Образовательные ресурсы

Летние научные семинары для школьников

Л.В.ПИГАЛИЦЫН,
МОУ СОШ № 2, г. Дзержинск, Нижегородская обл.

Летние научные семинары для школьников

В конце июня 2007 г. в Москве на ВВЦ проходил традиционный всероссийский конкурс «НТТМ-2007». В этом конкурсе приняли участие три моих ученика – десятиклассники Миша Свечников, Игнат Глушихин и Антон Гришин – со своими учебно-исследовательскими работами. Миша представлял собранную им «Мобильную метеостанцию», управляемую с клавиатуры компьютера, Игнат – «Школьную компьютерную лабораторию по механике», а Антон – «Установку для исследования действия магнитных полей на живые организмы».

Естественно, я с нетерпением ждал их возвращения «со щитом или на щите». И вот что меня поразило. Первый вопрос, который они задали, приехав домой: «Когда приходить в школу?» Я был очень удивлён, ведь были каникулы. Но огорчать ребят мне не хотелось, и я им ответил: «Завтра». Вопрос навёл меня на мысль о том, чтобы летом для ребят, которые хотят готовиться к будущим олимпиадам и заниматься новыми учебно-исследовательскими работами, проводить научные семинары – раз в неделю.

Когда мы встретились на другой день, оказалось, что пришли ещё двое, и у нас сформировалась группа из пяти школьников. Я познакомил их с идеей летних семинаров и предложил заниматься решением олимпиадных задач по физике, астрономии и информатике – эти предметы я веду в своём Авторском классе (см. мою статью в № 2/2007). Ребятам идея понравилась. Предложил также к следующей нашей встрече выбрать темы для новых учебно-исследовательских работ. На начальном этапе одной встречи в неделю было мало, поэтому мы собирались через день. Надо было поискать темы для учебно-исследовательских работ, разработать схемы, подобрать детали и приборы, разработать макетные платы для электронных блоков и т.д.

Выбор темы – дело довольно сложное, поэтому я познакомлю вас с самим процессом выбора темы учащимися. Тем, кто с этим сталкивается впервые, я предлагаю старинную юмористическую задачу о том, как поймать в Африке льва: «В Африке остался всего один лев. Как легче всего его поймать?» Решение задачи простое. Надо Африку разделить пополам. В одной половине обязательно окажется лев. Потом эту половину разделить тоже пополам и т.д. В конце концов льву будет просто некуда деться. Именно этот метод я предлагаю ребятам для выбора темы своей работы: спрашиваю ученика, какой раздел физики ему нравится больше всего. Затем, что ему нравится в этом разделе больше всего, и т.д. В конце концов круг вопросов сужается настолько, что ученик фактически сам приходит к выбору интересующей его темы. Вполне естественно, что роль учителя в этом выборе достаточно велика. Если уж быть честным, то учитель сам подводит ученика к выбору той или иной темы, но ученик-то уверен, что он её выбрал сам.

Таким образом, ребята выбрали следующие темы для учебно-исследовательских работ:

– Миша Свечников – «Исследование свойств диэлектриков с помощью электромагнитных волн сантиметрового диапазона». Миша предложил идею: используя такие свойства электромагнитных волн, как интерференция, дифракция, поляризация и т.д., и пропуская через вещество электромагнитные волны, определить тип вещества. Как будет реализована эта идея, пока не совсем ясно, но Миша хочет реализовать её, исследуя различные твёрдые и жидкие диэлектрики с помощью электромагнитных волн.

– Игнат Глушихин – «Исследование работы последовательного АЦП для LPT-порта на микросхеме AD-7893 (12 бит)». Тема вытекает из его предыдущей работы, связанной с компьютеризацией физического эксперимента. Дело в том, что часть установок, созданных Игнатом, работала с относительно большими погрешностями, и он решил выйти на профессиональные АЦП. Игнат раньше учился в музыкальной школе по классу виолончели. В связи с этим я предложил ему заняться сложением колебаний. Дело в том, что при сложении колебаний с близкими частотами возникают так называемые биения – колебания с частотой, равной разности частот складываемых колебаний. На принципе биений работает электромузыкальный инструмент терменвокс, изобретённый Львом Сергеевичем Терменом (см. мою статью о Термене в № 11–17/2006), который тоже играл на виолончели. Я предложил заняться разработкой темы «Сложение колебаний. Биения. Терменвокс» и, разумеется, собрать терменвокс и научиться на нём играть.

– Антон Гришин – «Униполярное вращение». Листая журналы «Учебная физика» (ГГПИ, г. Глазов), Антон прочитал статью, в которой говорилось об униполярном вращении, открытым ещё М.Фарадеем, в котором нарушался третий закон Ньютона. Антон решил её проверить. Но основным хобби Антона является исследование воздействия различных физических факторов на растения и жив ые организмы. Предыдущая работа была посвящена исследованию воздействия магнитного поля на живые организмы, а сейчас он решил заняться ультразвуком. Так появилась работа «Ультразвук и его воздействие на растения и живые организмы».

– Сергей Хвостов – «Передача электроэнергии без проводов». Когда я его спросил, почему он выбрал эту тему, Серёжа сказал вот что. Электричество так прочно вошло в нашу жизнь, что мы даже и не представляем, как можно жить без него. Но вместе с тем, стоит только оборваться проводам, возникает настоящая трагедия. В связи с глобальным потеплением погода каждый день преподносит разные сюрпризы. Наводнения и ураганы очень часто приводят к повреждению линий электропередачи. Короче говоря, линии электропередачи – самый уязвимый элемент в доставке потребителю электрической энергии. Кроме этого, в будущем планируется создание электростанций на орбите, на Луне, обязательно возникнет проблема передачи электроэнергии на Землю. Вот тут-то и понадобятся новые разработки.

– Алексей Каранин – «ОС Linux “Mandriva” и её применение в преподавании физики». Все слышали о пресловутом деле директора Пермской сельской школы Александра Поносова. Его судили за использование нелицензионного программного обеспечения. В скором будущем все школы должны будут использовать только лицензионное ПО. Но возникает банальный вопрос: где взять деньги? Министерство финансов отказалось финансировать, а в школах денег нет. Но выход есть. В 1991 г. финский студент Линус Торсвальд предложил альтернативу ОС Windows – совершенно бесплатную OC Linux. Самым замечательным является то, что всё программное обеспечение для OC Linux также бесплатное. Я предложил Алексею протестировать различные версии OC Linux, чтобы из них выбрать наиболее удобную и наиболее подходящую для учебного процесса, в частности, для преподавания физики. Алексей протестировал около двух десятков ОС Linux – FedoreCore, Ubuntu, SlackWare, Gentoo, AltLinux, Knoppix и т.д. В конце концов мы остановились на ОС Mandriva-2007. Она оказалась самой удобной и самой «дружелюбной». И вот сейчас Алексей выполняет моё задание по реализации в этой ОС тех задач, которые интересуют меня в целях педагогического процесса.

Наконец подготовительный этап закончился, и можно было начинать работать.

Летний семинар № 1. К первому официальному семинару я предложил ребятам, как уже упоминалось выше, три задачи из сборников российских и международных олимпиад – по физике, астрофизике и информатике – и задание по выбранным им темам. После решения задач я задал на дом олимпиадное задание №  1 и с каждым участником семинара провёл индивидуальные консультации по учебно-исследовательским работам:

– Свечников М. – испытание генератора ВЧ (излучение, приём, увеличение дальности);

– Глушихин И. – исследование работы последовательного АЦП для LPT- порта на микросхеме AD-7893 (12 бит);

– Гришин А. – результаты исследования униполярного вращения. Подбор схемы для излучения ультразвука;

– Каранин А. – работа с портами в MandrivaLinux с помощью эмулятора DOS-dosbox. Установка на платформу MandrivaLinux программы Kylix – аналога Delphi для Windows.

– Хвостов С. – выбор и анализ схемы для передачи электрической энергии без проводов.

Летний семинар № 2. Через неделю подошло время второго семинара. Я, признаться, немного побаивался, думалось, что пыл у ребят пропал, кто-то уехал в деревню и т.п. Но сомнения оказались напрасными. Вся моя великолепная пятёрка была в сборе! Семинар начали с разбора задач. Миша Свечников блестяще справился с задачей по физике. Мои программисты – Игнат и Алёша – предложили несколько алгоритмов для решения задач по информатике. Серёжа Хвостов предложил своё решение задачи по астрофизике. Затем я задал на дом олимпиадное задание № 2 и с каждым участником семинара провёл индивидуальные консультации по учебно-исследовательским работам. У Миши заработал генератор сантиметровых волн на радиолампе 6Н1П. У Антона чуть сдвинулся ротор униполярного генератора. Были определённые успехи и у других ребят. На дом было предложено провести следующие экспериментальные работы:

– Свечников М. – испытание работы генератора ВЧ с двухпроводной линией. Определение длины электромагнитной волны;

– Глушихин И. – исследование работы генератора биений;

– Гришин А. – испытание схемы для излучения ультразвука;

– Каранин А. – исследование различных способов загрузки нескольких ОС на ПК (MS DOS, Windows, Linux);

– Хвостов С. – испытание прибора для передачи электрической энергии без проводов.

Всего за лето было проведено семь семинаров. Возможно, меня упрекнут в том, что я не даю детям летом отдыхать. Отдыхать от чего? От интересной творческой работы? Ведь мозг человека работает круглые сутки, управляя всеми системами нашего организма. Он фактически никогда не отдыхает. А если говорить об отдыхе, то, по-моему мнению, лучший отдых – это смена видов деятельности. В заключение в качестве примера приведу домашние олимпиадные задания № 1 по физике и астрономии.

Задание по физике. Полдень. Солнце светит с юга. По горизонтальному участку шоссе, ведущему строго на северо-восток, движется фургон. По задней стенке фургона бегут тени деревьев, находящихся на обочине дороги. Если тень верхушки какого-либо дерева пробегает от одного угла задней стенки по диагонали до другого угла, то на это уходит 0,1 с. Нарисуйте, как движется тень верхушки дерева в этом случае. Как движутся тени других верхушек? Найдите скорость фургона и высоту Солнца над горизонтом (высота Солнца измеряется в градусах). Задняя стенка фургона вертикальна и имеет размеры 2,0 м по вертикали и 2,5 м по горизонтали.

Задание по астрономии. Плотность вещества некоторой планеты, имеющей форму шара радиусом R = 6400 км, зависит только от расстояния до центра планеты. При бурении скважины глубиной несколько десятков километров обнаружилось, что ускорение свободного падения не зависит от глубины погружения под поверхность планеты. Найдите плотность вещества, из которого состоит поверхность планеты, если средняя плотность планеты, равная отношению её массы к объёму, равна 5,5 г/см³.

Решения

Физика. На рисунке изображён фургон – вид сверху и вид сбоку. Отметим на каждом виде по два положения задней стенки фургона: 1) в тот момент, когда тень верхушки дерева начинает движение по стенке, и (2) в тот момент, когда она завершает это движение. Из рис. а видно, что тень должна двигаться справа налево, а из рис. б – сверху вниз, т.е. от точки D к точке А (рис. в). Другие тени будут двигаться параллельно этой линии. Обозначим время пробегания тени по задней стенке через t, скорость фургона – через , угол между направлением дороги и азимутом направления на Солнце (в нашем случае, поскольку дело происходит ровно в полдень, – это направление Север–Юг) – через , а высоту Солнца над горизонтом – через . Тогда будут справедливы следующие соотношения:

Поскольку в нашем случае = 0,1 с, = 45°, |AB| = |A₁A₂| = 2,5 м, |BD| = 2 м, получаем: = 25 м/с, tg  0,57, 30°.

Астрономия. Ускорение свободного падения на расстоянии r от центра планеты равно g(r) = GM(r)/r², где М(r) – масса вещества, находящегося внутри сферы радиусом r с центром, совпадающим с центром планеты. Введём обозначение R = R – r. В этом случае имеем:

M(R) = M; M(R –R) M – 4R² · R_пов,

где _пов – плотность вещества, из которого состоит поверхность планеты. Отсюда:

MR² – 4R⁴R_пов = MR² – 2MRR + M(R)².

Пренебрегая последним слагаемым в правой части и учитывая, что объём шара радиусом R равен 4R³/3, находим 2R³_пов = М =
= 4R³_cр/3, где _ср – средняя плотность вещества, из которого состоит планета. Отсюда _пов = 2_ср/3 = 3,7 г/см³.