«Новое использование исследовательских работ обучаемых на уроке и дома».
методическая разработка по физике (8 класс)

Методическая разработка по физике

«Новое использование исследовательских работ обучаемых на уроке и дома».

Показана актуальность использования исследовательских работ учащихся на занятиях.

В.В. ПЕЩЕРКИНА s.pescherkina@mail.ru,

 МОУ СОШ  с УИОП № 4,  г. Фрязино, Московская обл.  

Исследовательские работы на уроках физики можно применять в целом ряде аспектов:

– в качестве наглядного экспериментального материала, подтверждающего справедливость теоретических научных положений;

– в качестве наглядного материала, позволяющего обучать поэтапному проведению исследовательской работы, которая включает в себя: • определение проблемы и вытекающих из неё задач исследования • выдвижение гипотезы их решения • обсуждение методов исследования, • проведение исследования (снятие измерений или сбор данных) • систематизацию данных • представление результатов в виде таблиц, схем, графиков • анализ полученных данных • оценку результатов • формулировку выводов • оценку практической значимости данной работы;

– в качестве наглядного материала, дающего представление об интерпретации экспериментальных данных, вписывающихся в рамки определённых физических моделей;

– в качестве методического материала для развития творческого мышления обучающихся,  способности анализировать явления и искать им  научное объяснение, что усиливает интерес к учебному предмету и повышает эффективность обучения.

Рассмотрим  примеры.

1. Исследовательская работа как теоретическое дополнение к учебнику. При изучении темы «Тепловые явления» в 8-м  классе школьники, выполняя лабораторные работы № 1 «Сравнение количеств теплоты при смешивании воды разной температуры» и № 2 «Измерение удельной теплоёмкости твёрдого тела», встречаются с тем, что количество теплоты, отданное горячей водой, превосходит количество теплоты, полученное холодной водой, так как часть энергии в виде потерь рассеивается в окружающую среду.

Для разрешения этой проблемы целесообразно использовать в качестве методического пособия исследовательскую работу Драницына Виталия* «Исследование зависимости мощности тепловых потерь воды в открытом калориметре от разницы температур воды и окружающей среды». Обучающиеся получают доступ к электронной версии этой работы и могут изучать её как в школе на уроке, так и дома.

*Работа доложена на областной конференции «Юный исследователь»,  г. Электросталь, 2012 г.

Обучаемый, используя программу Excel, построил по результатам эксперимента  графики:

1. зависимости разности температур воды и окружающей среды Dt от времени t (рис. 1):

2) зависимости мощности тепловых потерь воды Р в окружающую среду от разности температур воды и окружающей среды  ∆t (рис. 2):

Из графика (см. рис. 2) следует, что по мере остывания воды, то есть с уменьшением ∆t, уменьшается мощность тепловых потерь Р.

В связи с этим при выполнении соответствующих лабораторных работ на проверку справедливости  закона сохранения энергии целесообразно внести поправку в уравнение теплового баланса, а именно – учесть количество теплоты, отданное окружающей среде.

Мощность тепловых потерь можно найти непосредственно из графика или по формуле:

Р = k (tводы в калориметре – tокружающей среды),

где k = tga – числовой коэффициент, справедливый  для данной установки (a– угол наклона графика).

Уравнение теплового баланса имеет вид:

Qотд.гор. водой = Qполуч.хол. водой + k ·Dt · tуст.равн,

где tуст.равн= 60 с – время установления теплового равновесия. Для открытого школьного калориметра, содержащего 200 г воды, k = 10 Вт/25 °С = 0,4 Вт/°С.

Методика позволяет рассчитать коэффициент k для калориметра любого типа.

Результаты этой исследовательской работы можно использовать и при решении задач типа: «В стакан, содержащий 200 г воды, опускают нагреватель мощностью 50 Вт. Максимальная температура воды после длительного нагревания составляет 55 °С. За какое время вода в стакане остынет на 1 °С  после выключения нагревателя?»

При решении любой задачи нужна «зацепка», от которой можно оттолкнуться. В данной задаче «зацепкой» может служить ответ на вопрос: «Почему максимальная температура воды после длительного нагревания перестала изменяться?»

Изучив исследовательскую работу, обучающиеся получили дополнительное знание: при достижении определённой разности температур воды и окружающей среды мощность тепловых потерь стала равна мощности нагревателя, а значит внутренняя энергия воды и, следовательно, температура воды,  перестали изменяться.

2. Исследовательская работа как методическое пособие для отработки навыков исследовательской деятельности.  При изучении темы «Расчёт количества теплоты, поглощаемого веществом при нагревании и выделяемого им при охлаждении» в качестве задания 8-классникам можно предложить исследовать процесс остывания воды в открытом калориметре. Обучаемые получают открытый калориметр с горячей водой (t = 60 °С), термометр, часы, миллиметровую бумагу, и с интервалом в 1 минуту снимают показания термометра. Затем строят график  зависимости температуры воды t от времени t и график  зависимости разности температур воды и окружающей среды Dt  от времени t. На работу отводится 20 мин.

Для проверки полученного школьниками результата, учитель проецирует на экран такой же первый график из исследовательской работы.

На следующем этапе изучается мощность тепловых потерь за равные промежутки времени в зависимости от разности температур  воды и окружающей среды. За первые 400 с вода остывает приблизительно на ∆t1 = 11 °С, за последующие 400 с на ∆t2 = 9 °С и за последние 400 с  на ∆t3 = 6 °С.

Далее учащиеся рассчитывают количество теплоты, отданное остывающей водой на каждом этапе, и среднюю мощность тепловых потерь Р:

Q1отд = cm∆t1 = 4200 Дж/(кг °С) · 0,1 кг · 11 °С = 4620 Дж;

Р1 = Q1отд / t = 4620/400 =11,6 Вт;

Q2отд = cm∆t2 = ...= 3780 Дж; Р2 = Q2отд / t = 9,5 Вт;

Q3отд = cm∆t3 = ...= 2520 Дж; Р3 = Q3отд / t = 6,3 Вт.

Реализовать данный вид деятельности обучающимся помогают спроецированные на экран расчёты из исследовательской работы. На основании произведённых расчётов школьники формулируют вывод, согласно которому мощность тепловых потерь тем больше, чем больше разность между температурой воды и окружающей среды. Как образец корректной формулировки учитель может спроецировать на экран вывод из исследовательской работы.

3. Исследовательская работа как источник графиков для решения различных физических задач. Используя графики из исследовательских работ, учитель может и сам составлять физические задачи.

Задача 1. Например, при изучении в 8-м классе темы «Тепловые явления» можно предложить учащимся по распечатанному графику зависимости разности температур воды и окружающей среды ∆t от времени t посчитать среднюю мощность тепловых потерь в начале, в середине и в конце процесса остывания воды в открытом калориметре. Затем попросить сформулировать вывод о зависимости мощности тепловых потерь воды Р от этой разности.

При использовании методики 2 обучающиеся проводили исследование и строили график. Теперь же каждый учащийся получает распечатанный график зависимости  ∆t (t), по нему снимает значения ∆t через каждые 400 с (∆t1 = 11 °С,  ∆t2 = 9 °С, ∆t3 = 6 °С), и рассчитывает количество теплоты, отданное остывающей водой на каждом временном интервале, а также среднюю мощность тепловых потерь Р.

На основании произведённых расчётов обучаемые формулируют вывод: мощность тепловых потерь тем больше, чем больше разность между температурой воды и окружающей среды.

Задача 2. При изучении темы «Удельная теплоёмкость вещества» можно предложить рассчитать  удельную теплоёмкость воды, используя графики зависимости разности температур воды и окружающей среды ∆t от времени t  (рис. 1) и зависимости мощности тепловых потерь  воды Р от ∆t  (рис. 2), выбрав в качестве рабочего интервала  ∆t от 20 °С до 15 °С.

Сначала учащиеся выводят формулу для расчёта удельной теплоёмкости с = (Р∆t)/(m∆t).

Далее по графику находят мощность тепловых потерь: Р1 = 8 Вт при ∆t1 = 20 °С, Р2 = 6 Вт при ∆t2 = 15 °С, средняя мощность в интервале разности температур с окружающей средой
Рсредняя = 7 Вт.

Так как разность температур ∆t1 = 20 °С была достигнута в момент t1 =1500 с, а ∆t2 = 15 °С –в момент t2 = 2100 с, то вода остыла на ∆t = ∆t1– ∆t2 = 5 °С за ∆t  = 600 с.

Расчёт удельной теплоёмкости воды:

своды = (Р∆t)/(m∆t) = ...= 4200 Дж/(кг · °С),

что отлично согласуется с табличным значением.