Задачи на этапе защиты лабораторных работ по физике
Е.
В. ЕрмаковаБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Ермакова
Е.
В. Задачи на этапе защиты лабораторных работ по физике // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2014. – Т. 20. – С.
336–340. – URL:
http://e-koncept.ru/2014/54327.htm.
Аннотация. В статье рассматривается применение задач при проведении лабораторных занятий по физике в вузе на этапе защиты.
Ключевые слова:
лабораторные занятия, физическая задача, задачи сопровождения, этапы проведения лабораторных занятий
Текст статьи
Ермакова Елена Владимировна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры теории и методики преподавания физики, технологии и предпринимательства,ФГБОУ ВПО «Ишимский государственный педагогический институт им. П. П. Ершова, г. Ишим ErmakowaEl@mail.ru
Задачи на этапе защиты лабораторных работ по физике
Аннотация. В статье рассматривается применение задач при проведении лабораторных занятий по физике в вузе на этапе защиты. Ключевые слова: лабораторные занятия, физическая задача, задачи сопровождения, этапы проведения лабораторных занятий.
Изучение физики невозможно без лабораторных занятий. На занятии лучше всего решаются вопросы интеграции знаний, интеллектуальных и практических умений и навыков, формируются такие важные профессиональные и личностные качества студентов, как самостоятельность, активность, умение аналитически мыслить, переносить усвоенные способы действий в новые ситуации и т.п. Изучение литературы позволяет утверждать, что процесс выполнения лабораторной работы разделяют на три, четыре, пять или шесть [1] действий (стадий или этапов). Например, Н.И.Темиркулова выделяет три этапа: самостоятельная подготовка; проведение опытов, наблюдений, измерений; отчет по работе [6, c.117118]. Четыре действия выделены у А.М.Мелешиной, М.Г.Гарунова[5, c. 167]: 1) предварительная подготовка; 2) эксперимент; 3) обработка результатов эксперимента, оценка погрешностей, обобщение результатов с целью получения выводов по работе, составление и написание краткого отчета; 4) защита лабораторной работы. Мы будем придерживаться процесса выполнения лабораторной работы, состоящего из 4х действий.Остановимся подробнее на этапе защитылабораторной работы.На данном этапе мы предлагаем использовать задачисопровождения.Доказано, что решение задач составляет неотъемлемую часть полноценного изучения предмета (в частности, физики) на любом уровне. В процессе решения задач проявляются основные закономерности мыслительной деятельности. При введении новых понятий постановка задач способствует возникновению потребностив знаниях и в усвоении способов их добывания. О степени усвоения физических понятий можно судить по умению сознательно их применять для анализа конкретных физических явлений в процессе решения задач.Решение задач позволяет лучше понять и запомнить основные законы физики, воспитывает способность применять общие теоретические закономерности к отдельным конкретным случаям. В этом случае решение задач –один из методов обучения физике, на котором идет не изучение законов, формул, графических зависимостей, расчетов и т.п., но активное применение их, обучение анализу в конкретных физических ситуациях.Задачами–сопровождениямибудем называть задачи, ориентированные на понимание сущности лабораторной работы, приближенные как можно ближе к реальной практической деятельности на лабораторном занятии. Это задачи, в процессе решения которых предполагается выявление физической сущности объектов, явлений (процессов) лабораторной работы, их взаимосвязи и взаимодействия[2].Учитывая, что деятельность студентов на лабораторном занятии состоит из четырех основных действий, задачи–сопровождения можно разделить на следующие основные группы:–задачи по предварительной подготовке к лабораторной работе;–задачи по проведению эксперимента;–задачи по обработке результатов эксперимента;–задачи контроля и самоконтроля.Четвертая группа задач –самая объемная группа задач–сопровождения –используется для контроля знаний студентов и для самоконтроляна лабораторном занятии. Среди них можно выделить:
задачи на практическое применение знаний, полученных при выполнении эксперимента;
задачи, активизирующие поиск новых путей для решения (на проверку результатов лабораторной работы способом, не используемым в работе);
конструкторские (требующие ответа на вопрос: «Как сделатьª);
задачи, требующие проведения мысленного эксперимента;
задачи самоконтроля;
задачи, устанавливающие связь между разделами курса физики;
задачи, развивающие склонность к экспериментированию, к опытному исследованию физических процессов и явлений;
задачи, развивающие наблюдательность, сообразительность, остроту мышления;
задачи, иллюстрирующие применение изучаемых явлений и процессов в технике, медицине и т. д.Задачи контроля и самоконтроля помогают дифференцировать знания каждого студента,углублять их. Студент обнаруживает связи между элементами задачи и лабораторной работы, чему способствует активизация необходимых знаний.Например, лабораторная работа «Проверка законов колебания математического маятника и определение ускорения силы тяжести с помощью математического маятникаª содержит задачу: Задача:Как можно использовать график экспериментальной зависимости между периодом колебаний математического маятника и его длиной для определения ускорения свободного паденияЗадачи для защиты лабораторных работ более сложные, требуют использования знаний нескольких тем курса физики. Их решение направлено на формирование у студентов важных мыслительных функций (анализ, синтез, обобщение и т.д.)Например, в той же работе предлагаются задачи: Задача:Допустим,чтогрузматематического маятника освобождается в точке а и специальный штифт задерживает нить маятника в точке b(см. рис). Замечено, что независимо от положения штифта груз всегда поднимается до уровня точки а. Объясните почему.Задача:Математический маятник длины и массы mраскачивают так, что каждый раз, когда маятник проходит положение равновесия, на него в течение короткого промежутка времени tдействует сила F,направленная параллельно скорости. Через сколько колебаний маятник отклонится на 90º
аbLOВажной частью четвертой группы задач являются задачи–сопровождения, которые описывают новый метод (способ) получения физической зависимости или величины, отличной от той, которая рассматривается в лабораторной работе.Например, в лабораторной работе «Определение коэффициента тренияª может предлагаться для решения одна из следующих задач:Задача:Определить коэффициент трения покоя дерева по дереву, имея деревянный шарик, две скрепленные деревянные линейки, штангенциркуль, измерительную линейку, карандаш. Задача:Определите отношение коэффициента трения покоя к коэффициенту трения скольжения дерева по дереву, имея деревянную линейку, два деревянных катка, измерительную линейку, карандаш.Вработе «Определение основных точек термометра и теплоты плавления льдаª предлагается: Задача:В ведре находится смесь воды со льдом. Ведро внесли в комнату и сразу начали измерять температуру, которую записывали в таблицу. По полученным данным построили график зависимости температуры от времени t(). Известны: масса смеси 10кг, удельная теплоемкость воды 4200Дж/(кгК) и удельная теплота плавления льда 3,4105 Дж/кг. Определите, сколько льда было в ведре, когда его внесли в комнату. Теплоемкостью ведра пренебречь.
t,ºC0000002τ, мин0102030405060
Широкие возможности имеют задачи, развивающие наблюдательность, сообразительность, остроту мышления. Они предусматривают возможность выполнения студентами работы творческого характера.Например, после выполнения работы «Определение удельной теплоты парообразования водыªпредлагается задача: Стоящую на горячей плитке колбу с небольшим количеством кипящей воды закрывают резиновой пробкой с трубкой, опущенной в стакан с холодной водой. Затем горячую плитку заменяют холодной. Примерно через полминуты холодная вода из стакана с шумом устремляется в колбу и заполняет ее. Объясните, почему.Представим систему задач, предлагаемую нами к лабораторной работе «Определение коэффициента поверхностногонатяженияжидкости различными методамиª:1. Каково поверхностное натяжение воды, если с помощью пипетки, имеющей отверстие диаметром d0,4 мм, можно дозировать воду с точностью 0,01 г 2. В стеклянной трубке радиусом 1 мм жидкость поднялась на высоту 11 мм. Какова плотность жидкости, если ее коэффициент поверхностного натяжения 0,022 Н/м 3. В жидкость нижними концами спущены две вертикальные капиллярные трубки с внутренними диаметрами 0,05 см и 0,1 см. Разность уровней жидкости в трубках 11,6 мм. Плотность жидкости 0,8 г/см3. Найти поверхностное натяжение жидкости.4. В жидкость опущены две вертикальные капиллярные трубки с внутренними диаметрами 0,6 мм и 1,2 мм. Разность уровней в трубках 12 мм. Плотность жидкости 820 кг/м3. Найти поверхностное натяжение жидкости. Рассмотреть случаи полного смачивания и полного несмачивания поверхности.5. Исследуйте влияние на поверхностное натяжение воды растворенных в ней веществ, например, мыла или стирального порошка.6. Глицерин поднялся в капиллярной трубке на высоту 20 мм. Определить поверхностное натяжение глицерина, если диаметр канала трубки равен 1 мм.7.
На какую высоту поднимается вода между двумя параллельными друг другу стеклянными пластинками, если расстояние между ними равно 0,2 мм8.
Рамка, охватывающая поверхность в 40 см2, затянутамыльной пленкой. Насколько уменьшится энергия пленки при сокращении ее площади вдвое Температура постоянна.9.
Спирт поднялся по капиллярной трубке на высоту 55 мм, а вода на высоту 146 мм. Определите плотность спирта.10. Коэффициент поверхностного натяженияртути 425 мН/м. На сколько миллиметров опустится ртуть в трубке диаметром 0,5 мм, погруженной в ртуть Плотность ртути 13600 кг/м3.11. Спирт через вертикальную трубку диаметром 2 мм по каплям вытекает из сосуда. Сколько капель содержится в 3,14 г спирта Коэффициент поверхностного натяжения спирта 0,02 Н/м. Считать диаметр капли равным диаметру шейки трубки.12. Определить разность уровней спирта в коленах Uобразной стеклянной трубки, диаметры каналов которой 1,1 мм и 0,5 мм. Спирт смачивает стекло. Плотность спирта 800 кг/м3, коэффициент поверхностного натяжения 0,022 Н/м. 13. В воду опущена на очень малую глубину стеклянная трубка с диаметром внутреннего канала 1 мм. Найти массу вошедшей в трубку воды.14. Вертикальный капилляр погружен в воду. Определить радиус кривизны мениска, если высота столба воды в трубке 20 мм. Плотность воды 1 г/см3, поверхностное натяжение 73 мН/м. 15. Объясните, почему медицинский ртутный термометр измеряет максимальную температуру.16. На какую высоту поднимается жидкость плотностью 790 кг/м3вкапиллярной трубке с внутренним радиусом 0,5 мм Коэффициент поверхностного натяжения жидкости 0,019 Н/м. Жидкость полностью смачивает стенки сосуда.17. Определить радиус капиллярной трубки, если ртуть опустить на глубину 20 мм от поверхности.18. Чтобы найти коэффициент поверхностного натяжения воды применили метод отрыва капель. При этом получили следующие результаты: масса пустого стакана М1=(22,130,01 г), масса стакана с водой М2=(24,850,01) г, число капель n100, диаметр шейки капли d=(1,310,05). Используя эти данные, определить коэффициент поверхностного натяжения, а также абсолютную и относительную погрешность опыта. Инструкция к лабораторной работе может выглядеть следующим образом[3]: Определение удельной теплоемкоститвердых тел методом смешивания твердыхи жидких телЦель работы:научиться определять указанным методом удельную теплоемкость твердых тел.Приборы и принадлежности: калориметр, плитка с нагревателем, термометр, твердые тела.Вопросы для самопроверки:1.Что собой представляет твердое тело2.Что называется удельной теплоемкостью твердого тела Ее единица измерения3.Какова зависимость теплоемкости тел от температуры4.В чем заключается метод смешивания твердых и жидких тел5.Каковы основные положения классической теории теплоемкости твердых тел В какой области температур справедлива классическая теория теплоемкости твердых тел6.Удельная теплоемкость стали 460 Дж/(кгК). Поясните физический смысл этой величины.7.Обычно удельная теплоемкость вещества в твердом состоянии почти в два раза больше удельной теплоемкости этого вещества в газообразном состоянии. Например, для ртути эта величина соответственно равна 125 и 63 Дж/(кгС). Чем можно объяснить такое различие 8.В производственной практике нагретые до высокой температуры металлические деталичасто охлаждают в воде, минеральном масле или воздухе. В какой среде охлаждение идет наиболее быстро и почемуТеория метода смешивания твердых и жидких тел:Первое начало термодинамики в виде U=Q+Aговорит, что внутренняя энергия тела (термодинамической системы) Uможет изменяться за счет подвода телу тепла Qи совершенной над телом работы А.Внутренняя энергия есть функция состояния, и поэтому ее изменения определяются только начальным и конечным состоянием тела. Величины же количества теплоты и работы зависят от вида процесса; они не являются функциями состояния. Поэтому теплоемкость тела количество теплоты, необходимое для изменения температуры на один градус также зависит от вида процесса.Для твердых тел теплоемкость слабо зависит от вида процесса. Это объясняется тем, что при нагревании объем твердых тел меняется крайне незначительно,следовательно, работа расширения АpVмала. Поэтому почти все подведенное твердому телу количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии тела.Различают удельную и молярную теплоемкости. Молярной теплоемкостьюназывают теплоемкость одного моля вещества.Удельной теплоемкостью веществаназывается физическая величина, численно равная тому количеству теплоты, которое необходимо сообщить единице массы вещества, для того чтобы повысить ее температуру на 10С.
Напрактике приходится иметь дело с нагреванием вещества от некоторой температурыt1до температуры t2при сообщении ему некоторого тепла Q. В этом случае вводят понятие о средней удельной теплоемкости вещества для данного температурного интервала:
Наиболее ранним методом определения теплоемкостей твердых тел был метод смешивания твердых и жидких тел. Суть его заключается в том, что тела нагретые до различных температур, приводятся в соприкосновение, при этом сколько теплоты потеряет нагретое тело, столько же приобретет более холодное. Это справедливо при условии, если тепло никуда больше не уходит.Ход работы:Пусть имеем твердое тело массой с удельной теплоемкостью нагретое в нагревателе до 0С. Поместим это тело в калориметр с водой. Пусть масса воды , ее температура , масса внутреннего сосуда калориметра и его удельная теплоемкость . Установится температура .Количество теплоты, потерянное нагретым телом:.Количество теплоты, полученное водой
и калориметром.Тогда, составляя уравнение теплового баланса, получим:
.Отсюда, удельная теплоемкость твердого тела:, (1)где
удельная теплоемкость воды,
масса воды,
удельная теплоемкость вещества калориметра,
масса внутреннего сосуда калориметра,
масса тела,
начальная температура воды,
температура нагретого тела,
температура теплового равновесия.Чтобы избавиться от введения поправок на потерю тепла во внешнюю среду, Румфорд рекомендовал брать первоначальную температуру воды на несколько градусов ниже комнатной.Таблица 1
Материал№М, кгm1, кгс1, m2, кгс2, T,0Сt,0С, 0Ссх,
1
2
3
..
1. Определить массу исследуемого тела .2. Поместить тело в сосуд нагревателя, подвешивая на нити так, чтобы оно не касалось дна и стенок нагревателя и начать нагревать.3. Определить массу внутреннего сосуда калориметра .4.Налить в калориметр воду (примерно2/3 объема) и определить ее массу . Температура воды в калориметре должна быть на 340С ниже комнатной.5. Тело нагревать не менее 45 минут (в горячей воде). Определить температуру воды в калориметре и температуру тела в нагревателе .6. Быстро, но осторожно ввести тело в калориметр с водой, перемешать, следя за показаниями термометра. Записать температуру смеси . 7. Результаты занести в таблицу 1. Для каждого тела измерения произвести не меньше 3х раз. Вычислить удельную теплоемкость тела по формуле (1). Найти среднее значение теплоемкостей и сравнить полученный результат с табличным значением.Задачи контроля и самоконтроля:1.Для определения удельной теплоемкости меди был проделан следующий опыт. Медный предмет массой 0,5 кг был нагрет до 100С. Затем его поместили в алюминиевый калориметр массой 0,05 кг, содержащий 0,4 кг воды при температуре 15С. Окончательная температура установилась 23,4С. Какое значение удельной теплоемкости меди получили при этом 2.Металлический предмет массой 200 г, нагретый предварительно в кипящей воде до температуры 100С, опущен в воду, масса которой 400 г и температура 22С. Спустя некоторое время температура воды и предмета стала равной 25С. Какова удельная теплоемкость металла Теплоту, идущую на нагревание окружающих тел не учитывать.3.
Пользуясь калориметрическим методом, выясните, из какого материала изготовлена гиря. Составьте план выполнения операций. Оборудование: калориметр с холодной водой, нагреватель, сосуд с водой, гиря на нитке, мензурка, весы с разновесом, динамометр.4.Предложите способ сравнения удельных теплоемкостей двух различных металлов, не имея таблицы теплоемкостей. 5.Определите удельную теплоемкость почвы. Оборудование: сухая почва, коробочка, калориметры, термометр, вода, нагреватель. 6.Определить удельную теплоемкость керосина. Оборудование: весы без разновеса, песок, калориметр с известной удельной теплоемкостью, термометр, электроплитка, вода, керосин, два стакана (песок используется как разновес).7.Определите температуру металлического тела, хорошо прогретого в пламени спиртовки или свечи.8.Узнайте массу гири, если масса калориметра и вещество, из которого он изготовлен, известны. Составьте план выполнения операций. Оборудование: калориметр, мензурка, холодная вода, нагреватель, сосуд с водой, термометр, справочник.9.4,65 кг воды, взятой при температуре 286 К, нагревают до 308 К погружением в воду куска железа с температурой773 К. Найти массу куска железа. Теплообменом с окружающими телами и испарением пренебречь. 10.После опускания в воду, имеющую температуру 10С, тела нагретого, до 100С, через некоторое время устанавливается температура 40С. Какой станет температура воды, если не вынимая первого тела, в нее опустить еще одно такое же тело при температуре 100С. 11.Смешали 24 кг цемента при температуре 5С и 30 кг воды при температуре 35С. Определить температуру раствора, если удельная теплоемкость цемента 830 Дж/(кгК). 12.Для повышения твердости и прочности стальных изделий применяют закалку (нагрев до некоторой температуры с последующим быстрым охлаждением). Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть стальной молоток массой 500 г от 17 до 817С Вычислите, какое количество теплоты выделяет молоток, если его охлаждают в жидком кислороде, температура которого 183С. Удельная теплоемкость стали 460 Дж/(кгК). 13.Для определения температуры печи нагретый в ней стальной шарик массой 0,3 кг бросили в медный сосуд массой 0,2 кг, содержащий 1,27 кг воды при температуре 15С. Вычислите температуру печи, если температура воды повысилась до 32С. 14.Закаливают сверло из стали массой 100 г, нагретое до температуры 840 С, опуская в сосуд, содержащий машинное масло при температуре 20С. Какое количество масла следует взять для того, чтобы конечная температура детали не превысила 70С Удельная теплоемкость масла 2000 Дж/(кгК). 15.В калориметр влили ложку горячей воды, при этом его температура увеличилась на 5С. После того какв него добавили еще одну ложку такой же горячей воды, температура вновь возросла на 3С. На сколько градусов поднимется температура калориметра, если в него налить еще 8 ложек горячей воды Теплообменом с окружающей средой пренебречь.16.В алюминиевый калориметр массой 500 г налили 250 г воды при температуре 19С. Затем туда опустили металлический цилиндр массой 180 г, состоящий из двух частей алюминиевой и медной; температура воды при этом повысилась до 27С. Определите массу медной и алюминиевой частей цилиндра, если начальная его температура была 127С.17.В алюминиевый калориметр массой 29,5 г, содержащий керосин при 20С, опускают оловянный цилиндр массой 0,6 кг, нагретый предварительно до 100С. Сколько керосина находилось в калориметре, если конечная температура керосина и олова равна 29,5С, а потери тепла в окружающее пространство составляют 15 % ? 18.До какой температуры был нагрет при закалке стальной резец массой 0,15 кг, если после опускания его в алюминиевый сосуд массой 0,1 кг, содержащий 0,6 кг машинного масла при 15С, масло нагрелось до 48С Считать, что потери тепла в окружающую среду составляют 25 %. 19.Пользуясь законом Дюлонга и Пти, определить, во сколько раз удельная теплоемкость железа больше удельной теплоемкости золота. 20.Для нагреванияметаллического шарика массой 10 г от 20 до 50С затратили количество теплоты, равное 62,8 Дж. Пользуясь законом Дюлонга и Пти, определить материал шарика. При подборе задач–сопровождений к лабораторным занятиям руководствовались следующими положениями:–задачи должны быть направлены на достижение целей лабораторной работы;–задачи должны иметь решение, близкое к действительности;–решение задач должно быть органически связано с другими видами деятельности преподавателя и студентов (подготовкой к лабораторному занятию, беседой, проведением эксперимента и др.);–задачи должны соответствовать уровню подготовки группы (курса), или отдельных студентов при индивидуальной работе.Одну и ту же задачу, варьируя методику ее применения можно использовать на разных этапах лабораторного занятия. Достаточное количество предложенных задач позволяет не повторять их, выбирать их для слабых и сильных студентов. Характер задач, их сложность, количество зависит от разных факторов: от темы работы, от сложности предполагаемой работы, от подготовки студентов, от особенностей контроля за деятельностью студентов и т.д.От того насколько грамотно преподаватель построит систему задач–сопровождений будет зависеть, возникнет ли у обучаемых потребность в поиске ответов на поставленные вопросы, акцентируют ли они свое внимание на предложенных задачах.
Ссылки на источники1.Алексеев,О.Л., Руководство к лабораторным работам по курсу общей физики (раздел «Электричествоª). / О.Л. Алексеев, Л.Д. Ворончихин, Ю.Т. Коврижных. Учеб. пособиедля студентов физических, физикоматематических и математических факультетов педвузов. Свердловск, 1974. 336 с.2.Ермакова Е.В.Организация и проведение лабораторных занятий по курсу общей физики в педагогическихвузах с использованием задачного подхода /Е.В.Ермакова. Дис…. канд. пед. наук. Челябинск, ЧГПИ, 2004. –227с.3.Ермакова Е. В. Методические рекомендации к лабораторным занятиям по курсу общей физики (молекулярная физика и термодинамика). –Ишим: Издво ИГПИ им. П. П. Ершова, 2003. –60 с. 4.
Ермакова Е. В. Задачи при подготовке к лабораторным занятиям по физике в педагогическом вузе // Концепт. –2013. –№ 03 (март). –ART 13058. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2013/13058.htm. –Гос. рег. Эл № ФС 7749965. –ISSN 2304120X.5.Мелешина, А.М. Как изучать физикоматематические дисциплины в вузе: советы студентам младших курсов./ А.М. Мелешина, М.Г. Гарунов, А.Г. Семакова. Воронеж: Издво ВГУ, 1988. 208 с.6.Темиркулова, Н.И. Методические основы применения ЭВТ на лабораторных и практическихзанятиях курса общей физики (на примере технического вуза). / Н.И. Темиркулова. Дис…. канд. пед. наук. Челябинск, ЧГПИ, 1992. –227с.
Ermakova Elena, TheCandidateofScience(Pedagogics), theassociateprofessoroftheChairofTheoryandMethodsofTeachingPhysics, Technology and Business of the Ishim Ershov State Teachers Training Institute, IshimErmakowaEl@mail.ru Training tasks at the stage of defense of laboratory tests in PhysicsAbstract.The article regards using training tasks in conducting laboratory studies in Physics at the stage of their defense.Key words: laboratory studies, tasks in Physics, additional tasks, stages of conducting laboratory studies.
Задачи на этапе защиты лабораторных работ по физике
Аннотация. В статье рассматривается применение задач при проведении лабораторных занятий по физике в вузе на этапе защиты. Ключевые слова: лабораторные занятия, физическая задача, задачи сопровождения, этапы проведения лабораторных занятий.
Изучение физики невозможно без лабораторных занятий. На занятии лучше всего решаются вопросы интеграции знаний, интеллектуальных и практических умений и навыков, формируются такие важные профессиональные и личностные качества студентов, как самостоятельность, активность, умение аналитически мыслить, переносить усвоенные способы действий в новые ситуации и т.п. Изучение литературы позволяет утверждать, что процесс выполнения лабораторной работы разделяют на три, четыре, пять или шесть [1] действий (стадий или этапов). Например, Н.И.Темиркулова выделяет три этапа: самостоятельная подготовка; проведение опытов, наблюдений, измерений; отчет по работе [6, c.117118]. Четыре действия выделены у А.М.Мелешиной, М.Г.Гарунова[5, c. 167]: 1) предварительная подготовка; 2) эксперимент; 3) обработка результатов эксперимента, оценка погрешностей, обобщение результатов с целью получения выводов по работе, составление и написание краткого отчета; 4) защита лабораторной работы. Мы будем придерживаться процесса выполнения лабораторной работы, состоящего из 4х действий.Остановимся подробнее на этапе защитылабораторной работы.На данном этапе мы предлагаем использовать задачисопровождения.Доказано, что решение задач составляет неотъемлемую часть полноценного изучения предмета (в частности, физики) на любом уровне. В процессе решения задач проявляются основные закономерности мыслительной деятельности. При введении новых понятий постановка задач способствует возникновению потребностив знаниях и в усвоении способов их добывания. О степени усвоения физических понятий можно судить по умению сознательно их применять для анализа конкретных физических явлений в процессе решения задач.Решение задач позволяет лучше понять и запомнить основные законы физики, воспитывает способность применять общие теоретические закономерности к отдельным конкретным случаям. В этом случае решение задач –один из методов обучения физике, на котором идет не изучение законов, формул, графических зависимостей, расчетов и т.п., но активное применение их, обучение анализу в конкретных физических ситуациях.Задачами–сопровождениямибудем называть задачи, ориентированные на понимание сущности лабораторной работы, приближенные как можно ближе к реальной практической деятельности на лабораторном занятии. Это задачи, в процессе решения которых предполагается выявление физической сущности объектов, явлений (процессов) лабораторной работы, их взаимосвязи и взаимодействия[2].Учитывая, что деятельность студентов на лабораторном занятии состоит из четырех основных действий, задачи–сопровождения можно разделить на следующие основные группы:–задачи по предварительной подготовке к лабораторной работе;–задачи по проведению эксперимента;–задачи по обработке результатов эксперимента;–задачи контроля и самоконтроля.Четвертая группа задач –самая объемная группа задач–сопровождения –используется для контроля знаний студентов и для самоконтроляна лабораторном занятии. Среди них можно выделить:
задачи на практическое применение знаний, полученных при выполнении эксперимента;
задачи, активизирующие поиск новых путей для решения (на проверку результатов лабораторной работы способом, не используемым в работе);
конструкторские (требующие ответа на вопрос: «Как сделатьª);
задачи, требующие проведения мысленного эксперимента;
задачи самоконтроля;
задачи, устанавливающие связь между разделами курса физики;
задачи, развивающие склонность к экспериментированию, к опытному исследованию физических процессов и явлений;
задачи, развивающие наблюдательность, сообразительность, остроту мышления;
задачи, иллюстрирующие применение изучаемых явлений и процессов в технике, медицине и т. д.Задачи контроля и самоконтроля помогают дифференцировать знания каждого студента,углублять их. Студент обнаруживает связи между элементами задачи и лабораторной работы, чему способствует активизация необходимых знаний.Например, лабораторная работа «Проверка законов колебания математического маятника и определение ускорения силы тяжести с помощью математического маятникаª содержит задачу: Задача:Как можно использовать график экспериментальной зависимости между периодом колебаний математического маятника и его длиной для определения ускорения свободного паденияЗадачи для защиты лабораторных работ более сложные, требуют использования знаний нескольких тем курса физики. Их решение направлено на формирование у студентов важных мыслительных функций (анализ, синтез, обобщение и т.д.)Например, в той же работе предлагаются задачи: Задача:Допустим,чтогрузматематического маятника освобождается в точке а и специальный штифт задерживает нить маятника в точке b(см. рис). Замечено, что независимо от положения штифта груз всегда поднимается до уровня точки а. Объясните почему.Задача:Математический маятник длины и массы mраскачивают так, что каждый раз, когда маятник проходит положение равновесия, на него в течение короткого промежутка времени tдействует сила F,направленная параллельно скорости. Через сколько колебаний маятник отклонится на 90º
аbLOВажной частью четвертой группы задач являются задачи–сопровождения, которые описывают новый метод (способ) получения физической зависимости или величины, отличной от той, которая рассматривается в лабораторной работе.Например, в лабораторной работе «Определение коэффициента тренияª может предлагаться для решения одна из следующих задач:Задача:Определить коэффициент трения покоя дерева по дереву, имея деревянный шарик, две скрепленные деревянные линейки, штангенциркуль, измерительную линейку, карандаш. Задача:Определите отношение коэффициента трения покоя к коэффициенту трения скольжения дерева по дереву, имея деревянную линейку, два деревянных катка, измерительную линейку, карандаш.Вработе «Определение основных точек термометра и теплоты плавления льдаª предлагается: Задача:В ведре находится смесь воды со льдом. Ведро внесли в комнату и сразу начали измерять температуру, которую записывали в таблицу. По полученным данным построили график зависимости температуры от времени t(). Известны: масса смеси 10кг, удельная теплоемкость воды 4200Дж/(кгК) и удельная теплота плавления льда 3,4105 Дж/кг. Определите, сколько льда было в ведре, когда его внесли в комнату. Теплоемкостью ведра пренебречь.
t,ºC0000002τ, мин0102030405060
Широкие возможности имеют задачи, развивающие наблюдательность, сообразительность, остроту мышления. Они предусматривают возможность выполнения студентами работы творческого характера.Например, после выполнения работы «Определение удельной теплоты парообразования водыªпредлагается задача: Стоящую на горячей плитке колбу с небольшим количеством кипящей воды закрывают резиновой пробкой с трубкой, опущенной в стакан с холодной водой. Затем горячую плитку заменяют холодной. Примерно через полминуты холодная вода из стакана с шумом устремляется в колбу и заполняет ее. Объясните, почему.Представим систему задач, предлагаемую нами к лабораторной работе «Определение коэффициента поверхностногонатяженияжидкости различными методамиª:1. Каково поверхностное натяжение воды, если с помощью пипетки, имеющей отверстие диаметром d0,4 мм, можно дозировать воду с точностью 0,01 г 2. В стеклянной трубке радиусом 1 мм жидкость поднялась на высоту 11 мм. Какова плотность жидкости, если ее коэффициент поверхностного натяжения 0,022 Н/м 3. В жидкость нижними концами спущены две вертикальные капиллярные трубки с внутренними диаметрами 0,05 см и 0,1 см. Разность уровней жидкости в трубках 11,6 мм. Плотность жидкости 0,8 г/см3. Найти поверхностное натяжение жидкости.4. В жидкость опущены две вертикальные капиллярные трубки с внутренними диаметрами 0,6 мм и 1,2 мм. Разность уровней в трубках 12 мм. Плотность жидкости 820 кг/м3. Найти поверхностное натяжение жидкости. Рассмотреть случаи полного смачивания и полного несмачивания поверхности.5. Исследуйте влияние на поверхностное натяжение воды растворенных в ней веществ, например, мыла или стирального порошка.6. Глицерин поднялся в капиллярной трубке на высоту 20 мм. Определить поверхностное натяжение глицерина, если диаметр канала трубки равен 1 мм.7.
На какую высоту поднимается вода между двумя параллельными друг другу стеклянными пластинками, если расстояние между ними равно 0,2 мм8.
Рамка, охватывающая поверхность в 40 см2, затянутамыльной пленкой. Насколько уменьшится энергия пленки при сокращении ее площади вдвое Температура постоянна.9.
Спирт поднялся по капиллярной трубке на высоту 55 мм, а вода на высоту 146 мм. Определите плотность спирта.10. Коэффициент поверхностного натяженияртути 425 мН/м. На сколько миллиметров опустится ртуть в трубке диаметром 0,5 мм, погруженной в ртуть Плотность ртути 13600 кг/м3.11. Спирт через вертикальную трубку диаметром 2 мм по каплям вытекает из сосуда. Сколько капель содержится в 3,14 г спирта Коэффициент поверхностного натяжения спирта 0,02 Н/м. Считать диаметр капли равным диаметру шейки трубки.12. Определить разность уровней спирта в коленах Uобразной стеклянной трубки, диаметры каналов которой 1,1 мм и 0,5 мм. Спирт смачивает стекло. Плотность спирта 800 кг/м3, коэффициент поверхностного натяжения 0,022 Н/м. 13. В воду опущена на очень малую глубину стеклянная трубка с диаметром внутреннего канала 1 мм. Найти массу вошедшей в трубку воды.14. Вертикальный капилляр погружен в воду. Определить радиус кривизны мениска, если высота столба воды в трубке 20 мм. Плотность воды 1 г/см3, поверхностное натяжение 73 мН/м. 15. Объясните, почему медицинский ртутный термометр измеряет максимальную температуру.16. На какую высоту поднимается жидкость плотностью 790 кг/м3вкапиллярной трубке с внутренним радиусом 0,5 мм Коэффициент поверхностного натяжения жидкости 0,019 Н/м. Жидкость полностью смачивает стенки сосуда.17. Определить радиус капиллярной трубки, если ртуть опустить на глубину 20 мм от поверхности.18. Чтобы найти коэффициент поверхностного натяжения воды применили метод отрыва капель. При этом получили следующие результаты: масса пустого стакана М1=(22,130,01 г), масса стакана с водой М2=(24,850,01) г, число капель n100, диаметр шейки капли d=(1,310,05). Используя эти данные, определить коэффициент поверхностного натяжения, а также абсолютную и относительную погрешность опыта. Инструкция к лабораторной работе может выглядеть следующим образом[3]: Определение удельной теплоемкоститвердых тел методом смешивания твердыхи жидких телЦель работы:научиться определять указанным методом удельную теплоемкость твердых тел.Приборы и принадлежности: калориметр, плитка с нагревателем, термометр, твердые тела.Вопросы для самопроверки:1.Что собой представляет твердое тело2.Что называется удельной теплоемкостью твердого тела Ее единица измерения3.Какова зависимость теплоемкости тел от температуры4.В чем заключается метод смешивания твердых и жидких тел5.Каковы основные положения классической теории теплоемкости твердых тел В какой области температур справедлива классическая теория теплоемкости твердых тел6.Удельная теплоемкость стали 460 Дж/(кгК). Поясните физический смысл этой величины.7.Обычно удельная теплоемкость вещества в твердом состоянии почти в два раза больше удельной теплоемкости этого вещества в газообразном состоянии. Например, для ртути эта величина соответственно равна 125 и 63 Дж/(кгС). Чем можно объяснить такое различие 8.В производственной практике нагретые до высокой температуры металлические деталичасто охлаждают в воде, минеральном масле или воздухе. В какой среде охлаждение идет наиболее быстро и почемуТеория метода смешивания твердых и жидких тел:Первое начало термодинамики в виде U=Q+Aговорит, что внутренняя энергия тела (термодинамической системы) Uможет изменяться за счет подвода телу тепла Qи совершенной над телом работы А.Внутренняя энергия есть функция состояния, и поэтому ее изменения определяются только начальным и конечным состоянием тела. Величины же количества теплоты и работы зависят от вида процесса; они не являются функциями состояния. Поэтому теплоемкость тела количество теплоты, необходимое для изменения температуры на один градус также зависит от вида процесса.Для твердых тел теплоемкость слабо зависит от вида процесса. Это объясняется тем, что при нагревании объем твердых тел меняется крайне незначительно,следовательно, работа расширения АpVмала. Поэтому почти все подведенное твердому телу количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии тела.Различают удельную и молярную теплоемкости. Молярной теплоемкостьюназывают теплоемкость одного моля вещества.Удельной теплоемкостью веществаназывается физическая величина, численно равная тому количеству теплоты, которое необходимо сообщить единице массы вещества, для того чтобы повысить ее температуру на 10С.
Напрактике приходится иметь дело с нагреванием вещества от некоторой температурыt1до температуры t2при сообщении ему некоторого тепла Q. В этом случае вводят понятие о средней удельной теплоемкости вещества для данного температурного интервала:
Наиболее ранним методом определения теплоемкостей твердых тел был метод смешивания твердых и жидких тел. Суть его заключается в том, что тела нагретые до различных температур, приводятся в соприкосновение, при этом сколько теплоты потеряет нагретое тело, столько же приобретет более холодное. Это справедливо при условии, если тепло никуда больше не уходит.Ход работы:Пусть имеем твердое тело массой с удельной теплоемкостью нагретое в нагревателе до 0С. Поместим это тело в калориметр с водой. Пусть масса воды , ее температура , масса внутреннего сосуда калориметра и его удельная теплоемкость . Установится температура .Количество теплоты, потерянное нагретым телом:.Количество теплоты, полученное водой
и калориметром.Тогда, составляя уравнение теплового баланса, получим:
.Отсюда, удельная теплоемкость твердого тела:, (1)где
удельная теплоемкость воды,
масса воды,
удельная теплоемкость вещества калориметра,
масса внутреннего сосуда калориметра,
масса тела,
начальная температура воды,
температура нагретого тела,
температура теплового равновесия.Чтобы избавиться от введения поправок на потерю тепла во внешнюю среду, Румфорд рекомендовал брать первоначальную температуру воды на несколько градусов ниже комнатной.Таблица 1
Материал№М, кгm1, кгс1, m2, кгс2, T,0Сt,0С, 0Ссх,
1
2
3
..
1. Определить массу исследуемого тела .2. Поместить тело в сосуд нагревателя, подвешивая на нити так, чтобы оно не касалось дна и стенок нагревателя и начать нагревать.3. Определить массу внутреннего сосуда калориметра .4.Налить в калориметр воду (примерно2/3 объема) и определить ее массу . Температура воды в калориметре должна быть на 340С ниже комнатной.5. Тело нагревать не менее 45 минут (в горячей воде). Определить температуру воды в калориметре и температуру тела в нагревателе .6. Быстро, но осторожно ввести тело в калориметр с водой, перемешать, следя за показаниями термометра. Записать температуру смеси . 7. Результаты занести в таблицу 1. Для каждого тела измерения произвести не меньше 3х раз. Вычислить удельную теплоемкость тела по формуле (1). Найти среднее значение теплоемкостей и сравнить полученный результат с табличным значением.Задачи контроля и самоконтроля:1.Для определения удельной теплоемкости меди был проделан следующий опыт. Медный предмет массой 0,5 кг был нагрет до 100С. Затем его поместили в алюминиевый калориметр массой 0,05 кг, содержащий 0,4 кг воды при температуре 15С. Окончательная температура установилась 23,4С. Какое значение удельной теплоемкости меди получили при этом 2.Металлический предмет массой 200 г, нагретый предварительно в кипящей воде до температуры 100С, опущен в воду, масса которой 400 г и температура 22С. Спустя некоторое время температура воды и предмета стала равной 25С. Какова удельная теплоемкость металла Теплоту, идущую на нагревание окружающих тел не учитывать.3.
Пользуясь калориметрическим методом, выясните, из какого материала изготовлена гиря. Составьте план выполнения операций. Оборудование: калориметр с холодной водой, нагреватель, сосуд с водой, гиря на нитке, мензурка, весы с разновесом, динамометр.4.Предложите способ сравнения удельных теплоемкостей двух различных металлов, не имея таблицы теплоемкостей. 5.Определите удельную теплоемкость почвы. Оборудование: сухая почва, коробочка, калориметры, термометр, вода, нагреватель. 6.Определить удельную теплоемкость керосина. Оборудование: весы без разновеса, песок, калориметр с известной удельной теплоемкостью, термометр, электроплитка, вода, керосин, два стакана (песок используется как разновес).7.Определите температуру металлического тела, хорошо прогретого в пламени спиртовки или свечи.8.Узнайте массу гири, если масса калориметра и вещество, из которого он изготовлен, известны. Составьте план выполнения операций. Оборудование: калориметр, мензурка, холодная вода, нагреватель, сосуд с водой, термометр, справочник.9.4,65 кг воды, взятой при температуре 286 К, нагревают до 308 К погружением в воду куска железа с температурой773 К. Найти массу куска железа. Теплообменом с окружающими телами и испарением пренебречь. 10.После опускания в воду, имеющую температуру 10С, тела нагретого, до 100С, через некоторое время устанавливается температура 40С. Какой станет температура воды, если не вынимая первого тела, в нее опустить еще одно такое же тело при температуре 100С. 11.Смешали 24 кг цемента при температуре 5С и 30 кг воды при температуре 35С. Определить температуру раствора, если удельная теплоемкость цемента 830 Дж/(кгК). 12.Для повышения твердости и прочности стальных изделий применяют закалку (нагрев до некоторой температуры с последующим быстрым охлаждением). Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть стальной молоток массой 500 г от 17 до 817С Вычислите, какое количество теплоты выделяет молоток, если его охлаждают в жидком кислороде, температура которого 183С. Удельная теплоемкость стали 460 Дж/(кгК). 13.Для определения температуры печи нагретый в ней стальной шарик массой 0,3 кг бросили в медный сосуд массой 0,2 кг, содержащий 1,27 кг воды при температуре 15С. Вычислите температуру печи, если температура воды повысилась до 32С. 14.Закаливают сверло из стали массой 100 г, нагретое до температуры 840 С, опуская в сосуд, содержащий машинное масло при температуре 20С. Какое количество масла следует взять для того, чтобы конечная температура детали не превысила 70С Удельная теплоемкость масла 2000 Дж/(кгК). 15.В калориметр влили ложку горячей воды, при этом его температура увеличилась на 5С. После того какв него добавили еще одну ложку такой же горячей воды, температура вновь возросла на 3С. На сколько градусов поднимется температура калориметра, если в него налить еще 8 ложек горячей воды Теплообменом с окружающей средой пренебречь.16.В алюминиевый калориметр массой 500 г налили 250 г воды при температуре 19С. Затем туда опустили металлический цилиндр массой 180 г, состоящий из двух частей алюминиевой и медной; температура воды при этом повысилась до 27С. Определите массу медной и алюминиевой частей цилиндра, если начальная его температура была 127С.17.В алюминиевый калориметр массой 29,5 г, содержащий керосин при 20С, опускают оловянный цилиндр массой 0,6 кг, нагретый предварительно до 100С. Сколько керосина находилось в калориметре, если конечная температура керосина и олова равна 29,5С, а потери тепла в окружающее пространство составляют 15 % ? 18.До какой температуры был нагрет при закалке стальной резец массой 0,15 кг, если после опускания его в алюминиевый сосуд массой 0,1 кг, содержащий 0,6 кг машинного масла при 15С, масло нагрелось до 48С Считать, что потери тепла в окружающую среду составляют 25 %. 19.Пользуясь законом Дюлонга и Пти, определить, во сколько раз удельная теплоемкость железа больше удельной теплоемкости золота. 20.Для нагреванияметаллического шарика массой 10 г от 20 до 50С затратили количество теплоты, равное 62,8 Дж. Пользуясь законом Дюлонга и Пти, определить материал шарика. При подборе задач–сопровождений к лабораторным занятиям руководствовались следующими положениями:–задачи должны быть направлены на достижение целей лабораторной работы;–задачи должны иметь решение, близкое к действительности;–решение задач должно быть органически связано с другими видами деятельности преподавателя и студентов (подготовкой к лабораторному занятию, беседой, проведением эксперимента и др.);–задачи должны соответствовать уровню подготовки группы (курса), или отдельных студентов при индивидуальной работе.Одну и ту же задачу, варьируя методику ее применения можно использовать на разных этапах лабораторного занятия. Достаточное количество предложенных задач позволяет не повторять их, выбирать их для слабых и сильных студентов. Характер задач, их сложность, количество зависит от разных факторов: от темы работы, от сложности предполагаемой работы, от подготовки студентов, от особенностей контроля за деятельностью студентов и т.д.От того насколько грамотно преподаватель построит систему задач–сопровождений будет зависеть, возникнет ли у обучаемых потребность в поиске ответов на поставленные вопросы, акцентируют ли они свое внимание на предложенных задачах.
Ссылки на источники1.Алексеев,О.Л., Руководство к лабораторным работам по курсу общей физики (раздел «Электричествоª). / О.Л. Алексеев, Л.Д. Ворончихин, Ю.Т. Коврижных. Учеб. пособиедля студентов физических, физикоматематических и математических факультетов педвузов. Свердловск, 1974. 336 с.2.Ермакова Е.В.Организация и проведение лабораторных занятий по курсу общей физики в педагогическихвузах с использованием задачного подхода /Е.В.Ермакова. Дис…. канд. пед. наук. Челябинск, ЧГПИ, 2004. –227с.3.Ермакова Е. В. Методические рекомендации к лабораторным занятиям по курсу общей физики (молекулярная физика и термодинамика). –Ишим: Издво ИГПИ им. П. П. Ершова, 2003. –60 с. 4.
Ермакова Е. В. Задачи при подготовке к лабораторным занятиям по физике в педагогическом вузе // Концепт. –2013. –№ 03 (март). –ART 13058. –0,5 п. л. –URL: http://ekoncept.ru/2013/13058.htm. –Гос. рег. Эл № ФС 7749965. –ISSN 2304120X.5.Мелешина, А.М. Как изучать физикоматематические дисциплины в вузе: советы студентам младших курсов./ А.М. Мелешина, М.Г. Гарунов, А.Г. Семакова. Воронеж: Издво ВГУ, 1988. 208 с.6.Темиркулова, Н.И. Методические основы применения ЭВТ на лабораторных и практическихзанятиях курса общей физики (на примере технического вуза). / Н.И. Темиркулова. Дис…. канд. пед. наук. Челябинск, ЧГПИ, 1992. –227с.
Ermakova Elena, TheCandidateofScience(Pedagogics), theassociateprofessoroftheChairofTheoryandMethodsofTeachingPhysics, Technology and Business of the Ishim Ershov State Teachers Training Institute, IshimErmakowaEl@mail.ru Training tasks at the stage of defense of laboratory tests in PhysicsAbstract.The article regards using training tasks in conducting laboratory studies in Physics at the stage of their defense.Key words: laboratory studies, tasks in Physics, additional tasks, stages of conducting laboratory studies.
