Н.А.МАТВЕЕВА,
Российский государственный медицинский университет, г. Москва

matveevana52@mail.ru

Учебно-исследовательский эксперимент
на уроках в основной школе

На учителе, преподающем физику в основной школе, лежит большой груз ответственности: именно на начальном этапе изучения предмета закладывается не только «фундамент» знаний, но и отношение к изучаемому предмету, изменить которое на следующих ступенях обучения трудно. Прочное усвоение теоретических основ предмета невозможно без кропотливой, порой скучной работы. Преодолению трудностей способствует познавательный интерес, мотивация на глубокое усвоение теории и настрой на серьёзную работу. Мотивация как источник познавательной активности, включает в себя удовольствие от деятельности; личная значимость её результатов, вознаграждение за деятельность и принуждающее давление.

В школе очень часто в качестве стимулов учебной работы преобладают именно принуждение и вознаграждение в виде оценок. Личная значимость результатов деятельности большинством учащихся основной школы ещё не осознаётся, они ещё не определились с выбором будущей специальности. Наилучшие результаты дают познавательный интерес и удовольствие от процесса обучения. Самая большая трудность, с которой сталкивается практически каждый преподаватель, заключается в том, что испытывать удовольствие человек может только от того вида деятельности, в котором он чувствует себя компетентным, успешным. Поэтому все пробелы в знаниях, возникающие в основной школе, в дальнейшем приводят к ослаблению интереса к предмету: то, что непонятно, непосильно, что требует чрезвычайного напряжения, вызывает неуверенность в собственных силах и отторжение. Возникает порочный круг: слабый «фундамент» в знаниях снижает интерес к предмету, а спадающий интерес приводит к ещё более неполноценному усвоению материала. Поэтому перед преподавателем физики в 7–8-м классах стоит очень сложная задача: создать положительную обратную связь между успешностью в обучении и удовольствием от этого процесса.

Учащиеся младших классов быстро утомляются от однообразной работы, для поддержания их внимания и работоспособности совершенно необходима смена видов деятельности. Для учеников 7–8-го кл. определяющую роль играют демонстрационный эксперимент, самостоятельное выполнение опытов, понимание физических явлений, наблюдаемых в повседневной жизни, и умение их объяснить. «Меловая физика» им скучна; значительно интереснее получить результат, проделав эксперимент, а не решая задачу. Некоторые достаточно сложные расчётные задачи с успехом можно заменить экспериментом. Конечно, времени требуется больше, но зато и результат лучше. Большой интерес вызывает учебно-исследовательская работа, в которой требуется определить физические характеристики, отсутствующие в общедоступных справочниках. Предлагаю варианты таких работ по теме «Тепловые явления».

• Определение процентного содержания воды в мокром снеге.

Цели работы: развитие навыков использования формул для расчёта количеств теплоты, поглощаемых при нагревании вещества и при его плавлении, а также выделяемых при охлаждении вещества; закрепление правила знаков для поглощённого и выделившегося тепла; использование уравнения теплового баланса для решения экспериментальной задачи.

Оборудование: калориметр с мокрым снегом, мензурка с горячей водой, термометр, измерительный цилиндр.

Чтобы экспериментальная работа учащихся соответствовала поставленным целям, не следует давать им готового алгоритма её выполнения. Сформулировав задачу, обсудите вместе с ними в ходе фронтальной беседы пути её решения, запишите необходимые формулы, а затем выработайте план выполнения: Какова температура мокрого снега? Что будет, если в мокрый снег налить горячую воду? Между какими телами будет происходить теплообмен? Какие тела будут поглощать тепло, а какие отдавать? Как надо поставить эксперимент, чтобы теплообменом с окружающим воздухом можно было бы пренебречь? По какой формуле рассчитывается тепло, поглощаемое при плавлении снега? Запишите формулу, по которой можно рассчитать тепло, затраченное на нагревание воды, полученной из мокрого снега, от температуры плавления до конечной температуры в калориметре. Одинаковы ли массы тающего снега и талой воды? Какая масса больше и почему? Как рассчитать количество теплоты, выделяющееся при остывании горячей воды? Какое ещё тело, кроме мокрого снега и горячей воды, участвует в теплообмене? Каковы его начальная и конечная температуры? Можно ли пренебречь теплом, идущим на нагревание внутреннего стаканчика калориметра*? (*Удельная теплоёмкость алюминия в 4,8 раза меньше удельной теплоёмкости воды. При одинаковых массах мокрого снега и стаканчика калориметра на нагревание стаканчика требуется тепла в 4,8 раза меньше, чем на нагревание воды. Кроме того, большое количество тепла поглощается при таянии снега. Если массы мокрого снега и стаканчика одинаковы, то без учёта поглощаемого стаканчиком количества теплоты погрешность расчёта может составить до 10%. Чем больше масса мокрого снега по отношению к массе стаканчика, тем погрешность меньше.) Как соотносится количество теплоты, поглощённое при таянии снега и нагревании талой воды, и количество теплоты, выделившееся при охлаждении горячей воды? Как из этого уравнения определить массу воды в мокром снеге? Что для этого надо измерить? Какие измерительные приборы потребуются?

Обсудив все эти вопросы, составьте план эксперимента:

1. Измерение температуры мокрого снега t₁ (убедитесь, что она равна 0 °С).

2. Измерение объёма горячей воды V₂ и её температуры t₂.

3. Измерение конечной температуры смеси t (влейте горячую воду в калориметр с мокрым снегом и, только когда весь снег растает, производите измерение).

4. Определение общего объёма воды V_общ (перелейте для этого всю воду из калориметра в измерительный цилиндр).

5. Вычисление объёма талой воды:

V₁ = V_общ – V₂.

6. Расчёт количества теплоты, отданного горячей водой:

Q₂ = V₂c(t – t₂),

где = 1000 кг/м³ – плотность воды, с = 4200 Дж/(кг • °С) – её удельная теплоёмкость.

7. Расчёт количества теплоты, поглощённого талой водой:

Q₁ = V₁c(t – t₁).

8. Определение количества теплоты Q, затраченного на таяние снега:

Q + Q₁ + Q₂ = 0, откуда Q = –(Q₁ + Q₂).

9. Вычисление массы снега в мокром снеге:

где – удельная теплота плавления льда.

10. Определение процентного содержания воды в мокром снеге:

Примечание. Чтобы опыт удался, калориметр с мокрым снегом до опыта должен быть закрыт пробковой крышкой. Температура горячей воды должна быть достаточно высока: чем она ниже, тем больше горячей воды потребуется. Температуру горячей воды следует измерить непосредственно перед переливанием в калориметр. Перелив горячую воду в калориметр, его следует снова закрыть крышкой.

Результаты опыта записывайте в таблицу. Разработка таблицы для записи результатов – работа творческая, т.к. таблица отражает алгоритм проведения эксперимента. Поручите это учащимся.

Таблица результатов

Проанализируйте ход выполнения работы. Как изменился бы результат, если бы потерь тепла в окружающее пространство удалось избежать?

• Изучение процесса плавления стеариновой кислоты

Цели работы: наблюдение за процессами нагревания и плавления и особенностями зависимости температуры от времени; определение температуры плавления стеариновой кислоты и сравнение экспериментального значения с табличным; экспериментальное определение удельной теплоты плавления стеариновой кислоты.

Оборудование: штатив с двумя лапками для закрепления стаканчика и термометра; короткая пробирка, заполненная почти доверху химически чистой стеариновой кислотой; стаканчик с куском ваты, куда помещают пробирку с кислотой с тем, чтобы она не касалась стенок стаканчика; термометр; часы с секундной стрелкой; широкий термостойкий стакан с водой; электроплитка.

Ход работы

1. Пробирку со стеариновой кислотой поместите в стаканчик так, чтобы между пробиркой и стаканчиком был воздушный зазор. На дно стаканчика положите кусок ваты. Стаканчик закрепите в лапке штатива и опустите в стакан с нагретой до 50–60 °С водой, стоящий на электроплитке (рис. 1).

Такая воздушно-водяная баня способствует более равномерному прогреванию вещества в пробирке. Резервуар термометра поместите в пробирку со стеариновой кислотой так, чтобы он находился в середине массы кристаллического вещества. Подождите минут 5–7, пока не наступит термодинамическое равновесие, а затем включите электроплитку. Записывайте показания термометра через каждые 0,5 мин.

Когда температура стеариновой кислоты достигнет 85–90 °С, закончите измерения. На всё наблюдение потребуется 25–30 мин.

Результаты измерений записывайте в таблицу:

2. Постройте график зависимости температуры стеариновой кислоты от времени наблюдения (рис. 2).

• Определите по графику температуру плавления стеариновой кислоты и сравните экспериментальное значение с табличным t_пл = 70 °С. Чтобы точнее определить моменты начала и окончания процессов плавления, через экспериментальные точки, соответствующие процессам нагревания кристаллической стеариновой кислоты, плавления и нагревания жидкой кислоты, проведите прямые линии (см. рис. 2). Экспериментальные точки могут слегка отклоняться от них в обе стороны. Из точек пересечения прямых опустите перпендикуляры на ось абсцисс и определите моменты начала и окончания процесса плавления, а также время его протекания. Аналогично по графику определите время нагревания кристаллической стеариновой кислоты до температуры плавления.

3. Количество теплоты, затраченное на плавление стеариновой кислоты, можно определить в предположении, что мощность плитки (т.е. отдаваемая ею каждую секунду энергия) постоянна:

4. Удельная теплота плавления, по определению, равна:

         (1)

где с – удельная теплоёмкость плавящегося вещества.

Рассчитайте удельную теплоту плавления стеариновой кислоты при с = 1672 Дж/(кг • °С). Подумайте, выше или ниже табличного полученное вами экспериментальное значение? Объясните, почему.

Примечание. Согласно эмпирической формуле, связывающей температуру плавления органического кристаллического вещества с удельной теплотой плавления, для стеариновой кислоты (65,7 ± 15,2) • 10³ Дж/кг. Для определения удельной теплоты плавления можно воспользоваться участком полученного графика, соответствующего нагреванию жидкой стеариновой кислоты. Удельная теплоёмкость расплавленной стеариновой кислоты 2305 Дж/(кг • °С).

Стеариновую кислоту можно заменить пальметиновой (t_пл = 64°С, с = 1802 Дж/(кг • °С), (71,6 ± 16,5) • 10³ Дж/кг.

• Изучение процесса кристаллизации стеариновой кислоты* (*Эта работа являетя упрощённым вариантом предыдущей.)

Цели работы: построение графика зависимости температуры стеариновой кислоты от времени в процессе кристаллизации и охлаждения; экспериментальное определение температуры кристаллизации стеариновой кислоты; определение удельной теплоты кристаллизации.

Оборудование: пробирка с жидкой стеариновой кислотой (t 80 °С), штатив, термометр, секундомер.

Ход работы

1. Поместив пробирку с жидкой стеариновой кислотой в штатив, опустите в неё термометр. Измеряйте температуру стеариновой кислоты через каждые 15 с. Результаты измерений заносите в таблицу:

2. По результатам измерений постройте график зависимости температуры стеариновой кислоты от времени (рис. 3).

3. Определите по графику температуру кристаллизации стеариновой кислоты t_кр, сравните экспериментальное значение с табличным. Проведите на графике прямые, соответствующие процессам охлаждения жидкой стеариновой кислоты, кристаллизации, охлаждению кристаллической стеариновой кислоты. Эти прямые будут представлять собой идеализированные зависимости. Из точек пересечения прямых опустите перпендикуляры на ось абсцисс и определите время кристаллизации.

4. Аналогично определите время охлаждения кристаллической стеариновой кислоты от температуры кристаллизации t_кр до конечной температуры t₂.

5. Рассчитайте количество теплоты, выделяющееся при охлаждении, по формуле:

Здесь с = 1672 Дж/(кг • °С).

6. Определите количество теплоты, выделившееся при кристаллизации, в предположении, что процесс теплообмена с окружающей средой был равномерным:

7. Вычислите удельную теплоту кристаллизации, по формуле:

Примечание. Пробирки с расплавленной стеариновой кислотой можно заготовить для всего класса, опустив штатив с ними в ёмкость с кипятком. Раздайте их непосредственно перед началом эксперимента.

Полезно также предложить классу проделать домашний эксперимент. Для его выполнения потребуется оборудование, которое найдётся у любого. Задание лучше всего разбить на два этапа: сначала теоретическая проработка, затем, после обсуждения, выполнение эксперимента и обсуждение результатов.

• Определение удельной теплоты парообразования воды.

Цели работы: закрепление навыков самостоятельной экспериментальной работы; экспериментальное определение удельной теплоты парообразования воды и сравнение его с табличным; анализ возможных причин различий между табличным и экспериментальным значениями.

Оборудование: небольшая алюминиевая кастрюлька, мерный сосуд, домашний термометр для измерения температуры воды, часы.

Ход работы

1. Налейте воду в мерный сосуд. Затем перелейте её в кастрюльку и определите термометром её температуру. Запишите значения начальной температуры t₁ и начального объёма воды V₁.

2. Включите плиту и поставьте кастрюльку с водой на конфорку. Запишите время начала нагрева.

3. Отметьте время начала кипения воды.

4. Подержите кипящую воду на плите, пока её объём заметно не уменьшится. Выключите огонь и отметьте время окончания нагрева.

5. Подождите, пока вода охладится, перелейте её в мерный сосуд и измерьте конечный объём V₂.

6. Выведите формулу для вычисления удельной теплоты парообразования по измеренным данным. Вычислите значение удельной теплоты парообразования по этой формуле и сравните полученное значение с табличным.

Примечание. При выводе формулы исходите из предположения, что тепло поступает от плиты равномерно. Количеством теплоты, затраченным на нагревание кастрюльки, можно пренебречь. Тогда расчётная формула будет выглядеть так:

где с = 4200 Дж/(кг • °С) – удельная теплоёмкость воды; t_к = 100 °С – температура кипения воды.

Нина Александровна Матвеева в 1974 г. с отличием окончила физический факультет МГПИ им. В.И.Ленина по специальности «Учитель физики на английском языке» (выпускной экзамен по методике преподавания сдавала самому Александру Васильевичу Пёрышкину!). Несколько лет преподавала в школе рабочей молодёжи подмосковного г. Железнодорожного, где был прекрасно оборудованный кабинет физики, позволявший показать практически любой демонстрационный эксперимент. Физические опыты и разнообразные методические приёмы были необходимы, чтобы привлечь внимание учащихся, интересы которых, как правило, находились далеко за пределами школы. Коллеги высоко оценили усилия молодого специалиста и обобщили опыт работы на городском методическом совете. Затем была очная аспирантура на кафедре экспериментальной и теоретической физики 2-го МОЛГМИ им. Н.И.Пирогова (ныне – РГМУ) и защита кандидатской диссертации по специальности «Биофизика». С этого момента – преподаватель РГМУ, сейчас – доцент. Работу на кафедре много лет совмещает с подготовкой абитуриентов в лицее «Ступень» и на подготовительных курсах.