Предпрофильное занятие в 9-м классе: "Физический эксперимент — основной метод познания природы"

Миронова Эльвира Петровна,
учитель физики,
МОУ школы 17 г. Полысаево.

Курс по выбору “Физический эксперимент – основной метод познания природы” рассчитан на 9 занятий, 1 час в неделю.

Задачи курса:

• научить учащихся осуществлять исследовательскую деятельность на материале достаточно простых экспериментальных задач;
• через развитие интереса к предмету повлиять на выбор учениками сферы профессиональной деятельности;
• создавать положительную мотивацию обучения;
• развивать самостоятельное мышление.

В процессе обучения учащиеся приобретают следующие конкретные умения:

• наблюдать и изучать явления и свойства веществ и тел;
• описывать результаты наблюдений;
• выдвигать гипотезы;
• отбирать необходимые для проведения экспериментов приборы;
• выполнять измерения;
• представлять результаты измерений в виде таблиц и графиков;
• делать выводы;
• обсуждать результаты эксперимента, участвовать в дискуссии.

Программа курса включает в себя темы: “Законы движения и взаимодействия тел”, “Магнитные поля”, “Гидростатика”. Содержание программы определялось следующими требованиями: экспериментальные задачи должны иметь ясную и интересную постановку, которая сама мотивировала бы учащихся на самообразование.

Организация учебных занятий по выполнению экспериментальных задач предусматривает следующие виды деятельности учащихся: экспериментальная деятельность, самостоятельная работа с литературой, дискуссия, презентация полученных результатов.

Решение экспериментальных задач даёт возможность ученику проявить себя и добиться успеха.

В процессе изучения курса учащиеся знакомятся с деятельностью М. В. Ломоносова, Г. Ома, И. Ньютона, К. Э. Циолковского, которые внесли значительный вклад в становление физического знания и экспериментального метода исследования в физике.

Оптика. Способы наблюдения изображения предметов (1 ч). Прямолинейное распространение света. Отражение, преломление света. Действительное, мнимое изображение предметов в зеркале.

Магнитное поле. Изучение магнитных взаимодействий (1 ч). Магнитные свойства веществ, их практическое использование.

Гидростатика (1 ч). Закон Архимеда. Условие плавания тел.

Механика (5 ч). Относительность механического движения. Сложение перемещений тел. Равноускоренное движение. Закон сохранения импульса. Закон сохранения энергии. Статика. Виды равновесия. Определение центра тяжести.

Фрагменты занятия 1
“Способы наблюдения изображений предметов”

Задачи: показать в интересной увлекательной и доступной для учащихся форме особенности человеческого зрения; развивать практические умения работать с дополнительной литературой; ориентировать учащихся на профессию окулиста.

I. а) Видеть сквозь ладонь. Возьмите в левую руку трубку, свернутую из бумаги, держите эту трубку против левого глаза и смотрите через нее на какой-нибудь далекий предмет. В то же время держите ладонь вашей правой руки против правого глаза так, чтобы она почти касалась трубки. Обе руки должны быть от глаза в 15-20 см. И тогда вы убедитесь, что правый глаз ваш отчетливо видит сквозь ладонь, словно в ладони вырезано круглое отверстие.

б) В чем причина явления? (Идет обсуждение).

в) Причина такова. Ваш левый глаз приготовился рассмотреть через трубку далекий предмет, и соответственно этому его хрусталик приспособился к рассматриванию далекого предмета (глаз, как говорят, установился). Глаза устроены и работают так, что устанавливаются всегда согласно – как один, так и другой. Правый глаз тоже устанавливается на далекое зрение, и потому близкая ладонь видна ему неясно. Левый глаз ясно видит далекий предмет, правый – смутно видит ладонь. А в итоге кажется, что вы видите далекий предмет сквозь заслоняющую его ладонь руки.

II. Теоретическое сообщение об особенностях видения одним, двумя, тремя глазами, стереоскопия и астигматизм (с. 180 “Занимательная физика” Перельман).

Оборудование: линза выпуклая с фокусным расстоянием 130 мм; экран со щелью; лампочка на подставке; источник питания; ключ замыкания тока; соединительные провода.

Выполнение эксперимента.

• На расстоянии 30-40 см от светящийся лампочки располагают экран со щелью, а между ними собирающую линзу, получают четкое изображение лампы.
• Рассматривая изображение на экране, замечают, что оно хорошо видно с любого места, так как свет отражается от экрана и рассеивается по всем направлениям.
• Заменяют экран матовым стеклом и находят, что изображение стало менее ярким, зато теперь его можно наблюдать и в проходящем свете.
• Перед тем как перейти к третьему способу наблюдения, помещают глаз на оптической оси линзы, проходящей через изображение на матовом стекле. В этом случае изображение оказывается наиболее ярким. Убирают матовое стекло, изображение не исчезает, а как бы повисает в воздухе.

III. Творческое задание. Подумайте, почему снег белый, хотя составлен из прозрачных ледяных кристалликов?

Фрагменты занятия 2
“Изучение магнитного поля”

Задачи: сформировать целостное понимание материальности мира; развить интерес к изучаемому материалу и умение выражать свои мысли, опираясь на теоретические знания.

Оборудование: пластмассовый стержень, керамические магниты, шайбы массой 20-25г., линейка; разборный электромагнит с сердечником, штатив универсальный, рычаг-линейка, набор грузов массой по 100 г.

I. а) На столе в штативах укреплены полосовые магниты, U-образная трубка, наполовину заполненная раствором хлорного железа и горящая свеча. Демонстрирую затягивание в магнитное поле раствора хлорного железа и выталкивание пламени свечи из поля.

б) Предлагаю ученикам объяснить увиденное.

в) Объяснение. Все тела в природе по своим магнитным свойствам делятся на парамагнетики (платина, марганец, хром), диамагнетики (медь, алюминий, серебро) и сверхпарамагнетики (ферромагнетики).

Раствор хлорного железа – парамагнетик, раскаленный газ – диамагнетик.

II. Экспериментальная часть.

а) Влияние температуры на магнитные свойства ферромагнетика.

Обсуждаются предложения по решению данной задачи.

Выполнение эксперимента.

• Керамические магниты, надетые на пластмассовый стержень, закрепляются горизонтально в штативе. Напротив магнитов на максимально возможном расстоянии (при котором еще действуют силы притяжения) располагают лезвие бритвы, подвешенное на нити. Если нагреть лезвие (в пламени свечи, спички), то бритва размагничивается и опускается.

Обсуждение результатов.

б) Экранирование от магнитного поля.

Обсуждение задачи.

В промежуток между магнитами и лезвием на нити вносят, например, мембрану от головного телефона, которую можно держать плоскогубцами (чтобы избежать притяжения мембраны к магнитам). Лезвие падает вниз. Этого не происходит, если вносить стеклянные, пластмассовые, алюминиевые пластинки.

Обсуждение полученных результатов.

в) Изучение взаимодействия керамических магнитов.

На пластмассовый стержень надеть керамические магниты, обратив их одноименными полюсами навстречу друг другу, и расположить стержень с магнитами вертикально. “Нагружая” верхний магнит шайбами известной массы 20-25 г и измеряя расстояние между магнитами, можно получить данные для построения графика зависимости силы взаимодействия магнитов от расстояния между ними.

III. Творческое задание. Изготовить электромагнит из гвоздя, проволоки и батарейки к карманному фонарику.

Фрагменты занятия 3
“Закон Архимеда. Расчет грузоподъемности плота”

Задачи: подвести учащихся к осознанию необходимости теоретических знаний; формировать конструкторские способности.

Оборудование: пол-литровая банка, вода, соль, картофелина, линейка, деревянные бруски.

I. а) Демонстрирую “подводную лодку” из картофеля. В пол-литровую стеклянную банку опускаю на дно сырую картофелину и наливаю воды так, чтобы картофелина была полностью погружена в воду. Доливаю воды, она всплывает, доливаю еще, она тонет.

б) Обсуждение наблюдений.

в) Объяснение в разной плотности ( картофеля 1,1 г/см³).

В первый раз наливаем воду пресную, во второй раз насыщенный солевой раствор, в третий раз пресную воду.

г) Обсуждаем с учащимися статью Архимеда о плавании тел из книги для чтения по физике (стр. 67).

II. Экспериментальное задание.

Необходимо изготовить “плот” грузоподъемностью 3Н. Материалом служат деревянные брусочки. Рассчитайте, каких размеров должен быть этот “плот”, чтобы он мог принять на “борт” груз 3Н и не затонуть. Полученный результат проверить на опыте.

III. Творческое задание. “Подводная лодка” из виноградины.

В стакан со свеженалитой газированной водой бросьте виноградинку, пронаблюдайте за ее поведением, объясните увиденное. (Виноградинка облепляется пузырьками газа и всплывает. На поверхности пузырьки лопаются, виноградинка тонет).

Фрагмент занятия 4
“Относительность механического движения.
Сложение перемещений тел”

Задача: развивать творческие способности учащихся.

Оборудование: деревянный брусок, две линейки, пробирка, лист картона размером 240 х 340 мм, лист бумаги размером 170 х 200 мм, гайка на нити длиной 350 мм с петлей на конце, кнопка канцелярская.

I. а) Вопрос к учащимся: “Способен ли человек перегнать ветер? Муху? (Скорость спортсмена 7 м/с – мировой рекорд; скорость мухи 5 м/с; скорость ветра от 1 м/с до 32 м/с). Если скорости ветра и мухи направлены в одну сторону, в противоположные, под некоторым углом друг к другу?”.

б) Беседа с учащимися по данному вопросу.

II. Задание. Проверить правило сложения перемещений и скоростей, направленных в одну и противоположные стороны, под углом друг к другу.

• На столе располагают две линейки и брусок на одной из линеек. Перемещают брусок и линейку, на которой лежит брусок, вдоль второй неподвижной линейки в одну сторону на некоторое расстояние. Измеряют время и модули перемещений: 1) бруска относительно подвижной линейки S₁; 2) подвижной линейки относительно неподвижной S₂; 3) бруска относительно неподвижной линейки S.
• Вычисляют модуль перемещения бруска относительно неподвижной линейки по формуле .
• Модуль скорости S/t = S₁/t + S₂/t; v = v₁ + v₂ сравнивают с результатом, полученным при измерении. Убеждаются в их равенстве.
• Вновь рассматривают линейки на одном уровне. Перемещают брусок и линейку, на которой лежит брусок, вдоль второй неподвижной линейки в противоположные стороны. Проводят измерения, как и в первом опыте. Убеждаются, что S = S₁ – S₂.
• На картон кладут лист бумаги, на бумагу линейку и пробирку с гайкой на дне. Свободный конец нити, привязанной к гайке, закрепляют на картоне так, чтобы нить у отверстия пробирки образовала прямой угол. Отмечают начальные положения гайки и дна пробирки относительно листа бумаги.
• Перемещают пробирку поступательно вдоль линейки и наблюдают за движением гайки. Отмечают конечное положение гайки и дна пробирки относительно листа бумаги.
• Строят на этом же листе бумаги векторы перемещения

1. гайки относительно пробирки;
2. пробирки относительно листа бумаги;
3. гайки относительно листа бумаги.

• Возвращают пробирку и гайку в начальное положение, и снова перемещают поступательно пробирку вдоль линейки. Наблюдают за движением гайки относительно пробирки и листа бумаги и убеждаются, что ее перемещение складывается геометрически.

III. Творческое задание. Начертить траекторию движения капель дождя относительно движущегося автомобиля.

Фрагмент занятия 5
“Статика. Виды равновесия.
Определение центра тяжести”

Задача: продолжить работу по развитию мышления, познавательных и политехнических умений, овладению методами научного исследования.

Оборудование: бутылка из-под воды, две вилки, футляр от киндер-сюрприза.

I. а) На столе яйцо, прошу учащихся поставить его на острый или тупой конец. Не получается. Демонстрирую. Ставлю яйцо острым концом на пробку закупоренной бутылки, а на него помещаю пробку с воткнутыми в нее двумя вилками. Вся эта система устойчива.

Футляр от киндер-сюрприза (или яйцо без содержимого) могу закрутить, как волчок, и заставить вращаться.

б) Предлагаю ученикам объяснить секрет опыта.

в) Секрет в том, что “центр тяжести” системы лежит ниже точки опоры (в первом опыте).

Во втором случае в футляр от киндер-сюрприза насыпается сыпучее вещество, или металлический шарик. Футляр в любом положении находится в устойчивом равновесии, так как шарик или сыпучее вещество пересыпается вниз, а центр тяжести футляра занимает самое низкое положение.

II. Выполнение эксперимента.

а) Ставится задача: Определить центр тяжести плоской пластины (каждая группа имеет свою пластину неправильной и правильной формы).

б) Каждая группа ищет свое решение задачи.

в) Коллективная работа (Вырабатывается общее решение).

г) Выполнения эксперимента.

• Зажать в лапке штатива пробку в горизонтальном положении.
• С помощью булавки, которая крепится в пробке, подвесить пластину и отвес.
• Карандашом отметить линию отвеса.
• Сняв пластину, провести на ней линию.
• Провести опыт, подвесив пластину в другой точке.
• Точка пересечения прочерченных линий является центром тяжести пластины.
• Центр тяжести тел правильной формы лежит в его геометрическом центре.

д) Полученный результат обсуждается.

III. Творческое задание. Определить центр тяжести палки, не используя ни каких приборов.

Фрагмент занятия 6 см. в Приложении 1.

Фрагменты занятия 7
“Закон сохранения импульса”

Задача: совершенствовать знания на базе эксперимента.

Оборудование: лента измерительная, желоб, шары одинаковой массы – 3 шт., цилиндры металлические – 2 шт., ударник пружинный, штатив для фронтальных работ.

I. а) Если водитель тяжело нагруженного автомобиля не может сразу сдвинуть его с места, он дает сначала задний ход, а затем медленно трогает автомобиль с места. Как это объяснить?

б) Беседа с учащимися о законе сохранения импульса.

в) Разбираются две статьи из книги “физическая смекалка”: а) Почему взлетает ракета? б) Как движется каракатица?

II. Выполнение эксперимента.

а) Шары приводят в движение вдоль металлического желоба с помощью пружинного ударника. В середине желоба на высоте 1-2мм от верхнего края располагают пружинный ударник, укрепленный в муфте штатива. Пружину ударника сжимают и на конец ее надевают нитяную петлю. С обеих сторон от ударника на желоб кладут одинаковые металлические шары, а на равных расстояниях от них (30-40см) металлические цилиндры. Сдергивают петлю с ударника: шары разлетаются в противоположные стороны с одинаковыми скоростями. О равенстве модулей скорости судят по равенству путей, проходящих шарами.

б) Опыт повторяют с шарами разной массы. Для этого с одной стороны располагают один шар, а с другой два таких же шара. Металлические закладки располагают на расстоянии S₁=40 см; S₂=20 см. Модули скоростей шаров отличаются друг от друга в 2 раза.

в) Работу обсуждают, делают вывод.

III. Творческое задание: Разработать проект реактивных автомобилей.

Фрагменты занятия 8
“Определение скорости падения тел
с использованием закона сохранения энергии”

Задача: научить определять скорость падения тел с использованием закона сохранения энергии.

Оборудование: маятник Максвелла, “тепловая пушка”, прыгающий шарик, деревянный брусок, часы, лента измерительная.

I. а) Демонстрируются маятник Максвелла, “тепловая пушка”, “прыгающий шарик”.

б) Учащимся предлагается истолковать увиденное.

в) Колебания маятника Максвелла объясняется превращениями потенциальной энергии в кинетическую и наоборот. Учащиеся подводятся к формулировке закона сохранения и превращения энергии. Рассказывается об истории открытия этого закона, о трудах М.В. Ломоносова, Р. Майера, Дж. Джонса и Г. Гельмгольца.

а) Определить кинетическую энергию тела, падающего со стола.

б) Работая в группах, ученики выдвигают свои предложения.

в) Выполнение эксперимента.

1. Определить массу груза и высоту стола. Вычислить потенциальную энергию. E_p= mgh, E_k = E_p. Определяем величину кинетической энергии.
2. Зная высоту, найти время падения и скорость падения v=gt, вычислить кинетическую энергию .

Сравнить результаты 1 и 2 вычислений.

г) Обсуждение результата.

III. Творческое задание. Изготовить “банку-бумеранг”.

Фрагменты занятия 9
“Итоговое занятие”

Задачи: развивать творческое мышление, наблюдательность, интерес к физике.

Учащимся было дано задание: приготовить и продемонстрировать опыты, используя самые простые предметы. Опыты предлагаются для совместного обсуждения.

Опыт 1. Несгораемая нить. К суровой нити, привязанной к лапке штатива, подвешивают лёгкое тело, например лист бумаги (3 х 5 см) или перо. Нить поджигают снизу: она сгорает, а подвешенное тело не падает. Почему? Как это объяснить?

Ответ. Суровая нить была пропитана крепким раствором соли и высушена. При сжигании нити сгорают её волокна, а соль плавится. Частицы соли склеиваются, поэтому нить не разрушается; она может удерживать лёгкое тело.

Опыт 2. Кипение воды в бумажной коробке. Листа писчей бумаги изготовляют коробку в форме прямоугольного параллелепипеда и подвешивают с помощью проволочки к лапке штатива. Коробку до половины наполняют водой. Под неё ставят спиртовку. Пламя спиртовки доводит воду в коробке до кипения, а бумажная коробка не сгорает, пока в ней остаётся вода. Как это объяснить?

Опыт 3. Примораживание стакана к столу. Металлический внутренний стакан от калориметра наполняют смесью снега и поваренной соли (3 части снега и 1 часть соли). На стол наливают тонкий слой воды и ставят на него банку с охлаждённой смесью. Если смесь перемешать карандашом до плавления снега, то наблюдается сильное охлаждение – вода на столе быстро замерзает, и банка примораживается к столу. Как это объяснить?

Ответ. На плавление снега необходимо затратить количество теплоты, которое отнимается от внутренней энергии тела; температура резко понижается (от –18° С до –23° С).

Опыт 4. На поверхность воды помещают горизонтально бритвенное стальное лезвие. Оно не только не тонет, но выдерживает груз (1,5-2 грамма). (Лезвие предварительно смазывают маслом).

Опыт 5. Лежащее на воде лезвие “обнаруживают” магнитное поле Земли, взаимодействуют друг с другом и приобретают ускорение.

(Стальные лезвия, имея малую массу и большую площадь поверхности, легко намагничиваются постоянным магнитом, и поскольку изготовлены из твёрдой, жёсткой стали, надолго сохраняют магнитные свойства).

Опыт 6.

Наблюдение изображения в плоском зеркале с помощью самодельного прибора. Прибор состоит из подставки 1 и листа прозрачного плексигласа 2, вставленного в неё под прямым углом. На левой стороне ученики располагают какой-либо чертёж, а на правой – лист белой бумаги. Плексиглас даёт зеркальное изображение иллюстрации, которое обводят на листе бумаги карандашом. Принимая условно за ось симметрии левую грань стекла, они понимают правило построения изображения в плоском зеркале.

Список используемой литературы см. в Приложении 2.