CC BY
48
► НОВЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБРАЗОВАНИИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА КАЧЕСТВЕННЫХ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЦИФРОВОЙ ЛАБОРАТОРИИ АРХИМЕД
EXPERIMENTAL CHECK OF QUALITATIVE PHYSICS PROBLEMS USING ARCHIMEDES DIGITAL LABORATORY
Слепнева Н.И.
Учитель физики ГБОУ СОШ № 982, г. Москва E-mail: [email protected]
Аннотация. В работе рассматривается метод использования цифровой лаборатории Архимед для измерений быстротекущих температурных процессов. Выводится формула зависимости температуры от времени. Материалы работы могут быть использованы в проектной деятельности учащихся 8 класса.
Ключевые слова: цифровая лаборатория Архимед, Nova, охлаждение жидкости
Slepneva N.I.
Physics Teacher at Public School № 982, Moscow
E-mail: [email protected]
Annotation. This article explores the method of using Archimedes digital laboratory for measuring high-rate temperature processes. A time/temperature dependency formula is derived. The results of this research can be used in projected work of 8th-grade students.
Keywords: Archimedes digital laboratory, Nova, liquid cooling.
Трудно переоценить роль качественных задач в изучении физики. Именно на них можно проверить, насколько глубоко ученик понимает предмет. При анализе качественной задачи очень полезно не только обосновать свои рассуждения законами физики, но и доказать их экспериментально. В нашей практике в качестве инструмента, с помощью которого особенно эффективно можно проводить эксперименты, используется цифровая лаборатория Архимед.
Эта лаборатория состоит из миникомпьютера и набора подключаемых к нему датчиков. Одновременно можно использовать до четырех датчиков, чего вполне доста-
точно практически для любого эксперимента. Миникомпьютер Nova работает под операционной системой Windows CE и имеет специальное программное обеспечение для преобразования аналоговой информации, поступающей от датчиков, в цифровую форму и анализа этой информации. В состав комплекса входит достаточно большое количество датчиков (напряжения, силы тока, температуры, силы и т.п.) Более подробную информацию о комплексе можно получить на сайте http://www.int-edu.ru/object. php?m1=747&m2=2&id=307.
В данной работе автор постарается показать, как при помощи этой лаборатории можно экспериментально решать качественные задачи. Для примера возьмем довольно известную качественную задачу о том, когда нужно наливать сливки в кофе.
Вы большой любитель кофе со сливками и каждое утро перед уходом на работу выпиваете чашку кофе со сливками. Однако утром вы постоянно опаздываете и стремитесь выпить свой кофе побыстрее. Вы не любите очень горячий кофе и, чтобы не обжечься, вынуждены немного подождать. Какая стратегия представляется вам более выигрышной по времени: налить сливки в кофе сразу и подождать, когда он остынет до нужной вам температуры, или подождать, когда кофе немного остынет, и только тогда наливать сливки? Нужно сказать, что этот вопрос довольно активно обсуждался на различных форумах, мнения участников расходились и аргументы были весьма убедительны у всех участников. С одной стороны, чем горячее кофе, тем быстрее он остывает, и поэтому следует немного подождать, прежде чем наливать сливки. С другой стороны, при увеличении объема напитка, увеличивается площадь его поверхности, через которую происходит теплообмен с окружающей средой и поэтому лучше налить сливки сразу. Поскольку скорость теплообмена зависит от множества параметров, лучше всего выяснить ответ на поставленный вопрос экспериментальным путем.
Для проведения эксперимента можно взять турку, две чашки, кофемолку и вместо сливок воду комнатной температуры. Воду следует взять не из экономии: ранее мы с учениками экспериментально установили, что скорость остывания у воды и сливок одинакова. Объем воды должен быть равен объему наливаемого кофе. В обе чашки с кофе помещаем датчики температуры и проводим эксперимент по двум стратегиям.
В первом случае наливаем кипящий кофе в чашку с термометром и через 40 секунд добавляем холодную воду. Может возникнуть вопрос: почему через 40 секунд? Первые 10 секунд необходимы для первоначального нагревания градусника и посуды. Если налить воду сразу, то картина начальных процессов получается
смазанной. Еще 30 секунд нужны, чтобы убедиться в том, что охлаждение кофе в двух чашках проходит с одинаковой скоростью.
На экране миникомпьютера Nova в первые 10 секунд наблюдаем подъем температуры до 84°С (это нагревается градусник), затем в следующие 30 секунд - плавное понижение температуры на 5°С (это начался процесс остывания), после чего - резкое понижение температуры на 30°С за 15 секунд (в результате теплообмена между горячим кофе и холодной водой). Далее наблюдается плавное понижение температуры со скоростью примерно 1°С в минуту.
■8*1 ‘к 1 I * h • і 'і • I ■* I 1 1 ■ I 1 і " I ' ■ і I ■ I 1 і 1 I 1 і 1 I ■ H 1 I *1 • Iа
* ri ti, .^1 -.,1 <ri ^ ^ in ^ A I. .,^1 U .
Для реализации второй стратегии мы оставляем горячий кофе в чашке с градусником и, подождав 5 минут, добавляем воду комнатной температуры. Объем воды, как и в предыдущем случае, должен быть равен объему наливаемого кофе. На экране микрокомпьютера мы видим, как и в первом случае, в первые 10 секунд подъем температуры до 84°С, затем в течение 5 минут - плавное понижение температуры со скоростью 3°С в минуту. После добавления холодной воды в течение 20 секунд температура понижается на 24°С (в предыдущем случае, как мы помним, добавление воды понизило температуру на t = 30°С). Затем наблюдается плавное понижение температуры со скоростью при-
снижения ' ’ ' Г J Г Г Г
мерно 0,5°С в минуту.
На рисунке показаны графики изменения температур, которые в ходе эксперимента получаются на экране Nova (или на экране подключенного к нему персонального компьютера). Вывод из эксперимента нам кажется очевидным. Первая стратегия оказалась более выигрышной для любителей горячего кофе (около 50°С), а вторая - для любителей более прохладного кофе (около 45°С). Для определения времени, через которое следует наливать сливки, можно воспользоваться следующим алгоритмом:
1. Определить, какая температура кофе является для вас оптимальной (t )
.Г ' ' ' ryrT ' ' \ оптимальная-'
2. Учитывая, что скорость остывания 100 мл смеси при комнатной температуре равна 3°С в минуту, вычислить время добавления сливок в минутах можно по следующей формуле:
t - (t + t )
начальная оптимальная снижения
v
остывания
Автор данной статьи предпочитает пить кофе, температура которого составляет 55°С (на графике отмечена зеленым пунктиром). В этом случае выигрышной оказывается стратегия 1 - добавить холодные сливки в кофе фактически сразу, без какого-либо ожидания. Кстати, эта температура была измерена не обыкновенным градусником, а с помощью датчика температуры, подключенного к Nova. Измерение получается более точным и быстрым.
Однако если вы предпочитаете другие пропорции сливок и кофе, то вам следует провести свой эксперимент, и комплекс Архимед будет вашим надежным помощником.
Интернет-журнал «Проблемы современного образования» 2013, № 3
