проект по физике "Кошка Мурка, как объект физических исследований"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение –                                           средняя общеобразовательная школа с.Росташи                                                                    Аркадакского района Саратовской области

Проект по физике

Кошка Мурка, как объект физических исследований

Вид работы – исследовательский проект

Секция – математика и информатика

Авторы:

Петрунина Анна, Орлова Татьяна

ученицы 9,10  класса

МБОУ – СОШ с.Росташи

Аркадакского района

Саратовской области.

Руководитель

Орлова Ольга Юрьевна,

учитель физики

МБОУ – СОШ с.Росташи

Аркадакского района

Саратовской области.

2018 г.

Содержание.    

1. Введение. ……………………………………………………………………………..                
2. Основная часть……………………………………………………………………….            2.1. Биомеханика. Развитие биомеханики как науки……………………………7  стр.

3. Механические характеристики  Кошки……………………………………….……..9  стр.

1.  Измерение средней и максимальной скорости кошки……………………..9  стр        
2.  Измерение массы……………………………………………………………..10  стр.
3.  Измерение объема…………………………………………………………….11  стр.
4.  Измерение плотности…………………………………………………………12 стр.
5.  Измерение давление кошки на пол………………………………………….. 13 стр.
6. Измерение силы тяги кошки…………………………………………………… 15 стр.
7. Измерение мощности при движениях  кошки………………………………… 16 стр.

4. Заключение……………………………………………………………………………… 18 с            
5. Список источников и литературы……………………………………………………... 19 стр.
6. Приложения.

1. Введение

Движение животных издавна привлекали внимание человека. Он хотел перемещаться по воде, воздуху, земле также легко и изящно. Однако прошло несколько тысячелетий, прежде чем люди создали науку о движении – механику – и сумели создать конструкции, превосходящие в скорости и дальности передвижения любым представителям животного мира. Но ученые непрерывно продолжают изучение особенностей живой природы, которые  позволяют машинам и механизмам не только устанавливать рекорды, но и работать и двигаться так же грациозно и бесшумно, как например кошке.

Физика – наука о природе. Кошка, как домашнее животное, частица этой природы. Таким образом, для кошки  должны быть справедливы все законы физической науки. Какую роль физика играет в жизни кошки?

Наша работа посвящена изучению физических процессов и явлений в жизни  кошки. Практически исследованы механические характеристики кошки: скорость, масса, температура, объем, плотность тела кошки, вес, давление  кошки на опору, механическая работа и мощность. Работа имеет прикладной  характер и позволяет  создать «Биомеханический паспорт кошки Мурки».

Цель исследования:

Выявление возможности использования кошки, как объекта физических исследований и создание  «биомеханического паспорта кошки Мурки».

Задачи:

1. Познакомиться со специальной литературой.
2. Посетить различные интернет-сайты, посвященные изучению кошек.
3. Исследовать механические характеристики кошки (масса, скорость, объем, плотность, давление кошки на опору,  механическую работу, мощность).
4. Обобщить и систематизировать результаты исследования в виде буклета «Биомеханический паспорт кошки Мурки».

Методы исследования:

1. Обзор литературы.
2. Обзор информации по сети интернет.
3. Исследование.

Объект исследования:

Кошка - Мурка – возраст 5 лет.

Гипотеза исследования:

Физика,  как наука применима для изучения домашних животных.

Новизна исследования:

Измерения некоторых физических характеристик позволили создать методическое пособие для создания паспорта кошки.

 Практическая значимость:

Заключается в том, что данный материал можно использовать на уроках физика в качестве домашних лабораторных работ, а также для создания паспорта кошки.

Актуальность исследования:

Все измерения апробированы на своей кошке Мурке.

2. Основная часть.

1. Биомеханика. Развитие биомеханики как науки.

Биомеханика – наука о двигательной активности и двигательных возможностях человека и животных. Термин биомеханика составлен из двух греческих слов: bios — жизнь и mexane — орудие. Как известно, механика —    это раздел физики, изучающий механическое движение и механическое взаимодействие материальных тел. Отсюда понятно, что биомеханика — это раздел науки, изучающий двигательные возможности и двигательную деятельность живых существ.

Истоками биомеханики были работы Аристотеля и Архимеда. Первые научные труды написаны Аристотелем (384—322 гг. до н. э.), которого интересовали закономерности движения наземных животных и человека. А основы наших знаний о движениях в воде заложены Архимедом (287—212 гг. до н. э.).  Но только благодаря работам одного из блистательных людей средневековья  Леонардо до Винчи (1452- 1519) -  биомеханика сделала свой следующий шаг. Этот великий художник, математик, физик и инженер впервые высказал важнейшую для биомеханики мысль:  «Наука механика потому столь благородна и полезна более всех прочих наук, что все живые тела, имеющие способность к движению, действуют по ее законам».

Р. Декарт (1596—1650) создал основу рефлекторной теории, представив, что основанием движений может быть конкретный фактор внешней среды, воздействующий на органы чувств. Объяснение данного факта является  происхождение непроизвольных движений. 

В дальнейшем большое влияние на развитие биомеханики оказал итальянец Д. Борелли (1608—1679) — врач, математик, физик. В своей книге «О движении животных»  по сути он положил начало биомеханике, как отрасли науки. Он рассматривал организм человека как машину и стремился объяснить дыхание, движение крови и работу мышц с позиций механики. Большой теоретический вклад был сделан основоположником отечественной биомеханической школы Н. А. Бернштейном (1896 – 1966) – создателем учения о двигательной деятельности человека и животных. В последнее время развиваются: инженерная и медицинская  биомеханика.

Развитие инженерной биомеханики позволило на базе Пермского государственного университета создать устройство оригинальным названием «Падающий кот». Это модель кота падающего с высоты. Модель имитирует движения кота в полете. Ученые пытаются ответить на вопрос: почему кошки всегда приземляются на 4 лапы. Разработчики модели уверены, что сфера применения разработки очень широка – вплоть до оборонных технологий.

3. Механические характеристики кошки.

Измерение механических характеристик кошки проводились по следующему алгоритму:

1. Тема эксперимента.
2. Цель эксперимента.
3. Приборы и материалы, используемые в ходе эксперимента.
4. Ход эксперимента.
5. Таблица результатов.
6. Вывод опыта.

1.  Измерение средней и максимальной скорости кошки.

 Цель эксперимента: Измерить среднюю и максимальную скорости кошки.

Приборы и материалы: секундомер, рулетка, игрушки (мячик, мышка, бантик).

Ход эксперимента:

1. При помощи рулетки измерим расстояние пройденное кошкой.
2. При помощи секундомера измеряем время движения.
3.  Рассчитываем скорость по формуле V=S*t.
4.  Результат измерения вносим в таблицу.
5. Рассчитываем среднюю скорость по формуле: V=Sвесь/tвсе.  

 Расчет скорости:

V1 =S2 /t1 =1:1=1м/c;  

V2 =S2 /t2 =2:3=0,7м/c;

V3 =S3 /t3 =3:5=0,6м/c.

Расчет средней скорости:

Vср =Sвесь/tвсе = (1+2+3) / (1+3+5) = 6/9 = 2/3 = 0, 66 м/c = 0, 66 * 0,001 * 3600 = 2,376 км/ч = 2, 4 км/ч.

Вывод эксперимента. В результате исследования средняя скорость кошки равна 2,4 км/ч,  максимальная – 3,6 км/ч.

По данным исследований во время бега домашняя кошка может делать рывки со скоростью до 50 км/ч.  Скорость кошки Мурки составляет всего 7,2 % от максимально возможной скорости, которую может развивать кошка.

Максимальная скорость кошки

2. Измерение массы кошки.

Цель эксперимента: Измерить  массу кошки Мурки.

Приборы и материалы: весы.

Ход эксперимента:

1. Измеряем массу кошки с помощью весов.
2. Масса Мурки = 3кг.
3. Результаты измерений вносим в таблицу.

Вывод: Кошка в среднем весит 3- 5 кг. Масса Мурки соответствует среднестатистическим данным. Согласно книге рекордов Гиннеса масса самого большого кота 21 кг. Масса Мурки составляет 13 % данной массы.

Масса Мурки

3. Измерение объема кошки.

Цель эксперимента: Измерить объем кошки.

Приборы и материалы: круглый таз с водой, измерительная лента, карандаш, линейка.

Ход эксперимента:

Измерения объема кошки будут состоять из 2 этапов. Измерение объема тела – как тела неправильной формы. Измерение объема головы из учета того, что форма головы приближена к окружности.

1. Измерим диаметр таза d= 34 см.
2. Нальем в таз воды.  Отметим на боковой стенки таза уровень воды черточкой  

            h1=11 см.

3. Опустим кошку в воду до уровня головы. Вода в тазу поднялась. Отметим

           черточкой новый уровень воды h2=13,5 см.

4. Вычислим высоту подъема воды h=h2-h1=13,5-11=2,5 см.
5. Найдем объем вытесненной воды, а значит и объем тела кошки V1,без учета

            головы. V 1 = S* h (основание на высоту). Так как основание таза окружность,

            получаем  V 1 = πR2* h = π(d/2)2* h= 3,14*(34/2)2*2,5= 2268,65см3 = 0,002270м3

6. Измерим обхват головы с помощью измерительной ленты l=30 см.
7. Рассчитаем объем головы кошки по формуле V 2= 4/3 π R3. Радиус

           окружности головы кошки найдем из формулы длины окружности l=2πR,

           отсюда следует, что R=l/2π. Итоговая формула примет вид V 2= 4/3 π

           (l/2π)3=451см3=0,000451м3.

8. Объем кошки Мурки  находим сложением объема тела и объема головы

           V = V 1+V 2 =2268+451=2719см3=0,002719м3.

9. Данные заносим в таблицу.

Вывод эксперимента. Объем кошки Мурки составляет 0,002719 м3.

4. Измерение плотности кошки.

Цель эксперимента: Измерить плотность кошки.

Приборы и материалы: данные предыдущих измерений.

Ход эксперимента.

1. Плотность рассчитывается по формуле р =m/V.
2. Данные вносим в таблицу.

3. Используя данные таблицы, рассчитываем плотность

            р =m/V=3/0,0028= 1071кг/м3.

Вывод эксперимента. Плотность Мурки равна 1071кг/м3 . Она близка к плотности воды 1000 кг/м3.

5. Измерение давления Мурки на опору (пол).

Цель эксперимента: Измерить давление кошки на опору в положении стоя, сидя, лежа; выяснить, зависит ли оно от площади опоры, и если зависит, то как.

Приборы и материалы: тетрадный  листок в клетку, карандаш.

Ход эксперимента.

1. Давление рассчитывается по формуле: Р =F/S=mg/S.
2. Рассчитаем силу тяжести. Для этого умножим массу кошки на ускорение

            свободного падения.

3. F тяж = gm=3*10=30 H , где F тяж – сила тяжести; g – ускорение свободного

           падения, равное 9,8 Н/кг; m – масса кошки. Значение массы кошки возьмем из  

           2 исследования.

4. Площадь опоры кошки (S) определяем следующим образом. Поставим кошку

            на лист клетчатой бумаги и обведем контур той части, на которую опирается  

            кошка. Сосчитаем количество квадратиков и умножим на площадь одного

           квадратика (1/4 см2 ) .   Данные занесем в таблицу.

   S1 = 47*0, 25 см2= 11, 75см2=0, 0012 м2

S2 = 1876*0,25см2= 469см2= 0, 0469 м2

S3 = 8688*0,25см2=2172см2= 0, 2172 м2

5. Рассчитаем давление оказываемое кошкой на пол, данные внесем в таблицу.

  P1 = 3 Н / 0, 0012 м2 = 2500 Н/ м2 ≈ 2500 Па = 2, 5 кПа

  P2 = 3 Н / 0, 047 м2 = 64 Н/ м2 ≈ 64 Па = 0,064 кПа    

  P3 = 3 Н / 0, 22 м2 = 13, 6 Н/ м2 ≈ 13, 6 Па = 0, 0014 кПа

Вывод эксперимента. Жираф, верблюд и кошка – это единственные животные – иноходцы, при ходьбе у них идут сначала левые ноги, а потом правые. Такая ходьба гарантирует скорость и тишину. При ходьбе кошки опираются на лапы.  Давление, оказываемое кошкой на пол  максимально в положении стоя. Минимальное давление кошка оказывает в положение лежа. Как показывают результаты  исследования, чем меньше площадь, тем больше давление на опору.

6. Измерение силы тяги кошки.

Цель эксперимента: Измерить среднюю силу тяги кошки.

Приборы и материалы: школьный демонстрационный динамометр, ошейник, поводок.

Ход эксперимента.

1. На кошку надеваем ошейник, к нему крепим поводок и прикрепляем динамометр.
2. Удерживая динамометр, замеряем максимальные показания прибора при: беге кошки за приманкой, за бантиком, на клич хозяина, на стук дверью. Данные записываем в таблицу.

Fсредняя = (1, 2+1, 8+3, 2+1, 2) / 4 = 8, 4/4=2,1Н.

Вывод эксперимента.  Наибольшую силу тяги кошка развивает на клич хозяина.

7. Измерение мощности при движениях  кошки.

Цель эксперимента: Измерить механическую работу, мощность при движениях  кошки.

Приборы и материалы: данные предыдущих опытов.

Ход эксперимента.

1. Механическую работу кошки при движениях будем рассчитывать по следующей формуле N=A/t. Так как А=FS, получаем N=FS/t. Учитывая, что S/t=v, получим N=F*v. То есть  мощность будем рассчитывать как произведение силы тяги на среднюю скорость.
2. Заносим значение средней силы тяги и средней скорости в таблицу.

3. Рассчитываем значение мощности, используя данные таблицы.

N=F*v=2, 1*0, 66=1, 4 Вт.

Вывод эксперимента. Мы видим, что мощность кошки при движениях меньше, чем мощность кошки при подъеме вверх  по деревьям, и составляет 7%.

Мощность кошки.

4. Заключение.

Кошка доставляет человеку большое эстетическое удовольствие. Помимо этого ее можно рассматривать, как интереснейший объект физических исследований.

Наша работа имеет практическую направленность. Измерения, полученные в ходе работы, позволили создать паспорт кошки Мурки (Приложение №1). В   ходе исследований нами создана инструкция по составлению паспорта домашнего животного. Ее  можно использовать для создания паспорта кошек, собак, хомяков, кроликов, домашних крыс и т.д..

Выбранная нами тема оказалась очень увлекательной. Хотелось бы продолжить исследования кошки. Особый интерес представляет способность кошек видеть в темноте, слышать звуковые волны в ультразвуковом диапазоне, электризация кошек, оказывающая лечебное и успокаивающее действие, приземление кошек на четыре лапы при падении. В дальнейшем хотелось бы найти ответы на волнующие вопросы.

5. Список источников и литературы.

1. Яворский Б.М. Физика. Механика. М.: Дрофа, 2002, 320 с.
2. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. М.: Просвещение, 1998, 128 с.
3. Кабардин О.Ф., Орлов В.А. Экспериментальные задания по физике. 9-11 классы: учебное пособие для учащихся образовательных учреждений. М.: Вербум – М, 2001, 208 с.
4. http://russtil1.narod.ru/utkin1.html.
5. http://i-fact.narod.ru/cats.html.
6. http://q99.it/8AmgU0p.

6. Приложение

Приложение №1.

Приложение №2.

Паспорт кошки Мурки.