Дейч Ю.К.
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБУЧЕНИЯ ШКОЛЬНИКОВ РЕШЕНИЮ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ И РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ ПО ФИЗИКЕ НА ПРИМЕРЕ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ РАЗЛИЧНЫХ РАЗДЕЛОВ ФИЗИКИ *
Аннотация:
в статье анализируются методические основы обучения школьников решению экспериментальных задач по физике и разработка экспериментальных заданий по физике на примере некоторых задач различных разделов физики
Ключевые слова:
обучение физике, школьный курс физики, школьное образование
УДК 37
Дейч Ю.К.
учитель физики высшей категории
АНО Лицея «Ганзейская ладья»
(г. Калининград, Россия)
МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБУЧЕНИЯ ШКОЛЬНИКОВ
РЕШЕНИЮ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ И РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ЗАДАНИЙ ПО ФИЗИКЕ НА ПРИМЕРЕ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ РАЗЛИЧНЫХ РАЗДЕЛОВ ФИЗИКИ
Аннотация: в статье анализируются методические основы обучения школьников решению экспериментальных задач по физике и разработка экспериментальных заданий по физике на примере некоторых задач различных разделов физики.
Ключевые слова: обучение физике, школьный курс физики, школьное образование.
Физика — наука, изучающая материю (вещество и поля) и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы ее движения, а также фундаментальные взаимодействия в природе, управляющие движением материальных явлений.
Физика образует фундамент естествознания, поскольку в развитии естествознания физика всегда играла основополагающую роль. Законы физики (закон инерции, закон всемирного тяготения, закон сохранения и превращения энергии, закон возрастания энтропии, законы сохранения симметрии и др.) лежат в основе всего естествознания. Все области естествознания опираются на общие физические законы природы. Любые используемые в естественных науках приборы являются физическими приборами. Приборов биологических, физиологических, химических и т.д. не бывает. Любой используемый ученым прибор есть всегда в своей основе физический объект и для истолкования своих показаний требует соответствующих физических теорий. Это обстоятельство делает язык физики неотъемлемым элементом языка любой другой естественно-научной дисциплины. Физические методы исследований играют решающую роль во всех естественных науках. Например, с помощью рентгеноструктурного анализа изучаются не только кристаллы, но и сложнейшие биологические структуры. Метод «меченых» атомов играет большую роль в исследовании обмена веществ в живых организмах. Ультразвук и другие физические методы применяются в медицине для диагностики. Революция в биологии, связанная с возникновением молекулярной биологии и генетики, была бы невозможна без физики. Физические методы исследований применяются в астрономии. То же касается и других естественных наук, привести примеров можно очень много. Таким образом, невозможно заниматься ни одной естественной наукой, не зная физики. Внутри физики выделяется большое число подразделов, различающихся специфическим предметом и методами исследования. Физика — фундамент современной техники; она лежит в основе всех наиболее значимых направлений технического прогресса.
Цель физики заключается в отыскании общих законов природы и в объяснении конкретных процессов на их основе. По мере продвижения к этой цели перед учеными постепенно вырисовывалась величественная и сложная картина единства природы. Мир представляет собой не совокупность разрозненных, независимых друг от друга событий, а разнообразные и многочисленные проявления одного целого.
Цель обучения физике: формирование научных знаний в области естественных наук, понятий, законов, современной физической картины мира; формирование экспериментальных умений и навыков, знакомство с основными направлениями научно-технического прогресса. В результате обучения физике учащийся должен не просто освоить школьную программу, а научиться самостоятельно приобретать и применять знания в любой ситуации.
Основной и первостепенной задачей в преподавании физики является усвоение заданного материала и умение применения теоретических знаний на практике. Для полного изучения и понимания материала школьникам в первую очередь необходимо выполнение реального эксперимента с постановкой учебной задачи. Решение экспериментальных заданий развивает логическое мышление и познавательную активность, способствует более глубокому пониманию сущности явлений и прочному усвоению физических законов, позволяет глубже осознать связь теории с практикой.
Экспериментальные задачи способствуют выработке умения строить гипотезу и проверять ее на практике, развитию воли и настойчивости в достижении поставленной цели. Одно из основных значений решения экспериментальных задач заключается в формировании и развитии с их помощью наблюдательности, измерительных умений, умений обращаться с приборами. Экспериментальные задачи учат анализировать явления, а также помогают приобретению навыков самостоятельной работы и служит неизменным средствам для развития самостоятельности в суждениях. Содержание экспериментальных задач расширяет круг знаний учащихся в овладениях знаниями физических явлений и законов природы и техники. Решение задач также одно из важных средств повторения, закрепления и проверки знаний учащихся.
Для организации направленной работы по обучению решению экспериментальных физических задач в средних и старших классах учебных заведений необходимо вводить дополнительные учебные профильные курсы, элективные или факультативные. При систематическом решении экспериментальных задач по физике на факультативных занятиях и курсах по выбору преподаватели могут достичь высоких показателей обучающихся, проявляющийся, в частности в результативном участии в научно-практических конференция, олимпиадах физического, инженерно-технического профиля.
Обучение решению экспериментальных физических задач будет способствовать целенаправленному и интенсивному формированию у учащихся исследовательских умений, а также повышению качества знаний учащихся по физике, если:
Разработка экспериментальных заданий по физике.
Для повышения эффективности своей работы по обучению школьников решению экспериментальных задач по физике были разработаны собственные дидактические материалы по физике: «Лабораторный практикум плюс», «Я экспериментатор», при составлении которого физические задачи по роли эксперимента в решении были разделены на несколько видов:
Так же задания ранжируются по степени сложности (как по сложности проведения эксперимента, так и по сложности вычислений искомой величины).
Некоторые примеры экспериментальных физических задач
«Определение необходимых параметров».
Механика. Простые измерения. (1 год обучения)
Задача «Радиус шара».
Определите радиус металлического шарика. Предложите способ, при котором не нужно пользоваться штангенциркулем.
Цель: научиться рассчитывать искомую величину (радиус шарика) используя экспериментальные данные.
Оборудование и материалы: мензурка с водой.
Решение:
Объём шарика определите с помощью мензурки, а из формулы определите его радиус (с формулой обучающихся знакомит учитель, но необходимо заменить, что данная формула, как и многие другие, печатается в дневниках и предметных тетрадях).
Задача «Емкость сосуда».
Каким образом можно найти емкость сосуда любой формы, пользуясь весами и набором гирь?
Цель: научиться определять емкость сосуда (объем жидкости в сосуде).
Оборудование и материалы: весы, набор гирь, вода.
Решение:
Подсказка. Взвесьте пустой сосуд, а потом – наполненный до верху, к примеру, водой.
Пусть масса пустой кастрюли равна m1, а после наполнения водой она составляет m2. Тогда разность m2-m1 дает массу воды в объеме кастрюли. Поделив эту разность на плотность воды, находим объем кастрюли:
.
Электричество (2 год обучения)
Задача «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.
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.
Цель: 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.)
Оборудование: мультиметр.
Решение:
Измерение сопротивления между выводами дали результаты:
Ящик № 1: R1-2 = 12 Ом, R2-3 =25 Ом, R1-3 =37 Ом
Ящик № 2: R1-2 = 5,45 Ом, R2-3 =15 Ом, R1-3 = 20,45 Ом
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.
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 R1-3 cлева больше, чем R1-3 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 R1 = 15 Ом.
Остальные номиналы: R2 = 12 Ом и R3 = 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.
Механика (3 год обучения)
Задача «Коэффициент трения»
Имеется железный лист, прибитый к полу, легкий деревянный цилиндрический стержень (палка) и линейка. Разработайте способ определения коэффициента трения дерева о железо.
Цель: определить коэффициент трения.
Оборудование: железный лист, деревянный стержень (палка), линейка.
Решение: при некотором угле наклона α палка начнет скользить по желобу.
Это произойдет в тот момент, когда горизонтальная составляющая силы F, станет больше максимальной силы трения покоя.
Молекулярная физика. (4 год обучения)
Задача «Измерение атмосферного давления».
Предложите способ измерения атмосферного давления с помощью данного оборудования.
Цель: научиться измерять атмосферное давление.
Оборудование: стеклянная трубка с пробкой, резиновый шланг, воронка стеклянная, линейка ученическая, метр демонстрационный, штатив лабораторный, вода.
Решение:
Примечание: для определения атмосферного давления можно осуществить изотермическое расширение воздуха, заключенного в стеклянной трубке между поверхностью воды и резиновой пробкой.
Выполнение работы.
Соединим стеклянную трубку и воронку резиновой трубкой, укрепим её в штативе. (См. рис 1). Установим перемещением воронки, уровень годы в стеклянной трубке на расстоянии X от ее верхнего конца, закроем трубку пробкой. Воздух, заключенный в трубке занимает объем V при атмосферном давлении Р.
При опускании воронки давление
воздуха в трубке уменьшится на
величину , где h - разность уровней воды в трубке и воронке, ρ - плотность воды, g – ускорение свободного падения (рис.2). Воздух, находящийся под пробкой, занимает новый объем V+ΔV. Процесс
расширения воздуха под пробкой можно считать изотермическим. Для изотермического процесса можно записать уравнение: PV=(P-ΔP)(V+ΔV)/ Bp этого уравнения атмосферное давление Р равно: .
Так как , V=LS и ΔV=S, где S - площадь поперечного сечения стеклянной трубки, L - первоначальная длина столба воздуха, ΔL - изменение длины столбика воздуха, то Р=ρgh(L+ΔL)/ΔL.
Следовательно, для измерения атмосферного давления необходимо измерить первоначальную длину L столба воздуха в трубке при одинаковой высоте уровней воды: в трубке и воронке, длину L+ΔL столба воздуха в трубке после опускания воронки и разность h высот уровней воды в трубке и воронке во втором опыте.
Оптика (5 год обучения)
Задача «Скорость света»
Определить скорость света в воде, приняв скорость света в воздухе с=3·108ом/с.
Цель: предложить способ для расчета скорости света (в воде).
Оборудование: стакан с водой, бумага, источник света (свеча или лампа накаливания), линейка, карандаш.
Решение:
Заполним наполовину стакан водой и оклеим его по периметру бумагой, в которой вырезана узкая щель вдоль образующей стакана. На некотором расстоянии расположим источник света S так, чтобы он, центр стакана О и изображение источника В лежали на одной прямой. Очевидно, что |АО| = |ОВ| = г. Повернем стакан на некоторый угол. При этом луч света, исходящий из источника S, проходит в стакане над поверхностью воды по направлению SAD. Точка D - изображение щели на стакане над поверхностью воды (помечаем ее карандашом). Луч света, проходящий внутри стакана через слой жидкости, преломляется и дает изображение щели в точке К. Из рисунка видно, что угол α является углом падения, угол β - углом преломления.
На основании закона преломления имеем: , ADB=АКB = 90° (углы опираются на диаметр). Из ΔАDВ находим, что BD= АВ sinα=2r sinα, т.е. sinα= .
Из ΔАКВ получаем: sinα= Тогда и, наконец, , т. е. , .
Таким образом, определение скорости света в воде сводится к определению расстояний ВК и ВD, т. е. смещений изображений щели по сравнению с первоначальным положением. Эти расстояния легко определить с помощью линейки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Номер журнала Вестник науки №6 (63) том 4
Ссылка для цитирования:
Дейч Ю.К. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБУЧЕНИЯ ШКОЛЬНИКОВ РЕШЕНИЮ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ПО ФИЗИКЕ И РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ ПО ФИЗИКЕ НА ПРИМЕРЕ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ РАЗЛИЧНЫХ РАЗДЕЛОВ ФИЗИКИ // Вестник науки №6 (63) том 4. С. 303 - 314. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/9197 (дата обращения: 19.05.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+