Методическая статья
статья по физике (7, 8, 9, 10, 11 класс)

«Решение исследовательских задач по физике, как инструмент развития личности ребёнка»

Е.А.Пушкарева, ГБОУ СОШ №257

Физика как учебный предмет обладает объективными возможностями для развития общих исследовательских умений и для становления и развития личности ученика при его включении в различные виды познавательной деятельности в учебном процессе.

          Исследовательская деятельность учащихся многогранна, потому её можно организовать на любом этапе изучения физики. При изучении теории; решении задач; проведении демонстрационного эксперимента; выполнении лабораторных работ.

      Темы исследовательских работ, как и ход их выполнения могут быть различными. Главное – не исследование приборов или придумывание сложных вычислений, а умение пользоваться этими приборами для доказательства и проверки достоверности законов. Ученики должны уметь правильно формулировать вывод своей работы, предоставить достоверные результаты экспериментов.

      При организации исследовательской деятельности необходимо правильно подобрать методы, средства и приемы обучения. Основной метод – продуктивный (проблемно – поисковый, эвристический), который предполагает самостоятельное усвоение знаний и способов действий, развитие творческого мышления, перенос знаний в незнакомую ситуацию, видение новой проблемы в традиционной ситуации, преобразование известных способов деятельности и самостоятельное создание новых.

Физика –это наука, позволяющая решать огромное количество исследовательских задач. Хочу привести пример одной из них.

Теоретический минимум для исследовательской задачи

Первоначальные сведения о строении вещества

Молекулы.

Все вещества в разных условиях могут быть подразделены на три состояния: твердое, жидкое и газообразное. Чтобы убедиться в этом, приведите пример различных состояний тел и выполните задание, представленное на рисунке 1.

Рис. 1. Из каких веществ могут состоять твердые вещества.

Всякое вещество состоит из молекул или атомов в различных энергетических состояниях.

Молекула какого-либо вещества — это самая мелкая частица вещества, существующая в обычных условиях и при этом сохраняющая все признаки этого вещества. На рисунке 2 можно увидеть молекулу вещества.

Рис. 2. Молекула вещества

Средняя цифра для размера t молекулы— порядка 1х10-9 м. Весьма трудно наблюдать размеры настолько малые, как 10-9 м. Это означает, что одна тысяча миллионов молекул, помещенных рядом, растянется вдоль однометровой линейки. Тысячу миллионов также почти невозможно пред¬ставить.

Молекула может состоять из группы еще более малых частиц, назы-ваемых атомами. Например, молекула водорода (газа) состоит из двух ато¬мов водорода, соединенных между собой (рисунок 3).

Рис. 3. Молекулы водорода, кислорода, воды, азота, озона и углекислого газа.

На видео представлена динамика молекул воды, аммиака, метана и т.д.:

Молекулы могут состоять из одного атома, как в инертном газе аргоне, из двух одинаковых атомов, соединенных вместе, как в случае с газом кислородом, или же из малой группы атомов, соединенных между собой, как в случае с водой, молекула которой состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Очень большие группы атомов тоже могут соединяться друг с другом, образуя полимеры, и т. д.

Кроме того, молекулы любого вещества постоянно двигаются, причем делают это по-разному. Пример движения молекул можно увидеть на рисунке 4.

Рис. 4. Движение молекул.

Молекулы невозможно увидеть невооруженным глазом. Они настолько малы, что их нельзя разглядеть даже с помощью микроскопа, дающего 1000-кратное увеличение.

Биологам известны микроорганизмы (например, бактерии) размером 0,001 мм. Молекулы же в сотни и тысячи раз меньше.

Для определения размеров молекул были проведены разные опыты. Опишем один из них:

В чисто вымытый большой сосуд налили воду и на ее поверхность поместили каплю масла. Масло начало растекаться по поверхности воды, образуя пленку. По мере растекания масла толщина пленки становилась все меньше и меньше. Через некоторое время растекание прекратилось. Если предположить, что это произошло из-за того, что все молекулы масла оказались на поверхности воды, то для определения диаметра молекулы достаточно найти толщину образовавшейся пленки.

Толщина пленки равна отношению ее объема V к площади S: h=V/S.

Объем пленки - это объем той капли, которую поместили на поверхность воды. Его измеряют заранее; для этого пользуются измерительным цилиндром - мензуркой. 

В описываемом опыте капля имела объем V = 0,0009 см3, а площадь образовавшейся из нее пленки была равна S = 5500 см2. Подставив эти значения в формулу, получим h = 0,00000016 см. Этим числом и выражается примерный размер молекулы масла. На рисунке 5 представлен примерный размер молекулы.

Рис. 5. Примерный размер молекулы.

Молекулы одного и того же вещества одинаковы во всех агрегатных состояниях (рисунок 6).

Рис. 6. Молекула воды в различных агрегатных состояниях вещества.

Исследовательская задача «Диффузия»

1. Информация по теме (прочитайте внимательно данную информацию, обратите внимание на важные мысли в тексте, дополнительно выделите важную информацию)

Для того чтобы понять, что такое диффузия, достаточно представить, как к столу подается какое-нибудь вкусно пахнущее блюдо, например, горячая курочка гриль, источающая чудный аромат ужина. Представили? Ну что, слюнки потекли? Так вот этот чудесный манящий запах курочки распространяется от тарелки по воздуху к нам именно благодаря явлению диффузии. Оторвемся на минуточку от вкусного образа и вернемся к физике и диффузии, чтобы понять как же все это, собственно, происходит.

Как происходит диффузия? Как мы знаем, молекулы любого вещества находятся на некотором расстоянии друг от друга и беспрерывно хаотично движутся. Именно поэтому отдельные молекулы курочки (как ни странно это звучит) хаотично перемещаясь, проникают в промежутки между молекулами воздуха, сталкиваются с ними и, таким образом, перемещаются все дальше и дальше от источника, т.е. от блюда с вкуснятиной. Это и есть явление диффузии.

Диффузия в газах и жидкостях происходит легче и быстрее, чем диффузия в твердых телах, так как молекулы в газах и жидкостях, соответственно, движутся свободнее, и расстояние между ними больше, чем в твердом теле. Экспериментальным путем были измерены скорости молекул газов- при комнатной температуре она составляет 400-500 м/с.

Где диффузия происходит быстрее? На уроках физики в седьмом классе вы наверняка проделаете несколько интересных и красивых опытов, наглядно показывающих явление диффузии в жидкостях и газах. Но можно проделать элементарные опыты и самостоятельно дома. Для этого берем стакан с водой и несколько крупинок обыкновенной марганцовки, йода или зеленки. Опускаем крупинки в воду и наблюдаем, как марганцовка, растворяясь в воде, постепенно занимает все больший объем стакана, до тех пор, пока не окрасит всю воду в равномерно розовый цвет. Это пример диффузии в жидкостях, который демонстрирует диффузию наглядно и показывает, что в жидкостях диффузия происходит медленнее, чем в газах.

Вспомните пример с курочкой, в котором запах достигает вас буквально через несколько секунд, и сравните с растворением марганцовки в воде, которой требуется несколько минут, чтобы окрасить всю воду.  Таким образом , в газах скорость распространения диффузии достигает несколько метров в секунду, а в жидкостях- всего несколько сантиметров. Ну а в твердых телах диффузия происходит еще медленнее. Простой и доступный каждому пример – это взять два куска разноцветного пластилина и разминая их в руках, наблюдать, как смешиваются цвета. А, соответственно, без внешнего воздействия, если просто прижать два куска друг к другу, потребуются месяцы или даже годы, чтобы два цвета хоть немного перемешались, так сказать, проникли один в одного.

Примеры диффузии в природе. Примером диффузии в природе может служить принципиально важный для жизни процесс – дыхание. Именно благодаря диффузии кислород из легких попадает в кровь, а из крови – в органы и ткани организма. Благодаря диффузии выдыхаемый нами углекислый газ не скапливается вокруг нас, а рассеивается в пространстве и смешивается с кислородом, поэтому мы можем длительное время спокойно дышать в закрытой комнате без ветра. Однако, время от времени все равно необходимо проветривать комнату и впускать свежий воздух, насыщенный кислородом, который опять же благодаря диффузии, быстро распространяется по всему объему комнаты.

2. Анализ информации, выделение противоречий, формулировка проблемного вопроса и гипотезы исследования.

1.  Какие противоречия вы обнаружили в тексте? Запишите

2. Какие факты сравниваются в данном тексте? Запишите

3. Какую проблему вы можете сформулировать ? Запишите

4. Какие особенности явления диффузии можно было бы проверить на практике?

5. Какую гипотезу можно сформулировать для исследования? Запишите

6. Какие принадлежности будут необходимы для экспериментальной проверки гипотезы? Сделайте схематический рисунок для проведения эксперимента.

3. Помощь для формулировки гипотезы и планирования эксперимента

Медленно      быстро      жидкости       газы  температура

 400 м/с                                 3 м/с                                2 см/с

4. Экспериментальная проверка гипотезы

1.   Запишите последовательность действий при проведении эксперимента

2.  Запишите значения измеряемых величин в ходе эксперимента и условия их получения

3. Придумайте таблицу для записи данных. Таблица должна дать возможность сравнения величин при разных условиях.

4.  Сформулируйте вывод о подтверждении или  опровержении гипотезы.

Исследование выполнил____________________________

Дата проведения исследования _________________________

»

Доклад по теме «Исследование скорости диффузии в разных агрегатных состояниях вещества»

1. Теоретический обзор (общие сведения о строении вещества и движении молекул)
2. Сущность явления диффузии, ее особенности
3. Цели и задачи исследования
4. Гипотеза исследования
5. Описание эксперимента по проверке гипотезы
6. Результаты эксперимента (данные, таблицы и расчеты), и выводы о подтверждении или опровержении гипотезы
7. Использование результатов исследования на практике

На будущее.

Допустим, вы только что приготовили кофе, но до начала урок осталось 5 минут. Если вы хотите принести кофе в класс как можно более горячим, то когда наливать сливки- сейчас или уже в классе? Когда класть сахар? Когда и как долго его размешивать? Стоит ли класть в чашку ложку или нет? Имеет ли значение какая это ложка- пластмассовая или металлическая? Изменился ли ваш ответ , если сливки были ьы не белыми , а черными? Зависит ли ответ от цвета чашки?

*Для исследования предложенной задачи необходимо ознакомиться с информацией по теме «Теплопроводность, испарение