнения относительно неизвестной теплоемкости грифеля.

Определяем теплоемкость:

1*50(32-22)=х*0,6(100-32)+0,2*16(80-32)+1*5(80-32)

                           получил             отдал

50(32-22)=х*0,6(100-32)+0,2*16(80-32)+5*68

500=153,6+340+х*40,8

Х*40,8=500-340-153,6=6,4

Х=0,157 кал/г*град

Табличное значение составляет 0,174 кал/г*град

Полученное значение не совсем совпадает с табличным, т.к. мы не учли потери в окружающую среду

Для сравнения: теплоемкость воды составляет 1; мрамора 0,21; железа 0,11; кирпича 0,177; меди 0,093 кал/г*град.

Определение электрического сопротивления грифеля.

Проверим, проводит ли грифель карандаша электрический ток, и от каких величин зависит его значение.

Собираем электрическую цепь:

На рисунке: ВС-графитовый стержень, А-амперметр, V-вольтметр.

Напряжение - характеристика электрического поля, характеризуется работой над единичным зарядом.

Если в цепи устанавливается электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника все время переносится электрический заряд. Заряд, перенесенный в единицу  времени служит основной количественной характеристикой тока называемой силой тока.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 Вольт возникает ток силой 1 Ампер. Сопротивление обозначается величиной R. Сопротивление определяем из закона Ома для участка цепи:

Сопротивление зависит от длины проводника, площади его поперечного сечения и материала, из которого он сделан. Удельное сопротивление графита равно 13

Ом*мм2\м.

Для проведения эксперимента мы использовали грифель длиной 15 см.

В результате эксперимента получили:

грифель длиной 15 см имеет сопротивление 19 Ом. Такой же проводник из меди имел бы сопротивление в 450 раз меньше, в цепи произошло бы короткое замыкание.

Снятие вольт-амперной характеристики для грифелей разной длины и сравнение их проводимости.

Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Зависимость напряжения от силы тока представляет собой прямую линию, и наклон ее тем больше, чем больше сопротивление.

Сила тока I измеряется в Амперах. Напряжение U измеряется в Вольтах.

Следовательно, зависимость I(U) называется вольт-амперной характеристикой проводника. Для каждого проводника она своя.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат.

Снятие вольтамперной характеристики

• По вертикали отложено напряжение, по горизонтали – сила тока
• Верхний график построен для грифеля длиной 15 см
• Средний – для грифеля длиной 5 см
• Нижний – для грифеля длиной 2,5 см

Заключение:

• Мы убедились, что простой карандаш является предметом, дающим очень много физической информации.
• Любой предмет, с которым мы часто работаем, может стать источником информации.
• Теплопроводность грифеля меньше, чем у металлов, но больше, чем у дерева, поэтому его и делают в оболочке.
• Теплоемкость, подсчитанная на опыте, соответствует табличной.
• Грифель длиной 15 см имеет сопротивление 19 Ом. Такой же проводник из меди имел бы сопротивление в 450 раз меньше, в цепи произошло бы короткое замыкание.

Литература:

Фасмер, М. Этимологический словарь русского языка том 2., Астрель, АСТ 1986-87

Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона