Конструирование установок для проведения демонстрационного эксперимента по физике при изучении раздела «Электродинамика»

Номинация: Лучшее конструкторское решение
Просмотреть картинки списком
Автор: Ронге Яков. Наставник: Филатова Надежда Олеговна
Город: Томск
Место учебы: МАОУ Сибирский лицей

Раздел школьного курса физики "Электродинамика" - один из наиболее сложных разделов, где изучают электрические и магнитные явления, электромагнитные колебания и волны, вопросы оптики. Для обучающихся особую сложность представляет абстрактность учебного материала (понятие электрического заряда, электрического тока и др.). Поэтому различными авторами отмечается, что значительное внимание в изучении этого раздела следует уделять наглядности: физический эксперимент, аналогии и модельные представления, включая компьютерные модели, экранные пособия, схемы, чертежи, таблицы и т.д. У обучающихся постоянно возникают вопросы: что такое проводники электрического тока? Почему проводник обладает сопротивлением? Что такое индукционный ток и при каких условиях он возникает? В свою очередь у учителей также возникают вопросы: как же быстро собрать установку, демонстрирующую разные зависимости и характеристики электрического тока – это ведь требует столько времени, да и оборудование давно устарело и не работает. Актуальность нашего исследования определяется необходимостью дальнейшего совершенствования демонстрационного эксперимента по физике. В предлагаемой работе нами будут предложены несколько установок, которые можно использовать при изучении раздела «Электродинамика» в курсах 8-11 классов.

1. Установка, демонстрирующая закономерности последовательного и параллельного соединения проводников.

2. Установка, демонстрирующая разное сопротивление проводников.

3. Установка, демонстрирующая правило Ленца.

Задачи:

1. Проанализировать школьный курс электродинамики на предмет определения экспериментальной части раздела;

2. Изучение лабораторного оборудования по разделу «Электродинамика» в школьном кабинете физики;

3. Выявить проблемы, возникающие при проведении экспериментов по разделу «Электродинамика»;

4. Проанализировать источники информации (научно-популярная литература, технические журналы и сайты, методическая литература по преподаванию физики) для поиска идей и схем экспериментальных установок для изучения раздела «Электродинамика»;

5. Конструирование экспериментальных установок.

Общепризнано, что изучение курса физики в школе должно опираться на эксперимент.

Это обусловлено тем, что основные этапы формирования физических понятий -наблюдение явления, установление его связей с другими, введение величин, его характеризующих, - не могут быть эффективными без применения физических опытов. Будучи средством познавательной информации, учебный эксперимент одновременно является и главным средством наглядности при изучении физики; он позволяет наиболее успешно и эффективно формировать у школьников конкретные образы, адекватно отражающие в сознании реально существующие физические явления, процессы и законы, их объединяющие.

Демонстрационный эксперимент - это показ физических явлений, закономерностей и их практических применений, рассчитанный на одновременное восприятие всеми учащимися класса. Здесь следует обратить внимание на слова: "одновременное восприятие всеми учащимися". Если учитель показывает явление, пронося прибор по рядам, или вызывает одного или нескольких учеников к демонстрационному столу, чтобы они прочитали показания приборов и об увиденном сообщили своим товарищам, то этот способ показа можно назвать как угодно, но только не демонстрационным экспериментом. Для того, чтобы изучаемое физическое явление могли одновременно наблюдать все учащиеся класса, существует техника демонстрационного эксперимента - совокупность приборов и устройств, специально созданных и применяемых в постановке демонстрационного эксперимента.

По мнению автора работы [3], с которым мы полностью согласны, демонстрационный эксперимент не может быть полностью заменен примерами из жизненных наблюдений учащихся. Во-первых, эти наблюдения не одинаковы у разных учащихся, а поэтому они не могут являться основой для формирования новых знаний. Во-вторых, они могут оказаться у отдельных учащихся не совсем правильными. В-третьих, этих представлений далеко не всегда бывает достаточно для понимания того или иного материала. В-четвертых, явления или процессы, наблюдаемые в природе или технике, происходят в сложной взаимосвязи с другими явлениями. Демонстрационные опыты воспроизводят эти явления с минимальным числом побочных факторов. Все это приводит к необходимости в школьных условиях проводить специально организованные демонстрационные опыты. Особенностям проведения демонстрационного эксперимента мы посвятим следующий раздел нашего проекта.

Основная идея нашего проекта заключается в том, что демонстрационный эксперимент будет эффективен в том случае, если он будет прост по своей конструкции и будет виден всей аудитории учащихся.

Хорошая видимость демонстрационного эксперимента обеспечивается:

а) специальной конструкцией демонстрационных приборов;

б) особым размещением элементов установки (лучше, если в вертикальной плоскости)

в) выразительностью демонстрационной установки;

г) специальными средствами, повышающими видимость приборов и ожидаемого эффекта. Используя многолетний опыт педагогов [4], для реализации цели нашей работы, мы сформировали определенные приемы и средства, позволяющие оставлять в тени несущественные детали установки и подчеркивать главное существенное.

1. Правильное расположение приборов на демонстрационном столе. На столе не должно быть приборов, ненужных для данной демонстрации; детали установки не должны закрывать друг друга; их желательно располагать в той последовательности, в какой они следуют на принципиальной схеме при чтении ее слева направо. Приборы должны размещаться так, чтобы учитель мог собрать установку и выполнить необходимые манипуляции, не выходя из-за стола и не закрывая руками (или корпусом) каких-либо ее элементов. Стойки штативов нужно повернуть к себе; электрические провода подвесить так, чтобы учащиеся могли отчетливо видеть всю электрическую цепь; для расположения приборов в вертикальной плоскости использовать подъемные столики, штативы и бруски (последние обычно изготовляют из глухих фанерных ящиков, противоположные стороны которых окрашивают в белый и черный цвет, ориентировочные размеры брусков: 50х25х12,5 см; 25x25x6,25 см; эти ящики-подставки служат одновременно экранами фона).

2. Для усиления освещенности демонстрируемой установки следует пользоваться подсветами (лампы с рефлекторами)

3. Демонстрационный опыт должен быть убедительным, а установка для его проведения - надежной. Хорошие видимость и выразительность опыта, достигнутые всеми специальными средствами, обусловливают убедительность демонстрации, но она зависит и еще от ряда факторов. Демонстрационная установка должна быть надежной, что исключает неудачи на уроке и позволяет в случае необходимости повторить опыт.

4. При демонстрации явлений, происходящих в одной плоскости, нужно добиться того чтобы плоскость, в которой происходит движение была перпендикулярна лучу зрения учащихся, сидящих в середине класса.

5. Для демонстрации физических явлений, непосредственно не воспринимаемых органами чувств (электрические и магнитные поля, невидимые лучи, изменение химического состава вещества, плотности и т.д.), следует применять различные индикаторы.

6. Для улучшения видимости демонстрационной установки или отдельных приборов надо подбирать соответствующий фон, на котором рассматривается демонстрационная аппаратура. Для этой цели применяют подвижные экраны, имеющие с одной стороны черную, а с другой, белую поверхность. Чаще всего применяют белый экран, на фоне которого четко видны тела, имеющие темный цвет. Черный экран целесообразно применять в случае демонстрации самосветящихся тел или тел, окрашенных в светлые тона (например, для демонстрации накала провода при прохождении по нему тока).

7. Зеркала для демонстрационных целей применяют в двух случаях: 1) когда необходимо улучшить видимость со стороны учащихся; 2) когда необходимо обеспечить видимость со стороны учителя. В первом случае зеркало больших размеров устанавливают под углом 45°, что позволяет учащимся видеть предметы, расположенные на демонстрационном столе в горизонтальной плоскости (например, спектр магнитного поля, созданный с помощью железных опилок). Во втором случае используют зеркало малых размеров. Его устанавливают так, чтобы учителю были видны элементы установки, обращенные к учащимся.

8. Для акцентирования внимания учащихся на отдельных деталях демонстрационной установки, применяют указатели и индикаторы. В распоряжении демонстратора удобно иметь указатели направления, полярности, уровня, порядкового номера, принадлежности. Указатели направления монтируют на подставке. Стрелку наносят с двух сторон, что позволяет одновременно и ученикам, и учителю видеть одно и тоже направление. Поворот стрелки на 180° вокруг стойки меняет направление на противоположное. Указатели полярности и порядковых номеров отличаются от рассмотренных только тем, что вместо стрелок на одной и другой стороне наносят один и тот же знак (+, -, N, S, цифра). Указатели уровня могут быть укреплены в муфте штатива: стержни, полоски цветной ленты резиновые кольца и др. Указатели принадлежности помогают выделить в демонстрационной установке отдельные части, объединенные каким-либо признаком. Например, для обнаружения тока в цепи можно применить лампу накаливания, для обнаружения электромагнитного поля - неоновую лампу и т.д.

9. Демонстрационные установки должны содержать минимально необходимое количество элементов. Если имеется возможность исключить из установки какие-то детали, не нарушая при этом ее работоспособности и идеи опыта, возможностью следует воспользоваться.

10. Используемые приборы, элементы установок должны быть опознаваемы предполагаемыми зрителями, сопроводительный текст к демонстрациям должен соответствовать уровню их подготовки.

Резюмируя всё сказанное о технике демонстрации, подчеркнем, что при подготовке того или иного опыта учитель решает три основных вопроса:

1) выбор места каждого элемента установки, демонстрирующей изучаемое явление, в горизонтальной или вертикальной плоскости;

2) применение освещения и фона (как правило, черного, белого или матового просвечивающего);

3) выбор наиболее подходящих индикаторов для наилучшего наблюдения данного процесса.

Наглядность демонстрационного эксперимента обеспечивается с помощью специальных средств:

1. Штативы, столики, скамейки, подставки обеспечивают расположение приборов,

удобное для наблюдения.

2. Экраны (белые, черные, цветные, с подсветкой) позволяют создать фон и выделить экспериментальную установку в целом или ее отдельные части.

3. Указатели (в виде больших ярких стрелок) позволяют акцентировать внимание учащихся на отдельных деталях экспериментальной установки.

4. Индикаторы (лампа накаливания, неоновая лампа, измерительные приборы, звук и др.) делают видимыми те объекты, которые нельзя воспринимать непосредственно (электрический ток, магнитное поле и др.).

5. Провода разного цвета используются при сборке параллельных электрических цепей.

Рассмотренные средства наглядности демонстрационного эксперимента подбираются к опыту после определения объекта эксперимента и объекта демонстрации. Нами собраны несколько установок по разделу «Электродинамика», в максимальной степени удовлетворяющих перечисленным критериям к демонстрационным установкам. В предлагаемой работе нами будут предложены несколько установок, которые можно использовать при изучении раздела «Электродинамика» в курсах 8-11 классов.

1. Установка, демонстрирующая закономерности последовательного и параллельного соединения проводников.

2. Установка, демонстрирующая разное сопротивление проводников.

3. Установка, демонстрирующая правило Ленца.

Для сборки первой установки нам потребовались следующие материалы:

1. Провода

2. Клеммы

3. Лампочки, 4 штуки

4. Лист фанеры

5. Крепежные болты

6.  Опорные уголки

Подключая к клеммам вольтметр и амперметр можно проводить следующие демонстрации:

1. Составление электрической цепи.

2. Измерение силы тока амперметром.

3. Изучение последовательного и параллельного соединения проводников.

4. Измерение напряжения вольтметром.

5. Зависимость силы тока от напряжения на участке электрической цепи.

6. Измерение сопротивления проводника при помощи амперметра и вольтметра.

7. Измерение работы и мощности электрического тока. Установка № 2.

Сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен. Для проверки этой зависимости можно воспользоваться той же электрической схемой, что и для проверки закона Ома, включая в участок цепи различные по размерам проводники цилиндрической формы, изготовленные из одного и того же материала, а также из разных материалов.

Для сборки установки нам потребовались следующие материалы:

1. Провода

2. Клеммы

3. Лампочка, 1 штука

4. Деревянная основа

5. Крепежные болты

6. Проволоки из разных металлов, разной площади сечения и длины.

О различном сопротивлении проводников можно судить по яркости горения лампочки или включив в цепь измерительные приборы (амперметр и вольтметр). Установка № 3.

В ноябре 1833-го Ленц выступил в Академии наук с докладом «Об определении направления гальванических токов, возбуждаемых электродинамической индукцией». Вот текст из его доклада: «Если металлический проводник движется вблизи электрического тока или магнита, то в нем возбуждается гальванический ток такого направления, что он мог бы обусловить, в случае неподвижности данного проводника, его перемещение в противоположную сторону».

Действительно, если перемещать под действием внешней силы магнит или проводник с током вблизи замкнутого проводника механическая энергия перемещения магнита или проводника с током превращается в электромагнитную энергию тока индукции.

И главное: по закону Ленца направление индуктированного тока таково, что вызываемая им сила препятствует движению, которым он был вызван.

Возникновение этого противодействующего тока можно продемонстрировать с помощью следующей установки, для которой нам понадобились следующие материалы.

1. Деревянная подставка.

2. Деревянные стойки для крепления трубок.

3.  Три медные трубки (d ≈ 2 см, l ≈ 0,5 м). Одна из трубок имеет продольный разрез вдоль всей длины.

4. Магнит (цилиндрический), входящий в трубку.

5. Металлические предметы (цилиндры) такой же формы и размера, как и магнит.

6. Хомуты для крепления трубок.

7.  Опорные уголки.

Примечание. Трубки могут быть из других металлов, не обладающих магнитными свойствами. Подставка и стойки могут быть пластмассовыми или из материалов, не обладающих магнитными свойствами.

Принцип работы с установкой

Первые две трубки сплошные (без надрезов). Бросая одновременно в первую трубку металлический цилиндр, а во вторую трубку магнит мы видим, что металлический цилиндр упал гораздо раньше, чем магнит. Бросая магнит в трубку с разрезом, а металлический цилиндр в сплошную трубку наблюдаем, что оба цилиндра упали одновременно.

Вывод

Эти установки помогут учителю быстро и качественно подготовиться к уроку, наглядно продемонстрируют некоторые закономерности электрического тока. Ну и кроме этого, что
самое важное, занимаясь проектной работой можно лучше разобраться в этой теме, повысить свою успеваемость по физике и своим проектным опытом, возможно, заинтересовать еще нескольких учащихся.