Элективные курсы в профильной школе

Измерения в физике

Пояснительная записка

Программа элективного курса предназначена для учащихся 10 классов, изучающих физику как на базовом уровне, так и на профильном уровне. Элективный курс рассчитан на 34 часа в год (1 час в неделю). Включенная в Обязательный минимум содержания образования по физике, экспериментальная подготовка, занимает важное место в учебном процессе. В современной концепции физического образования особое внимание уделяется необходимости освоения учащимися научного метода познания, в том числе и его экспериментальной составляющей. В связи с введением профильного обучения на старшей ступени образования возникает необходимость внедрения дополнительных спецкурсов, направленных на формирование как общекультурных, так и предметных компетенций. Основным принципом реализации концепции профильного образования является дифференциация образования. При этом ученик получает возможность выстраивать свою индивидуальную образовательную траекторию. Данный элективный курс будет интересен  учащимся, изучающим физику на базовом уровне, так как позволит скомпенсировать уменьшение часов, отводимых на изучение предмета в рамках программ базового уровня. Особый интерес курс «Измерения в физике» представляет для учеников, выбирающих изучение физики на углубленном уровне и ориентированных на поступление в технические ВУЗы.  В рамках данного курса учащиеся получают более полное представление о методах измерения физических величин, принципах действия измерительных приборов, способах обработки результатов измерений и видах их представления; приобретают навыки планирования  и организации экспериментальной деятельности, выбора рационального метода измерений и анализа полученных результатов, опыт самостоятельного выполнения экспериментов, решения заданий исследовательского типа. Для учащихся, изучающих физику на профильном уровне, также большой интерес представляют методики решения практико-ориентированных заданий, аналогичных заданиям, предлагаемым ЕГЭ.

Цели курса - создание условий для формирования и развития:

• интеллектуальных и практических умений в области физического эксперимента,
• умения самостоятельно производить физические измерения,
• умения оценивать точность измерения,
• умения самостоятельно планировать лабораторный эксперимент, обрабатывать результаты, анализировать и представлять полученные результаты,
• умения работать в группе, вести дискуссию, отстаивать свою точку зрения.
• Задачи курса:

1. Формирование и развитие у учащихся:

• интереса к изучению физики,
• интереса к практическому проведению экспериментов и исследований, позволяющих исследовать явления природы и проверять физические законы на практике,
• умения работать в группе, представлять результаты эксперимента, отстаивать свою точку зрения.

2. Приобретение конкретных умений:

• пользоваться измерительными приборами,
• оценивать погрешность прямых и косвенных измерений,
• планировать проведение экспериментальной работы, отбирать необходимое лабораторное оборудование,
• предоставлять результаты измерений в виде таблиц и графиков,
• анализировать полученные результаты, делать выводы.

3. Формирование знаний:  

• о способах измерения физических величин,
• устройства и принципов работы измерительных приборов
• правил работы с измерительными приборами
• правил вычисления абсолютной и относительной погрешности прямых и косвенных измерений, записи результата измерения с учетом погрешности.

Методы и формы работы, а также средства обучения, определяются содержанием курса. Элективный курс предусматривает как теоретические занятия, знакомящие учащихся с основами теории погрешностей, так и практические работы, позволяющие освоить определение погрешностей на практике. Особое внимание уделяется обработке результатов измерения, умению представлять информацию в табличном и графическом виде, анализировать полученные результаты и делать выводы. Курс сопровождается выполнением лабораторных работ по темам, соответствующим программе физики 10 класса. Выполнение лабораторных работ предусматривает как групповую форму работы, так и индивидуальную. При этом возможно дифференцирование по уровню изучения предмета: учащиеся либо работают по готовому описанию лабораторной работы, либо самостоятельно планируют и проводят исследование в соответствии с поставленной целью. Основным средством обучения является индивидуальный лабораторный стол ученика, оснащенный необходимым оборудованием. Полный перечень оборудования приведен в Приложении 1.

Общие рекомендации по проведению курса:

• Перед выполнением лабораторных работ необходимо проведение инструктажа по технике безопасности.
• Перед каждой лабораторной работой необходимо организовать повторение теоретического материала по теме работы.
• Для организации работы учащихся, изучающих физику на базовом уровне, рекомендуется использовать инструкции по проведению практических и лабораторных работ. Для  учеников, изучающих предмет на профильном уровне, по мере формирования навыков предлагать самостоятельно планировать проведение лабораторной работы.
• Для учащихся, изучающих физику на базовом уровне, рекомендуется в большей степени использовать групповые формы работы, а для  учеников, изучающих предмет на профильном уровне,  - самостоятельные и индивидуальные формы работы.
• Перечень лабораторных работ может быть изменен, исходя из профиля обучения  и наличия лабораторного оборудования.

Содержание курса

1. Введение. (8 часов)

Физические величины и их измерение, погрешности прямых и косвенных измерений, обработка результатов измерений, построение графиков.

2. Измерения в механике. (9 часов)

Лабораторный практикум по измерению механических величин: ускорения, силы, работы, коэффициента трения, жесткости.

3. Измерения в молекулярной физике. (14 часов)

Измерение температуры и тепловых величин. Лабораторный практикум по измерению тепловых характеристик вещества, изучению газовых законов, измерению модуля Юнга, коэффициента поверхностного натяжения, диаметра капилляров.

Список практических и лабораторных работ с указанием лабораторного оборудования и материалов, необходимых для проведения работ приведен в Приложении 1.

Учебно-тематический план

Краткое содержание тем

1. Физические величины и их измерения (1 час)

Система СИ, измерения физических величин, прямые и косвенные измерения, абсолютная  и относительная погрешность.

Приборами для измерения линейных размеров: штангенциркуль и микрометр.

Практическая работа: изготовление модели шкалы нониуса штангенциркуля из бумаги.

2. Практическая работа «Измерение массы, объема, линейных размеров» (1 час)

Измерение массы жидкости и твердого тела (стального шара), объема жидкости и твердого тела методом вытеснения, линейных размеров с помощью линейки, штангенциркуля и микрометра. Оценивание абсолютной и относительной погрешности измерения на примере измерения линейных размеров.

3. Погрешности прямых однократных измерений (1 час)

Границы прямых однократных измерений,  класс точности измерительных приборов, оценка границ абсолютной погрешности, систематические и случайные погрешности, способы уменьшения погрешностей.

Практическая работа: «Измерение силы тока и оценка границ абсолютной и относительной погрешности»

Цель: Определить класс точности измерительного прибора, определить границу систематических погрешностей, измерить силу тока, оценить значение границ абсолютной и относительной погрешности.

4. Оценка границ случайных погрешностей измерения (2 часа)

Случайные погрешности, закон Гауссовского распределения, средне-квадратичное отклонение, граница случайных погрешностей.

Лабораторная работа «Изучение движения тела, брошенного горизонтально»

Цель: Приобретение умений выполнять теоретический анализ экспериментальной задачи, находить среднее значение измеряемой величины и оценивать границы случайных погрешностей на примере измерения дальности полета тела, брошенного горизонтально.

5. Обработка результатов измерения (1 час)

Значащие числа, правила округления погрешности измерения и результатов измерения, определение погрешности табличных данных и универсальных постоянных, оценка границ косвенного измерения.

Практическая работа: вычисление погрешности измерения скорости тела, брошенного горизонтально (с использованием результатов измерений, проведенных на предыдущем занятии).

6. Практическая работа «Измерение линейных размеров, площади и объёма» (1  час)

Измерение периметра и площади прямоугольника, объёма прямоугольного бруска, диаметра и объёма шара, диаметра и площади круга. Вычисление погрешности косвенных измерений.

7. Построение графиков (1 час)

Роль графиков в исследовании: наглядное представление зависимости между физическими величинами, упрощение усреднения, экстраполяция обнаруженной зависимости за пределы экспериментально исследованного интервала. Указание границ погрешностей на графике.

Практическая работа: построение графика зависимости массы от объема с использованием результатов измерения массы стальных шаров (Тема №2) и их объёма (Тема №6).

8. Лабораторная работа «Измерение коэффициента трения скольжения» (1 час)

Цель работы: измерить коэффициент трения скольжения деревянного бруска по деревянной поверхности, научиться использовать график для усреднения результата.

9. Лабораторная работа «Измерение ускорения свободного падения» (1 час)

Цель работы: измерить ускорение свободного падения с помощью прибора для изучения движения тел. Сравнить погрешность определения временных интервалов с помощью секундомера и с помощью электромагнитного отметчика. Обосновать выбор способа измерения ускорения свободного падения

10. Практическая работа «Измерение механической работы» (1 час)

Измерение работы постоянной силы, направленной горизонтально и направленной под углом к горизонту, измерение работы силы тяжести и силы упругости пружины динамометра. Отработка умения проводить косвенные измерения и вычислять погрешность косвенных измерений. Вычисление погрешности физической величины, определяемой с помощью тригонометрических функций.

11. Лабораторная работа «Проверка закона сохранения энергии при действии силы тяжести и силы упругости» (1 час)

Цель работы: измерить максимальную скорость тела, колеблющегося на пружине, с использованием закона сохранения энергии двумя разными способами и сравнить результат с учетом точности измерения.

13. Лабораторная работа «Изучение движения тела по окружности под действием силы тяжести и силы упругости» (1 час)

Цель работы: проверить справедливость второго закона Ньютона для движения тела по окружности под действием нескольких сил.

В работе необходимо убедиться, что при движении тела (конического маятника) по окружности под действием нескольких сил их равнодействующая равна произведению массы на ускорение. Отрабатывается прием сравнения левой и правой части равенства с учетом погрешности измерения.

14.Выполнение и защита зачетной работы (4 часа)

Учащиеся получают задание выполнить небольшое исследование. Проводят теоретическое обоснование, планируют эксперимент, подбирают необходимое оборудование, выполняют исследование, оформляют отчет и проводят защиту своей работы перед другими учениками. Работа может проводиться как в группе, так и индивидуально, в зависимости от уровня подготовки учеников. Список возможных заданий приведен в Приложении 2.

15. Измерение тепловых величин (2 часа)

Тепловые величины: температура, количество теплоты. Измерение температуры, температурные шкалы, термометры.

Практическая работа: измерение температуры и исследование зависимости показаний термометра от внешних условий.

16. Измерение микроскопических величин: массы атома, скорости хаотичного движения молекул, количества молекул (2 часа)

Микроскопические величины и способы из измерения. Измерение массы и размера атомов и молекул, скорости теплового движения.

Практическая работа: определение массы атома алюминия с помощью измерения массы тела из алюминия  и использования ПСХЭ, определение числа атомов алюминия в теле, определение количества вещества алюминия. Измерение средней скорости теплового движения молекул газа с помощью измерения температуры, измерение числа молекул в единице объема газа (концентрации) с помощью термометра и барометра.

17. Лабораторная работа «Измерение удельной теплоты плавления льда» (1 час)

Цель работы: измерить удельную теплоту плавления льда.

Сравнить полученный результат с табличным значением. Предложить способ устранения систематической погрешности, связанной с теплообменом между водой и  стаканом калориметра.

18. Лабораторная работа «Определение удельной теплоемкости твердого тела» (1 час)

Цель работы: определить удельную теплоемкость металлического цилиндра. Произвести учет тепловых потерь на теплообмен между водой и калориметром.

19. Лабораторная работа «Измерение КПД установки с нагревателем – спиртовкой» (1 час)

Цель работы: измерить КПД установки с нагревателем - спиртовкой

20. Лабораторная работа «Изучение изотермического процесса» (1 час)

Цель работы: экспериментально проверить закон Бойля-Мариотта путем сравнения параметров газа в двух термодинамических состояниях.

21. Лабораторная работа « Изучение изобарного процесса» (1 час)

Цель работы: сравнить отношение объёмов воздуха в двух состояниях с отношением температур при постоянном давлении.

22. Лабораторная работа «Измерение модуля Юнга резины» (1 час)

Цель работы: измерить модуль упругости (Юнга)  резины, построить график растяжения резины.

23. Лабораторная работа «Измерение диаметра капилляра» (1 час)

Цель работы: измерить средний диаметр капилляров с использованием капиллярной трубки. Оценить средний диаметр капилляров фильтровальной бумаги и ткани.

24. Лабораторная работа «Измерение коэффициента поверхностного натяжения» (1 час)

Цель работы: измерить коэффициент поверхностного натяжения воды через измерение массы капли и диаметра пипетки. Определить коэффициент поверхностного натяжения через измерение высоты подъема жидкости в капиллярной трубке. Сравнить результаты.

25. Лабораторная работа «Измерение влажности воздуха» (1 час)

Цель работы: измерить относительную влажность воздуха в помещении с помощью термометра и психрометрической таблицы и по точке росы. Сравнить полученные значения.

26. Выполнение и  защита зачетной работы (4 часа)

Учащиеся получают задание выполнить небольшое исследование. Проводят теоретическое обоснование, планируют эксперимент, подбирают необходимое оборудование, выполняют исследование, оформляют отчет и проводят защиту своей работы перед другими учениками. Работа может проводиться как в группе, так и индивидуально, в зависимости от уровня подготовки учеников. Список возможных заданий приведен в Приложении 2.

Требования к уровню знаний и умений, полученных учащимися в результате прохождения элективного курса

Ученики, познакомившиеся с курсом «Измерения в физике», получат представление о методах измерения физических величин, принципах действия измерительных приборов, применяемых для измерения механических и тепловых физических величин, способах обработки и представления результатов измерения, приобретут навыки планирования и проведения физического эксперимента, научатся проводить анализ полученных результатов. Эффективность обучения отслеживается по критериям, предоставленным для трех уровней: среднего, достаточного и высокого, которые представлены в таблице.

Критерии эффективности обучения  курсу «Измерения в физике»

Оценка эффективности обучения может быть проведена как по 5-бальной системе, так и в безотметочной форме. Для проведения контрольного этапа предусмотрено время в количестве 4 часа в первом полугодии и 4 - во втором. Учащиеся выполняют зачетную работу в виде мини – исследования по механике в первом полугодии и по молекулярной физике – во втором. Рекомендуемые темы исследований приведены в Приложении 2. Результаты исследования предоставляются на итоговом занятии. Работы выполняются в группе или индивидуально, в зависимости от профиля изучения предмета. Учитель наблюдает за ходом выполнения работы и проверяет отчет о выполненном исследовании. Вывод об уровне сформированности знаний и умений делается в соответствии с критериями эффективности обучения.

Приложение 1

Список практических и лабораторных работ и необходимых приборов и материалов для их проведения

Приложение 2

Список  возможных заданий для выполнения зачетной работы

Механика.

1. Определить жесткость пружины
2. Определить КПД при равномерном подъеме тела по наклонной плоскости
3. Определить ускорение свободного падения с помощью маятника
4. Проверить выполнение правила моментов
5. Определить КПД при равномерном подъеме тела с помощью подвижного блока
6. Измерить ускорение при скольжении тела по наклонной плоскости
7. Исследовать зависимость периода колебаний груза на нити от амплитуды
8. Исследовать зависимость периода колебаний груза на нити от массы груза
9. Исследовать зависимость периода колебаний груза на пружине от массы груза

Молекулярная физика и термодинамика

1. Определить плотность воздуха в помещении
2. Определить удельную теплоемкость воды
3. Определить  массу водяных паров в помещении
4. Проверить гипотезу: сила упругости, возникающая в резиновом образце, пропорциональна удлинению
5. Определить коэффициент поверхностного натяжения мыльного раствора
6. Измерить средний диаметр капилляров фильтровальной бумаги

Список рекомендованной литературы

1. Кабардина С.И. Шеффер Н.И. Измерения физических величин. Учебное пособие. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005

2. Касьянов В.А., Коровин В.А. Физика. Тетрадь для лабораторных работ 10 класс.- М.:ДРОФА, 2005

3. Никифоров Г.Г. Погрешности измерений при выполнении лабораторных работ по физике. 7-11 классы. – М.: ДРОФА, 2004

4. Никифоров Г.Г. Готовимся к единому государственному экзамену по физике. Экспериментальные задания. – М.: Школьная пресса, 2004

5. Орлов В.А., Никифоров Г.Г. Физика. 10 класс. Тематические и итоговые контрольные работы для подготовки к ЕГЭ. Тесты. Задачи. Эксперимент. – М.:»Образование», 2006

6. Степанов С.В. Физика 10-11. Лабораторный эксперимент. Книга для учащихся. – М.: Просвещение, 2005

7. Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7-11 классах общеобразовательных учреждений. Книга для учителя. / под ред. Бурова В.А. и Никифорова Г.Г. – М.: Просвещение. Учебная литература, 1996

 Программа элективного курса по физике для 10 класса

«Измерения в физическом эксперименте»

Автор программы: Г.Л. Савинкова

Пояснительная записка

Решая задачу формирования основ научного мировоззрения, развития интеллектуальных способностей и познавательных интересов школьников в процессе изучения физики, основное внимание следует уделять не передаче сумы готовых знаний, а знакомства с методами познания окружающего мира, постановке таких проблем, которые требуют от учащихся самостоятельной деятельности по их разрешению. (Примерные программы среднего (полного) общего образования. Пояснительная записка примерной программы по физике. (Официальный текст РАО), Физика-ПС, №9/2010, стр. 3)

Общие методы научного познания обычно делят на три большие группы: 1 - методы эмпирического исследования (наблюдение, сравнение, измерение, эксперимент); 2 - методы, используемые как на эмпирическом, так и на теоретическом уровне исследования (абстрагирование, анализ и синтез, индукция и дедукция, моделирование и др.); 3 - методы теоретического исследования (восхождение от абстрактного к конкретному и др.). (Методические рекомендации по курсу регионального компонента
базисного учебного плана для старшей ступени общего образования "ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ")

Измерение в отличие от сравнения является более точным познавательным средством. Измерение есть процедура определения численного значения некоторой величины посредством единицы измерения. Ценность этой процедуры в том, что она дает точные, количественно определенные сведения об окружающей действительности. Важнейшим показателем качества измерения, его научной ценности является точность, которая зависит от усердия ученого, от применяемых им методов, но главным образом — от имеющихся измерительных приборов. В числе эмпирических методов научного познания измерение занимает примерно такое же место, как наблюдение и сравнение.

Частным случаем наблюдения является эксперимент, представляющий собой научно поставленный опыт или наблюдение явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за его ходом, управлять им, воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий.

Эксперимент предполагает вмешательство в естественные условия существования предметов и явлений или воспроизведение их определенных сторон в специально созданных условиях.

Экспериментальное изучение объектов по сравнению с наблюдением имеет ряд преимуществ: 1) в процессе эксперимента становится возможным изучение того или иного явления в «чистом виде»; 2) эксперимент позволяет исследовать свойства объектов действительности в экстремальных условиях; 3) важнейшим достоинством эксперимента является его повторяемость.

Методология эксперимента — это общая структура (проект) эксперимента, т. е. постановка и последовательность выполнения экспериментальных исследований. Методология эксперимента включает в себя следующие основные этапы:

1) разработку плана-программы эксперимента;

2) оценку измерений и выбор средств для проведения эксперимента;

3) проведение эксперимента;

4) обработку и анализ экспериментальных данных.

Предлагаемый элективный курс предназначен для овладения учащимися способами измерения физических величин и оценки точности измерений, знакомства с методологией эксперимента. Курс «Измерения в физическом эксперименте» будет полезен не только будущим физикам, но и тем, кто предполагает выбрать любую профессию, связанную с экспериментальными исследованиями, инженерными разработками, с практическим применением разнообразных измерительных приборов и устройств.

Цель курса: создание условий для формирования и развития интеллектуальных и практических умений в области физического эксперимента.

Задачи курса: развивать у учащихся

• умение самостоятельно производить физические измерения,
• умение оценивать точность измерения,
• умение самостоятельно планировать и проводить физический эксперимент, обрабатывать полученные данные, анализировать и представлять результаты эксперимента

Планируемые результаты обучения:

Учащиеся освоят:

• Общие способы проведения прямых и косвенных измерений  физических величин
• Приемы работы с измерительными приборами
• Способы оценки погрешностей при прямых и косвенных измерениях
• Способы представления экспериментальных данных в виде таблицы и графика

Учащиеся получат представление:

• О методологии эксперимента
• О правилах научной коммуникации

Учащиеся получат опыт:

• Проведения измерений с использованием измерительных приборов из школьной лаборатории
• Планирования и выполнения экспериментального исследования
• Составления отчета о проведенном эксперименте и публичного представления результатов исследования

Методы и формы работы, а также средства обучения, определяются содержанием курса. Элективный курс предусматривает как теоретические занятия, знакомящие учащихся с основами методики проведения измерений и вычисления погрешностей, так и практические работы, позволяющие освоить  проведение измерений на практике. Особое внимание уделяется планированию эксперимента, обработке результатов измерения, представлению информации в табличном и графическом виде, анализу полученных результатов. Курс сопровождается выполнением исследовательских работ по темам, соответствующим разделу «Механика». Выполнение исследовательских работ предусматривает как групповую форму работы, так и индивидуальную. Основным средством обучения является индивидуальный лабораторный стол ученика, оснащенный необходимым оборудованием. Проведение вычислений подразумевает использование учащимися калькулятора. Полный перечень оборудования приведен в Приложении 1.

Оценка уровня сформированности интеллектуальных и практических умений учащихся в области проведения измерений и выполнения экспериментальных заданий проводится с помощью самостоятельных работ  и по итогам выполнения учащимися зачетной работы. Ниже в таблице приведены уровни сформированнности интеллектуальных и практических умений учащихся в области физического эксперимента 

Учебно-тематический план

Краткое содержание тем

1. Физические величины и их измерение, погрешность измерения (1 час)

Физические величины, международная система единиц, измерения физических величин, прямые и косвенные измерения, меры и измерительные приборы, абсолютная и относительная погрешность измерения.

Знакомство с приборами для измерения линейных размеров микрометром и штангенциркулем. Проведение измерений линейных размеров с помощью линейки и штангенциркуля. Оценивание абсолютной и относительной погрешности.

Самостоятельная практическая работа (выполняется дома): изготовление  из картона модели шкалы штангенциркуля с ценой деления основной шкалы 1см, измерение длины и ширины прямоугольника с точностью до 1 мм, оценивание абсолютной и относительной погрешности измерения.

2. Практическая работа « Проведение прямых измерений. Измерение массы, объема, линейных размеров» (1 час)

Измерение массы жидкости и твердого тела (стального шара). При проведении работы используются шары разного размера. Результаты измерений в дальнейшем будут использоваться для получения массива данных.

Измерение объема жидкости с помощью измерительного цилиндра и объема твердого тела (стального шара) методом вытеснения,

Измерение толщины монеты с помощью линейки, штангенциркуля и микрометра. Использование «метода рядов» для измерения толщины монеты.

Оценивание абсолютной и относительной погрешности измерения на примере измерения толщины монеты.

3. Граница погрешности прямых однократных измерений (1 час)

Понятие границы прямых однократных измерений,  инструментальная погрешность, класс точности измерительных приборов, погрешность отсчета, погрешность метода измерений, оценка границ абсолютной погрешности, систематические и случайные погрешности, промахи, способы уменьшения погрешностей.

Практическая работа: оценка границ абсолютной и относительной погрешности при измерении силы тока.

Определение класса точности амперметра, определение границы систематических погрешностей, сборка электрической цепи и измерение силы тока, вычисление границ абсолютной и относительной погрешности. Сравнение точности измерений для различных значений силы тока.

4. Оценка границ случайных погрешностей измерения (1 час)

Случайные погрешности, закон Гауссовского распределения, средне-квадратичное отклонение, граница случайных погрешностей.

5. Практическая  работа «Оценка границ случайных погрешностей при измерении дальности полета тела, брошенного горизонтально». (1 час)

Используя установку для изучения движения тела, брошенного горизонтально, 10 раз проводят измерение дальности полета шарика, пуская его с одной и той же начальной высоты. Вычисляется среднее значение, среднеквадратичное отклонение, граница случайной погрешности, граница относительной погрешности. Вычисления проводятся для 5 и для 10 значений дальности полета. Сравнивается точность измерения в первом и втором случае.

6. Оценка границы погрешности косвенных измерений, учет погрешности при записи результатов измерения (1 час)

Значащие числа, правила округления погрешности измерения и результатов измерения, погрешность табличных данных и универсальных постоянных, оценка границ косвенного измерения.

Практическая работа: оценка границ погрешности косвенного измерения при определении скорости тела, брошенного горизонтально.

Для вычисления скорости используются результаты измерений высоты и дальности полета, полученные на предыдущем занятии. Вычисляются границы абсолютной и относительной погрешности скорости, производится округление полученных значений в соответствии с правилами записи результатов измерений.

7. Практическая работа «Проведение косвенных измерений. Измерение периметра, площади и объёма» (1  час)

Измерение линейных размеров тел и вычисление периметра и площади прямоугольника, объёма прямоугольного бруска, диаметра и площади круга, диаметра и объёма шара. Вычисление погрешности косвенных измерений. При выполнении работы используются те же стальные шары, что и во время выполнения практической работы «Проведение прямых измерений. Измерение массы, объема, линейных размеров». Результаты косвенного измерения объема шара сравниваются с результатами прямого измерения, выполненного ранее.

8. Практическая работа «Проведение косвенных измерений. Измерение механической работы»

Отработка умения проводить косвенные измерения и вычислять погрешность косвенных измерений. Вычисление погрешности физической величины, определяемой с помощью тригонометрических функций.

На основе прямого измерения силы, перемещения и угла  между направлением силы и перемещения вычисляется работа постоянной силы для случая, когда сила совпадает по направлению с перемещением, и для случая, когда не совпадает. На основе прямого измерения массы и высоты вычисляется работа силы тяжести при вертикальном подъеме груза и при подъеме с помощью наклонной плоскости.

9. Отображение экспериментальных данных на графиках (1 час)

Роль графиков в исследовании: наглядное представление зависимости между физическими величинами, упрощение процедуры усреднения, экстраполяция обнаруженной зависимости за пределы экспериментально исследованного интервала. Рациональный выбор начала отсчета и масштаба по осям. Указание границ погрешностей на графике.

Практическая работа: построение графика зависимости массы тела от его объема с использованием результатов измерения массы стальных шаров (Тема №2) и их объёма (Тема №7).

10. Практическая работа «Использование графиков для усреднения результата. Измерение коэффициента трения» (0,5 часа)

Отрабатывается умение строить график по результатам прямых измерений, отображать на графике границы погрешностей, использовать график для определения среднего значения.

Измеряются вес и сила трения деревянного бруска по деревянной поверхности с использованием нескольких дополнительных грузов.

Самостоятельная работа «Прямые и косвенные измерения» (0,5 часа)

Ответ на вопросы по теории и выполнение практического задания: измерение длины ломаной линии и площади круга, запрись результата измерения с учетом погрешности.

11. Методология эксперимента (1 час)

Гипотеза, цель эксперимента, планирование эксперимента, обоснование способа измерения, выбор оборудования, обработка результатов измерения, анализ полученных данных.

12.Исследовательская работа «Исследование жесткости при последовательном соединении пружин» (1 час)

На основе измерения удлинения и силы упругости определяется жесткость двух пружин и жесткость последовательного соединения этих пружин. Проверяется гипотеза о том, что при последовательном соединении величина, обратная жесткости равна сумме величин, обратных жесткости каждой пружины. Обсуждаются разные способы обработки результатов: усреднение с помощью графика или путем вычисления. Определяются границы погрешности, на основе анализа результатов делается вывод относительно проверяемой гипотезы.

13. Исследовательская работа «Исследование зависимости КПД подвижного блока от массы груза» (1 час)

На основе теоретического анализа высказывается гипотеза о характере зависимости КПД подвижного блока от массы груза. Обсуждается ход эксперимента, проводится выбор оборудования. Обсуждается способ представления результатов. После выполнения измерений и вычисления погрешности строится график зависимости КПД от массы груза, на котором проводится линия, соответствующая теоретической зависимости и отмечаются экспериментальные точки. На основе анализа результатов делается вывод относительно проверяемой гипотезы.

14.Выполнение и защита зачетной работы (4 часа)

Учащиеся получают задание выполнить небольшое исследование. Проводят теоретическое обоснование, планируют эксперимент, подбирают необходимое оборудование, выполняют исследование, оформляют отчет и проводят защиту своей работы перед другими учениками. Работа может проводиться как в группе, так и индивидуально, в зависимости от уровня подготовки учеников.

Список рекомендованной литературы

1. Кабардина С.И. Шеффер Н.И. Измерения физических величин. Учебное пособие. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005
2. Касьянов В.А., Коровин В.А. Физика. Тетрадь для лабораторных работ 10 класс.- М.:ДРОФА, 2005
3. Никифоров Г.Г. Погрешности измерений при выполнении лабораторных работ по физике. 7-11 классы. – М.: ДРОФА, 2004
4. Никифоров Г.Г. Готовимся к единому государственному экзамену по физике. Экспериментальные задания. – М.: Школьная пресса, 2004
5. Орлов В.А., Никифоров Г.Г. Физика. 10 класс. Тематические и итоговые контрольные работы для подготовки к ЕГЭ. Тесты. Задачи. Эксперимент. – М.:»Образование», 2006
6. Степанов С.В. Физика 10-11. Лабораторный эксперимент. Книга для учащихся. – М.: Просвещение, 2005

7. Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7-11 классах общеобразовательных учреждений. Книга для учителя. / под ред. Бурова В.А. и Никифорова Г.Г. – М.: Просвещение. Учебная литература, 1996

Информационный лист 1

Тема: Физические величины и их измерение

Значение физической величины – это произведение числового значения на единицу физической величины.

L=1,51 м=1,5 м

Размер величины для данного объекта остается постоянным и не зависит от выбора единиц измерения, а значение – зависит от выбора единицы измерения.

L=1,5 м =15 дм =150 см = 1500 мм

Мерой называют средство измерения, воспроизводящее физическую величину определенного размера.

Измерительным прибором называют средство измерения, дающее возможность непосредственно отсчитывать значение измеряемой величины.

Прямые измерения – измерения, при которых измерительный прибор дает непосредственно информацию о значении измеряемой величины.

Косвенные измерения – измерения, при которых значение измеряемой величины находят путем вычисления на основе измерения других величин.

Абсолютная погрешность измерения – модуль разности измеренного и истинного значения измеряемой величины.

Относительная погрешность измерения – отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины. Измеряется в долях или в процентах, характеризует качество измерения.

Измерения длины. Для измерения размеров малых предметов с точностью до десятых долей миллиметра применяют микрометр.

Основная деталь микрометра — стальная скоба (1) (рис.4). С одной стороны в ней закреплена неподвижная пятка (2), с другой — стебель (4). Внутри стебля помещен микрометрический винт (3), заканчивающийся с левой стороны измерительной поверхностью. С правой стороны микрометрический винт соединен с барабаном (5), охватывающим стебель микрометра. При вращении барабана вращается и микрометрический винт. Шаг винта равен 0,5 мм, поэтому измерительная поверхность винта при одном обороте барабана перемещается на 0,5 мм относительно неподвижной пятки микрометра.

На поверхности стебля нанесена продольная риска, ниже которой расположена шкала с миллиметровыми штрихами, а выше — шкала со штрихами, делящими пополам каждое миллиметровое деление нижней шкалы. По левому краю барабана нанесено 50 равноотстоящих штрихов, позволяющих определять поворот микрометрического винта с точностью до 1/50 доли оборота. Так как при одном обороте измерительная поверхность микрометрического винта смещается на 0,5 мм, при повороте на 1/50 долю оборота ее смещение равно 0,01 мм.

При смыкании измерительной поверхности микрометрического винта с поверхностью неподвижной пятки край барабана устанавливается против нулевой риски на шкале стебля. Для измерения размера детали ее помещают между пяткой и измерительной поверхностью микрометрического винта. Затем вращением барабана достигают соприкосновения измерительных поверхностей пятки и микрометрического винта с точками поверхности измеряемой детали. Для предотвращения деформации измеряемой детали силу нажатия микрометрического винта на измеряемую деталь ограничивают с помощью трещотки (б). Для этого микрометрический винт вращают с помощью трещотки и прекращают вращение с появлением звука. Микрометр дает возможность определять размер детали с точностью до 0,5 мм по шкале на стебле и с точностью до 0,01 мм по шкале на барабане микрометра против продольной риски на стебле.

Информационный лист 2

Тема: Граница погрешности прямых однократных измерений

1. Граница погрешности прямых однократных измерений

Если неизвестно истинное значение измеряемой величины, то качество измерения оценивается по максимально возможному значению абсолютной погрешности или границе абсолютной погрешности х

х показывает, что a-х  a  а+х, т.е. а = х ± х

Граница относительной погрешности ε показывает, какую долю составляет абсолютная погрешность от измеряемой величины. Граница относительной погрешности часто выражается в процентах.

ε =х/ах/х, т.к. истинное значение величины а неизвестно.

Если известна граница относительной погрешности, то граница абсолютной погрешности может быть вычислена по формуле х= εх.

2. Оценка границ абсолютной погрешности прямого однократного измерения.

Источники погрешности:

• Инструментальная погрешность, определяется классом точности измерительного прибора.

Класс точности (от 0,05 до 4) показывает максимально возможную инструментальную погрешность в % от максимального значения измеряемой величины.

Например, для амперметра класс точности ε=4%. Максимальное значение измеряемой величины Iмах=2 А.  Тогда инстр= ε• Iмах=0,04•2А=0,08А

Если класс точности прибора не указан, то считают, что инстр= цене деления шкалы.

• Погрешность отсчета – ошибка при считывании показаний прибора.

Причины: указатель расположен между делениями, линия зрения направлена не перпендикулярно шкале.

Пгрешность отсчета равна половине цены деления шкалы прибора. инстр=С/2.

• Погрешность метода измерений,

например, при взвешивании в  воздухе не учитывается действие силы Архимеда. Устраняется введением поправок или изменением метода измерения.

3. Систематические и случайные погрешности.

Систематические погрешности повторяются при каждом измерении. Граница систематических погрешностей

сист=  инстр  +отсч+метода.

Случайные погрешности – погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторении измерений одним и тем же методом.

Промахи – погрешности, которые существенно превышают систематические и случайные погрешности. Промахи исключаются из результатов измерений.

Граница абсолютных погрешностей прямых однократных измерений является суммой границы систематических и границы случайных погрешностей.

 = систем+случайн

Информационный лист 3

Тема: Оценка границ случайных погрешностей измерения

Особенности случайных погрешностей.

• Случайные погрешности изменяются от опыта к опыту не только по величине, но и по знаку. Следовательно, при нахождении среднего арифметического результатов повторных измерений случайные погрешности взаимно уничтожаются.
• Малые случайные отклонения подчиняются закону «нормального» или «гауссовского» распределения
• Мерой случайных погрешностей может служить среднее квадратичное отклонение
• Особенности закона нормального распределения: в интервал  попадает 68% результатов измерений, в интервал попадает 95 % результатов измерений, в интервал   попадает 99,7% всех результатов измерений.
• Границей случайных погрешностей единичного измерения можно считать случ=3S.
• Границей  случайных погрешностей среднего значения n измерений является

Информационный лист 3

Тема: Оценка границ случайных погрешностей измерения

Особенности случайных погрешностей.

• Случайные погрешности изменяются от опыта к опыту не только по величине, но и по знаку. Следовательно, при нахождении среднего арифметического результатов повторных измерений случайные погрешности взаимно уничтожаются.
• Малые случайные отклонения подчиняются закону «нормального» или «гауссовского» распределения
• Мерой случайных погрешностей может служить среднее квадратичное отклонение
• Особенности закона нормального распределения: в интервал  попадает 68% результатов измерений, в интервал попадает 95 % результатов измерений, в интервал   попадает 99,7% всех результатов измерений.
• Границей случайных погрешностей единичного измерения можно считать случ=3S.
• Границей  случайных погрешностей среднего значения n измерений является

Информационный лист 3

Тема: Оценка границ случайных погрешностей измерения

Особенности случайных погрешностей.

• Случайные погрешности изменяются от опыта к опыту не только по величине, но и по знаку. Следовательно, при нахождении среднего арифметического результатов повторных измерений случайные погрешности взаимно уничтожаются.
• Малые случайные отклонения подчиняются закону «нормального» или «гауссовского» распределения
• Мерой случайных погрешностей может служить среднее квадратичное отклонение
• Особенности закона нормального распределения: в интервал  попадает 68% результатов измерений, в интервал попадает 95 % результатов измерений, в интервал   попадает 99,7% всех результатов измерений.
• Границей случайных погрешностей единичного измерения можно считать случ=3S.
• Границей  случайных погрешностей среднего значения n измерений является

Информационный лист 4

Тема: Обработка результатов измерения

Результат измерения является приближенным числом по отношению к истинному значению измеряемой величины.

Правило: Приближенное значение записывают с таким числом значащих цифр, которое гарантирует верность последней значащей цифры.

Значащими цифрами являются все цифры, начиная с первой слева, не равной 0, до последней справа, включая нули. Нули, следующие из множителя   не считаются.

Пример:  g=9,81 м/с2 – 3 значащих цифры;  g=9,8 м/с2 – 2 значащих цифры;  

g=10 =1• 101 м/с2 –1 значащая цифра.

При записи результата измерения в виде х=х0±х последняя значащая цифра числа, представляющего результат измерения, должна быть того же разряда, что и последняя значащая цифра границы погрешности измерения. Остальные цифры отбрасываются с учетом правил округления.

Граница погрешности (абсолютная погрешность) приводится с одной значащей цифрой.

Две значащие цифры необходимо сохранить, если первой значащей цифрой, характеризующей величину погрешности будут 1 или2.

Правило: В промежуточных вычислениях сохраняют больше значащих цифр. Округление производят после того, как определена граница погрешности измерения.

Для справочных и табличных данных погрешность составляет 5 единиц разряда, следующего после последнего указанного.

Пример: =1,0 г/см3,    =0,05 г/см3

        =1,00 г/см3,    =0,005 г/см3

Для универсальных постоянных  погрешность равна погрешности их округления.

Пример:  π=3,141593…   если  π=3,14, то  π=0,0016;   если    π=3,142, то  π=0,0006

Программа элективного курса профильного обучения

«Основы электротехники»

Пропедевтика вузовской спец. дисциплины

 «Теоретические основы электротехники»

Пояснительная записка

Элективный курс профильного бучения «Основы электротехники» является краткосрочным тематическим курсом, который предлагается учащимся на основе выбора из избыточного списка. Процедура выбора, сопровождаемая педагогическим консультированием, является одним из элементов  формирования индивидуальной образовательной траектории обучающихся и позволяет формировать один из результатов обучения на старшей ступени в системе профильного бучения: готовность делать ответственный выбор.

По своему содержанию элективный курс «Основы электротехники» представляет собой пропедевтику вузовской дисциплины «Теоретические основы электротехники» и дает старшеклассникам возможность оценить степень своей готовности к обучению данной специальности чрез опыт выполнения практических заданий.

Цели программы:

• сформировать у учащихся умение решать ключевые задачи основных разделов курса «Теоретические основы электротехники», представлять информацию в виде схем, рисунков и чертежей;
• оказать учащимся поддержку в принятии решения о выборе направления дальнейшего обучения, связанного с техническим содержанием, подготовить старшеклассников к обучению в технических ВУЗах.

Планируемые образовательные результаты:

Учащиеся, прослушавшие данный курс, должны

• демонстрировать понимание физических принципов действия следующих элементов электрической цепи: конденсатора, резистора, реостата, источников тока, электронно-вакуумных приборов, генератора переменного тока, трансформатора;
• применять на практике принцип суперпозиции для расчета электрических полей системы точечных зарядов, заряженных плоскостей и сферических поверхностей; закон Ома, правила последовательного и параллельного соединения элементов цепи, правила Кирхгофа для расчета электрических цепей постоянного и переменного тока;
• объяснять поведение электронных пучков в электрическом и магнитном поле; процессы, происходящие в цепях переменного тока со смешанной нагрузкой; трансформацию переменного тока;
• представлять информацию, необходимую для расчетов, в виде схематического рисунка и чертежа.

Описание способа оценки планируемых результатов:

Изучение курса построено на основе модели обучения в ВУЗе и включает в себя лекции, практические занятия и выполнение индивидуальных расчётно-графических работ (РГР) по каждой теме курса.

Расчетно-графическая работа представляет набор типовых задач по теме. Работа включает в себя как расчетную, так и графическую часть. Задания являются индивидуальными для каждого ученика и отличаются набором значений исходных данных для расчетов.

Обучающийся считается успешно окончившим курс при условии верного выполнения не менее 70% от общего количества заданий РГР.

Описание оснований для отбора содержания образования:

Курс «Основы электротехники» включает изучение следующих тем:

1. Электрическое поле системы неподвижных зарядов;
2. Расчёт электрических цепей постоянного тока;
3. Электронные пучки;
4. Особенности цепей переменного тока.

Отбор содержания курса «Основы электротехники» обусловлен тематикой и содержанием типовых задач, решение которых приводит к пониманию принципов действия основных электротехнических устройств: конденсатора, резистора, реостата, источников тока, электронно-вакуумных приборов, генератора переменного тока, трансформатора.

Изучение каждой темы включает в себя мини-лекцию, практические занятия и выполнение индивидуальной расчётно-графической работы (РГР). Лекция в форме эвристической беседы служит для актуализации знаний и сообщения нового учебного материала по теме. Практические занятия направлены на решение типовых задач, содержание которых способствует формированию представлений о принципах устройства и работы основных элементов электрической цепи. При этом используются проблемно-поисковые методы обучения, групповые и индивидуальные формы работы.

Расчетно-графические работы представляют набор ключевых задач по каждой теме, которые необходимо уметь решать для успешного освоения спецдисциплины «Теоретические основы электротехники».

Характеристика ресурсов:

Реализация программы данного курса опирается на использование учебника для углубленного изучения физики под редакцией Г. Я. Мякишева [1] и подборки тематических задач (Приложение 1) из задачников [2], [3], [4]. Задания для расчета комбинированных видов соединений резисторов и источников тока для РГР №3 составлены с использованием дидактического материала «Простые электрические цепи» Е.Э Боровского из сборника «Я иду на урок физики. 10 класс. Электродинамика» (Составитель Н.Ю. Милюкова) [5].

Индивидуальные задания для РГР разработаны с учетом максимальной наполняемости группы 24 человека (Приложения 2, 3, 4, 5, 6). Для разработки индивидуальных заданий РГР и создания массива ответов для проверки заданий использовались электронные таблицы EXCEL.

Обучающиеся при выполнении практических заданий и индивидуальных РГР используют калькуляторы и чертежные принадлежности. Возможным вариантом выполнения работ является проведение расчетов с использованием электронных таблиц EXCEL и графических редакторов для выполнения графической части индивидуального задания.

Элективный курс рассчитан на 17 часов (1 час в неделю) в течение полугодия. Выполнение индивидуальных расчетно-графических работ может потребовать дополнительной работы обучающихся во внеурочное время (домашняя работа). Для оперативного оказания консультативной и методической помощи обучающимся при прохождении курса методические материалы размещаются на странице сообщества «Физика 176» (http://vk.com/club58324565) и организуется дистанционное обсуждение хода выполнения работ и возникающих при этом трудностей.

Тематическое планирование

Введение. (1 час) Введение в электротехнику: исторический аспект развития электротехники, вклад российских ученых, связь физической теории с практической реализацией на примере электротехнических приборов и устройств.

Тема 1. (5 часов) Электрическое поле системы неподвижных зарядов: действие электрического поля на заряд, принцип суперпозиции электрических полей, напряженность и потенциал электрического поля системы точечных зарядов, равномерно заряженных параллельных плоскостей, равномерно заряженных концентрических сферических поверхностей.

Практическая деятельность учащихся: расчет электрических полей системы точечных зарядов, заряженных плоскостей и сферических оболочек, графическое изображение полей.

Тема 2. (4 часа) Расчет электрических цепей постоянного тока: резистор, сопротивление резисторов, соединения резисторов; изменение силы тока и напряжения с помощью реостата; конденсатор как элемент электрической цепи, емкость конденсатора, соединения конденсаторов,конденсатор в цепях постоянного тока; источники тока, ЭДС и внутреннее сопротивление, соединения источников тока; правила Кирхгофа для расчета сложных электрических цепей, преобразование цепей «звезда» - «треугольник».

Практическая деятельность учащихся: расчет силы тока и напряжения на элементах сложных электрических цепей графическое изображение элементов электрических цепей и  их соединений.

Тема 3. (3 часа) Электронные пучки: поведение электронных пучков в электрическом и магнитном поле, принципы действия электронно-лучевой трубки, масс-спектрографа, циклотрона, магнитной ловушки.

Практическая деятельность учащихся: расчет движения заряженной частицы в электрическом и магнитном поле; графическое изображение полей и характеристик движущейся заряженной частицы.

Тема 4. (4 часа) Особенности электрических цепей переменного тока: векторные диаграммы для описания процессов, происходящих в цепях переменного тока; принцип действия генератора переменного тока, нагрузка в цепях переменного тока; явление резонанса в цепях переменного тока и его практическое применение; трансформация переменного тока.

Практическая деятельность учащихся: расчет цепей переменного тока; изображение характеристик переменного тока с помощью векторных диаграмм и графиков.

Учебно – тематическое планирование

Развернутое учебно-тематическое планирование с указанием содержания изучаемого материала, количества часов, формы организации занятия, формы контроля и требований к уровню знаний и умений по каждой теме приведено в Приложении 7.

Список литературы для учителя:

1. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. Учебник для углубленного изучения физики.- М., Дрофа, 2006
2. Отличник ЕГЭ. Физика. Решение сложных залач. Под ред. В. А.Макарова, М.В. Семенова, А.А. Якуты; ФИПИ.- М.: Интеллект-Центр, 2011
3. Парфентьева Н.А. Сборник задач по физике для 10-11 классов общеобразовательных учреждений.- М., «Просвещение», 2007
4. Сборник задач по физике для 10-11 классов общеобразовательных учреждений. Составитель Г.Н. Степанова.- М., «Просвещение», 2003
5. Я иду на урок физики. 10 класс. Электродинамика. Книга для учителя. Составитель Н.Ю. Милюкова.- М., «Первое сентября», 2002, стр 110

Список литературы для обучающихся:

1. Бутиков Е.И., Кондратьев А.С., Физика для углубленного изучения, - М.: Физматлит, 2004.
2. Журнал «Квант» электронный ресурс http://kvant.mirror1.mccme.ru/
3. Зильберман Г.Е. Автор: Электричество и магнетизм,- М.: Наука, 1970
4. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. Учебник для углубленного изучения физики.- М., Дрофа, 2006
5. Трубецкова С.В. Физика: вопросы – ответы, задачи – решения, - М.: Физматлит, 2003