Педагогический проект «Научная игрушка»

Подготовила воспитатель: Данько Т. А.

Любой ребенок в дошкольном возрасте обладает необыкновенной любознательностью — ему интересно все, что происходит в окружающем мире. Однако часто при отсутствии подкрепления интереса извне любопытство утихает. А родители в современном мире из-за занятости или в связи с трудностями объяснения сложных явлений доступным для ребенка языком нередко оставляют детские «почему?» без внимания. Поэтому нам, педагогам, необходимо помочь маленьким почемучкам своевременно получить доходчивые ответы на многие интересующие их вопросы.

Кроме того, ребенок  5–7 лет уже может замечать и прослеживать закономерности, устанавливать причинно-следственные связи, то есть обладает достаточно развитым мышлением, чтобы понять логику многих событий и явлений. Уровень развития внимания и памяти у детей 5–7 лет также вполне достаточен для усвоения азов некоторых разделов наук (которые традиционно изучаются в более позднем возрасте) при условии знакомства с ними в доступной возрасту форме. И здесь нам на помощь приходят научные игрушки и опыты.

С  помощью опытов ребенок в игровой форме познакомится с некоторыми физическими понятиями, а играя в предложенные игры, разовьет фантазию,   координацию и мелкую моторику. Наблюдая, играя, делая поделки, малыш не только получит новые знания и умения, но и научится логически мыслить, ставить перед собой задачи и решать их.

Знакомство и игры с такими игрушками, безусловно, будут способствовать расширению  кругозора детей, развитию мышления и речи, формированию познавательной мотивации, а также лучшему усвоению информации  в дальнейшем (когда в школе начнется преподавание таких предметов, как «химия», «физика», «география»).

Представляю вашему вниманию несколько научных игрушек и опытов, позволяющих детям понять некоторые физические законы.

  1. Машинка. Забавная игрушка, которую легко сделать своими руками. Наглядно демонстрирует принцип работы двигателей на реактивной тяге. Из сопла (у нас соплом выступает трубка) под давлением вырывается рабочее тело двигателя (у нас это воздух, но может быть и сжатый газ, и обычная вода), заставляя аппарат (машинку) передвигаться в противоположном направлении.

Для того, чтобы сделать эту поделку нам понадобится:

воздушный шарик, трубочка, канцелярская резинка, скотч, машина.

Машинка, используемая в опыте, должна быть максимально легкой.

Реактивная тяга используется в ракетах, самолетах и в некоторых гоночных машинах.

  1. Статическое электричество. «Почему когда кошку гладишь, она искриться?» «Почему человек бьется током?» Думаю, вы уже догадались, что у нас речь пойдет о статическом электричестве. Что же это такое и почему  возникает это явление? Как же помочь ребенку в этом разобраться?

Начать можно с простого физического опыта.

ОПЫТ: Веселые рыбки

Ход эксперимента:

Предложите ребенку нарезать или нарвать бумагу на мелкие кусочки — это будут наши рыбки. После этого потрите о волосы или шерстяную одежду воздушный шарик и поднесите его к кусочкам бумаги, насыпанным на столе — они начнут смешно подскакивать и прилипать к шарику.

Спросите малыша — на какое явление это похоже? Думаю, он сразу вспомнит, как точно так же притягивает мелкие железные предметы магнит. Все правильно — это родственные явления. У магнитов есть полюса — северный и южный. Если два магнита поднести друг к другу одинаковыми полюсами — они будут отталкиваться. А если разными — то притягиваться. Похожее происходит и с электрическими зарядами. Одинаково заряженные тела отталкиваются, противоположно заряженные — притягиваются.

Планетарная модель атома

Откуда же взялись электрические заряды в бумаге и воздушном шарике? Для ответа на этот вопрос нам надо обратиться к самым основам мироздания.

Все на свете состоит из мельчайших частиц — атомов. А они сами «сделаны» из одного большого положительно заряженного ядра (его заряд обозначают знаком «плюс») и нескольких маленьких отрицательно заряженных электронов  (их заряды обозначают знаком «минус»). В обычном атоме заряд ядра уравновешивается зарядами электронов. Поэтому тело, состоящие из таких атомов, электрически нейтрально. Но если каким-то образом у атома отнять или добавить электронов, то атом уже становится не нейтральным. У него становится какого-то из зарядов больше. Или положительного, или отрицательного. А если все тело состоит из таких атомов, то оно и получается положительно или отрицательно заряженным.

Теперь у нас достаточно знаний, чтобы объяснить опыт с рыбками. Раз шарик притягивал их, значит, какие у них были заряды? Разные или одинаковые? Разные! А откуда в шарике взялся заряд? Похоже, он появился от того, что мы терли его о шерсть. Некоторые электроны с шерсти от трения поотрывались от ее атомов и поприлипали к атомам шарика. И шарик приобрел какой заряд? Правильно, отрицательный. Поэтому он и стал притягивать бумагу.

Это явление люди знали уже в давние времена. Еще древние греки заметили, что если потереть кусочек янтаря о шерсть, то он начинает притягивать к себе мелкие соринки, шерстинки и т.п.

По-гречески «статический» — это «стоящий«. То есть статическое электричество — это стоящее электричество, в отличие от электрического тока, который, как известно даже младенцам, постоянно куда-то «течет». А статическое электричество  может лишь  накапливаться в телах, а потом разряжаться (высвобождаться на волю). И вот когда происходит разряд, говорят, что тело «бьется током«.

Для человека такой разряд не страшен, а вот для чувствительных электронных приборов статическое электричество бывает очень опасным. От разряда они могут сгореть.

Кроме того, заряженные предметы притягивают к себе всю пыль и мусор. Наверное, вы и сами замечали, что экраны телевизора и компьютера просто собирают на себя всю пыль в квартире. Поэтому на заводах со статическим электричеством обычно борются, используя специальные антистатические жидкости и покрытия.

Но неужели оно такое бесполезное и годится лишь только на пускание искр? Вовсе нет! Используя свойства статического электричества, люди научились делать многие вещи.

Например, чтобы краска на автомобиль ложилась ровным красивым слоем, на заводе машины красят так: сам автомобиль заряжают положительно, а краску — отрицательно. А потом начинают разбрызгивать краску над корпусом автомобиля. Частицы краски притягиваются корпусом — поэтому она как-бы облепляет его со всех сторон. А так как ее капельки все одинаково заряженные, то они отталкиваются друг от друга — из-за этого слой краски получается равномерным.

А еще статическое электричество используют для замешивания теста. На хлебозаводе муку заряжают положительно, а воду отрицательно. И когда потом их распыляют в специальной камере, то частички воды равномерно перемешиваются с частичками муки. И тесто получается очень однородным, без всяких комочков.

ИГРА. Электрорыбалка

Для игры понадобятся: две пластмассовые ручки и кусочки обычной бумаги или бумажные рыбки. 

Игроки берут по ручке, трут их о волосы или одежду и стараются перетянуть друг у друга бумажечки. Кому это удастся — тот и выиграл.

Представляю вашему вниманию игрушку —  Осьминожка.

  1. Магниты.

Магнит — это тело, обладающее магнитным полем. В природе магниты встречаются в виде кусков камня — магнитного железняка (магнетита). Он очень похож на железную руду и отличается тем, что может притягивать к себе другие такие же камни. Название происходит от названия гор и местности Магнисия в Малой Азии, где в древности были обнаружены залежи магнитита. Свойства магнитов широко используются в технике и в быту. Магнитами поднимают тяжелые грузы на заводах, магнитные приборы используют в больницах для лечения и диагностики, магниты помогают людям ориентироваться в пространстве, с помощью неодимовых магнитов делается слышимым звук в телефонной трубке и динамике магнитофона и телевизора, информацию в компьютере и на пластиковые карточки записывают при помощи намагничивания.

Свойства магнитов часто кажутся чуть ли не волшебством.

С  помощью опытов ребенок в игровой форме познакомится с некоторыми физическими понятиями, а играя в предложенные игры, разовьет фантазию, речь, а также координацию и мелкую моторику. Наблюдая, играя, делая поделки, малыш не только получит новые знания и умения, но и научится логически мыслить, ставить перед собой задачи и решать их.

КНИГА

  1. Динамическая игрушка «Дергунчик»

Прежде чем представить вам следующую игрушку, хочу сказать несколько слов о простейших механизмах.

Механизмы это инструменты, которые облегчают людям работу. Простейшие механизмы это самые простые инструменты. Их всего шесть: РЫЧАГ, КОЛЕСО И ОСЬ, БЛОК, НАКЛОННАЯ ПЛОСКОСТЬ, ВИНТ, КЛИН.

Рычаг это перекладина, которая вращается вокруг неподвижной точки, называемой точкой опоры.  Рычаг  может менять величину, расстояние и направление применения силы. Можно нажать на один край, и груз по другую сторону от точки опоры поднимется наверх.

Человек стал использовать рычаг ещё в доисторические времена, интуитивно понимая его принцип. Такие инструменты, как мотыга или весло, применялись, чтобы уменьшить силу, которую необходимо было прикладывать человеку. В пятом тысячелетии до нашей эры в Месопотамии применялись весы, использовавшие принцип рычага для достижения равновесия. Позже, в Греции, был изобретён безмен, позволивший изменять плечо приложения силы, что сделало использование весов более удобным. Около 1500 года до н. э. в Египте и Индии появляется шадуф (колодец с «журавлём»), прародитель современных кранов, устройство для поднимания сосудов с водой.

Первое письменное объяснение дал в III веке до н. э. Архимед. По легенде, осознав значение своего открытия, Архимед воскликнул: «Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю!»

Задача:

Рассчитаем, какой длины должен быть рычаг, чтобы с его помощью хрупкая девушка массой 50 кг смогла приподнять автомобиль массой 1500 кг, надавив на рычаг всем своим весом. Точку опоры рычага разместим так, чтобы короткое плечо рычага было равно 1 м? 31 м

А я хочу продемонстрировать поделки, которыми можно не только играть, но и использовать их для ненавязчивой демонстрации ребенку законов физики, в частности — механики. Ведь для того, чтобы привести в движение этих забавных зверюшек, нам надо понимать принцип действия рычага.

Продолжая тему механизмов, представляю следующую игрушку.

  1. Механическая игрушка «Морское путешествие»

Игрушка имеет кулачковый механизм, так как основные детали называются «кулачок» и «толкатель». Кулачковый механизм – это вращающийся вал, на котором размещены колеса-кулачки. Рукоятка помогает вращать вал, на котором может быть размещено несколько кулачков. Кулачок при вращении скользит по поверхности наконечника толкателя, который начинает выполнять прямолинейные или прямолинейные и вращательные движения одновременно.

Игрушка интересна тем, что при вращении ручки происходит движение фигурки. Открытый механизм игрушки показывает, как связаны части механизма, которые дают движение.

Представленная игрушка может использоваться как дидактическое пособие по ознакомлению  ребенка с действием несложного механизма, позволяет узнать, где используется кулачковый механизм (шарманка, музыкальная шкатулка, швейная машинка, двигатель автомобиля, механические часовые таймеры и многих других машинах).

Может использоваться для игр.

Изготавливая игрушку самостоятельно или с помощью взрослого в качестве подарка, ребенок развивает творческие способности, так как тематика игрушки может быть разной.

А сейчас хочу продемонстрировать вам несколько опытов с водой.

  1. Сила поверхностного натяжения воды

Молекулы жидкости испытывают силы взаимного притяжения.  На молекулы внутри жидкости силы притяжения других молекул действуют со всех сторон и поэтому взаимно уравновешивают друг друга. Молекулы же на поверхности жидкости не имеют соседей снаружи, и результирующая сила притяжения направлена внутрь жидкости. В итоге вся поверхность воды стремится стянуться под воздействием этих сил. По совокупности этот эффект приводит к формированию так называемой силы поверхностного натяжения, которая действует вдоль поверхности жидкости и приводит к образованию на ней подобия невидимой, тонкой и упругой пленки.

Если жидкость оставить в покое, она стремится принять форму, при которой площадь ее поверхности окажется минимальной. Такой формой, естественно, является сфера — вот почему дождевые капли в полете принимают почти сферическую форму («почти», потому что в полете капли слегка вытягиваются из-за сопротивления воздуха).

Силы поверхностного натяжения используются в промышленности — в частности, при отливке сферических форм, например ружейной дроби. Каплям расплавленного металла просто дают застывать на лету при падении с достаточной для этого высоты, и они сами застывают в форме шариков, прежде чем упадут в приемный контейнер.

В химической промышленности в воду часто добавляют специальные реагенты-смачиватели — сурфактанты, — не дающие воде собираться в капли на какой-либо поверхности. Их добавляют, например, в жидкие моющие средства для посудомоечных машин. Попадая в поверхностный слой воды, молекулы таких реагентов заметно ослабляют силы поверхностного натяжения, вода не собирается в капли и не оставляет на поверхности грязных крапин. (Опыт со стаканом воды и марлей)

  1. Действие атмосферного давления

Атмосферное давление – это давление воздуха на земную поверхность и на все находящиеся в атмосфере предметы, созданное гравитационным притяжением Земли. Оно распространяется во все стороны с равной силой. То есть и вверх тоже.

Если наклонить наполненный водой стакан, вода начнет выливаться из него, потому что на нее действует сила тяжести, и ничто не мешает жидкости устремиться вниз.

Для того, чтобы вода не вылилась из сосуда, можно пойти несколькими путями. Закрыть плотной крышкой, заморозить, не переворачивать стакан. Или, наконец, просто не наливать ее туда.

Но мы не ищем легких путей.

Попробуем создать такие условия, при которых воду в сосуде удерживает именно атмосферное давление, не смотря на силу тяжести. (Опыт со стаканом воды и бумагой)

Вода не выливается из колбы благодаря силе, возникающей из-за разницы атмосферного давления вне сосуда и давления, которое образуется внутри между дном и поверхностью воды. То есть, когда столб воды пытается опуститься вниз, в емкости образуется среда с пониженным давлением, которая и удерживает жидкость.

Применение атмосферного давления:

Шприц, пипетка, груша

Фонтан

Медицинские банки

Поршневой жидкостный насос

Помпа для бутилированной воды

Автопоилка для птиц и животных

Разновидности сифонов

Опрыскиватель (пульверизатор)

Лапки лягушек – присоски

Слон пьет, используя атмосферное давление

Интересный факт:

Если бы атмосфера Земли не вращалась вместе с Землей вокруг ее оси, то на поверхности Земли возникли бы сильнейшие ураганы. Если бы воздушная атмосфера вдруг исчезла — на Земле установилась бы температура приблизительно –170°С, замерзли бы все водные пространства, а суша покрылась бы ледяной корой — наступила бы полная тишина, так как звук в пустоте не распространяется; небо стало бы черным, поскольку окраска небесного свода зависит от воздуха; не стало бы сумерек, зорь, белых ночей . Прекратилось бы мерцание звезд, а сами звезды были бы видны не только ночью, но и днем (днем мы их не видим из-за рассеивания частичками воздуха солнечного света);  погибли бы животные и растения.

Человек и большинство животных плохо переносят условия высокогорья, однако некоторые птицы достигают в полете значительных высот. Птица кондор может подниматься на высоту до 9000 м, горные галки – до 8200 м, гриф и ястреб – до 6000-7000 м, орел – до 5000 м, остальные птицы держатся на высоте не более 4000 м.

  1. Картезианский водолаз. Это механическая игрушка, основанная на изменении плавучести при сжатии. Первое описание водолаза было дано итальянским ученым Рафаэло Маджоти в 1648 г. В России упоминание о Картезианском водолазе встречается в 1771г. Картезианский водолаз назывался «Американским жителем» и был одной из самых популярных игрушек продававшихся на вербных базарах.

В 18 в. немецкие стеклодувы наладили массовое производство игрушечных водолазов, сохранившееся до наших дней.

Когда бутылка сильно сжимается, давление воды увеличивается, воздух в трубочке сжимается, другими словами объем трубочки становится меньше, так что плавучесть картезианского водолаза уменьшается. Гравитация ныряльщика больше, чем его плавучесть. Ныряльщик тонет.  Когда сила высвобождается, давление воды возвращается в исходное состояние и плавучесть водолаза также возвращается и он поднимается вверх.

Картезианский водолаз и подводные лодки работают аналогично. Когда подводная лодка хочет спуститься под воду, она набирает  воду в баки до тех пор, пока не затонет. Это происходит потому, что вода в резервуарах увеличивает плотность подводной лодки, заставляя ее тонуть. Когда судно хочет выйти на поверхность воды, в его резервуары вдувается много воздуха, вода вытесняется и лодка всплывает.

К середине прошлого века Картезианскому водолазу нашлось и важное научное применение в микрохимических измерениях. Это создание на его основе микрореспирометра для изучения дыхания одноклеточных организмов.

  1. Медуза в бутылке.

Снова морская поделка. Суть этой игрушки в том, что при переворачивании бутылки, «медуза» медленно и плавно всплывает, напоминая свой реальный прототип. Достигается это за счет того, что при формировании  тела медузы в ней остаются небольшие пузырьки воздуха, которые при погружении «медузы» в воду, тянут фигурку вверх. Переворачиваем бутылку вверх дном — медуза будет медленно плыть наверх. Когда она достигнет поверхности, переверните бутылку вверх горлышком — медуза развернется и снова начнет всплывать.

Объясните ребенку принцип действия этой игрушки: пузырьки воздуха делают медузу легче воды, и поэтому она всплывает.

Опыт с шариком:

  1. Шарик и свеча

Этот фокус наглядно демонстрирует такое физическое понятие как «теплопроводность».

Теплопроводность – это  способность материала проводить тепло. Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Передача тепла происходит за счет передачи энергии при столкновении молекул вещества. Происходит это до тех пор, пока температура внутри тела не станет одинаковой. Такой процесс может происходить в твердых, жидких и газообразных веществах.

Секрет фокуса в том, что вода, находящаяся в шарике, «отбирает» все тепло свечи на себя, поэтому поверхность шарика не нагревается до опасной температуры.

Теплопроводность мы встречаем повсюду. К примеру, наибольшей теплопроводностью обладает бетон, стекло, а у дерева практически в 6 раз меньше. Чтобы достичь такого же тепла в доме из кирпича, какое дает деревянный сруб, толщина кирпичных стен должна превышать в три раза толщину стен постройки из дерева.

  1. Неньютоновская жидкость.

Вот и дошла  очередь восторгаться необыкновенными свойствами неньютоновской жидкости. Так просто ее делать, так мало для этого надо, и так интересно с ней возиться!  Самое главное в таких жидкостях — как они себя ведут при работе с ними. Эти жидкости меняют свою плотность и вязкость при воздействии на них физической силой, причем не только механическим воздействием, но и звуковыми волнами. Все мы знаем, что мед — густая жидкость, вязкая — он течет очень медленно и медленно заполняет сосуд, в который его перелили. А молоко — жидкость с малой вязкостью. Она тут же принимает ту форму, которую имеет сосуд и мгновенно растекается по нему. Но мед — это всегда мед, а молоко — всегда молоко. А вот неньютоновские жидкости могут быть и вязкими и тут же совершенно жидкими. Все зависит от того, что с ними делают.

Применение: автопром (синтетические масла), косметология, военное производство (бронежилеты).

Рецепт неньютоновской жидкости из крахмала: на 2 части крахмала добавить 1 часть воды и перемешать руками.

  1. Ванька-Встанька

А сейчас хочу рассказать о забавной детской игрушке, демонстрирующей физическое понятие равновесия.
Я говорю о неваляшке или, как ее еще называют, Ваньке-Встаньке.

Эта кукла, наряду с матрешкой, относится к традиционно русским игрушкам для детей. Но, как и матрешка, в России она появилась относительно недавно — в начале 19 века. И пришли к нам тоже, как и матрешки из Японии.
Такие куклы в России сначала назывались «кувырканами», позже их стали называть «неваляшками» или «Ваньками-Встаньками». Делались эти куклы из дерева, расписывались и покрывались лаком. Внутри часто вешали еще и бубенчик, поэтому неваляшка выполняла и функции погремушки.

А в Японии  такие куклы-неваляшки играли роль магического талисмана. Изготовлялись они из дерева в виде головы «дарума» — бога счастья. Отличительной особенностью их раскраски было то, что глаза дарума оставались незакрашенными. Японцы верили, что если загадать желание и нарисовать даруме глаз, то в благодарность за это дарума исполнит ваше желание.

Почему же куклу-неваляшку невозможно уложить? Дело в том, что все тела стремятся принять положение равновесия. То есть такого положения, когда действие одних сил на тело компенсируется действием других сил или силы отсутствуют вообще.

Равновесие бывает неустойчивым, безразличным и устойчивым.

Неустойчивое равновесие будет тогда, когда смещение тела на небольшое расстояние приводит к его движению. Например, если тронуть шарик, лежащий на вершине горки, то шарик скатится вниз и не сможет вернуться в прежнее положение.

Безразличное равновесие, если тело при смещении на небольшое расстояние так и останется в нем. Например, если сдвинуть шарик, лежащий на ровной поверхности, то он будет теперь спокойно лежать на новом месте.

А устойчивое равновесие это когда при смещении тела на небольшое расстояние оно стремиться принять прежнее положение (например, мячик, который лежит в ямке, будет все время скатываться на ее дно). Равновесие устойчиво, если центр тяжести тела занимает самое низкое положение из всех возможных соседних положений.

И наша игрушка Ванька-Встанька как раз демонстрирует это состояние устойчивого равновесия.

Принцип ее действия прост — внизу куклы находится утяжелитель. Из-за этого центр тяжести стоящей вертикально неваляшки расположен ниже, чем в любом другом ее положении. Поэтому как бы мы не повернули игрушку, на какой бы бок ее не положили, она всегда будет стремиться принять вертикальное положение.

  1. Балансир

Еще одна игрушка, объясняющая понятие равновесия.

У игрушки смещен центр тяжести. Основной вес конструкции находится не над опорой, а под опорой, что позволяет фигурке стоять и не падать.

Изготовление такой игрушки развивает у детей конструктивные способности, учит соблюдать симметрию, развивает мелкую моторику рук и глазомер, формирует начальные научно-технические знания.