Использование экспериментальных задач на уроках физики

Для более полного эффекта достижения результата демонстрацию электронных пособий необходимо сопровождать проведением опытов, лабораторных работ. Применение в учебном процессе электронных учебных пособий помогает полнее использовать все виды памяти, которые можно привлечь для запоминания и воспроизведения материала любого вида и сложности.

Таким образом, при изучении предмета, используя компьютерные технологии, ребенок не только получает необходимые ЗУН, но и видит, как можно систематизировать, наглядно представлять учебный элемент, а это способствует развитию познавательной активности, навыков анализа и синтеза и, как следствие, формирование представлений об окружающей действительности. Подтверждением сказанного является то, что дети с удовольствием включаются в процесс создания презентаций и показывают конечный высокий результат.

Так как наша глава содержит такое содержание как: компьютерное моделирование - это хорошая возможность ярко представить экспериментальную задачу, следует отметить то что, яркость представления может содержать интересные задания. К примеру, возьмем такие как: исследовательские задания - их можно дать наиболее способным учащимся, в ходе выполнения которого им необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов для достижения решения экспериментальной задачи, которые бы позволили подтвердить или опровергнуть определённые закономерности.

Самым сильным ученикам можно предложить самостоятельно сформулировать такие закономерности. Заметим, что в особо сложных случаях, учащимся можно помочь в составлении плана хода к решению экспериментальной задачи.

Проблемные задания: с помощью ряда моделей можно продемонстрировать, так называемые, проблемные ситуации, то есть ситуации, которые приводят учащихся к кажущемуся или реальному противоречию, а затем предложить им разобраться в причинах таких ситуаций с использованием компьютерной модели.

Качественные задачи: некоторые модели вполне можно использовать и при решении качественных задач. Такие задачи или вопросы, конечно, лучше сформулировать, поработав с моделью, заранее.



3. Методика решения видов экспериментальных задач из курса «Механика»

Итак, мы подошли к самой ответственной и важной части нашей работы - практической, методики, - наработанной в ходе всей работы. Предложенные нами характеры решения экспериментальных задач, подробно изложенные в нижней части нашей работы, мы решили, проверить на учениках обычной сельской школы просто решая задачи на уроке.

Для экспериментальной проверки еще в 2010 -2011 учебном году мы выбрали Ямышевскую среднюю общеобразовательную школу. Нами был разработан план подготовки решения экспериментальных задач разных характеров. Данный план включал в себя активную работу на уроках, чтение дополнительной литературы (в частности методических пособий) и естественно решение задач. Задачи должны были решаться дома, на уроке и во внеурочное время с помощью учителя.

При решении задач учащемся сначала были объяснены детально методы и правила решения задач: каждую задачу необходимо осмысливать совокупно и глубоко анализировать, при решении нужно пользоваться простыми правилами, изложенными выше, расписывать каждую задачу, и не торопясь осмысливать ее. Это необходимые условия эффективного решения любой задачи. Для закрепления правил с учащимися были порешены ряд задач, еще несколько были предложены для самостоятельного решения, используя знания методов. Все задачи были подобранны из курса «механика», и этому есть своя причина, она описана ниже. Применяя разные виды характеров решения экспериментальных задач, мы добились улучшения результата решения задач учащимися: если в начале эксперимента ученики не могли решить около 60 % из предложенных задач, то после прорежённых задач число нерешенных сократилось до 20 %. Настало время для второго этапа.

Второй этап заключался в простом перерешивании множества экспериментальных задач и детального разбора правильных решений. В ходе его реализации учащимся были предложены для решения задачи уровня «А». К примеру, мы взяли 7 класс, из девяти предложенных задач (№ 1, 2, 5, 6, 9, 11, 12, 16, 18) учащиеся смогли решить одну, остальные задачи разбирались ими по готовым решениям. Все решения, и полученные учащимися, и уже готовые были тщательно проанализированы (почему так, а не иначе? Почему эта формула?). Как и предполагалось, даже небольшое количество решенных экспериментальных задач увеличили багаж умений и навыков в сфере решения экспериментальных задач; после решения им было предложено еще девять задач того же уровня, что и предыдущие (№ 4, 7, 8, 10, 13, 14, 15, 17) из которых они решили самостоятельно четыре. Прогресс налицо - уровень задач одинаков, во втором случае решенных задач больше почти на 30 %! Отсюда мы можем сделать вывод что методика предложенная нами верна и реально помогает при решении экспериментальных задач.

Хотелось бы объяснить, почему мы выбрали именно курс «Механика», по следующей причине, она заключается в том, что: разработка системы экспериментальных заданий по физике на примере механики актуальна в плане развивающего и личностно - ориентированного обучения.

В этой связи особое значение приобретает экспериментальное решение задач, которое с необходимостью предполагает оба вида деятельности. Как и любой вид решения задач, оно имеет общую для процесса мышления структуру и закономерности. Экспериментальный подход открывает возможности развития образного мышления.

Экспериментальное решение физических задач, в силу их содержания и методологии решения, может стать важным средством развития универсальных исследовательских навыков и умений: постановки эксперимента, опирающегося на определенные модели исследования, собственно экспериментирования, способности выделить и сформулировать наиболее существенные результаты, выдвинуть гипотезу, адекватную изучаемому предмету, и на ее основе построить физическую и математическую модель, привлечь к анализу вычислительную технику.

Новизна содержания физических задач для учащихся, вариативность в выборе экспериментальных методик и средств, необходимая самостоятельность мышления при разработке и анализе физической и математической моделей создают предпосылки для формирования творческих способностей.

Эксперимент в школьном курсе физики - это отражение научного метода исследования, присущего физике.

Именно механика дает первоначально основное фундаментальное понятия.

Необходимо добавить следующие, при проведении эксперимента нами был сделан вывод: «да действительно нам необходимо внедрить в разное время урока хотя бы по 10 -15 минут разные характера экспериментальных задач». Этому есть подтверждение: тот же 7 класс, в 2010 - 2011 учебном году, кода мы впервые задались вопросом, суть содержания которого заключается в следующем, «действительно ли необходимо проводить экспериментальные задачи в школьном курсе физики?».

Как мы и предполагали, ответ превзошел все наши ожидания.

Например, мы сравнили 7 класс по четвертям, вI - ой и II - четверти экспериментальных задач не проводили, а в III - ей и IV - ой четверти вместо обычных задач провели экспериментальные.

График 1. Сравнение по четвертям



На графике видно не вооруженным глазом, что экспериментальные задачи проводить рекомендуется.

На основании вышеизложенного, нами было принято решение, что экспериментальным задачам мы будем отводить по 15 минут на каждом уроке. В нынешнем учебном году заинтересованность наших восьмиклассников, бывших семиклассников возросла.

График 2. Заинтересованность учеников и предположение на следующий учебный год

Как видно на графике мы предполагаем в 2012 -2013 учебном году повысить интерес к изучаемому предмету, через формы и методы обучения учащихся экспериментальным задачам. Ведь благодаря -«заинтересованности» мы поднимем уровень знаний по данному предмету, и это будет основной целью.

Методы решения экспериментальных задач в значительной мере зависит от роли эксперимента в их решении. В других типах экспериментальных задач ярко выступает их специфика, и поэтому методика решения, и оформления имеет свои особенности.

Решение и оформление экспериментальной задачи расчетного характера складывается из следующих элементов: постановка задачи, анализ условия, измерения, расчет, опытная проверка ответа.

Экспериментальный подход открывает возможности развития образного мышления.

С помощью эксперимента не только обобщаются и систематизируются образы, которые знакомы учащимся из повседневной жизни, но и передаются новые знания по другому информационному каналу (в основном зрительному), а это позволят снизить мыслительное напряжение у школьников при изучении сложного материала. Эксперимент по разделу механики должен показать проявление этих закономерностей, что оказывается достаточно сложной задачей.

Восьмиклассники с трудом овладевают понятием «относительность движения». Происходит это не только потому, что изучаемое понятие сложно, но и потому, что учащиеся не имеют достаточного запаса чувственных образов, которые могли бы им контролировать такие понятия, как относительность траектории, путь, перемещения, скорости. Для облегчения усвоения этого материала нужны яркие и выразительные демонстрации, раскрывающие объем этих труднейших понятий. Это также подчеркивает необходимость использования экспериментальных задач на уроках физики.

В связи с вышеизложенныммы стали неоднократно использовать экспериментальные задачи. Хочется отметить наконец наши виды (характеры), по которым делится экспериментальные задачи, на наш взгляд самые основные: иллюстративный, исследовательский и решение экспериментальных задач на смекалку. Данные экспериментальные задачи так же относятся к курсу «Механика», разной сложности. Цель нашего разложение этих задач по видам, характерам, - выявление наилучшего варианта в использовании на практике.

3.1 Иллюстративный характер

Иллюстративный характер: в работах иллюстративного характера перед учащимися ставится практическая задача и предполагается на основе имеющихся знаний тот или иной расчет, правильность которого потом проверяется экспериментальным путем. Таким образом, эксперимент является как бы наглядной иллюстрацией справедливости теории.

Иногда при выполнении экспериментальной задачи, действия учащегося не придет к положительному результату: не была учтена какая - то деталь или измерения производилась с недостаточной точностью. Такую работу нельзя оценивать отрицательно. В этом случаи учитель должен побудить ученика к большой активности. Нужно, чтобы ученик, задав себе вопрос: «А почему это могло случиться?» привел анализ существенных и несущественных сторон явления, пересмотрел и по - новому оценил свои действия при измерениях, проверил расчеты и т.д. Такое отношение положительно скажется на выполнении последующих работ. В качестве примера рассмотрим несколько экспериментальных задач иллюстративного характера.

Пример1.Определить массу груза.

Выдается оборудование: динамометр, исследуемый груз, нить, масштабная линейка.

Решение. Установим линейку так, чтобы момент силы тяжести, действующей на линейку, равнялся нулю. Для этого опора должна находиться на одной вертикали с центром тяжести линейки. В случае однородности материала линейки центр тяжести совпадает с ее геометрическим центром О. На расстоянии от расположим исследуемый груз, на расстоянии крепим динамометр и с его помощью установим линейку горизонтально (рис. 1).

Рисунок 1



Тогда из условия равновесия получим следующее выражение;

Здесь F? сила, с которой динамометр действует на линейку, am? масса исследуемого груза. Из выражения (1) получим;

Пример 2.Определить массу линейки.

Выдается оборудование: ученическая линейка, пятикопеечная монета или линейка и разновес.

Решение. Первый способ. Уравновесим систему, состоящую из линейки и пятикопеечной монеты, на какой-либо опоре.

Рисунок 2

Условие равновесия этой системы (правило моментов) имеет вид;

Гдеm₁? масса части линейкиАО,m₂? масса части линейки ОВ, m? масса пятикопеечной монеты (m = 5 г),l₁? расстояние от точки O до центра тяжести участка AO, l? расстояние от точки O до центра тяжести пятикопеечной монеты,l₂? половина длины участка ОВ. Величиныl₁,l₂,lлегко измерить. Обозначим черезслинейную плотность материала, из которого изготовлена линейка.

Можем записать

Мы учли, что центры тяжести участков АО, О Влинейки расположены посередине этих участков. При этом условие равновесия примет вид:

.

Из последнего равенства находим, что

Поскольку

то окончательно

Второй способ. Так как сила тяжести линейки приложена к ее середине

Рисунок 3

то условие равновесия системы линейка ? монета (разновесок) имеет вид;

откуда: m_л= ml/Дl.

Нетрудно показать, чтогдеуказаны на рисунке. Очевидно, что второй способ решения более рационален.

Пример3. Определить массу тела. Оборудование: металлическая линейка, медная проволока малого диаметра, карандаш, тело неизвестной массы, штатив. Решение. Закрепим карандаш в штативе. Уравновесим линейку на карандаше, закрепим на одном из ее концов тело, массу которого надо определить. Надевая на второе плечо полученного рычага проволочную петлю и натягивая проволоку по вертикали вниз, уравновесим тело (рис.).

Рисунок 4

Запишем условие равновесия рычага;

(5)

Из выражения (5) видно, что чем меньше плеч оh, тем больше должна быть сила F_y. Очевидно, что уменьшаяl₁путем перемещения петли к опоре, мы можем достигнуть такого положения, при котором проволока оборвется. В этом случае;

Гдеу_n? предел прочности меди при растяжении (значение находим по справочнику), aS = рd²/4площадь поперечного сечения проволоки. Подставив выражение (6) в (5), получим;



Откуда

Диаметр проволоки d определим, намотав ее на карандаш и измерив общую толщину п витков. Пусть она равна L, тогда d = L/n. Подставив значение диаметра проволоки в выражение (8), окончательно получим:

Пример 4. Определить силу, необходимую для того, чтобы опрокинуть брусок через точку O. Сила приложена в точке A параллельно верхнему основанию бруска.

Рисунок 5

Решение. Сила, приложенная в точке A и необходимая для того, чтобы опрокинуть брусок вращением его вокруг ребра, перпендикулярного плоскости рисунка и проходящего через точку O, определяется из условия равенства моментов этой силы и силы тяжести относительно точки O. В начальный момент времени плечо силы F равно b, а плечо силы тяжести ?a/2.



Рисунок 6

Учитывая это, равенство указанных моментов запишется в виде:

Откуда

Покажите, что в случае поворота бруска на уголб(рис. б) сила F, вращающая брусок, будет меньше по сравнению с начальным значением (рис. а).

Пример5. Определить прочность нити. Оборудование: грузы из набора по механике, транспортир, штатив, нить, гирька известной массы.

Решение. Привяжем к нити гирьку и прикрепим ее второй конец к штативу, отведем гирьку от положения равновесия на небольшой угол и отпустим. Меняя угол и массу гирьки найдем то значение угла, при котором нить обрывается в момент прохождения положения равновесия. Пусть этот угол равенц₀, а масса гири равна m. Рассмотрим силы, действующие на гирю в положении равновесия. Ими будут сила тяжести mg и сила реакции нити F_p (рис.).



Рисунок 7

Запишем второй закон Ньютона для нити

F_p+ mg = mа_ц, (в векторном виде), где а_ц? центростремительное ускорение. Проекция на ось ординат дает F_p? mg = mа_ц, отсюда;

F_p= mg + mа_ц

Прочность нити как раз и определяется силой F_p, т. е. она является искомой величиной в выражении (1).Так какa_ц= v²/l, где l? длина нити, то

F_p= m(g + v²/l)

Для нахожденияv²/l используем закон сохранения механической энергии (для точек A и B). В этих точках энергии имеют значения: Е_pА= mgh; Е_кA= 0; Е_рB= 0; Е_кВ= mv²/2.Используя закон сохранения энергии, получим;

mgh = mv²/2(13)

Из геометрических соображений h = l ? lcosц₀,тогдаgl(1 ? cosц₀) = v²/2, v²/l = 2g(1 ? cosц_о).

Подставив полученное значение в (12), получим: F_p= mg(3 ? 2cosц_o).

Пример 6. Определить приближенное значение коэффициента трения песка о стекло. Оборудование: песочные часы, линейка.



Рисунок 8

Чтобы песочные часы оправдывали свое назначение, песок в них должен течь равномерно. Из рисунка видно, что песчинки будут двигаться равномерно, если сумма сил, действующих на них, будет равна нулю. Тело, находящееся на наклонной плоскости, будет двигаться равномерно при условии, чтоtgб = м, гдем? коэффициент трения. Таким образом, наша задача сводится к определениюtgб.Нетрудно видеть (рис.), что tgб = |OO₁|/|AO₁|;

|AO₁| = (1/2)|AB|, |OO₁| = (1/2)v{4|AO|² ? |AB|²},тогда tgб = v{4|AO|²? |AB|²}/|AB|.

Теперь осталось измерить величину |AO|и|AB|, что легко сделать с помощью линейки.

Пример 6. Определить коэффициент трения бруска о горизонтальный стол, если длина и ширина бруска меньше его высоты.

Оборудование: брусок, нить, линейка.

Решение. Для того чтобы брусок сдвинуть с места, необходимо у его основания ABCD (места приложения сил трения) подействовать силой F. Запишем условие равномерного движения бруска по поверхности стола:

F = F_mp(14)

Если силу F переносить параллельно вверх от основания АВСD (рис.9),



Рисунок 9

Равномерное и прямолинейное движение бруска будет продолжаться, а брусок не будет поворачиваться относительно ребра основания DC до тех пор, пока вращающий момент силы не превысит момент силы тяжести mg относительно DC. Тогда из условия;

Fh = mga/2

находим, что;

F = mga/(2h)

Где h? плечо силы F, при котором брусок начинает переворачиваться. Коэффициент трениям = F_mp/(mg).Из уравнений (14) и (16) находим, чтом = =a/(2h).

Пример7. Определение дальности полета тела, брошенного горизонтально.

Условие задачи: «Вертикально вверх совершен выстрел из баллистического пистолета. Высота наибольшего поднятия пули Н зафиксирована и изменена. С некоторой высоты h из того же пистолета совершен выстрел в горизонтальном направлении. Рассчитать, в какой точке пуля коснется пола, и проверить расчеты с помощью эксперимента». Результаты работы следует считать успешными, если пуля попадет в ящик с песком размером 15*15 см, местоположение которого было рассчитано.

Предварительно ученик должен провести ряд рассуждений, оперируя понятиями «ускорение свободного падения», «начальная скорость», «перемещение» и др., вспомнить соотношение между ними, отобрать те знания, которые необходимы при решении именно этой задачи, а также проверить свои рассуждения с помощью практических действий.

Порядок выполнения может например быть таким:

1.Расположить баллистический пистолет так, чтобы пуля лежала вертикально вверх.

2.Определить наибольшую высоту поднятия пули Н, произведя не менее трех измерений, и вычислить среднее арифметическое значение.

3.Вычислить начальную скорость пули для данного случая;

U_o=v2gHср (14)

4.Расположить баллистический пистолет на высоте h так, чтобы пуля была выпущена горизонтально.

Рисунок 10

1.Вычислить время полета пути;

t=(15)



2.Вычислить дальность полета пули;

s=u_ot=2 (16)

3.Проверить правильность расчетов и измерений с помощью эксперимента.

Работу можно видоизменить : из формулы очевидно, что для случая h=H формула упрощается до;

s=2H(17)

Рисунок 11

Пример 8. Определение ускорения движущихся тел.Для постановки экспериментальной задачи по рисунку собирают установку. При этом удобнее использовать универсальные штативы 1, так как пути, пройденные грузами, не должны быть слишком малыми.

Через каждый блок перекидывают нить с привязными на концах одинаковыми грузами массой 100 г. (или 200 г.) каждый. Для компенсации трения в блоке на внутренние грузы (которые будут двигаться вниз) помещают перегрузки. Можно считать, что трение в блоке скомпенсированно, если гирьки сами не приходят в движение, но при легком подталкивании внутреннего грузавниз он продолжает двигаться практически равномерно с той скоростью, которую ему сообщили.

Для установки необходима еще одна детель - тормазная колодка 4. Ее детали из фанеры (рисунок, в). Снизу в середине приклепляют винтами кусок свинца (или железа) массой 300 г., по обе стороны от него приклеивают поролон. Такая колодка устойчиво держится на блоках и не дает им вращаться во время подготовки опыта.

Применив законы динамики дя каждого тела одной и другой системы в относительности, получают расчетную формулу

(18)

Где числитель представляет собой модуль силы (),вызывающей ускорение обоих тел, а знаменатель - их общую массу. В результате получают ускорения а₁ (левого груза правой системы) и а₂ (правого груза левой системы).

Из формулы;

(19)

видно, что для тел, движущихся равноускоренно без начальной скорости, пути, проходимые за равные промежутки времени, пропорциональны ускорением:

Значит, проверить расчет ускорений можно, проверив равенство промежутков времени движения при соответственно рассчитанных путях.

Для экспериментальной проверки расчета устанавливают грузы так, чтобы пройденные ими пути до удара о стол относились так же, как их ускорения. При этом блоки принимают сверху тормозной колодкой. Резко подняв колодку, убеждаются, что грузы ударились о стол одновременно. Звуки от ударов сливаются в один в том случае, если они следуют друг за другом менее чем через 1/15 с. Такая точность в этом опыте вполне допустима.

Пример 9. Расчет путей, проходимых тележками после их взаимодействия.

Для проверки этой экспериментальной задачи удобно использовать прибор для демонстрации законов механики или любое другое демонстрационное оборудование по механике, имеющееся в физическом кабинете.

Рисунок 12

Массу одной из тележек увеличивают в 1,5 раза, помещая на нее небольшой кусок пластилина (рисунок выше), который исключит перемещение груза по тележке при ее ускоренном движении. Между тележками помещают пружину в сжатом состоянии. Ею может служить измерительная стальная линейка, стянутая нитью.

В работе можно рассчитать пути, т.е. найти такое расположение тележек, чтобы после пережигания нити, фиксирующей деформацию пружины, они одновременно достигли упоров.

Поскольку массы тележек относятся как 1:1,5, то отношение модулей ускорений при взаимодействии известно:

В конце взаимодействия тележки приобретают скорости U₁=a₁t и U₁=a₂t. Так как трение по условию задачи мало, то движение тележек после взаимодействия можно считать равномерным. Следовательно, пути, пройденные тележками за одно и то же время после взаимодействия, должны относится как скорости:s₂:s₁=u₂:u₁

Учитывая предыдущее уравнения, можно записать :s₂:s₁=а₂:а₁илиs₂:s₁= m₂: m₁=1:1,5

Для того чтобы определить s₂ и s₁ необходимо знать их сумму, которую можно вычислить, так как известно расстояние между упорами s и длина тележек с пружиной l : s₁+s₂=s- l. В результате измерений получается, например, s₁+s₂ =90 см., тогда после соответствующих расчетов получают: s₁=54 см, s₂ =36 см.

Для экспериментальной проверки тележки располагают так, чтобы расстояние от одной из них до упора было равно 54 см., а другой, большей по массе, -36 см. После этого пережигают нить, стягивающей пружину. Доказательством справедливости расчета служит одновременность ударов тележек об упоры.

Для обеспечения надежности опытов следует помнить что, трение при движении тележек должно быть пренебрежимо малым, а скорости тележек таковы, чтобы обеспечить равенство времен движения тележек с точностью, не меньшей 1/15 с.

Пример 10. Определение положения материальной точки в заданный момент времени

Работу выполняют по стробоскопической фотографии

Рисунок 13



Ученик получает фотографию траектории шарика, брошенного под углам к горизонту, часть которой отрезана (следующий рисунок).

Рисунок 14

Частота оборотов диска стробоскопа (14 об/с) и масштаб (1 клетка - 5 см.) ему известны. Задача заключается в «достраивании» недостающей части стробоскопической фотографии. Ученик на основе имеющихся теоретических знаний должен определить местоположение шарика, после чего ему выдается фотография для проверки правильности расчетов.

Для проведения этой работы удобно иметь такие фотографии, в которых масштабная сетка совпадает по размерам с разлиновкой ученических тетрадей. В противном случае рекомендовать учащимся снять копию с фотографии на кальку или другую прозрачную бумагу.

Проведем один из всевозможных вариантов выполнения такого задания.

Для определения местоположения шарика в заданные моменты времени необходимо составить уравнения для координат Х и У (ось Х направлена вправо, ось У - вертикально вверх):

x=_oxt

y=_oxt -



Проекцию скорости на ось можно определить, рассчитав проекцию на эту ось перемещения шарика за два первых временных интервала (один интервал - с, или 0,070 с);

Подставляя в эти уравнения время, кратное 0,070 с (0,21;0,28;0,35 и т.д.), определяют координаты шарика в эти моменты времени и ставят соответствующие точки на копиях фотографий. Затем складывают обе части фотографии, сверху накладывают кальку и проверяют правильность расчетов.

Итог: После решения данного вида характера экспериментальных задач, можно сказать, что использование иллюстративного характера даст возможность самостоятельно сделать работу над какими - то своими ошибками, просмотрев работу в целом. Это очень большой объем работы. Даже в этой дипломной работе, хочется отметить как сильно важно иллюстрация, поэтому мы включили сюда большое количество разного уровня экспериментальных задач, чтобы видя перед собой объем задач можно было сделать вывод, а вывод один: надо использовать иллюстративный характер, он хорошо влияет на зрительную память.

3.2 Исследовательский характер

Форму подстановки эксперимента определяют, исходя из основных целей и содержания практического задания. В данном случае мы рассмотрим только одну из целей - применение понятий в процессе их конкретизации.

Изучение зависимости ускорения от силы при постоянной массе: Для выполнения работы можно использовать любой прибор по кинематике и динамике или отдельную тележку с малым трением качения. Привести ее в равноускоренное движение лучше всего за счет спускающегося груза, связанного с этой тележкой.

В качестве примера рассмотрим опыт, проведенный с помощью прибора по кинематике и динамике Глазырина.

Пример 1. На тележку (рисунок ниже) помещают цилиндр 1 и проводят его в движение.

Рисунок 15

При резкой остановке тележки цилиндр скользит по ее поверхности. Расстояние l, пройденное цилиндром до остановки, зависит от его скорости ?? в момент времени остановки тележки и коэффициента трения µ между трудящимися поверхностями. Равнопеременное движение тележки обеспечивается грузом 2. На тележке, масса которой увеличена дополнительными жестко скрепленными с ней грузами 3, установлено два стержня 4 с шестью перегрузками массой, 15 г. каждый (рисунок ниже).

Рисунок 16

Последовательно перекладывая перегрузки с тележками в ведро, получают различные ускорения. Изменяя наклон рельсов (или другими способами в зависимости от наличия оборудования), добиваются компенсации трения.

Станину необходимо закрепить так, чтобы исключить возможность ее перемещения во время работы, так как от этого в большой степени зависит точность и надежность опыта. Если тележка движется по поверхности стола, нужно использовать такую преграду для ее остановки, которая не будет перемещаться при ударе.

Поскольку F₁=ma₁, F₂=ma₂, то F₂-F₁=m(a₂-a₁) и ?F=m?a

Так как массы перегрузов равны, то на опыте учащиеся должны убедится в том, что изменение силы на равные значения вызывает равные изменения ускорения. Сравнение полученных тележкой ускорений производят следующим способом. Для квадрата скорости тележки в конце заданного пути справедливо выражение ??²=2as; в то же время расстояние, пройденное испытуемым телом (цилиндром), пропорционально квадрату скорости тележки:

µmgl, откуда l=а, или ?l=?a

Следовательно, об изменении ускорения тележки можно судить по изменению расстояния ?l. Пример 2. На опыте для фиксации положений цилиндра можно поступить следующим образом. На тележке закрепляют лист бумаги, на котором карандашом очерчивают начальное положение цилиндра (рисунок ниже.)

Рисунок 17



После остановки тележки при каждом измерении силы отмечают продвижение цилиндра путем очерчивания его лобовой части. Выполненное таким образом измерение ?l достаточно надежно.

Увеличивая силу на одно и то же значение, ученик убеждается, что отрезки ?l с достаточной степенью точности равны.

Приведем данные одного из опытов:

?F₁=?F₂=?F₃=?F₄=0.15H

?l₁=?l₂=?l₃=?l₄

1,8 см?1,7 см?1,8 см?1,7 см.

Пример 3. Лесник вышел из сторожки и 2 ч шел со скоростью 3,5 км/чв южном направлении, затем 1,5 ч со скоростью 4 км/ч -- на запад, а оставшееся время 1 ч 20 мин двигался на северо-восток со скоростью 3 км/ч. На каком расстоянии от сторожки оказался лесник?

Решение. Выберем масштаб 1 см= 1 км. Построим траекторию движения лесника (рис. 1) и вычислим длину отдельных участков:

Рис.18

ОА =3,5 км/ч-2 ч = 7 км,

AD = 4 км/ч-1,5 ч = 6 км,

DЕ = 3 км/ч- 1-1-ч = 4 км.

ПустьL = OA+OD+DE = 17 км. Пользуясь рисунком 1 и измерив искомое расстояние, найдем ОE = 5 см. С учетом масштаба получим

Ответ: лесник оказался в 5 км от сторожки.

Пример 4. Масса прославленного в Великой Отечественной войне танка Т-34 равна 31,4 т. Длина той части гусеницы, которая соприкасается с полотном дороги, 3,5 м, ее ширина 50 см. Вычислите давление танка на грунт и сравните его с тем давлением, которое шестиклассник производит на землю при ходьбе (р?3б кПа).

Решение.

Запишем исходные формулы;

(20)

;

(21)

Следовательно

а =0,5 мр₁₌=36 000 Па

р = ? п = ?;

Ответ. Давление танка на землю равно 8 970 Па, т. е. в 4 раза меньше давления ученика при ходьбе.

Пример 5.Спортсмен поднял штангу массой 200 кг на высоту 2 м за 4 с. Какую мощность при этом он развил? Сравните ее со средней мощностью человека, указанной в учебнике «Физика 7» или найдите ее в «Справочнике по физике».

Решение. Запишем исходные формулы:



(22)

(23)

(24)

Средняя мощность, развиваемая человеком, равна приблизительно 70 Вт. Мощность, развиваемая спортсменом, будет в больше.

Можно подвести итог: исследовательский вид, необходим для решения экспериментальных задач. Потому что без исследований нет и решения, это своего рода тоже вывод. И если принять во внимание то, что этот вид характера более предпочитают наши ученики, можно отметить исследовательское начало имело место быть всегда.

3.3 Смекалка один из характеров экспериментальной задачи

Смекалка это наиболее запоминающийся характер экспериментальной задачи.

Пример 1:

Два товарища стояли на балконе и отдыхали. От нечего делать они размышляли над тем, как определить, в чьей коробке осталось меньше спичек, не открывая коробок.

Решение: На падающий коробок действуют две силы - притяжение к Земли и сопротивление воздуха. Первая определяется массой и для полного коробка оказывается большей. В то же время вторая при равных скоростях одинакова для обоих коробков. Поэтому для более полного коробка равнодействующая этих сил будет, вообще говоря, больше. Следовательно, он будет иметь большее ускорение. Ускорение увеличивается с ростом массы.



и, быстрее набирая скорость, раньше достигнет земли. Таким образом, следует уронить обе коробки с балкона одновременно. Та из них, которая раньше достигнет земной поверхности, содержит больше спичек. Убедительные результаты получаются, конечно, лишь в том случае, если разница в количестве спичек в коробках не особенно мала.

Пример 2. Как определить положение центра тяжести гладкой палки, не пользуясь ни какими инструментами?

Решение: Проще всего, конечно, найти центр тяжести палки, уравновешивая ее на ребре ладони. Равновесие, как известно, свидетельствует, что центр тяжести располагается над точкой опоры.

Однако существует более интересный и поучительный способ решения. Если положить палку горизонтально на края ладоней обеих рук, поставленных ребром, и медленно сдвигать руки, то они всегда сойдутся в центре тяжести, и палка не будет падать, каким бы образом не сдвигать руки.

Это происходит потому, что при приближении одной руки к центру тяжести давление на нее возрастает по сравнению с давлением на вторую руку, более удаленную от центра тяжести. Так как одновременно с давлением увеличивается сила трения, то она превзойдет силу трения межу палкой и второй рукой, вследствие чего движение палки относительно первой руки прекратится и начнется движение относительно второй. Таким образом центр тяжести будет все время находится между ладонями и в конце концов будет ими «пойман».

Пример 3. Как выгоднее взлететь самолету: по ветру или против ветра?

Ответ. Выгоднее взлететь против ветра.

Подъемная сила тем больше, чем больше скорость самолета по отношению к окружающему воздуху. При взлете по ветру скорость самолета относительно воздуха равна разности скоростей относительно Земли и скорости ветра, а при взлете против ветра скорость самолета относительно воздуха равна сумме этих скоростей. Поэтому при взлете против ветра самолет отделится от Земли при меньшей скорости относительно Земли, а это выгоднее и безопаснее.

Пример 4. Почему трудно пить из опрокинутой бутылки, когда ее горлышко плотно охвачено губами?

Ответ. По мере убывания воды в бутылке создается пониженное давление, и губы засасываются в горлышко, поэтому пить становится трудно.

Пример 5. Зачем, когда точат пилу, то одновременно и «разводят» ее, т.е. раздвигают зубья в противоположные стороны?

Ответ. Пилу «разводят» для того, чтобы увеличить ширину пропила, иначе ее «заклинивает», так как на нее действуют большие силы перпендикулярно ее полотну и, как следствие,-- большие силы трения,

Пример 6.Почему птицы без всякого вреда для себя могут садиться на провода линии электропередачи?

Ответ. Токи в ветвях (участок провода между лапками и телом птицы являются ветвями) обратно пропорциональны сопротивлениям ветвей. Так как сопротивление тела птицы во много раз больше сопротивления толстого короткого участка провода, то через тело птицы пройдет лишь незначительный ток.

Это действительно, с начало не привело ни какого внимания, но затем вызвало резонанс. Школьники с особым вниманием дослушивали заданную им экспериментальную задачу, а затем с чувством восторга, что они знают решение дают ответы.

Теперь использовав все три вида необходимо подытожить итог нашей работы: 1) иллюстративный - это такой вид где, ставиться возможность для ученика самостоятельно работать и приводить примеры основываясь на увиденных им иллюстраций. 2) исследовательский - это неотъемлемая часть решения задачи (эксперимента). 3) решения задач на смекалку - здесь ученик с интересом и с фундаментом своих знаний дает ответ на время без подготовки.

Вывод: мы рекомендуем использовать именно эти три вида (характера) при решении экспериментальных задач, потому что, все три вида экспериментальных работ, проведенных нами дают свои плоды и являются основой эксперимента. Каждый вид мы рекомендуем использовать при решении данного вида задач.

По усмотрению учителя можно использовать другие различного рода характера виды при решении экспериментальных задач, к примеру, задачи медпредметного характера это, такие как:

1. Почему в море легче держаться на воде, чем в реке?

Ответ. Плотность соленой морской воды больше, чем пресной,-- следовательно, больше и архимедова сила.

2.Во время тяжелой физической работы сердце человека сокращается до 150 раз в минуту. При каждом своем сокращении оно совершает работу, равную поднятию груза массой 0,5 кг на высоту 0,4 м. Определите мощность, развиваемую сердцем в этом случае.

Ответ. 4,9 Вт.

3.Кто быстрее перемещается -- аист или почтовый голубь? Скорость полета аиста равна 60 км/ч, а голубя-- 17 м/с.

Ответ. Почтовый голубь.

4.Почему глубокие водоемы даже в очень холодную зиму не промерзают до дна? Какое значение это имеет в природе?

Ответ. Наибольшей плотностью вода обладает при температуре +4 С. Поэтому в глубоких водоемах температура воды остается такой даже зимой, когда его поверхность покрыта слоем льда. Это обстоятельство имеет большое значение для сохранения жизнедеятельности животного и растительного мира в воде.

5.Изменяется ли положение плавников рыбы при их движении в воде?

Ответ. Да, ими рыба отталкивается от воды, взаимодействуя с ней; при быстром же движении рыбы прижимают плавники для уменьшения сопротивления.

6.Какие простые механизмы используются в подъемном кране?

Ответ. Рычаг, блок, ворот и др.; их сочетание.

7.Зачем используют противовес в подъемных кранах? Как это объяснить с точки зрения физики?

Ответ. Чтобы при подъеме тяжелых грузов подъемный кран не опрокинулся. Это можно объяснить условием равновесия рычага.

8.Какие виды механической энергии используются при работе ветродвигателя?

Ответ. Кинетическая энергия ветра.

Данный вид характера можно использовать при решении экспериментальных задач, но мы более предпочтительно относимся к выше перечисленным трем характерам, так как считаем более приемлемо применять эти виды на уроках физики.

3.4 Экспериментальные задания, как основа экспериментальных задач

Экспереминтальные задачи содержат в себе задания.На основании этого мы разработали также несколько эксперементальных заданий на основе опытов из курса «Механика».

1.Наблюдение относительности движения тела. «Основы кинематики».

Приборы и материалы: 1) линейка измерительная 30-35 см с милимитровыми делениями, 2) карандаш, 3) лист бумаги размером 170*200 мм.

Порядок выполнения работы.

2.Положите линейку на лист бумаги. Один конец линейки прижмите пальцем и с помощью карандаша переместите ее на некоторый угол в плоскости крышки стола (рис.19). При этом карандаш не должен перемещатся относительно линейки.

Рисунок 19

3.Ответьте на вопросы:

1). В каком состоянии находится конец карандаша относительно неподвижной (связной с листом бумаги) и подвижной (связной с линейкой) систем отсчета?

2). Какова траектория конца карандаша относительно неподвижной и подвижной систем отсчета?

3). Верните линейку и карандаш в исходное положение и снова переместите линейку на некоторый угол в плоскости крышки стола. Одновременно перемещая и кеарандаш вдоль линейки.

4.Ответьте на вопросы:

1). В каком состоянии находился конец карандаша относительно неподвижной и подвижной системы отсчета?

2). Какова траектория конца карандаша относительно непеодвижной и подвижной систем отсчета?

3). Какой вывод можно сделать из проделанных опытов?

Вывод: Это задание выполняют при изучении относительности механического движения. Его цель - показать, что траектория движения тела в разных системах отсчета представляет сабойразличные линии. В первом случае, когда конец карандаша неподвижен относительно линейки, его траектория в неподвижной системе отсчета представляет сабой дугу окружности, а в подвижной системе отсчета - точку. Во втором случае, когда конец карандаша, движется относительно линейки, его траектория представляет сабой в неподвижной системе отсчета отрезок кривой линии, а в пордвижной системе отсчета - отрезок прямой линии. Форма траектории тела относительна; она зависит от выбора систем отсчета.

1.Наблюдение прямолинейного равномерного движения тела «Основы кинематики».

Приборы и материалы: 1) трубка стеклянная длиной 200-250 мм с внутренным диаметром 7-8 мм с водой, стеариновый шарик и три резиновых кольца, 2) метроном механический, 3) линейка измерительная 30-35 см с миллимитровыми делениями.

Порядок выполнения работы:

Расположите стеклянную трубку с водой вертикально и держите ее в током положении до тех пор, пока стеариновый шарик не поднимается к верхнему концу трубки (рис 20).

Рисунок 20

1.Одновременно с одним из ударов метронома, настроенного на частоту 120 ударов в минуту, считайте число ударов, за которые шарик проходит всю длину трубки.

2.Поместите резиновое кольцо на середине трубки и убедитель, что за половину времени движения шарик проходит половину длины трубки.

3.Разделите трубку резиновыми кольцами на три, а затем на четыре равные части и, проведя опыты, убедитесь в том, что треть и четверть времени шарик проходит третью и четвертую части длины трубки. Как двигался шарик в трубки.

Вывод: Это задание выполняют при изучении прямолинейного равномерного движения тела. Цель задания - пронаблюдать прямолинейное равномерное движение тела и выделить его существенный признак. Выполнив это задание, учащиеся убеждаются. Что при равномерном движении тело за любые равные промежутки времени соверщают одинаковые перемещения.

1.Изучение первого закона Ньютона «Основы динамики».

Приборы и материалы: 1) шарик диаметром 25 мм, 2) лист бумаги размером 200*300 мм. 3) линейка измерительная 30-35 см. с миллимитровыми делениями.

Порядок выполнения работы:

Примечание: фотографии приборов и материалов прилагается.

1.Положите шарк на горизонтальную поверхность стола.

2.Ответьте на вопросы:

1). Действует ли на шарик какие - либо тела в горизонтальном направлении?

2). В каком состоянии находится шарик относительно стола?

3). При каком условии тело находится в относительном покое?

2.Приведите шарик в движение по крышке стола, после чегонанесите ему несколько легких боковых ударов линейкой.

3.Ответьте на вопросы6

1). Какова причина измерения скорости шарика?

2). Действует ли на шарик какие - либо тела в горизонтальном направлении в промежутках между ударами линейкой?

Примечание: Силой трения шарика о поверхность стола пренебречь, так как она незначительна и время ее действия мало.

1). Какова траектория движения шарика относительно стола после взаимодействия его с линейкой?

2). Изменяется ли скорость шарика относитель стола в промежутках между ударами линейкой?

3). При каком условии тело движется равномерно и прямолинейно?

4.Положите на стол лист бумаги. А на него шарик (рис. 21).

Рисунок 21

экспериментальный физический задача

Толкние шарик. Во время движения шарика энергично поверните лист бумаги в плоскости стола на кнекоторый угол. Проделайте опыт несколько раз и наблюдайте за движением шарика относительно листа бумаги и стола.

1.Ответьте на вопросы:

1).Изменялась ли скорость листа бумаги относительно стола во время движения шарика?

2).Изменялась ли скорость шарика относительно листа бумаги и стола?

3).Какова траектория движения шарика относительно листа бумаги и стола?

4).Как двигался шарик относитально листа бумаги и стола?

Вывод:Данное задание выполняют при изучении перврго закона Ньютона с целью помочь учащимся глубже понять его смысл и границы применимости. Перед учащимися ставится вопрос: каково должно быть механическое состояние тела, если оно не взаимодействует с другими телами или действие других тел скомпенсированны? Ответ на него уцчащиеся получают выполнив задание.

1.Наблюдение невесомости тела «применение законов динамики».

Приборы и материалы: 1) полоска картонная размером 100*300 мм, 2) брусок деревянный от лабораторного трибометра.

Порядок выполнения работы:

Примечание: фотографии приборов и материалов прилагается.

2.Поднимите полоску картона с бруском на 40-50 см. над поверхностью стола, как показано на (рис. 22).

Рисунок 22

Заметьте начальную диформацию картона. Под действием какой силы он деформируется?

3.Отпустите картон вместе с бруском, дайте им свободно падать. Наблюдайте за изменением деформации картона во время падения.

4.Ответьте на вопросы:

1).Какие силы действуюь на покуоящиеся картон и брусок?

2).Какие силы действуют на картон и брусок во время их падения?

3).Почему выпремляется полоскка картонапри падении?

Вывод: данное задание выполняют при изучении явления невесомости. Его дают с целью выяснитьусловия, при которых возникает состояние невесомости тела. Анализ результатов выполнения задания показывает что, невесомость тела возникает при его свободном падении, при этом исчезает только вес, а сила тяжести, действеющая на тело и опору, остается. О невесомости теа судят по исчезновению деформации опоры.

Или к примеру возьмем эксперементальные задания, как основу эксперемента.

Задание 1. Необходимо оценить площадь поверхности своего тела.

Указания к выполнению. Обратите внимание на задание: необходимо не подсчитать, а оценить, то есть выполнить очень приближенные вычисления. Для этого необходимо вначале представить свое тело как упрощенную модель, состоящую из цилиндрического туловища, двух цилиндрических рук, двух цилиндрической формы ног и шарообразной головы. Нарисуйте такую модель.

Выполните необходимые измерения средней длины обхвата руки, ноги, туловища, головы. Считая обхват окружностью радиуса R, определите значение условного радиуса обхвата руки, ноги, туловища, головы на модели. Напоминаем, что длина окружности равна

L=2 R (25)

Измерьте длину руки, ноги, туловища H.

Все измерения удобно производить либо гибкой портновской лентой, либо с помощью веревочки и обычной линейки. Но не забудьте, что все они должны быть выражены не в сантиметрах, как будет показывать линейка, а в метрах (м) - единицах СИ.

А теперь можно подсчитать площадь поверхности каждой руки, ноги и туловища по формуле площади поверхности цилиндрического тела

S = L H (26)

и площадь поверхности головы по формуле площади поверхности шара

S= 4 R²(27)

Итогом выполнения данного задания должен стать подсчет полной поверхности вашего тела. Так как измерения производились с очень невысокой степенью точности, ответ должен носить оценочный характер, то есть не превышать одного значащего знака после запятой.

На всякий случай напоминаем:

1 см = 0,01 м или 10^-2 м;

1 см²= 0,0001 м² или 10^-4 м²;

1 см³= 0,000001 м³ или 10^-6 м³.

Можно для измерения использовать в качестве модели только один цилиндр, высота которого равна высоте вашего роста. Какая модель вам покажется наиболее удобной и точной, ту и используйте.

Задание 2. Оцените силу давления атмосферы на ваше тело.

Так как нормальное атмосферное давление равно Р₀= 100 кПа = 10⁵ Па, то сила давления на всю поверхность вашего тела может быть рассчитана

F = P₀ S (28)

Сравните эту силу с силой тяжести какого либо известного вам живого или неживого объекта.

Задание 3. Оцените объем вашего тела.

Пользуясь уже выполненными измерениями и моделью вашего тела, определите объем каждой части по формулам:

объем цилиндра равен;

V = R² H (29)

объем шара равен;

V =4/3 R³(30)

А затем оцените полностью объем вашего тела в м³.

Если в качестве модели было использовано какое-то другое сочетание геометрических тел, подсчитайте объем соответствующими этим телам формулами.

Задание 4. Оцените плотность своего тела.

Зная массу своего тела и объем его, определите плотность, пользуясь формулой



= m/V (31)

Сравните полученное значение с плотностью воды. Может ли меняться плотность тела и, если может, то каким образом и от чего это зависит?

Задание 5. Оцените давление, которое вы оказываете на пол при ходьбе и в стоячем положении. Сравните это давление с давлением гусеничного трактора на грунт.

Для решения этой задачи вам потребуется площадь подошвы обуви, в которой вы ходите, и численное значение вашей массы. Площадь подошвы обуви легко подсчитать с помощью миллиметровой бумаги или бумаги в клеточку из школьной тетради. Для этого обведите контур подошвы обуви и подсчитайте количество квадратных сантиметров, заключенных внутри контура. Количество неполных клеточек сложите и поделите пополам, а затем переведите их в квадратные сантиметры. Погрешность такого измерения будет небольшой.

Чтобы рассчитать давление, необходимо силу тяжести разделить на площадь опоры: p = mg/S, где m - ваша масса в кг, g = 9,8 м/с², S - площадь опоры в м².

Учтите также, что, когда вы стоите, опорой являются две ноги, а при ходьбе та же сила тяжести приходится только на одну ногу и поэтому давление изменяется. Ответьте, как изменяется при этом давление: увеличивается или уменьшается?

Вычислив давление на пол, необходимо оценить, много это или мало. Для сравнения можно взять давление трактора на землю. Узнайте у взрослых примерную массу трактора и площадь опоры его гусениц. И оцените давление, которое оказывает на почву гусеничный трактор. А затем сравните с давлением, которое оказываете вы на пол при ходьбе.

Задание 6. Оцените, какая часть объема вашего тела будет находиться над водой при плавании в речной или в морской воде.

Для решения этой задачи вам понадобится значение плотности вашего тела, вычисленное ранее, при выполнении задания № 4. Записав условие равновесия тела при плавании

mg = F_в (32)

где F_в - выталкивающая сила, равная F_в= _жgV_п, найдите отношение объема подводной части V_п ко всему объему тела V_п/V. В этом случае вам понадобится плотность воды, которую вы сможете узнать из справочных таблиц в конце школьного задачника по физике или у своего учителя физики. А отношение объема надводной части тела ко всему объему равно (1 - V_н/V).



Заключение

Физическая задача в физике имеет очень важное значение: она применяется в качестве инструмента проверки знаний, она же является методическим средством обучения на уроке, задачи повышенного уровня сложности и творческие задачи используют как развивающий инструмент.

Экспериментальные задачи - задачи, которые, кроме того, составлены таким образом, что решить их, используя стандартный алгоритм сложно. Каждая из них уникальна и требует особого подхода при решении.

Гипотеза исследования, ставилась в начале нашего проекта: «Обучение решению экспериментальных физических задач будет способствовать целенаправленному и интенсивному формированию у учащихся исследовательских умений, а также повышению качества знаний учащихся по физике».

...