Эксперимент

Экспериментальные задачи

Цель этой публикации – привлечь внимание и учителей, и учащихся к одной из возможностей подготовки к централизованной проверке экспериментальных умений учащихся, которая ожидается в рамках ЕГЭ через 2–3 года. Назначение такой проверки – оценить уровень сформированности экспериментальных умений по физике выпускников общеобразовательных учреждений, изучавших школьный курс физики на профильном уровне. Это дополнительное испытание по выбору выпускника может быть использовано и для корректировки результатов итоговой аттестации. Специальные диагностические центры, оснащённые комплектами «ЕГЭ-лаборатория», уже создаются.

Сейчас формирование экспериментальных умений и навыков осуществляется в основном при выполнении фронтальных лабораторных работ, работ физического практикума, домашнего эксперимента, кратковременных фронтальных опытов. Но все эти виды деятельности не удовлетворяют требованиям времени, поскольку подробный инструктаж практически исключает учёт индивидуальных особенностей учащихся, а задания творческого характера практически отсутствуют. Чаще всего усложняется только содержание работ, сама же методика их постановки меняется мало.

При выполнении ряда лабораторных работ перед школьниками целесообразно ставить только задачу определения того или иного параметра системы, предоставляя необходимое оборудование. Можно предлагать различные наборы оборудования, чтобы учащийся выбрал свой путь решения, самостоятельно собрал экспериментальную установку, измерил необходимые физические величины, вычислил искомую величину по результатам эксперимента, представил результаты в виде таблиц и графиков, сделал выводы, объяснил теоретически результаты своих наблюдений и опытов.

Это способствовало бы развитию и поддержанию интереса к физике, более широкому вовлечению школьников в творческую деятельность, послужило бы хорошим средством сближения обучения с жизнью, формированию интеллектуальных и практических умений, развитию научного стиля мышления, конечно же, с учётом индивидуальных особенностей. Изучаемая в школе физика может при этом стать методом познания, а не «складом готовых знаний». Экспериментальные задачи вызывают, как правило, интерес у учащихся, т.к. сам процесс решения становится для них значимым.

Как показала практика, экспериментальные задачи вызывают интерес не только у старшеклассников, но и у учеников 7–9-го классов. Поэтому такие задания можно и нужно решать в основной школе. Приведём примеры.

 

Задача 1. С помощью стеклянной трубки, линейки и мензурки с водой определите атмосферное давление.

1-й способ. Закрываем верхний конец трубки и опускаем её в воду. Для двух состояний газа, до погружения и после погружения трубки в воду, справедливо уравнение

Поскольку Т₁ = Т₂, то p₁V₁ = p₂V₂. Учитывая, что V₁= Sl₁, V₂= Sl₂, получаем соотношение p₁l₁ = p₂l₂. Поскольку p₂ = p₁ + ρgh, то p₁l₁ = (p₁ + ρgh)l₂ ⇒

2-й способ. Трубку погружаем в воду, а затем, закрыв верхний конец, поднимаем. Для двух состояний газа справедливо уравнение p₁l₁ = (p₁ - ρgh)l₂, откуда

3-й способ. Заполняем водой резиновую трубку и, частично, воронку. Устанавливаем уровень воды в трубке на расстоя нии 30–40 см от её верхнего конца и на 5 см выше конца резиновой трубки. Закрываем плотно трубку пробкой и измеряем длину L воздушного столба в трубке. Опускаем воронку примерно на h = 1 м ниже её исходного положения. Измеряем L + Δl и h. Вычисляем атмосферное давление из уравнения Бойля–Мариотта по формуле

 

Задача 2. Определите начальную скорость, сообщаемую телу.

1-й комплект оборудования: линейка, небольшое тело.

Решение. Измеряем дальность полёта L тела с высоты h при горизонтальной начальной скорости; вычисляем скорость по формуле

2-й комплект оборудования: баллистический пистолет, секундомер, линейка.

Решение. Измеряем высоту полёта при движении тела по вертикали, вычисляем скорость по формуле

3-й комплект оборудования: теннисный мяч, секундомер.

Решение. Задание выполняется парами на спортивной площадке – измеряют времени полёта мяча по вертикали, вычисляют скорость по формуле υ = gt, где

 

Задача 3. Определите плотность тела.

3.1. Определите плотность тела правильной формы.

Оборудование: весы, линейка, тело правильной формы (например, апельсин).

Решение. С помощью линейки определяем параметры тела правильной формы, вычисляем объём, измеряем на весах массу тела и рассчитываем плотность по известной формуле.

3.2. Определите плотность деревянного бруска.

Оборудование: цилиндрический деревянный брусок, мензурка с водой, линейка.

Решение. Измеряем глубину погружения бруска h₁ в воду и высоту бруска h. Если брусок плавает, то действующие на него силы – сила тяжести и архимедова сила – равны, следовательно,

 

Задача 4. Определите плотность тела неправильной формы.

1-й комплект оборудования: сосуд с водой, мерный сосуд, тело неправильной формы, весы с разновесами.

Решение. Определяем объём вытесненной телом воды, измеряем массу тела, вычисляем плотность.

2-й комплект оборудования: тело неправильной формы, прочный стержень, линейка, штатив с муфтой и лапкой, сосуд с водой, прочная нить.

Решение. Находим центр масс стержня, уравновешивая его на опоре (лапке штатива), и измеряем расстояние l₀ от этого центра до одного из концов стержня (стержень не является абсолютно однородным). Подвешиваем к этому концу стержня тело на нити и добиваемся равновесия рычага на опоре. Условие равновесия: mgd₂ = Mgd₁, где m – масса стержня, d₂ – расстояние от центра масс стержня до опоры, M – масса тела, d₁ – расстояние от точки подвеса тела до опоры.

Отсюда масса тела равна а его объём

где ρ – плотность тела.

Погружаем тело в сосуд с водой полностью и вновь уравновешиваем стержень на опоре. Новое условие равновесия: mgd₄ = (mg – F_A)d₃ = (ρ – ρ_в)Vgd₃, где d₄ – расстояние от центра масс стержня до опоры, F_A – выталкивающая сила, d₃ – расстояние от точки подвеса тела до опоры, ρ_в – плотность воды.

С учётом (1) можно записать:

Окончательно получаем выражение для искомой плотности:

Опыт повторяем несколько раз, находим по формуле (2) плотность и оцениваем погрешность по упрощённой формуле:

 

Задача 5. Определите ускорение свободного падения.

1-й комплект оборудования: математический маятник, линейка (рулетка), секундомер.

Решение. Экспериментально измеряем период колебаний маятника и определяем ускорение свободного падения по формуле где l – длина нити маятника, T = t/N – период колебаний, N – количество полных колебаний за время t.

2-й комплект оборудования: неподвижный блок, грузы различной массы, штатив, упругая, нерастяжимая нить длиной 1,5 м, секундомер, рулетка.

Решение. Неподвижный блок укрепляем в лапке штатива. Массы грузов m₁ и m₂ выбираем самостоятельно. Определяем путь s, пройденный телом за время t после начала движения.

Рассчитываем ускорение по формуле

Определяем ускорение свободного падения по формуле

3-й комплект оборудования: линейка (1,5 м), секундомер, мяч для игры в настольный теннис.

Решение. Мяч отпускаем с высоты h на жёсткую поверхность (бетон, лист железа и т. п.), измеряем время t нескольких отскоков мяча и высоту h_n, на которую поднимается мяч после n-го отскока. Ускорение рассчитываем по формуле где k = h_n/h – коэффициент отражения.

КОММЕНТАРИЙ РЕДАКЦИИ. Формула для g дана без вывода. У нас получилось:

Ирина Валентиновна Буркова окончила БГПИ в 1991 г., педагогический стаж 17 лет. До 1998 г. работала в школе № 20 г. Алмалык Ташкентской области учителем физики, с 1998 г. работает в БГПИ в должности старшего преподавателя.