Главная » LED лампы » Роль эксперимента в обучении физике. Эксперимент в физике. Физический практикум. Шутов В.И., Сухов В.Г., Подлесный Д.В

Роль эксперимента в обучении физике. Эксперимент в физике. Физический практикум. Шутов В.И., Сухов В.Г., Подлесный Д.В

Физике»

У читель физики :

Горшенёва Наталья Ивановна

2011 г
Роль эксперимента в обучении физике.

Уже в определении физики как науки заложено сочетание в ней как теоретической, так и практической частей. Очень важно, чтобы в процессе обучения физике учитель смог как можно полнее продемонстрировать своим ученикам взаимосвязь этих частей. Ведь когда учащиеся почувствуют эту взаимосвязь, то они смогут многим процессам, происходящим вокруг них в быту, в природе, дать верное теоретическое объяснение.

Без эксперимента нет, и не может быть рационального обучения физике; одно словесное обучение физике неизбежно приводит к формализму и механическому заучиванию. Первые мысли учителя должны быть направлены на то, чтобы учащийся видел опыт и проделывал его сам, видел прибор в руках преподавателя и держал его в своих собственных руках.

Учебный эксперимент - это средство обучения в виде специально организованных и проводимых учителем и учеником опытов.

Цели учебного эксперимента:

Решение основных учебно – воспитательных задач;
Формирование и развитие познавательной и мыслительной деятельности;
Политехническая подготовка;
Формирование мировоззрения учащихся.

Функции эксперимента:

Познавательная (осваиваются основы наук на практике);
Воспитывающая (формирование научного мировоззрения);
Развивающая (развивает мышление и навыки).

Виды физических экспериментов .

Какие формы обучения практического характера можно предложить в дополнение к рассказу преподавателя? В первую очередь , конечно, это наблюдение учениками за демонстрацией опытов, проводимых учителем в классе при объяснении нового материала или при повторении пройденного, так же можно предложить опыты, проводимые самими учащимися в классе во время уроков в процессе фронтальной лабораторной работы под непосредственным наблюдением учителя. Еще можно предложить: 1)опыты, проводимые самими учащимися в классе во время физического практикума; 2)опыты-демонстрации, проводимые учащимися при ответах; 3)опыты, проводимые учащимися вне школы по домашним заданиям учителя; 4)наблюдения кратковременных и длительных явлений природы, техники и быта, проводимые учащимися на дому по особым заданиям учителя.

Что можно сказать о приведенных выше формах обучения?

Демонстрационный эксперимент является одной из составляющих учебного физического эксперимента и представляет собой воспроизведение физических явлений учителем на демонстрационном столе с помощью специальных приборов. Он относится к иллюстративным эмпирическим методам обучения. Роль демонстрационного эксперимента в обучении определяется той ролью, которую эксперимент играет в физике-науке как источник знаний и критерий их истинности, и его возможностями для организации учебно-познавательной деятельности учащихся.

Значение демонстрационного физического эксперимента заключается в том, что:

Учащиеся знакомятся с экспериментальным методом познания в физике, с ролью эксперимента в физических исследованиях (в итоге у них формируется научное мировоззрение);

У учащихся формируются некоторые экспериментальные умения: наблюдать явления, выдвигать гипотезы, планировать эксперимент, анализировать результаты , устанавливать зависимости между величинами, делать выводы и т.п.

Демонстрационный эксперимент, являясь средством наглядности, способствует организации восприятия учащимися учебного материала, его пониманию и запоминанию; позволяет осуществить политехническое обучение учащихся; способствует повышению интереса к изучению физике и созданию мотивации учения. Но при проведении учителем демонстрационного эксперимента основную деятельность выполняют сам учитель и, в лучшем случае, один - два ученика, остальные учащиеся только пассивно наблюдают за опытом, проводимым учителем, сами при этом ничего не делают собственными руками. Следовательно, необходимо наличие самостоятельного эксперимента учащихся по физике.

Лабораторные занятия.

При обучении физике в средней школе экспериментальные умения формируются, когда они сами собирают установки, проводят измерения физических величин, выполняют опыты. Лабораторные занятия вызывают у учащихся очень большой интерес, что вполне естественно, так как при этом происходит познание учеником окружающего мира на основе собственного опыта и собственных ощущений.

Значение лабораторных занятий по физике заключается в том, что у учащихся формируются представления о роли и месте эксперимента в познании. При выполнении опытов у учащихся формируются экспериментальные умения, которые включают в себя как интеллектуальные умения, так и практические. К первой группе относятся умения: определять цель эксперимента, выдвигать гипотезы, подбирать приборы, планировать эксперимент, вычислять погрешности, анализировать результаты, оформлять отчет о проделанной работе . Ко второй группе относятся умения: собирать экспериментальную установку, наблюдать, измерять, экспериментировать.

Кроме того, значение лабораторного эксперимента заключается в том, что при его выполнении у учащихся вырабатываются такие важные личностные качества, как аккуратность в работе приборами; соблюдение чистоты и порядка на рабочем месте, в записях, которые делаются во время эксперимента, организованность, настойчивость в получении результата. У них формируется определенная культура умственного и физического труда.

В практике обучения физике в школе сложились три вида лабораторных занятий:

Фронтальные лабораторные работы по физике;

Физический практикум;

Домашние экспериментальные работы по физике.

Выполнение самостоятельных лабораторных работ.

Фронтальные лабораторные работы - это такой вид практических работ, когда все учащиеся класса одновременно выполняют однотипный эксперимент, используя одинаковое оборудование. Фронтальные лабораторные работы выполняются чаще всего группой учащихся, состоящей из двух человек, иногда имеется возможность организовать индивидуальную работу. Тут возникает сложность: не всегда в школьном кабинете физики есть достаточное количество комплектов приборов и оборудования для проведения таких работ. Старое оборудование приходит в негодность, а, к сожалению, не все школы могут позволить себе закупку нового. Да и от ограничения по времени никуда не денешься. А если у одной из бригад что-то не получается, не работает какой-то прибор или чего-либо не хватает, тогда они начинают просить о помощи учителя , отвлекая других от выполнения лабораторной работы.

В 9-11 классах проводится физический практикум.

Физический практикум проводится с целью повторения, углубления, расширения и обобщения полученных знаний из разных тем курса физики; развития и совершенствования у учащихся экспериментальных умений путем использования более сложного оборудования, более сложного эксперимента; формирования у них самостоятельности при решении задач, связанных с экспериментом. Проводится физический практикум, как правило, в конце учебного года, иногда - в конце первого и второго полугодий и включает серию опытов по той или иной теме. Работы физического практикума учащиеся выполняют в группе из 2-4 человек на различном оборудовании; на следующих занятиях происходит смена работ, что делается по специально составленному графику. Составляя график, учитывают число учащихся в классе, число работ практикума, наличие оборудования. На каждую работу физического практикума отводятся два учебных часа, что требует введения в расписание сдвоенных уроков по физике. Это представляет затруднения. По этой причине и из-за недостатка необходимого оборудования практикуют одночасовые работы физического практикума. Следует отметить, что предпочтительными являются двухчасовые работы, поскольку работы практикума сложнее, чем фронтальные лабораторные работы, выполняются они на более сложном оборудовании, причем доля самостоятельного участия учеников значительно больше, чем в случае фронтальных лабораторных работ.

К каждой работе учитель должен составить инструкцию, которая должна содержать: название, цель, список приборов и оборудования, краткую теорию, описание неизвестных учащимся приборов, план выполнения работы. После проведения работы учащиеся должны сдать отчет, который должен содержать: название работы, цель работы, список приборов, схему или рисунок установки, план выполнения работы, таблицу результатов, формулы, по которым вычислялись значения величин, вычисления погрешностей измерений, выводы. При оценке работы учащихся в практикуме следует учитывать их подготовку к работе, отчет о работе, уровень сформированности умений, понимание теоретического материала, используемых методов экспериментального исследования.

А что будет, если учитель предложит ученикам выполнить опыт или провести наблюдение вне школы, то есть дома или на улице? опыты, задаваемые на дом, должны не требовать применения каких-либо приборов и существенных материальных затрат. Это должны быть опыты с водой, воздухом, с предметами которые есть в каждом доме. Кто-то может усомниться в научной ценности таких опытов, конечно, она там минимальна. Но разве плохо, если ребенок сам может проверить открытый за много лет до него закон или явление? Для человечества пользы никакой, но какова она для ребенка! Опыт - задание творческое, делая что-либо самостоятельно, ученик, хочет он этого или нет, а задумается: как проще провести опыт, где встречался он с подобным явлением на практике, где еще может быть полезно данное явление. Здесь надо заметить то, чтобы дети научились отличать физические опыты от всяческих фокусов, не путать одно с другим.

Домашние экспериментальные работы. Домашние лабораторные работы - простейший самостоятельный эксперимент, который выполняется учащимися дома, вне школы, без непосредственного контроля со стороны учителя за ходом работы.

Главные задачи экспериментальных работ этого вида:

Формирование умения наблюдать физические явления в природе и в быту;

Формирование умения выполнять измерения с помощью измерительных средств, использующихся в быту;

Формирование интереса к эксперименту и к изучению физики;

Формирование самостоятельности и активности.

Домашние лабораторные работы могут быть классифицированы в зависимости от используемого при их выполнении оборудования:

Работы, в которых используются предметы домашнего обихода и подручные материалы (мерный стакан, рулетка, бытовые весы и т.п.);

Работы, в которых используются самодельные приборы (рычажные весы, электроскоп и др.);

Что необходимо ребенку, чтобы провести опыт дома? В первую очередь, наверное, это достаточно подробное описание опыта, с указанием необходимых предметов, где в доступной для ребенка форме сказано, что надо делать, на что обратить внимание. Кроме того, учитель обязан провести подробный инструктаж.

Требования, предъявляемые к домашним экспериментам. Прежде всего, это, конечно, безопасность. Так как опыт проводится учеником дома самостоятельно, без непосредственного контроля учителя, то в опыте не должно быть никаких химических веществ и предметов, имеющих угрозу для здоровья ребенка и его домашнего окружения. Опыт не должен требовать от ученика каких-либо существенных материальных затрат, при проведении опыта должны использоваться предметы и вещества, которые есть практически в каждом доме: посуда, банки, бутылки, вода, соль и так далее. Выполняемый дома школьниками эксперимент должен быть простым по выполнению и оборудованию, но, в то же время, являться ценным в деле изучения и понимания физики в детском возрасте, быть интересным по содержанию. Так как учитель не имеет возможности непосредственно контролировать выполняемый учащимися дома опыт, то результаты опыта должны быть соответствующим образом оформлены (примерно так, как это делается при выполнении фронтальных лабораторных работ). Результаты опыта, проведенного учениками дома, следует обязательно обсудить и проанализировать на уроке. Работы учащихся не должны быть слепым подражанием установившимся шаблонам, они должны заключать в себе широчайшее проявление собственной инициативы, творчества, исканий нового. На основе вышесказанного кратко сформулируем предъявляемые к домашним экспериментальным заданиям требования :

Безопасность при проведении;

Минимальные материальные затраты;

Простота по выполнению;

Легкость последующего контроля учителем;

Наличие творческой окраски.
Домашний эксперимент можно задавать после прохождения темы в классе. Тогда ученики увидят собственными глазами и убедятся в справедливости изученного теоретически закона или явления. При этом полученные теоретически и проверенные на практике знания достаточно прочно отложатся в их сознании.

А можно и наоборот, задать задание на дом, а после выполнения провести объяснение явления. Таким образом, можно создать у учащихся проблемную ситуацию и перейти к проблемному обучению, которое непроизвольно рождает у учащихся познавательный интерес к изучаемому материалу, обеспечивает познавательную активность учащихся в ходе обучения, ведет к развитию творческого мышления учеников. В таком случае, даже если школьники не смогут объяснить увиденное дома на опыте явление сами, то они будут с интересом слушать рассказ преподавателя.

Этапы проведения эксперимента:

Обоснование постановки эксперимента.
Планирование и проведение эксперимента.
Оценка полученного результата.

Любой эксперимент должен начинаться с гипотезы, а заканчиваться выводом.

Формулировка и обоснование гипотезы, которую можно положить в основу эксперимента.
Определение цели эксперимента.
Выяснение условий, необходимых для достижения поставленной цели эксперимента.
Планирование эксперимента, включающего ответ на вопросы:
- какие наблюдение провести
- какие величины измерить
- приборы и материалы, необходимые для проведения опытов
- ход опытов и последовательность их выполнения
- выбор формы записи результатов эксперимента
Отбор необходимых приборов и материалов
Сбор установки.
Проведение опыта, сопровождаемое наблюдениями, измерениями и записью их результатов
Математическая обработка результатов измерений
Анализ результатов эксперимента, формулировка выводов

Общую структуру физического эксперимента можно представить в виде:

Проводя любой эксперимент, необходимо помнить о требованиях, предъявляемых к эксперименту.

Требования к эксперименту:

Наглядность;
Кратковременность;
Убедительность, доступность, достоверность;
Безопасность.

Кроме вышеперечисленных видов экспериментов, существуют мысленные, виртуальные эксперименты (см. Приложение), которые проводятся в виртуальных лабораториях и имеют большое значение в случае отсутствия оборудования.

Психологи отмечают, что сложный зрительный материал запоминается лучше, чем его описание. Поэтому демонстрация опытов запечатлевается лучше, чем рассказ учителя о физическом опыте.

Школа -это самая удивительная лаборатория, потому что в ней создается будущее! И какое оно будет, зависит от нас, учителей!

Я считаю, что если учитель в преподавании физики пользуется экспериментальным методом, при котором учащиеся систематически включаются в поиски путей решения вопросов и задач, то можно ожидать, что результатом обучения будет развитие разностороннего, оригинального, не скованного узкими рамками мышления. А - это путь к развитию высокой интеллектуальной активности обучаемых.

Приложение.
Классификация видов экспериментов .
Полевой

(экскурсии)

Домашний

Школьный

Мысленный

Реальный

Виртуальный

В зависимости от количества и размеров

Лаборатор
Практичес
демонстрационные

По месту проведения

По способу проведения

В зависимости от субъекта

Эксперимент

В первой главе дипломной работы были рассмотрены теоретические аспекты проблемы использования электронных учебников в процессе обучения физике в старшем звене общеобразовательной школы. В ходе теоретического анализа проблемы мы определили принципы и виды электронных учебников, выявили и теоретически обосновали педагогические условия использования информационных технологий в процессе обучения физике в старшем звене общеобразовательной школы.

Во второй главе дипломной работы нами формулируются цель, задачи и принципы организации экспериментальной работы. В данной главе рассмотрена методика реализации выделенных нами педагогических условий использования электронных учебников в процессе обучения физике в старшем звене общеобразовательной школы, в заключительном параграфе приводится интерпретация и оценка результатов, полученных в ходе экспериментальной работы.

Цель, задачи, принципы и методы организации экспериментальной работы

Во вводной части работы была выдвинута гипотеза, которая содержала основные условия, требующие проверки на практике. С целью проверки и доказательства выдвинутых в гипотезе предложений нами была проведена экспериментальная работа.

Эксперимент в «Философском энциклопедическом словаре» определяется как планомерно проведенное наблюдение; планомерная изоляция, комбинация и варьирование условий с целью изучения зависящих от них явлений. В этих условиях человек создает возможность наблюдений, на основе которых складывается его знание о закономерностях в наблюдаемом явлении. Наблюдения, условия и знания о закономерностях являются наиболее существенными, на наш взгляд, признаками, характеризующие данное определение.

В словаре «Психология» понятие эксперимента рассматривается как один из основных (наряду с наблюдением) методов научного познания вообще, психологического исследования в частности. Отличается от наблюдения активным вмешательством в ситуацию со стороны исследователя, осуществляющего планомерное манипулирование одной или несколькими переменными (факторами) и регистрацию сопутствующих изменений в поведении изучаемого объекта. Правильно поставленный эксперимент позволяет проверять гипотезы о причинно-следственных отношениях, не ограничивается констатацией связи (корреляции) между переменными. Наиболее существенными признаками, как показывает опыт, здесь являются: активность исследователя, характерная для поискового и формирующего типов эксперимента, а также проверка гипотезы.

Выделяя существенные признаки приведенных определений, как справедливо пишут А.Я. Наин и З.М. Уметбаев, можно построить использовать следующее понятие: эксперимент - это исследовательская деятельность, предназначенная для проверки выдвинутой гипотезы, разворачиваемая в естественных или искусственно созданных контролируемых и управляемых условиях. Результатом этого, как правило, является новое знание, включающее в себя выделение существенных факторов, влияющих на эффективность педагогической деятельности . Организация эксперимента невозможна без выделения критериев. И именно наличие их и позволяет отличить экспериментальную деятельность от какой-либо другой. Такими критериями, по мнению Э.Б. Каиновой, могут быть наличие: цели эксперимента; гипотезы; научного языка описания; специально созданных условий эксперимента; способов диагностики; способов воздействия на предмет экспериментирования; нового педагогического знания .

По целям различают констатирующий, формирующий и оценочный эксперименты. Цель констатирующего эксперимента - измерение наличного уровня развития. В данном случае мы получаем первичный материал для исследования и организации формирующего эксперимента. Это является чрезвычайно важным для организации любого изыскания.

Формирующий (преобразующий, обучающий) эксперимент ставит своей целью не простую констатацию уровня сформированное той или иной деятельности, развития тех или иных умений испытуемых, а их активное формирование. Здесь необходимо создать специальную экспериментальную ситуацию. Результаты экспериментального исследования часто представляют собой не выявленную закономерность, устойчивую зависимость, а ряд более или менее полно зафиксированных эмпирических фактов. Эти данные часто носят описательный характер, представляют лишь более определенный материал, который сужает дальнейшую сферу поиска. Результаты эксперимента в педагогике и психологии нередко следует рассматривать как промежуточный материал и исходную основу для дальнейшей исследовательской работы.

Оценочный эксперимент (контролирующий) - с его помощью через какой-то промежуток времени после формирующего эксперимента определяется уровень знаний, умений испытуемых по материалам формирующего эксперимента.

Целью проведения экспериментальной работы является апробация выделенных педагогических условий использования электронных учебников в процесс обучения физике в старшем звене общеобразовательной школы и определение их эффективности.

Основными задачами экспериментальной работы являлись: выбор экспериментальных площадок для педагогического эксперимента; определение критериев для подбора экспериментальных групп; разработка инструментария и определение методов педагогической диагностики выбранных групп; разработка педагогических критериев для выявления и соотнесения уровней обученности учащихся контрольных и экспериментальных классов.

Экспериментальная работа осуществлялась в три этапа, включая в себя: диагностирующий этап (проведенный в форме констатирующего эксперимента); содержательный этап (организуемый в форме формирующего эксперимента) и аналитический (проведенный в форме контрольного эксперимента). Принципы осуществления экспериментальной работы.

Принцип всесторонности научно-методической организации экспериментальной работы. Принцип требует обеспечения высокого уровня профессионализма самого педагога-экспериментатора. На эффективность внедрения информационных технологий обучения школьников влияет множество факторов, и, несомненно, её базовым условием является соответствие содержание обучения возможностям школьников. Но даже в этом случае возникают проблемы в преодолении интеллектуальных и физических барьеров и поэтому, при использовании приёмов эмоционально-интеллектуального стимулирования познавательной активности обучающихся мы обеспечивали методическое консультирование, отвечающее следующим требованиям:

а) проблемно-поисковый материал представлялся с использованием персонифицированных объяснительных методов и инструкций, облегчающих усвоение школьниками учебного материала;

б) предлагались различные приёмы и пути усвоения содержания изучаемого материала;

в) отдельным педагогам представлялась возможность свободно выбирать приёмы и схемы решения компьютеризированных задач, работать по своим оригинальным педагогическим приёмам.

Принцип гуманизации содержания экспериментальной работы. Это идея приоритета человеческих ценностей над технократическими, производственными, экономическими, административными и др. Принцип гуманизации реализовывался путём соблюдения следующих правил педагогической деятельности: а) педагогический процесс и воспитательные отношения в нём строятся на полном признании прав и свобод обучающегося и уважении к нему;

б) знать и в ходе педагогического процесса опираться на положительные качества школьника;

в) постоянно осуществлять гуманистическое просвещение педагогов в соответствии с Декларацией «О правах ребёнка»;

г) обеспечивать привлекательность и эстетичность педагогического провеса и комфортность воспитательных отношений всех его участников .

Таким образом, принцип гуманизации, как считают И.А.Колесникова и Е.В.Титова, обеспечивает школьникам определённую социальную защиту в образовательном учреждении .

Принцип демократизации экспериментальной работы - это идея о представлении участникам педагогического процесса определённых свобод для саморазвития, саморегуляции, самоопределения. Принцип демократизации в процессе использования информационных технологий обучения школьников реализуется через соблюдение следующих правил:

а) создавать открытый для общественного контроля и влияния педагогический процесс;

б) создавать правовое обеспечение деятельности обучающихся, способствующие защите их от неблагоприятных воздействий среды;

в) обеспечивать взаимное уважение, такт и терпение во взаимодействии педагогов и обучающихся.

Реализация этого принципа способствует расширению возможностей обучающихся и учителей в определении содержания образования, выборе технологии использования информационных технологий в процесс обучения.

Принцип культуросообразности экспериментальной работы - это идея о максимальном использовании в воспитании, образовании и обучении той среды, в которой и для развития которой создано образовательное учреждение - культуры региона, народа, нации, общества, страны. Реализуется принцип на основе соблюдения таких правил:

а) понимание педагогическою общественностью в школе культуро-исторической ценности;

б) максимальное использование семейной и региональной материальной и духовной культуры;

в) обеспечение единства национального, интернационального, межнационального и интерсоциального начал в воспитании, образовании, обучении школьников;

г) формирование творческих способностей и установок учителей и обучающихся на потребление и создание новых культурных ценностей .

Принцип целостного изучения педагогических явлений в опытной работе, который предполагает: использование системного и интегративно - развивающего подходов; чёткого определения места изучаемого явления в целостном педагогическом процессе; раскрытие движущих сил и явлений изучаемых объектов.

Данным принципом мы руководствовались при моделировании процесса использования информационных технологий обучения.

Принцип объективности, предполагающий: проверку каждого факта несколькими методами; фиксацию всех проявлений изменения исследуемого объекта; сопоставление данных своего исследования с данными других аналойных исследований.

Принцип активно использовался в процессе проведения констатирующего и формирующего этапов эксперимента, при использовании электронного процесса в образовательном процессе, а также при анализе полученных результатов.

Принцип адаптации, требующий учёта личностных особенностей и познавательных способностей, обучающихся в процессе использования информационных технологий, использовался при проведении формирующего эксперимента. Принцип активности, предполагающий, что коррекция личного смыслового поля и стратегии поведения может осуществляться лишь в ходе активной и интенсивной работы каждого участника.

Принцип экспериментирования, направленный на активный поиск участниками занятий новых стратегий поведения. Этот принцип важен как толчок к развитию творчества и инициативы личности, а также как образец поведения в реальной жизни обучающегося .

Говорить о технологии обучения с использованием электронных учебников можно только в том случае, если: она удовлетворяет основным принципам педагогической технологии (предварительное проектирование, воспроизводимость, целеобразование, целостность); она решает задачи, которые ранее в дидактике не были теоретически и/или практически решены; средством подготовки и передачи информации обучаемому является компьютер.

В связи с этим приведём основные принципы системного внедрения компьютеров в учебный процесс, которые были широко использованы в нашей опытной работе .

Принцип новых задач. Суть его состоит в том, чтобы не перекладывать на компьютер традиционно сложившиеся методы и приёмы, а перестраивать их в соответствии с новыми возможностями, которые дают компьютеры. На практике это означает, что при анализе процесса обучения выявляются потери, происходящие от недостатков его организации (недостаточный анализ содержания образования, слабое знание реальных учебных возможностей школьников и др.). В соответствии с результатом анализа намечается список задач, которые в силу различных объективных причин (большой объем, громадные затраты времени и т.п.) сейчас не решаются или решаются неполно, но которые вполне решаются с помощью компьютера. Эти задачи должны быть направлены на полноту, своевременность и хотя бы приближенную оптимальность принимаемых решений.

Принцип системного подхода. Это означает, что внедрение компьютеров должно основываться на системном анализе процесса обучения. То есть должны быть определены цели и критерии функционирования процесса обучения, проведена структуризация, вскрывающая весь комплекс вопросов, которые необходимо решить для того, чтобы проектируемая система наилучшим образом соответствовала установленным целям и критериям.

Принципы максимально разумной типизации проектных решений. Это означает, что, разрабатывая программное обеспечение, исполнитель должен стремиться к тому, чтобы предлагаемые им решения подходили бы возможно более широкому кругу заказчиков не только с точки зрения используемых типов компьютеров, но и различных типов образовательных учреждений.

В заключение данного параграфа отметим, что использование вышеперечисленных методов с другими методами и принципами организации экспериментальной работы позволило определить отношение к проблеме использования электронных учебников в процессе обучения, и наметить конкретные пути эффективного решения проблемы.

Следуя логике теоретического исследования, мы сформировали две группы - контрольную и экспериментальную. В экспериментальной группе проверялась действенность выделенных педагогических условий, в контрольной группе организация процесса обучения была традиционной.

Образовательные особенности реализации педагогических условий использования электронных учебников в процессе обучения физике в старшем звене представлены в параграфе 2.2.

Результаты проделанной работы нашли отражение в параграфе 2.3.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ЗАДАЧИ

ПРИ ОБУЧЕНИИ

ФИЗИКИ

Сосина Наталия Николаевна

учитель физики

МБОУ «ЦО №22 – Лицей искусств»

Экспериментальные задачи играют большую роль в обучении учащихся физики. Они развивают мышление и познавательную активность, способствуют более глубокому пониманию сущности явлений, выработке умения строить гипотезу и проверять ее на практике. Основное значение решения экспериментальных задач заключается в формировании и развитии с их помощью наблюдательности, измерительных умений, умений обращаться с приборами. Экспериментальные задачи способствуют повышению активности учащихся на уроках, развитию логического мышления, учат анализировать явления.

К экспериментальным задачам относятся те, которые не могут быть решены без постановки опытов или измерений. Эти задачи по роли эксперимента в решении можно разделить на несколько видов:

Задачи, в которых без эксперимента нельзя получить ответ на вопрос;

Эксперимент используется для создания проблемной ситуации;

Эксперимент используется для иллюстрации явления, о котором идет речь в задаче;

Эксперимент используется для проверки правильности решения.

Решать экспериментальные задачи можно и на уроке и дома.

Рассмотрим некоторые экспериментальные задачи, которые можно использовать на уроке.

НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ

Объяснить наблюдаемое явление

- Если нагреть воздух в банке и сверху на горлышко банки положить слегка надутый воздушный шар с водой, то он засасывается в банку. Почему?

(Воздух в банке остывает, его плотность увеличивается, а объем

уменьшается – шарик втягивается в банку)

- Если слегка надутый воздушный шар полить горячей водой, то он увеличится в размере. Почему?

(Воздух нагревается, скорость молекул увеличивается и, они чаще ударяются о стенки шарика. Давление воздуха увеличивается. Оболочка эластичная, сила давления растягивает оболочку и шарик увеличивается в размере)

- Резиновый шарик, опущенный в пластиковую бутылку, невозможно надуть. Почему? Что надо сделать, чтобы можно было надуть шарик?

(Шарик изолирует атмосферу воздуха в бутылке. При увеличении объема шарика, воздух в бутылке сжимается, давление растет и препятствует надуванию шарика. Если в бутылке сделать отверстие, то давление воздуха в бутылке будет равно атмосферному и шарик можно надуть).

- Можно ли вскипятить воду в спичечном коробке?

Расчетные задачи

- Как определить потерю механической энергии за одно полное колебание груза?

(Потеря энергии равна разности значений потенциальной энергии груза в начальном и в конечном положении через один период).

(Для этого надо знать массу спички и время ее горения).

Экспериментальные задачи, побуждающие к поиску информации

для ответа на вопрос

- Поднесите к головке спички сильный магнит, она почти не притягивается. Сожгите серную головку спички и вновь поднесите к магниту. Почему теперь притягивается головка спички к магниту?

Найдите информацию о составе спичечной головки.

ДОМАШНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ

Большой интерес у учащихся вызывают домашние экспериментальные задачи. Проводя наблюдения, за каким либо физическим явлением, ставя дома эксперимент, который нужно объяснить при выполнении этих заданий, ученики учатся самостоятельно мыслить, развивают свои практические навыки. Выполнение экспериментальных задач играет особенно важную роль в подростковом возрасте, так как в этот период перестраивается характер учебной деятельности школьника. Подростка уже не всегда удовлетворяет то, что ответ на его вопрос есть в учебнике. У него появляется потребность получить этот ответ из жизненного опыта, наблюдений за окружающей действительностью, из результата собственных экспериментов. Домашние опыты и наблюдения, лабораторные работы, экспериментальные задачи учащиеся выполняют охотнее и с большим интересом, чем другие виды домашних заданий. Задания становятся более осмысленными, глубокими, повышается интерес к физике и технике. Умение наблюдать, экспериментировать, исследовать и конструировать становятся составной частью в подготовке учащихся к дальнейшему творческому труду в различных областях производства.

Требования, предъявляемые к домашним экспериментам

Прежде всего, это, конечно, безопасность. Так как опыт проводится учеником дома самостоятельно без непосредственного контроля учителя, то в опыте не должно быть никаких химических веществ и предметов, имеющих угрозу для здоровья ребенка и его домашнего окружения. Опыт не должен требовать от ученика каких-либо существенных материальных затрат, при проведении опыта должны использоваться предметы и вещества, которые есть практически в каждом доме: посуда, банки, бутылки, вода, соль и так далее. Выполняемый дома школьниками эксперимент должен быть простым по выполнению и оборудованию, но, в то же время, являться ценным в деле изучения и понимания физики в детском возрасте, быть интересным по содержанию. Так как учитель не имеет возможности непосредственно контролировать выполняемый учащимися дома опыт, то результаты опыта должны быть соответствующим образом оформлены (примерно так, как это делается при выполнении фронтальных лабораторных работ). Результаты опыта, проведенного учениками дома, следует обязательно обсудить и проанализировать на уроке. Работы учащихся не должны быть слепым подражанием установившимся шаблонам, они должны заключать в себе широчайшее проявление собственной инициативы, творчества, исканий нового. На основе вышесказанного можно сформулировать предъявляемые к домашним экспериментальным заданиям требования:

– безопасность при проведении;
– минимальные материальные затраты;
– простота по выполнению;
– иметь ценность в изучении и понимании физики;
– легкость последующего контроля учителем;
– наличие творческой окраски.

НЕКОТОРЫЕ ДОМАШНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ

- Определить плотность плитки шоколада, куска мыла, пакетика сока;

- Возьмите блюдце и опустите его ребром в кастрюлю с водой. Блюдце тонет. Теперь опустите блюдце на воду дном, оно плавает. Почему? Определите выталкивающую силу, действующее на плавающее блюдце.

- Проделайте шилом в дне пластиковой бутылки отверстие, быстро заполните водой и плотно закройте крышкой. Почему вода перестала выливаться?

- Как определить начальную скорость пули игрушечного пистолета, располагая только рулеткой.

- На баллоне лампы написано 60 Вт, 220 В. Определите сопротивление спирали. Рассчитайте длину спирали лампы, если известно, что она изготовлена из вольфрамовой проволоки диаметром 0,08 мм.

- Запишите по паспорту мощность электрического чайника. Определите количество теплоты, выделяемое за 15 мин и стоимость потребляемой за это время энергии.

Для организации и проведения урока с проблемными экспериментальными задачами перед учителем открывается большая возможность проявить свои творческие способности, подобрать задачи по своему усмотрению, рассчитанные на тот или иной класс, в зависимости от степени подготовки учащихся. В настоящее время существует большое количество методической литературы, на которую может опереться учитель при подготовке к урокам.

Можно использовать такие книги как

Л. А. Горев. Занимательные опыты по физике в 6-7 классах средней школы – М.: «Просвещение», 1985 г

В. Н. Ланге. Экспериментальные физические задачи на смекалку: Учебное руководство.- М. : Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1985

Л. А. Горлова. Нетрадиционные уроки, внеурочные мероприятия – М.: «Вако», 2006

В. Ф. Шилов. Домашние экспериментальные задания по физике. 7 – 9 классы. – М.: «Школьная пресса», 2003

В приложениях даны некоторые экспериментальные задачи.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

(с сайта учителя физики В. И. Елькина)

Экспериментальные задачи

1 . Определите, сколько капель воды содержится в стакане, если у вас есть пипетка, весы, разновес, стакан с водой, сосуд.

Решение. Накапайте, скажем, 100 капель в пустой сосуд и определите их массу. Во сколько раз масса воды в стакане больше массы 100 капель, во столько раз больше число капель.

2 . Определите площадь однородной картонки неправильной формы, если у вас есть ножницы, линейка, весы, разновес.

Решение. Взвесьте пластинку. Вырежьте из неё фигуру правильной формы (например, квадрат), площадь которого легко измерить. Найдите отношение масс – оно равно отношению площадей.

3 . Определите массу однородной картонки правильной формы (например, большого плаката), если у вас есть ножницы, линейка, весы, разновес.

Решение. Весь плакат взвешивать не нужно. Определите его площадь, а затем вырежьте с краю фигуру правильной формы (например, прямоугольник) и измерьте его площадь. Найдите отношение площадей – оно равно отношению масс.

4 . Определите радиус металлического шарика, не пользуясь штангенциркулем.

Решение. Объём шарика определите с помощью мензурки, а из формулы V = (4/3) R 3 определите его радиус.

Решение. Намотайте плотно на карандаш, например, 10 витков нити и измерьте длину обмотки. Разделив на 10, узнайте диаметр нити. С помощью линейки определите длину катушки, разделите её на диаметр одной нити и получите число витков в одном слое. Измерив внешний и внутренний диаметры катушки, найдите их разность, поделите на диаметр нити – узнаете число слоёв. Рассчитайте длину одного витка в средней части катушки и подсчитайте длину нити.

Оборудование. Мензурка, пробирка, стакан с крупой, стакан с водой, линейка.

Решение. Считайте крупинки примерно равными и шарообразными. Используя метод рядов, вычислите диаметр крупинки, а затем её объём. В пробирку с крупой налейте воды так, чтобы вода заполнила промежутки между крупинками. Используя мензурку, вычислите общий объём крупы. Поделив общий объём крупы на объём одной крупинки, подсчитайте число крупинок.

7 . Перед вами кусок проволоки, измерительная линейка, кусачки и весы с разновесом. Как с одного раза отрезать два куска проволоки (с точностью до 1 мм), чтобы получить самодельные разновесы массой 2 и 5 г?

Решение. Измерьте длину и массу всей проволоки. Вычислите длину проволоки, приходящуюся на каждый грамм её массы.

8 . Определите толщину вашего волоса.

Решение. Намотайте виток к витку волос на иголку и измерьте длину ряда. Зная количество витков, вычислите диаметр волоса.

9 . Об основании города Карфагена сложено предание. Дидона, дочь тирского царя, потеряв мужа, убитого её братом, бежала в Африку. Там она купила у нумидийского царя столько земли, «сколько занимает воловья шкура». Когда сделка состоялась, Дидона разрезала воловью шкуру на тонкие ремешки и благодаря такой уловке охватила участок земли, достаточный для сооружения крепости. Так, будто бы, возникла крепость Карфаген, а впоследствии был построен и город. Попробуйте приблизительно определить, какую площадь могла занять крепость, если считать, что размер воловьей шкуры 4 м2, а ширина ремешков, на которые Дидона её разрезала, 1 мм.

Ответ. 1 км 2 .

10 . Выясните, имеет ли алюминиевый предмет (например, шарик) внутри полость.

Решение. С помощью динамометра определите вес тела в воздухе и воде. В воздухе P = mg, а в воде P = mg – F, где F = gV – сила Архимеда. По справочнику найдите и вычислите объём шарика V в воздухе и в воде.

11 . Вычислите внутренний радиус тонкой стеклянной трубочки, используя весы с разновесом, измерительную линейку, сосуд с водой.

Решение. В трубочку наберите воду. Измерьте высоту столба жидкости, затем вылейте воду из трубочки и определите её массу. Зная плотность воды, определите её объём. Из формулы V = SH = R 2 H вычислите радиус.

12 Определите толщину алюминиевой фольги, не пользуясь микрометром или штангенциркулем.

Решение. Массу алюминиевого листа определите взвешиванием, площадь – с помощью линейки. По справочнику найдите плотность алюминия. Затем вычислите объём и из формулы V = Sd – толщину фольги d.

13 . Вычислите массу кирпича в стене дома.

Решение. Так как кирпичи стандартные, то в стене отыщите кирпичи, у которых можно измерить длину, толщину или ширину. По справочнику найдите плотность кирпича, и вычислите массу.

14 . Изготовьте «карманные» весы для взвешивания жидкости.

Решение. Простейшие «весы» – мензурка.

15 . Два ученика сделали для определения направления ветра по флюгеру. Сверху они поместили красивые флажки, вырезанные из одного и того же куска жести – на одном флюгере прямоугольной формы, на другом – треугольной. Для какого флажка, треугольного или прямоугольного, требуется краски больше?

Решение. Так как флажки изготовлены из одного и того же куска жести, то их достаточно взвесить, больший по массе имеет большую площадь.

16 . Листок бумаги накройте книгой и рывком поднимите её. Почему за ней поднимается листок?

Ответ. Листок бумаги поднимает атмосферное давление, т.к. в момент отрыва книги между ней и листком образуется разрежение.

17 . Как вылить воду из банки, стоящей на столе, не прикасаясь к ней?

Оборудование. Трёхлитровая банка, на 2/3 заполненная водой, длинная резиновая трубочка.

Решение. В банку опустите один конец длинной резиновой трубочки, заполненной водой полностью. Второй конец трубки возьмите в рот и отсасывайте воздух до тех пор, пока уровень жидкости в трубке не окажется выше края банки, затем выньте её изо рта, а второй конец трубочки опустите ниже уровня воды в банке – вода потечёт сама. (Этот приём часто используют водители при переливании бензина из бака автомобиля в канистру).

18 . Определите, какое давление оказывает металлический брусок, плотно лежащий на дне сосуда с водой.

Решение. Давление на дно стакана складывается из давления столба жидкости над бруском и давления, оказываемое на дно непосредственно бруском. С помощью линейки определите высоту столба жидкости, а также площадь грани бруска, на которой он лежит.

19 . Два одинаковых по массе шарика погружены один – в чистую, другой – в сильно солёную воду. Рычаг, к которому они подвешены, находится в равновесии. Определите, в каком сосуде чистая вода. Пробовать воду на вкус нельзя.

Решение. Шарик, погружённый в солёную воду, теряет в весе меньше, чем шарик в чистой воде. Поэтому его вес будет больше, следовательно, это тот шарик, который висит на более коротком плече. Если убрать стаканы, то перетянет шарик, подвешенный к более длинному плечу.

20 . Что необходимо сделать, чтобы кусочек пластилина плавал в воде?

Решение. Из пластилина изготовить «лодочку».

21 . Пластмассовую бутылку из-под газированной воды заполнили на 3/4 водой. Что нужно сделать, чтобы брошенный в бутылку шарик из пластилина тонул, но всплывал бы, если пробку закрутить и сжать стенки бутылки?

Решение. Внутри шарика нужно сделать воздушную полость.

22 . Какое давление на пол оказывает кошка (собака)?

Оборудование. Листок бумаги в клетку (из ученической тетради), блюдечко с водой, бытовые весы.

Решение. Взвесьте животное на домашних весах. Смочите лапки и заставьте его пробежать по листку бумаги в клетку (из ученической тетради). Определите площадь лап и вычислите давление.

23 . Чтобы быстро вылить сок из банки, надо проделайте две дырки в крышке. Главное, чтобы, когда вы начинаете выливать сок из банки, они оказались одна вверху, другая диаметрально внизу. Почему нужны две дырки, а не одна? Объяснение. В верхнюю дырку поступает воздух. Под действием атмосферного давления сок вытекает из нижней. Если дырка одна, то давление в банке будет периодически меняться, и сок начнёт «булькать».

24 . По листу бумаги катится шестиугольный карандаш, ширина грани которого 5 мм. Какова траектория движения его центра? Начертите.

Решение. Траектория – синусоида.

25 . На поверхности круглого карандаша поставили точку. Карандаш установили на наклонную плоскость и дали возможность, вращаясь, скатиться. Нарисуйте траекторию движения точки относительно поверхности стола, увеличенную в 5 раз.

Решение. Траектория – циклоида.

26 . Подвесьте металлический стержень на двух штативах так, чтобы его движение могло быть поступательным; вращательным.

Решение. Стержень подвесьте на двух нитях так, чтобы он был горизонтальным. Если его толкнуть вдоль, то он будет перемещаться, оставаясь параллельным самому себе. Если его толкнуть поперёк, он начнёт колебаться, т.е. совершать вращательное движение.

27 . Определите скорость движения конца секундной стрелки ручных часов.

Решение. Измерьте длину секундной стрелки – это радиус окружности, по которой она движется. Затем рассчитайте длину окружности, и вычислите скорость

28 . Определите, какой шарик имеет большую массу. (Шарики в руки брать нельзя.)

Решение. Шарики установите в ряд и с помощью линейки одновременно всем сообщите одинаковую силу толчка. Тот, что отлетит на самое маленькое расстояние, и есть самый тяжёлый.

29 . Определите, какая пружинка из двух с виду одинаковых имеет больший коэффициент жёсткости.

Решение. Пружинки сцепите, и растягивайте в противоположные стороны. Пружинка с меньшим коэффициентом жёсткости растянется больше.

30 . Вам даны два одинаковых резиновых мячика. Как доказать, что один из мячиков подпрыгнет выше другого, если их уронить с одинаковой высоты? Бросать мячи, сталкивать между собой, поднимать со стола, катать по столу – нельзя.

Решение. На мячи нужно нажать рукой. Какой мяч более упругий, тот и отскакивать будет выше.

31 . Определите коэффициент трения скольжения стального шарика по дереву.

Решение. Возьмите два одинаковых шарика, соедините их между собой пластилином с тем, чтобы они при скатывании не вращались. Деревянную линейку установите в штативе под таким углом, чтобы скользящие по ней шарики двигались прямолинейно и равномерно. В этом случае = tg , где – угол наклона. Измерив высоту наклонной плоскости и длину её основания, найдите тангенс этого угла наклона (коэффициент трения скольжения).

32 . У вас игрушечный пистолет и линейка. Определите скорость вылета «пули» при выстреле.

Решение. Выстрел сделайте вертикально вверх, засеките высоту подъёма. В наивысшей точке кинетическая энергия равна потенциальной – из этого равенства найдите скорость.

33 . Горизонтально расположенный стержень массой 0,5 кг лежит одним концом на опоре, а другим – на съёмном столике демонстрационного динамометра. Каковы показания динамометра?

Решение. Общий вес стержня 5 Н. Так как стержень опирается на две точки, то вес тела распределяется на обе точки опоры поровну, следовательно, динамометр покажет 2,5 Н.

34 . На ученическом столе – тележка с грузом. Ученик слегка толкает её рукой, и тележка, пройдя некоторое расстояние, останавливается. Как найти начальную скорость тележки?

Решение. Кинетическая энергия тележки в начальный момент её движения равна работе силы трения на всём пути движения, следовательно, m 2 /2 = Fs. Чтобы найти скорость, надо знать массу тележки с грузом, силу трения и пройденный путь. Исходя из этого, необходимо иметь весы, динамометр, линейку.

35 . На столе лежат шар и куб, сделанные из стали. Массы их одинаковы. Вы подняли оба тела и прижали к потолку. Одинаковой ли потенциальной энергией они будут обладать?

Решение. Нет. Центр тяжести куба ниже центра тяжести шара, следовательно, потенциальная энергия шара меньше.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

(из книги В. Н. Ланге «Экспериментальные физические задачи на смекалку» - экспериментальные задачи в домашней обстановке)

1. Вам предложили найти плотность сахара. Как это сделать, располагая только бытовой мензуркой, если опыт нужно провести с сахарным песком?

2. Как с помощью 100-граммовой гирьки, трехгранного напильника и линейки с делениями приближенно определить массу некоторого тела, если она не особенно отличается от массы гирьки? Как поступить, если вместо гирьки дан набор «медных» монет?

3. Как с помощью медных монет найти массу линейки?

4. Шкала весов, имеющихся в доме, проградуирована только до 500 г. Как с их помощью взвесить книгу, масса которой около 1 кг, располагая также катушкой с нитками?

5. В вашем распоряжении имеются наполненная водой ванна, маленькая банка с широким горлышком, несколько копеечных монет, пипетка, цветной мелок (или мягкий карандаш). Как с помощью этих - и только этих - предметов найти массу одной капли воды?

6. Как с помощью весов, набора гирь и сосуда с водой определить плотность камня, если его объем невозможно измерить непосредственно?

7. Как различить, имея в распоряжении пружину (или полоску резины), шпагат и кусок железа, в какой из двух непрозрачных сосудов налит керосин, а в каком - керосин с водой?

8. Как, пользуясь весами и набором гирь, можно найти вместимость (т. е. внутренний объем) кастрюли?

9. Как разделить содержимое цилиндрического стакана, до краев наполненного жидкостью, на две одинаковые части, располагая еще одним сосудом, но другой формы и несколько меньшего объема?

10. Два товарища отдыхали на балконе и размышляли над тем, как определить, не открывая спичечных коробков, в чьем коробке осталось меньше спичек. А какой способ можете предложить вы?

11. Как определить положение центра масс гладкой палки, не пользуясь никакими инструментами?

12. Как измерить диаметр футбольного мяча с помощью жесткой (например, обычной деревянной) линейки?

13. Как найти диаметр небольшого шарика с помощью мензурки?

14. Необходимо возможно точнее узнать диаметр сравнительно тонкой проволоки, располагая для этой цели только школьной тетрадью «в клетку» и карандашом. Как следует поступить?

15. Имеется частично заполненный водой сосуд прямоугольного сечения, в котором плавает погруженное в воду тело. Как с помощью одной линейки найти массу этого тела?

16. Как с помощью стальной спицы и мензурки с водой найти плотность пробки?

17. Как, имея только линейку, найти плотность дерева, из которого изготовлена палочка, плавающая в узком цилиндрическом сосуде?

18. Стеклянная пробка имеет внутри полость. Можно ли с помощью весов, набора гирь и сосуда с водой определить объем.полости, не разбивая пробки? А если можно, то как?

19. Имеются железный лист, прибитый к полу, легкая деревянная палка (стержень) и линейка. Разработайте способ определения коэффициента трения дерева о железо с применением только перечисленных предметов.

20. Находясь в комнате, освещенной электрической лампой, нужно узнать, какая из двух собирающих линз с одинаковыми диаметрами имеет большую оптическую силу. Никаких специальных приборов для этой цели не дано. Укажите способ решения задачи.

21. Имеются две линзы с одинаковыми диаметрами: одна собирающая, другая рассеивающая. Как определить, какая из них обладает большей оптической силой, не прибегая к помощи приборов?

22. В длинном коридоре, лишенном окон, висит электрическая лампа. Ее можно зажечь и погасить выключателем, установленным у входной двери в начале коридора. Это неудобно, выходящему на улицу, поскольку до выхода он вынужден пробираться в темноте. Впрочем, вошедший и включивший при входе лампу тоже недоволен: пройдя коридор, он оставляет горящую напрасно лампу. А нельзя ли придумать схему, позволяющую включать и выключать лампу из разных концов коридора?

23. Представьте себе, что для измерения высоты дома вам было предложено воспользоваться пустой консервной банкой и секундомером. Сумели бы вы справиться с заданием? Расскажите, как нужно действовать?

24. Как найти скорость истечения воды из водопроводного крана, имея цилиндрическую банку, секундомер и штангенциркуль?

25. Из неплотно прикрытого водопроводного крана тоненькой струйкой вытекает вода. Как с помощью только одной линейки можно определить скорость истечения воды, а также ее объемный расход (т. е. объем воды, вытекающий из крана в единицу времени)?

26. Предлагается определить ускорение свободного падения, наблюдая за струйкой воды, вытекающей из неплотно закрытого водопроводного крана. Как выполнить задание, располагая для этой цели линейкой, сосудом известного объема и часами?

27. Допустим, что вам нужно наполнить водой большой бак известного объема с помощью гибкого шланга, снабженного цилиндрической насадкой. Вы хотите знать, сколько времени продлится это скучное занятие. Нельзя ли его вычислить, располагая только линейкой?

28. Как с помощью гирьки известной массы, легкого шнура, двух гвоздей, молотка, кусочка пластилина, математических таблиц и транспортира определить массу некоторого предмета?

29. Как определить давление в футбольном мяче с помощью чувствительных весов и линейки?

30. Как с помощью цилиндрического сосуда с йодом и линейки определить давление внутри перегоревшей электрической лампочки?

31. Попробуйте решить предыдущую задачу, если нам разрешено использовать наполненную водой кастрюлю и весы с набором гирь.

32. Дана узкая стеклянная трубка, запаянная с одного конца. Трубка содержит воздух, отделенный от окружающей атмосферы столбиком ртути. Имеется также миллиметровая линейка. Определите с их помощью атмосферное давление.

33. Как определить удельную теплоту парообразования воды, располагая домашним холодильником, кастрюлей неизвестного объема, часами и равномерно горящей газовой горелкой? Удельную теплоемкость воды считать известной.

34. Нужно узнать мощность, потребляемую от городской сети телевизором (или другим электрическим прибором), с помощью настольной лампы, катушки с нитками, кусочка железа и электросчетчика. Как выполнить это задание?

35. Как найти сопротивление электрического утюга в рабочем режиме (сведения о его мощности отсутствуют) с помощью электросчетчика и радиоприемника? Рассмотреть отдельно случаи радиоприемников, питающихся от батарей и городской сети.

36. За окном снег, а в комнате тепло. К сожалению, измерить температуру нечем - нет термометра. Но зато есть батарея гальванических элементов, очень точные вольтметр и амперметр, сколько угодно медной проволоки и физический справочник. Нельзя ли с их помощью найти температуру воздуха в комнате?

37. Как решить предыдущую задачу, если физического справочника не оказалось, но дополнительно к перечисленным предметам разрешено пользоваться электрической плиткой и кастрюлей с водой?

38. У имеющегося в нашем распоряжении подковообразного магнита стерлись обозначения полюсов. Конечно, существует множество способов узнать, какой из них является южным, а какой - северным. Но вам предложено выполнить это задание с помощью телевизора! Как вы должны поступить?

39. Как определить знаки полюсов немаркированной батареи с помощью мотка изолированной проволоки, железного стержня и телевизора.

40. Как узнать, намагничен ли стальной стержень, имея в распоряжении кусок медной проволоки и катушку с нитками?

41. Дочь обратилась к отцу, записывающему при свете лампы показания электросчетчика, с просьбой отпустить ее погулять. Давая разрешение, отец попросил дочь вернуться ровно через час. Как отец сможет проконтролировать длительность прогулки, не пользуясь часами?

42. Задача 22 довольно часто публикуется в различных сборниках и поэтому хорошо известна. А вот задание того же характера, но несколько более сложное. Придумайте схему, позволяющую включать и выключать электрическую лампу или какой-нибудь другой прибор, работающий от электросети, из любого числа различных пунктов.

43. Если поставить деревянный кубик на покрытый сукном диск проигрывателя радиолы близко к оси вращения, кубик будет вращаться вместе с диском. Если же расстояние до оси вращения велико, кубик, как правило, сбрасывается с диска. Как определить коэффициент трения дерева о сукно с помощью одной лишь линейки?

44. Разработайте метод определения объема комнаты с помощью достаточно длинной и тонкой нити, часов и гирьки.

45. При обучении музыке, балетному искусству, в тренировке спортсменов и для некоторых других целей часто используется метроном - прибор, издающий периодические отрывистые щелчки. Длительность интервала между двумя ударами (щелчками) метронома регулируется перемещением грузика по специальной качающейся шкале. Как проградуировать шкалу метронома в секундах с помощью нити, стального шарика и рулетки, если это не сделано на заводе?

46. Грузик метронома с неотградуированной шкалой (см. предыдущую задачу) нужно установить в такое положение, чтобы промежуток времени между двумя ударами был равен одной секунде. Для этой цели разрешено воспользоваться длинной лестницей, камнем и рулеткой. Как следует распорядиться этим набором предметов, чтобы выполнить задание?

47. Имеется деревянный прямоугольный параллелепипед, у которого одно ребро значительно превышает два других. Как с помощью одной только линейки определить коэффициент трения бруска о поверхность пола в комнате?

48. Современные кофемолки приводятся в действие электродвигателем небольшой мощности. Как, не разбирая кофемолки, определить направление вращения ротора ее двигателям

49. Два полых шара, имеющих одинаковую массу и объем, покрашены одинаковой краской, царапать которую нежелательно. Один шар изготовлен из алюминия, а другой - из меди. Как проще всего узнать, какой шар алюминиевый, а какой - медный?

50. Как определить" массу некоторого тела с помощью однородной рейки с делениями и куска не очень толстой медной проволоки? Разрешено также пользоваться физическим справочником.

51. Как оценить радиус вогнутого сферического зеркала (или радиус кривизны вогнутой линзы) с помощью секундомера и стального шарика известного радиуса?

52. Две одинаковые сферические колбы из стекла наполнены различными жидкостями. Как определить, в какой жидкости скорость света больше, располагая для этой цели только электрической лампочкой и листом бумаги?

53. Окрашенную целлофановую пленку можно использовать как простейший монохроматор - приспособление, выделяющее из сплошного спектра довольно узкий интервал световых волн. Как с помощью настольной лампы, проигрывателя с пластинкой (лучше долгоиграющей), линейки и листа картона с небольшим отверстием определить среднюю длину волны из этого интервала? Хорошо, если в вашем эксперименте будет участвовать товарищ с карандашом.

Домашние экспериментальные задания

Задание 1.

Возьмите длинную тяжелую книгу, перевяжите ее тонкой ниткой и

прикрепите к нитке резиновую нить длиной 20 см.

Положите книгу на стол и очень медленно начинайте тянуть за конец

резиновой нити. Попытайтесь измерить длину растянувшейся резиновой нити в

момент начала скольжения книги.

Измерьте длину растянувшейся нитки при равномерном движении книги.

Положите под книгу две тонкие цилиндрические ручки (или два

цилиндрических карандаша) и так же тяните за конец нити. Измерьте длину

растянувшейся нити при равномерном движении книги на катках.

Сравните три полученных результата и сделайте выводы.

Примечание. Следующее задание является разновидностью предыдущего. Оно

так же направлено на сравнение трения покоя, трения скольжения и трения

Задание 2.

Положите на книгу шестигранный карандаш параллельно ее корешку.

Медленно поднимайте верхний край книги до тех пор, пока карандаш не начнет

скользить вниз. Чуть уменьшите наклон книги и закрепите ее в таком

положении, подложив под нее что-нибудь. Теперь карандаш, если его снова

положить на книгу, съезжать не будет. Его удерживает на месте сила трения -

сила трения покоя. Но стоит эту силу чуть ослабить - а для этого достаточно

щелкнуть пальцем по книге, - и карандаш поползет вниз, пока не упадет на

стол. (Тот же опыт можно проделать, например, с пеналом, спичечным

коробком, ластиком и т.п.)

Подумайте, почему гвоздь легче вытащить из доски, если вращать его

вокруг оси?

Чтобы толстую книгу передвинуть по столу одним пальцем, надо приложить

некоторое усилие. А если под книгу положить два круглых карандаша или

ручки, которые будут в данном случае роликовыми подшипниками, книга легко

передвинется от слабого толчка мизинцем.

Проделайте опыты и сделайте сравнение силы трения покоя, силы трения

скольжения и силы трения качения.

Задание 3.

На этом опыте можно наблюдать сразу два явления: инерцию, опыты с

Возьмите два яйца: одно сырое, а другое сваренное вкрутую. Закрутите

оба яйца на большой тарелке. Вы видите, что вареное яйцо ведет себя иначе,

чем сырое: оно вращается значительно быстрее.

В вареном яйце белок и желток жестко связаны со своей скорлупой и

между собой т.к. находятся в твердом состоянии. А когда мы раскручиваем

сырое яйцо, то мы раскручиваем сначала лишь скорлупу, только потом, за счет

трения, слой за слоем вращение передается белку и желтку. Таким образом,

жидкие белок и желток своим трением между слоями тормозят вращение

скорлупы.

Примечание. Вместо сырого и вареного яиц можно закрутить две кастрюли,

в одной изкоторых вода, а в другой находится столько же по объему крупы.

Центр тяжести. Задание 1.

Возьмите два граненых карандаша и держите их перед собой параллельно,

положив на них линейку. Начните сближать карандаши. Сближение будет

происходить поочередными движениями: то один карандаш движется, тот другой.

Даже если вы захотите вмешаться в их движение, у вас ничего не получится.

Они все равно будут двигаться по очереди.

Как только на одном карандаше давление стало больше и трение настолько

второй карандаш может теперь двигаться под линейкой. Но через некоторое

время давление и над ним становится больше, чем над первым карандашом, и из-

за увеличения трения он останавливается. А теперь может двигаться первый

карандаш. Так, двигаясь по очереди, карандаши встретятся на самой середине

линейки у ее центра тяжести. В этом легко убедится по делениям линейки.

Этот опыт можно проделать и с палкой, держа ее на вытянутых пальцах.

Сдвигая пальцы, вы заметите, что они, тоже двигаясь поочередно, встретятся

под самой серединой палки. Правда, это лишь частный случай. Попробуйте

проделать то же самое с обычной половой щеткой, лопатой или граблями. Вы

увидите, что пальцы встретятся не на середине палки. Попытайтесь объяснить,

почему так происходит.

Задание 2.

Это старинный, очень наглядный опыт. Перочинный нож (складной) у вас,

наверное, карандаш тоже. Заточите карандаш, чтобы у него был острый конец,

и немного выше конца воткните полураскрытый перочинный нож. Поставьте

острие карандаша на указательный палец. Найдите такое положение

полураскрытого ножа на карандаше, при котором карандаш будет стоять на

пальце, слегка покачиваясь.

Теперь вопрос: где находится центр тяжести карандаша и перочинного

Задание 3.

Определите положение центра тяжести спички с головкой и без головки.

Поставьте на стол спичечный коробок на длинную узкую его грань и

положите на коробок спичку без головки. Эта спичка будет служить опорой для

другой спички. Возьмите спичку с головкой и уравновесьте ее на опоре так,

чтобы она лежала горизонтально. Ручкой отметьте положение центра тяжести

спички с головкой.

Соскоблите головку со спички и положите спичку на опору так, чтобы

отмеченная вами чернильная точка лежала на опоре. Это теперь вам не

удастся: спичка не будет лежать горизонтально, так как центр тяжести спички

переместился. Определите положение нового центра тяжести и заметьте, в

какую сторону он переместился. Отметьте ручкой центр тяжести спички без

Спичку с двумя точками принесите в класс.

Задание 4.

Определите положение центра тяжести плоской фигуры.

Вырежьте из картона фигуру произвольной (какой-либо причудливой) формы

и проколите в разных произвольных местах несколько отверстий (лучше, если

они будут расположены ближе к краям фигуры, это увеличит точность). Вбейте

в вертикальную стену или стойку маленький гвоздик без шляпки или иглу и

повесьте на него фигуру через любое отверстие. Обрати внимание: фигура

должна свободно качаться на гвоздике.

Возьмите отвес, состоящий из тонкой нити и груза, и перекиньте его

нить через гвоздик, чтобы он указывал вертикальное направление не

подвешенной фигуре. Отметьте на фигуре карандашом вертикальное направление

Снимите фигуру, повесьте ее за любое другое отверстие и снова при

помощи отвеса и карандаша отметьте на ней вертикальное направление нити.

Точка пересечения вертикальных линий укажет положение центра тяжести

данной фигуры.

Пропустите через найденный вами центр тяжести нить, на конце которой

сделан узелок, и подвесьте фигуру на этой нити. Фигура должна держаться

почти горизонтально. Чем точнее проделан опыт, тем горизонтальнее будет

держаться фигура.

Задание 5.

Определите центр тяжести обруча.

Возьмите небольшой обруч (например, пяльцы) или сделайте кольцо из

гибкого прутика, из узкой полоски фанеры или жесткого картона. Подвесьте

его на гвоздик и из точки привешивания опустите отвес. Когда нить отвеса

успокоится, отметьте на обруче точки ее прикосновения к обручу и между

этими точками натяните и закрепите кусок тонкой проволоки или лески

(натягивать надо достаточно сильно, но не настолько чтобы обруч менял свою

Подвесьте обруч на гвоздик за любую другую точку и проделайте то же

самое. Точка пересечения проволок или лесок и будет центром тяжести обруча.

Заметьте: центр тяжести обруча лежит вне вещества тела.

К месту пересечения проволок или лесок привяжите нить и подвесьте на

ней обруч. Обруч будет находится в безразличном равновесии, так как центр

тяжести обруча и точка его опоры (подвеса) совпадают.

Задание 6.

Вы знаете, что устойчивость тела зависит от положения центра тяжести и

от величины площади опоры: чем ниже центр тяжести и больше площадь опоры,

тем тело устойчивее.

Помня это, возьмите брусок или пустой коробок от спичек и, ставя его

поочередно на бумагу в клеточку на самую широкую, на среднюю и на самую

меньшую грань, обводите каждый раз карандашом, чтобы получить три разных

площади опоры. Подсчитайте размеры каждой площади в квадратных сантиметрах

и проставьте их на бумаге.

Измерьте и запишите высоту положения центра тяжести коробка для всех

трех случаев (центр тяжести спичечного коробка лежит на пересечении

диагоналей). Сделайте вывод, при каком положении коробок является наиболее

устойчивым.

Задание 7.

Сядьте на стул. Ноги поставьте вертикально, не подсовывая их под

сиденье. Сидите совершенно прямо. Попробуйте встать, не нагибаясь вперед,

не вытягивая руки вперед и не сдвигая ноги под сиденье. У вас ничего не

получится - встать не удастся. Ваш центр тяжести, который находится где-то

в середине вашего тела, не даст вам встать.

Какое же условие надо выполнить, чтобы встать? Надо наклониться вперед

или поджать под сиденье ноги. Вставая, мы всегда проделываем и то и другое.

При этом вертикальная линия, проходящая через ваш центр тяжести, должна

обязательно пройти хотя бы через одну из ступней ваших ног или между ними.

Тогда равновесие вашего тела окажется достаточно устойчивым, вы легко

сможете встать.

Ну, а теперь попробуйте встать, взяв в руки гантели или утюг. Вытяните

руки вперед. Возможно, удастся встать, не наклоняясь и не подгибая ноги под

Инерция. Задание 1.

Положите на стакан почтовую открытку, а на открытку положите монету

или шашку так, чтобы монета находилась над стаканом. Ударьте по открытке

щелчком. Открытка должна вылететь, а монета (шашка) упасть в стакан.

Задание 2.

Положите на стол двойной лист бумаги из тетради. На одну половину

листа положите стопку книг высотой не ниже 25см.

Слегка приподняв над уровнем стола вторую половину листа обеими

руками, стремительно дерните лист к себе. Лист должен освободиться из-под

книг, а книги должны остаться на месте.

Снова положите на лист книги и тяните его теперь очень медленно. Книги

будут двигаться вместе с листом.

Задание 3.

Возьмите молоток, привяжите к нему тонкую нить, но чтобы она

выдерживала тяжесть молотка. Если одна нитка не выдерживает, возьмите две

нитки. Медленно поднимите молоток вверх за нитку. Молоток будет висеть на

нитке. А если вы захотите его снова поднять, но уже не медленно, а быстрым

рывком, нитка оборвется (предусмотрите, чтобы молоток, падая, не разбил

ничего под собой). Инертность молотка настолько велика, что нитка не

выдержала. Молоток не успел быстро последовать за вашей рукой, остался на месте, и нить порвалась.

Задание 4.

Возьмите небольшой шарик из дерева, пластмассы или стекла. Сделайте из

плотной бумаги желобок, положите в него шарик. Быстро двигайте по столу

желобок, а затем внезапно его остановите. Шарик по инерции продолжит

движение и покатится, выскочив из желобка.

Проверьте, куда покатится шарик, если:

а) очень быстро потянуть желоб и резко остановить его;

б) тянуть желоб медленно и резко остановить.

Задание 5.

Разрежьте яблоко пополам, но не до самого конца, и оставьте его висеть

Теперь ударьте тупой стороной ножа с висящим сверху на нем яблоком по

чему-нибудь твердому, например по молотку. Яблоко, продолжая движение по

инерции, окажется перерезанным и распадется на две половинки.

То же самое получается, когда колют дрова: если не удалось

расколоть чурбак, его обычно переворачивают и что есть сил, ударяют обухом

топора о твердую опору. Чурбак, продолжая двигаться по инерции,

насаживается глубже на топор и раскалывается надвое.

Эффективность использования экспериментальных задач на уроках в значительной степени определяется их технологичностью, непритязательностью в оборудовании, широтой рассматриваемых явлений. Базируясь на самом простейшем оборудовании и даже на предметах обихода, экспериментальная задача приближает физику к нам, превращая ее в представлениях учащихся из абстрактной системы знаний в науке, изучающую «мир вокруг нас».

Механика

Задача 1. Коэффициент трения

Задание. Измерьте коэффициент трения скольжения деревянного бруска по поверхности доски (линейки).

Оборудование: брусок, доска, штатив с лапкой, линейка длиной 30(40) см .

Возможный способ решения. Кладем брусок на дощечку, в соответствии с рисунком 4. Постепенно поднимая один конец доски, получаем наклонную плоскость и добиваемся равномерного скольжения бруска. Так как сила трения покоя намного больше силы трения скольжения, необходимо немного подталкивать бусок в начале скольжения. Для фиксации нужного наклона используем штатив. Измеряем высоту а и длину основания наклонной плоскости b .

Измерения и анализ погрешностей:

Опыт повторяем несколько раз. В данном случае это необходимо сделать главным образом потому, что трудно добиться именно равномерного скольжения бруска по плоскости. Результаты заносим в таблицу 2.

Таблица 2

Погрешности измерений


а, см	Дa, см	(Дa) 2 ,см 2	в, см	Дb, см	(Дb) 2 ,см 2



<a >=12,2		У(a ) 2 = 1,81			У(b ) 2 = 0,32

Кроме случайных погрешностей в общую погрешность, конечно, входят и обычные погрешности отслета: Да = Дb = 0,5 см .Это составляет:

Таким образом, получаем:

a = 12,2 ± 1,1 см, д = 8,6%

b = 27,4 ± 0,7 см, д = 2,6%

По результатам первого опыта:

Окончательный результат измерения коэффициента трения:

м = 0,46 ± 0,05 д = 10,9%

Задача 2. Измерение высоты дома

Задание. Представьте, что для измерения высоты дома вам было предложено воспользоваться пустой консервной банкой и секундомером. Сумели бы вы справиться с заданием? Расскажите, как нужно действовать.

Подсказка. Если банку сбросить с крыши дома, то звук удара банки о земную поверхность будет отчетливо слышен.

Решение. Встав на крышу дома, нужно выпустить банку из рук, одновременно нажав на пусковую кнопку секундомера. Услышав звук удара банки о землю, следует остановить секундомер. Показания секундомера t складываются из времени падения банки t 1 и времени t 2 , за которое звук удара ее о земную поверхность дойдет до наблюдателя.

Первое время связано с высотой дома h следующим образом:

тогда как связь между h и t 2 имеет вид

где с - скорость звука, которую при расчетах мы положим равной 340 м/сек .

Определяя t 1 и t 2 из этих выражений и подставляя их значения в формулу, связывающую t 1 , t 2 и t , получим иррациональное уравнение

Из которого можно найти высоту дома.

При приближенном вычислении (в особенности, если дом невысок) второе слагаемое слева можно считать малым и отбросить. Тогда

Молекулярная физика

Задача 3. Карандаш

Задание. Оцените механическую работу, которую необходимо совершить для того, чтобы равномерно поднять плавающий в сосуде карандаш до уровня касания нижним его торцом поверхности воды. Считайте положение карандаша вертикальным. Плотность воды с 0 = 1000 кг/м 3 .

Оборудование: круглый карандаш, почти полная бутылка с водой, линейка.

Возможный способ решения. Опускаем карандаш в бутылку - он будет плавать, как поплавок, в соответствии с рисунком 5. Пусть L - длина всего карандаша, V - его объем, h - длина погруженной в воду части карандаша, V 1 - ее объем, S - площадь сечения и d - диаметр карандаша. Найдем среднюю плотность карандаша с из условия плавания тела:

с 0 gSh = сgSL , откуда с = с 0 hL .

Предположим, что мы с постоянной скоростью вытаскиваем карандаш из воды, используя динамометр. Когда карандаш свободно плавает, динамометр показывает ноль. Если же карандаш полностью вытащить из воды, то динамометр покажет силу, равную весу Р карандаша:

F = P = mg = сgV = с0hLgSL = с0hgрd24

Получается, что показания динамометра при вытаскивании карандаша из воды изменяются от 0 до P по линейному закону, в соответствии с рисунком 6. При этом механическая работа А будет равна площади выделенного треугольника:

A = 12Ph = с 0 h 2gрd 2 8.

Например, при h = 13,4 см и d = 7,5 мм работа составляет около 0,004 Дж .

Задача 4. Сплав

Задание. Определите процентное содержание (по массе) олова в оловянно-свинцовом припое. Предположите, что объемы свинца и олова в сплаве сохраняются. Плотность свинца с c = 11350 кг/м 3 , олова с 0 = 7300 кг/м 3 .

Оборудование: линейка, груз (гайка), цилиндрический кусок припоя, штангенциркуль или микрометр. Возможный способ решения. Эта задача аналогична задаче Архимеда по определению доли золота в царской короне. Однако для опытов оловянно-свинцовый припой достать проще, чем корону.

Измерив диаметр куска припоя D и его длину L , найдем объем цилиндрического куска припоя:

V = рD 2 L 4

Массу припоя определим, изготовив рычажные весы. Для этого уравновесим линейку на краю стола (на карандаше, на стержне от шариковой ручки и т.п.). Затем, используя гайку известной массы, уравновесим кусок припоя на линейке и с помощью равенства моментов сил найдем массу припоя m . Запишем очевидные равенства для масс, объемов и плотностей свинца и олова:

m = m c +m o = сcV c +с o V o , V = V c +V o .

Решая эти уравнения совместно, найдем объем олова, его массу и долю в общей массе:

V o = rh o cV?mrh o c?rh oo , mo = с o V o , m o m = rh oo V o m

Задача 5. Поверхностное натяжение

Задание. Определите коэффициент поверхностного натяжения воды.

Оборудование: тарелка, вода, ложка, линейка, кусок ровной алюминиевой проволоки длиной 15-20 см и плотностью 2700 кг/м 3 , микрометр, спирт, вата.

Возможный способ решения. Нальем почти полную тарелку воды. Положим на край тарелки проволоку так, чтобы один конец ее касался воды, а другой был за пределами тарелки. Проволока выполняет две функции: она является рычажными весами и аналогом проволочной рамки, которую обычно вытаскивают из воды для измерения поверхностного натяжения. В зависимости от уровня воды могут наблюдаться различные положения проволоки. Наиболее удобно для расчетов и измерений горизонтальное расположение проволоки при уровне воды на 1-1,5 мм ниже края тарелки, в соответствии с рисунком 7. С помощью ложки можно регулировать уровень, доливая или отливая воду. Проволоку следует выдвигать из тарелки до тех пор, пока пленка воды под проволокой не начнет разрываться. В этом крайнем положении пленка имеет высоту 1,5-2 мм , и можно сказать, что силы поверхностного натяжения, приложенные к проволоке, направлены практически вертикально вниз.

Пусть m - масса проволоки, L = L 1 + L 2 - длина проволоки, m/L - масса единицы длины проволоки. Запишем условие равновесия проволоки относительно края тарелки, т.е. равенство моментов сил:

F p (L 1 ?x 2)+m 1 gL 12 = m 2 gL 22 .

Подставим сюда силу поверхностного натяжения F p =2x у , массы

m 1 =L 1 mL , m 2 = L 2 mL , m = сV = срd 2 L 4

и выразим коэффициент поверхностного натяжения у . Измерения и вычисления упростятся, если вода будет смачивать всю длину L 1 . Окончательно получим

у = срd 2 g 8((LL 1 ?1) 2 ?1).

Величины L и L 1 измеряются линейкой, а диаметр проволоки d - микрометром.

Например, при L = 15 см , L 1 = 5,4 см , d = 1,77 мм получаем O = 0,0703 Н/м , что близко к табличному значению 0,0728 Н/м .

Задача 6. Влажность воздуха

Задание. Определите относительную влажность воздуха в комнате.

Оборудование: стеклянный комнатный термометр, бытовой холодильник, таблица давлений насыщенных паров воды при различных температурах.

Возможный способ решения. При обычном методе измерения влажности объект охлаждают ниже точки росы и он «запотевает». Сделаем наоборот. Температура в холодильнике (около +5 °C ) намного ниже точки росы для комнатного воздуха. Поэтому, если вытащить охлажденный стеклянный термометр из холодильника, то он сразу «запотеет» - стеклянный корпус станет непрозрачным от влаги. Затем термометр начнет нагреваться, и в какой-то момент сконденсировавшаяся влага на нем испарится - стекло станет прозрачным. Это и есть температура точки росы, по которой с помощью таблицы можно рассчитать относительную влажность.

Задача 7. Испарение

Задание. Налейте почти полный стакан воды и поставьте его в комнате в теплое место - для того чтобы вода быстрее испарялась. Измерьте линейкой начальный уровень воды и запишите время начала опыта. Через несколько дней уровень воды понизится за счет испарения. Измерьте новый уровень воды и запишите время окончания опыта. Определите массу испарившейся воды. Сколько в среднем молекул вылетало с поверхности воды за 1 секунду? Сколько приблизительно молекул находится на поверхности воды в стакане? Сравните эти два числа. Диаметр молекулы воды примите равным d 0 = 0,3 нм . Зная удельную теплоту парообразования, определите скорость передачи тепла (Дж/с ) воде от окружающей среды.

Возможный способ решения. Пусть d - внутренний диаметр стакана, с - плотность воды, М - молярная масса воды, r - удельная теплота парообразования, Дh - понижение уровня воды за время t . Тогда масса испарившейся воды равна

m = сv = с ДhS = с Дhрd 2 4.

В этой массе содержится N = mN A /М молекул, где N A - постоянная Авогадро. Число испарившихся за 1 секунду молекул равно

N 1 = Nt = mN A Mt .

Если S = рd 2 /4 - площадь поверхности воды в стакане, а S 0 = рd 2 0 /4 - площадь сечения одной молекулы, то на поверхности воды в стакане находится приблизительно

N 2 = SS 0 = (dd 0) 2 .

Вода для испарения получает в единицу времени количество теплоты

Qt = rmt .

Если производить какие-либо расчеты, связанные с молекулами, то всегда получаются интересные результаты. Например, пусть за время t = 5 суток в стакане диаметром d = 65 мм уровень воды понизился на Дh = 1 см . Тогда получим, что в пар превратилось 33 г воды, за 1 с испарилось N 1 = 2,56?10 18 молекул, на поверхности воды в стакане находилось N 2 = 4,69?1016 молекул, а из окружающей среды поступило 0,19 Вт тепла. Интересным является отношение N 1 /N 2 ? 54, из которого видно, что за 1 с испарялось столько молекул, сколько помещалось в стакане в 54 слоях воды.

Задача 8. Растворение

Задание. Высыпая соль или сахар в кипящую воду, можно заметить, что кипение ненадолго прекращается за счет снижения температуры воды. Определите количество теплоты, необходимое для растворения 1 кг пищевой соды в воде комнатной температуры.

Оборудование: самодельный калориметр, термометр, вода, сода, мерный цилиндр (стакан), груз известной массы (гайка массой 10 г ), пластиковая ложка.

Возможный способ решения. В задачу входит дополнительное конструкторское задание по изготовлению простого самодельного калориметра. Для внутреннего сосуда калориметра следует взять обычную алюминиевую банку объемом 0,33 л. У банки удаляется верхняя крышка так, чтобы получился алюминиевый стакан (массой всего 12 г ) с жестким верхним ободком. Внутри верхнего ободка делается прорезь для того, чтобы вода полностью выливалась из банки. Внешняя пластмассовая оболочка изготавливается на основе пластиковой бутылки объемом 1,5 л . Бутылка разрезается на три части, верхняя часть удаляется, а средняя и нижняя части с некоторым усилием вставляются друг в друга и плотно фиксируют внутреннюю алюминиевую банку в вертикальном положении. (Если нет калориметра, то опыты можно проводить и в одноразовом пластиковом стаканчике, массой и теплопередачей которого можно пренебречь).

Предварительно следует сделать два измерения: 1) определить, сколько соды помещается в ложку (для этого надо заглянуть в кулинарный справочник или «вычерпать» этой ложкой пакет соды известной массы); 2) определиться с количеством воды - в малом количестве воды раствор сразу же станет насыщенным и часть соды не растворится, в большом количестве воды температура изменится на доли градуса, что затруднит измерения.

Очевидно, что количество теплоты, необходимое для растворения вещества, пропорционально массе этого вещества: Q ~ m . Для записи равенства следует ввести коэффициент пропорциональности, например z , который можно назвать «удельной теплотой растворения». Тогда

Q = zm .

Растворение соды осуществляется за счет энергии, выделяющейся при охлаждении сосуда с водой. Величина z находится из следующего уравнения теплового баланса:

mvcv(t 2 -t 1 )+ma cc (t 2 -t 1 ) = zm .

где m v - масса воды в калориметре, m a - масса внутреннего алюминиевого стакана калориметра, m - масса растворенной соды, (t 2 -t 1) - понижение температуры в калориметре. Массу внутреннего сосуда калориметра можно легко найти, используя правило моментов сил, уравновесив сосуд и груз известной массы при помощи линейки и ниток.

Измерения и расчеты показывают, что при m = 6 г и m v = 100 г вода остывает на 2-2,5 єC , а величина z оказывается равной 144-180 кДж/кг .

Задача 9. Емкость кастрюли

Задание. Каким образом можно найти емкость кастрюли, пользуясь весами и набором гирь?

Подсказка. Взвесьте пустую кастрюлю, а потом - кастрюлю с водой.

Решение. Пусть масса пустой кастрюли равна m 1 , а после наполнения водой она составляет m 2 . Тогда разность m 2 -m 1 дает массу воды в объеме кастрюли. Поделив эту разность на плотность воды с , находим объем кастрюли:

Задача 10. Как разделить содержимое стакана

Задание. Имеется цилиндрический стакан, до краев наполненный жидкостью. Как разделить содержимое стакана на две совершенно равные части, располагая еще одним сосудом, но уже иной формы и несколько меньшего размера?

Подсказка. Подумайте, как можно провести плоскость, разделяющую цилиндр на две равные по объему части.

Решение. Если через точки М и N мысленно провести плоскость так, как это показано на рисунке 1а , то она рассечет цилиндр на две симметричные и поэтому равные по объему фигуры, в соответствии с рисунком 8. Отсюда вытекает решение задачи.

Постепенно наклоняя стакан, нужно отливать содержащуюся в нем жидкость до тех пор, пока чуть-чуть не покажется дно (рисунок 1б ). В этот момент в стакане останется ровно половина жидкости.

Электричество

Задача 11. Электрический «черный ящик»

«Черный ящик» представляет собой непрозрачную закрытую коробку, которую нельзя вскрывать, чтобы изучить ее внутреннее устройство. Внутри ящика находятся несколько электрических элементов, соединенных между собой в простую электрическую цепь. Обычно такими элементами являются: источники тока, постоянные и переменные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, полупроводниковые диоды. Снаружи ящика находятся несколько выводов.

Основная цель задания «черный ящик»: сделав минимальное число электрических измерений с использованием внешних выводов, «расшифровать» «черный ящик», т.е.:

- установить, какие именно электрические приборы находятся внутри «черного ящика».
- установить схему их соединения.
- определить номиналы (величины сопротивлений резисторов, емкости конденсаторов и т.д.)

Задание. Три резистора соединены между собой и помещены в «черный ящик» с тремя выводами, в соответствии с рисунком 9. Точно такие же резисторы соединены между собой по-другому и помещены во второй «черный ящик» с тремя выводами. Определить сопротивление каждого резистора. Перемычки применять запрещено.

Оборудование: мультиметр.

Измерение сопротивления между выводами дали результаты:

Ящик № 1: R 1-2 = 12 Ом, R 2-3 = 25 Ом, R 1-3 = 37 Ом

Ящик № 2: R 1-2 = 5,45 Ом, R 2-3 = 15 Ом, R 1-3 = 20,45 Ом

Возможный способ решения. Возможны четыре способа соединения трех резисторов с тремя наружными выводами так, чтобы три измерения давали разное значение сопротивлений:

1) последовательное, 2) смешанное, 3) звездой, 4) треугольником, в соответствии с рисунком 10.

Покажем последовательность поиска ответов.

Характерным признаком двух первых схем является то, что одно из измерений равно сумме двух других, что и соответствует условию задачи:

Следовательно, в одном ящике последовательное соединение, но тогда в другом - смешанное, поскольку результаты измерений не совпадают, хотя номиналы резисторов те же самые.

Известно, что всегда выполняется соотношение

А поскольку R 1-3 cлева больше, чем R 1-3 справа, то в левом ящике (№1) находится последовательное соединение, а в правом (№2) - смешанное.

В состав последовательного соединения в левом ящике входят резисторы с номиналами 12 или 25 Ом . Так как ни то, ни другое значение не наблюдается в составе смешанного соединения, следовательно, номинал одного из резисторов R 1 = 15 Ом .

Остальные номиналы: R 2 = 12 Ом и R 3 = 10 Ом .

Очевидно, к тем же результатам можно прейти и с помощью иной цепочки рассуждений.

Отметим также, что возможны еще 5 комбинаций схем по два «черных ящика» из приведённых четырех. Наиболее громоздка математическая часть задачи по «расшифровке» черного ящика, о котором известно, что там находится треугольник.

В заключении отметим, что не все может идти так гладко, как в данном примере. Значения сопротивлений или других электрических величин, естественно, содержат погрешности. И, например, соотношение может выполняться только приблизительно.

Задача 12. Температура воздуха в комнате

Задание. За окном снег, а в комнате тепло. К сожалению, измерить температуру нечем - нет термометра. Но зато есть батарея, очень точный вольтметр и такой же амперметр, сколько угодно медной проволоки и подробный физический справочник. Нельзя ли с их помощью найти температуру воздуха в комнате?

Подсказка. При нагревании металла его сопротивление возрастает по линейному закону.

Решение. Соединим последовательно батарею, моток проволоки и амперметр включим так, чтобы он показывал напряжение на мотке, в соответствии с рисунком 11. Запишем показания приборов и рассчитаем сопротивление мотка при комнатной температуре:

После этого принесем с улицы снег, погрузим в него моток и, подождав немного, чтобы снег начал таять, а проволока его температуру, тем же способом определим сопротивление проволоки R 0 при температуре тающего снега, т.е. при 0 є С . Пользуясь затем зависимостью между сопротивлением проводника и его температурой

находим температуру воздуха в комнате:

При расчете используется значение температурного коэффициента сопротивления б , взятое из справочника. В области комнатных температур для чистой меди б = 0,0043 град - 1 . Если содержание примесей в меди, из которой изготовлена проволока, не особенно велико, а электроизмерительные приборы имеют класс точности 0,1, то температуру воздуха можно определить с погрешностью, значительно меньшей одного градуса.

Оптика

Задача 13.

Задание. Требуется найти радиус сферического зеркала (или радиус кривизны вогнутой линзы) с помощью секундомера и стального шарика известного радиуса. Как это сделать?

Подсказка. Центр катающегося по поверхности зеркала шарика совершает такое же движение, как маятник.

Решение. Следует расположить зеркало горизонтально и опустить на него шарик. Если шарик опущен не в самую нижнюю точку, он начнет двигаться по поверхности зеркала. Нетрудно догадаться, что если шарик движется без вращения (т.е. скользит по поверхности зеркала), то его движение полностью аналогично движению маятника с длиной подвеса R - r . Тогда из формулы маятника

можно найти интересующую нас величину:

Период Т определяется с помощью секундомера, а r известно по условию.

Поскольку обычно трение достаточно велико, чтобы шарик двигался по поверхности зеркала с вращением, это решение плохо согласуется с опытом. На самом деле

Приведем пример исследовательской задачи на весь урок.

Задача 14. Особенности колебания крутильного маятника.

Задание. Исследуйте особенности колебания крутильного маятника и опишите основные закономерности его движения.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, отрезки медной, стальной и нихромовой проволоки длиной около 1 м и различных диаметров, например 0,3, 0,50, 0,65, 1,0 мм, тонкая легкая деревянная палочка длиной 15-20 см , пластилин, скрепка, линейка, транспортир, секундомер.

Общий вид крутильного маятника должен быть в соответствии с рисунком 12. Скрепка, изогнутая определенным образом, служит для уравновешивания стержня с грузами. Выведенный из состояния равновесия маятник начинает совершать вращательно-колебательное движение.

Заранее нужно изготовить из пластилина пары шариков разной массы. Массы шариков пропорциональны кубу их диаметров, поэтому есть возможность выстроить ряд, например: m 1 = 1, m 2 = 2,5, m 3 = 5,2, m 3 = 6,8, m 4 = 8,3 отн. ед.

Диаметр проволок можно сообщить учащимся заранее или предоставить им возможность провести эти измерения самостоятельно с помощью штангенциркуля или микрометра.

Примечание. Успех исследование во многом зависит от правильного подбора оборудования, особенно диаметров выданных проволок. Кроме того, желательно, чтобы подвес крутильного маятника находился во время опытов в натянутом состоянии, для чего массы грузов должны быть достаточно большими.

Тематика исследования крутильного маятника вытекает из предположения о гармоническом характере его колебаний. Общий перечень экспериментальных наблюдений, которые можно осуществить по данной проблеме и на предложенном оборудовании, достаточно велик. Приведем наиболее простые и доступные.

- Зависит ли период колебаний от амплитуды (угла поворота)?
- Зависит ли период колебаний от длины подвеса маятника?
- Зависит ли период колебаний маятника от массы грузов?
- Зависит ли период колебаний маятника от положения грузов на стержне?
- Зависит ли период колебаний от диаметра проволоки?

Естественно, требуется не просто односложно отвечать на поставленные вопросы, но и исследовать характер ожидаемых зависимостей.

Пользуясь приёмом аналогий, выдвигаем гипотезы о колебаниях крутильного маятника, сравнивая его с математическим маятником, изучаемым по школьной программе. За основу берём период колебаний и его зависимость от различных параметров маятника. Намечаем следующие гипотезы. Период колебаний крутильного маятника:

При малых углах поворота не зависит от амплитуды;

- пропорционален корню квадратному из длины подвеса - T ;
- пропорционален корню квадратному из массы груза - T ;
- пропорционален расстоянию от центра подвеса до центров грузов - Tr ;
- обратно пропорционален квадрату диаметра проволоки - T1/d 2 .

Кроме того, период колебаний зависит от материала подвеса: медь, сталь, нихром. Здесь также имеется ряд гипотез, предлагаем проверить их самостоятельно.

1. Изучаем зависимость периода колебаний маятника от амплитуды (угла поворота). Результаты измерений представлены в таблице 3:

Таблица 3

Зависимость периода колебаний маятника от амплитуды

L = 60 см, m = 8,3 г, r = 12 см, d = 0,5 мм

Вывод . В пределах до 180 зависимость периода колебаний крутильного маятника от амплитуды не обнаруживается. Разброс результатов измерений можно объяснить погрешностями измерения периода колебаний и случайными причинами.

Чтобы «открыть» другие зависимости необходимо менять только один параметр, оставляя все другие неизменными. Математическую обработку результатов лучше всего проводить графически.

2. Изучаем зависимость периода колебаний маятника от его длины: Т = f(l). При этом не меняем m, r, d. Результаты измерений представлены в таблице 4:

Таблица 4

Зависимость периода колебаний маятника от длины

m = 8,3 отн. ед., r = 12 см, d = 0,5 мм

График зависимости Т от l представляет собой кривую возрастающую линию, похожую на зависимость, в соответствии с рисунком 13а T 2 = l , в соответствии с рисунком 13, б .

Вывод. Период колебаний крутильного маятника прямо пропорционален корню квадратному из длины подвеса. Некоторый разброс точек можно объяснить погрешностями измерений периода колебаний и длины маятника

3. Изучаем зависимость периода колебаний маятника от массы грузов: Т=f(m). При этом не меняем l, r, d. Результаты измерений представлены в таблице 5:

Таблица 5

Зависимость периода колебаний маятника от массы грузов

l = 0,6 м, r = 12 см, d = 0,5 мм

График зависимости Т от m представляет собой кривую возрастающую линию, похожую на зависимость, в соответствии с рисунком 14а . Чтобы убедиться в этом, строим зависимость T 2 =f(m) , в соответствии с рисунком 14б .

Вывод. Период колебаний крутильного маятника прямо пропорционален корню квадратному из массы грузов. Некоторый разброс точек можно объяснить погрешностями измерений периода колебаний и масс грузов, а также случайными причинами.

4. Изучаем зависимость периода колебаний маятника от положения грузов: Т = f(r). При этом не меняем l, m, d. Результаты измерений представлены в таблице 6:

Таблица 6

Зависимость периода колебаний маятника от положения грузов

m = 8,3 отн.ед., l = 0,6 м, d = 0,5 мм

Вывод. Период колебаний крутильного маятника прямо пропорционален расстоянию r . Некоторый разброс точек можно объяснить погрешностями измерений периода колебаний и расстояния r , а также случайными причинами.

Изучаем зависимость периода колебаний маятника от диаметра проволоки: Т = f(d) , в соответствии с рисунком 15. При этом не меняем m, r, l .

Результаты измерений представлены в таблице 7.

Таблица 7

Зависимость периода колебаний маятника от диаметра проволоки

m = 8,3 отн.ед., r = 12 см, l = 0,6 м

График зависимости Т от d представляет собой ниспадающую кривую, в соответствии с рисунком 16а . Можно предположить, что это зависимость, где n = 1, 2, 3 и т.д. Для проверки этих предположений необходимо строить графики и т. д. Из всех таких графиков наиболее линейным является график, в соответствии с рисунком 16б .

Вывод. Период колебаний крутильного маятника обратно пропорционален квадрату диаметра проволоки подвеса. Некоторый разброс точек можно объяснить погрешностями измерений периода колебаний и диаметра проволоки d , а также случайными причинами.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что период колебаний крутильного маятника должен вычисляться по формуле, где k - коэффициент пропорциональности, зависящий также от упругих свойств материала подвеса - модуль кручения, модуль сдвига.

Цель, задачи, принципы и методы организации экспериментальной работы

Похожие статьи