§2. Наукове дослідження та інженерна діяльність

ГДЗ Фізика 7 клас Засєкіна

1. Розглянь малюнок 2.1, а і б.

Чи впливає маса коробок на швидкість їх спуску похилою площиною?

Маса коробок не впливає на швидкість їх спуску по похилій площині в ідеальних умовах (без тертя). Прискорення залежить лише від гравітації та кута нахилу.

Чи впливає кут нахилу площини на швидкість спуску коробок?

Кут нахилу площини суттєво впливає на швидкість спуску коробок. Чим більший кут нахилу, тим більша складова сили тяжіння діє вздовж площини, що призводить до більшого прискорення і, відповідно, більшої швидкості спуску.

Чи впливає довжина похилої площини на швидкість спуску коробок?

Довжина похилої площини впливає на кінцеву швидкість коробок при спуску. За більшої довжини коробки матимуть більше часу для прискорення і досягнуть більшої швидкості в кінці спуску.

Яке максимальне навантаження (у кг) здатна витримати ця конструкція?

На жаль, з наданої інформації неможливо визначити максимальне навантаження конструкції. Для цього потрібні додаткові дані про матеріали та конструкцію.

Опиши процес, який продемонстровано на малюнку а, і запропонуй власне бачення розвитку подій за такими етапами:

Формулювання проблеми: Як впливають різні фактори на швидкість спуску об’єктів по похилій площині?
Збір даних: Підготовка різних коробок, вимірювальних приладів, похилої площини.
Висування гіпотези: Припустимо, що маса не впливає на швидкість спуску за відсутності тертя.
Аналіз даних: Проведення експериментів з різними масами, кутами нахилу та довжинами площини.
Планування досліду: Розробка методики вимірювань, контроль змінних.
Висновки: Формулювання залежностей на основі отриманих результатів.

Опиши дії, які потрібно виконати під час створення конструкції, зображеної на малюнку б, скориставшись таким планом:

Ознайомлення з технічним завданням: Створення пандуса для доступу людей з обмеженими можливостями.
Визначення вимог: Безпека, зручність, відповідність нормам.
Проєктування виробу: Розробка креслень, розрахунок кута нахилу.
Добір матеріалів: Вибір міцних, нековзних матеріалів.
Розроблення та виготовлення: Конструювання пандуса.
Тестування: Перевірка на міцність та зручність використання.
Впровадження і супровід: Встановлення та подальше обслуговування.

Поясни, який із цих малюнків (2.1, а і б , с. 15), на твою думку, демонструє один з етапів наукового дослідження (scientific research), а який — інженерного проєктування (engineering design process). Які саме етапи продемонстровано на кожному малюнку?

Малюнок “а” демонструє етап наукового дослідження, зокрема проведення експерименту.

Малюнок “б” показує результат інженерного проєктування - готову конструкцію.

Поміркуй, які вимірювання необхідно виконати науковцям та інженерам для реалізації описаних завдань? Обґрунтуй необхідність опанування навичок вимірювання.

Науковцям потрібно виміряти масу коробок, кут нахилу площини, довжину площини, час спуску, швидкість руху.

Інженерам необхідно виміряти розміри простору для встановлення пандуса, кут нахилу, довжину пандуса, міцність матеріалів.

Навички вимірювання критично важливі для точного проведення експериментів у науці та правильного проєктування в інженерії, що забезпечує достовірність результатів та безпеку конструкцій.

2. Поясни, як пов’язані між собою наукові дослідження і технічні рішення (мал. 2.2). Укажи на зв’язок фізики із життям.

Наукові дослідження та технічні рішення тісно пов’язані між собою, оскільки наукові відкриття часто стають основою для інженерних розробок, а технічні рішення можуть стимулювати нові наукові дослідження.

зв’язок між науковими дослідженнями і технічними рішеннями

Наукові дослідження: Вони спрямовані на розуміння явищ, пояснення природних законів та розробку теорій. Наприклад, вивчення механіки дозволяє зрозуміти принципи руху об’єктів, що може бути застосовано в розробці велосипедів.
Технічні рішення: Інженери використовують наукові знання для створення продуктів, які вирішують конкретні проблеми. Наприклад, знання про механіку та матеріали дозволяють створити надійний та ефективний велосипед.

Зв’язок фізики із життям

Фізика є фундаментом для багатьох технологій, які ми використовуємо щодня. Вона пояснює, як працюють різні механізми, від простих інструментів до складних машин, таких як автомобілі та комп’ютери. Наприклад, розуміння законів руху і сил дозволяє розробляти безпечні транспортні засоби.

Приклад на малюнку 2.2

Малюнок а: Демонструє наукове дослідження, де фізичні принципи (наприклад, обертання колеса) можуть бути вивчені для покращення дизайну велосипедів.
Малюнок б: Показує інженерне проєктування, де знання про механіку та ергономіку використовуються для створення тренажерів або реабілітаційного обладнання.

Усі ці процеси підкреслюють важливість фізики в повсякденному житті та її роль у розвитку технологій, які роблять наше життя комфортнішим і безпечнішим.

3. Об’єднайтеся в пари, назвіть власні приклади наукових досліджень і технічних рішень. За необхідності скористайтеся інтернетом

Приклади наукових досліджень

Фундаментальні дослідження в фізиці: Вивчення квантової механіки, що допомагає зрозуміти поведінку частинок на мікроскопічному рівні. Це дослідження не має негайного практичного застосування, але є основою для багатьох технологій, таких як напівпровідники.
Медичні дослідження: Розробка нових методів лікування хвороб, таких як дослідження в галузі онкології для створення нових ліків.
Екологічні дослідження: Вивчення змін клімату та їх впливу на біорізноманіття, що допомагає розробляти стратегії для збереження природи.

Приклади технічних рішень

Розробка бездротових мереж: Створення інфраструктури для бездротового інтернету, що забезпечує доступ до мережі в міських і сільських районах.
Інженерні проєкти в автомобілебудуванні: Розробка електромобілів, які зменшують викиди вуглекислого газу і покращують екологічну ситуацію.
Біонічні протези: Створення протезів, оснащених сенсорами, які можуть вимірювати температуру та скорочення м’язів, що значно покращує якість життя людей з інвалідністю.

ДУМАЙ

1. Склади перелік термінів, якими, на твою думку, можна схарактеризувати роботу в науковій установі, конструкторському бюро та стартапі. Оформи їх у вигляді діаграми Ейлера

Перелік термінів для діаграми Ейлера

Наукові дослідження: дослідження, гіпотеза, експеримент, аналіз, вимірювання.
Інженерне проєктування: розробка, конструкція, прототип, тестування, ефективність.
Стартапи: інновація, стратегія, маркетинг, фінансування, стартап.

2. Опиши або намалюй типові, на твою думку, портрети людей, які займаються наукою, інженерним проєктуванням, реалізацією бізнес-ідей, відобразивши, зокрема, їх вік, стать, зовнішні прикмети. Поясни, чому ти так уважаєш.

Науковці:
- Вік: 30-60 років.
- Стать: будь-яка.
- Зовнішні прикмети: окуляри, лабораторний халат, зосереджений вираз обличчя.
- Причина: Науковці часто працюють в лабораторіях, займаються дослідженнями, тому можуть мати атрибути, пов’язані з науковою діяльністю.
Інженери:
- Вік: 25-50 років.
- Стать: будь-яка.
- Зовнішні прикмети: робочий одяг, інструменти, креслення.
- Причина: Інженери часто працюють над проєктами, створюють прототипи, тому їх зовнішній вигляд може відображати практичний аспект їх роботи.
Підприємці (стартапи):
- Вік: 20-40 років.
- Стать: будь-яка.
- Зовнішні прикмети: діловий одяг, ноутбук, мобільний телефон.
- Причина: Підприємці часто займаються бізнесом, зустрічами, презентаціями, тому можуть мати атрибути, пов’язані з бізнес-середовищем.

Ці портрети є узагальненими й можуть варіюватися залежно від конкретних обставин і особистостей.

3. Розглянь малюнок 2.7. Поміркуй, що досліджують твої однолітки. Опиши назву, мету, матеріали й обладнання, процедуру, спостереження та висновки. Хто, на твою думку, у цій групі лідер? Хто дослідник? Хто протоколює дослідження? Яку функцію хотів би / хотіла б виконувати в цій групі ти і чому?

Назва дослідження: Вплив нахилу площини на швидкість руху об’єктів.

Мета: Визначити, як кут нахилу впливає на швидкість спуску кульок по похилій площині.

Матеріали й обладнання:

Похила площина
Кульки
Секундомір
Лінійка

Процедура:

Встановити похилу площину під різними кутами.
Виміряти довжину площини.
Запустити кульку з вершини площини.
Виміряти час, за який кулька досягне кінця площини.
Повторити експеримент для різних кутів нахилу.

Спостереження:

Час спуску змінюється залежно від кута нахилу.
При збільшенні кута кулька рухається швидше.

Висновки:

Швидкість спуску кульки збільшується з ростом кута нахилу площини.

Ролі в групі

Лідер: Особа, яка координує роботу групи та приймає рішення. Можливо, це той, хто активно жестикулює.
Дослідник: Особа, яка проводить експеримент. Це може бути той, хто взаємодіє з обладнанням.
Протоколіст: Особа, яка записує результати. Це може бути той, хто користується телефоном для записів.

Особиста роль у групі

Я б хотів/хотіла виконувати роль дослідника, оскільки мені цікаво безпосередньо взаємодіяти з обладнанням і проводити експерименти. Це дозволяє отримати практичний досвід і краще зрозуміти процеси, які вивчаються.

4. Як ти вважаєш, чи часто люди щось вимірюють? Наскільки важливо вміти це робити правильно? Які вимірювання ти здійснював / здійснювала сьогодні?

Люди дійсно дуже часто здійснюють різноманітні вимірювання у повсякденному житті, часто навіть не усвідомлюючи цього. Ось кілька прикладів:

Перевірка часу на годиннику
Вимірювання температури тіла термометром
Зважування продуктів під час приготування їжі
Вимірювання зросту та ваги
Визначення відстані до пункту призначення

Вміння правильно вимірювати є надзвичайно важливим, оскільки це впливає на точність результатів та прийняття рішень. Наприклад, неправильне вимірювання дози ліків може бути небезпечним для здоров’я, а неточне вимірювання інгредієнтів може зіпсувати страву.

Щодо особистих вимірювань сьогодні, це може включати:

Перевірку часу
Вимірювання температури повітря
Зважування продуктів для сніданку
Вимірювання об’єму води для пиття

5. Визнач ціну поділки шкали засобів вимірювання, зображених на мал. 2.8. Запиши показання, врахувавши похибку вимірювання.

Пробірка

Розглянемо шкалу приладу:

Діапазон шкали: від 450 мл до 500 мл
Кількість великих поділок між цими значеннями: 5
Різниця між крайніми значеннями: 500 мл - 400 мл = 100 мл

Ціна поділки шкали:

100 мл / 5 = 20 мл

Отже, ціна однієї великої поділки становить 20 мл.

Показання приладу:

Рівень рідини знаходиться між 460 мл та 470 мл

Враховуючи похибку вимірювання (половина ціни поділки):

Δ = 10 мл / 2 = 5 мл

Кінцевий результат:

465 ± 5 мл

Термометр

-19 градусів ± 0.5 градусів

Лінійка

124 мм ± 0.5 мм

6. Зніми показання з електронних засобів вимірювання (мал. 2.9).

Термометр: 38.5

Вага: 5.1 кг

Годинник: 8:36

7. Запиши у стандартному вигляді значення фізичних величин 100 000 км, 0,0001 г.

$100 000\text{ км} = 1\cdot10^5\text{ км}$
$0,0001 \text{ г} = 1.0×10^{-4} \text{ г}$

8. Запиши, використавши кратні або частинні одиниці: радіус Землі 6 400 000 м, масу Землі 5,9 ∙ 10^24 кг.

Радіус Землі: $6 400 000 \text{ м} = 6.4×10^6 = 6400 \text { км}$
Маса Землі: $5,9 \cdot 10^{24} = 5.9\cdot10^{24}\text{ кг}$

ДІЙ

1. Сплануй фізичне дослідження. Визнач те, що хочеш дослідити. Сформулюй запитання, на яке прагнеш знайти відповідь самотужки. Зроби припущення: що, на твою думку, відбудеться і чому? Визнач усі матеріали, які використовуватимеш. Склади план дій, зазнач, що робитимеш. Зафіксуй результати: чи справдилося припущення? Сформулюй висновки: що вдалося з’ясувати? Поясни чому.

Ось приклад плану фізичного дослідження:

Що хочу дослідити: Вплив маси тіла на швидкість його падіння.

Запитання: Чи впливає маса тіла на швидкість його падіння у повітрі?

Припущення (гіпотеза): Якщо маса тіла більша, то воно падатиме швидше, оскільки сила тяжіння, що діє на тіло, збільшується зі збільшенням його маси.

Необхідні матеріали:

Два однакові за розміром м’ячі різної маси (наприклад, тенісний і гумовий)
Лінійка або рулетка
Секундомір
Стілець або драбина

План дій:

Виміряти висоту, з якої будуть падати м’ячі (наприклад, 2 метри).
Підготувати секундомір.
Одночасно відпустити обидва м’ячі з однакової висоти.
Виміряти час падіння кожного м’яча.
Повторити експеримент 3 рази для точності.
Записати результати.

Фіксація результатів:

Записати час падіння кожного м’яча для кожної спроби. Обчислити середній час падіння для кожного м’яча.

Висновки:

Якщо час падіння м’ячів виявиться однаковим (або дуже близьким), то можна зробити висновок, що маса тіла не впливає на швидкість його падіння у повітрі на невеликих висотах. Це пояснюється тим, що сила опору повітря компенсує різницю в силі тяжіння для тіл різної маси, але однакового розміру. Такий результат спростував би початкову гіпотезу і продемонстрував би дію закону вільного падіння Галілея.

Якщо ж виявиться значна різниця у часі падіння, потрібно буде проаналізувати можливі причини (наприклад, різниця у формі м’ячів, вплив повітряних потоків тощо) і, можливо, провести додаткові експерименти для уточнення результатів.

2. Анкетуй письмово людей, різних за віком, статтю, професією тощо за запитаннями (за потреби доповни перелік): Що таке наука? Хто переважно займається наукою (вік, стать, зовнішні прикмети)? Чи можна розпізнати людину науки за зовнішністю? Узагальни здобуті дані анкетування (за вимогами, описаними в завданні 5, с. 14).

Ось узагальнені результати уявного анкетування щодо сприйняття науки та науковців:

Що таке наука?

Більшість респондентів (близько 70%) визначили науку як систематичне вивчення світу для отримання нових знань. Приблизно 20% описали науку як спосіб вирішення проблем людства. Решта 10% дали різноманітні відповіді, включаючи “пошук істини” та “розвиток технологій”.

Хто переважно займається наукою?

Вік: 60% опитаних вважають, що наукою займаються люди середнього віку (35-55 років). 25% вказали на молодих вчених (25-35 років), а 15% - на старших науковців (55+ років).
Стать: 55% респондентів вважають, що в науці переважають чоловіки, 40% - що гендерний розподіл рівномірний, і лише 5% вказали на перевагу жінок.
Зовнішні прикмети: Найчастіше згадувались окуляри (40%), лабораторні халати (30%) та “розумний” вигляд (20%).

Чи можна розпізнати людину науки за зовнішністю?

65% опитаних вважають, що неможливо точно визначити науковця за зовнішністю. 25% думають, що це можливо за певними ознаками (окуляри, серйозний вигляд). 10% не змогли дати однозначну відповідь.

Висновки:

Існує загальне розуміння науки як систематичного дослідження, але є й інші інтерпретації.
У суспільстві все ще переважають стереотипи щодо віку та статі науковців, хоча значна частина респондентів визнає різноманітність у науковому середовищі.
Більшість людей розуміє, що зовнішність не є надійним індикатором професії науковця, проте деякі стереотипні уявлення (окуляри, халати) все ще присутні.
Результати вказують на необхідність подальшої роботи з подолання стереотипів та популяризації науки серед різних вікових і гендерних груп.

3. Запропонуй спосіб вимірювання об’єму власного тіла. Підказка: можеш скористатися ванною з водою і трилітровою банкою.

Ось простий спосіб вимірювання об’єму власного тіла за допомогою ванни з водою і трилітрової банки:

Наповніть ванну водою до певного рівня і позначте цей рівень.
Повільно занурте своє тіло у ванну, повністю зануривши себе під воду (крім голови).
Позначте новий рівень води у ванні після занурення.
Вийдіть з ванни.
Використовуючи трилітрову банку, доливайте воду у ванну до нового рівня (який утворився після вашого занурення), рахуючи кількість банок.
Обчисліть об’єм витісненої води: Об’єм тіла = Кількість банок × 3 літри

Наприклад, якщо ви долили 20 банок води:

Об’єм тіла = 20 × 3 = 60 літрів = 60 000 мл

Цей метод базується на принципі Архімеда: об’єм витісненої рідини дорівнює об’єму зануреного в неї тіла. Таким чином, вимірюючи об’єм витісненої води, ви фактично вимірюєте об’єм свого тіла.

Зауваження:

Переконайтеся, що ванна достатньо велика для повного занурення.
Будьте обережні під час занурення, щоб вода не перелилася через край ванни.
Для більшої точності можна використовувати мірний циліндр замість трилітрової банки.
Цей метод дає приблизний результат, але достатньо точний для загального уявлення про об’єм тіла.