Элективный курс: "Практическая и экспериментальная физика". Примеры решения и оформления экспериментальных задач по физике

Дата: 29.09.2019

Домашние экспериментальные задания

Задание 1.

Возьмите длинную тяжелую книгу, перевяжите ее тонкой ниткой и

прикрепите к нитке резиновую нить длиной 20 см.

Положите книгу на стол и очень медленно начинайте тянуть за конец

резиновой нити. Попытайтесь измерить длину растянувшейся резиновой нити в

момент начала скольжения книги.

Измерьте длину растянувшейся нитки при равномерном движении книги.

Положите под книгу две тонкие цилиндрические ручки (или два

цилиндрических карандаша) и так же тяните за конец нити. Измерьте длину

растянувшейся нити при равномерном движении книги на катках.

Сравните три полученных результата и сделайте выводы.

Примечание. Следующее задание является разновидностью предыдущего. Оно

так же направлено на сравнение трения покоя, трения скольжения и трения

Задание 2.

Положите на книгу шестигранный карандаш параллельно ее корешку.

Медленно поднимайте верхний край книги до тех пор, пока карандаш не начнет

скользить вниз. Чуть уменьшите наклон книги и закрепите ее в таком

положении, подложив под нее что-нибудь. Теперь карандаш, если его снова

положить на книгу, съезжать не будет. Его удерживает на месте сила трения -

сила трения покоя. Но стоит эту силу чуть ослабить - а для этого достаточно

щелкнуть пальцем по книге, - и карандаш поползет вниз, пока не упадет на

стол. (Тот же опыт можно проделать, например, с пеналом, спичечным

коробком, ластиком и т.п.)

Подумайте, почему гвоздь легче вытащить из доски, если вращать его

вокруг оси?

Чтобы толстую книгу передвинуть по столу одним пальцем, надо приложить

некоторое усилие. А если под книгу положить два круглых карандаша или

ручки, которые будут в данном случае роликовыми подшипниками, книга легко

передвинется от слабого толчка мизинцем.

Проделайте опыты и сделайте сравнение силы трения покоя, силы трения

скольжения и силы трения качения.

Задание 3.

На этом опыте можно наблюдать сразу два явления: инерцию, опыты с

Возьмите два яйца: одно сырое, а другое сваренное вкрутую. Закрутите

оба яйца на большой тарелке. Вы видите, что вареное яйцо ведет себя иначе,

чем сырое: оно вращается значительно быстрее.

В вареном яйце белок и желток жестко связаны со своей скорлупой и

между собой т.к. находятся в твердом состоянии. А когда мы раскручиваем

сырое яйцо, то мы раскручиваем сначала лишь скорлупу, только потом, за счет

трения, слой за слоем вращение передается белку и желтку. Таким образом,

жидкие белок и желток своим трением между слоями тормозят вращение

скорлупы.

Примечание. Вместо сырого и вареного яиц можно закрутить две кастрюли,

в одной изкоторых вода, а в другой находится столько же по объему крупы.

Центр тяжести. Задание 1.

Возьмите два граненых карандаша и держите их перед собой параллельно,

положив на них линейку. Начните сближать карандаши. Сближение будет

происходить поочередными движениями: то один карандаш движется, тот другой.

Даже если вы захотите вмешаться в их движение, у вас ничего не получится.

Они все равно будут двигаться по очереди.

Как только на одном карандаше давление стало больше и трение настолько

второй карандаш может теперь двигаться под линейкой. Но через некоторое

время давление и над ним становится больше, чем над первым карандашом, и из-

за увеличения трения он останавливается. А теперь может двигаться первый

карандаш. Так, двигаясь по очереди, карандаши встретятся на самой середине

линейки у ее центра тяжести. В этом легко убедится по делениям линейки.

Этот опыт можно проделать и с палкой, держа ее на вытянутых пальцах.

Сдвигая пальцы, вы заметите, что они, тоже двигаясь поочередно, встретятся

под самой серединой палки. Правда, это лишь частный случай. Попробуйте

проделать то же самое с обычной половой щеткой, лопатой или граблями. Вы

увидите, что пальцы встретятся не на середине палки. Попытайтесь объяснить,

почему так происходит.

Задание 2.

Это старинный, очень наглядный опыт. Перочинный нож (складной) у вас,

наверное, карандаш тоже. Заточите карандаш, чтобы у него был острый конец,

и немного выше конца воткните полураскрытый перочинный нож. Поставьте

острие карандаша на указательный палец. Найдите такое положение

полураскрытого ножа на карандаше, при котором карандаш будет стоять на

пальце, слегка покачиваясь.

Теперь вопрос: где находится центр тяжести карандаша и перочинного

Задание 3.

Определите положение центра тяжести спички с головкой и без головки.

Поставьте на стол спичечный коробок на длинную узкую его грань и

положите на коробок спичку без головки. Эта спичка будет служить опорой для

другой спички. Возьмите спичку с головкой и уравновесьте ее на опоре так,

чтобы она лежала горизонтально. Ручкой отметьте положение центра тяжести

спички с головкой.

Соскоблите головку со спички и положите спичку на опору так, чтобы

отмеченная вами чернильная точка лежала на опоре. Это теперь вам не

удастся: спичка не будет лежать горизонтально, так как центр тяжести спички

переместился. Определите положение нового центра тяжести и заметьте, в

какую сторону он переместился. Отметьте ручкой центр тяжести спички без

Спичку с двумя точками принесите в класс.

Задание 4.

Определите положение центра тяжести плоской фигуры.

Вырежьте из картона фигуру произвольной (какой-либо причудливой) формы

и проколите в разных произвольных местах несколько отверстий (лучше, если

они будут расположены ближе к краям фигуры, это увеличит точность). Вбейте

в вертикальную стену или стойку маленький гвоздик без шляпки или иглу и

повесьте на него фигуру через любое отверстие. Обрати внимание: фигура

должна свободно качаться на гвоздике.

Возьмите отвес, состоящий из тонкой нити и груза, и перекиньте его

нить через гвоздик, чтобы он указывал вертикальное направление не

подвешенной фигуре. Отметьте на фигуре карандашом вертикальное направление

Снимите фигуру, повесьте ее за любое другое отверстие и снова при

помощи отвеса и карандаша отметьте на ней вертикальное направление нити.

Точка пересечения вертикальных линий укажет положение центра тяжести

данной фигуры.

Пропустите через найденный вами центр тяжести нить, на конце которой

сделан узелок, и подвесьте фигуру на этой нити. Фигура должна держаться

почти горизонтально. Чем точнее проделан опыт, тем горизонтальнее будет

держаться фигура.

Задание 5.

Определите центр тяжести обруча.

Возьмите небольшой обруч (например, пяльцы) или сделайте кольцо из

гибкого прутика, из узкой полоски фанеры или жесткого картона. Подвесьте

его на гвоздик и из точки привешивания опустите отвес. Когда нить отвеса

успокоится, отметьте на обруче точки ее прикосновения к обручу и между

этими точками натяните и закрепите кусок тонкой проволоки или лески

(натягивать надо достаточно сильно, но не настолько чтобы обруч менял свою

Подвесьте обруч на гвоздик за любую другую точку и проделайте то же

самое. Точка пересечения проволок или лесок и будет центром тяжести обруча.

Заметьте: центр тяжести обруча лежит вне вещества тела.

К месту пересечения проволок или лесок привяжите нить и подвесьте на

ней обруч. Обруч будет находится в безразличном равновесии, так как центр

тяжести обруча и точка его опоры (подвеса) совпадают.

Задание 6.

Вы знаете, что устойчивость тела зависит от положения центра тяжести и

от величины площади опоры: чем ниже центр тяжести и больше площадь опоры,

тем тело устойчивее.

Помня это, возьмите брусок или пустой коробок от спичек и, ставя его

поочередно на бумагу в клеточку на самую широкую, на среднюю и на самую

меньшую грань, обводите каждый раз карандашом, чтобы получить три разных

площади опоры. Подсчитайте размеры каждой площади в квадратных сантиметрах

и проставьте их на бумаге.

Измерьте и запишите высоту положения центра тяжести коробка для всех

трех случаев (центр тяжести спичечного коробка лежит на пересечении

диагоналей). Сделайте вывод, при каком положении коробок является наиболее

устойчивым.

Задание 7.

Сядьте на стул. Ноги поставьте вертикально, не подсовывая их под

сиденье. Сидите совершенно прямо. Попробуйте встать, не нагибаясь вперед,

не вытягивая руки вперед и не сдвигая ноги под сиденье. У вас ничего не

получится - встать не удастся. Ваш центр тяжести, который находится где-то

в середине вашего тела, не даст вам встать.

Какое же условие надо выполнить, чтобы встать? Надо наклониться вперед

или поджать под сиденье ноги. Вставая, мы всегда проделываем и то и другое.

При этом вертикальная линия, проходящая через ваш центр тяжести, должна

обязательно пройти хотя бы через одну из ступней ваших ног или между ними.

Тогда равновесие вашего тела окажется достаточно устойчивым, вы легко

сможете встать.

Ну, а теперь попробуйте встать, взяв в руки гантели или утюг. Вытяните

руки вперед. Возможно, удастся встать, не наклоняясь и не подгибая ноги под

Инерция. Задание 1.

Положите на стакан почтовую открытку, а на открытку положите монету

или шашку так, чтобы монета находилась над стаканом. Ударьте по открытке

щелчком. Открытка должна вылететь, а монета (шашка) упасть в стакан.

Задание 2.

Положите на стол двойной лист бумаги из тетради. На одну половину

листа положите стопку книг высотой не ниже 25см.

Слегка приподняв над уровнем стола вторую половину листа обеими

руками, стремительно дерните лист к себе. Лист должен освободиться из-под

книг, а книги должны остаться на месте.

Снова положите на лист книги и тяните его теперь очень медленно. Книги

будут двигаться вместе с листом.

Задание 3.

Возьмите молоток, привяжите к нему тонкую нить, но чтобы она

выдерживала тяжесть молотка. Если одна нитка не выдерживает, возьмите две

нитки. Медленно поднимите молоток вверх за нитку. Молоток будет висеть на

нитке. А если вы захотите его снова поднять, но уже не медленно, а быстрым

рывком, нитка оборвется (предусмотрите, чтобы молоток, падая, не разбил

ничего под собой). Инертность молотка настолько велика, что нитка не

выдержала. Молоток не успел быстро последовать за вашей рукой, остался на месте, и нить порвалась.

Задание 4.

Возьмите небольшой шарик из дерева, пластмассы или стекла. Сделайте из

плотной бумаги желобок, положите в него шарик. Быстро двигайте по столу

желобок, а затем внезапно его остановите. Шарик по инерции продолжит

движение и покатится, выскочив из желобка.

Проверьте, куда покатится шарик, если:

а) очень быстро потянуть желоб и резко остановить его;

б) тянуть желоб медленно и резко остановить.

Задание 5.

Разрежьте яблоко пополам, но не до самого конца, и оставьте его висеть

Теперь ударьте тупой стороной ножа с висящим сверху на нем яблоком по

чему-нибудь твердому, например по молотку. Яблоко, продолжая движение по

инерции, окажется перерезанным и распадется на две половинки.

То же самое получается, когда колют дрова: если не удалось

расколоть чурбак, его обычно переворачивают и что есть сил, ударяют обухом

топора о твердую опору. Чурбак, продолжая двигаться по инерции,

насаживается глубже на топор и раскалывается надвое.

Физике»

У читель физики :

Горшенёва Наталья Ивановна

2011 г
Роль эксперимента в обучении физике.

Уже в определении физики как науки заложено сочетание в ней как теоретической, так и практической частей. Очень важно, чтобы в процессе обучения физике учитель смог как можно полнее продемонстрировать своим ученикам взаимосвязь этих частей. Ведь когда учащиеся почувствуют эту взаимосвязь, то они смогут многим процессам, происходящим вокруг них в быту, в природе, дать верное теоретическое объяснение.

Без эксперимента нет, и не может быть рационального обучения физике; одно словесное обучение физике неизбежно приводит к формализму и механическому заучиванию. Первые мысли учителя должны быть направлены на то, чтобы учащийся видел опыт и проделывал его сам, видел прибор в руках преподавателя и держал его в своих собственных руках.

Учебный эксперимент - это средство обучения в виде специально организованных и проводимых учителем и учеником опытов.

Цели учебного эксперимента:

Решение основных учебно – воспитательных задач;
Формирование и развитие познавательной и мыслительной деятельности;
Политехническая подготовка;
Формирование мировоззрения учащихся.

Функции эксперимента:

Познавательная (осваиваются основы наук на практике);
Воспитывающая (формирование научного мировоззрения);
Развивающая (развивает мышление и навыки).

Виды физических экспериментов .

Какие формы обучения практического характера можно предложить в дополнение к рассказу преподавателя? В первую очередь , конечно, это наблюдение учениками за демонстрацией опытов, проводимых учителем в классе при объяснении нового материала или при повторении пройденного, так же можно предложить опыты, проводимые самими учащимися в классе во время уроков в процессе фронтальной лабораторной работы под непосредственным наблюдением учителя. Еще можно предложить: 1)опыты, проводимые самими учащимися в классе во время физического практикума; 2)опыты-демонстрации, проводимые учащимися при ответах; 3)опыты, проводимые учащимися вне школы по домашним заданиям учителя; 4)наблюдения кратковременных и длительных явлений природы, техники и быта, проводимые учащимися на дому по особым заданиям учителя.

Что можно сказать о приведенных выше формах обучения?

Демонстрационный эксперимент является одной из составляющих учебного физического эксперимента и представляет собой воспроизведение физических явлений учителем на демонстрационном столе с помощью специальных приборов. Он относится к иллюстративным эмпирическим методам обучения. Роль демонстрационного эксперимента в обучении определяется той ролью, которую эксперимент играет в физике-науке как источник знаний и критерий их истинности, и его возможностями для организации учебно-познавательной деятельности учащихся.

Значение демонстрационного физического эксперимента заключается в том, что:

Учащиеся знакомятся с экспериментальным методом познания в физике, с ролью эксперимента в физических исследованиях (в итоге у них формируется научное мировоззрение);

У учащихся формируются некоторые экспериментальные умения: наблюдать явления, выдвигать гипотезы, планировать эксперимент, анализировать результаты , устанавливать зависимости между величинами, делать выводы и т.п.

Демонстрационный эксперимент, являясь средством наглядности, способствует организации восприятия учащимися учебного материала, его пониманию и запоминанию; позволяет осуществить политехническое обучение учащихся; способствует повышению интереса к изучению физике и созданию мотивации учения. Но при проведении учителем демонстрационного эксперимента основную деятельность выполняют сам учитель и, в лучшем случае, один - два ученика, остальные учащиеся только пассивно наблюдают за опытом, проводимым учителем, сами при этом ничего не делают собственными руками. Следовательно, необходимо наличие самостоятельного эксперимента учащихся по физике.

Лабораторные занятия.

При обучении физике в средней школе экспериментальные умения формируются, когда они сами собирают установки, проводят измерения физических величин, выполняют опыты. Лабораторные занятия вызывают у учащихся очень большой интерес, что вполне естественно, так как при этом происходит познание учеником окружающего мира на основе собственного опыта и собственных ощущений.

Значение лабораторных занятий по физике заключается в том, что у учащихся формируются представления о роли и месте эксперимента в познании. При выполнении опытов у учащихся формируются экспериментальные умения, которые включают в себя как интеллектуальные умения, так и практические. К первой группе относятся умения: определять цель эксперимента, выдвигать гипотезы, подбирать приборы, планировать эксперимент, вычислять погрешности, анализировать результаты, оформлять отчет о проделанной работе . Ко второй группе относятся умения: собирать экспериментальную установку, наблюдать, измерять, экспериментировать.

Кроме того, значение лабораторного эксперимента заключается в том, что при его выполнении у учащихся вырабатываются такие важные личностные качества, как аккуратность в работе приборами; соблюдение чистоты и порядка на рабочем месте, в записях, которые делаются во время эксперимента, организованность, настойчивость в получении результата. У них формируется определенная культура умственного и физического труда.

В практике обучения физике в школе сложились три вида лабораторных занятий:

Фронтальные лабораторные работы по физике;

Физический практикум;

Домашние экспериментальные работы по физике.

Выполнение самостоятельных лабораторных работ.

Фронтальные лабораторные работы - это такой вид практических работ, когда все учащиеся класса одновременно выполняют однотипный эксперимент, используя одинаковое оборудование. Фронтальные лабораторные работы выполняются чаще всего группой учащихся, состоящей из двух человек, иногда имеется возможность организовать индивидуальную работу. Тут возникает сложность: не всегда в школьном кабинете физики есть достаточное количество комплектов приборов и оборудования для проведения таких работ. Старое оборудование приходит в негодность, а, к сожалению, не все школы могут позволить себе закупку нового. Да и от ограничения по времени никуда не денешься. А если у одной из бригад что-то не получается, не работает какой-то прибор или чего-либо не хватает, тогда они начинают просить о помощи учителя , отвлекая других от выполнения лабораторной работы.

В 9-11 классах проводится физический практикум.

Физический практикум проводится с целью повторения, углубления, расширения и обобщения полученных знаний из разных тем курса физики; развития и совершенствования у учащихся экспериментальных умений путем использования более сложного оборудования, более сложного эксперимента; формирования у них самостоятельности при решении задач, связанных с экспериментом. Проводится физический практикум, как правило, в конце учебного года, иногда - в конце первого и второго полугодий и включает серию опытов по той или иной теме. Работы физического практикума учащиеся выполняют в группе из 2-4 человек на различном оборудовании; на следующих занятиях происходит смена работ, что делается по специально составленному графику. Составляя график, учитывают число учащихся в классе, число работ практикума, наличие оборудования. На каждую работу физического практикума отводятся два учебных часа, что требует введения в расписание сдвоенных уроков по физике. Это представляет затруднения. По этой причине и из-за недостатка необходимого оборудования практикуют одночасовые работы физического практикума. Следует отметить, что предпочтительными являются двухчасовые работы, поскольку работы практикума сложнее, чем фронтальные лабораторные работы, выполняются они на более сложном оборудовании, причем доля самостоятельного участия учеников значительно больше, чем в случае фронтальных лабораторных работ.

К каждой работе учитель должен составить инструкцию, которая должна содержать: название, цель, список приборов и оборудования, краткую теорию, описание неизвестных учащимся приборов, план выполнения работы. После проведения работы учащиеся должны сдать отчет, который должен содержать: название работы, цель работы, список приборов, схему или рисунок установки, план выполнения работы, таблицу результатов, формулы, по которым вычислялись значения величин, вычисления погрешностей измерений, выводы. При оценке работы учащихся в практикуме следует учитывать их подготовку к работе, отчет о работе, уровень сформированности умений, понимание теоретического материала, используемых методов экспериментального исследования.

А что будет, если учитель предложит ученикам выполнить опыт или провести наблюдение вне школы, то есть дома или на улице? опыты, задаваемые на дом, должны не требовать применения каких-либо приборов и существенных материальных затрат. Это должны быть опыты с водой, воздухом, с предметами которые есть в каждом доме. Кто-то может усомниться в научной ценности таких опытов, конечно, она там минимальна. Но разве плохо, если ребенок сам может проверить открытый за много лет до него закон или явление? Для человечества пользы никакой, но какова она для ребенка! Опыт - задание творческое, делая что-либо самостоятельно, ученик, хочет он этого или нет, а задумается: как проще провести опыт, где встречался он с подобным явлением на практике, где еще может быть полезно данное явление. Здесь надо заметить то, чтобы дети научились отличать физические опыты от всяческих фокусов, не путать одно с другим.

Домашние экспериментальные работы. Домашние лабораторные работы - простейший самостоятельный эксперимент, который выполняется учащимися дома, вне школы, без непосредственного контроля со стороны учителя за ходом работы.

Главные задачи экспериментальных работ этого вида:

Формирование умения наблюдать физические явления в природе и в быту;

Формирование умения выполнять измерения с помощью измерительных средств, использующихся в быту;

Формирование интереса к эксперименту и к изучению физики;

Формирование самостоятельности и активности.

Домашние лабораторные работы могут быть классифицированы в зависимости от используемого при их выполнении оборудования:

Работы, в которых используются предметы домашнего обихода и подручные материалы (мерный стакан, рулетка, бытовые весы и т.п.);

Работы, в которых используются самодельные приборы (рычажные весы, электроскоп и др.);

Что необходимо ребенку, чтобы провести опыт дома? В первую очередь, наверное, это достаточно подробное описание опыта, с указанием необходимых предметов, где в доступной для ребенка форме сказано, что надо делать, на что обратить внимание. Кроме того, учитель обязан провести подробный инструктаж.

Требования, предъявляемые к домашним экспериментам. Прежде всего, это, конечно, безопасность. Так как опыт проводится учеником дома самостоятельно, без непосредственного контроля учителя, то в опыте не должно быть никаких химических веществ и предметов, имеющих угрозу для здоровья ребенка и его домашнего окружения. Опыт не должен требовать от ученика каких-либо существенных материальных затрат, при проведении опыта должны использоваться предметы и вещества, которые есть практически в каждом доме: посуда, банки, бутылки, вода, соль и так далее. Выполняемый дома школьниками эксперимент должен быть простым по выполнению и оборудованию, но, в то же время, являться ценным в деле изучения и понимания физики в детском возрасте, быть интересным по содержанию. Так как учитель не имеет возможности непосредственно контролировать выполняемый учащимися дома опыт, то результаты опыта должны быть соответствующим образом оформлены (примерно так, как это делается при выполнении фронтальных лабораторных работ). Результаты опыта, проведенного учениками дома, следует обязательно обсудить и проанализировать на уроке. Работы учащихся не должны быть слепым подражанием установившимся шаблонам, они должны заключать в себе широчайшее проявление собственной инициативы, творчества, исканий нового. На основе вышесказанного кратко сформулируем предъявляемые к домашним экспериментальным заданиям требования :

Безопасность при проведении;

Минимальные материальные затраты;

Простота по выполнению;

Легкость последующего контроля учителем;

Наличие творческой окраски.
Домашний эксперимент можно задавать после прохождения темы в классе. Тогда ученики увидят собственными глазами и убедятся в справедливости изученного теоретически закона или явления. При этом полученные теоретически и проверенные на практике знания достаточно прочно отложатся в их сознании.

А можно и наоборот, задать задание на дом, а после выполнения провести объяснение явления. Таким образом, можно создать у учащихся проблемную ситуацию и перейти к проблемному обучению, которое непроизвольно рождает у учащихся познавательный интерес к изучаемому материалу, обеспечивает познавательную активность учащихся в ходе обучения, ведет к развитию творческого мышления учеников. В таком случае, даже если школьники не смогут объяснить увиденное дома на опыте явление сами, то они будут с интересом слушать рассказ преподавателя.

Этапы проведения эксперимента:

Обоснование постановки эксперимента.
Планирование и проведение эксперимента.
Оценка полученного результата.

Любой эксперимент должен начинаться с гипотезы, а заканчиваться выводом.

Формулировка и обоснование гипотезы, которую можно положить в основу эксперимента.
Определение цели эксперимента.
Выяснение условий, необходимых для достижения поставленной цели эксперимента.
Планирование эксперимента, включающего ответ на вопросы:
- какие наблюдение провести
- какие величины измерить
- приборы и материалы, необходимые для проведения опытов
- ход опытов и последовательность их выполнения
- выбор формы записи результатов эксперимента
Отбор необходимых приборов и материалов
Сбор установки.
Проведение опыта, сопровождаемое наблюдениями, измерениями и записью их результатов
Математическая обработка результатов измерений
Анализ результатов эксперимента, формулировка выводов

Общую структуру физического эксперимента можно представить в виде:

Проводя любой эксперимент, необходимо помнить о требованиях, предъявляемых к эксперименту.

Требования к эксперименту:

Наглядность;
Кратковременность;
Убедительность, доступность, достоверность;
Безопасность.

Кроме вышеперечисленных видов экспериментов, существуют мысленные, виртуальные эксперименты (см. Приложение), которые проводятся в виртуальных лабораториях и имеют большое значение в случае отсутствия оборудования.

Психологи отмечают, что сложный зрительный материал запоминается лучше, чем его описание. Поэтому демонстрация опытов запечатлевается лучше, чем рассказ учителя о физическом опыте.

Школа -это самая удивительная лаборатория, потому что в ней создается будущее! И какое оно будет, зависит от нас, учителей!

Я считаю, что если учитель в преподавании физики пользуется экспериментальным методом, при котором учащиеся систематически включаются в поиски путей решения вопросов и задач, то можно ожидать, что результатом обучения будет развитие разностороннего, оригинального, не скованного узкими рамками мышления. А - это путь к развитию высокой интеллектуальной активности обучаемых.

Приложение.
Классификация видов экспериментов .
Полевой

(экскурсии)

Домашний

Школьный

Мысленный

Реальный

Виртуальный

В зависимости от количества и размеров

Лаборатор
Практичес
демонстрационные

По месту проведения

По способу проведения

В зависимости от субъекта

Эксперимент

)

преподаватель физики
ГАОУ НПО Профессиональное училище №3 г.Бузулук

Pedsovet.su – тысячи материалов для ежедневной работы учителя

Опытно-экспериментальная работа по развитию умения учащихся профессиональных училищ решать задачи по физике.

Решение задач является одним из основных способов развития мышления учащихся, а также закрепления их знаний. Поэтому проанализировав сложившуюся ситуацию, когда некоторые учащиеся не могли решить даже элементарную задачу, не только из-за проблем с физикой, но и с математикой. Моя задача состояла из математической стороны и физической.

В своей работе по преодолению математических затруднений учащихся я использовала опыт учителей Н.И. Одинцовой (г.Москва, Московский педагогический государственный университет) и Е.Е. Яковец(г.Москва, средняя школа №873) с коррекционными карточками. Карточки составлены по образцу карточек, используемых в курсе математики, но ориентированы на курс физики. Карточки сделаны по всем вопросам курса математики, вызывающим трудности у учащихся на уроках физики(«Перевод единиц измерения», «Использование свойств степени с целым показателем», «Выражение величины из формулы» и др.)

Коррекционные карточки имеют сходные структуры:

правило→ образец→ задание

определение, действия→ образец→ задание

действия → образец→ задание

Коррекционные карточки применяются в следующих случаях:

Для подготовки к контрольной работе и как материал для самостоятельных занятий.

Учащиеся на уроке или дополнительном занятии по физике перед контрольной работой, зная свои пробелы по математике, могут получить конкретную карточку по слабо усвоенному математическому вопросу, позаниматься и устранить пробел.

Для работы над математическими ошибками, допущенными в контрольной.

После проверки контрольной работы педагог анализирует математические затруднения учащихся и обращает их внимание на допущенные ошибки, которые они ликвидируют на уроке либо на дополнительном занятии.

Для работы с учащимися по подготовке к ЕГЭ и различным олимпиадам.

При изучении очередного физического закона, и в конце изучения небольшой главы или раздела предлагаю учащимся первый раз совместно, а затем самостоятельно(домашнее задание) заполнить таблицу№2. При этом даю пояснение, что такие таблицы помогут нам при решении задач.

Таблица № 2

Наименование

физической величины

С этой целью на первом уроке по решению задач показываю учащимся на конкретном примере как пользоваться этой таблицей. И предлагаю алгоритм решения элементарных физических задач.

Установить, какая величина неизвестна в задаче.

Пользуясь таблице №1, выяснить обозначение, единицы измерения величины, а также математический закон, связывающий неизвестную величину и заданные в задаче величины.

Проверить полноту данных, необходимых для решения задачи. При их недостатке, использовать соответствующие значения из справочной таблицы.

Оформить краткую запись, аналитическое решение и численный ответ задачи в общепринятых обозначениях.

Обращаю внимание учащихся, что алгоритм достаточно прост и универсален. Он может применяться к решению элементарной задачи практически из любого раздела школьной физики. Позднее элементарные задачи будут входить как вспомогательные в задачи более высокого уровня.

Таких алгоритмов решения задач по конкретным темам достаточно много, но запомнить их все практически невозможно, поэтому целесообразнее научить учащихся не методам решения отдельных задач, а методу поиска их решения.

Процесс решения задачи заключается в постепенном соотнесении условия задачи с её требованием. Начиная изучать физику, учащиеся не имеют опыта решения физических задач, но некоторые элементы процесса решения задач по математике могут быть перенесены на решение задач по физике. Процесс обучения учащихся умению решать физические задачи основывается на сознательном формировании у них знаний о средствах решения.

С этой целью на первом уроке по решению задач следует познакомить учащихся с физической задачей: представить им условие задачи как конкретную сюжетную ситуацию, в которой происходит некоторое физическое явление.

Разумеется, что процесс формирования у учащихся умения самостоятельно решать задачи начинается с выработки у них умения выполнять простейшие операции. В первую очередь учащихся следует научить правильно и полно записывать краткую запись («Дано»). Для этого им предлагается выделить из текста нескольких задач структурные элементы явления: материальный объект, его начальное и конечное состояния, воздействующий объект и условия их взаимодействия. По этой схеме сначала учитель, а затем каждый из учеников самостоятельно анализируют условия полученных задач.

Проиллюстрируем сказанное примерами анализа условия следующих физических задач (таблица№3):

Эбонитовый шарик, заряженный отрицательно, подвешен на шёлковой нити. Изменится ли сила её натяжения, если второй такой же, но положительно заряженный шарик поместить в точке подвеса?

Если заряженный проводник покрыт пылью, то он быстро теряет свой заряд. Почему?

Между двумя пластинами, расположенными горизонтально в вакууме на расстояние 4,8 мм друг от друга, находятся в равновесии отрицательно заряженная капелька масла массой 10 нг. Сколько «избыточных» электронов имеет капля, если на пластины подано напряжение 1кВ?

Таблица № 3

Структурные элементы явления

Безошибочное нахождение структурных элементов явления в тексте задачи всеми учащимися (после анализа 5-6 задач) позволяет перейти к следующей части урока, имеющей целью усвоение учащимися последовательности выполнения операций. Таким образом, в общей сложности учащиеся анализируют около 14 задач (не доводя решения до конца), что оказывается достаточным для обучения выполнению действия «выделение структурных элементов явления».

Таблица №4

Карточка – предписание

Задание: выразите структурные элементы явления в

физических понятиях и величинах

Ориентировочные признаки

Замените указанный в задаче материальный объект соответствующим идеализированным объектом

Выразите характеристики начального объекта с помощью физических величин.

Замените указанный в задаче воздействующий объект соответствующим идеализированным объектом.

Выразите характеристики воздействующего объекта с помощью физических величин.

Выразите характеристики условий взаимодействия с помощью физических величин.

Выразите характеристики конечного состояния материального объекта с помощью физических величин.

Далее учащиеся обучаются выражению структурных элементов рассматриваемого явления и их характеристик на языке физической науки, что чрезвычайно важно, поскольку все физические законы сформулированы для определённых моделей, и для реального явления, описанного в задаче, должна быть построена соответствующая модель. Например: «маленький заряженный шарик» - точечный заряд; «тонкая нить» - пренебрежимо мала масса нити; «шёлковая нить» - нет утёчки заряда и т.п.

Процесс формирования этого действия аналогичен предыдущему: сначала преподаватель в беседе с учащимися показывает на 2-3 примерах, как нужно его выполнять, затем учащиеся производят операции самостоятельно.

Действие «составление плана решения задачи» формируется у учащихся сразу, так как составляющие операции уже известны учащимся и освоены ими. После показа образца выполнения действия каждому учащемуся для самостоятельной работы выдаётся карточка – предписание «Составление плана решения задачи». Формирование этого действия проводится до тех пор, пока оно не будет выполняться безошибочно всеми учащимися.

Таблица №5

Карточка – предписание

«Составление плана решения задачи»

Выполняемые операции

Определите, какие характеристики материального объекта изменились в результате взаимодействия.

Выясните причину, обусловливающую данное изменение состояния объекта.

Запишите причинно-следственную связь между воздействием при данных условиях и изменением состояния объекта в виде уравнения.

Выразите каждый член уравнения через физические величины, характеризующие состояния объекта и условия взаимодействия.

Выделите искомую физическую величину.

Выразите искомую физическую величину через другие известные.

Четвёртый и пятый этапы решения задач проводятся традиционно. После освоения всех действий, составляющих содержание метода поиска решения физической задачи, полный их перечень выписывается на карточку, которая служит учащимся ориентиром при самостоятельном решении задач в течение нескольких уроков.

Для меня этот метод ценен тем, что усвоенный учащимися при изучении одного из разделов физики (когда он становится стилем мышления), успешно применяется при решении задач любого раздела.

В ходе эксперимента возникла необходимость напечатать алгоритмы решения задач на отдельных листах для работы учащимися не только на уроке и после урока, но и дома. В результате работы по развитию предметной компетентности по решению задач была скомплектована папка дидактический материал для решения задач, которым мог воспользоваться любой учащийся. Затем совместно с учащимися было сделано несколько копий таких папок, на каждый стол.

Использование индивидуального подхода помогало формировать у учащихся важнейших компонентов учебной деятельности - самооценки и самоконтроля. Правильность хода решения задачи проверялась учителем и учащимися - консультантами, а затем всё больше учащихся все чаще стали помогать друг другу, непроизвольно втягиваясь в процесс решения задач.

Колебания и волны.
Оптика.

Задачи для самостоятельной работы .
Задача 1. Гидростатическое взвешивание .
Оборудование : линейка деревянная длиной 40 см , пластилин, кусок мела, мерный стакан с водой, нитки, лезвие бритвы, штатив с держателем.
Задание .
Измерьте

плотность пластилина;
плотность мела;
массу деревянной линейки.

Примечания :

Кусок мела желательно не мочить – может развалиться.
Плотность воды считать равной 1000 кг/м 3

Задача 2. Удельная теплота растворения гипосульфита .
При растворении гипосульфита в воде температура раствора сильно понижается.
Измерьте удельную теплоту растворения данного вещества.
Под удельной теплотой растворения понимают количество теплоты, необходимое для растворения единицы массы вещества.
Удельная теплоемкость воды 4200 Дж/(кг × K), плотность воды 1000 кг/м 3 .
Оборудование : калориметр; мензурка или мерный стакан; весы с разновесами; термометр; гипосульфит кристаллический; теплая вода.

Задача 3. Математический маятник и ускорение свободного падения .

Оборудование : штатив с лапкой, секундомер, кусок пластилина, линейка, нить.
Задание : измерить ускорение свободного падения с помощью математического маятника.

Задача 4. Показатель преломления материала линзы .
Задание : измерьте показатель преломления стекла, из которого изготовлена линза.

Оборудование : двояковыпуклая линза на подставке, источник света (лампочка на подставке с источником тока и соединительными проводами), экран на подставке, штангенциркуль, линейка.

Задача 5. «Колебания стержня»

Оборудование : штатив с лапкой, секундомер, спица вязальная, ластик, иголка, линейка, пробка пластиковая от пластиковой бутылки.

Исследуйте зависимость периода колебаний получившегося физического ма-ятника от длины верхней части спицы. Постройте график полученной зависимости. Проверьте выполнимость формулы (1) в вашем случае.
Определите с максимально возможной точностью минимальный период колебаний полученного маятника.
Определите значение ускорения свободного падения.

Задача 6. Определите с максимально возможной точностью сопротивление резистора .
Оборудование : источник тока, резистор с известным сопротивлением, резистор с неизвестным сопротивлением, стаканчик (стеклянный, на 100 мл), термометр, часы (можно использовать свои наручные), миллиметровая бумага, кусок пенопласта.

Задача 7. Определите коэффициент трения бруска о стол .
Оборудование : брусок, линейка, штатив, нитки, гиря известной массы.

Задача 8. Определите вес плоской фигуры .
Оборудование : плоская фигура, линейка, гирька.

Задача 9. Исследуйте зависимость скорости истечения струи, вытекающей из сосуда, от высоты уровня воды в этом сосуде .
Оборудование : штатив с муфтой и лапкой, стеклянная бюретка со шкалой и резиновой трубкой; пружинный зажим; винтовой зажим; секундомер; воронка; кювета; стакан с водой; лист миллиметровой бумаги.

Задача 10. Определите температуру воды, при которой ее плотность максимальна .
Оборудование : стакан с водой, при температуре t = 0 °С ; металлическая подставка; термометр; ложечка; часы; маленький стакан.

Задача 11. Определите силу разрыва Т нити, mg < T .
Оборудование : планка, длина которой 50 см ; нить или тонкая проволока; линейка; груз известной массы; штатив.

Задача 12. Определите коэффициент трения металлического цилиндра, масса которого известна, о поверхность стола .
Оборудование : два металлических цилиндра приблизительно одинаковой массы (масса одного из них известна (m = 0,4 - 0,6 кг )); линейка длины 40 - 50 см ; динамометр Бакушинского.

Задача 13. Исследуйте содержимое механического «черного ящика» . Определите характеристики твердого тела, заключенного в «ящике».
Оборудование : динамометр, линейка, миллиметровая бумага, «черный ящик» – закрытая банка, частично заполненная водой, в которой находятся твердое тело с прикрепленной к нему жесткой проволокой. Проволока выходит из банки сквозь малое отверстие в крышке.

Задача 14. Оределите плотность и удельную теплоемкость неизвестного вам металла .
Оборудование : калориметр, пластмассовый стакан, ванночка для проявки фотографий, измерительный цилиндр (мензурка), термометр, нитки, 2 цилиндра из неизвестного металла, сосуд с горячей (t г = 60° –70° ) и холодной (t х = 10° – 15° ) водой. Удельная теплоемкость воды c в = 4200 Дж/(кг × K ).

Задача 15. Определите модуль Юнга стальной проволоки .
Оборудование : штатив с двумя лапками для крепления оборудования; два стальных стержня; стальная проволока (диаметром 0,26 мм ); линейка; динамометр; пластилин; булавка.
Примечание . Коэффициент жесткости проволоки зависит от модуля Юнга и геометрических размеров проволоки следующим образом k = ES/l , где l – длина проволоки, a S – площадь ее поперечного сечения.

Задача 16. Определите концентрацию поваренной соли в выданном вам водном растворе .
Оборудование : стеклянная банка объемом 0,5 л ; сосуд с водным раствором поваренной соли неизвестной концентрации; источник переменного тока с регулируемым напряжением; амперметр; вольтметр; два электрода; соединительные провода; ключ; набор из 8 навесков поваренной соли; миллиметровая бумага; емкость с пресной водой.

Задача 17. Определите сопротивления милливольтметра и миллиамперметра для двух диапазонов измерений .
Оборудование : милливольтметр (50/250 мВ ), миллиамперметр (5/50 мА ), два соединительных провода, медная и цинковая пластины, соленый огурец.

Задача 18. Определите плотность тела .
Оборудование : тело неправильной формы, металлический стержень, линейка, штатив, сосуд с водой, нить.

Задача 19. Определите сопротивления резисторов R 1 , …, R 7 , амперметра и вольтметра .
Оборудование : батарейка, вольтметр, амперметр, соединительные провода, переключатель, резисторы: R 1 – R 7 .

Задача 20. Определите коэффициент жесткости пружины .
Оборудование : пружина, линейка, лист миллиметровой бумаги, брусок, груз массой 100 г .
Внимание! Не подвешивайте груз на пружине, так как при этом вы превысите предел упругой деформации пружины.

Задача 21. Определите коэффициент трения скольжения спичечной головки о шероховатую поверхность спичечного коробка .
Оборудование : коробка со спичками, динамометр, груз, лист бумаги, линейка, нить.

Задача 22 . Деталь волоконно-оптического соединителя представляет собой стеклянный цилиндр (показатель преломления n = 1,51), в котором имеется два круглых цилиндрических канала. Торцы детали заклеены. Определите расстояние между каналами .
Оборудование : деталь соединителя, миллиметровая бумага, лупа.

Задача 23. «Черный сосуд» . В «черный сосуд» с водой на нити опущено тело. Найдите плотность тела ρ m , его высоту l уровень воды в сосуде с погруженным телом (h ) и когда тело находится вне жидкости (h o ).
Оборудование . «Черный сосуд», динамометр, миллиметровая бумага, линейка.
Плотность воды 1000 кг/м 3 . Глубина сосуда Н = 32 см .

Задача 24. Трение. Определите коэффициенты трения скольжения деревянной и пластмассовой линеек о поверхность стола .
Оборудование . Штатив с лапкой, отвес, деревянная линейка, пластмассовая линейка, стол.

Задача 25. Заводная игрушка. Определите энергию, запасенную пружиной заводной игрушки (машинки), при фиксированном «заводе» (числе поворотов ключа) .
Оборудование : заводная игрушка известной массы, линейка, штатив с лапкой и муфтой, наклонная плоскость.
Примечание . Заводите игрушку так, чтобы ее пробег не превышал длину стола.

Задача 26. Определение плотности тел . Определите плотность груза (резиновой пробки) и рычага (деревянной рейки), используя предложенное оборудование.
Оборудование : груз известной массы (пробка маркированная); рычаг (деревянная рейка); цилиндрический стакан (200 - 250 мл ); нить (1 м ); деревянная линейка, сосуд с водой.

Задача 27. Изучаем движение шарика .
Приподнимем на некоторую высоту над поверхностью стола шарик. Отпустим его и понаблюдаем за его движением. Если бы соударения были абсолютно упругими (иногда говорят упругими), то шарик всё время подскакивал бы на одну и ту же высоту. В действительности же, высота подскоков постоянно уменьшается. Уменьшается и интервал времени между последовательными подскоками, что явно ощутимо на слух. Спустя некоторое время подскоки прекращаются, и шарик остаётся на столе.
1 задание – теоретическое .
1.1. Определите долю теряемой (коэффициент энергетических потерь) энергии после первого, второго, третьего отскока.
1.2. Получите зависимость времени от количества отскоков.

2 задание – экспериментальное .
2.1. Прямым методом, используя линейку, определите коэффициент энергетических потерь после первого, второго, третьего удара.
Можно определить коэффициент энергетических потерь, используя метод, основанный на измерении суммарного времени движения шарика с момента его бросания с высоты H до момента прекращения подскоков. Для этого вам предстоит установить зависимость общего времени движения с коэффициентом энергетических потерь.
2.2. Определите коэффициент энергетических потерь, используя метод, основанный на измерении суммарного времени движения шарика.
3. Погрешности .
3.1. Сравните погрешности измерений коэффициента энергетических потерь в п. 2.1 и 2.2.

Задача 28. Устойчивая пробирка .

Найдите массу выданной вам пробирки и её внешний и внутренний диаметры.
Вычислите теоретически, при какой наименьшей высоте h min и наибольшей высоте h max налитой в пробирку воды она будет устойчиво плавать в вертикальном положении, и найдите численные значения, используя результаты первого пункта.
Определите h min и h max экспериментально и сравните с результатами пункта 2.

Оборудование . Пробирка неизвестной массы с наклеенной шкалой, сосуд с водой, стаканчик, лист миллиметровой бумаги, нитка.
Примечание . Отклеивать шкалу от пробирки запрещается!

Задача 29. Угол между зеркалами. Определите двугранный угол между зеркалами с наибольшей точностью .
Оборудование . Система из двух зеркал, измерительная лента, 3 булавки, лист картона.

Задача 30. Шаровой сегмент .
Шаровым сегментом называется тело, ограниченное сферической поверхностью и плоскостью. При помощи данного оборудования постройте график зависимости объёма V шарового сегмента единичного радиуса r = 1 от его высоты h .
Примечание . Формула объёма шарового сегмента не предполагается известной. Плотность воды принять равной 1,0 г/см 3 .
Оборудование . Стакан с водой, теннисный шарик известной массы m с проколом, шприц с иглой, лист миллиметровой бумаги, скотч, ножницы.

Задача 31. Снег с водой .
Определите массовую долю снега в смеси снега и воды на момент выдачи.
Оборудование . Смесь снега со льдом, термометр, часы.
Примечание . Удельная теплоёмкость воды с = 4200 Дж/(кг × °С), удельная теплота плавления льда λ = 335 кДж/кг.

Задача 32. Регулируемый «чёрный ящик» .
В «черном ящике», имеющем 3 вывода, собрана электрическая цепь, состоящая из нескольких резисторов с постоянным сопротивлением и одного переменного резистора. Сопротивление переменного резистора можно изменять от нуля до некоторого максимального значения R o с помощью регулировочной ручки, выведенной наружу.
С помощью омметра исследуйте схему «черного ящика» и, предполагая, что число находящихся в нем резисторов минимально,

изобразите схему электрической цепи, заключенной в «черном ящике»;
вычислите сопротивления постоянных резисторов и величину R o ;
оцените точность вычисленных вами значений сопротивлений.

Задача 33. Измерение электрических сопротивлений .
Определите сопротивления вольтметра, батарейки и резистора. Известно, что реальную батарейку можно представлять как идеальную, последовательно соединенную с некоторым резистором, а реальный вольтметр – как идеальный, параллельно которому включен резистор.
Оборудование . Батарейка, вольтметр, резистор с неизвестным сопротивлением, резистор с известным сопротивлением.

Задача 34. Взвешивание сверхлёгких грузов .
Определить с помощью предложенного оборудования массу m кусочка фольги.
Оборудование . Банка с водой, кусок пенопласта, набор гвоздей, деревянные зубочистки, линейка с миллиметровыми делениями или миллиметровая бумага, остро отточенный карандаш, фольга, салфетки.

Задача 35. ВАХ ЧЯ .
Определите вольт амперную характеристику (ВАХ) «чёрного ящика» (ЧЯ ). Опишите методику снятия ВАХ и постройте её график. Оцените погрешности.
Оборудование . ЧЯ, ограничивающий резистор известным сопротивлением R, мультиметр в режиме вольтметра, регулируемый источник тока, соединительные провода, миллиметровая бумага.
Внимание . Подключать ЧЯ к источнику тока в обход ограничивающего резистора строго запрещается.

Задача 36. Мягкая пружина .

Экспериментально исследуйте зависимость удлинения мягкой пружины под действием ее собственного веса от числа витков пружины. Дайте теоретическое объяснение найденной зависимости.
Определите коэффициент упругости и массу пружины.
Исследуйте зависимость периода колебания пружины от ее числа витков.

Оборудование : мягкая пружина, штатив с лапкой, рулетка, часы с секундной стрелкой, шарик из пластилина массой m = 10 г , миллиметровая бумага.

Задача 37. Плотность проволоки .
Определите плотность проволоки. Ломать проволоку не разрешается.
Оборудование : кусок проволоки, миллиметровая бумага, нить, вода, сосуд.
Примечание . Плотность воды 1000 кг/м 3 .

Задача 38. Коэффициент трения .
Определить коэффициент трения скольжения материала шпульки по дереву. Ось шпульки должна быть горизонтальна.
Оборудование : шпулька, нить длиной 0,5 м , деревянная линейка, закрепленная под углом в штативе, миллиметровая бумага.
Примечание . Во время проведения работы запрещается изменять положение линейки.

Задача 39. Доля механической энергии .
Определите долю механической энергии, теряемой шариком при падении без начальной скорости с высоты 1 м .
Оборудование : теннисный шарик, линейка длиной 1,5 м , лист белой бумаги формата А4 , лист копировальной бумаги, стеклянная пластинка, линейка; кирпич.
Примечание : при малых деформациях шарика можно (но не обязательно) считать справедливым закон Гука.

Задача 40. Сосуд с водой «черный ящик» .
«Черный ящик» представляет собой сосуд с водой, в который опущена нить, на которой закреплены два груза на некотором расстоянии друг от друга. Найдите массы грузов и их плотности. Оцените размеры грузов, расстояние между ними и уровень воды в сосуде.
Оборудование : «черный ящик», динамометр, миллиметровая бумага.

Задача 41. Оптический «черный ящик» .
Оптический «черный ящик» состоит из двух линз, одна из которых является собирающей, а другая - рассеивающей. Определите их фокусные расстояния.
Оборудование : трубка с двумя линзами (оптический «черный» ящик), лампочка, источник тока, линейка, экран с листом миллиметровой бумаги, лист миллиметровой бумаги.
Примечание . Допускается использование света удаленного источника. Приближать лампочку вплотную к линзам (то есть ближе, чем позволяют стойки) не разрешается.

Эффективность использования экспериментальных задач на уроках в значительной степени определяется их технологичностью, непритязательностью в оборудовании, широтой рассматриваемых явлений. Базируясь на самом простейшем оборудовании и даже на предметах обихода, экспериментальная задача приближает физику к нам, превращая ее в представлениях учащихся из абстрактной системы знаний в науке, изучающую «мир вокруг нас».

Механика

Задача 1. Коэффициент трения

Задание. Измерьте коэффициент трения скольжения деревянного бруска по поверхности доски (линейки).

Оборудование: брусок, доска, штатив с лапкой, линейка длиной 30(40) см .

Возможный способ решения. Кладем брусок на дощечку, в соответствии с рисунком 4. Постепенно поднимая один конец доски, получаем наклонную плоскость и добиваемся равномерного скольжения бруска. Так как сила трения покоя намного больше силы трения скольжения, необходимо немного подталкивать бусок в начале скольжения. Для фиксации нужного наклона используем штатив. Измеряем высоту а и длину основания наклонной плоскости b .

Измерения и анализ погрешностей:

Опыт повторяем несколько раз. В данном случае это необходимо сделать главным образом потому, что трудно добиться именно равномерного скольжения бруска по плоскости. Результаты заносим в таблицу 2.

Таблица 2

Погрешности измерений


а, см	Дa, см	(Дa) 2 ,см 2	в, см	Дb, см	(Дb) 2 ,см 2



<a >=12,2		У(a ) 2 = 1,81			У(b ) 2 = 0,32

Кроме случайных погрешностей в общую погрешность, конечно, входят и обычные погрешности отслета: Да = Дb = 0,5 см .Это составляет:

Таким образом, получаем:

a = 12,2 ± 1,1 см, д = 8,6%

b = 27,4 ± 0,7 см, д = 2,6%

По результатам первого опыта:

Окончательный результат измерения коэффициента трения:

м = 0,46 ± 0,05 д = 10,9%

Задача 2. Измерение высоты дома

Задание. Представьте, что для измерения высоты дома вам было предложено воспользоваться пустой консервной банкой и секундомером. Сумели бы вы справиться с заданием? Расскажите, как нужно действовать.

Подсказка. Если банку сбросить с крыши дома, то звук удара банки о земную поверхность будет отчетливо слышен.

Решение. Встав на крышу дома, нужно выпустить банку из рук, одновременно нажав на пусковую кнопку секундомера. Услышав звук удара банки о землю, следует остановить секундомер. Показания секундомера t складываются из времени падения банки t 1 и времени t 2 , за которое звук удара ее о земную поверхность дойдет до наблюдателя.

Первое время связано с высотой дома h следующим образом:

тогда как связь между h и t 2 имеет вид

где с - скорость звука, которую при расчетах мы положим равной 340 м/сек .

Определяя t 1 и t 2 из этих выражений и подставляя их значения в формулу, связывающую t 1 , t 2 и t , получим иррациональное уравнение

Из которого можно найти высоту дома.

При приближенном вычислении (в особенности, если дом невысок) второе слагаемое слева можно считать малым и отбросить. Тогда

Молекулярная физика

Задача 3. Карандаш

Задание. Оцените механическую работу, которую необходимо совершить для того, чтобы равномерно поднять плавающий в сосуде карандаш до уровня касания нижним его торцом поверхности воды. Считайте положение карандаша вертикальным. Плотность воды с 0 = 1000 кг/м 3 .

Оборудование: круглый карандаш, почти полная бутылка с водой, линейка.

Возможный способ решения. Опускаем карандаш в бутылку - он будет плавать, как поплавок, в соответствии с рисунком 5. Пусть L - длина всего карандаша, V - его объем, h - длина погруженной в воду части карандаша, V 1 - ее объем, S - площадь сечения и d - диаметр карандаша. Найдем среднюю плотность карандаша с из условия плавания тела:

с 0 gSh = сgSL , откуда с = с 0 hL .

Предположим, что мы с постоянной скоростью вытаскиваем карандаш из воды, используя динамометр. Когда карандаш свободно плавает, динамометр показывает ноль. Если же карандаш полностью вытащить из воды, то динамометр покажет силу, равную весу Р карандаша:

F = P = mg = сgV = с0hLgSL = с0hgрd24

Получается, что показания динамометра при вытаскивании карандаша из воды изменяются от 0 до P по линейному закону, в соответствии с рисунком 6. При этом механическая работа А будет равна площади выделенного треугольника:

A = 12Ph = с 0 h 2gрd 2 8.

Например, при h = 13,4 см и d = 7,5 мм работа составляет около 0,004 Дж .

Задача 4. Сплав

Задание. Определите процентное содержание (по массе) олова в оловянно-свинцовом припое. Предположите, что объемы свинца и олова в сплаве сохраняются. Плотность свинца с c = 11350 кг/м 3 , олова с 0 = 7300 кг/м 3 .

Оборудование: линейка, груз (гайка), цилиндрический кусок припоя, штангенциркуль или микрометр. Возможный способ решения. Эта задача аналогична задаче Архимеда по определению доли золота в царской короне. Однако для опытов оловянно-свинцовый припой достать проще, чем корону.

Измерив диаметр куска припоя D и его длину L , найдем объем цилиндрического куска припоя:

V = рD 2 L 4

Массу припоя определим, изготовив рычажные весы. Для этого уравновесим линейку на краю стола (на карандаше, на стержне от шариковой ручки и т.п.). Затем, используя гайку известной массы, уравновесим кусок припоя на линейке и с помощью равенства моментов сил найдем массу припоя m . Запишем очевидные равенства для масс, объемов и плотностей свинца и олова:

m = m c +m o = сcV c +с o V o , V = V c +V o .

Решая эти уравнения совместно, найдем объем олова, его массу и долю в общей массе:

V o = rh o cV?mrh o c?rh oo , mo = с o V o , m o m = rh oo V o m

Задача 5. Поверхностное натяжение

Задание. Определите коэффициент поверхностного натяжения воды.

Оборудование: тарелка, вода, ложка, линейка, кусок ровной алюминиевой проволоки длиной 15-20 см и плотностью 2700 кг/м 3 , микрометр, спирт, вата.

Возможный способ решения. Нальем почти полную тарелку воды. Положим на край тарелки проволоку так, чтобы один конец ее касался воды, а другой был за пределами тарелки. Проволока выполняет две функции: она является рычажными весами и аналогом проволочной рамки, которую обычно вытаскивают из воды для измерения поверхностного натяжения. В зависимости от уровня воды могут наблюдаться различные положения проволоки. Наиболее удобно для расчетов и измерений горизонтальное расположение проволоки при уровне воды на 1-1,5 мм ниже края тарелки, в соответствии с рисунком 7. С помощью ложки можно регулировать уровень, доливая или отливая воду. Проволоку следует выдвигать из тарелки до тех пор, пока пленка воды под проволокой не начнет разрываться. В этом крайнем положении пленка имеет высоту 1,5-2 мм , и можно сказать, что силы поверхностного натяжения, приложенные к проволоке, направлены практически вертикально вниз.

Пусть m - масса проволоки, L = L 1 + L 2 - длина проволоки, m/L - масса единицы длины проволоки. Запишем условие равновесия проволоки относительно края тарелки, т.е. равенство моментов сил:

F p (L 1 ?x 2)+m 1 gL 12 = m 2 gL 22 .

Подставим сюда силу поверхностного натяжения F p =2x у , массы

m 1 =L 1 mL , m 2 = L 2 mL , m = сV = срd 2 L 4

и выразим коэффициент поверхностного натяжения у . Измерения и вычисления упростятся, если вода будет смачивать всю длину L 1 . Окончательно получим

у = срd 2 g 8((LL 1 ?1) 2 ?1).

Величины L и L 1 измеряются линейкой, а диаметр проволоки d - микрометром.

Например, при L = 15 см , L 1 = 5,4 см , d = 1,77 мм получаем O = 0,0703 Н/м , что близко к табличному значению 0,0728 Н/м .

Задача 6. Влажность воздуха

Задание. Определите относительную влажность воздуха в комнате.

Оборудование: стеклянный комнатный термометр, бытовой холодильник, таблица давлений насыщенных паров воды при различных температурах.

Возможный способ решения. При обычном методе измерения влажности объект охлаждают ниже точки росы и он «запотевает». Сделаем наоборот. Температура в холодильнике (около +5 °C ) намного ниже точки росы для комнатного воздуха. Поэтому, если вытащить охлажденный стеклянный термометр из холодильника, то он сразу «запотеет» - стеклянный корпус станет непрозрачным от влаги. Затем термометр начнет нагреваться, и в какой-то момент сконденсировавшаяся влага на нем испарится - стекло станет прозрачным. Это и есть температура точки росы, по которой с помощью таблицы можно рассчитать относительную влажность.

Задача 7. Испарение

Задание. Налейте почти полный стакан воды и поставьте его в комнате в теплое место - для того чтобы вода быстрее испарялась. Измерьте линейкой начальный уровень воды и запишите время начала опыта. Через несколько дней уровень воды понизится за счет испарения. Измерьте новый уровень воды и запишите время окончания опыта. Определите массу испарившейся воды. Сколько в среднем молекул вылетало с поверхности воды за 1 секунду? Сколько приблизительно молекул находится на поверхности воды в стакане? Сравните эти два числа. Диаметр молекулы воды примите равным d 0 = 0,3 нм . Зная удельную теплоту парообразования, определите скорость передачи тепла (Дж/с ) воде от окружающей среды.

Возможный способ решения. Пусть d - внутренний диаметр стакана, с - плотность воды, М - молярная масса воды, r - удельная теплота парообразования, Дh - понижение уровня воды за время t . Тогда масса испарившейся воды равна

m = сv = с ДhS = с Дhрd 2 4.

В этой массе содержится N = mN A /М молекул, где N A - постоянная Авогадро. Число испарившихся за 1 секунду молекул равно

N 1 = Nt = mN A Mt .

Если S = рd 2 /4 - площадь поверхности воды в стакане, а S 0 = рd 2 0 /4 - площадь сечения одной молекулы, то на поверхности воды в стакане находится приблизительно

N 2 = SS 0 = (dd 0) 2 .

Вода для испарения получает в единицу времени количество теплоты

Qt = rmt .

Если производить какие-либо расчеты, связанные с молекулами, то всегда получаются интересные результаты. Например, пусть за время t = 5 суток в стакане диаметром d = 65 мм уровень воды понизился на Дh = 1 см . Тогда получим, что в пар превратилось 33 г воды, за 1 с испарилось N 1 = 2,56?10 18 молекул, на поверхности воды в стакане находилось N 2 = 4,69?1016 молекул, а из окружающей среды поступило 0,19 Вт тепла. Интересным является отношение N 1 /N 2 ? 54, из которого видно, что за 1 с испарялось столько молекул, сколько помещалось в стакане в 54 слоях воды.

Задача 8. Растворение

Задание. Высыпая соль или сахар в кипящую воду, можно заметить, что кипение ненадолго прекращается за счет снижения температуры воды. Определите количество теплоты, необходимое для растворения 1 кг пищевой соды в воде комнатной температуры.

Оборудование: самодельный калориметр, термометр, вода, сода, мерный цилиндр (стакан), груз известной массы (гайка массой 10 г ), пластиковая ложка.

Возможный способ решения. В задачу входит дополнительное конструкторское задание по изготовлению простого самодельного калориметра. Для внутреннего сосуда калориметра следует взять обычную алюминиевую банку объемом 0,33 л. У банки удаляется верхняя крышка так, чтобы получился алюминиевый стакан (массой всего 12 г ) с жестким верхним ободком. Внутри верхнего ободка делается прорезь для того, чтобы вода полностью выливалась из банки. Внешняя пластмассовая оболочка изготавливается на основе пластиковой бутылки объемом 1,5 л . Бутылка разрезается на три части, верхняя часть удаляется, а средняя и нижняя части с некоторым усилием вставляются друг в друга и плотно фиксируют внутреннюю алюминиевую банку в вертикальном положении. (Если нет калориметра, то опыты можно проводить и в одноразовом пластиковом стаканчике, массой и теплопередачей которого можно пренебречь).

Предварительно следует сделать два измерения: 1) определить, сколько соды помещается в ложку (для этого надо заглянуть в кулинарный справочник или «вычерпать» этой ложкой пакет соды известной массы); 2) определиться с количеством воды - в малом количестве воды раствор сразу же станет насыщенным и часть соды не растворится, в большом количестве воды температура изменится на доли градуса, что затруднит измерения.

Очевидно, что количество теплоты, необходимое для растворения вещества, пропорционально массе этого вещества: Q ~ m . Для записи равенства следует ввести коэффициент пропорциональности, например z , который можно назвать «удельной теплотой растворения». Тогда

Q = zm .

Растворение соды осуществляется за счет энергии, выделяющейся при охлаждении сосуда с водой. Величина z находится из следующего уравнения теплового баланса:

mvcv(t 2 -t 1 )+ma cc (t 2 -t 1 ) = zm .

где m v - масса воды в калориметре, m a - масса внутреннего алюминиевого стакана калориметра, m - масса растворенной соды, (t 2 -t 1) - понижение температуры в калориметре. Массу внутреннего сосуда калориметра можно легко найти, используя правило моментов сил, уравновесив сосуд и груз известной массы при помощи линейки и ниток.

Измерения и расчеты показывают, что при m = 6 г и m v = 100 г вода остывает на 2-2,5 єC , а величина z оказывается равной 144-180 кДж/кг .

Задача 9. Емкость кастрюли

Задание. Каким образом можно найти емкость кастрюли, пользуясь весами и набором гирь?

Подсказка. Взвесьте пустую кастрюлю, а потом - кастрюлю с водой.

Решение. Пусть масса пустой кастрюли равна m 1 , а после наполнения водой она составляет m 2 . Тогда разность m 2 -m 1 дает массу воды в объеме кастрюли. Поделив эту разность на плотность воды с , находим объем кастрюли:

Задача 10. Как разделить содержимое стакана

Задание. Имеется цилиндрический стакан, до краев наполненный жидкостью. Как разделить содержимое стакана на две совершенно равные части, располагая еще одним сосудом, но уже иной формы и несколько меньшего размера?

Подсказка. Подумайте, как можно провести плоскость, разделяющую цилиндр на две равные по объему части.

Решение. Если через точки М и N мысленно провести плоскость так, как это показано на рисунке 1а , то она рассечет цилиндр на две симметричные и поэтому равные по объему фигуры, в соответствии с рисунком 8. Отсюда вытекает решение задачи.

Постепенно наклоняя стакан, нужно отливать содержащуюся в нем жидкость до тех пор, пока чуть-чуть не покажется дно (рисунок 1б ). В этот момент в стакане останется ровно половина жидкости.

Электричество

Задача 11. Электрический «черный ящик»

«Черный ящик» представляет собой непрозрачную закрытую коробку, которую нельзя вскрывать, чтобы изучить ее внутреннее устройство. Внутри ящика находятся несколько электрических элементов, соединенных между собой в простую электрическую цепь. Обычно такими элементами являются: источники тока, постоянные и переменные резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, полупроводниковые диоды. Снаружи ящика находятся несколько выводов.

Основная цель задания «черный ящик»: сделав минимальное число электрических измерений с использованием внешних выводов, «расшифровать» «черный ящик», т.е.:

- установить, какие именно электрические приборы находятся внутри «черного ящика».
- установить схему их соединения.
- определить номиналы (величины сопротивлений резисторов, емкости конденсаторов и т.д.)

Задание. Три резистора соединены между собой и помещены в «черный ящик» с тремя выводами, в соответствии с рисунком 9. Точно такие же резисторы соединены между собой по-другому и помещены во второй «черный ящик» с тремя выводами. Определить сопротивление каждого резистора. Перемычки применять запрещено.

Оборудование: мультиметр.

Измерение сопротивления между выводами дали результаты:

Ящик № 1: R 1-2 = 12 Ом, R 2-3 = 25 Ом, R 1-3 = 37 Ом

Ящик № 2: R 1-2 = 5,45 Ом, R 2-3 = 15 Ом, R 1-3 = 20,45 Ом

Возможный способ решения. Возможны четыре способа соединения трех резисторов с тремя наружными выводами так, чтобы три измерения давали разное значение сопротивлений:

1) последовательное, 2) смешанное, 3) звездой, 4) треугольником, в соответствии с рисунком 10.

Покажем последовательность поиска ответов.

Характерным признаком двух первых схем является то, что одно из измерений равно сумме двух других, что и соответствует условию задачи:

Следовательно, в одном ящике последовательное соединение, но тогда в другом - смешанное, поскольку результаты измерений не совпадают, хотя номиналы резисторов те же самые.

Известно, что всегда выполняется соотношение

А поскольку R 1-3 cлева больше, чем R 1-3 справа, то в левом ящике (№1) находится последовательное соединение, а в правом (№2) - смешанное.

В состав последовательного соединения в левом ящике входят резисторы с номиналами 12 или 25 Ом . Так как ни то, ни другое значение не наблюдается в составе смешанного соединения, следовательно, номинал одного из резисторов R 1 = 15 Ом .

Остальные номиналы: R 2 = 12 Ом и R 3 = 10 Ом .

Очевидно, к тем же результатам можно прейти и с помощью иной цепочки рассуждений.

Отметим также, что возможны еще 5 комбинаций схем по два «черных ящика» из приведённых четырех. Наиболее громоздка математическая часть задачи по «расшифровке» черного ящика, о котором известно, что там находится треугольник.

В заключении отметим, что не все может идти так гладко, как в данном примере. Значения сопротивлений или других электрических величин, естественно, содержат погрешности. И, например, соотношение может выполняться только приблизительно.

Задача 12. Температура воздуха в комнате

Задание. За окном снег, а в комнате тепло. К сожалению, измерить температуру нечем - нет термометра. Но зато есть батарея, очень точный вольтметр и такой же амперметр, сколько угодно медной проволоки и подробный физический справочник. Нельзя ли с их помощью найти температуру воздуха в комнате?

Подсказка. При нагревании металла его сопротивление возрастает по линейному закону.

Решение. Соединим последовательно батарею, моток проволоки и амперметр включим так, чтобы он показывал напряжение на мотке, в соответствии с рисунком 11. Запишем показания приборов и рассчитаем сопротивление мотка при комнатной температуре:

После этого принесем с улицы снег, погрузим в него моток и, подождав немного, чтобы снег начал таять, а проволока его температуру, тем же способом определим сопротивление проволоки R 0 при температуре тающего снега, т.е. при 0 є С . Пользуясь затем зависимостью между сопротивлением проводника и его температурой

находим температуру воздуха в комнате:

При расчете используется значение температурного коэффициента сопротивления б , взятое из справочника. В области комнатных температур для чистой меди б = 0,0043 град - 1 . Если содержание примесей в меди, из которой изготовлена проволока, не особенно велико, а электроизмерительные приборы имеют класс точности 0,1, то температуру воздуха можно определить с погрешностью, значительно меньшей одного градуса.

Оптика

Задача 13.

Задание. Требуется найти радиус сферического зеркала (или радиус кривизны вогнутой линзы) с помощью секундомера и стального шарика известного радиуса. Как это сделать?

Подсказка. Центр катающегося по поверхности зеркала шарика совершает такое же движение, как маятник.

Решение. Следует расположить зеркало горизонтально и опустить на него шарик. Если шарик опущен не в самую нижнюю точку, он начнет двигаться по поверхности зеркала. Нетрудно догадаться, что если шарик движется без вращения (т.е. скользит по поверхности зеркала), то его движение полностью аналогично движению маятника с длиной подвеса R - r . Тогда из формулы маятника

можно найти интересующую нас величину:

Период Т определяется с помощью секундомера, а r известно по условию.

Поскольку обычно трение достаточно велико, чтобы шарик двигался по поверхности зеркала с вращением, это решение плохо согласуется с опытом. На самом деле

Приведем пример исследовательской задачи на весь урок.

Задача 14. Особенности колебания крутильного маятника.

Задание. Исследуйте особенности колебания крутильного маятника и опишите основные закономерности его движения.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, отрезки медной, стальной и нихромовой проволоки длиной около 1 м и различных диаметров, например 0,3, 0,50, 0,65, 1,0 мм, тонкая легкая деревянная палочка длиной 15-20 см , пластилин, скрепка, линейка, транспортир, секундомер.

Общий вид крутильного маятника должен быть в соответствии с рисунком 12. Скрепка, изогнутая определенным образом, служит для уравновешивания стержня с грузами. Выведенный из состояния равновесия маятник начинает совершать вращательно-колебательное движение.

Заранее нужно изготовить из пластилина пары шариков разной массы. Массы шариков пропорциональны кубу их диаметров, поэтому есть возможность выстроить ряд, например: m 1 = 1, m 2 = 2,5, m 3 = 5,2, m 3 = 6,8, m 4 = 8,3 отн. ед.

Диаметр проволок можно сообщить учащимся заранее или предоставить им возможность провести эти измерения самостоятельно с помощью штангенциркуля или микрометра.

Примечание. Успех исследование во многом зависит от правильного подбора оборудования, особенно диаметров выданных проволок. Кроме того, желательно, чтобы подвес крутильного маятника находился во время опытов в натянутом состоянии, для чего массы грузов должны быть достаточно большими.

Тематика исследования крутильного маятника вытекает из предположения о гармоническом характере его колебаний. Общий перечень экспериментальных наблюдений, которые можно осуществить по данной проблеме и на предложенном оборудовании, достаточно велик. Приведем наиболее простые и доступные.

- Зависит ли период колебаний от амплитуды (угла поворота)?
- Зависит ли период колебаний от длины подвеса маятника?
- Зависит ли период колебаний маятника от массы грузов?
- Зависит ли период колебаний маятника от положения грузов на стержне?
- Зависит ли период колебаний от диаметра проволоки?

Естественно, требуется не просто односложно отвечать на поставленные вопросы, но и исследовать характер ожидаемых зависимостей.

Пользуясь приёмом аналогий, выдвигаем гипотезы о колебаниях крутильного маятника, сравнивая его с математическим маятником, изучаемым по школьной программе. За основу берём период колебаний и его зависимость от различных параметров маятника. Намечаем следующие гипотезы. Период колебаний крутильного маятника:

При малых углах поворота не зависит от амплитуды;

- пропорционален корню квадратному из длины подвеса - T ;
- пропорционален корню квадратному из массы груза - T ;
- пропорционален расстоянию от центра подвеса до центров грузов - Tr ;
- обратно пропорционален квадрату диаметра проволоки - T1/d 2 .

Кроме того, период колебаний зависит от материала подвеса: медь, сталь, нихром. Здесь также имеется ряд гипотез, предлагаем проверить их самостоятельно.

1. Изучаем зависимость периода колебаний маятника от амплитуды (угла поворота). Результаты измерений представлены в таблице 3:

Таблица 3

Зависимость периода колебаний маятника от амплитуды

L = 60 см, m = 8,3 г, r = 12 см, d = 0,5 мм

Вывод . В пределах до 180 зависимость периода колебаний крутильного маятника от амплитуды не обнаруживается. Разброс результатов измерений можно объяснить погрешностями измерения периода колебаний и случайными причинами.

Чтобы «открыть» другие зависимости необходимо менять только один параметр, оставляя все другие неизменными. Математическую обработку результатов лучше всего проводить графически.

2. Изучаем зависимость периода колебаний маятника от его длины: Т = f(l). При этом не меняем m, r, d. Результаты измерений представлены в таблице 4:

Таблица 4

Зависимость периода колебаний маятника от длины

m = 8,3 отн. ед., r = 12 см, d = 0,5 мм

График зависимости Т от l представляет собой кривую возрастающую линию, похожую на зависимость, в соответствии с рисунком 13а T 2 = l , в соответствии с рисунком 13, б .

Вывод. Период колебаний крутильного маятника прямо пропорционален корню квадратному из длины подвеса. Некоторый разброс точек можно объяснить погрешностями измерений периода колебаний и длины маятника

3. Изучаем зависимость периода колебаний маятника от массы грузов: Т=f(m). При этом не меняем l, r, d. Результаты измерений представлены в таблице 5:

Таблица 5

Зависимость периода колебаний маятника от массы грузов

l = 0,6 м, r = 12 см, d = 0,5 мм

График зависимости Т от m представляет собой кривую возрастающую линию, похожую на зависимость, в соответствии с рисунком 14а . Чтобы убедиться в этом, строим зависимость T 2 =f(m) , в соответствии с рисунком 14б .

Вывод. Период колебаний крутильного маятника прямо пропорционален корню квадратному из массы грузов. Некоторый разброс точек можно объяснить погрешностями измерений периода колебаний и масс грузов, а также случайными причинами.

4. Изучаем зависимость периода колебаний маятника от положения грузов: Т = f(r). При этом не меняем l, m, d. Результаты измерений представлены в таблице 6:

Таблица 6

Зависимость периода колебаний маятника от положения грузов

m = 8,3 отн.ед., l = 0,6 м, d = 0,5 мм

Вывод. Период колебаний крутильного маятника прямо пропорционален расстоянию r . Некоторый разброс точек можно объяснить погрешностями измерений периода колебаний и расстояния r , а также случайными причинами.

Изучаем зависимость периода колебаний маятника от диаметра проволоки: Т = f(d) , в соответствии с рисунком 15. При этом не меняем m, r, l .

Результаты измерений представлены в таблице 7.

Таблица 7

Зависимость периода колебаний маятника от диаметра проволоки

m = 8,3 отн.ед., r = 12 см, l = 0,6 м

График зависимости Т от d представляет собой ниспадающую кривую, в соответствии с рисунком 16а . Можно предположить, что это зависимость, где n = 1, 2, 3 и т.д. Для проверки этих предположений необходимо строить графики и т. д. Из всех таких графиков наиболее линейным является график, в соответствии с рисунком 16б .

Вывод. Период колебаний крутильного маятника обратно пропорционален квадрату диаметра проволоки подвеса. Некоторый разброс точек можно объяснить погрешностями измерений периода колебаний и диаметра проволоки d , а также случайными причинами.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что период колебаний крутильного маятника должен вычисляться по формуле, где k - коэффициент пропорциональности, зависящий также от упругих свойств материала подвеса - модуль кручения, модуль сдвига.