Эксперимент
Н. В.
Андреева,
Удельнинская гимназия, п. Удельная, Раменский р-н, Московская обл.
Организация и оборудование практикума
Основные методические подходы и оборудование инновационного проекта «Практикум» апробировались в нашей гимназии. В проекте участвовали учителя Андреева Н.В., Зотова Е.М., Косинская И.А. Гимназия реализует профильный уровень изучения физики (5 ч/нед.) по УМК Г.Я.Мякишева «Физика-10–11». Эргономическая сторона организации практикума определяется рядом особенностей нашего кабинета физики.
Тематические комплекты практикума хранятся в лабораторной стенке (рис. 1). Фронтальное оборудование (комплекты «L-микро») – как тематическое, так и общего назначения – хранится в лабораторных «столах Никифорова» (рис. 2) производства фирмы «Мегук». штативы размещаются в пенале каждого стола, крышка пенала служит основанием для штативов (рис. 3). Такая архитектура рабочей зоны значительно облегчает проведение практикума.
В нашем кабинете три компьютеризированных рабочих места (рис. 4, 5). Поскольку в комплектах имеются 4 мини-компьютера, мы поступили следующим образом. Для углового рабочего места (рис. 4) мы взяли стандартный компьютер, который используем не только для работ практикума, но и для проектной деятельности учащихся, подготовки рефератов, выхода в интернет. Три остальных компьютера заменили на мини-компьютеры (рис. 5), которые вместе с генераторами и источниками питания хранятся в выдвижных ящиках рабочего места учителя, обращённых к классу.
Схема организации итогового годового практикума традиционная, с циклическим перемещением учащихся между столами, оборудованными заданными комплектами. Схема перемещений в ходе практикума в 10-м классе представлена на рис. 6.
Практикум – это итог экспериментальной и теоретической подготовки учащихся профильных классов. Он проходит под идеей обобщения. Приведём в качестве примера инструкцию для работы «Исследование изохорного процесса». Обратим внимание на то, что и для учащихся профильных классов необходимы определённые подсказки для того, чтобы они смогли самостоятельно выдвинуть цель и проблему исследования. Формы, виды и способы таких подсказок могут быть различными. В данной инструкции в качестве подсказки используется текст из учебника.
Ниже приведены результаты совместных измерений давления и температуры.
Исследование изохорного охлаждения при объёме газа V0 = 20 мл, ратм = 745 мм рт.ст. = 993,5 гПа.
∆p, кПа |
12,0 |
11,5 |
10,9 |
10,1 |
9,0 |
t °С |
70 |
65 |
60 |
55 |
50 |
∆p, кПа |
7,7 |
6,3 |
4,4 |
3,0 |
–1,5 |
t °С |
45 |
40 |
35 |
32 |
20 |
∆p, кПа |
–3,6 |
–5,3 |
–7,0 |
–8,5 |
|
t °С |
15 |
10 |
5 |
0 |
|
В соответствии с принципом оптимального сочетания аналоговых, цифровых и компьютерных средств измерения, который положен в основу проекта «Практикум», данная работа может проводиться с использованием компьютерных средств измерения. В этом случае на экране можно получить график изохоры в осях р(t) и её уравнение Y = 0,347*Х+90,3 (рис. 7).
Из данного уравнения можно найти температуру абсолютного нуля с погрешностью, не превышающей 5%.
Оценка температуры абсолютного нуля по шкале Цельсия – один из примеров фундаментальных опытов, которые невозможно провести в школе традиционными средствами.
Аналоговые приборы также позволяют провести фундаментальные опыты. Например, с помощью ампер-весов (рис. 8) можно измерить силу взаимодействия параллельных токов, а следовательно, определить константу k в формуле 
точное значение которой k0 = 2 · 10–7 Н/А2 .
Оборудование, разработанное в проекте «Практикум», позволяет измерить фундаментальные константы и для частных теорий, изучаемых в физике. Например, скорость звука – по задержке импульса (рис. 9).
С использованием компьютерного осциллографа, работающего в ждущем режиме, скорость звука измеряется по прямой формуле u = ∆l / ∆t (рис. 10). У нас, например, получилось так:
Оборудование тематических комплектов позволяет в большинстве случаев организовать комплексные исследования, что способствует формированию обобщённых представлений о методе научного познания.
Первый пример – исследование модели подъёмного крана (см. рис. б). С одной стороны, оно позволяет проверить в форме экспериментальных задач условия равновесия твёрдого тела. С другой стороны, показывает, что силу тока в двигателе крана определяют не по закону Ома для участка электрической цепи, а по закону сохранения энергии: 
Второй пример – комплексное исследование конденсаторов: построение зависимости ёмкости различных конденсаторов (в том числе и сконструированных учащимися) от их геометрических параметров и свойств диэлектрика путём прямых измерений с использованием мультиметра VC 9808+ (рис. 11); исследование с помощью мультиметра и секундомера процессов зарядки и разрядки конденсатора через резистор (рис. 12).
Практикум позволяет в значительной степени повысить уровень сформированности таких общеучебных умений, как построение графиков по результатам экспериментальных исследований, а также качество вычислений. Для этих целей мы используем фронтальный набор научных калькуляторов fx-82ES (рис. 13), позволяющих не только проводить вычисления любой сложности, но и выдавать в табличной форме числовые значения функции, аналитическое выражение которой высвечивается на дисплее калькулятора. Этот же калькулятор автоматически вычисляет границу случайной погрешности.
Кроме того, в практикуме используется цифровая лаборатория ЕА-200 с набором датчиков напряжения, освещённости и температуры. Информация по результатам измерений отображается в графической форме на дисплее универсального графопостроителя, в роли которого выступает графический калькулятор fx-9860G. График можно просканировать и получить таблицу экспериментальных значений, по которым в отчёте построить график. На рис. 14 приведены монтажная схема для исследования заряда конденсатора (а) и график на дисплее калькулятора fx-9860G (б). Приводим таблицу с результатами сканирования:
t, с |
0 |
2,2 |
4,4 |
... |
13,2 |
15,4 |
17,6 |
U, В |
4,701 |
3,031 |
1,825 |
... |
0,446 |
0,330 |
0,267 |
Использование калькуляторов при проведении работ практикума значительно повышает уровень выполнения заданий методологической направленности КИМов ЕГЭ в части А, а также снижает число вычислительных ошибок при выполнении заданий частей В и С.
Тематические комплекты оборудования позволяют проводить работы не только на профильном уровне, но и на углублённом.
В качестве примера можно привести блок «Движение тел», входящий в комплект по механике. Его оборудование позволяет исследовать, например, зависимость углового ускорения от момента сил
(рис. 15). В практикуме профильного уровня на этой же установке можно провести исследование движения тел, связанных нитью, перекинутой через невесомый блок (рис. 16).
Оборудование тематических комплектов предоставляет учителю большие возможности для конструирования новых работ. Например, нами разработано исследование движения каретки по наклонной плоскости, когда на неё действует дополнительная сила – сила упругости пружины (рис. 17). Цель исследования – определить координату точки, в которой каретка имеет наибольшую скорость, и измерить эту скорость.
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОХОРНОГО ПРОЦЕССА
Уровень А
Цель работы: проверка закона Шарля.
Оборудование: датчик абсолютного давления, датчик температуры, установка «Газовые законы», стакан с горячей водой (~ 50 °С), калориметр с водой и льдом.
Выполнение работы:
1. Начертите в тетради таблицу.
Давление газа, кПа |
Температура, °С |
|
|
|
|
... |
... |
... |
... |
|
0 |
2. Введите поршень в установке «Газовые законы» так, чтобы объём газа под ним был равен 8 мл.
3. Подсоедините установку «Газовые законы» трубкой к цифровому датчику давления.
…………………………………………………………………………………………….............................
12. Запишите получившийся объём и температуру жидкости. (Переключения осуществляйте нажатием кнопки «Режим» на датчике.)
13. Убедитесь в справедливости закона Шарля.
Уровень В1
1. Прочитайте текст, взятый из учебника:
«Исследование давления р газа, находящегося в сосуде неизменного объёма при изменении температуры, показывает, что зависимость давления от температуры t °С, имеет вид приведённый на рисунке.
рt = р0 (1 + αt) = р0 + р0αt , где р0 – давление при 0 °С, α – термический коэффициент давления.
Именно такие экспериментальные исследования привели к возникновению представлений об абсолютном нуле и температурной шкале Кельвина».
2. Подумайте, какие проблемы, вопросы, связанные с приведённым текстом, вы могли бы решить (ответить), опираясь на полученные вами в уровне А эмпирические данные. Сформулируйте их и обоснуйте.
Уровень В2
Измените объём газа, находящегося под поршнем шприца, и получите ещё одну зависимость давления от температуры (см. часть А). Что общего и какая разница в полученных результатах исследования зависимости р(t °С)?
Проверьте предположение о том, что обе изохоры пересекают ось температур в области, близкой к абсолютному нулю (–273 °С).
Наталия Викторовна Андреева – учитель физики высшей квалификационной категории, почётный работник общего образования Российской Федерации. В 1992 г. окончила Московский авиационный институт им. С.Орджоникидзе по специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети». Трудовую деятельность начала в лётно-исследовательском институте
им. М.М.Громова, расположенном в г. Жуковском. В 1993 г. начала преподавать информатику и физику в Удельнинской гимназии Раменского района Московской области, где (тогда это была школа) она училась сама и где работает учителем физики её мама – Зотова Евгения Максимовна. Общий трудовой стаж учительской династии Зотовых–Андреевых составляет 67 лет. Их педагогическое кредо: к знаниям через опыт, эксперимент, исследование. Состояться в профессии Наталии Викторовне помогает семья – муж и две дочери-студентки. Свободное от работы время Наталия Викторовна проводит на своём дачном участке, занимаясь разведением цветов.