Спецвыпуск

Экспериментальные задачи на уроках и внеклассных занятиях

··· Нижегородский выпуск № 2 ···

Т.А.ПЕТУХОВА,
лицей № 3, г. Саров, Нижегородская обл.

sarov-tanja07@mail.ru

Экспериментальные задачи на уроках и внеклассных занятиях

Физический эксперимент и теория – два метода познания, взаимно дополняющие друг друга. Экспериментальные умения и навыки учащихся формируются в основном при выполнении фронтальных лабораторных работ и работ физических практикумов. Однако лабораторные работы, как правило, проводятся по описанию, что не позволяет в полной мере сформировать требуемое, не развивает способности учащихся, снижает инициативу, – следуя инструкции, ученик не задумывается, зачем и почему он выполняет то или иное действие. Как следствие, падает интерес к предмету. Одним из путей решения этой проблемы является постановка экспериментальных задач. Тем более, что сейчас, когда ослабла материальная база в школах, для этого достаточно простейшего оборудования.

Основным признаком экспериментальной задачи является невозможность постановки и решения без эксперимента. Отсутствие полных данных (они добываются во время эксперимента) позволяет отнести эти задачи к разряду тех, которые не могут быть решены без понимания соответствующих физических явлений и процессов. Учащийся должен самостоятельно определить, каких данных ему не хватает, спланировать эксперимент, собрать установку, получить и оценить результаты. При таких условиях решение будет продуманным и осознанным.

Применять экспериментальные задачи мы начинаем с первых уроков физики в 7-м классе – при изучении темы «Измерение физических величин». После того, как ученики познакомились с измерительными приборами (линейка, мензурка, термометр и т.д.) и узнали о погрешностях измерений, им предлагается определить с использованием измерительной линейки:

– толщину листа бумаги учебника физики;

– диаметр тонкого медного провода.

При решении этих задач школьники самостоятельно подходят к измерению методом рядов. Обсуждаем, как увеличить точность измерения (увеличить число страниц/витков, заменить линейку штангенциркулем). Такая предварительная деятельность позволяет работу «Измерение размеров малых тел» выполнить дома, самостоятельно. Ко второй задаче возвращаемся после изучения темы «Плотность вещества»: определить диаметр тонкого медного провода, используя измерительную линейку и весы с разновесом.

Экспериментальные задачи можно использовать как дополнительные задания к фронтальным лабораторным работам. Так, в работе «Измерение плотности вещества» каждой группе учащихся дополнительно предлагаем одну из следующих задач:

• Определите объём куска дерева неправильной формы, имея ещё и кусок дерева той же плотности правильной формы (параллелепипед или цилиндр), весы, разновес, масштабную линейку.

• Определите плотность данного раствора поваренной соли, имея весы, разновес, флакон, чистую воду.

Решение. Пусть m₁ – масса пустого флакона, m₂ – масса флакона с водой, m₃ – масса флакона с раствором, m_в = m₂ – m₁ – масса воды, m = m₃ – m₁ – масса раствора. Тогда (при равных объёмах воды и раствора):

• Определите ёмкость данного флакона с водой, используя только весы и разновес.

Решение. С помощью весов измеряем массу флакона с водой m₁ и без неё m₂:

• Определите с помощью мензурки среднюю массу одного шарика из коробки с одинаковыми маленькими стальными шариками.

Решение. С помощью мензурки определяем объём V нескольких (n) шариков, находим средний объём одного шарика (V_ср = V/n), определяем m_ср = V.

После выполнения таких работ решение задач становится осмысленным и подготавливает учеников к решению расчётных задач.

Использование экспериментальных задач позволяет также выяснить, насколько ученик усвоил пройденный материал. Так, следующий после изучения темы «Атмосферное давление и его измерение» урок начинаю с задачи: «Как определить высоту, на которой находится кабинет физики?» (оборудование не указываю). Ученики предлагают различные способы: опустить длинную верёвку до земли и измерить её длину; измерить атмосферное давление на 1-м и на 4-м этажах и, зная их разность, определить высоту (вспоминают, что атмосферное давление изменяется с высотой, и предлагают использовать эту зависимость).

Наиболее сложные экспериментальные задачи (олимпиадного уровня) мы широко используем на факультативных занятиях, а также в летнем физико-математическом лагере, который ежегодно организуется в нашей школе для учащихся 7–8-го классов. Например, ученики делятся на группы, задание группам даётся одинаковое, но с разным оборудованием, что уже ориентирует на тот или иной способ решения. Групповая работа помогает каждому ученику найти своё место в эксперименте, даёт возможность высказаться и принять участие в обсуждении, составлении плана решения.

Например, на первом занятии решаем задачу:

• Определите плотность вещества, из которого изготовлено тело, используя:

1) тело из набора калориметрических тел, динамометр, сосуд с водой;

2) деревянный цилиндр, цилиндрический высокий сосуд с водой, линейку;

3) стеклянную палочку, линейку, мелкий сосуд с водой, диаметр которого меньше длины палочки.

Решения

1. С помощью динамометра определяем вес тела в воздухе P₀ и в воде Р_в, применяем закон Архимеда и (промежуточные вычисления опущены. – Ред.) получаем:

2. Опускаем цилиндр в сосуд с водой так, чтобы он плавал в вертикальном положении. Записываем условие плавания и получаем искомый результат:

3. Поскольку сосуд мелкий, то вертикально расположить стеклянную палочку не удаётся. Палочку кладём на край сосуда так, чтобы она оказалась в равновесии. Записываем условие равновесия:

Таким образом, нужно измерить l₁ – плечо силы mg, l₂ – плечо силы F_А, l_погр.ч – длину погружённой части и l – длину палочки.

По окончании работы один ученик из каждой группы демонстрирует решение.

На втором занятии предлагаем определить плотность неизвестной жидкости (раствора поваренной соли или медного купороса), используя:

1) сосуд с неизвестной жидкостью, кусок алюминия, динамометр;

2) сосуд с неизвестной жидкостью, сосуд с водой, тело из набора калориметрических тел, динамометр, нить;

3) сосуд с неизвестной жидкостью, сосуд с водой, рычаг-линейку, два одинаковых груза, штатив с муфтой и лапкой, измерительную линейку.

Решения

1. Погружаем кусок алюминия в сосуд и, используя закон Архимеда (промежуточные вычисления опущены. – Ред.), получаем: где P₀ – вес куска алюминия в воздухе, Р – его вес в жидкости.

2. Определяем объём тела V, Р₀ – вес тела в воздухе, Р₁ – его вес в воде и Р₂ – вес в неизвестной жидкости и, используя закон Архимеда, получаем:

(...)

3. Уравновешиваем грузы на рычаге, погрузив один из них сначала в сосуд с водой, затем – в сосуд с неизвестной жидкостью. Ход решения для получения итоговой формулы:

а) mgl₁ = (mg – F_A)l₂ (...)   где _т – плотность погружённого в воду тела, _в – плотность воды, l₁, l₂ – плечи веса груза (в первом случае).

б) mgl₁' = (mg – F_A)l₂' (...) 

где – плотность неизвестной жидкости, l₁', l₂' – плечи веса груза (во втором случае).

в)

Приведём пример задачи с самостоятельным выбором оборудования, поскольку предполагается несколько способов решения.

• Предложите способы определения площади фигуры сложной формы.

Ученики предлагают:

– использовать метод квадратов, который применяли для определения площади подошвы обуви при расчёте своего давления;

– изготовить сосуд по форме пластины (например, из пластика или промасленной бумаги), заполнить водой, опустить пластину до полного погружения, при помощи мензурки измерить вытесненный объём, линейкой или штангенциркулем измерить толщину пластины и вычислить площадь;

– измерить архимедову силу, определить объём, а потом, зная объём и измерив толщину пластины, рассчитать площадь поверхности;

– обвести контур фигуры на листе плотного картона, измерить массу фигуры из картона и вырезанного из этого картона квадрата – площади этих фигур пропорциональны весу этих фигур.

Обсуждаем, какие варианты могут дать более точный результат: второй и третий дают большую погрешность, если толщина пластины мала, а первый требует много времени.

Такие задачи вызывают эмоциональный подъём даже у слабых учащихся. Все видят, что могут применить свои знания на практике.

Наконец, приведём пример творческой конструкторской экспериментальной задачи:

• Сконструируйте и изготовьте простейшие весы, действие которых основано на действии силы Архимеда. Работа над этой задачей стала хорошей подготовкой к IV этапу XL всероссийской олимпиады школьников по физике в 2006 г., где была предложена аналогичная – «Взвешивание сверхлёгких грузов»: определить массу m кусочка фольги с помощью предложенного оборудования – банки с водой, наполненной почти до краев, куска пенопласта (длина и ширина 2 4 см, высота 0,5 1 см), набора гвоздей разного диаметра и зубочисток (длина не меньше 6 см, 5–10 шт. одинакового диаметра), линейки, остро отточенного карандаша, куска фольги (от 2 2 см до 4 4 см).

Решение. Измеряем диаметр d цилиндрической части зубочистки методом рядов (положив несколько зубочисток плотно в ряд и измерив линейкой их общую ширину). На одну зубочистку наносим карандашом через 1 мм деления. Втыкаем в пенопласт гвоздики, пока он не погрузится в воду почти полностью. Сверху втыкаем зубочистку с делениями, чтобы пенопласт оказался ниже уровня воды, а зубочистка выступала из воды не меньше, чем на 3/4 длины. При необходимости от пенопласта можно отделить небольшой кусочек. Затем на верхний конец зубочистки прикрепляем кусочек фольги и находим изменение h глубины погружения зубочистки.

Изменение объёма погружённой части: откуда масса фольги

где – плотность воды.

Путь к решению был найден совместными усилиями класса.

Опыт работы позволяет заключить, что систематическое применение экспериментальных задач развивает творческое мышление учащихся, является одним из эффективных способов подготовки к дальнейшей исследовательской деятельности, мотивирует к осознанному изучению физики.

 

Татьяна Анатольевна Петухова – учитель физики высшей квалификационной категории, окончила Архангельский государственный педагогический институт им. М.В.Ломоносова в 1979 г. Работала в Архангельской области, в г.Нарьян-Маре, сейчас преподаёт в лицее № 3 г. Сарова. Ученики ежегодно становятся призёрами олимпиад по физике.