Герои и злодеи: учимся в мире супергероев

1. Какое отношение наука имеет к этому?
2. X-Man и их суперсилы
3. мантия-невидимка
4. Супермен: упражнение в решении проблем
5. Человек-муравей и другие сценарии

Как опытный ученый, вам, вероятно, нравится использовать свои научные знания в повседневных темах, потому что это позволяет вам смотреть на мир - это также оказывает тонкое влияние на решение, какие правила применять.

Будучи учителем физики, я хотел дать своим ученикам такую ​​же свободу на мгновение оторваться от школьной программы и рассмотреть с научной точки зрения интересные ситуации, которые по своей сути интересны для них - если не на всю жизнь. Вдохновленный физикой супергероев ( Какалиос, 2009 ), Я решил ввести в свои уроки физики комиксов-супергероев, чтобы процесс обучения включал в себя больше учеников. Эксперимент оказался успешным, и классы, проявив неподдельный интерес к предмету, начали работать над довольно сложной научной проблемой.

В этой статье я опишу некоторые материалы, которые я использовал во время уроков, а также вопросы и ответы и основную информацию о супергероях для людей, которые менее знакомы с этой темой. Материалы хороши для учащихся в возрасте от 16 до 19 лет, а также для некоторых младших школьников. Обсуждение и расчеты предусмотрены для часовых или более продолжительных занятий.

Какое отношение наука имеет к этому?

Скорее всего, супергерои могут использоваться во время уроков в качестве примеров решения проблем, в которых реальная наука используется для описания предполагаемых сверхдержав, чтобы проверить их согласованность и определить логические последствия, возникающие в результате их использования. Как и в любой художественной литературе, для того, чтобы оценить силу супергероев комиксов, нужно закрыть глаза на некоторые аспекты реальности. Однако в случае супергероев, установленных в мире научной фантастики (в отличие от чистой фантазии), если мы узнаем то, что Джеймс Какалиос называет несколькими «чудесными исключениями», их силы могут стать убедительными. Например, если мы позволим Супермену прыгнуть с одной стороны высоких зданий, что это скажет нам о гравитации на его родной планете Криптон? Мы сосредоточимся на этом вопросе позже.

Другой вариант - посмотреть на конкретную сверхдержаву и использовать ее как контекст для описания или объяснения науки. Ниже я обсудил несколько возможностей, основанных на героях комикса Marvel's X-men, а также на самой прочной сверхдержаве: невидимость.

X-Man и их суперсилы

Команда супергероев X-men была создана в 1963 году Стэном Ли, редактором Marvel Comics и художником / одним из создателей Джека Кирби. Люди Икс - это видоизмененный подвид людей, каждый из которых родился с разной сверхдержавой. Давайте посмотрим на некоторых из главных героев.

• Чарльз Ксавье, лидер X-Men, также известный как профессор X. Прикованный к инвалидной коляске, обладает сверхспособностью телепатии. Дискуссия о том, является ли она надежной, может быть сосредоточена на сути нервных импульсов и на том факте, что в деятельность мозга вовлечены ионы, движущиеся в нейтральном пространстве нашего мозга. Это, в свою очередь, относится к электромагнетизму, поскольку движущиеся ионы генерируют магнитное поле, вызывая тем самым испускание низкочастотных электромагнитных волн из мозга. Можно было бы правильно читать мысли, в то время как уровень детализации такого чтения остается открытым вопросом.

• Магнето , злодей-лучник, в команде Людей Икс - мутант, способный генерировать и контролировать магнитное поле. Эта сверхдержава позволяет вводить различные формы мангетизма: ферро-, пара- и диамагнетизм. Класс мог бы также взглянуть на то, как диамагнетизм может вызвать левитацию, и подумать, возможна ли левитация человека (да, если магнит будет достаточно сильным: по крайней мере, 40 тесла, что примерно в 40 раз сильнее, чем магнит, используемый для подъема автомобилей).

• Росомаха - это мутант с мощной регенеративной силой, известный как целебный агент и шесть когтей, спрятанных в ладони, покрытых неразрушимым адамантным материалом. Этот вымышленный материал может стать отправной точкой для студентов, чтобы подумать о том, как может выглядеть «неразрушимый» материал. Материалы имеют три основных механических свойства: прочные материалы выдерживают большие нагрузки, твердые материалы противостоят изменениям формы или царапинам, а долговечные материалы устойчивы к разрывам, часто меняя форму или поглощая энергию. Например, паутина, хотя она и долговечна, не сложна. Несмотря на то, что ковалентные связи в алмазе делают его чрезвычайно прочным, он не долговечен. Вы можете попросить студентов выяснить, какой из реальных материалов (натуральных или синтетических) выделяется в каждой из перечисленных функций и почему, а также какие новые, более прочные материалы выполняются.
  

мантия-невидимка

Концепция использования плаща, который обеспечивает невидимость, была впервые предложена в 1966 году в эпизоде ​​Star Trek. Предложите студентам обсудить: действительно ли плащ-невидимка действительно возможен? Если так, то как? Что должно произойти с этим мысом, чтобы скрытый за ним объект был виден? Возможно, они предложат студентам нарисовать диаграмму, показывающую, как это было бы возможно.

На самом деле, если бы свет мог огибать объект, а не отражаться от него или проходить через него, объект казался бы невидимым. В настоящее время ведутся работы над метаматериалами (аутентичными материалами со свойствами, которых нет у природных материалов), которые позволяют электромагнитному излучению течь вокруг «покрытого» объекта, например воды в реке. Наблюдатель будет смотреть на скрытый объект и затем видеть свет позади него, который сделает объект невидимым. Хотя это видение кажется многообещающим, только мелкие предметы были успешно спрятаны.

Супермен: упражнение в решении проблем

Супергерои являются богатым источником вопросов о движении ракет и других физических проблем. Супермен дебютировал в 1938 году в первом выпуске Action Comics . Читатели узнали, что Супермен может прыгнуть на одну восьмую мили (200 м), что, в свою очередь, может использоваться в качестве отправной точки для обнаружения других физических фактов, принимая во внимание некоторые заслуживающие доверия предположения.

Ниже приведены несколько потенциальных вопросов, связанных с навыками Супермена, а также ответы.

1. Если Супермен прыгает на высоту 200 м, покажите, что его начальная скорость составляет около 60 мс-1.

Эта проблема может быть решена двумя способами: уравнением движения или уравнением сохранения энергии. Попросите студентов решить проблему обоими способами, потому что это хороший способ подтвердить результаты. Это также показывает, как работают профессиональные физики - если альтернативные способы решения проблемы приводят к одинаковым результатам, это подтверждает, что они верны.

Уравнение движения

Уравнения движения называются «суват» в классах физической школы, потому что они содержат следующие величины:

s = смещение

и = начальная скорость

V = конечная скорость

а = ускорение

t = время

Напомните мне, что если Супермен подпрыгнет вертикально вверх, когда достигнет максимальной высоты, он на мгновение остановится, и, таким образом, его конечная скорость будет v = 0 мс-1. Предполагая, что восходящее движение является положительным, значения отдельных переменных будут:

с = 200 м

ты =?

v = 0 мс-1

а = -10 м-2 (ускорение под действием силы тяжести)

т = не имеет значения

В этой системе уравнение Сувата примет следующий вид:

v2 = u2 + 2 как

Используя значения, которые мы имеем, мы можем видеть, что:

0 = u2 + 2 (-10 x 200)

u2 = 4000

и = 63,2 мс-1

Уравнение энергосбережения:

Мы предполагаем, что в точке максимума скачка Супермена вся кинетическая энергия преобразуется в потенциальную гравитационную энергию. И то же самое:

1/2 mv2 = мг / л

где m - масса Супермена, v - скорость его прыжка, а h - высота, которую он достигает над поверхностью.

Упрощая уравнение и подставляя значения, мы получаем:

2. Какую силу испытывает Супермен, когда он отталкивается от поверхности земли?

Сила F определяется как скорость изменения импульса p . Момент - это произведение массы на скорость, поэтому скорость изменения импульса - это масса Супермена, умноженная на его начальную скорость v и разделенная на время t .

Предположим, что Супермен весит 100 кг. Для t стандартному значению «время удержания» в учебниках часто присваивается значение 0,25 с.

Это дает нам следующее уравнение:

3. Если Супермен может прыгнуть на Землю на высоту 200 м, сколько может быть сила гравитации на его родной планете Криптон?

Обычно, когда человек подпрыгивает, он может применить силу, приблизительно равную его массе покоя. На Земле масса покоя Супермена W - это его масса m, умноженная на силу поля гравитации g (которая составляет около 10 нкг-1). Мы предположили, что Супермен весит 100 кг, следовательно:

W = 100 кг х 10 нкг-1 = 1000 Н

Из предыдущего выпуска мы знаем, что во время прыжка Супермен генерирует силу 2,53 х 104 Н, что говорит о том, что это его вес на Криптоне. Это, в свою очередь, говорит о том, что гравитационное поле на Криптоне примерно в 25 раз сильнее, чем на Земле.

Супермен был физически приспособлен к существованию криптона, где гравитационное поле намного сильнее. В Криптоне он будет посредственным, в то время как на Земле он, кажется, обладает сверхъестественными способностями.

4. Что мы можем сделать о Криптоне, основываясь на его гравитации?

Этот вопрос можно рассматривать как простое введение в математическое моделирование для учащихся в возрасте от 16 лет. Если плотность планеты однородна, то сила гравитационного поля планеты пропорциональна ее радиусу. Принимая во внимание уравнение для силы поля тяжести, g = G m / r 2, и уравнение для объема сферы, V = 4 / 3p r 3, учащиеся могут сами разработать это соотношение.

Это означает, что если Земля и Криптон имеют одинаковую плотность, а гравитационное поле на Криптоне в 25 раз сильнее, чем на Земле, радиус Криптона также в 25 раз больше радиуса Земли.

Это, в свою очередь, позволяет сделать выводы о весе криптона. Опять же, при условии равномерной плотности, масса планеты пропорциональна кубу ее радиуса. Следовательно, 25-кратное увеличение значения радиуса Земли увеличит его массу в 253 раза = 1,56 x 104.

Предполагая, что масса Земли составляет 5,97 x 1024 кг, мы можем рассчитать, что масса Криптона будет:

5,97 х 1024 кг х 253 = 9,33 х 1028 кг

Это дает массу примерно в 15 000 раз больше массы Земли и примерно в 50 раз больше массы Юпитера. На самом деле, если бы Криптон был газовой планетой (а не такой каменистой, как Земля), он был бы лишь немного меньше массы, необходимой для термоядерного синтеза паров - процесса производства энергии на Солнце. Таким образом, если создатели Супермена сделают его немного сильнее, его звездная «планета» станет звездой.

Человек-муравей и другие сценарии

Чтобы пробудить научное воображение студентов, вы можете поставить множество похожих вопросов и сценариев, связанных с комическими героями. Например, персонаж Marvel, биофизик доктор Генри «Хэнк» Пим, изобрел химическое вещество (молекулы Pyma), позволяющее ему сокращаться до размеров насекомого, что делает его Человеком-Муравьем. Если Ant-Man втянется с помощью пылесоса, сможет ли он выбраться из мешка, сделав в нем отверстие?

Этот вопрос является настоящим упражнением в масштабировании. Сила, с которой кто-то может нанести удар, пропорциональна поперечному сечению мышц рук. Однако, поскольку сила удара Человека-муравья и поверхность его кулака были уменьшены на один и тот же фактор, сила, которую он приложит к поверхности бумажного пакета, будет - вероятно, к всеобщему удивлению - такой же, как в случае с доктором Пимом.

Конечно, это требует «чудесного предположения» о том, что уменьшается только размер, а оставшиеся значения атрибутов (включая массу) остаются неизменными - сценарий, который приведет нас к совершенно другой отрасли науки: атомной структуре. Как видите, с небольшим добавлением воображения супергерои могут доставить вас куда угодно. Удачной поездки!