26 октября 2012 г.

Исследовательские работы для школьников

В контактном посте меня попросили предложить какие-нибудь темы исследовательских работ, которые могли бы выполнить школьники без спецоборудования, с помощью приборов, которые можно найти в обычном школьном кабинете физики. И мне захотелось ответить отдельным постом.

В 90-е годы в новосибирском Академгородке работала уникальная «Научная лаборатория школьников» под руководством Владимира Ивановича Шелеста. Вот ее сайт, который не обновлялся, по-моему, с 2001 года (и в котором стоит кодировка KOI-8). Среди мероприятий, которые проводились в рамках нее, были и исследовательские задачи для школьников. Происходило это так: ребятам предлагалось несколько задач, они разбивались на команды, примерно месяц над этими задачами работали (как теоретически, так и экспериментально), а потом на Турнирах Юных Физиков происходила «битва решений». Точнее, не решений даже, а подходов — задачи это были такие, что у них не было какого-то одного «правильного» решения, это были скорее темы для исследований.

Так что я решил тут собрать вместе, с одной стороны, то, что вспоминается с тех времен, и с другой стороны, что мне уже сейчас приходит в голову в качестве возможных тем. И сразу пара общих замечаний:
  • предложить тему — это только самое начало работы; дальше надо самому ставить перед собой конкретные вопросы, надо самому думать, куда двигаться и что потребуется изучить; цель — это не получить ответ, а дать ребятам возможность научиться самостоятельно думать и экспериментировать.
  • решением считается не получение конкретного ответа, а проведение исследования, разностороннее понимание явления (как экспериментальное, так и теоретическое), способность ориентироваться не только в этой, но и в других близких задачах. Конкретно, если в задаче требуется что-то найти, то под этим подразумевается не только «чему равно», но и «как зависит от параметров задачи».
Инструментарий предполагается обычный (измерительная техника, желательно осциллограф, электроприборы, лазер и простейшая оптика, хороший фотоаппарат и желательно видеокамера), однако в процессе решения иногда может потребоваться самому создать новый прибор.

Механика

  • Шарик скатывается с трамплина высоты h. Подобрать форму трамплина так, чтобы шарик улетел как можно дальше (имеется в виду расстояние в длину между точкой отрыва и точкой первого касания).
  • Металлическая цепочка, свисающая одним концом со стола, начинает соскальзывать с него и падает на пол. Какую форму примет цепочка на полу?
  • Изучите вращение (и более широко, динамику столкновения) двух (или больше) магнитных шариков (см. мои посты раз и два)
  • Постройте механическую модель коллайдера, типа той, что я описывал у себя, и с ее помощью поизучайте законы сохранения и прочие механические явления.
  • Может ли камень, упав в песок, полностью в него зарыться?
  • Прозрачный контейнер с песком можно установить на платформу, которая дрожит с настраиваемой амплитудой и частотой. Выяснить, что происходит с песком при этом. В частности, должно наблюдаться «разжижение» песка (т.е. спонтанная текучесть), причем оно должно быть сильнее на поверхности, чем в глубине. На самой поверхности могут возникать интересные солитоны или волны. При опускании предметов в такой дрожащий песок они начнут тонуть, исследовать и это явление тоже.
Гидродинамика
  • Из емкости с водой через дырочку в дне вытекает вода. На какой высоте эта струя разбивается на капли? Выяснить, как эта высота зависит от параметров задачи (размера дырочки, высоты уровня воды, времени отстаивания воды, вязкости/поверхностного натяжения и т.д.)
  • Попытаться реализовать и исследовать «прыгающую каплю» (см. видео на Youtube)
  • В стакан с газировкой кинули виноградину. Она то всплывает, покрывшись пузырьками, то снова тонет. Определить период этих колебаний.
  • Как известно, в воздушной струе, направленной вверх, может легко зависнуть легкий шарик. Имеется утверждение, что если в шарике просверлить сквозную дырку, он будет не просто висеть, а быстро крутиться. Исследовать это явление.
Электричество и магнетизм
  • В открытую стеклянную трубку насыпали смесь песка и железных опилок, подвели к обоим концам электроды и пропустили ток. Как зависит сопротивление смеси от процентной доли опилок? Как меняется ответ в случае, если песчинки и опилки примерно одинакового или сильно отличающегося размера?
  • Придумайте и сконструируйте устройство, наиболее эффективно превращающее энергию горящей свечи в электричество.
  • Изучить, как сопротивление контакта между двумя проводниками зависит от прижимающей силы. Тут тонкость в том, что эффект заметен только для очень малых прижимающих сил (вес грузика порядка миллиграммов). Кстати, этот прибор потом можно будет использовать как чувствительный, ну не сейсмограф, но датчик мелкой тряски.
Оптика
  • Попробуйте получить лазерный луч с орбитальным угловым моментом. В принципе, это сделать несложно — надо приготовить дифракционную решетку с дислокацией. Если есть хороший лазерный принтер, то такую решетку можно просто взять и напечатать на прозрачке. Если будет желание, я могу потом описать задачу подробнее.
  • Поизучать законы многократного отражения от двойного стеклопакета (см. мой пост).
  • Изучить свечение, возникающее при разматывании скотча, и попробовать добиться рентгеновского излучения (см. мой пост).

Если у кого еще есть интересные предложения, поделитесь в комментариях.

25 комментариев:

  1. ТЮФ - это все же не Новосибирское мероприятие. Хотя там действительно была куча задач, порождающих исследования на школьном уровне. Они публиковались в Кванте и, вроде, лежат тут http://rusypt.msu.ru/archive.shtml - только что-то у меня задачи прошлых лет не читаются.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Я предысторию ТЮФов не знаю, но по крайней мере у Шелеста эта деятельность не опиралась на кого-то со стороны. Скорее наоборот, у нему на ТЭФы ездили преподаватели посмотреть, как это работает.

      Удалить
    2. Насколько я знаю, изначально ТЮФ - порождение нескольких человек с кафедры колебаний физфака МГУ, ключевая фамилия - Юносов, плюс еще кто-то из преподавателей СУНЦ МГУ. Лично я играл в турнире в конце 80-х, при этом к тому моменту у него уже была многолетняя история, и, как выясняется, он функционирует до сих пор. Каждый год сначала проводился московский ТЮФ, потом всесоюзный (и новосибирская команда в нем регулярно участвовала), потом международный.

      Удалить
  2. Что детям делать с лазерным лучом с орбитальным угловым моментом? измерить простым способом такой волновой фронт не получится, какие-то провести исследования с помощью такого луча тоже не получится.

    Опыт со свечой крайне скучен и детям не будет интересен совсем.

    Получение коротеньких вспышек от скотча, тоже довольно скучно и особо не поэкспериментируешь и измерений не сделать простыми методами, даже объяснить толком не получится почему так происходит. рентген только в вакууме.

    Выглядит как будто вы совсем не признаете ссылок на внешние ресурсы.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Увидеть, что фокусируется в колечко, а не в пятнышко. Потом, возможно, пропустить через вторую такую решетку и увидеть, что ОУМ восстанавливается до нуля в противоположном дифракционном пике.

      Не скажите, это не «опыт со свечой», когда всё уже подготовили, а надо только поднести одно к другому, это работа своими руками. И кроме того, тут есть коварное слово «эффективно».

      > ... тоже довольно скучно...

      Мне кажется, вы перехлестываете. Свечение от скотча скучно? Во-первых, почему это только короткими вспышками — ведь если сделать самим скотчеразматывательную машину, как в статье, свечение будет непрерывным. Дальше куча вопросов про яркость, спектр, зависимость от параметров и их оптимизация, и т.д. Вакуум поначалу и не нужен, в нем просто яркость выше, ну а если найдется в лабе форвакуумный насос (или какой-нибудь ВУЗ пустит поработать в своей лабе), то совсем хорошо.

      Так ведь просили мои предложения, и я, разумеется, предлагал то, что я с ходу вспоминал. А поскольку я писал кое о чем, то я это привел в примерах. Есть немало людей, которые занимаются подобными вещами со школьниками, но я вроде и не претендовал на объективный сбалансированный обзор.

      Удалить
  3. Анонимный26/10/12 23:26

    >Придумайте и сконструируйте устройство, наиболее эффективно превращающее энергию горящей свечи в электричество.
    Должен же быть какой-то ориентир... Это термопара? Или сделать микрогенератор - пусть свеча греет тепловую машину?
    Впрочем, если дети научатся измерять энергию свечи (что само по себе непросто) - будет уже неплохо.

    Игорь, а Вы преподаёте (в смысле - систематически)?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Вы зачем-то искусственно сужаете задачу. Предполагается, что группа обсудит, что может означать слово «эффективно» и решит, какую величину оптимизировать. А дальше ребята копаются в литературе, выясняют, что вообще бывает, что им реально сделать и т.д.

      Разумеется, неплохо. Во всех этих задачах самое первое действие — научиться измерять ту или иную величину. Это уже само по себе может стать открытием для школьника — ведь он привык, что ему дают в руки линейку, весы и динамометр и просят лишь подергать то, приложить это. А тут придется самим сначала думать, а потом делать.

      Я помню, когда на 4 курсе я помогал школьникам разбираться с задачей про струю воды, вытекающую из дна, я так увлекся, что стал не помогать, а сам придумывать методы измерения. Простой казалось бы вопрос — где струя рвется на капли? Глазом видно плохо, на видео тоже ничего не видно. Ребята поначалу использовали стробоскоп, но от него во первых глаза устают, во-вторых, надо повторять вспышку много раз, чтоб усреднить точку разрыва. А я придумал светить в темной комнате лучом света так, чтоб он проходил сверху вниз через дырочку (само дно было непрозрачно), дальше шел по струе (и был невидим сбоку) и рассеивался только там, где струя разбивалась на капли. В результате — в темноте был шикарно виден чуть дрожащий, но более-менее стационарный участок струи высотой около сантиметра, в котором точка разрыва сразу автоматически усреднялась по времени.

      Когда человек сам додумывается до метода измерения и затем проверяет и видит, что он хорошо работает, это оставляет сильное впечатление.

      Насчет преподавания, я преподавал в разных местах, где я был, на разных уровнях. Начал преподавать на 3 курсе — вел спецкурс про олимпиадные задачи в ФМШ. Потом пошло-поехало. Похвастаюсь только, что мне приходилось преподавать на пяти языках :)

      Удалить
    2. Анонимный27/10/12 14:15

      > Похвастаюсь только, что мне приходилось преподавать на пяти языках

      Итальянский немецкий русский английский французский?

      > сам придумывать методы измерения
      всё-таки понадобился профессионал :)
      а не достаточно ли тонкого пёрышка или ворсинки? ламинарное и прерывистое течение жидкости должно по-разному реагировать на их прикосновение: осветить пёрышко и наблюдать за колебаниями тени

      Удалить
    3. Ага.

      Эту идею тоже можно попробовать конечно, но не забывайте, что «залезать в струю» опасно, можно исказить свободную ее эволюцию. Например, второй способ у меня был - подставить под струю микрофон или просто пластинку. Там, где струя разрывается, возникает дробь ударов вместо давления. Однако возмущение, вносимое такой мишенью, поднимается по струе вверх на некоторую высоту (это легко и глазом заметно), что тоже может влиять на струю. Может быть, эти эффекты можно и минимизировать, не знаю, но оптический способ выглядит тут предпочтительнее.

      Удалить
    4. Анонимный28/10/12 12:22

      возникает дробь ударов вместо давления

      кстати попробовал из интереса, всё не так - звук есть (слабый) и при ламинарном течении - далеко от места образования капль (почему?), но его частота на слух постоянна, а опуская вдруг получаем переменную частоту.

      может, я что-то напутал

      Удалить
    5. А вода текла из крана? Просто в типичном многоквартирном доме есть звуки, которые ходят по трубам, по воде, а в воздухе их почти не слышно. В любом случае, у вас был заметный переход в том месте, где струя рвется?

      Удалить
    6. Анонимный28/10/12 13:57

      > А вода текла из крана?
      Верно, более того, я пришёл сейчас к выводу, повторив это, что она не вполне ламинарна... Т.е. - результат, видимо, не соответствует ожидаемому (ложный результат).

      > В любом случае, у вас был заметный переход в том месте, где струя рвется

      Увидеть, где именно она рвтся - нелегко, в некоторый момент звук становился похож на неравномерную сирену

      Удалить
    7. На самом деле, можно вообще палец подставить и почувстовать переход. Может быть микрофон и лишний тут.

      Удалить
    8. Анонимный28/10/12 14:15

      Можно, только внешне это не будет выглядеть как физический опыт ...

      Удалить
    9. Если вы получаете объективную информацию об изучаемой системе, какая разница, как это выглядит внешне? По-моему так вполне опыт.

      Удалить
  4. Оффтопик. Это всё конечно очень здорово, но что там с Хиггсом?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. А что с Хиггсом? Вроде бы пока жив-здоров. :) Или вы что-то конкретное хотите спросить?

      Удалить
  5. В Сборнике задач по физике Вершинина http://www.psn.izido.ru/content/books.html есть раздел "Задачи на жизненные ситуации" - как раз темы для исследований с некоторым предварительным обсуждением

    ОтветитьУдалить
  6. У нас на физ-бое предлагали сделать черный ящик с падающей вольт-амперной характеристикой. Сейчас-то это легко нагуглить, а тогда преимущество было у радиолюбителей. Пусть школьники предложат различные применения такого устройства.

    ОтветитьУдалить
  7. Еще идеи
    1. Выяснить, почему происходит бурное газовыделение при добавлении ментоса в кока-колу (сколько я понимаю, хим.реакций нет, чистая физика). Попытаться измерить запас энергии в 2 л бутылке.

    2. [Когда останутся пустые бутылки :)] Раньше была такая игрушка: пластиковая ракета наполнялась водой (частично) и насосом закачивался воздух. При отпускании собачки ракета летела на реактивной тяге. Сейчас это можно воспроизвести при помощи ПЭТ-бутылки (из-под той же колы) и насоса. Надо попытаться достичь максимальной высоты подъема (оптимальное распределение объема между рабочим телом и вытесняющей средой). Даст ли выигрыш соленая вода? И т.п.

    ОтветитьУдалить
  8. Анонимный31/10/12 05:59

    Фазовые переходы: Геометрия мыльных пленок.

    Еще, если можно привлечь элементарную статистику к любым "детским" экспериментам - было бы здорово.


    ОтветитьУдалить
  9. Анонимный2/11/12 18:03

    Как могут современные дети изучать экспериментальную физику и не моделировать на компьютере

    ОтветитьУдалить
  10. Анонимный9/2/13 06:12

    Посмотрите ссылку: http://klipper-russia.ru/about/project_idea/ .Там есть ссылка на статью "Дети делают прогресс" В статье интересно упоминают физику. Наверное, это в анекдоты про физику должно войти. Как минимум.

    ОтветитьУдалить
  11. Анонимный31/5/14 18:20

    Да, расскажите пожалуйста, как сделать дифракционную решетку с дислокацией. Может ещё какие простые способы есть? Нагреть и растянуть CD диск?

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Взять качественную картинку с такой решеткой и распечатать ее с сильным уменьшением на прозрачке на хорошем лазерном принтере. Всё.

      Удалить