Спецвыпуск

Научно-исследовательская работа с учащимися

··· Нижегородский выпуск № 2 ···

Л.А.МАНАЧИНСКАЯ,
МОУ лицей № 3, г. Саров, Нижегородская обл.

manachinskaja07@mail.ru

Научно-исследовательская работа с учащимися

Есть известное утверждение, что ничему нельзя научить – можно только научиться. Научиться на школьной скамье можно под руководством учителя, роль которого в идеальном случае сводится к организации самостоятельной работы учащихся, направленной на поиск истины разрешения учебных проблем. Учитель общается с учащимися не только на уроках и спецкурсах – школьники участвуют в Сахаровских и Харитоновских чтениях, готовятся к проведению нетрадиционных уроков, к олимпиадам, турнирам по физике, выставкам технического творчества. Это способствует возникновению желания решать нетрадиционные задачи, т.е. проводить всевозможные исследования.

Конечно, цель исследования планируется, но в ходе решения исследовательской задачи ученик наиболее глубоко проникает в суть, когда на фоне основного физического явления наблюдается масса других, побочных, которые меняют картину протекающих процессов. Именно тогда между учеником и учителем возникает сотрудничество в высшем его проявлении.

Исследовательская работа доступна школьникам любого возраста. Непременным условием её проведения является руководящая роль учителя, заинтересованного результатами работы и увлечённого ею. Выбрать тему работы часто помогает изучение публикаций в методической и физико-математической литературе. Работа начинается с повторения традиционных, уже описанных опытов. Обязательным условием исследовательской работы школьника является элемент новизны, это требует творческого подхода к работе. Элемент новизны никогда не просматривается в начале работы, а зарождается в её процессе. По этой причине конечный результат работы не виден в начале, и успех работы невозможно предусмотреть.

Исследовательские элементы появляются, как правило, в ходе эксперимента, когда возникает необходимость изменить условия опыта. Кроме того, появляются и принципиально новые варианты опыта. Накопленные результаты просматриваются, выстраиваются в логической последовательности, анализируются, делаются выводы, – работу на данном этапе можно считать завершённой. При этом отдельные результаты могут явиться материалом для более глубоких исследований и вырасти в самостоятельную исследовательскую работу.

Рассмотрим процесс научных исследований на примере работы «Электронный электроскоп и опыты с ним», выполненной Мурзиной Александрой, ученицей 11-го класса. Эта работа заняла 1-е место на международных Харитоновских чтениях в 2007 г.

В № 10 (2000 г.) сборника «Проблемы учебного физического эксперимента» мы прочитали статью А.Н.Грибкова «Некоторые демонстрации по электростатике с использованием электронного электроскопа со световой индикацией» (рис. 1).

Рис. 1. Схема электронного электроскопа с цифровой индикацией

В качестве элемента, чувствительного к постоянному электрическому полю, использовался полевой транзистор VT1 (КП305) с изолированным затвором и встроенным каналом, который включался в мост постоянного тока. Плечами моста являлись собственно канал транзистора VT1 и резисторы R1, R2, R3. Поскольку сопротивление канала зависит от величины электрического поля на затворе, то при поднесении транзистора к заряженному телу мост разбалансировался. Индикация наличия заряда и его знака осуществлялась светодиодами разного цвета VD1 и VD2. Резистор R1 служил для начальной балансировки моста.

Однако такой электроскоп не позволял оценить величину заряда. Начальник научно-исследовательского сектора ВНИИЭФ В.В.Якшин подсказал идею усовершенствования прибора – заменить световой индикатор стрелочным (рис. 2). Он же помог нам изготовить прибор (рис. 3).

Рис. 2. Схема электронного электроскопа с цифровой индикацией

Рис. 3. Внешний вид электроскопа

Далее началась наша самостоятельная работа с прибором с традиционных опытов по электростатике.

Опыт 1. Оценка чувствительности прибора. Электронный электроскоп оказался на порядок чувствительнее обычного. Чувствительность прибора можно было менять с помощью регулятора – переменного резистора (150 кОм).

Опыт 2. Определение знака заряда различных тел. Оказалось, что все тела, нас окружающие, в той или иной степени наэлектризованы преимущественно зарядом «+». В сухом тёплом воздухе степень электризации выше.

Другие опыты:

– электризация тел при их освещении (рис. 4);

– электризация через влияние в проводниках (рис. 5);

– электризация человеческого тела;

– исследование электрического поля бесконечной заряженной плоскости, двух параллельных заряженных плоскостей (рис. 6) и т.д.

Рис. 5. Электризация через влияние. Распределение «+» и «–» зарядов можно обнаружить, поднося чувствительный элемент электроскопа к разным частям установки

Рис. 6. Исследование поля плоского конденсатора

Можно ли оценить с помощью электроскопа величину заряда? Ответ пришёл при наблюдении электризации мыльных пузырей. Если пузырь не заряжен, то под действием сил поверхностного натяжения он быстро сжимался. Но если его зарядить, он становился устойчивым. Для зарядки пузыря к трубочке для коктейля, через которую пузырь надувался, подсоединили конец провода, другой конец которого соединяли с «+» или «–» источника высокого напряжения. Нижний конец трубочки обернули металлической фольгой, чтобы обеспечить хорошую проводимость. Провод взяли длинный и экранированный, чтобы его собственный заряд и заряд источника не вносили большую погрешность в измерения. Опытным путём подбирали такие размеры пузыря, чтобы он был устойчив (рис. 7).

Рис. 7. Опыт с мыльным пузырём

Силу электростатического взаимодействия F_эл-ст определяли, рассуждая так. Давление в пузыре равно атмосферному, т.к. пузырь открыт в атмосферу. Из его устойчивости следует, что F_{пов.нат} = F_эл-ст. Задача сводится к нахождению этих сил.

Сила поверхностного натяжения, действующая на единицу поверхности пузыря:  

где – коэффициент поверхностного натяжения, R – радиус пузыря. Состав мыльного раствора подбирали экспериментально. Самый надёжный: 4 столовые ложки глицерина, 4 столовые ложки «Фэйри», 250 мл дистиллированной воды. Коэффициент поверхностного натяжения раствора (0,037 Н/м) нашли известным методом отрыва скобы.

Давление, создаваемое силой электростатического взаимодействия равно,

где S – площадь сферы; q – заряд пузыря, E – напряжённость электрического поля внутри пузыря; – поверхностная плотность заряда.

Так как 

Мы рассматриваем силу, действующую на единицу поверхности, т.е. численно

Поскольку

Радиус пузыря измеряли (примерно) линейкой и по формуле рассчитывали заряд (q 0,16 мкКл). Зная его, мы проградуировали шкалу электроскопа (этот способ градуировки был признан жюри Харитоновских чтений оригинальным) и получили цену деления (при минимальной чувствительности): 0,032 мкКл. Затем с помощью проградуированного электрометра мы оценили величину заряда эбонитовой палочки (q 1,2 мкКл) и заряженного от неё султана из фольги (q 0,21 мкКл).

Исследования возможны не только с использованием специального оборудования. Например, при исследовании свойств переохлаждённой воды было замечено, что замёрзшая вода выглядит по-разному в зависимости от того, в каком месте морозильной камеры стоял сосуд. Это обстоятельство послужило поводом для новых исследований. Вода начинает замерзать в том месте сосуда, где её температура самая низкая, – там и начинается кристаллизация. Помещая сосуд в верхнюю, нижнюю или центральную часть камеры, мы изменяли местоположение центра кристаллизации и получали разный вид кристаллов льда. Воду брали дистиллированную.

Таким образом, каждый эксперимент, даже самый обычный, открывает возможности для интересных исследований.

Людмила Александровна Маначинская – учитель физики высшей квалификационной категории, отличник народного просвещения, окончила Ленинградский ГПИ в 1971 г., педагогический стаж 35 лет. По распределению приехала в г. Арзамас-16 и работала учителем физики в школах города, а в последние 9 лет – в ФМЛ № 3. Каждый год её ученики участвуют в международных Харитоновских чтениях и других конференциях российского и международного уровней, олимпиадах и занимают призовые места. Ведёт внеклассную исследовательскую работу с учащимися. Семья – муж, сын, невестка, внук. Хобби – цветоводство.