«Реальная физика» на примере исследования свойств алюминия

Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение

Средняя общеобразовательная школа № 000

«РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА» НА ПРИМЕРЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ АЛЮМИНИЯ

Выполнила: ученица ГБОУ Школа № 000

Руководитель: учитель физики

Москва, 2017

Содержание:

Введение	3
Цели и задачи	3
Актуальность исследования	4
Практическое значение исследования	4
Гипотеза	4
Глава 1. Теоретическая часть	5
1.1. Алюминий как объект рассмотрения в рамках «Реальной физики»	5
1.2. Алюминий и его физические свойства	5
1.3. Промышленное использование алюминия	5
1.4. Алюминий в быту	6
1.5. Изучение алюминия в школе	6
1.6. «Реальная физика» на примере алюминия	7
Выводы по главе 1	8
Глава 2. Практическая часть	9
2.1. Описание используемого оборудования	9
2.2. Определение экономического эффекта от использования алюминиевого изделия по сравнению со стальным и медным	9
2.3. Расчет экономического эффекта от использования алюминиевых проводов в линии электропередач с фиксированным значением сопротивления	12
2.4. Исследование влияния физических свойств алюминия на потребительские качества товара	13
Выводы по главе 2	15
Заключение	15
Использованные источники	16

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время содержание школьных курсов претерпевает изменения или корректировки практически ежегодно, одна из целей этих изменений — сделать предмет интересным и нынешнему поколению школьников, актуальным их жизненным потребностям. Частичное переложение содержания предмета на реальную жизнь может способствовать привлечению интереса школьников к предмету, а также осознанию ими важности тех знаний, которые даёт школа.

Ценные наработки по методике и формам преподавания, сделанные в рамках одного предмета, могут с успехом использоваться при изучении других школьных дисциплин. Задачи по «Реальной математике» уже стали привычными как для преподавателей, так и для учеников. Возможно, через определенное время можно будет оценить эффективность присутствия этого раздела в школьной математике. В свою очередь, физика — один из предметов, как нельзя лучше подходящий для того, чтобы стать «реальным».

Цели и задачи.

Исследовательская деятельность учащихся служит поддержанию и увеличению мотивации учеников в изучении предмета. Участие в Курчатовском проекте позволяет ученикам освоить те разделы предмета, которые интересны лично им.

Цель нашей работы — приблизить школьный курс физики к реальной жизни.

В этом проекте мы предлагаем несколько примеров учебных/экзаменационных заданий, в результате выполнения которых школьник с помощью физики мог бы решить задачу, с которой сталкивается в повседневности.

В результате проведения данной работы предполагалось решить следующие задачи:

Изучить сведения о свойствах алюминия и связанных с этими свойствами способах использования металла; На примере алюминия подобрать реальные ситуации из повседневной жизни, в которых физические знания и навыки помогли бы принять эффективное решение; Выполнить предложенные задания; Сформулировать преимущества задач «Реальной физики».

Актуальность исследования.

Актуальность и новизна проекта определяются идеей нового раздела школьного курса физики — «Реальная физика», по аналогии с «Реальной математикой».

Учащиеся самостоятельно выбирают интересующую их область предмета, продумывают решение проблемы в реальных условиях. Работа учащихся проводится с объектами, с которыми они реально сталкиваются в жизни. Цели, которые достигаются в ходе решения задач, сформулированы на бытовом языке, поэтому понятны каждому. Решение задачи предполагает собой принятие какого-либо жизненного решения с использованием знаний школьного раздела физики. Поиск информации ведётся по любым доступным источникам. Привлекается не только справочная физическая информация, но и данные свободных интернет-источников, интернет-магазинов и т. д. Выполнение задач «Реальной физики» готовит учащихся к реальной жизни, помогает их социализации.

Практическое значение работы заключается в том, что предложенные задания по «Реальной физике» могут стать интересным опытом, который со временем выльется в полноценный раздел школьной физики.

Гипотеза. Школьная задача по физике может быть сформулирована на основе жизненного материала. Ее решение может быть применено в реальной жизни и принести практическую пользу.

ГЛАВА 1

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Алюминий как объект рассмотрения в рамках «Реальной физики» был выбран после проведения измерения некоторых его физических свойств по заданию учителя. Сравнение полученных результатов для алюминия, стали и меди, наглядно показало, что области их применения в быту и промышленности обусловлены физическими и химическими свойствами, а также натолкнуло на мысль, что знание этих свойств поможет принимать эффективные решения в реальной жизни. Параллельно исследованиям велась подготовка к ОГЭ по физике и математике. После группового решения задач из раздела «Реальная математика» в классе возникла дискуссия, почему нет аналогичного раздела в курсе физики. Припомненные жизненные ситуации, с которыми школьники столкнулись в последнее время, в которых объектами были алюминиевые бытовые предметы подсказали содержание для возможных физических задачек по теме «Реальная физика».

1.2. Алюминий и его физические свойства.

Алюминий — самый распространенный металл на Земле, из него состоит более 8% всей массы земной коры, кроме того, это третий по распространенности химический элемент после кислорода и кремния. При этом алюминий находится в природе в виде разнообразных соединений и не встречается в чистом виде, что обусловлено его высокой химической активностью. Алюминий сочетает в себе многие полезные свойства. Алюминиевые изделия очень лёгкие, так как этот металл обладает малой удельной плотностью, прочностью и пластичностью, легко вступает в сплавы практически со всеми металлами. На открытом воздухе поверхность алюминия быстро покрывается оксидной плёнкой, которая обеспечивает его стойкость к коррозии и повышает срок службы алюминиевых изделий. Алюминий обладает довольно низким удельным сопротивлением, обеспечивающим его широкое применение для передачи электроэнергии.

Совокупность физических свойств алюминия, таких как плотность, тепло - и электропроводность, отражающая способность можно сравнить с этими показателями для стали и меди — материалов, часто использующихся в тех же целях, что и алюминий (Таблица 1, Таблица 2). Полировкой поверхности можно добиться такого результата, что алюминиевое изделие визуально будет очень сложно отличить от серебряного. С каждым годом область применения алюминия и его сплавов расширяется.

1.3. Промышленное использование алюминия.

Алюминий был получен в 1824 году Гансом Эрстедом. Промышленное производство алюминия началось только полвека спустя, только после того, как был изобретён способ его получения в промышленных масштабах.

Различные соединения алюминия применяются во многих отраслях промышленности: ими очищают воду, из них изготавливают иллюминаторы самолётов и пуленепробиваемые стёкла, колёсные диски и корпусы для смартфонов и планшетов, наждачную бумагу, их применяют также в косметологии и кулинарии. Кроме того, он образует химические соединения, которые мы знаем, как драгоценные камни: рубины, сапфиры, аквамарины, изумруды. Сегодня потребление алюминия прочно занимает 2 место в мире после железа. Существование энергетической, пищевой, строительной, автомобильной, авиационной, электротехнической, космической и других отраслей промышленности невозможно без алюминия. Такое положение обусловлено сочетанием его физико-химических свойств, огромными запасами алюминиевого сырья в мире, его технологичностью и удивительной пригодностью к вторичной переработке. По статистике 75% алюминия, выпущенного примерно за 100 лет существования промышленного производства, используется до сих пор. Алюминий пригоден для различных типов обработки: волочение, прокатка, штамповка и другие. Он обладает высокой ковкостью, не токсичен, не притягивается магнитами. Сочетание этих свойств объясняет широчайшее использование алюминия и его сплавов в различных отраслях промышленности.

1.4. Алюминий в быту.

Большое количество алюминия используется в пищевой промышленности. Многие бытовые изделия изготовлены из алюминия и его сплавов: кастрюли и сковородки, консервные банки и фольга, столовые приборы. Примерно половина посудных изделий в мире изготавливается из алюминия. Для изготовления упаковки чаще всего используется алюминий, так как алюминиевая тара легче стальной или стеклянной, надёжно защищает продукты от воздействия влаги, света, бактерий, сохраняет вкусовые качества пищи, не токсична, долго сохраняет нужную температуру. Во многих лекарственных препаратах, например, средствах от изжоги, гастрита, язвы желудка, содержатся безвредные для человека соли алюминия. Дезодоранты-антиперспиранты содержат соединения алюминия, применять которые начали ещё древние греки и римляне. Многие современные дома возведены с использованием несущих конструкций из алюминия, из него также изготавливают оконные рамы. Каркасы для мягкой мебели тоже выполняются из алюминиевых сплавов. Именно из алюминиевого сплава изготавливаются корпусы большинства iPhone’ов. Таким образом, из этого металла изготавливаются как обычные бытовые предметы, так и предметы роскоши.

1.5 Изучение алюминия в школе.

Алюминий изучается в школе в рамках таких дисциплин как физика, химия, география. Школьники знакомятся с историей открытия, важнейшими физическими и химическими свойствами, географическим расположением сырьевых источников. Насыщенность школьной программы не позволяет значительно расширить объём знаний об алюминии. Тем не менее, обычный человек настолько часто встречается с ним в жизни, что дополнительная информация об этом металле очень полезна. Новая форма работы в виде индивидуальных проектов учащихся, помогает углубленно изучить наиболее интересные разделы предмета.

1.6 «Реальная физика» на примере алюминия.

Дискуссия в классе на тему «С какими алюминиевыми изделиями вы сталкиваетесь в жизни» выявила, что задачи курса «Реальной физики» могли бы касаться выбора и покупки бытовых предметов, которые изготавливаются из алюминия и схожих по свойствам металлов и сплавов, безопасной жизнедеятельности, а также здоровья человека. Низкая себестоимость алюминия и его сплавов, относительно других материалов — конкурентов объясняет его повсеместное использование. В ходе данной работы два вопроса: насколько экономят человек и общество, используя алюминиевые изделия, и как использование алюминия может по-разному влиять на стоимость продукта, были превращены в три задачи «Реальной физики». Для наглядности решение задачи было решено дополнить самостоятельным физическим опытом.

Требования к заданиям сформулированы следующим образом:

Содержание задания должно быть «жизненным», затрагивающим обычного человека. Решение задачи заключается не только в применении знаний и навыков в области физики, но и использовании сведений, накопленных в результате жизненного опыта. В процессе выполнения задания потребуется провести физический опыт, сделать расчёт и применить знания из разных областей жизни.

Таким образом, задание «Реальной физики» формируются в следующем формате:

1.Учебная задача.

2.Экспериментальная задача.

3.«Жизненная» задача.

4.Расчётная задача.

Металл	Удельная плотность (г/см3)	Удельная теплоёмкость (Дж/кг*°C)	Удельное электрическое сопротивление (Ом*мм2/м)	Светоотражающая способность (%)
Алюминий	2,7	920	0,02913	55-75
Медь	8,9	380	0,01734	30-50
Сталь	7,8	460	0,1636	25-30

Таблица 1.

Металл	Плотность (%)	Коэффициент теплопроводности (%)	Твёрдость (%)
Алюминий/серебро	26	55	65-100
Медь/золото	46	125	222
Сталь/серебро	75	21	320

Таблица 2.

Выводы по главе 1

Современный человек сталкивается с алюминием и его сплавами повсеместно. Выполнение задания «Реальной физики», в котором учащиеся одновременно изучают свойства этого металла и рассчитывают экономический эффект от его применения, может стать интересным в силу необычности и практической пользы.

Несмотря на то, что некоторые традиционные позиции алюминия в промышленности в последнее время занимаются современными композитами, алюминий и сплавы на его основе — материалы будущего. В алюминии заложен огромный потенциал, который может быть реализован через знание его свойств.

ГЛАВА 2

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1. Описание используемого оборудования.

В данном исследовании было задействовано следующее оборудование:

1. Мультиметр (Рисунок 1);

2. Калориметрический стакан (Рисунок 2);

3. Школьная цифровая лаборатория, позволяющая регистрировать различные физические величины: температуру (°С), освещённость (Лк) и другие (Рисунок 3);

4. Электронные весы (Рисунок 4);

5. Штангенциркуль;

6. Набор грузов из различных материалов;

7. Набор проволок разного сечения из различных материалов;

Рисунок 1                                Рисунок 2

Рисунок 3                                Рисунок 4

2.2 Определение экономического эффекта от использования алюминиевого изделия по сравнению со стальным и медным.

Пример задания №1.

Учебная задача:

Исследование плотности и теплоёмкости металлов

Экспериментальная задача:

Определить и сравнить плотность и теплоёмкость алюминия, меди и стали

«Жизненная» задача:

Выбор наиболее энергосберегающей сковороды из трёх возможных материалов: алюминия, меди и стали.

Расчётная задача:

Рассчитать экономический эффект от использования алюминиевой сковороды по сравнению с изделиями из меди и стали.

Измерение удельной плотности.

Удельную плотность твёрдого тела можно вычислить по формуле с=m/V, где с — удельная плотность тела, m — масса тела, а V — объём тела.

Масса измерялась с помощью электронных весов (Рисунок 4). Объём был вычислен с помощью геометрических формул объёма, линейные размеры определены штангенциркулем. Результаты измерения представлены в Таблице 3.

Металл	Результаты измерений (г/см3)	Справочные данные (г/см3)
Алюминий	2,76	2,7
Медь	8,34	8,9
Сталь	7,74	7,8

Таблица 3.

Результаты показывают, что удельная плотность алюминия в 3,3 раза меньше плотности меди и в 2,9 раза меньше плотности стали.

Измерение удельной теплоёмкости (Рисунок 2).

Удельная теплоёмкость твёрдого тела вычисляется по формуле Q = cmДt, где c — удельная теплоёмкость тела, Q — количество теплоты, поглощённой телом, m — масса тела, Дt — разность температур.

Температура фиксировалась с помощью цифровой лаборатории, масса измерялась электронными весами, количество теплоты вычислялось по соответствующей формуле.

Результаты измерения представлены в Таблице 4.

Металл	Результаты исследования (Дж/кг*°C)	Справочные данные (Дж/кг*°C)
Алюминий	924,16	920
Медь	393	380
Сталь	448,92	460

Таблица 4.

Измерения показали, что удельная теплоёмкость алюминия значительно превосходит значения для меди (в 2,4 раза) и стали (в 2 раза).

Решение задачи.

Расчёт произведём для случая ежедневного использования небольшой сковороды, купленной в хозяйственном магазине и обычной электрической плиты. Срок использования сковороды — 5 лет. Применяя формулы школьного курса, взяв средние значения стоимости сковороды из интернета и стоимость электричества из своей квитанции за ЖКХ, мы получаем сводную таблицу, используя которую можно решить, какое изделие стоит приобрести. Результаты расчётов приведены в Таблице 5.

Металл	m (кг)	Q (Дж)	N (кВт)	Стоимость сковороды (руб.)	Стоимость эксплуатации за 5 лет (руб.)	Итого (руб.)	Экономический эффект (руб.)
Алюминий	0,503	37020,8	444,25	500	937,34	1437,44	0
Медь	1,518	46147,2	553,766	5000	1171,8	6171,8	4734,34
Сталь	1,409	51851,2	622,214	1500	1328,04	2828,04	1390,6

Таблица 5.

Выбор алюминиевой сковороды позволяет в 2 раза сэкономить денежные средства по сравнению со стальным и в 4 раза с медным изделием. Алюминий выигрывает в силу сочетания физических свойств: своего малого удельного веса, теплоемкости, а также меньшей стоимости, что позволяет экономить электричество. Задача наглядно демонстрирует, что школьная физика объективно помогает принять эффективное бытовое решение. Кроме того, экспериментатор может предложить свой путь решения поставленной задачи.

2.3. Расчет экономического эффекта от использования алюминиевых проводов в линии электропередач с фиксированным значением сопротивления.

Пример задания №2.

Учебная задача:

Исследование электропроводности металлов.

Экспериментальная задача:

Измерить сопротивление алюминиевого, медного и стального проводов.

Расчётная задача:

Рассчитать удельное сопротивление проводов, определить экономический эффект от использования алюминиевых проводов в линии электропередач с фиксированным значением сопротивления.

«Жизненная» задача:

Выбор материала для воздушной электропроводной линии.

Измерение удельного электрического сопротивления (Рисунок 5).

Рисунок 5

Удельное электрическое сопротивление металлического проводника вычисляется по формуле с = рUd2/4I l, где с — удельное электрическое сопротивление, р — отношение длины окружности к её диаметру, приблизительно равное 3,14, U — напряжение на концах проводника, d — диаметр проводника, I — сила тока, проходящего через проводник и l — длина проводника.

Напряжение и сила тока измерялись мультиметром, длина проводника фиксировалась с помощью сантиметровой рулетки, а диаметр — штангенциркулем.

Результаты измерений представлены в таблице 6.

Металл	Результаты измерений (Ом*мм2/м)	Справочные данные (Ом*мм2/м)
Алюминий	0,02913	0,0262…0,0295
Медь	0,01734	0,0172…0,0180
Сталь	0,1636	0,098…0,180

Таблица 6.

Полученные данные отвечают на вопрос, почему стальные провода не используются для электропередачи. Слишком большое значение сопротивления предполагают значительные потери тока в линии. Удельное сопротивление алюминия в 1,7 раз выше, чем у меди. Проведя расчеты для линии электропередачи длиной 5 км, мы получим экономический эффект в более чем 44 тыс. рублей при использовании алюминиевых проводов (Таблица 7), кроме того, они в 2 раза легче медных. Поэтому, если речь идет о больших расстояниях, то используются алюминиевые провода, а для дома, как правило, покупают медную проводку, так как в данном случае важно уже не сочетание масса-стоимость, а лучшие эксплуатационные свойства.

Металл	m провода длиной 5 км (кг)	Стоимость провода длиной 5 км (руб.)	Экономический эффект (руб.)
Алюминий	79	8421,7	0
Медь	154	52698,8	44277,1

Таблица 7.

2.4. Исследование влияния физических свойств алюминия на потребительские качества товара.

Пример задания №3.

Учебная задача:

Исследование светоотражающей способности металлов.

Экспериментальная задача:

Измерить светоотражающую способность металлических пластин.

Расчётная задача:

Используя данные Википедии и других открытых источников, определить, какие физические свойства обычных металлов помогают создать у потребителя ассоциации с драгоценными металлами.

«Жизненная» задача:

Выбор материала для корпуса Iphone, наиболее привлекательного для потребителя.

За потребительскими свойствами товара могут стоять свойства физические. Если в предыдущих двух примерах критерием выбора была стоимость, то в этом задании рассмотрим область чувств. Как физические свойства одного металла могут создать иллюзию обладания другим, более дорогим и как это используют маркетологи.

Измерение отражающей способности (Рисунок 3).

Падающий и отражённый световые потоки измерялись датчиком освещённости. В эксперименте использовались пластины из алюминия, меди и стали, предназначенные для любительского моделирования, с одинаковым качеством поверхности. Справочные данные приведены для среднего качества обработки поверхности.

Результаты измерения представлены в Таблице 8.

Металл	Результаты измерений (%)	Справочные данные (%)
Алюминий	55,9	55-75
Медь	39,7	30-50
Сталь	29,8	25-30

Таблица 8.

Золотые и серебряные изделия привлекательны своим блеском. Полированная поверхность этих металлов обладает высокой светоотражательной способностью. По литературным данным, полировкой можно добиться, что светоотражающая способность алюминия достигнет 95% этого параметра серебра. Медный блеск может сравниться с блеском золота. Проведенное измерение показало, что при сравнимом качестве поверхности образцов, алюминий обладает более высокой отражательной способностью, чем медь, и, тем более, чем сталь. Технологически осуществимо, чтобы алюминиевое изделие, человеческий глаз воспринимал как серебряное, а медное, как золотое. Используя жизненный опыт, попробуем определить, какие физические свойства металлов формируют у человека те или иные тактильные ощущения. Держа металлическое изделие в руке, мы можем приблизительно оценить удельный вес по принципу «легче-тяжелее», твердость, почувствовать более «теплый» металл. Возьмем данные из Википедии или физического справочника и проведем сравнение. Численные значения подтверждают, что тактильные ощущения помогут разобраться, где какой металл, так как различия существенны. Плотность, твердость и теплоемкость помогают идентифицировать металл, отличить один от другого.

Корпус IPhone состоит из комбинации алюминия и стекла. Металлическая часть выполняется из алюминия с добавками цинка (5%) и железа (8%), поверхность окрашивается анодированием алюминия. По статистике 60% IPhone’ов, продаваемых на рынке, имеют окраску, ассоциирующуюся с драгоценным металлом: «Gold Champagne», «Silver», «Rose Gold». Названия даны маркетологами для усиления сходства алюминиевого корпуса с драгоценными металлами, и подчеркивания высокой стоимости гаджета. Современные композитные материалы могут по всем технологическим характеристикам заменить классический металл. Тем не менее, производитель сделал выбор в пользу алюминия. Наше исследование, а также литературные данные показывают, что визуально недорогой металл может с успехом сымитировать более дорогой, так как отражательная способность и цветность алюминия близка к значению серебра, а меди к золоту.

Выводы по Главе 2.

1. Основная задача курса «Реальной физики» — помощь в адаптации к реальной жизни через физику.

2. Выполнение одного задания «Реальной физики» позволяет проверить и оценить в совокупности:

• умение проводить физический эксперимент,

• теоретические знания,

• расчетные навыки,

• способность находить нужную информацию,

• нетривиальное применение школьных знаний.

3.Физические задачи, помогающие сэкономить деньги, наиболее привлекательны. Но есть и другие стороны жизни, в которых физика эффективна: здоровье, безопасность и т. д.

Заключение

Приведенные в данной работе примеры заданий по «Реальной физике» — это попытка на школьном уровне соединить физику и повседневные запросы обыкновенного человека. Постулат — человека в первую очередь интересует то, что касается его непосредственно, — можно применить в рамках изучения школьных предметов. В ходе реализации Курчатовского проекта школы оснащаются современными приборами, научным и мультимедийным оборудованием, что значимо повышает интерес школьников к изучению точных и естественнонаучных дисциплин. Возможность решить свою жизненную задачу, с помощью компетенций, сформированных в школе, — еще один мощный фактор воздействия на мотивацию учащихся.

Использованные источники:

Алюминий. Википедия — свободная энциклопедия. [Электронный ресурс], URL: https://ru. wikipedia. org/wiki/Алюминий (дата обращения: 19.06.2017). Что такое алюминий. Сайт об алюминии. [Электронный ресурс], URL: http://aluminiumleader. ru/about_aluminium/what_is_aluminum/ (дата обращения: 19.06.2017). Алюминий. Большая советская энциклопедия. Портал «Энциклопедии и словари» [Электронный ресурс], URL: http:///enc_sovet/Aljumini-68477.html (дата обращения: 19.06.2017). This is 7. Apple Corp. [Электронный ресурс], URL: https://www. /iphone-7/ (дата обращения: 19.06.2017). Сборник задач по физике. 7-9 классы: пособие для учащихся общеобразовательных организаций / , . — 29-е издание. — М. : Просвещение, 2015. — 240с.