VIII класс

Программа средней школы по механике дает большие возможности для ознакомления школьников с научными основами механизации производства.

Несмотря на то что здесь изучают в основном механику материальной точки, в содержание этого раздела входят понятия и законы, которые позволяют ознакомить учащихся с некоторыми физическими основами механизации.

В разделе "Динамика" рассматриваются вопросы, связанные с некоторыми физическими основами работы транспортных машин (осуществление поворотов, расчет тормозного пути и т. д.); изучается механика космических полетов (расчет первой космической скорости) и др.

При изучении элементов статики в тексте учебника и в упражнениях рассматривается принцип действия ряда строительных механизмов, изучаются способы повышения устойчивости конструкций, рассматриваются вопросы, связанные с определением опорных реакций (нагрузка на опоры моста, на блоки, кронштейны, тросы и т. д.). Изучение этих вопросов доводится до конкретных расчетов.

В теме "Законы сохранения в механике" учащиеся знакомятся с вопросами гидроэнергетики. Все это и многие другие элементы механизации входят в само содержание основ механики. Но эти знания, особенно важные в политехническом отношении, должны быть систематизированы, а в некоторых случаях дополнены в процессе преподавания необходимыми элементами, составляющими основы механизации. Эти дополнения не должны выходить за рамки программы и лишь способствовать хорошему усвоению самих законов механики и способов их применения для нужд практики. Ниже мы рассмотрим все эти вопросы в систематизированном виде по отдельным областям механизации, представленным на блок-схеме (рис. 7).

Рис. 7

Транспорт. Современный транспорт - это автомобили, трамваи, поезда, морские и речные суда, самолеты, в том числе и с реактивными двигателями и др.^*. К транспорту относятся также космические корабли.

^* (Ряд технических данных, характеризующих современные транспортные средства, приведен в приложении (табл. 8-12).)

Некоторые вопросы, связанные с механикой движения колесного транспорта, рассматриваются в учебнике для VIII класса на примере поезда, движущегося на прямолинейном участке пути и на закруглениях. Изучение ведется не только на уровне распознавания сил, действующих на колеса поезда при поворотах (выясняется роль реборды и возникновение сил упругости), но доводится до вывода расчетной формулы, связывающей силу упругости, которая вызывает движение поезда на закруглениях, с его скоростью и радиусом кривизны закругления. Выясняется также роль наклона железнодорожного полотна на закруглениях пути, причем и здесь дается расчет, объясняющий, почему при таком наклоне уменьшается износ рельса и реборды.

Вполне возможно и целесообразно довести знания учащихся об этом до умения самостоятельно рассчитать, на какую высоту должен быть поднят наружный рельс при некоторой заданной средней скорости v движения поезда на закруглении данного радиуса R, чтобы центростремительное ускорение создавалось не за счет бокового давления на реборду, а за счет суммы сил тяжести mg и нормального давления F_n рельсов на колеса поезда. Решив такую задачу, учащиеся объясняют явление, которое им, возможно, приходилось наблюдать: если поезд идет по кривой с той скоростью, на которую рассчитан наклон пути, пассажирам кажется, что вагон не наклонился, при меньшей скорости пассажирам кажется, что вагон наклонился внутрь кривой, при большей - наружу.

При изучении работы и мощности целесообразно вернуться к объяснению движения колесного транспорта и разъяснить учащимся роль коробки передач у автомобиля (или трактора), используя диапозитивы или настенную таблицу. Опираясь на формулу мощности N = |F|*|v| , учитель может объяснить, что если требуется увеличить силу, приложенную к движущемуся телу (например, при подъеме автомобиля в гору), то уменьшают скорость. Последнее достигается переключением передач. Здесь же уместно разъяснить, что коробки передач устанавливают также на станках и, когда требуется при постоянной мощности увеличить силу, с которой, например, резец действует на обрабатываемую деталь, с помощью нее уменьшают скорость вращения обрабатываемой детали.

О самом современном транспорте с реактивными двигателями восьмиклассники узнают при изучении закона сохранения импульса. В учебнике приводится расчет скорости ракеты. Но не менее важно рассчитать с учащимися реактивную силу тяги двигателя. Сделаем это на примере следующей задачи: "Из ракетного двигателя вытекает струя газа, образовавшегося при сгорании топлива, со скоростью u относительно ракеты. Масса ракеты с топливом в начальный момент равна M, расход топлива в единицу времени равен m₀. Определите реактивную силу тяги".

Решение. Найдем полный импульс ракеты в начальный момент p₁:

(здесь v₁ - начальная скорость ракеты).

Пусть за малый промежуток времени Δt из ракеты вытекла струя газов^* массой m, а скорость ракеты при этом увеличилась до v₂. Скорость истечения газов относительно Земли равна u + v₂.

^* (Заметим, что при решении этой задачи приходится делать упрощение допускать, что продукты сгорания топлива истекают не непрерывно, а порциями.)

Найдем импульс системы "ракета - топливо" через промежуток времени Δt:

По закону сохранения импульса

Поэтому

или

Разделив последнее уравнение на Δt, получим:

Поскольку (реактивная сила тяги), а (ежесекундный расход топлива), то

Значит, реактивная сила тяги пропорциональна скорости выброса продуктов сгорания топлива относительно ракеты и направлена в противоположную сторону.

Напомним для сравнения, что у винтовых двигателей при увеличении скорости сила, с которой они действуют на движущееся тело, уменьшается.

Из вопросов, связанных с освоением космоса, в учебнике рассматривается явление невесомости и проводится расчет первой космической скорости. Эти вопросы воспринимаются учащимися с большим интересом и хорошо ими усваиваются.

При подборе задач на расчет первой космической скорости следует указать особенно интересный и практически важный случай определения высоты над поверхностью Земли, на которую должен быть запущен спутник, чтобы он всегда находился над одной и той же точкой земного экватора (синхронный спутник).

Для того чтобы спутник "висел" над одной и той же точкой экватора, его период обращения вокруг Земли должен быть равен периоду обращения Земли вокруг своей оси. Такой спутник применяется для осуществления дальней радиосвязи.

Говоря со школьниками о космической технике, необходимо отметить, что эта техника обладает колоссальной точностью. Как известно, сейчас возможны корректировки орбиты космического корабля, однако такая корректировка оказывается неэффективной, если ошибка при выведении корабля на орбиту превышает следующие значения (см. табл. 2)^*:

Таблица 2

^* (Эти данные взяты из работы Ю. И. Новокшонова "Человек и техника в освоении космоса". М, 1972.)

Такой точности не обеспечивает на сегодняшний день ни одно другое транспортное средство.

В связи с этими вопросами необходимо уделить особое внимание освещению роли К. Э. Циолковского в освоении космического пространства, его идее многоступенчатой ракеты, схему которой следует разъяснить учащимся. Надо рассказать о вкладе Циолковского в развитие аэродинамики, ракетной техники и теории межпланетных путешествий. Учащимся необходимо напомнить о достижениях Советского Союза в освоении космического пространства.

Строительные механизмы^*. Важную роль в механизации строительных работ играет подъемный кран. Ознакомиться с его действием восьмиклассники могут при подготовке и проведении экскурсии на строительную площадку в связи с изучением основных положений статики.

^* (Данные о наличии строительных машин и механизации строительных работ приведены в табл. 2 и 19 приложения.)

В узлы подъемного крана входят простые механизмы - блоки, полиспасты, вороты, рычаги и их различные сочетания. Разбирая работу этой машины, учащиеся применяют такие физические понятия, как момент силы, условия равновесия тел и др.

Рис. 8

В физическом кабинете школы необходимо иметь схему башенного подъемного крана (или диапозитивы), по этой схеме (рис. 8) легко показать учащимся его основные части: решетчатую металлическую башню 1, ходовую тележку 2 (база крана), верхнюю поворотную часть крана 3, к которой с одной стороны прикрепляется система 4, поддерживающая перемещаемый груз, а с другой - тяжелый противовес 5. Во многих современных кранах противовес помещают в нижней части крана, что увеличивает его устойчивость. В верхней или средней части башни крана расположена кабина управления. Подъем груза производится с помощью электролебедки.

Условие устойчивого равновесия тела, имеющего площадь опоры, учащимся известно. На примере крана им поясняют, что его равновесие обеспечивается в том случае, если вертикаль, опущенная из центра тяжести крана на основание, не выходит за пределы контура, ограниченного колесами ходовой тележки.

Полученные учащимися знания об условии равновесия тела, имеющего ось вращения, позволяют им проводить расчеты максимального груза, который может быть поднят краном, и необходимого для этого противовеса. Для этого нужно на схеме (рис. 9) изобразить силы, действующие на различные части крана, отметить на чертеже плечи этих сил. По этой схеме выясняют, что для нагруженного крана сила упругости F₁ троса, действующая на конец стрелы, и сила тяжести F₂, действующая на стрелу, создают опрокидывающие моменты относительно линии, соединяющей обращенные к стреле два колеса ходовой тележки. Сила тяжести F₃, действующая на противовес, и сила тяжести F₄, действующая на ферму консоли, на которой установлен противовес, создают удерживающие моменты. Удерживающий момент создает также сила тяжести F₅, действующая на тележку, балласт на ней и саму башню. После этого учащиеся, применив правило моментов, самостоятельно могут рассчитать условие равновесия крана.

Рис. 9

Объяснение действия крана не выходит за рамки содержания элементов статики в программе VIII класса. Здесь лишь конкретизируются и применяются изученные ими основные понятия. Разумеется, задача на определение устойчивости крана не должна быть первой из числа решаемых на уроке задач на применение правила моментов.

Правило моментов должно быть вначале применено к рассмотрению самой простой схемы сил, действующих на тело, имеющее ось вращения. И лишь затем следует перейти к конкретным ситуациям, осложненным многими деталями, которые вначале в простой задаче опускаются.

Строительная площадка может служить прекрасным объектом экскурсии с учащимися VIII класса. Кроме башенного крана, который они здесь увидят, во время такой экскурсии можно ознакомить ребят и с другими строительными машинами - транспортером, бульдозером, бетононасосом, скрепером, с помощью которых осуществляется механизация строительных работ.

Механизация сельского хозяйства. Важное место в решении проблемы повышения продуктивности сельского хозяйства принадлежит использованию в этой отрасли производства достижений современной физической науки: внедрение передовых методов физики в изучение почвы и процессов взаимодействия растений и среды, исследование оптических свойств поверхности почвы и растительного покрова, высокочастотный прогрев семян, приемы борьбы с заморозками, система использования искусственного освещения и многое другое.

Особенно большое значение имеет создание новых конструкций тракторов, удовлетворяющих повышенным требованиям, таким, как уменьшение веса на единицу мощности, увеличение рабочих скоростей, снижение удельного расхода топлива, повышение мощности двигателей, улучшение автоматического вождения, создание двигателей, работающих на разных видах топлива, и др.

Разумеется, обо всех этих проблемах учителю нет необходимости говорить при объяснении учебного материала. Но, несомненно, уже восьмиклассникам при первом ознакомлении с элементами механизации должно быть дано ясное представление о том, какой огромный скачок производительности труда дает ее применение в сельском хозяйстве. Здесь можно привести такой пример: самоходный зерноуборочный комбайн (СК-6 "Колос"), у которого мощность двигателя 110 кВт, имеет производительность 5-6 кг хлебной массы в 1 с. Обслуживает его 1 человек.

Данные об объеме поставок основных сельскохозяйственных машин в Советском Союзе в девятой и десятой пятилетках учитель найдет в табл. 4 приложения.

При изучении механики в VIII классе могут быть разъяснены физические основы действия некоторых сельскохозяйственных машин, применяемых в полевых работах и животноводстве. Более полное представление об этих машинах учащимся можно дать во время экскурсии в ближайший колхоз, совхоз или в ремонтную мастерскую.

Ниже приводится ряд вопросов, связанных с сельскохозяйственной тематикой, которые целесообразно рассмотреть на уроках.

Большинство почвообрабатывающих орудий (зубья бороны, плужный нож, лемех, почвоуглубитель плуга, лапы культиватора) представляют собой клин, действие которого легко объяснить восьмиклассникам на основе их знаний о наклонной плоскости.

Рис. 10

При изучении элементов статики, когда рассматривается равновесие тела на наклонной плоскости, целесообразно дать представление о силах, с которыми плужный нож действует на почву (или, наоборот, силы действуют на плуг). Нож действует на почву с силой F (рис. 10). Составляющая F₂ этой силы вызывает движение частиц почвы вперед, а F₁ - вверх по лезвию. Благодаря скольжению частиц уменьшается усилие, необходимое для резания.

Как клин, действует и лемех, подрезающий пласт снизу и поднимающий его на отвал.

Процесс вспашки напоминает работу резца при снятии стружки: нижняя поверхность почвенного пласта при движении по отвалу растягивается, а верхняя сжимается. Внутри пласта происходит деформация сдвига.

Для плугов тяговое сопротивление зависит главным образом от качества почвы, ширины захвата и глубины пахоты. При чрезмерной влажности или сухости почвы оно увеличивается. Тщательный уход за машинами и орудиями, очистка их от грязи, своевременная смазка не только улучшают качество работы, но и уменьшают тяговое сопротивление.

Большое значение для механизации сельскохозяйственных работ имеют посевные и рассадопосадочные машины. Во время экскурсии учащиеся могут ознакомиться с этими машинами и их назначением, рассмотреть систему их передаточных механизмов. Некоторые вопросы, касающиеся устройства таких машин, полезно разобрать на уроке. Так, при изучении относительности движения можно рассмотреть следующий пример. Для нормальной работы ряда посадочных и уборочных машин необходимо, чтобы при соприкосновении рабочего органа машины с почвой его скорость относительно поверхности почвы приближалась к нулю. Для этого он должен двигаться в этот момент с той же скоростью, что и сама машина, но в противоположном направлении. Тогда рассадочный материал в момент опускания в почву попадет в нужное место без всякого смещения в сторону.

С устройством самоходного комбайна (в котором соединяются двигатель, передаточные и исполнительные механизмы) можно ознакомить восьмиклассников также во время экскурсии. Ученики наблюдают, как работают исполнительные механизмы комбайна (режущий и молотильный аппараты, приспособления для очистки), как комбайнер управляет комбайном (включает передачи на рабочие органы, с помощью рычага управляет гидравлическим подъемником жатвенной части). Полученные во время экскурсии сведения послужат для них материалом, позволяющим в заключительной теме VIII класса обобщить знания об использовании машин в промышленном и сельскохозяйственном производстве.

В сельском хозяйстве широко применяются такие механизмы, как центрифуги, центробежные насосы, центробежные сушилки, сепараторы, медогонки, тахометры и др. Ознакомление с принципом их действия представляет собой благодатный материал для изучения конкретных примеров применения законов Ньютона. Поскольку в программе и в учебнике не вводится понятие о центробежной силе инерции, можно объяснить действие этих механизмов на основе представления о "центробежном движении". Это явление происходит тогда, когда вращающееся тело имеет некоторую скорость v относительно неподвижной системы отсчета, а действующая на него сила, направленная к центру, недостаточна, чтобы сообщить ему необходимое центростремительное ускорение. Поэтому относительно вращающейся системы отсчета тело будет удаляться по радиусу от центра. Относительно же неподвижной системы отсчета оно будет двигаться по раскручивающейся спирали.

Рассмотрим, например, действие сепаратора, предназначенного для отделения сливок (жирной, наименее плотной части молока) от обрата (части молока большей плотности).

Основная часть сепаратора - металлический барабан, заполняемый молоком и приводимый в быстрое вращение (до 250 ^об/_с). Частицы молока неодинаковой плотности при этом будут удаляться от оси вращения: ближе к оси будут находиться частицы меньшей плотности, для сообщения которым центростремительного ускорения требуется меньшая сила. Ею служит сила взаимодействия между частицами молока. Частицы большей плотности удаляются к периферии барабана. Сливки и обрат вытекают из сепаратора по отдельным трубам, отверстия которых расположены на различных расстояниях от оси.

Многие данные по механизации работ в земледелии приведены в табл. 1, 3, 4 приложения.