 |
Комментарии к проведению занятий
|
|
|
|
На пятом занятии студенты осваивают деятельность по составлению принципиальных схем ЭУ. Эта деятельность состоит из 20 действий, представленных в обобщенном виде. Также как и на предыдущих занятиях при описании примеров выполнения этой деятельности каждое действие конкретизируется (разбирается 6 примеров).
Разбор примеров требует от студентов большой сосредоточенности и усилий, так как в них представлено описание каждого из 20 действий. Преподаватель должен создать условия для того, чтобы студенты могли обсудить выполнение действий, задать вопросы по непонятным для них результатам их выполнения. Поэтому можно предложить студентам работать парами или небольшими группами.
Действия, прописанные в примерах курсивом, являются значимыми для овладения этой деятельностью, и на них следует обратить внимание студентов.
Предлагается первый пример разобрать совместно со студентами. В ячейках таблицы к первому примеру изображены последовательные шаги по созданию принципиальной схемы. В дальнейшем таким образом заполнять ячейки не обязательно. Можно сразу изобразить окончательный вариант принципиальной схемы ЭУ, что и сделано в последующих примерах.
Если студенты, анализируя примеры, почувствуют, что они понимают, как выполняется эта деятельность, и не захотят разбирать все приведенные примеры, то они могут приступить к выполнению задания 1.6Б.
При выполнении задания 1.6Б, целью которого является самостоятельное составление студентами принципиальной схемы ЭУ, необходимо иметь выполненное в рабочей тетради задание 1.5 для любых пяти явлений.
& Приведем примеры разработки принципиальных систем для воспроизведения явлений свободного падения, электрического тока и кавитации.
|
|
|
Задание 1.6 Б.
1. Свободное падение тел.
1. По результатам выполнения предыдущего действия устанавливаем, что ОИ - тело – должен быть вещественным объектом, причем состояние вещества не является существенным свойством.
2. Устанавливаем, что воздействующий объект является полевым, хотя и создается вещественным – планетой.
3 - 4. Чертим таблицу и указываем в каждой ячейке возможное сочетание ОИ и ВО (отмечаем «+» в правом нижнем углу):
5. По результатам выполнения предыдущего действия устанавливаем, что в экспериментальной установке элементы, с помощью которых обеспечивается начальное состояние ОИ отсутствуют.
6. Объект исследования можно поставить, подвесить, подбросить.
7. Действие не выполняется.
8. Устанавливаем, что в ЭУ управляющие элементы, с помощью которых создаются свойства ВО в начальном состоянии отсутствуют.
9. Действие не выполняется.
10. Действие не выполняется.
11. Устанавливаем, то в ЭУ должны быть управляющие элементы, с помощью которых тело фиксируется на некоторой высоте над Землей..
12. Взаимодействие ВО и тела можно осуществить, выбив из под тела подставку, пережечь или перерезать нить подвеса. В случае использования жидкости – обеспечив её вытекание из сосуда.
13. Изобразим в каждой ячейке, помеченной знаком «+», управляющие элементы, с помощью можно реализовать перечисленные способы осуществления взаимодействия между ОИ и ВО.
14. Устанавливаем (опять по результатам выполнения предыдущего действия) назначение индикатора: фиксировать положение тела над Землей.
15. Устанавливаем, что в качестве индикатора может быть исползавано любое тело отсчета – например, шкала с нанесенными делениями и устройство, фиксирующее равные промежутки времени – например, часы, стробоскоп и т.д.
16. Такой индикатор с ОИ непосредственно не связан.
|
|
|
17. Устанавливаем, что управляющих элементов, создающих специфические условия взаимодействия ОИ и ВО, в ЭУ являются элементы, обеспечивающие минимальное сопротивление среды – например, воздушный колокол.
18. а) Поместить тело или сосуд с жидкостью под воздушный колокол и откачать воздух. В этом случае возникает необходимость в управляющих элементах, удерживающих тело под колоколом и освобождающих его в соответствующий момент (например, металлический шарик, удерживаемый магнитом или электромагнитом).
б) Можно использовать обтекаемые тела с малой площадью поверхности и, исходя из того, что высота падения мала, пренебречь силами сопротивления.
19. Изобразим в каждой ячейке воздушный колокол, обеспечивающий специфические условия воздействия; в случае пренебрежения силами сопротивления колокол не изображается.
20. Контролируем составленные принципиальные схемы:
а) управляющие элементы не оказывают дополнительных неучтенных влияний на ОИ;
б) индикатор позволяет фиксировать свободное падение тел.
| ОИ ВО | Твердое тело | Жидкость | Газ |
| поле | 
| 
|
2. Электрический ток
1. По результатам выполнения предыдущего действия устанавливаем, что ОИ - заряженные тела – являются вещественным объектом, причем состояние вещества не является существенным свойством.
2. Устанавливаем, что воздействующий объект - постоянное электрическое поле - является полевым.
3 - 4. Чертим таблицу и указываем в каждой ячейке возможное сочетание ОИ и ВО (отмечаем «+», «- «или «?» в правом нижнем углу):
5. По результатам выполнения предыдущего действия устанавливаем, что в экспериментальной установке должны быть элементы, с помощью которых обеспечивается начальное состояние ОИ – элементы, с помощью которых объекты получают электрический заряд.
6. Заряд о бъекту исследования можно сообщить с помощью электризации трением, соприкосновения с заряженными телами, фотоэффекта, термоэлектрической эмиссии, радиации.
7. Изображаем в каждой ячейке, помеченной знаком «+», ОИ.
8 - 9. Устанавливаем, что в ЭУ управляющие элементы, с помощью которых создаются свойства ВО в начальном состоянии, являются элементы, создающие постоянное электрическое поле – например, источник постоянной ЭДС; плоский конденсатор, присоединенный к такому источнику и т.д..
|
|
|
10. Воздействующим объектом во всех ячейках изображаем источник постоянной ЭДС.
11 - 12. Управляющими элементами, обеспечивающими контакт ВО и ОИ, являются соединительные провода.
13. Изобразим в каждой ячейке, помеченной знаком «+», управляющие элементы, с помощью можно реализовать перечисленные способы осуществления взаимодействия между ОИ и ВО.
14. Устанавливаем (опять по результатам выполнения предыдущего действия) назначение индикатора: фиксировать прохождение электрического тока.
15. Устанавливаем, что индикатор может фиксировать магнитное действие тока (отклонение стрелки прибора), тепловое, химическое – выделение вещества на электродах, свечение газа и т.д.
16. В каждой ячейки покажем связь индикатора с ОИ.
17. Устанавливаем, что управляющих элементов, создающих специфические условия взаимодействия ОИ и ВО, отсутствуют.
18 -19. Не выполняется.
20. Контролируем составленные принципиальные схемы:
а) управляющие элементы не оказывают дополнительных неучтенных влияний на ОИ;
б) индикаторы позволяет фиксировать прохождение тока по отклонению стрелки прибора и по выделению вещества на электродах.
| ОИ ВО | Твердое тело | Жидкость | Газ |
| поля | 
|
| 
|
3. Кавитация
1. По результатам выполнения предыдущего действия устанавливаем, что ОИ - тело – должен быть вещественным объектом, причем находится в жидком состоянии.
2. Устанавливаем, что воздействующий объект также является вещественным.
3 - 4. Чертим таблицу. Она оказывается из одной ячейки.
5. По результатам выполнения предыдущего действия устанавливаем, что в экспериментальной установке элементом, с помощью которого обеспечивается начальное состояние ОИ, является сосуд, в который налита исследуемая жидкость.
6. Налить жидкость в сосуд, поддерживать температуру, далекую от температуры кипения.
7. Изображаем объект исследования – жидкость и элемент, обеспечивающий ее начальное состояние, -сосуд.
|
|
|
8 - 11. Действие не выполняется.
12. Условия воздействия ВО на ОИ создадим, поместив в жидкость излучатель звуковых волн (желательно пьезоэлектрический), либо вращающийся винт.
13. Изобразим в ячейке, управляющие элементы, с помощью можно реализовать перечисленные способы осуществления взаимодействия между ОИ и ВО.
14. Устанавливаем (опять по результатам выполнения предыдущего действия) назначение индикатора: фиксировать возникновение полостей в жидкости, заполненных паром, газом или их смесью..
15. а) Проще всего визуальное наблюдение.
б) По звуку пузырьков, вырывающихся на поверхность жидкости.
в) По разрушению поверхности ВО вследствие схлопывания на его поверхности пузырьков.
16. Действие не выполняется.
17. Устанавливаем, что управляющих элементов, создающих специфические условия взаимодействия ОИ и ВО, в ЭУ отсутствуют.
18 -19. Действие не выполняется
20. Контролируем составленные принципиальные схемы:
а) управляющие элементы не оказывают дополнительных неучтенных влияний на ОИ;
б) индикаторы позволяет фиксировать свободное падение тел.
в) термометр показывает, что температура жидкости далека от температуры кипения.
| ОИ ВО | Жидкость |
| Твердое тело | 
|
Занятие шестое посвящено разработке принципиальной схемы ЭУ, предназначенной для решения познавательной задачи типа «Зависит ли одна физическая величина от другой физической величины?»
Специфика разработки таких принципиальных схем состоит в том, что сначала должно быть выделено физическое явление, относительно которого формулируется познавательная задача, а затем разрабатывается принципиальная схема для воспроизведения этого явления и вносятся в нее коррективы, позволяющие решить поставленную познавательную задачу.
Содержание деятельности по разработке принципиальных схем ЭУ для проведения физических исследований представлено последовательностью действий 1-8.
Для иллюстрации характера выполнения этой деятельности в пособии приведено 7 примеров. Но только к первому из них приводится описание выполнения всех действий. В остальных примерах познавательная задача может быть решена с использованием вариантов принципиальных схем в примерах предыдущего параграфа. Поэтому иллюстрируется способ выполнения только действий 6-8.
В задании 1.7, которое студенты должны выполнить на занятии, сформулированы две цели:
1. сформулировать ПЗ, связанную с физическими явлениями для воспроизведения которых и были разработаны принципиальные схемы при выполнении задания 1.6Б;
2. внести коррективы в принципиальные схемы так, чтобы можно было решить поставленные ПЗ.
|
|
|
Формулировке ПЗ, связанных с физическими явлениями, студенты ранее не обучались и поэтому это может вызвать у них затруднения. Поэтому предлагается:
1. после чтения студентами задания 1.7 предложить им выделить цели их деятельности. Они должны будут указать две цели, приведенных выше;
2. преподаватель должен показать образец деятельности по достижению цели №1.
Например, преподаватель называет физическое явление - пьезоэлектрический эффект. Студенты вспоминают определение этого явления: «Пьезоэлектрический эффект – явление, заключающееся в изменении поляризации некоторых диэлектрических кристаллов при механической деформации». Ставится вопрос: «Как сформулировать ПЗ о зависимости какой-то величины от другой?»
Студенты, исходя из определения данного явления, могут предложить следующий вариант: «Зависит ли разность потенциалов на поверхностях диэлектрического кристалла от величины его деформации?»
3. Далее преподаватель предлагает студентам самостоятельно сформулировать ПЗ относительно физических явлений, для воспроизведения которых они разработали принципиальные схемы при выполнении задания 1.6Б. При этом никакого коллективного обсуждения проводить не нужно. Студентам можно разрешить работать небольшими группами по 2-4 человека. Но в конце занятия обязательна индивидуальная работа.
Формулировки каждой ПЗ студенты должны показать преподавателю.
Приведем примеры формулировок познавательных задач данного типа для явления «свободное падение», «электрический ток» и «кавитация».
1. Свободное падение тел.
Зависит ли скорость тела вблизи поверхности Земли от высоты падения.
2. Электрический ток
Зависит ли сила электрического тока на данном участке цепи от напряжения на этом участке
3. Кавитация
Зависит ли интенсивность образования кавитационных пузырьков от мощности звукового излучателя.
Зависит ли интенсивность образования кавитационных пузырьков от значения местных скоростей в потоке жидкостей.
Обращаем внимание, что все ПЗ формулируются на основе определений явлений.
На этом же занятие студенты должны выполнить вторую часть задания: внести коррективы в разработанные принципиальные схемы, позволяющие измерять необходимые величины и оставлять какие-то величины постоянными, т.е. потренироваться в выполнении действий 6-8. Опыт показывает, что выполнение этих действий самостоятельно не вызывает затруднения у студентов, если они последовательно и четко выполняют все операции, указанные в действии 6.
В итоге у студентов должны быть заполнены в рабочей тетради таблица 7, на основании чего и проставляется зачет.
В качестве дополнительного задания студенты получают контрольное задание №2, согласно которому они должны разработать принципиальные схемы экспериментальной установки для одной, указанной преподавателем ПЗ. Приведенные в задание формулировки ПЗ относятся к различным разделам физики. Это не должно смущать преподавателя, т.к. необходимый опыт поиска определений явлений в литературе у студентов уже имеется. Отчет о выполнении контрольного задания №2 студенты сдают преподавателю в конце следующего занятия (№7), когда у них не будет домашнего задания. Результаты его выполнения должны быть тщательно проанализированы, чтобы установить, какими действиями студенты не владеют.
Занятие седьмое начинается с вступительного слова преподавателя, в котором студентам сообщаются физические явления, которые будут изучаться в ходе данного лабораторного практикума (примерно 3 -5 явлений), и предлагает студентам разработать принципиальные схемы для воспроизведения названных физических явлений. Желательно, чтобы данное задание выполнялось студентами индивидуально; на работу целесообразно отвести 40 -50 минут.
Когда студент закончит разработку принципиальных схем, он показывает результаты своей работы преподавателю, и если они удовлетворительны, то преподаватель предлагает студенту подойти к экспериментальной установке и выяснить:
1) какому варианту принципиальной схемы соответствует имеющаяся экспериментальная установка;
2) какие элементы этой установки выполняют функции ОИ, ВО, УЭ и Ин;
3) какие познавательные задачи можно решить, используя данную экспериментальную установку.
На каждой экспериментальной установке к занятию должно быть указано ее название и назначение. Например: «Машина Атвуда для изучения равноускоренного движения тела», «Маятник Максвелла для нахождения момента инерции тела» и т.п. Установки должны быть собраны до начала занятий и находиться в рабочем состоянии, для того чтобы студент во время изучения установки мог привести ее в действие.
Изучение установок продолжается и на восьмом занятии.
Результатом седьмого и восьмого занятий является выполнение задания 1.8 и заполнение соответствующей письменной формы. Студенты предупреждаются, что эти занятия являются своего рода допуском к выполнению лабораторного практикума.
Занятия по-прежнему учебные, и студенты имеют право обращаться к преподавателю за консультацией.
Оставшиеся до конца семестра занятия посвящены экспериментальному решению сформулированных студентами познавательных задач с использованием оборудования, имеющегося в лаборатории, и защите полученных результатов. Работа студентов на этих занятиях организуется в соответствии с графиком выполнения лабораторных работ. Студенты работают без инструкций! Подготовка к этой работе состоит в самостоятельной проработке параграфа 2.1 и составлении системы действий по решению поставленной познавательной задачи с использованием данной экспериментальной установки на основе обобщенного содержания этой деятельности.
При защите результатов лабораторной работы студенты отвечают на следующие вопросы:
1) какое физическое явление изучалось в данной работе;
2) с каким объектом исследования происходило это явление;
3) каковы были свойства этого объекта в начальном состоянии;
4) с помощью каких управляющих элементов создавались эти свойства;
5) каков был воздействующий объект;
6) какие индикаторы использовались в установке и каково их назначение;
7) какую познавательную задачу решали;
8) какую систему действий выполняли при решении этой задачи;
9) какой результат получили.
Следует обратить внимание, что ответ на п. 9 должен быть сформулирован либо для данного конкретного объекта, с которым проводился эксперимент, либо в общем виде, если эксперимент проводился с несколькими объектами.
ВТОРОЙ СЕМЕСТР
КОММЕНТАРИИ К ПРОВЕДЕНИЮ ЗАНЯТИЙ
Первое занятие начинается с вступительного слова преподавателя, в котором он подводит итог занятий первого семестра: «студенты научились разрабатывать экспериментальные установки для воспроизведения и изучения физических явлений; планировать свои действия при воспроизведении явления и выяснения зависит ли одна физическая величина от другой при использовании данной экспериментальной установки.
Воспроизведение явления и установления зависимости между физическими величинами – это начальные познавательные задачи в физических исследованиях. Назовем их задачами первого и второго типов. Кроме них перед физиками-экспериментаторами часто возникают ещё две познавательные задачи: установления вида зависимости между физическими величинами (назовем познавательной задачей третьего типа) и экспериментальное нахождение конкретного значения конкретной физической величины (познавательная задача четвертого типа). В этом семестре Вам предстоит овладеть обобщенными методами решения познавательных задач третьего и четвертого типов».
Организация этого и следующих занятий прежняя: студенты самостоятельно изучают соответствующие параграфы (на данном занятии параграфы 2.2.1 и 2.2.2) и выполняют указанные в них задания. Преподаватель выполняет роль консультанта и проставляет зачет за занятие при условии выполнения полного объема работы.
На данном занятии студенты должны выполнить четыре задания.
Задание 2.2А выполняется студентами полностью самостоятельно. На это требуется не более 5 минут. Затем идет фронтальная проверка (2 минуты). Задание 2.2Б тоже выполняется студентами полностью самостоятельно (ориентировочно 3 минуты на выполнение и 2 минуты обсуждение).
Задание 2.2В выполняется с одновременным обсуждением под руководством преподавателя; задание 2.2Г выполняется следующим образом: первая и вторая ситуации обсчитываются студентами самостоятельно во время занятия, остальные ситуации обсчитываются дома. Преподаватель выполняет роль консультанта. Результаты домашней работы проверяются без обсуждений.
На втором занятии изучается методика вычисления инструментальной погрешности, погрешности отсчета и вычислений, правильной записи и полной обработки результатов прямых измерений (п. 2.2.3 – 2.2.8). Задание 2.2Д полностью выполняется студентами самостоятельно, результаты обсуждаются (ориентировочное время выполнения и обсуждения 10 минут). Задание 2.2Е выполняется самостоятельно (ориентировочное время выполнения 5 минут). Задание 2.2Ж выполняется следующим образом. Ситуацию №1 преподаватель анализирует сам, показывая образец нахождения погрешности вычисления. Остальные ситуации студент выполняет самостоятельно, показывая результаты преподавателю. При обсуждении нахождения полной погрешности прямого измерения и записи результатов измерения следует добиться того, чтобы студенты записывали результат в соответствии с правилами, указанными в п. 2.2.6 – 2.2.7. В связи с этим следует уделить внимание результатам выполнения задания 2.2.З, которое студенты должны выполнить самостоятельно (ориентировочное время выполнения 5-7 минут).
В п. 2.2.8 приведены примеры полной обработки результатов прямых измерений. От студентов требуется рассмотреть эти примеры с целью самостоятельного выделения системы действий, составляющих содержание этой деятельности. Без этой работы студенты не смогут осмыслить это содержание.
Завершается занятие выполнением задания 2.2И. Обязательно хотя две из предлагаемых в задании ситуаций студенты должны рассмотреть на занятии. Остальные могут быть обсчитаны самостоятельно дома. Результаты расчетов сдать на проверку преподавателю.
Занятие 3 целесообразно проводить со студентами физических специальностей. На этом занятии студенты знакомятся с элементами теории случайных погрешностей. Занятие целесообразно начать с вводного слова преподавателя о специфике расчета случайных погрешностей физиками-исследователями. Далее студенты самостоятельно изучают п. 2.2.9. Задание 2.2.9А выполняется студентами полностью самостоятельно с показом результатов работы преподавателю. Задание 2.2.9Б содержит 5 ситуаций. Каждый студент должен рассмотреть не менее двух ситуаций по выбору преподавателя. Задание 2.2.9В каждый выполняет самостоятельно.
На занятии 4 студенты осваивают обобщенный прием решения познавательной задачи третьего типа. Новым для них действием является построение графика зависимости между величинами, значения которых найдены прямыми измерениями. Правила построения графиков описаны в п.2.2.10. В этом же параграфе иллюстрируется характер выполнения всех действий примерами. Одновременно иллюстрируется форма отчета при проведении исследований по решению задач данного типа. Необходимо обратить внимание студентов на то, что вид зависимости может быть установлен только в результате обобщения результатов экспериментов с большим количеством объектов исследования в одинаковых условиях (не менее трех). Только в том случае, если графики зависимости между величинами, построенные по результатам каждого эксперимента идентичны, можно сформулировать общий вывод о виде зависимости между данными величинами. Ответы о виде зависимости между величинами по результатам каждого эксперимента формулируется только относительно того объекта исследования, с которым проводился эксперимент.
После изучения параграфа 2.2.10 студенты должны приступить к выполнению контрольного задания №3: из работ, проделанных в первом семестре, выбрать те, в которых решалась познавательная задача второго типа, и по результатам экспериментов, полученных при их выполнении, установить вид зависимости между величинами. На занятии студенты обязательно должны решить хотя бы одну познавательную задачу третьего типа. Остальные решаются дома.
На пятом занятии студенты учатся находить значения физических величин и погрешности косвенных измерений, используя метод границ погрешностей (прорабатывают п. 2.3.1, выполняют задания 2.3.1А и 2.3.1Б).
На шестом занятии студенты учатся находить значения физических величин и погрешностей косвенных измерений методом границ (п.2.3.2). После самостоятельного изучения параграфа они должны выполнить задание 2.3.2. Это задание большое. Но для усвоения метода необходимо, чтобы оно было выполнено полностью.
В конце этого занятия студенты получают зачет за выполненную работу и домашнее задание: выполнить задания 2.3.3А и 2.3.3Б на основе информации, изложенной в параграфе 2.3.3.
В задании 2.3.3А студентам предлагается выписать в рабочую тетрадь систему действий, составляющую обобщенное содержание деятельности по разработке метода нахождения конкретного значения конкретной физической величины для решения познавательной задачи четвертого типа. В задании 2.3.3Б им предлагается разработать, руководствуясь обобщенным содержанием деятельности, методы нахождения тех физических величин, значения которых они будут находить экспериментально при выполнении лабораторных работ, причем не только в этом семестре, и для которых не разработаны специальные методы. При этом указываются те физические величины, метод нахождения которых студенты могут разработать самостоятельно, опираясь на свои знания.
На седьмом занятии студенты изучают параграф 2.3.4, в котором можно выделить две части: методы нахождения физических величин, для которых существуют меры измерения и методы, известные либо под фамилиями ученых, разработавших их, либо под названием приборов, играющих основную роль при измерении. Общим является тот факт, что эти методы существуют, разработаны и задача студентов состоит в том, чтобы понять смысл и содержание этих методов. В этом параграфе приводится обобщенное содержание деятельности по изучению существующих методов, а в задании 2.3.4, которые студенты должны выполнить на занятии, требуется изучить методы, которые применяются для нахождения физических величин в данной лаборатории.
Таким образом, результатом 6 и 7 занятий должно быть умение студентов и самостоятельно разрабатывать методы нахождения физических величин, и изучать существующие методы. В параграфе 2.3.5 приводится обобщенная схема деятельности по планированию решения познавательной задачи четвертого типа. Это параграф студенты могут изучить дома самостоятельно и, опираясь на него, выполнить контрольное задание №4: составить систему действий по решению познавательной задачи, указанной в графике лабораторных работ в данном семестре. Результаты выполнения данного задания, а также задания 2.3.3Б, являются допуском к практической части лабораторных работ.
До конца семестра студенты выполняют лабораторные работы по графику. Спецификой организации этих лабораторных работ является отсутствие инструкций. Вместо инструкций студентам указываются лишь формулировки познавательных задач – целей экспериментального исследования. Студенты должны отнести эту познавательную задачу к тому или иному типу и, руководствуясь соответствующим обобщенным методом, спланировать свои действия по её решению. Во время занятия студенты решают эту задачу.
Теоретическую часть, обычно содержащуюся в инструкции к лабораторной работе, целесообразно привести в отдельной брошюре под названием «Существующие методы нахождения конкретного значения конкретных физических величин» к которой студенты будут обращаться по потребности. При описании методов обычно рассматривается и принципиальная схема установки, с помощью которой реализуется данный метод. В этом случае, приступая к работе в лаборатории, студенты будут вынуждены рассмотреть конструкцию предлагаемой установки. Анализировать экспериментальные установки они уже умеют. Подчеркиваем: анализ установки должен заключаться в выяснении её элементов соответствующих ОИ, ВО и т.д., а не в выяснении физического принципа действия этой установки. Студенты – потребители, а не разработчики.
Весь процесс планирования и решения познавательных задач оформляется в виде подробных отчетов в отдельной тетради. Форма и содержание защиты выполненных работ определяется преподавателем.
Рассмотренная организация деятельности студентов при выполнении лабораторных работ должна реализовываться и во всех последующих семестрах.
|
|
|
