Основы физики: Как рассчитать массу, вес и объем

Любые физические показатели можно измерить опытным путем и рассчитать производные от них. Например, измерив объем и массу, мы можем найти плотность — производную от них величину, или зная высоту поверхности и вес вещи можем рассчитать энергию.

Эксперименты по определению и изучению основных физических показателей помогут наглядно продемонстрировать и понять суть физических законов, которые действуют в нашем мире.

С помощью практических опытов ученики смогут легче запомнить формулы, разобраться с теоремами, уверенно объяснять физические явления, а также ответить на вопрос, какими экспериментами в физике можно это подтвердить. Например, изучить плавучесть, земное притяжение или доказать взаимосвязь массы и энергии.

Проект: «Масса, объём и плотность»

Эксперимент посвящен взаимосвязи массы объекта, его объема и плотности. Опытным путем мы сможем узнать о гравитационном ускорении, плотности воды, почему некоторые вещи не тонут, а плавают на поверхности и из-за чего вес космонавтов на Луне меньше, чем на Земле.

Вес и плотность – схожие понятия, но их нельзя путать, поскольку напрямую они друг от друга не зависят. Вес может сколько угодно меняться, а плотность при этом остается неизменной. Плотность – это количество материи, которое помещается в объем объектов. Как рассчитать плотность, зная вес и объем?

Используя общеизвестные формулы можно легко подсчитать объем геометрических фигур. Например, объем шара рассчитывается по формуле 4/3 π³, а объем куба как произведение длины, ширины и высоты. Но, у реальных предметов совершенно разные формы. Более того, объекты могут быть и вовсе бесформенными. И подсчитать их параметры по стандартным формулам не получится. Как тогда найти объем вещества? На помощь приходит вода.

Что нам понадобится:

• вода;
• весы для измерения в граммах;
• цилиндрический сосуд с мерной шкалой, объемом 0,5-1 литр (с широким горлышком);
• объекты разного веса: апельсин, теннисный мячик, часть металлической трубки, металлические деньги, завернутые в бумагу, т.д.

Ход эксперимента:

1. Взвешиваем каждый предмет по отдельности, записываем получившийся результат в граммах.
2. Мерный сосуд заполняем водой наполовину. Объем налитой воды записываем.
3. Полностью опускаем выбранный предмет в воду.
4. Теперь измеряем совокупный объем воды и опущенного в нее предмета.
5. Пункты 3 и 4 повторяем для всех объектов.
6. С помощью полученных значений объема вычисляем массу и плотность.

Объект	Вес (г)	Начальный объём (мл)	Конечный объём (мл)	Объём (мл)	Масса (г)	Плотность (г/мл)
A
B
C
D
E
F
G

Вывод:

С использованием воды и емкости нам удалось узнать не только объем предметов, но и их плотность. Как вы думаете, для чего нам нужна плотность? На что она влияет? Как с ее помощью рассчитать массу?

Опытным путем мы смогли убедиться, что плотность влияет на массу объектов, а масса — на гравитационное ускорение. Получается, что от величины плотности зависит ускорение свободного падения. При этом величина объема будет оставаться неизменной.

В то же время, поскольку ускорение свободного падения зависит от массы тела, то для Луны и Земли оно разное. Масса Луны в шесть раз меньше массы Земли, поэтому из-за слабого гравитационного притяжения космонавты на Луне весят меньше, чем на Земле.

Плавучесть предметов также зависит не от объема, а от плотности. Если она меньше плотности воды, то предмет будет плавать на поверхности, в противном случае – утонет. Это закон Архимеда. Подробнее о нем написано в следующем проекте.

Проект: «Объём и вытеснение воды»

В ходе эксперимента установим, как объем вытесненной воды зависит от объема погруженной вещи.

Впервые соответствие объема воды, вытесненной объектом, и объема этого объекта установил Архимед, когда опустился в ванную и крикнул «Эврика!». В проекте мы наглядно покажем объем вымещения воды, а затем попробуем спрогнозировать результат.

Что нам понадобится:

• три стакана, два из которых полностью одинаковые;
• вода;
• карандаш;
• монеты;
• камни, по размеру крупнее монет;
• другие предметы для погружения в стакан;
• емкость для контроля объема вылитой воды.

Ход эксперимента:

1. Возьмем одинаковые стаканы, которые не полностью, но одинаково наполним водой.
2. Отметим уровень воды в обоих стаканах.
3. Поочередно бросим сначала монету в один стакан, а потом камень во второй стакан. Что стало с уровнем воды?
4. Бросим по 10 монет и камней в каждый стакан. Что произошло с уровнем воды?
5. Бросаем монеты и камни до тех пор, пока вода не выливается через край стаканов. Сколько поместилось монет, а сколько камней, пока вода не стала вытекать?
6. Возьмем третий стакан, также наполним его водой.
7. Попробуем угадать, сколько монет или камней поместиться в стакан, прежде чем вода начнет вытекать? Проверяем на практике.
8. Проделаем такой же опыт со стаканами других параметров, а также иными объектами.
9. Предположим, сколько монет или камней нужно будет бросить в стакан, чтобы уровень воды стал таким же, как у стакана с другими объектами. Сравним их объем.

Вывод:

Погружая в воду различные объекты, по объему вытесненной жидкости мы смогли установить их объем, тем самым проверив закон Архимеда на практике.

Архимед установил, что объект, опущенный в воду, вытесняет такой объём жидкости, который равен объёму самого объекта. Соответственно, если объектов несколько (10 монет или камней), то объем вытекшей жидкости будет равен совокупному объему всех помещенных в воду объектов.

Проект: «Масса или вес»

Масса и вес – это синонимы или есть различия? Выполнив настоящий проект, мы опытным путем узнаем отличие веса тела от массы.

Масса – это количество материи, содержащейся в объекте, тогда как вес – это сила притяжения, которая воздействует на объект.

Масса предмета или человека не изменяется при перемещении в пространстве. Что нельзя сказать о весе, который напрямую зависит от силы гравитации. Поэтому на Луне, где сила притяжения меньше чем на Земле, предметы всегда будут весить меньше.

В свою очередь сила гравитации зависит от массы. Чем выше масса предмета, тем выше показатель силы притяжения.

Научный проект способствует приобщению учеников к исследованиям, изучению массы, использованию контрольной точки, установлению зависимых и независимых переменных, сбору данных. Ученики составляют презентации, учатся принимать решения на основании полученных опытным путем данных. Дети смогут почувствовать себя настоящими учеными.

Что нам понадобится:

• канцелярские ножницы;
• степлер;
• маркер;
• весы;
• губка;
• водяной шарик;
• фрукт;
• камень;
• пачка попкорна.

Ход эксперимента:

1. Подготовим все материалы, необходимые для проведения опыта. По желанию, для фотоотчета, можно взять фотоаппарат. Сделаем по две копии ниже представленных таблиц.
2. Выбираем себе человека в пару, который, не зная ваши результаты, повторит все шаги, а потом оформим наблюдения таблицей.
3. Определяем приблизительный вес каждого выбранного нами предмета по собственным ощущениям. Раскладываем все предметы по убыванию веса: от самого тяжелого до самого легкого.
4. Пронумеруем расставленные предметы. Самый легкий – номер 1 и т.д.
5. Теперь можно приступить к самому эксперименту – взвешиваем каждый предмет на весах по отдельности.
6. Сверяем полученные результаты с записанными ранее. На сколько совпал вес? Как вы оценивали вес предмета без измерительного прибора? Возможно, вас смутил размер предмета?
7. Все шаги, начиная с 4 пункта, заканчивая 7 пунктом, повторяет партнер.
8. Сравниваем данные, записанные в вашей таблице, с результатами партнера. Все совпало? Вами допущены одинаковые ошибки? На каком этапе?
9. Проанализируем полученные результаты. К какому выводу вы пришли? Опишите проект с использованием установленных данных, а также списка использованной литературы.

Таблица с упорядоченными по собственным ощущениям предметами: от более тяжелого объекта

Моя последовательность
Последовательность моего партнёра

Таблица с упорядоченными предметами на основании измерений весами

Объекты	Настоящий вес
пачка попкорна
фрукт
камень
ножницы
фломастер
губка
шарик с водой
степлер
денежная купюра
монета

Вывод:

Как определяется масса воды в опыте? В ходе проекта мы установили, что массу тела можно измерить с помощью весов. Как вы думаете, на что влияет масса и вес предмета? Как с помощью массы рассчитать вес?

Зная массу можно рассчитать силу притяжения, то есть вес тела. Получается, что вес напрямую зависит от массы тела. Поскольку масса Луны меньше Земли, то вес объектов на этом небесном теле будет меньше. Луна гораздо слабее притягивает к себе предметы, чем Земля. Значение силы земного притяжения трудно переоценить, ведь она помогает нам сохранять равновесие и не падать при ходьбе.

Проект: «Работа и энергия»

Выполнив проект, мы узнаем, что такое энергия и работа, как их измерить, как наклонная поверхность, вес объекта влияют на расстояние, до которого скатиться предмет.

Чтобы понять, что такое энергия, в ходе эксперимента будем изменять угол наклона поверхности и вес объекта.

Для того чтобы рассчитать энергию воспользуемся формулой: E = HxW, где E – энергия, H – высота, а W – вес.

Единицы измерения энергии — граммы на сантиметры: в граммах измеряем вес выбранной вещи, сантиметрах — высоту.

В качестве предмета удобно взять банку, вес которой можно регулировать, наполняя водой. Что даст совершенно разные результаты, поскольку при плескании воды в банке часть энергии теряется.

Что нам понадобится:

• гладкая, ровная доска, шириной минимум 30 см, длиной около 120 см;
• две банки (одну большего размера, другую меньшего) цилиндрической формы с крышкой и широким горлышком. Например, банки из-под томатной пасты, майонеза, чипсов и т.д.;
• вода;
• карандаш;
• книги, учебники или другие вещи для подпорки доски;
• фотоаппарат;
• скотч.

Ход эксперимента:

1. С использованием книг устанавливаем доску под наклоном так, чтобы расстояние от поднятой стороны до поверхности было 8 см. В этом месте начертим линию на доске.
2. Приклеиваем скотч по длине доски, для того чтобы потом быть уверенными, что банка катиться по прямой.
3. Десять раз скатываем большую банку по доске, начиная от размеченной линии. После каждого скатывания измеряем расстояние от нижнего края доски до места остановки банки. Подсчитываем средний результат.
4. Увеличиваем угол наклона доски, подложив под нее еще одну книгу. Находим участок на доске, расстояние от которого до поверхности 8 см, чертим на этом месте линию. Далее повторяем действия из пункта 3. Изменились ли результаты? Что будет, если скатывать банку не с отмеченной линии, а выше или ниже?
5. Теперь повторяем шаги 2-4 с маленькой банкой. Есть ли разница между полученными результатами, если рассчитывать энергию по вышеописанной формуле.

Для сравнения повторим шаги 2-4 для большой банки, наполненной водой. Как объяснить полученные результаты?

Вывод:

Результаты проекта показали, что неважно, на каком расстоянии над поверхностью земли мы начинаем скатывать предмет, независимо от угла наклона банка всегда останавливалась на одном расстоянии от конца доски. Как вы думаете, почему так происходит и, причем здесь энергия?

Такие результаты легко объяснимы, если рассчитать количество энергии, которое необходимо для скатывания банки. Расстояние, на которое прокатиться банка напрямую зависит от энергии, которой она будет обладать, когда докатиться до нижнего края доски.

Проделанный опыт подтверждает, что энергия у банки становится больше, если увеличиваются наклон доски или вес банки за счет наполнения ее водой.

За счет изменения энергии совершается работа всех внутренних и внешних сил, действующих на банку с разной мощностью.

Заключение

Масса, объем, вес, плотность, энергия – это все физические величины, которые измеряют индивидуальные свойства объектов.

В жизни мы постоянно сталкиваемся с измерением тех или иных величин. Так мы познаем природу, окружающий нас мир и действующие в природе закономерности, называемые физическими законами.

Выполнив проекты по определению физических величин, ученики не только смогут дать определение понятиям массы, плотности и других, но и объяснить причинно-следственные связи полученных результатов, тем самым подтвердив физические формулы.