Исследовательская работа «ПРИБОРЫ ПО ФИЗИКЕ СВОИМИ РУКАМИ И ПРОСТЫЕ ОПЫТЫ С НИМИ. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ»
материал по физике (8 класс)

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Лицей № 1»

муниципального образования «город Бугуруслан»

 «ПРИБОРЫ ПО ФИЗИКЕ СВОИМИ РУКАМИ И ПРОСТЫЕ ОПЫТЫ С НИМИ.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ»

Городская научно – исследовательская конференция

«Маленький шаг – большая наука»

Выполнил:

обучающийся 8 класса Б

МБОУ Лицей №1

Рындин Роман Витальевич                                                        

Руководитель:

учитель физики

МБОУ Лицей №1

Хабарова Юлия Игоревна

                                        Бугуруслан, 2025

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Один опыт я ставлю выше,

чем тысячу мнений,

рожденных только воображением.

М. Ломоносов

Эпитетом к своей работе я не зря взял строчки великого русского поэта и учёного М. Ломоносова, потому что изучение большинства наук невозможно без постановки опытов.

Для того, чтобы поставить необходимый опыт, нужно иметь приборы и измерительные инструменты. И не думайте, что все приборы делаются на заводах. Во многих случаях исследовательские установки сооружаются самими исследователями. При этом считается, что талантливее тот исследователь, который может поставить опыт и получить хорошие результаты не только на сложных, а и на более простых приборах. Сложное оборудование обоснованно применять только в тех случаях, когда без него нельзя обойтись. Так что не надо пренебрегать самодельными приборами - гораздо полезнее сделать их самим, чем пользоваться покупными.

Использование самодельных приборов в школьном курсе актуально.  Актуальность заключается в том, что изготовление приборов ведет за собой не только повышение уровня знаний, но и выявляет основное направление деятельности. При работе над прибором мы уходим от «меловой» физики. Оживает сухая формула, материализуется идея, возникает полное и четкое понимание.     С другой стороны, подобная работа является хорошим примером общественно-полезного труда: удачно сделанные самодельные приборы могут значительно пополнить оборудование школьного кабинета. Изготавливать приборы на месте своими силами можно и нужно. Самодельные приборы имеют и другую постоянную ценность: их изготовление, с одной стороны, развивает у нас учащихся практические умения и навыки, а с другой - свидетельствует о творческой работе.

Некоторые самодельные приборы могут оказаться удачнее промышленных в методическом отношении, более наглядными и простыми в действии, более понятными нам учащимся. Другие позволяют полнее и последовательнее проводить эксперимент с помощью существующих промышленных приборов, расширяют возможность их использования.

Актуальность, теоретическая значимость и недостаточная разработанность проблемы определили тему исследовательской работы: «Приборы по физике своими руками и простые опыты с ними. Электростатический двигатель».     

          Цель исследования: собрать действующий самодельный электростатический двигатель и изучить его работу.

Задачи исследования:

1. изучить имеющуюся литературу по созданию самодельных приборов;
2. сделать прибор электростатический двигатель;
3. провести анализ опыта с применением электростатического двигателя

 Объект исследования: научно исследовательское творчество и изобретательство учащихся.

Предмет исследования: самодельные приборы для школьного кабинета физики на примере электростатического двигателя.

Гипотеза: наличие самодельных приборов в школьном кабинете физики расширяет возможности совершенствования учебного эксперимента и улучшает постановку научно- исследовательских работ.

При написании проектно-исследовательской работы использовались следующие методы:

-Эмпирические: исследование, эксперимент, анализ полученных данных, измерение, сравнение;

 -Теоретические: конструирование самодельного электростатического двигателя, анализ литературы.

Этапы исследования:

          Теоретическая часть. Изучение литературы по проблеме исследования.

          Практическая часть. Изготовление электростатического двигателя.

          Новизна: заключается в том, что, как и многие изобретатели-экспериментаторы, я впервые, изучив научно-популярную литературу, собрал электростатический двигатель своими руками и показал практическое применение прибора.

Практическая значимость: результат работы носит просветительный характер, это позволит, повысит заинтересованность учеников к углубленному изучению таких предметов, как физика, юных исследователей - к исследовательской деятельности, и возможно для кого-то определит область дальнейшей деятельности.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ САМОДЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

1.1. Этапы конструирования и изготовление самодельного пробора

Приступая к исследовательской работе, я изучила научную и популярную литературу по созданию самодельных приборов.

Узнала, что при конструировании, изготовлении и применении самодельного прибора учащиеся должны:

• четко представлять его назначение;
• заранее рассчитать его отдельные элементы, сделать необходимые схемы, чертежи;
• хорошо представлять принцип действия прибора;
• уяснить, на использовании каких законов основана его работа;
• согласовать параметры намечаемого к изготовлению прибора с параметрами тех приборов, совместно с которыми он будет работать;
• уметь ответить на вопросы: какова природа физического явления, демонстрируемого с помощью этого прибора, где применяется и встречается это явление: от каких факторов зависит эффективность его демонстрации.

Рассмотрела следующие этапы конструирования и изготовления самодельного оборудования:

- накопление теоретических и практических знаний и умений;

- составление эскизных рисунков, чертежей, схем прибора;

- выбор наиболее удачного варианта и краткое описание принципа его действия

- предварительный расчет и приближенное определение параметров элементов, составляющих выбранный вариант прибора;

- принципиальное теоретическое решение и разработка самого проекта;

- подбор деталей, материалов, инструментов и измерительных приборов для материализации проекта;

- мысленное предвосхищение всех основных этапов деятельности по сборке материального макета проекта;

- систематический контроль своей деятельности при изготовлении прибора (установки);

- снятие характеристик с изготовленного прибора (установки) и сравнение их с предполагаемыми (анализ проекта);

- перевод макета в завершенную конструкцию прибора (установки) (практическая реализация проекта);

- защита проекта на специальной конференции и демонстрация прибора (установки) (общественная презентация).

2. История развития представлений об электростатических явлениях

Как ни странно, но электричество существовало всегда. С момента зарождения этой Вселенной и возможно оно является косвенным участником этого процесса создания. Явления, связанные со статическим электричеством были известны еще в Древней Греции. Древние греки очень любили украшения и мелкие поделки из янтаря, названного ими за его цвет и блеск «электрон» - это значит «солнечный камень». Отсюда произошло, правда много позже, и само слово электричество. Впервые исследованием электризации янтаря занялся знаменитый философ древности Фалес Милетский. Вот как об этом рассказывает легенда. Дочь Фалеса пряла шерсть янтарным веретеном, изделием финикийских мастеров. Как-то, уронив веретено в воду, девушка стала обтирать его краем своего шерстяного хитона и заметила, что к веретену пристало несколько шерстинок. Думая, что они прилипли к веретену, потому что оно все еще влажно, она принялась вытирать его еще сильнее. И что же? Шерстинок налипало тем больше, чем сильнее натиралось веретено. Девушка обратилась за разъяснением этого явления к отцу. Фалес понял, что причина в веществе, из которого сделано веретено, и в первый же раз, как к пристани Милета подошел корабль финикийских купцов, он накупил различных янтарных изделий и убедился, что все они, будучи натерты шерстяной материей, притягивают легкие предметы, подобно тому, как магнит притягивает железо. Фалес Милетский был заинтересован этим явлением, но дальше наблюдений и забавных экспериментов дело не пошло. История науки об электричестве начинается с исследований Уильяма Гильберта, врача английской королевы Елизаветы, который обнаружил, что способностью притягивать после натирания обладают не только янтарь, но и алмаз, сапфир, стекло и некоторые другие материалы. Все эти вещества он назвал электрическими, то есть подобными янтарю (поскольку греческое слово «электрон» означает «янтарь»). Первую свою работу по электричеству Гильберт опубликовал в 1600 г., где описал электризацию трением. Шарль Дюфэ (1698—1739) установил два рода электрических взаимодействий: притяжение и отталкивание. Сначала он установил, что “наэлектризованные тела притягивают ненаэлектризованные и сейчас же их отталкивают, как только они наэлектризуются вследствие соседства или соприкосновения с наэлектризованными телами”. В дальнейшем он открыл “другой принцип, более общий и более замечательный, чем предыдущие”. “Этот принцип, — писал Дюфэ, — состоит в том, что существует электричество двух родов, в высокой степени отличной один от другого : один род я называю «стеклянным» электричеством, другой —«смоляным». Особенность этих двух родов электричества: отталкивать однородное с ним и притягивать противоположное. Так, например, тело, наэлектризованное стеклянным электричеством, отталкивает все тела со стеклянным электричеством, и, обратно, оно притягивает тела со смоляным электричеством. Точно так же смоляное отталкивает смоляное и притягивает стеклянное”. Этот закон был опубликован Дюфэ в Мемуарах Парижской Академии наук за 1733 г. Знаменитый американец Бенджамин Франклин (1706-1790) систематизировал все известные электрические явления. Он доказал, что искра с наэлектризованного тела и молния являются проявлением одного и того же явления - статического электричества. В 1747 году он ввел представление о положительном и отрицательном зарядах. Отрицательным В.Франклин назвал заряд, образующийся на каучуковой палочке при трении её о шерсть и мех. Заряд, который образуется на стеклянной палочке, потертой о шелк, Франклин назвал положительным. Но во времена Франклина существовал только натуральный шелк и натуральный мех. Сегодня порой трудно бывает отличить натуральный шелк и мех от искусственного. Даже разные сорта бумаги электризуют эбонит по разному. Эбонит приобретает отрицательный заряд от соприкосновения с шерстью (мехом) и капроном, но положительный от соприкосновения с полиэтиленом. Большой вклад в развитие электростатики внес французский учёный 18-го века Шарль Огюстен де Кулон. В частности, он ввёл понятие электрического заряда и открыл закон взаимодействия зарядов. По его имени названа единица измерения количества электричества — кулон (Кл). Правда, ради исторической справедливости, надо заметить, что годами ранее этим занимался английский учёный лорд Генри Кавендиш; к сожалению, он писал в стол и его работы были опубликованы наследниками лишь спустя 100 лет. Работы предшественников, посвященные законам электрических взаимодействий, дали возможность физикам Джорджу Грину, Карлу Фридриху Гауссу и Симеону Дени Пуассону создать изящную в математическом отношении теорию, которой мы пользуемся до сих пор. Главным принципом в электростатике является постулат об электроне — элементарной частице, входящей в состав любого атома и легко отделяющейся от него под воздействием внешних сил. Помимо этого, действуют постулаты об отталкивании одноимённых зарядов и притягивании разноимённых.

3. Происхождение электризации

Объяснить данное явление стало возможным, когда стало понятным строение атома. Все тела состоят из молекул. Молекулы состоят из атомов. Атомы состоят из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Ядро атома состоит из протонов (несут положительный заряд) и нейтронов (не имеют заряда). Протоны вместе с нейтронами находятся в неподвижном состоянии. Электроны, наоборот, постоянно вращаются вокруг ядра. Когда мы трем друг о друга два предмета, 7 один из них захватывает отдельные электроны с поверхности другого и получает отрицательный заряд. Предмет, лишившийся части отрицательных частиц становится положительно заряженным. Проще говоря, тело электризуется, если количество электронов в нем увеличивается или уменьшается. Значит, все тела электризуются либо отрицательно, либо положительно. А когда количество заряда становится достаточно большим, происходит электрический разряд, проскакивает искра. Вывод: Статическое электричество возникает при трении диэлектриков. При этом заряды не создаются, а только разделяются. Часть отрицательных электронов переходит с одного тела на другое. Электризация тел лучше проявляется, когда воздух сухой, а при влажности воздуха более 85% статическое электричество практически не возникает.

4. Электростатический двигатель и его применение

Электростатический двигатель или конденсаторный двигатель — это тип электродвигателя, основанный на притяжении и отталкивании электрических зарядов.

Альтернативным типом электростатического двигателя является электростатический ионный двигатель космического корабля, в котором силы и движение создаются за счёт электростатического ускорения ионов.

Электростатический двигатель основан на притяжении и отталкивании электрических зарядов. Обычно электростатические двигатели являются двойниками обычных двигателей на основе катушек. Как правило, им требуется источник питания высокого напряжения, хотя в очень маленьких двигателях используется более низкое напряжение. В обычных электродвигателях вместо этого используется магнитное притяжение и отталкивание, и им требуется высокий ток при низком напряжении. В 1740-х и 1750-х годах первые электростатические двигатели были разработаны Эндрю Гордоном и Бенджамином Франклином. Сегодня электростатический двигатель часто используется в микромеханических (MEMS) системах, где напряжение питания составляет менее 100 вольт и где движущиеся заряженные пластины гораздо проще изготовить, чем катушки и железные сердечники.

Электростатические двигатели - уникальное изобретение, открывающее новую эру в исследовании космоса.

Идея использования электричества для создания реактивной тяги впервые была высказана К.Э. Циолковским в начале XX века. Однако первые эксперименты с электростатическими двигателями проводились гораздо раньше. В 1740-1750-х годах шотландский физик Эндрю Гордон и американский ученый Бенджамин Франклин разработали примитивные электростатические двигатели на основе взаимодействия электрических зарядов. Настоящий прорыв произошел в 1910-1920-х годах благодаря работам американского инженера Роберта Годдарда. Он провел множество экспериментов и доказал, что электростатические двигатели могут создавать реактивную тягу. В СССР разработкой ЭРД занимался Валентин Глушко. В 1929-1933 годах он создал первые - отечественные образцы электротермических ракетных двигателей.

Существует несколько разновидностей электростатических двигателей, различающихся по принципу работы.

Электротермические.

 В электротермических ЭРД электрическая энергия используется для нагрева рабочего тела (РТ) до высокой температуры (1000-5000 К). Разогретое РТ выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. В качестве РТ чаще всего применяют водород, аммиак, гидразин и др. вещества с низкой молекулярной массой. Параметры электротермических ЭРД: Удельный импульс: 1,5-10 кН·с/кг Плотность тяги: 0,3-3 Н/см2 Время работы: от нескольких часов до сотен часов.

 Электростатические ионные.

 В ионных ЭРД рабочее тело ионизируется, а затем ионы ускоряются электростатическим полем и выбрасываются из двигателя. В качестве рабочего тела чаще всего используется инертный газ ксенон, обладающий низким потенциалом ионизации. Удельный импульс ионных ЭРД достигает 100 кН·с/кг, что в 10-20 раз выше, чем у химических ракетных двигателей. Ионные двигатели отличаются рекордной эффективностью, но имеют ограниченную тягу.

Плазменные.

 В электромагнитных плазменных ЭРД в качестве рабочего тела используется плазма, ускоряемая электрическим и магнитным полями. Существует множество разновидностей плазменных двигателей, отличающихся способом создания и ускорения плазмы. Плазменные ЭРД обладают удельным импульсом 30-100 кН·с/кг и находят применение в космических аппаратах для коррекции орбиты. Другие разновидности электростатических двигателей (коллоидные, на эффекте Холла) пока не получили широкого применения.

Преимущества электростатических двигателей.

 По сравнению с традиционными химическими ракетными двигателями, электростатические обладают рядом важных преимуществ:

• Высокий удельный импульс (в 5-10 раз больше)
• Экономичность: расход рабочего тела в сотни раз меньше
• Длительность работы: годы бесперебойной эксплуатации
• Высокий КПД (60-80%)
• Компактность и небольшой вес конструкции

Благодаря этим качествам, ЭРД открывают новые возможности для исследования дальнего космоса. Однако у них есть и существенные недостатки, о которых речь пойдет далее.

Ограничения и недостатки.

 Несмотря на многочисленные достоинства, электростатические двигатели имеют ряд существенных ограничений и недостатков:

• Высокое потребление электроэнергии: 10-100 кВт на 1 Н тяги
• Невысокая тяга и ускорение из-за низкой плотности тяги
• Ограниченный ресурс работы из-за разрушения деталей, контактирующих с плазмой
• Сложность создания компактного и мощного электрогенератора в космосе
• Непригодность для запуска с поверхности планет из-за слабой тяги
• Из-за этих недостатков применение ЭРД пока ограничено.

Области применения.

• Несмотря на ограничения, электростатические двигатели активно применяются в следующих областях космонавтики:
• Коррекция орбиты и ориентация космических аппаратов
• Межпланетные перелеты (Dawn, Хаябуса и др.)
• Перспективные маршевые двигатели межпланетных кораблей Микромеханические системы, где требуются миниатюрные приводы
• Молекулярные механизмы (наномоторы, манипуляторы)

По мере совершенствования технологий, области применения ЭРД будут только расширяться.

Перспективы развития.

 Инженеры во всем мире работают над устранением недостатков электростатических двигателей и расширением их возможностей.

Основные направления этих работ:

• Создание более износостойких материалов для увеличения ресурса
• Разработка компактных и мощных электрогенераторов
• Создание гибридных ХРД/ЭРД для старта с поверхности планет
• Поиск альтернативных эффективных рабочих тел
•  Адаптация ЭРД для пилотируемых межпланетных перелетов

Решение этих задач позволит электростатическим двигателям стать опорой космонавтики будущего.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ОПЫТА ПО ФИЗИКЕ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ САМОДЕЛЬНОГО ПРИБОРА

          2.1. Изготовление самодельного электростатического двигателя

Электростатический двигатель состоит из:

• Ротора
• Двух электродов
• Оси вращения

Я хочу рассказать, как сделать самодельный электростатический двигатель. (Приложение 1)

Нам потребуется:

1. винт диаметром 3 мм длиной около 10 мм
2. проволока длиной 50 мм толщиной ~0,5-1 мм, например, скрепка
3. алюминиевая или медная самоклеящаяся лента
4. источник высокого напряжения
5. напечатанные на 3d-принтере детали

Потом приступаем к сборке прибора:

1. Сделал чертёж с размерами моих деталей.
2. Напечатал на 3d-принтере детали
3. Соединил детали
4. Обклеил детали алюминиевой лентой
5. Готовый электростатический двигатель соединил с источником питания высокого напряжения (Приложение 2)

     2.2.  Работа модели, процессы, имитируемые моделью

     Работа модели основана на притяжении и отталкивании электрических зарядов. Как правило, им требуется источник питания высокого напряжения. Высокое напряжение подается на электроды. Ротор располагается между электродами. Заряды стекают с концов электродов на ротор. Так как ротор состоит из диэлектрика, то области ротора около электродов заряжаются одноименно с электродами. Следовательно, возникают силы отталкивания между электродами и ротором.

Сегодня электростатический двигатель часто используется в микромеханических (MEMS) системах, где напряжение питания составляет менее 100 вольт и где движущиеся заряженные пластины гораздо проще изготовить, чем катушки и железные сердечники.

2.3. Анализ заинтересованности учащихся на уроках с физическим опытом и без

В ходе изучения темы «Электризация тел. Два рода электрических зарядов. Взаимодействие тел.», учащимся восьмых классов   было предложено заполнить листы самооценки, которые позволили выявить заинтересованность учащихся при изучении данной темы.

В 8б классе на уроке был проведён опыт по описанию с применением электростатического двигателя, который наглядно показал взаимодействие одноименно заряженных тел, а именно возникновение силы отталкивания между электродами и ротором.

В 8а классе данная тема изучалась без самодельного прибора.

Анализ данных, позволил сделать следующий вывод. (Приложение 3)

У всех учащихся 8б класса данная тема вызвала интерес, а у учащихся 8а лишь у двенадцати.

Таким образом, полученные результаты убедили меня в правильности выбранной темы исследования, её актуальности.

 Опыт с прибором, сделанным своими руками, вызывает очень большой интерес у всего класса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Решая первую задачу исследования, был проведён теоретический анализ литературы.

Я узнал, что при конструировании, изготовлении и применении самодельного прибора учащиеся должны:

• четко представлять его назначение;
• заранее рассчитать его отдельные элементы, сделать необходимые схемы, чертежи;
• хорошо представлять принцип действия прибора;
• уяснить, на использовании каких законов основана его работа;
• согласовать параметры намечаемого к изготовлению прибора с параметрами тех приборов, совместно с которыми он будет работать;
• уметь ответить на вопросы: какова природа физического явления, демонстрируемого с помощью этого прибора, где применяется и встречается это явление: от каких факторов зависит эффективность его демонстрации.

          Узнал, что электростатический двигатель или конденсаторный двигатель — это тип электродвигателя, основанный на притяжении и отталкивании электрических зарядов.

Альтернативным типом электростатического двигателя является электростатический ионный двигатель космического корабля, в котором силы и движение создаются за счёт электростатического ускорения ионов.

Обычно электростатические двигатели являются двойниками обычных двигателей на основе катушек. Как правило, им требуется источник питания высокого напряжения, хотя в очень маленьких двигателях используется более низкое напряжение. В обычных электродвигателях вместо этого используется магнитное притяжение и отталкивание, и им требуется высокий ток при низком напряжении. В 1740-х и 1750-х годах первые электростатические двигатели были разработаны Эндрю Гордоном и Бенджамином Франклином. Сегодня электростатический двигатель часто используется в микромеханических (MEMS) системах, где напряжение питания составляет менее 100 вольт и где движущиеся заряженные пластины гораздо проще изготовить, чем катушки и железные сердечники.

           Решая вторую задачу исследования был изготовлен прибор –электростатический двигатель, отсутствующий в лаборатории физики и проведен опыт с применением электростатического двигателя, который наглядно показал взаимодействие одноименно заряженных тел, а именно возникновение силы отталкивания между электродами и ротором.

Рассмотрел этапы сборки электростатического двигателя и, как осуществляется работа модели.

Анализ данных, по заинтересованности учащихся на уроках с физическим опытом и без, убедили меня в правильности выбранной темы исследования, её актуальности.

Наблюдать за опытом проводимым учителем, интересно. Проводить его самому интереснее вдвойне.

А проводить опыт с прибором, сделанным и сконструированным своими руками, вызывает очень большой интерес у всего класса. В таких опытах легко установить взаимосвязь и сделать вывод как работает данная установка.

 Проводить данные опыты не сложно и интересно. Они безопасны, просты и полезны.

 Данная исследовательская работа может быть использована в своей        деятельности учителями и учащимися. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Внеурочная работа по физике/ Под ред. О.Ф. Кабардина. М.: Просвещение, 1993.
2. Гальперштейн Л. Занимательная физика. М.: РОСМЭН, 2000.
3. Горев Л.А. Занимательные опыты по физике. М.: Просвещение, 1995.
4. Горячкин Е.Н. Методика и техника физического эксперимента. М.: Просвещение. 1994 г.
5. Майоров А.Н. Физика для любознательных, или о чем не узнаешь на уроке. Ярославль: Академия развития, Академия и К, 1999.
6. Марк Сейфер Абсолютное оружие Америки. - М: Эксмо, 2005.
7. Перельман Я.И. Занимательная механика. Знаете ли вы физику? М.: ВАП, 1994.

Интернет ресуры:

8. https://stroy-podskazka.ru/pylesosy/vidy-i-instrukciya/
9. https://www.asutpp.ru/elektrodvigatel-postoyannogo-toka.html
10. http://www.nkj.ru/archive/articles/12835/
11. https://project.1september.ru/work.php?id=572989.
12. http://pedsovet.org/component/option,com_mtree/task,viewlink/link_id,109450/Itemid,118/
13. https://ru.wikipedia.org
14. http://gidravl.narod.ru/vvedenie.html
15. https://studfile.net/preview/4288159/page:5/
16. https://novator.team/post/1135