Пєтухова Т, Експериментальні завдання на уроках та позакласних заняттях, Журнал «Фізика» № 2 за 2008

··· Нижегородський випуск № 2 ···

Т.А.ПЕТУХОВА, ліцей № 3, м. Саров, Нижегородська обл.

Експериментальні завдання на уроках та позакласних заняттях

Фізичний експеримент та теорія – два методи пізнання, що взаємно доповнюють один одного. Експериментальні вміння та навички учнів формуються в основному при виконанні фронтальних лабораторних робіт та робіт фізичних практикумів. Однак лабораторні роботи, як правило, проводяться за описом, що не дозволяє повною мірою сформувати необхідне, не розвиває здібності учнів, знижує ініціативу, - дотримуючись інструкції, учень не замислюється, навіщо і чому він виконує ту чи іншу дію. Як наслідок падає інтерес до предмета. Одним із шляхів вирішення цієї проблеми є постановка експериментальних завдань. Тим більше, що зараз, коли ослабла матеріальна база у школах, для цього є досить просте обладнання.

Основною ознакою експериментальної задачі є неможливість постановки та рішення без експерименту. Відсутність повних даних (вони добуваються під час експерименту) дозволяє віднести ці завдання до розряду тих, які неможливо вирішити без розуміння відповідних фізичних явищ і процесів. Учень повинен самостійно визначити, яких даних йому не вистачає, спланувати експеримент, зібрати установку, отримати та оцінити результати. За таких умов рішення буде продуманим та усвідомленим.

Застосовувати експериментальні завдання ми починаємо з перших уроків фізики у 7-му класі – щодо теми «Вимір фізичних величин». Після того, як учні познайомилися з вимірювальними приладами (лінійка, мензурка, термометр тощо) та дізналися про похибки вимірювань, їмпропонується визначити з використанням вимірювальної лінійки:

- Товщину аркуша паперу підручника фізики;

- Діаметр тонкого мідного дроту.

Під час вирішення цих завдань школярі самостійно підходять до виміру методом рядів. Обговорюємо, як збільшити точність виміру (збільшити кількість сторінок/витків, замінити лінійку штангенциркулем). Така попередня діяльність дозволяє роботу «Вимір розмірів малих тіл» виконати вдома самостійно. До другого завдання повертаємося після вивчення теми «Щільність речовини»: визначити діаметр тонкого мідного дроту, використовуючи вимірювальну лінійку та ваги з різновагою.

Експериментальні завдання можна використовувати як додаткові завдання до фронтальних лабораторних робіт. Так, у роботі «Вимірювання щільності речовини» кожній групі учнів додатково пропонуємо одне з наступних завдань:

• Визначте об'єм шматка дерева неправильної форми, маючи ще й шматок дерева тієї ж щільності правильної форми (паралелепіпед або циліндр), ваги, різноваж, масштабну лінійку.

• Визначте густину даного розчину кухонної солі, маючи ваги, різновагу, флакон, чисту воду.

Рішення. Нехай m1 – маса порожнього флакона, m2 – маса флакона з водою, m3 – маса флакона з розчином, mв = m2 – m1 – маса води, m = m3 – m1 – маса розчину. Тоді (при рівних обсягах води та розчину):

• Визначте ємність даного флакона з водою, використовуючи лише ваги та різноваги.

Рішення. За допомогою вагів вимірюємо масу флакона з водою m1 і без неї m2:

• Визначте за допомогою мензурки середню масу однієї кульки із коробки з однаковими маленькими сталевими кульками.

Рішення. За допомогою мензурки визначаємо об'єм V декількох (n) кульок, знаходимо середній об'єм однієї кульки (Vср =V/n), визначаємо mср = V.

Після виконання таких робіт розв'язання задач стає осмисленим та готує учнів до вирішення розрахункових задач.

Використання експериментальних завдань дозволяє з'ясувати, наскільки учень засвоїв пройдений матеріал. Так, наступний після вивчення теми «Атмосферний тиск та його вимір» урок починаю із завдання: «Як визначити висоту, на якій знаходиться кабінет фізики?» (Обладнання не вказую). Учні пропонують різні способи: опустити довгу мотузку до землі та виміряти її довжину; виміряти атмосферний тиск на 1-му та на 4-му поверхах і, знаючи їх різницю, визначити висоту (згадують, що атмосферний тиск змінюється з висотою, і пропонують використовувати цю залежність).

Найбільш складні експериментальні завдання (олімпіадного рівня) ми широко використовуємо на факультативних заняттях, а також у літньому фізико-математичному таборі, який щорічно організується у нашій школі для учнів 7–8 класів. Наприклад, учні діляться на групи, завдання групам дається однакове, але з різним обладнанням, що вже орієнтує той чи інший спосіб рішення. Групова робота допомагає кожному учневі знайти своє місце в експерименті, дає можливість висловитися та взяти участь в обговоренні, складанні плану рішення.

Наприклад, на першому занятті вирішуємо завдання:

• Визначте щільність речовини, з якої виготовлено тіло, використовуючи:

1) тіло з набору калориметричних тіл, динамометр, посуд з водою;

2) дерев'яний циліндр, циліндричний високий посуд з водою, лінійку;

3) скляну паличку, лінійку, дрібну посудину з водою, діаметр якої менший за довжину палички.

1. За допомогою динамометра визначаємо вагу тіла в повітрі P0 та у воді Рв, застосовуємо закон Архімеда та(проміжні обчислення опущені. – Ред.) отримуємо:

2. Опускаємо циліндр у посудину з водою так, щоб він плавав у вертикальному положенні. Записуємо умову плавання та отримуємо шуканий результат:

3. Оскільки посудина дрібна, то вертикально розташувати скляну паличку не вдається. Паличку кладемо на край судини так, щоб вона опинилася в рівновазі. Записуємо умову рівноваги:

Таким чином, потрібно виміряти l1 – плече сили mg, l2 – плече силиF А, lпогр.ч – довжину зануреної частини та l – довжину палички.

Після закінчення роботи один учень із кожної групи демонструє рішення.

На другому занятті пропонуємо визначити щільність невідомої рідини (розчину кухонної солі або мідного купоросу), використовуючи:

1) посудина з невідомою рідиною, шматок алюмінію, динамометр;

2) посудина з невідомою рідиною, посудина з водою, тіло з набору калориметричних тіл, динамометр, нитка;

3) посудина з невідомою рідиною, посудина з водою, важіль-лінійку, два однакові вантажі, штатив з муфтою та лапкою, вимірювальну лінійку.

1. Занурюємо шматок алюмінію в посудину і, використовуючи закон Архімеда (проміжні обчислення опущені. – Ред.), отримуємо: де P0 – вага шматка алюмінію у повітрі, Р – його вага у рідині.

2. Визначаємо об'єм тіла V, Р0 – вага тіла у повітрі, Р1 – його вага у воді та Р2 – вага у невідомій рідині та, використовуючи закон Архімеда, отримуємо:

(. )

3. Врівноважуємо вантажі на важелі, зануривши один із них спочатку у посудину з водою, потім – у посудину з невідомою рідиною. Хід рішення для отримання підсумкової формули:

а) mgl1 = (mg – FA)l2 (. ) де т – густина зануреного у воду тіла, в – густина води, l1, l2 – плечі ваги вантажу (у першому випадку).

б) mgl1' = (mg – FA)l2' (. )

де – густина невідомої рідини, l1', l2' – плечі ваги вантажу (у другому випадку).

в)

Наведемо приклад завдання з самостійним вибором устаткування, оскільки передбачається кілька способів розв'язання.

• Запропонуйте способи визначення площі фігури складної форми.

- Використовувати метод квадратів, який застосовували для визначення площі підошви взуття при розрахунку свого тиску;

- виготовити посудину за формою пластини (наприклад, з пластику або промасленого паперу), заповнити водою, опустити пластину до занурення, за допомогою мензурки виміряти витіснений об'єм, лінійкою або штангенциркулем виміряти товщину пластини і обчислити площу;

- Виміряти архімедову силу, визначити об'єм, а потім, знаючи обсяг і вимірявши товщину пластини, розрахувати площу поверхні;

– обвести контур фігури на аркуші щільного картону, виміряти масу фігури з картону та вирізаного з цього картону квадрата – площі цих фігур пропорційні вазі цих фігур.

Обговорюємо, які варіанти можуть дати більш точний результат: другий та третій дають велику похибку, якщо товщина пластини мала, а перший потребує багато часу.

Такі завдання викликають емоційне піднесення навіть у слабких учнів. Усі бачать, що можуть застосувати свої знання практично.

Нарешті, наведемо приклад творчої конструкторської експериментальної задачі:

• Сконструюйте та виготовте найпростіші ваги, дія яких ґрунтується на дії сили Архімеда. Робота над цим завданням стала гарною підготовкою до IV етапу XL всеукраїнської олімпіади школярів з фізики у 2006 р., де було запропоновано аналогічну – «Зважування надлегких вантажів»: визначити масу m шматочка фольги за допомогою запропонованого обладнання – банки з водою,наповненої майже до країв, шматка пінопласту (довжина та ширина 2 4 см, висота 0,5 1 см), набору цвяхів різного діаметру та зубочисток (довжина не менше 6 см, 5–10 шт. однакового діаметра), лінійки, гостро відточеного олівця , Шматка фольги (від 2 2 см до 4 4 см).

Рішення. Вимірюємо діаметр d циліндричної частини зубочистки методом рядів (поклавши кілька зубочисток щільно в ряд і вимірявши лінійкою їх загальну ширину). На одну зубочистку наносимо олівцем через 1 мм розподілу. Встромляємо в пінопласт гвоздики, поки він не зануриться у воду майже повністю. Зверху втикаємо зубочистку з поділками, щоб пінопласт виявився нижчим за рівень води, а зубочистка виступала з води не менше, ніж на 3/4 довжини. За потреби від пінопласту можна відокремити маленький шматочок. Потім на верхній кінець зубочистки прикріплюємо шматочок фольги і знаходимо зміну h глибини занурення зубочистки.

Зміна об'єму зануреної частини: звідки маса фольги

де – густина води.

Шлях до вирішення було знайдено спільними зусиллями класу.

Досвід роботи дозволяє зробити висновок, що систематичне застосування експериментальних завдань розвиває творче мислення учнів, є одним із ефективних способів підготовки до подальшої дослідницької діяльності, мотивує до усвідомленого вивчення фізики.

---