Активизация познавательной деятельности обучающихся посредством домашнего эксперимента и наблюдений в процессе обучения физике

Ж. В. Клюшина,
учитель физики МБОУ СОШ №37,
г. Шахты, Ростовской области
Активизация познавательной деятельности обучающихся посредством
домашнего эксперимента и наблюдений в процессе обучения физике
Физика - наука экспериментальная и естественная. В основе этой науки лежит экспериментальное исследование явлений природы, а источником физических знаний являются - наблюдения, эксперименты и опыты. Именно поэтому учителю следует создавать условия, как на уроке, так и во внеурочное время, для исследовательской деятельности обучающихся, которая является необходимым фактором, позволяющим повысить устойчивый познавательный интерес к физике как науке, сделать ее более увлекательной и практико-ориентированной.
Домашние опыты и наблюдения в отличие от классных экспериментов и наблюдений проводятся с использованием каких-то подручных средств, а не специального школьного оборудования, что существенно, ведь в жизни учащимся придется встречаться с различными практическими задачами, которые не всегда похожи на учебные, классные. В этом плане домашние эксперименты и наблюдения способствуют выработке умений самостоятельно планировать опыты, подбирать оборудование, формируют умение познавать окружающие явления, рассматривая их в новой ситуации.
Главные задачи домашнего эксперимента:
1) формирование умения наблюдать физические явления в природе и в быту;
2) формирование умения выполнять измерения с помощью измерительных средств, использующихся в быту;
3) формирование интереса к эксперименту и к изучению физики;
4) формирование самостоятельности и активности.
Таким образом, если учителя будут применять домашние экспериментальные задания, наблюдения в своей работе, то это положительно скажется на процессе обучения школьников физике и на их общем развитии, результатом обучения будет развитие разностороннего, оригинального, не скованного узкими рамками мышления. Это и есть путь к развитию высокой интеллектуальной активности обучаемых. Учащиеся смогут не только по-настоящему понять многие процессы, происходящие вокруг них, но главное - применять полученные знания и опыт в своей жизни.
Приложение. Физика зимы.
Зимний день, проведенный па природе, может дать много тем для наблюдения, обсуждения, исследования физических явлений и законов.
Мыльные пузыри на морозе.
Мыльные пузыри - забава летнего дня. Однако вы получите не меньшее удовольствие от пускания их на морозе.
Опыт. Приготовьте мыльный раствор из моющего средства «Ферри». Воду для раствора лучше брать кипяченую. Раствор на морозе держите в рукавице, чтобы он не замерз. Выдувайте пузыри трубочкой для сока. Из-за разности температур внутри пузыря и снаружи возникает большая подъемная сила, мгновенно уносящая пузыри вверх. Тонкая мыльная пленка на морозе быстро замерзает, превращая пузыри в ледяные шарики.
Сказочный зимний пейзаж. Выпустите изо рта воздух. Обычно он прозрачен, но в морозный день становится видимым. Выдыхаемый воздух насыщен водяным паром, который па морозе мгновенно остывает и конденсируется в маленькие капельки воды, которые рассеивают свет.
Картину завораживающей красоты можно наблюдать на берегу незамерзающего водоёма. Даже в сильный мороз идет активное испарение поды с поверхности, поскольку она теплее окружающего воздуха. Испарившаяся вода конденсируется, замерзает и превращается в пушистый иней на свисающих над водоёмом ветках деревьев. Ветки деревьев - хорошие центры кристаллизации. Над незамерзшим водоёмом всегда стоит туман.
Яркий пример кристаллизации воды, содержащейся в воздухе в виде пара, - образование снежных узоров на холодной поверхности окна. Другой пример кристаллизации - образование ледяных «цветов». Их можно наблюдать при первых заморозках, когда земля еще не покрыта снегом. Как правило, «цветы» из инея появляются на рыхлой, теплой, слегка влажной почве при резком похолодании. Содержащаяся в воздухе влага быстро замерзает, образуя на земле причудливые узоры.
Испарение. Испарение происходит не только с поверхности жидкости, но и с поверхности твердого вещества. Действительно, зимой хозяйки сушат белье на улице. Мокрое белье вначале «замерзает», а затем лёд постепенного испаряется. Правда, некоторое количество влаги все же сохраняется. Это становится заметным, когда хозяйка приносит белье домой, и оно оттаивает. Морозный воздух сухой. Чем сильнее мороз, тем меньше водяного пара он содержит. Весь избыток влаги из воздуха удаляется переходом пара в ледяные кристаллики. Поэтому испарение льда идет активно.
Расширение воды при замерзании. Вода обладает отличительным свойством: замерзая, изменяет свою структуру и объем.
Опыт. Наполните водой пластиковый стакан, пластиковую бутылку и стеклянную бутылку, Выставьте их на мороз, Замерзая, вода увеличивается в объеме, «вылезает» из стакана, стеклянную бутылку разрывает даже в том случае, когда она заполнена наполовину. Пластиковая бутылка остается без видимых изменений.
При подготовке к зиме садоводы до заморозков сливают воду из водопроводных труб, чтобы они не лопнули.
Сильные морозы называют еще трескучими. Своим названием они обязаны следующему явлению. Стволы деревьев имеют трещины, которые заполняет вода во время осенних дождей. Зимой она застывает. Образовавшийся лед разрывает древесину, раздаются звуки, похожие на треск.
Давление. Чистый лед и снег тают при температуре 0°С. Однако с увеличением давления температура таяния спета понижается.
Если вы пройдетесь по первому снежку, то оставите после себя мокрый след, - снег под давлением растает. Катание на коньках, лыжах сопровождается также таянием снега и льда под давлением. Образуется жидкая «смазка», которая улучшает скольжение. Любители зимних видов спорта из опыта знают, что при сильном морозе скольжение хуже.
Кто не любит играть в снежки или лепить снежные фигуры?! Эти забавы также связаны с понижением точки плавления снега под давлением. Очевидно, что лепить из снега и морозный день не удастся.
Опыт. Возьмите сосульку. Перекиньте через нее тонкую проволоку, концы которой утяжелите грузиками. Наблюдайте, как проволока растапливает лед, проникая все глубже в сосульку. Вода над сосулькой вновь замерзает.
Снег обладает удивительным свойством - памятью. Он сохраняет следы. По следам можно, например, изучать физику. Чем крупнее животное, тем глубже от него след, следовательно, тем большее давление оно оказывает на снег. Следы собаки более глубокие, чем следы ее щенков. Природа снабдила копытных животных способностью раздвигать копыта и увеличивать площадь опоры. Это помогает им зимой при передвижении по заснеженному лесу и полям не так глубоко погружаться в снег.
Сугробы на деревьях. После снегопада лес долго стоит, покрытый шапками снега. Они могут быть настолько тяжелыми, что под ними ломаются ветки деревьев. Образование таких снежных сугробов на деревьях связано в первую очередь с формой снежинок. Острые, игольчатые выступы снежинок цепляются одна за другую. Их удерживает сила трения, которая значительна. К тому же под действием силы тяжести создается большое давление, снег подтаивает и вновь смерзается с образованием еще более прочной конструкции. Процессы, которые происходят внутри снежных шапок, намного сложнее - подтаивание и замерзание, испарение и кристаллизация.
Таяние снега в морозный день. Снег тает не только в оттепель, но и в солнечные дни, преимущественно мартовские, когда на улице небольшой мороз. Крыши домов имеют скат. Если солнце стоит достаточно высоко, то его лучи падают на кровлю почти перпендикулярно и сильно ее нагревают. Под снегом образуется талая вода. Кроме того, дома отапливаются, тепло внутренних помещений передается стенам и крыше зданий. По этой причине температура крыш может быть на несколько градусов выше, т.е. может оказаться положительной, достаточной для таяния лежащего на крыше снега. Вода стекает с крыши капельками. Капелька из-за поверхностного натяжения не может сразу оторваться от крыши. Поскольку на улице мороз, она успевает превратиться в лед. Новая капля стекает по первой и замерзает в самой ее нижней точке. Процесс наращивания заканчивается образованием сосульки. Сосульки образуются, как правило, с южной стороны крыши.
Соленый снег. При смешивании льда со снегом наблюдаются два процесса: разрушение кристаллической структуры соли, который происходит с поглощением тепла, и гидратация ионов. Последний процесс происходит с выделением тепла в окружающую среду. Для поваренной соли и хлористого кальция первый процесс превалирует над вторым. Поэтому при смешивании снега с этими солями происходит активный отбор тепла из окружающей среды. Еще одна особенность соляных растворов состоит в том, что их точка замерзания ниже 0°С. Чтобы снег на тротуарах таял при температуре ниже 0°С, его посыпают этими солями.
Опыт. Налейте в две формочки воду - чистую и очень соленую. Вынесите формочки на мороз или поставьте в морозильную камеру. Вы заметите, что чистая вода быстро превратится в лед, а соленая замерзнет при очень сильном морозе.
Опыт. Принесите домой кастрюлю со снегом. Поставьте ее па мокрый табурет. Снег в тепле начнет таять, а маленькая лужа на табурете замерзнет. Кастрюля может даже примерзнуть к табурету. Таяние снега происходит за счет поглощения тепла из окружающей среды. В первую очередь тепло отбирается от воды на табурете, поэтому вода пре вращается в лёд.
Опыт. Добавьте в кастрюлю со снегом поваренную соль в соотношении примерно 1: 6. Тщательно размешайте смесь. Если теперь вы захотите переставить кастрюлю, то её придется поднять вместе с табуретом!
Опыт. Проведите исследование зависимости температуры таяния льда от концентрации соли. Вы можете понизить точку плавления льда до -20 °С. А если замените поваренную соль хлористым кальцием, то сможете получить еще более низкую температуру. Соль понижает точку таяния льда. Это означает, что большее количество тепла отбирается у раствора при замораживании.
Это свойство соленого снега использовалось для приготовления мороженого. Первое фруктовое мороженое получали, опуская в смесь снега с солью формочки с соком и сливками. Чистый снег только охлаждает их, но не замораживает.
Опыт. Налейте в пластиковый стакан (пробирку) сок и поставьте его в кастрюлю с соленым снегом. Сок замерзнет, и очень скоро вы будете лакомиться фруктовым льдом.
Опыт. Бросьте кусочек льда в стакан с водой. Попробуйте его вытащить из стакана, не пользуясь чайной ложкой. Для этого положите на кусочек льда нитку и посолите это место. Под солью лед подтает. Через несколько минут он охладит воду вокруг нитки и заморозит ее - нитка примерзнет. Теперь можно вытащить лед за нитку.
Несколько слов о соленом льде в природе. Морской лёд жители Севера употребляют в пищу. Но лёд они выбирают старый, многолетний. Он малосоленый.
Свежезамёрзший морской лёд соленый. Соляной раствор в глыбе льда помещается в своеобразные ячейки, которые перемещаются вниз под действием силы тяжести. Если лёд плавает в океане, то его соленый нижний слои растворяется, т.к. температура воды в океане выше температуры атмосферы. Лед, таким образом, опресняется. Если льдина лежит на земле, то также происходит ее опреснение. Поскольку температура земной поверхности выше атмосферной, то нижний слой подтаивает, и соль выходит наружу.
О снежинках. В тихие морозные дни не бывает обильного снегопада, снег падает отдельными кружащимися снежинками. Все они разные, одна красивее другой, в форме пластинок - симметричных шестиугольных звездочек. Иоганн Кеплер изучал строение снежинок и установил, что их лучи расходятся строго под углом 60°. Все шесть концов снежинки совершенно одинаковые, что связано со структурой молекулы воды. Снежинки состоят из мелких ледяных кристалликов. Разнообразие форм снежинок огромно, насчитывается несколько тысяч! Существуют любопытные коллекции их фотографий. При сильном ветре у снежинок обламываются лучи, и звездочки превращаются в снежную пыль.
Если мороз небольшой, а погода тихая, то падающие снежинки сцепляются друг с другом, образуя крупные хлопья.
В ветреную погоду чаще выпадает снежная крупа, т.е. мелкие снежные шарики, - ледяные кончики снежинок активно испаряются.
Встречаются снежинки в виде длинных игольчатых кристаллов. Вероятно, такая льдинка попала в глаз Каю, серою сказки «Снежная королева».
Еще бывают снежинки в виде шестигранных столбиков - гексагональные призмы. Бывает, что они срастаются, образуя столбчатые батареи. Иглы и призмы встречаются нечасто.
Изучать полет снежинок можно как на улице, так и из окна квартиры. Выберите одну звездочку-снежинку и наблюдайте за ней. Снежинка долго будет в поле вашего зрения. Она парит в воздухе, то опускаясь вниз, то поднимаясь вверх. Ее траектория не будет прямой линией, как у капель дождя или града. Движение снежинки ближе к движению броуновской частицы.
Ответ на вопрос, почему так ведут себя снежинки, подскажет тень, которую отбрасывает окно на противоположную стену. В солнечный день вы можете увидеть колебания прозрачного воздуха. Это восходящие атмосферные тепловые потоки. В обычных условиях их трудно наблюдать из-за прозрачности и однородности воздуха. В снегопад легкие снежинки могут сделать видимыми восходящие потоки. Подъемы и спуски снежинок возможны потому, что площадь поверхностей снежинок-шестигранников значительна, а масса мала. Полет снежинок напоминает полет планера в потоках воздуха.
«Радуга» зимой. Гало. Наблюдать радугу летом после дождя - дело привычное. В морозный день можно наблюдать цветные круги около Солнца и Луны. Это явление дифракции на ледяных иголках в воздухе. В вечернее время, когда идет снег, можно наблюдать дифракцию вокруг уличных фонарей.
Гало могут выглядеть как светящиеся кольца, кресты, столбы, ложные солнца или луны - два, четыре, восемь. Оно наблюдается, когда в воздухе присутствуют одинаково направленные ледяные кристаллики в виде шестигранных призм. Это происходит достаточно редко. Физическое объяснение гало - преломление света в ледяных кристалликах и отражение света от их граней. Преломление и дисперсия приводят к окраске круга. При отражении образуются белые элементы гало. По своей природе гало родственно радуге.
Цвета снега. Использование произведений искусства в процессе обучения физики есть один из примеров повышения познавательного интереса к науке.
При изучении физики школьники знакомятся с причинами ряда физических явлений в природе. Так, законами рассеяния света объясняется голубизна небосвода; дисперсией света в каплях влаги - радуга; интерференцией и дифракцией - игра цвета на водной поверхности водоемов; преломлением света - миражи; электромагнитными и оптическими процессами - великолепие северных сияний. Школьникам важно пояснить необходимость для художника знаний фотометрии, многообразия цветов и их оттенков, правил восприятия света, смешения цветов. Изучая в разделе «Оптика» спектральный состав излучения, рассказываю о психологической особенности восприятия цвета человеком, например: бордовый и красный вызывают ощущения тепла, зеленый - прохлады. Эти свойства цветов порождать определенные ощущения широко используются в технике; так, горячие цеха заводов, как правило, окрашивают в холодные тона (синие, голубые).
Материал курса физики открывает ряд возможностей показать, какое огромное значение имеют успехи науки для дальнейшего развития и совершенствования изобразительного искусства. Использование при обучении физике произведений изобразительного искусства повышает эмоциональную восприимчивость учащихся, тем самым способствует получению глубоких знаний, приобщает учащихся к прекрасному, помогает воспитывать эстетический вкус. Уроки физики, на которых демонстрируются репродукции художественных произведений, должны убеждать подрастающее поколение в том, что наука и искусство взаимосвязаны, что глубокие эмоции необходимы любому человеку, какой бы деятельностью он не занимался.
Снег ассоциируется у нас с белым цветом. Но зоркие глаза художника видят многоцветие красок в белом, находят красоту в простом и обычном. Снег на картине Л. А. Пластова «Первый снег» чистый, белый, воздушный. Праздник красок в изображении снега на холстах Б. М. Кустодиева «Масленица», В. И. Сурикова «Взятие снежного городка». На картинах И. Э. Грабаря «Февральская лазурь» и «Мартовский снег» он голубой, испещренный синими тенями. И у В. А. Серова на картине «Кони на водопое» снег синий. А. К. Саврасов на картине «Дворник» изобразил мартовский снег пожелтевшим, затоптанным и запачканным рядом с человеческим жильем. У Ф. А. Васильева «Оттепель» снег набухший, почерневший от влаги.
В морозный солнечный день снег не чисто белый, а желтовато - розового оттенка. Обратите внимание на тень. Она... синяя! В пасмурный день снег ослепительно белый, в оттепель принимает серый оттенок. В марте снег голубой. Цвет снега зависит от времени суток, от температуры и влажности воздуха, от облачности неба и от месяца года.
Взглянем на снег глазами физика и попробуем объяснить такое различие цветов. Почему снег белый, хотя состоит из отдельных прозрачных кристалликов льда - снежинок, - мы уже объяснили выше. Объяснили и искристость снега. А как объяснить разный цвет снега в зимние месяцы?
Электромагнитные волны солнечного излучения частично поглощаются, частично рассеиваются земной атмосферой. Сильнее рассеиваются короткие сине-голубые волны. Этим, кстати, объясняется голубой цвет неба. Чем больший путь проходит свет в атмосфере, тем сильнее различается он по спектральному составу. Высота солнца над горизонтом зимой меньше, чем летом, поэтому путь солнечных лучей через атмосферу зимой длиннее. Кроме того, в зимнем воздухе много ледяных иголок, которые особенно сильно поглощают короткие сине-зеленые волны, но пропускают длинноволновые красные. Вот почему снег бывает розово-желтым, - он освещается таким светом! Мартовский снег преимущественно голубой, он отражает голубое небо.
Почему тень на снегу синяя? Дело в том, что в область тени попадает отраженный от снега свет, а это в первую очередь отражение голубого неба.
Необходимо сказать и о дополнительных цветах. В пасмурный день снег ослепительно белый. Действительно, снежный покров освещается проходящим светом желтоватого цвета и отраженным от неба синеватым. Поскольку эти цвета являются дополнительными, то суммарный цвет - белый.
Снег бывает и бесцветным.
Опыт. Возьмите сосуд с водой и бросайте и него небольшие комочки гпега. Попавший в воду снег становится невидимым, прозрачным. У воды, льда и снега близкие показатели преломления: 1,33 у воды и 1,31 у льда. Поэтому лучи света снег в воде отражает.
Белый свет - сложный. И. Ньютон доказал это, разложив свет в спектр с помощью стеклянной призмы. Можно наблюдать разложение света, не пользуясь приборами. В морозный солнечный день снег, словно россыпь бриллиантов, сверкает разноцветными огнями. Мы наблюдаем разложение света (дисперсию) в крупных снежинках. Снежинки шестигранные, их иголочки - ледяные прозрачные призмы. Световой луч, попадая па грани призмы, частично отражается. Большая же часть света преломляется, входит в кристаллик льда, неоднократно отражается от внутренних граней и выходит наружу, но уже не белым, а цветным лучом.
Полное внутреннее отражение. Обратите внимание на замерзшую лужу. Лужа подо льдом черная. Однако и некоторых местах лед серебристый - там, где подо льдом образовалась прослойка воздуха и свет испытывает полное внутреннее отражение. Угол полного и внутреннего отражения на границе лёд-воздух равен 48°. Все лучи с углами падения больше 48° будут полностью отражаться от границы раздела лед-воздух. Падающий свет отражается, лед в этих местах белый.
Как объяснить, что снег белый, хотя он состоит из отдельных прозрачных кристалликов льда - снежинок? Снег пушистый. Это означает, что каждая снежинка окружена воздухом. Так как острые иголочки снежинки имеют большое количество отражающих поверхностей, то весь падающий свет отражается как от внешних, так и от внутренних граней, и не проходит сквозь толщу снега. Мы наблюдаем полное внутреннее отражение спета от снега. Поэтому он ослепительно белый. Свежевыпавший снег отражает более 90% падающего света.
Старый снег уплотняется, уменьшаются воздушные зазоры, снег темнеет. Белизна снега зависит от его плотности! Плотность снега может меняться от 30 кг/м3
до 800 кг/м3.
В оттепель снег пропитан водой, воздушные поры исчезают, отражение света существенно уменьшается, часть солнечных лучей глубоко проникает в него и поглощается. Снег темнеет. В подтверждение сказанному можно провести следующее исследование.
Опыт. Возьмите кусочек льда и раздробите его в мелкую крошку. Порошок изо льда уже не прозрачный, а имеет белый цвет.
Опыт. Возьмите два комочка снега (дна снежка). Один из них пропитайте водой. Сравните белизну этих комочков.
О теплопроводности. Способность живых существ защищаться от холода. Снег представляет собой рыхлую структуру, пронизанную воздухом. Теплопроводность воздуха крайне низкая, поэтому и снег имеет малую теплопроводность. Это достоинство, т.к. для живой природы снежный покров служит теплым одеялом, спасает от морозов. Надо отметить, что с увеличением плотности снега его теплопроводность повышается. У льда она максимальна.
Свойство снега сохранять тепло используется человеком в условиях Крайнего Севера для строительства. Постройки из снежных кирпичей - их называют иглу - прочны, светлы, пропускают воздух, изолируют от мороза и ветра, долговечны, не требуют никаких материальных затрат, легко и быстро возводятся. Главный инструмент при строительстве - ножовка. Для возведения иглу не требуется связующих материалов. Снег под давлением подтаивает и тут же замерзает, образуя монолит.
Обратите внимание па птиц. Мелкие пташки - воробьи, синицы, снегири -зимой похожи на пушистые комочки с торчащими острыми клювиками. Они распушили свое оперение и окружили себя неподвижным слоем плохо проводящего тепло воздуха. Таким способом птицы спасаются от мороза. Мудрая природа распорядилась так, что относительная длина перьев у маленьких птиц больше, чем у крупных. Маленькие птицы теряют больше тепла, им нужна лучшая защита от холода.
Теплопроизводительная способность живого существа зависит от объема тела, а потери тепла от площади его поверхности. У мелких животных и детенышей соотношение потерь тепла к притоку больше, чем у крупных, т.е. они поставлены в худшие условия. Дети должны замерзать быстрее, чем взрослые, но их спасает большая подвижность.
У человека замерзают быстрее всего конечности, уши и нос, так как эти части тела имеют тонкие стенки, а также маленький объем и большую площадь.
Зимняя одежда человека - меховая или из рыхлых материалов (войлок, пух, ватин). Волокно обладает достаточно высокой теплопроводностью, но воздух между волокнами плохо проводит тепло. Роль зимней одежды - не «выпустить» тепло из тела. Для утепления домов используют двойные рамы с толстой прослойкой воздуха между ними.
В морозный день дотроньтесь рукой до металлического предмета. Она прилипнет! Если вы прикоснетесь к деревянному предмету, этого не произойдет. С точки зрения физики все легко объясняется. Металл обладает высокой теплопроводностью и активно отводит тепло от руки. Но она влажная, влага замерзает - и рука примораживается. Ни в коем случае не проводите эксперимент с языком, дело кончится печально!
Звук. В морозный день слышен скрип снега под ногами. Он связан со звуком раздавливаемых снежинок-льдинок. Чем крепче мороз, тем тверже становятся льдинки, тем громче звук и выше тон.
Опыт. Насыпьте в тарелку сахарный песок горкой и начните его давить столовой ложкой. Вы услышите характерный скрип. Намочите сахарный песок и вновь разотрите. Скрип исчез.
В морозные дни звук распространяется на большие расстояния.
Электризация. Быстро летящий снег электризуется. Он переносит электроны. Поэтому в снежные бури железные предметы, проволочные изгороди, самолеты заряжаются отрицательно, причем на них может накапливаться такой заряд, что представляет опасность для людей и животных.