проект. кот Мотя как объект физических исследований. Кот Мотя как объект физических исследований
 Скачать 148.23 Kb.
|
физика Кот Мотя как объект физических исследований. Черепанова Мария, г. Красновишерск, Пермский край МСОШ №1 8а класс Шушакова Галина Николаевна МСОШ №1 учитель физики К  расновишерск-2015Содержание. Введение. УЧЕНИЯ О ФИЗИКЕ ЖИВОТНЫХ. Биомеханика. Развитие биомеханики как науки.7 стр. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОТА. 9 стр. Измерение средней и максимальной скорости кота. 9 стр. Измерение массы. 10 стр. Измерение объема. 11 стр. Измерение плотности. 12 стр. Измерение давление кота на пол. 13 стр. Измерение механической работы и мощности кота при подъеме по лестнице. 14 стр. Измерение силы тяги кота. 15 стр. Измерение мощности при движениях кошки. 16 стр. Заключение. 18 стр. Список источников и литературы. 19 стр. Приложения. 20 стр. 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. Кот, как домашнее животное, частица этой природы. Таким образом, для кота должны быть справедливы все законы физической науки. Какую роль физика играет в жизни кошки? Моя работа посвящена изучению физических процессов и явлений в жизни кота. Практически исследованы механические характеристики кота: скорость, масса, температура, объем, плотность тела кота, вес, давление кота на опору, механическая работа и мощность. Работа имеет прикладной характер и позволяет создать «Биомеханический паспорт кота Моти». Цель исследования: Выявление возможности использования кота как объекта физических исследований и создание «биомеханического паспорта кота Моти». Задачи: Познакомиться со специальной литературой. Посетить различные интернет-сайты, посвященные изучению кошек. Исследовать механические характеристики кота (масса, скорость, объем, плотность, давление кота на опору, механическую работу, мощность). Обобщить и систематизировать результаты исследования в виде буклета «Биомеханический паспорт кота Моти». Методы исследования: Обзор литературы. Обзор информации по сети интернет. Исследование. Объект исследования: Кот Мотя – возраст 7 лет. Гипотеза исследования: Физика как наука применима для изучения домашних животных. Новизна исследования: Измерения некоторых физических характеристик позволили создать методическое пособие для создания паспорта кота. Практическая значимость: Заключается в том, что данный материал можно использовать на уроках физика в качестве домашних лабораторных работ, а также для создания паспорта кота. Актуальность исследования: Все измерения апробированы на своем коте Моти. План работы.
Работа состоит из введения, теоретической части – учение о физике животных, практической части – механические характеристики кота и заключения. Основная часть. 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. Механические характеристики кота. Измерение механических характеристик кота проводилось по следующему алгоритму: Тема эксперимента. Цель эксперимента. Приборы и материалы, используемые в ходе эксперимента. Ход эксперимента. Таблица результатов. Вывод опыта. Измерение средней и максимальной скорости кота. Цель эксперимента: Измерить среднюю и максимальную скорости кота. Приборы и материалы: секундомер, рулетка, игрушки (мячик, мышка, бантик). Ход эксперимента: При помощи рулетки измерим расстояние пройденное котом. При помощи секундомера измеряем время движения. Рассчитываем скорость по формуле V=S*t. Результат измерения вносим в таблицу. 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 кота 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 кота Моти составляет всего 7,2 % от максимально возможной скорости, которую моет развивать кошка.  Измерение массы кота. Цель эксперимента: Измерить массу кота Моти. Приборы и материалы: напольные весы. Ход эксперимента: Определяем цену деления весов Ц. д. =(10-5)/10=0, 5 кг. Измеряем массу кошки с помощью напольных весов. Считаем количество делений и умножаем на цену деления. Масса Моти = 0,5 * 6 =3кг. Результаты измерений вносим в таблицу.
Вывод: Кошка в среднем весит 3- 5 кг. Масса Мотя соответствует среднестатистическим данным. Согласно книге рекордов Гиннеса масса самого большого кота 21 кг. Масса Моти составляет 13 % данной массы.  Измерение объема кота. Цель эксперимента: Измерить объем кота. Приборы и материалы: круглый таз с водой, измерительная лента, карандаш, линейка. Ход эксперимента: Измерения объема кота будут состоять из 2 этапов. Измерение объема тела – как тела неправильной формы. Измерение объема головы из учета того, что форма головы приближена к окружности. Измерим диаметр таза d= 34 см. Нальем в таз воды. Отметим на боковой стенки таза уровень воды черточкой h1=11 см. Опустим кота в воду до уровня головы. Вода в тазу поднялась. Отметим черточкой новый уровень воды h2=13,5 см. Вычислим высоту подъема воды h=h2-h1=13,5-11=2,5 см. Найдем объем вытесненной воды, а значит и объем тела кота 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 Измерим обхват головы с помощью измерительной ленты l=30 см. Рассчитаем объем головы кота по формуле V 2= 4/3 π R3. Радиус окружности головы кота 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. Объем кота Моти находим сложением объема тела и объема головы V = V 1+V 2 =2268+451=2719см3=0,002719м3. Данные заносим в таблицу.
Вывод эксперимента. Объем кота Моти составляет 0,002719 м3. Измерение плотности кота. Цель эксперимента: Измерить плотность кота. Приборы и материалы: данные предыдущих измерений. Ход эксперимента. Плотность рассчитывается по формуле р =m/V. Данные вносим в таблицу.
Используя данные таблицы, рассчитываем плотность р =m/V=3/0,0028= 1071кг/м3. Вывод эксперимента. Плотность Моти равна 1071кг/м3 . Она близка к плотности воды 1000 кг/м3. Измерение давления Моти на опору (пол). Цель эксперимента: Измерить давление кота 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. Давление рассчитывается по формуле: Р =F/S=mg/S. Рассчитаем силу тяжести. Для этого умножим массу кота на ускорение свободного падения. F тяж = gm=3*10=30 H , где F тяж – сила тяжести; g – ускорение свободного падения, равное 9,8 Н/кг; m – масса кота. Значение массы кота возьмем из 2 исследования. Площадь опоры кота (S) определяем следующим образом. Поставим кота на лист клетчатой бумаги и обведем контур той части, на которую опирается кот. 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 Рассчитаем давление оказываемое котом 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 котом на пол максимально в положении стоя. Минимальное давление кот оказывает в положение лежа. Как показывают результаты исследования, чем меньше площадь, тем больше давление на опору. Измерение механической работы и мощности кота при подъеме по лестнице. Цель эксперимента: Измерить механическую работу и мощность кота при подъеме по лестнице. Приборы и материалы: ластик, нить, секундомер, рулетка. Ход эксперимента. Механическая работа рассчитывается по формуле - A= mgh, где h – высота подъема кота, g – ускорение свободного падения, равное 9,8 Н/кг; m – масса кота. Мощность можно вычислит по следующему закону N=A/t, где А – это работа, t- время. Значение массы кота нам известно из опыта №2, запишем его в таблицу. Для определения высоты, на которую по лестнице поднялся наш кот, опустим ластик, привязанный к нити в лестничный пролет. Завяжем на нити узелок, когда ластик коснется пола первого этажа. Измерим длину нити, это и будет высота подъема кота. Данные занесем в таблицу. Определим по секундомеру время, затраченное Мотей на подъем по лестнице. Данные занесем в таблицу. Вычислим механическую работу и мощность по формулам: A= mgh= 3*10*3=90 Дж N=A/t=90/5=18 Вт. Данные занесем в таблицу.
Вывод эксперимента. Работа, совершаемая котом при подъеме по лестнице равна 90 Дж, мощность при этом подъеме 18Вт. Мощность человека при нормальных условиях работы в среднем равна 70-80 Вт. Совершая прыжки, взбегая по лестнице, человек может развивать мощность до 730 Вт. Мощность развиваемая Мотей составляет ¼ мощности человека.  Измерение силы тяги кота. Цель эксперимента: Измерить среднюю силу тяги кота. Приборы и материалы: школьный демонстрационный динамометр, ошейник, поводок. Ход эксперимента. На кота надеваем ошейник, к нему крепим поводок и прикрепляем динамометр. Удерживая динамометр, замеряем максимальные показания прибора при: беге кота 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 кот развивает на клич хозяина. Измерение мощности при движениях кошки. Цель эксперимента: Измерить механическую работу, мощность при движениях кошки. Приборы и материалы: данные предыдущих опытов. Ход эксперимента. Механическую работу кота 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. Заносим значение средней силы тяги и средней скорости в таблицу.
Рассчитываем значение мощности, используя данные таблицы. N=F*v=2, 1*0, 66=1, 4 Вт. Вывод эксперимента. Сравнивая результаты 6 и 8 экспериментов, мы видим, что мощность кота при движениях меньше, чем мощность кота при подъеме по лестнице, и составляет 7%.  Заключение. Кошка доставляет человеку большое эстетическое удовольствие. Помимо этого ее можно рассматривать как интереснейший объект физических исследований. Моя работа имеет практическую направленность. Измерения, полученные в ходе работы, позволили создать паспорт кота Моти (Приложение №1). В ходе исследований мной создана инструкция по составлению паспорта домашнего животного. Ее можно использовать для создания паспорта кошек, собак, хомяков, кроликов, домашних крыс и т.д.. Выбранная мной тема оказалась очень увлекательной. Хотелось бы продолжить исследования кота. Особый интерес представляет способность кошек видеть в темноте, слышать звуковые волны в ультразвуковом диапазоне, электризация кота, оказывающая лечебное и успокаивающее действие, приземление кошек на четыре лапы при падении. В дальнейшем хотелось бы найти ответы на волнующие вопросы. Список источников и литературы. Яворский Б.М. Физика. Механика. М.: Дрофа, 2002, 320 с. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. М.: Просвещение, 1998, 128 с. 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. http://russtil1.narod.ru/utkin1.html. http://i-fact.narod.ru/cats.html. http://q99.it/8AmgU0p. Приложение №1.
Приложение №2. Паспорт кота Моти.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
, где А – это работа, t- время.