Спецвыпуск

Научно-исследовательские задачи в школе

Одна из черт личности с высоким уровнем общеобразовательной подготовки – творческий потенциал, т.е. способность искать и находить решение задач, часто в нестандартных ситуациях, принимать решения в зависимости от полученного ответа и конкретных условий, уметь переучиваться. Все эти качества, потенциально заложенные в каждом, нуждаются в непрерывном «уходе» и постоянном развитии. Неоценима в этом процессе роль физики, составляющей основу мировоззрения и неисчерпаемый полигон для пытливого ума. Особенности же изучения школьной физики таковы, что она приобретает свойство «быть готовой к применению», лишь когда ученики овладеют физическими теориями, что почти совпадает по времени с окончанием средней школы. Если мы попытаемся законсервировать процесс развития творческих способностей до этого момента, то рискуем навсегда загубить в ученике качества исследователя и творца. Развивать творческие способности необходимо с первого же урока, и здесь важную роль играют так называемые творческие задачи, т.е. задачи, содержащие все элементы научного исследования: научный факт, гипотезу, модель, экспериментальную проверку, теорию, практические применения. Составляться они могут на научных и технических фактах, природных явлениях, а также на базе художественных текстов в соответствии с возрастом и уровнем развития.

Ученикам 7-го класса, например, можно предложить задачу по выдуванию мыльного пузыря максимального объёма. Ученик, добавляя в данный объём дистиллированной воды порции мыла равного объёма или массы, каждый раз измеряет максимальный диаметр мыльного пузыря и, построив график его зависимости от числа порций, легко находит максимум этой функции. Далее, добавляя порции, например, шампуня в мыльный раствор оптимального состава, ученик находит максимум новой функции. Аналогично проводит опыты с добавлением третьего вещества и таким образом получает самые большие мыльные пузыри. обсуждая результаты опытов, выясняем рецепт наилучшего мыльного раствора.

В старших классах задачи уже содержат элементы научного исследования. Можно утверждать, что ученик, выполнивший научное исследование самостоятельно либо совместно с учителем, становится творцом, независимо от области дальнейших интересов. Важно только, чтобы условия задачи были понятны, имелся план научного исследования, могла быть собрана опытная установка, проведён эксперимент и теоретически объяснены его результаты. Лучше, если задача не выходит за рамки школьного курса.

В качестве примера рассмотрим задачу об измерении относительной влажности воздуха. Влажность можно измерить с помощью гигрометра, психрометра, определить по дефициту влажности. Все эти приборы не дают необходимой точности измерений (особенно волосной гигрометр), требуют привлечения дополнительных материалов, работают в определённом интервале температур. А что, если для измерения влажности воздуха использовать обыкновенную шёлковую или капроновую нитку? Даже смоченная водой нить плохо проводит электрический ток, но если её предварительно окунуть в водный раствор поваренной соли, то можно получить силу тока до нескольких десятков миллиампер, что уже можно измерить школьными приборами. Скорость испарения воды с нити зависит от влажности воздуха, но сила тока остаётся постоянной, пока раствор соли в нити не станет насыщенным. При дальнейшем испарении ионы натрия и хлора начинают рекомбинировать, соль выпадает в осадок, концентрация свободных заряженных частиц в нити уменьшается по экспоненциальному закону и точно по этому закону уменьшается сила тока: I = I₀exp [(-β)(1–r/100%)Δt], где β – коэффициент, зависящий от параметров нити, r – относительная влажность воздуха. Зная I, I₀, r, Δt, можно проградуировать прибор (определить β) и использовать его для измерения влажности воздуха.

Влажность воздуха можно определить, если измерить скорость испарения жидкости с салфетки. Чем выше скорость испарения, тем меньше влажность воздуха, и наоборот. Для этого лучше всего подвесить смоченную водой салфетку к динамометру от прибора для измерения поверхностного натяжения. Конечно, этот метод не оперативен, однако с его помощью можно выявить факторы, влияющие на скорость испарения жидкости (например, громкость звука). При включении звука громкостью 90 дБ скорость испарения возрастает почти на 30%, и это можно использовать для равномерной сушки предметов.

Далее. Известно, что бензин обладает слабой электропроводностью и что она зависит от его октанового числа. Если окунуть нить в бензин и построить график зависимости силы тока в нити от времени, то он будет иметь вид, показанный на рис. а. Это экспонента I=I₀e^-βt, где коэффициент β должен зависеть от октанового числа. Наша уверенность основана на том факте, что бензины высоких марок включают в себя и фракции с большей молярной массой, поэтому скорость их испарения должна быть меньше. Эту гипотезу легко проверить экспериментально. Как и в первом опыте, снимаем график зависимости силы тока от времени, устанавливая каждый раз одно и то же начальное значение силы тока. На рис. б приведены примерные графики для бензинов разных марок, подтверждающие нашу гипотезу и позволяющие легко определить β = [ln(I₀/I)]/t. Зная β, можно решить обратную задачу – определить марку бензина.

Приобщение к систематическому научному труду, пусть пока скромная, но совместная работа являются мощным мотивирующим и воспитательным фактором, закладывающим в ученике черты личности и гражданина. На этом пути все средства хороши, и любовь к родному краю, и инстинкт самосохранения, и вера в светлое будущее страны. Это ещё один убедительный мотив к изучению физики в школе.