Экспериментальные задачи по молекулярной физике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

При изучении физики приходится все время решать задачи, затрачивая значительную часть учебного времени. Поэтому решение задач занимает в физическом образовании огромное место, причем физические задачи весьма разнообразны.

Среди множества физических задач особое место занимают экспериментальные задачи. Они отличаются от фронтальных лабораторных работ и наблюдений по физике и не заменяют их, главная цель лабораторной работы прежде всего исследование явлений и приобретение учащимися экспериментальных навыков. В процессе же решения экспериментальных задач эти навыки используются и развиваются, наблюдения и измерения всегда выполняются для конкретных физических закономерностей, а не выяснения или подтверждения последних, как это имеет место в лабораторных работах. Основное значение решения экспериментальных задач заключается в формировании и развитии с их помощью измерительных умений, умений обращаться с приборами.

Особым типом экспериментальных задач являются задачи с «неполным», на первый взгляд, набором условий, который может быть «дополнен» с помощью интеллектуальных, умственных и изобретательских способностей учащихся. Такими задачами являются экспериментальные задачи на смекалку, которые развивают наблюдательность и способствуют более глубокому пониманию сущности явлений, выработке навыков нестандартного мышления.

Объектом исследования работы является процесс обучения школьников решению экспериментальных задач на смекалку.

Предметом исследования является система экспериментальных физических задач на смекалку, направленная на развитие интеллектуальных способностей, формирование исследовательского подхода, творческой активности учащихся.

Главная цель данной работы состоит в систематизации методических указаний по решению экспериментальных задач на смекалку.

Для реализации поставленной цели надо решить следующие задачи:

1. Изучить научную и методическую литературу по данной теме;

2. Провести анализ и классификацию экспериментальных задач на смекалку, оценить их роль в школьном курсе физики;

3. Рассмотреть алгоритм решения таких задач;

4. Провести систематизацию методических указаний по решению экспериментальных задач на смекалку из различных разделов школьного курса физики.

Выбор данной темы связан с ее актуальностью. В настоящее время экспериментальные задачи на смекалку в достаточной степени не востребованы. Они не занимают должного места в школьном курсе физики и как метод используется в учебной практике в большинстве случаев лишь время от времени или вообще не изучаются. Поэтому важно показать, что задачи на смекалку имеют большое практическое значение и должны изучаться как обязательный материал курса физики.

1. Экспериментальные физические задачи на смекалку и их роль, место и функции в школьном курсе физики

1.1 Понятие экспериментальных задач, их классификация и особенности

В практике обучения физике важное место занимает решение экспериментальных задач. Эксперимент является важнейшим элементом процесса обучения физике. Он выполняет несколько дидактических функций: повышает интерес к предмету, активизирует внимание учащихся, способствует улучшению технического образования. Исследовательская форма постановки учебного эксперимента является мощным средством развития интереса к предмету, подготовки учащихся к самостоятельной работе. Физический эксперимент должен быть краток по времени, лёгок в постановке и нацелен на усвоение и отработку конкретного учебного материала [1].

Физический эксперимент позволяет органично связать практические и теоретические проблемы курса физики в единое целое. В ходе эксперимента ученики принимают в работе активное участие. Это способствует развитию у школьников умений наблюдать, сравнивать, обобщать, анализировать и делать выводы. Эксперимент позволяет организовать самостоятельную деятельность учащихся, а также развить практические умения и навыки. Опыт показывает, что проведение фронтальных лабораторных работ, решение экспериментальных задач, выполнение кратковременного физического эксперимента эффективнее, чем ответы на вопросы или работа над упражнениями в учебнике.

Экспериментальной задачей называется такая задача, данные для решения которой, получаются экспериментально, непосредственно на глазах учащихся или самими учащимися [2].

К основным их особенностям можно отнести следующее:

1. Решение экспериментальных задач воспитывает у учащихся стремление активно, собственными силами добывать знания, стремление к активному познанию мира.

2. Разбирая экспериментальные задачи, ученики убеждаются на конкретных примерах, что их знания вполне применимы к решению практических вопросов, что с помощью их школьных знаний можно предвидеть физические явления. Таким образом, их книжные знания приобретают реальный смысл.

3. При решении почти каждой экспериментальной задачи ученики убеждаются, что эксперимент играет огромное значение в познании окружающих явлений.

4. Самостоятельное решение учениками экспериментальных задач способствует приобретению исследовательских навыков, развитию творческих способностей.

5. Учащиеся на практике убеждаются, что результаты измерений всегда приближённые, и что на их точность влияют различные причины, поэтому производя измерения нужно устранять все побочные влияния.

Используемое при постановке опытов оборудование должно быть учащимся известно, а установка опыта простой. При решении любой экспериментальной задачи целесообразно выделить четыре этапа деятельности: а) анализ текста и физического явления задачи; б) план решения; в) решение; г) анализ решения.

Разновидности экспериментальных задач [3]:

1. задачи, в которых без эксперимента нельзя получить ответ на требование задачи;

2. задачи, использующие эксперимент для создания заданной ситуации;

3. задачи, в которых эксперимент используется для иллюстрации явления, описанного в условии;

4. задачи, использующие эксперимент для проверки правильности решения.

1.2 Экспериментальные задачи на смекалку как способ формирования измерительных умений и навыков

Почти во всех сферах жизни, в любой области деятельности человеку приходится сталкиваться с необходимостью измерить ту или иную величину - температуру воздуха или высоту здания, объем тела или массу детали и т. д. Измерение является наиболее простым познавательным процессом, заключающимся в экспериментальном сравнении данной величины с известной величиной, принятой за единицу сравнения. Иногда необходимые измерения можно выполнить специально назначенными для этого приборами и инструментами. В этом случае измерения называются прямыми или непосредственными. Однако значительно чаще вместо непосредственного определения интересующей величины приходится измерять совсем другие, а нужную - вычислять затем по соответствующим формулам. Тогда измерения называются косвенными. Так, для определения плотности вещества обычно измеряют массу и объем некоторого тела, состоящего из этого вещества, и первую делят на вторую.

Как правило, для измерения величин существуют специально разработанные, «стандартные» методы (например, измерение длины и плотности). Но бывают случаи, когда обычные приемы оказываются неудобными, а, то и вовсе невозможными. Например, возникла необходимость определить диаметр тонкого капилляра в обычном медицинском термометре или найти массу одной капли воды. Линейка и весы, которыми мы располагаем, - чересчур грубые для этих целей приборы. В этих случаях, прямое измерение уместно заменить косвенным, причем можно предложить не один, а множество различных способов. Поэтому важно научиться находить иные пути и приемы нахождения искомых величин.

Экспериментальными задачами на смекалку являются задачи, постановка и решение которых связаны с экспериментом: с различными косвенными измерениями, воспроизведением физических явлений, наблюдениями за физическими процессами, результат решения которых зависит главным образом, от уровня знаний, интеллектуальных и творческих способностей учащихся. Приборы и инструменты для определения тех или иных искомых величин таких задач, казалось бы, совершенно не подходят для этих целей. Однако умело распорядившись ими, задачу можно решить.

Решение задач на смекалку положительно влияет на качество преподавания физики [4]. Они способствуют повышению активности учащихся на уроках, развитию логического мышления, учат анализировать явления, заставляют ученика напряжённо думать, привлекая все свои теоретические знания и практические навыки. Вместе с этим у обучающихся воспитываются трудолюбие, смекалка, самостоятельность, воля, характер, упорство в достижении поставленной цели, интерес к учению, то есть всё то, что в Федеральном государственном образовательном стандарте определено как регулятивные универсальные учебные действия.

Экспериментальные задачи на смекалку делятся на:

* качественные физические задачи

К ним следует отнести задачи, поставленные на конкретной физической установке, на конкретном вещественном материале или рассматривающую какую-нибудь конкретную ситуацию. В решении качественных задач отсутствуют числовые данные и математические расчёты. В этих задачах от ученика требуется или предвидеть явление, которое должно совершиться в результате опыта, или самому воспроизвести физическое явление с помощью данных приборов. Примеры таких задач:

1) Космонавту, вышедшему в открытый космос и не связанному ни с кораблем, ни с каким-либо иным объектом, необходимо повернуться на 180°. Как он должен поступить?

2) Как узнать, намагничено ли старое ножовочное полотно или нет, не пользуясь никакими приборами или другими телами?

* количественные физические задачи

Задачами этого типа следует назвать такие задачи, решение которых осуществляется путём математической обработки данных, полученных экспериментально, в процессе их решения, то есть уже после того как задача была поставлена. Решение таких задач начинается с планирования эксперимента, который должен быть поставлен для получения количественных данных, нужных для решения задачи. Примеры таких задач:

1) Как, пользуясь весами и набором гирь, можно найти вместимость кастрюли?

2) Как с помощью медных монет найти массу линейки?

1.3 Особенности методики решения

Решение задач - составная и наиболее значимая, как уже отмечалось, часть процесса обучения физике, поскольку на её фоне формируются физические понятия, развивается физическое мышление учащихся.

Методика обучения решению задач на смекалку строится так, чтобы в ходе решения ученик сначала высказал предположение, обосновал его, а потом проверил его опытом и сделал необходимые выводы. Такой подход вызывает у учеников интерес к задачам и при верном решении большое удовлетворение.

Экспериментальные задачи на смекалку в отличие от текстовых, как правило, требуют больше времени на подготовку или на решение, а также наличия у учителя и учащихся навыков нестандартного мышления [5].

Самостоятельное решение учениками таких задач способствует также приобретению умений и навыков исследовательского характера. Им приходится не только составлять план решения задачи, но и определять способы получения данных, самостоятельно собирать установки, отбирать и даже «конструировать» нужные приборы для воспроизведения того или иного явления. Решение экспериментальных задач на смекалку может осуществляться как в урочное и внеурочное время, например, на прогулке, так и в домашних условиях, с соблюдением требований безопасности.

Экспериментальные задачи на смекалку могут быть использованы в любой части урока. Такая задача может стать темой данного урока. В этом случае необходимо, чтобы вопрос вызывал некоторое удивление и желание решить его. Таким средством стимула к восприятию является постановка проблемы, а значит, нужна подходящая экспериментальная задача. Применять задачу на смекалку можно для проверки степени понимания учениками изучаемого на уроке материала, для его закрепления. Задача в этом случае способствует углублению и уточнению нового материала. Использование

экспериментальных задач на смекалку при опросе дает нам возможность выяснить, насколько правильно и глубоко усвоен пройденный материал. Задачи этого типа могут быть предложены учащимся в качестве домашнего задания. Задания должны быть такими, чтобы для домашних опытов ученики нашли нужные приборы и предметы. Сложные по пониманию задачи можно выполнять на факультативных занятиях. Занимательные экспериментальные задачи можно использовать на физических вечерах.

Задачи с экспериментом помогают ученикам, в дальнейшем, лучше решать задачи расчетные, решение которых часто сводится к подстановке чисел, данных в условии, в формулы без уяснения физического смысла.

Главными особенностями задач на смекалку можно отнести то, что:

° в них речь идет об опытах с несложным оборудованием или подручными предметами (нитками, бутылкой, монетой и т.д.), что делает их доступными для любого человека;

° часто для измерений предлагается воспользоваться не традиционным измерительным прибором, а необычным для данной ситуации, что создает дополняющий компонент интереса.

Задачи, которые рассматриваются в данной работе, были взяты из сборника «Экспериментальных физических задач на смекалку» (1985) В.Н. Ланге [6]. Основная цель сборника состоит в воспитании навыков нестандартного мышления. Знакомство с историей физики показывает, что успех эксперимента часто определяется применением новых, совершенно неожиданных, специально для этого случая, разработанных методов измерения. В сборнике приведено свыше ста задач, в которых предлагается придумать способ измерения величин, используя самые примитивные приборы, казалось бы, совсем не подходящие для этой цели.

При решении многих задач могут понадобиться сведения из самых разных глав физики. Поэтому автор решил разбить задачи на разделы по обстановке, в которой предлагается выполнить задание:

• В домашней обстановке

о На прогулке

о На озере

• Во время путешествий

• В школьной лаборатории

© На заводе

о В космосе

Приведем примеры наиболее интересных задач и рассмотрим решение некоторых из них, предварительно относя их к разделам физики, законам которых они подчиняются. Тем самым создадим систему экспериментальных задач на смекалку, которую можно использовать в учебном процессе, изучая тот или иной раздел физики.

Молекулярная физика

Задачи по основам молекулярно-кинетической теории:

1) (№29) Как определить давление в футбольном мяче с помощью чувствительных весов и линейки?

2) (№30) Как с помощью цилиндрического сосуда с водой и линейки определить давление внутри перегоревшей электрической лампочки?

3) (№32) Дана узкая стеклянная трубка, запаянная с одного конца. Трубка содержит воздух, отделенный от окружающей атмосферы столбиком ртути. Имеется также миллиметровая линейка. Определите с их помощью атмосферное давление.

Подсказка: При неизменной температуре объем газа обратно пропорционален давлению

Интересный факт: В Англии этот закон называют законом Бойля, во Франции - законом Мариотта, а у нас - законом Бойля - Мариотта. Открыт он был экспериментальным путём задолго до создания статистической термодинамики. Впервые гипотеза о постоянстве произведения pV была высказана в 1661 году английским любителем физики Р. Тоунли. В том же году опыты по проверке этой гипотезы были проведены лордом Броункером и врачом Генри Пауэром. Однако в наиболее широких пределах эта гипотеза была подтверждена приблизительно в это же время экспериментами английского физика Роберта Бойля. Он первым опубликовал свои результаты (1662), причём по полноте и точности они намного превосходили данные других исследователей, среди которых был и Роберт Гук, который, по свидетельству самого Бойля, уже в 1660 году располагал данными, согласующимися с гипотезой Тоунли.

Решение: Если трубка расположена вертикально отверстием вверх, то заключенный в ней воздух находиться под давлением

Pi = Ро + удК

где ро - атмосферное давление, у - плотность ртути, g - ускорение свободного падения и h -- высота ртутного столбика. Это давление сжимает воздух в трубке до объема V± -- l±S, где 12 - длина воздушного столба, S - площадь поперечного сечения трубки.

В трубке, расположенной вертикально отверстием вниз, давление составляет

Рг = Ро -

а объем воздуха равен V2 -- hS-

Считая температуру воздуха в обоих случаях одинаковой, имеем из закона Бойля-Мариотта:

(Ро + ygh)hs = (ро - ygh)l2s,

откуда

задача экспериментальный смекалка физика

Ро = ygh(l2 + Г)/(Г - к).

Плотность ртути и ускорение свободного падения берем из таблиц, а значения /*, 12 и h находим с помощью линейки. Если давление атмосферы выразить в мм рт. ст., формула упрощается:

/2 + /1

Ро = h-; г- 2.2.3 Термодинамика

Задачи по основам термодинамики:

1) (№33) Как определить удельную теплоту парообразования воды, располагая домашним холодильником, кастрюлей неизвестного объема, часами и равномерно горящей газовой горелкой? Удельную теплоемкость воды считать известной.

2) (№75) Аквалангисту необходимо определить глубину озера. К сожалению, никаких иных инструментов, кроме цилиндрической мензурки с делениями, у него не оказалось. Однако аквалангист сумел справиться со своей задачей. Не смогли бы вы сказать, как он это сделал? Можно ли выполнить задание, если цилиндрическая мензурка заменена на коническую?

3) (№67) Как определить высоту горы с помощью нагревателя, кастрюли с водой и точного термометра?

Подсказка: Температура кипения зависит от давления, которое убывает с высотой.

Интересный факт: Предел Армстронга - это высота над уровнем моря, где давление падает до такой степени, что кровь в человеческом теле закипает (19200 метров над уровнем моря). Крупные артерии человека могут выдерживать давление в 20 атмосфер. В Агапе (Сибирь), 31 декабря 1968 года было зарегистрировано рекордно высокое атмосферное давление -- 815 миллиметров ртутного столба. На конце иголки в швейной машине развивается давление до 5000 атмосфер.

Решение: По мере увеличения высоты над уровнем моря атмосферное давление убывает. С другой стороны, с уменьшением давления уменьшается температура кипения воды. Это обстоятельство иногда используется альпинистами для определения высоты подъема. Точные результаты получаются, если применяются специальные таблицы, а для грубых подсчетов достаточно помнить, что понижение температуры кипения воды составляет примерно 0,3 °С на каждые 100 м подъема.

Размещено на Allbest.ru