ЭКСПЕРИМЕНТ

В.А.ПЛОСКОВ,
Коми ГПИ, КРИРОиПК, г. Сыктывкар, Республика Коми

Подготовка к экспериментальному туру олимпиад

Невозможно себе представить развивающее обучение по физике без физических олимпиад. Однако, если для подготовки к теоретическому туру найти подходящие задачи учителю не составляет труда, то с экспериментальными задачами дело обстоит гораздо хуже. Их приходится выискивать буквально поштучно. В данной статье мы предлагаем подборку экспериментальных задач олимпиадного уровня, которые помогут организовать систематическую подготовку одарённых учащихся.

В первую очередь необходимо отметить, что экспериментальная задача – это физический эксперимент, и отличается он от обычных лабораторных работ только тем, что здесь ученику не даётся готового алгоритма решения. Идею, порядок решения, а также методику проведения эксперимента надо найти и продумать самостоятельно. Нельзя торопить учащихся и помогать подсказками, нужно дать возможность самостоятельно подумать над проблемой, и не один урок, а может быть, даже не одну неделю. Конечно, можно консультироваться с учителем и обсуждать проблему с одноклассниками.

Поскольку экспериментальная задача – это тоже физический эксперимент, то и проводить его надо по всем правилам, предусмотренным для эксперимента. В частности, обратить внимание на обработку результатов измерений. С этой целью полезно дать учащимся такую задачу:

• Даны электронный секундомер (можно использовать любой другой или часы с секундной стрелкой), жёлоб, шарик. Спустив шарик десять раз, определите среднее арифметическое времени скатывания. Вычислите среднее квадратичное отклонение времени от среднего арифметического, относительную погрешность измерения, выберите доверительную вероятность и вычислите доверительный интервал. Рассчитайте скорость шарика в конце жёлоба и оцените погрешность скорости.

Рекомендации для учителя. Все необходимые сведения о погрешностях измерений можно найти в книге Фетисова В.А. «Оценка точности измерений в курсе физики средней школы» (М.: Просвещение, 1991). Обратите внимание учащихся на то, что в следующих задачах также необходимо оценивать точность результатов.

Вторая задача поможет понять, что нельзя слишком доверять результатам измерений.

• Даны наклонная плоскость, шарик, электронный секундомер, линейка. Ускорение шарика на наклонной плоскости можно рассчитать по формулам и a₂ = 2s/t². Определите теоретически и экспериментально, во сколько раз а₁ больше (меньше), чем а₂. Как отношение а₁/а₂ зависит от угла наклонной плоскости ? Укажите причину расхождения теоретического и экспериментального результатов.

Рекомендации для учителя. Хотя электронный секундомер выдаёт результаты измерения времени с точностью до сотых долей секунды, в большинстве случаев экспериментальное значение отношения а₁/а₂ не совпадает с теоретическим. При этом в эксперименте проявляется зависимость указанного отношения от угла плоскости, хотя теория показывает, что отношение а₁/а₂ от угла наклонной плоскости не зависит и равно 1,4 (шарик катится, а не съезжает поступательно). Учащиеся высказывают свои гипотезы о причинах появления систематических погрешностей, которые весьма разнообразны и зависят от конкретных условий проведения эксперимента.

• Даны шарик, подвешенный на нити, линейка, секундомер. Приведите шарик в движение по окружности в горизонтальной плоскости. Теоретически и экспериментально исследуйте зависимость периода обращения шарика от радиуса окружности при постоянной длине нити. Постройте соответствующие графики.

Рекомендации для учителя. В данной задаче теоретические и экспериментальные результаты хорошо согласуются, теоретический и экспериментальный графики зависимости периода конического маятника от радиуса окружности совпадают. При малых радиусах период вращения конического маятника практически совпадает с периодом колебаний математического маятника с той же длиной нити, что позволяет использовать этот факт для вывода соответствующей формулы для математического маятника.

• Даны стакан с неизвестной жидкостью, стакан с водой, два груза неправильной формы (массы и объёмы неодинаковы и неизвестны), рычаг, штатив, линейка, нитки. Определите плотность неизвестной жидкости. Плотность воды 1000 кг/м³.

Рекомендации для учителя. Учащиеся подвешивают грузы на концах рычага, добиваются равновесия и, погружая один из грузов в воду и неизвестную жидкость, а также используя закон Архимеда и правило моментов, находят плотность неизвестной жидкости. В качестве неизвестной жидкости можно предложить раствор соли.

• Даны груз известной массы, груз неизвестной массы, пружина, штатив, секундомер. Определите массу неизвестного груза.

Рекомендации для учителя. Линейка не дана, поэтому воспользоваться простым способом решения с использованием закона Гука невозможно. Для решения задачи необходимо определить периоды колебаний того и другого груза на одной и той же пружине экспериментально с помощью секундомера. Затем, записав формулу периода пружинного маятника для каждого, найти неизвестную массу.

• Даны прозрачный гибкий шланг длиной около 2 м (на концах – краны или зажимы), стакан с холодной водой, высокий мерный цилиндр (мензурка), кастрюля с горячей (не более 60 °С) водой, термометр, жидкостный манометр, линейка. Проверьте справедливость газовых законов: Бойля–Мариотта, Гей-Люссака, Шарля.

Рекомендации для учителя. Для проверки закона Бойля–Мариотта можно наполнить шланг холодной водой (комнатной температуры), но не полностью, оставив в конце столб воздуха высотой около 20 см. Так как сечение трубки можно считать всюду одинаковым и неизменным, измеряем не объём воздуха, а (во всех состояниях) высоту воздушного столба. Для получения различных давлений на воздух в трубке располагаем трубку горизонтально, оставляя кран на конце трубки с водой открытым, чтобы вода не оказывала дополнительного давления на воздух и чтобы давление столба воды складывалось с атмосферным давлением (или вычиталось из него).

Для проверки закона Гей-Люссака достаточно нагреть воздух в закрытом с обоих концов шланге в кастрюле с водой, затем опустить один конец шланга в воду, а остальную часть вытащить из воды. Воздух охлаждается до комнатной температуры, и одновременно уменьшается его объём.

Для проверки закона Шарля можно воспользоваться шлангом как сосудом постоянного объёма, заполненным воздухом. Подсоединив один конец шланга к жидкостному манометру, погружаем шланг в кастрюлю с горячей водой и наблюдаем за показаниями жидкостного манометра.

• Даны сильфон, резиновая трубка, технический манометр, кастрюля с водой, термометр. Погрузите сильфон в тёплую (60 °С) воду, установите его объём 6 единиц и закройте кран, обеспечивающий доступ воздуха в систему, после чего увеличьте объём сильфона до 10 единиц. Это исходное состояние 1. Осуществите процессы: а) изобарного охлаждения воздуха до комнатной температуры; б) изохорного нагревания воздуха в сильфоне до температуры воды в кастрюле с водой; в) изотермического расширения воздуха до состояния 1. В ходе эксперимента записывайте все необходимые параметры воздуха. Постройте в осях p, V график процесса в масштабе. Вычислите КПД цикла.

Рекомендации для учителя. Можно выражать работу и количество теплоты только в условных единицах, т.к. масса воздуха в системе нам неизвестна, а объём также выражается в условных единицах.

• Даны стакан с водой, стакан с неизвестной жидкостью, весы, разновес, мензурка, стеклянная трубка (капилляр), линейка. Определите коэффициент поверхностного натяжения неизвестной жидкости. Поверхностное натяжение воды считать известным.

Рекомендации для учителя. С помощью весов и мензурки определяем плотность неизвестной жидкости (плотность воды известна). С помощью линейки измеряем высоты поднятия воды и неизвестной жидкости в капилляре, после чего находим поверхностное натяжение неизвестной жидкости.

• Даны стакан с водой температурой около 0 °С, два термометра. Поместите в стакан датчики термометров: один у дна, второй около поверхности. Пронаблюдайте зависимость показаний термометров от времени, постройте графики и определите по ним температуру воды при максимальной плотности.

Рекомендации для учителя. Воду перед проведением эксперимента охладите до 0 °С с помощью снега. Далее она нагревается в результате теплообмена с воздухом в классе. Наблюдение следует вести до 8–10 °С. Оформить результаты эксперимента графически не представляет большого труда, но очень трудно на основе этих графиков вывести путём логических рассуждений требуемое значение температуры.

• Даны резиновый жгут, набор грузов, штатив, линейка. Постройте график зависимости модуля Юнга от деформации.

Рекомендации для учителя. Модуль Юнга, согласно закону Гука, для данного материала есть величина постоянная. Однако в эксперименте учащиеся убеждаются, что это далеко не так, кажется, что закон Гука несправедлив. Для получения постоянного модуля Юнга для некоторого диапазона деформаций нужно правильно провести обработку данных, учитывая изменение площади поперечного сечения жгута при растяжении. Однако даже при этом модуль Юнга в крайних точках графика значительно отличается от средних значений, что служит поводом для разговора о границах применимости закона.

• Даны термометр, пробирка с исследуемым веществом, нагреватель, часы. Постройте график зависимости температуры от времени при нагревании и охлаждении исследуемого вещества. Нагревайте до температуры, которая несколько выше температуры плавления. Когда вещество расплавится, уберите нагреватель. Продолжите наблюдение. По полученному графику сделайте вывод, какое это вещество – кристаллическое или аморфное.

Рекомендации для учителя. Для исследования можно предлагать вещества, температура плавления которых не слишком высока (из соображений безопасности опыта), например, парафин, воск, смолу.

• Даны плоский конденсатор (две металлические пластины), диэлектрик (пластина оргстекла), измеритель ёмкости, линейка, штангенциркуль. Определите диэлектрическую проницаемость диэлектрика.

Рекомендации для учителя. Сравнивая полученные результаты с табличными данными, легко убедиться, что эта задача не так проста, как это может показаться на первый взгляд. Конечно, формула ёмкости плоского конденсатора является приближённой, даже очень. Но задача учащихся в том, чтобы научиться получать хорошие результаты с применением «плохих» формул. Ведь «хороших» формул всё равно нет. Так работают все учёные-физики: с помощью упрощённых моделей изучают бесконечно сложный реальный мир.

• Шесть резисторов сопротивлением по 1 Ом каждый соединены, как показано на рисунке. Найдите сопротивление цепи между точками 1 и 2, 1 и 3, 1 и 4, 2 и 3, 2 и 4, 3 и 4. Решите задачу теоретически и с помощью компьютера, используя компьютерную программу «Физика в картинках» («Конструктор резисторов» из раздела «Электричество» НЦ «Физикон», 1995, базовая версия 6.2). Можно также собрать цепь из проволочных резисторов и работать с омметром.

• Даны лабораторный вольтметр, резистор извест-ного сопротивления, два гальванических элемента, полупроводниковый диод, провода. Определите: а) сопротивление вольтметра; б) прямое и обратное сопротивления диода.

Рекомендации для учителя. Вольтметр нужно подключить к гальваническим элементам непосредственно, без резистора, а затем включить последовательно и параллельно вольтметру резистор. Написав для каждого случая закон Ома для замкнутой цепи и используя результаты измерений, вычисляем сопротивление вольтметра. Зная его, можно включать в цепь диод и выполнять аналогичные расчёты. Однако при оценке работы учащихся следует учесть, что сопротивление диода в зависимости от рабочей точки вольтамперной характеристики может быть различным.

• Определите сопротивление между двумя соседними узлами бесконечной квадратной проволочной решётки. Сопротивление каждого ребра 1 Ом. Решите задачу теоретически и проверьте ответ на компьютере при помощи конструктора резисторов («Физика в картинках»).

Конечно, бесконечную решётку с помощью конструктора резисторов на компьютере построить невозможно, но можно получить приближённый ответ для конечной решётки и исследовать, как он меняется при изменении размеров решётки.

Рекомендации для учителя. Подробное решение данной задачи см. в «Физике в задачах» Бутикова Е.И., Быкова А.А., Кондратьева А.С. (Изд-во ЛГУ, 1976, с. 108).

• Даны низковольтная лампа, лабораторный источник питания, реостат, ключ, миллиамперметр, вольтметр, провода. Постройте график зависимости температуры нити накала лампы от силы тока в ней. Сопротивление нити накала лампы при 0 °С считать известным (можно предварительно измерить омметром). Объясните полученный график.

• Даны «чёрный ящик», внутри которого содержится электрическая цепь, составленная из трёх одинаковых резисторов и двух одинаковых диодов; омметр. «Чёрный ящик» имеет 4 вывода. Измерьте сопротивления между каждой парой выводов: R₁₂; R₂₁; R₁₃; R₃₁. Определите схему «чёрного ящика» по результатам измерений. Оцените значения прямого и обратного сопротивлений диодов и сопротивления резисторов. Согласно предложенной схеме сделайте расчёты и покажите, что их результаты соответствуют результатам измерений.

Указание. Возможны различные варианты схемы внутри «чёрного ящика».

• Даны звуковой генератор школьный, катушка от универсального трансформатора на 12 В, конденсатор ёмкостью 2 мкФ, миллиамперметр переменного тока или авометр. Соедините катушку и конденсатор параллельно друг другу и подключите к выходу звукового генератора. Меняя частоту генератора, исследуйте зависимость силы тока в неразветвлённой части цепи от частоты. Постройте график и объясните его. Определите индуктивность катушки.

Рекомендации для учителя. В учебнике для 11-го класса рассматривается резонанс в последовательной цепи. При решении этой задачи учащиеся самостоятельно исследуют явление резонанса при параллельном соединении катушки с конденсатором. Теоретический материал можно найти в «Факультативном курсе физики-10» Кабардина О.Ф. и др. (изд. 1979 г. и последующие).

• Даны телевизор, простейшая антенна – полуволновой вибратор из двух стержней, двухпроводная линия длиной около 3–5 м, металлический стержень длиной 1–1,5 м, линейка. Найдите частоту и длину электромагнитной волны, несущей видео- и звуковой сигналы для разных каналов.

Рекомендации для учителя. Располагая металлический стержень за антенной-вибратором и изменяя расстояние между ними, наблюдают изменения видео- и звукового сигнала, одновременно измеряя расстояние между антенной и стержнем.

• Даны стеклянная треугольная призма или плоскопараллельная пластинка, лабораторный прибор по оптике, транспортир. Пропустите световой пучок через стеклянную призму так, чтобы он прошёл через две грани, расположенные под острым углом друг к другу. Сделайте измерения и вычислите скорость света в стекле.

• Даны лампа накаливания, рассеивающая линза, экран, линейка. Определите фокусное расстояние рассеивающей линзы.

Рекомендации для учителя. Получите на экране с помощью рассеивающей линзы светлый круг и измерьте его диаметр. Другой вариант: используйте для нахождения местоположения мнимого изображения предмета метод параллакса.

• Даны прибор по геометрической оптике, цилиндрическая двояковыпуклая линза, линейка. Определите показатель преломления стекла линзы.

Рекомендации для учителя. Задачу легко решить, опытным путём найдя фокусное расстояние линзы, а затем вычислив показатель преломления материала линзы по формуле линзы. Радиусы кривизны цилиндрической линзы можно найти, очертив её контуры на бумаге, методом построения двух хорд.

• Даны вогнутое зеркало, лампа накаливания, экран, линейка, стакан с водой, штатив. а) Получите изображение нити лампы на экране от вогнутого сферического зеркала. Измерьте расстояние от лампы до зеркала и от зеркала до экрана. Вогнутое зеркало располагайте горизонтально, а экран закрепите на штативе над зеркалом. б) Получите изображение нити лампы на экране от вогнутого сферического зеркала, на поверхность которого налит слой воды. Сделайте те же измерения. в) Вычислите показатель преломления воды.

Решение большинства рассмотренных задач не вызывает затруднений, т.к. многие из них опубликованы. Однако, собранные в единый практикум, они могут восполнить пробел в экспериментальной подготовке учащихся. Решение экспериментальных задач можно организовать фронтально, если оборудования хватает на всю группу, или в виде практикума, а также на факультативных или кружковых занятиях. Можно предлагать индивидуальные задания и отдельным учащимся, особо заинтересованным в углублённом изучении предмета.

Валентин Александрович Плосков – окончил в 1968 г. Коми ГПИ по специальности «Физика». Работал учителем в Летской средней школе, которую когда-то окончил сам. В 1976 г. поступил в аспирантуру при Ленинградском ГПИ им. А.И.Герцена по специальности «Методика преподавания физики». В 1979 г. защитил кандидатскую диссертацию на тему «Исследование путей совершенствования школьного физического эксперимента». В настоящее время (по совместительству) доцент кафедры физики Коми ГПИ, доцент кафедры преподавания физики и математики КРИРОиПК . Педагогический стаж 35 лет. Заслуженный работник Республики Коми. Основной научный интерес – проблемы школьного физического эксперимента как метода обучения. Другие увлечения: дача, лыжи, современная художественная литература, театр, филармония. Больше всего интересуют встречи с учителями-коллегами в многочисленных поездках на курсы и семинары по Республике Коми, общение со студентами.