Учитель физики
Баутина Анастасия Дмитриевна
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение г. Ивантеевка Городского округа Пушкинский Московской области
«Образовательный центр №5»
ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ: ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ
Современный мир нуждается в человеке, который много знает и умеет, который может самостоятельно принимать сложные решения. Такой человек должен обладать приемами учения, быть готовым к самообразованию и к сотрудничеству для достижения совместного результата, должен уметь жить среди людей. Всем необходимым навыкам, умениям, компетенциям человек начинает учиться с самого детства. И чаще всего в этом помогает ребенку учитель. Перед каждым учителем стоит задача – сформировать у своего ученика представление о мире. Существует рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве – это наука. Ее рассматривают как сферу исследовательской деятельности.
Исследовательский метод обучения — способ организации поисковой, познавательной деятельности учащихся путём постановки учителем познавательных и практических задач, требующих самостоятельного творческого решения.
Исследовательский метод применим на всех ступенях обучения с учётом возрастных возможностей и подготовки обучающихся. При реализации исследовательского метода у обучающихся формируются такие элементы творческой деятельности, как: способность к выявлению проблемы, самостоятельный перенос знаний и умений в новую ситуацию; выявление новой функции и структуры объекта; самостоятельное комбинирование из известных способов деятельности нового; альтернативный подход к поиску решения проблемы.
В процессе обучения формирование исследовательских умений возможно на разных предметах, но наибольшим потенциалом здесь обладает физика – экспериментальная наука, наука, использующая создание и исследование моделей объектов и процессов.
Наиболее ярко в обучении исследовательский метод реализуется при проведении физического эксперимента.
Вспомним, что такое эксперимент.
Эксперимент в научном методе – это метод исследования некоторого явления в управляемых условиях.
Именно при физическом эксперименте у учащихся развиваются:
умственные способности (возникающие затруднения заставляют учащихся задумываться, искать выход из проблемной ситуации);
самостоятельность (самостоятельное видение проблемы, формулировка проблемного вопроса, проблемной ситуации, самостоятельность выбора плана решения);
креативное мышление (самостоятельное применение знаний, способов действий, поиск нестандартных решений).
Мы остановились на проблеме постановки нового эксперимента на подтверждение закона сохранения энергии.
Большую роль в мире исследований имеют исследования Джоуля Джеймса Пресскота. В течение 1837-1847 гг. Джоуль все свободное время посвятил разнообразным экспериментам по превращению различных форм энергии – механической, электрической, химической, – в тепловую энергию. Он разработал термометры, измерявшие температуру с точностью до одной двухсотой градуса, что позволило ему проводить измерения с наилучшей для того времени точностью. Начиная с 1841 г. Джоуль занимался исследованием выделения теплоты электрическим током. В это время, в частности, он открыл закон, независимо от него установленный также Ленцем (закон Джоуля-Ленца). Исследуя затем общее количество теплоты, выделяемой во всей цепи, включая и гальванический элемент, за определенное время, он определил, что это количество теплоты равно теплоте химических реакций, протекающих в элементе за то же время. У Джоуля, складывается мнение, что источником теплоты, выделенной в цепи электрического тока, являются химические процессы, проходящие в гальваническом элементе, а электрический ток как бы разносит эту теплоту по всей цепи. Он писал, что «электричество может рассматриваться как важный агент, который переносит, упорядочивает и изменяет химическое тепло» Но источником электрического тока может служить также и «Электромагнитная машина». Как в этом случае нужно рассматривать теплоту, выделяемую электрическим током? Джоуль задается также вопросом: что будет, если в цепь с гальваническим элементом включить магнитоэлектрическую машину (т. е. электродвигатель), как повлияет это на количество теплоты, выделяемой током в цепи?
Продолжая исследования в этом направлении, Джоуль и пришел к новым важным результатам, которые изложил в работе «Тепловой эффект магнитоэлектричества и механическая ценность теплоты», опубликованной в 1843 г. Прежде всего Джоуль исследовал вопрос о количестве теплоты, выделяемой индукционным током. Для этого он поместил проволочную катушку с железным сердечником в трубку, которая была наполнена водой, и вращал ее в магнитном поле, образованном полюсами магнита. Измеряя величину индукционного тока гальванометром, соединенным с концами проволочной катушки при помощи ртутного коммутатора, и одновременно определяя количество теплоты, выделенной током в трубке, Джоуль пришел к заключению, что индукционный ток, как и гальванический, выделяет теплоту, количество которой пропорционально квадрату силы тока и сопротивлению. Затем Джоуль включил проволочную катушку, помещенную в трубку с водой, в гальваническую цепь. Вращая ее в противоположных направлениях, он измерял силу тока в цепи и выделенную при этом теплоту за определенный промежуток времени, так что катушка играла один раз роль электродвигателя, а другой раз — генератора электрического тока.
Сравнивая затем количество выделенной теплоты с теплотой химических реакций, протекающих в гальваническом элементе, Джоуль пришел к заключению, что «теплота, обусловленная химическим действием, подвержена увеличению или уменьшению» и что «мы имеем, следовательно, в магнитоэлектричестве агента, способного обычным механическим средством уничтожать или возбуждать теплоту». Наконец, Джоуль заставлял вращаться эту трубку в магнитном поле уже под действием падающих грузов. Измеряя количество теплоты, выделившееся в воде, и совершенную при опускании грузов работу, он подсчитал механический эквивалент теплоты, который оказался равным 460 кГм/ккал.
В том же году Джоуль сообщил об опыте, в котором механическая работа непосредственно превращалась в теплоту. Он измерил теплоту, выделяемую при продавливании воды через узкие трубки. При этом он получил, что механический эквивалент теплоты равен 423 кГм/ккал.
В дальнейшем Джоуль вновь возвращался к экспериментальному определению механического эквивалента теплоты. В 1849 г. он проделал известный опыт по измерению механического эквивалента теплоты. С помощью падающих грузов он заставлял ось с лопастями вращаться внутри калориметра, наполненного жидкостью. Измеряя совершенную грузами работу и выделенную в калориметре теплоту, Джоуль получил механический эквивалент теплоты, равный 424 кГм/ккал.
Открытие механического эквивалента теплоты привело Джоуля к открытию закона сохранения и превращения энергии. В лекции, прочитанной им в 1847 г. в Манчестере, он говорил:
«Вы видите, следовательно, что живая сила может быть превращена в теплоту и что теплота может превращаться в живую силу, или в притяжение на расстоянии. Все трое, следовательно, — именно, теплота, живая сила и притяжение на расстоянии (к которым я могу причислить свет) — взаимно превращаемы друг в друга. Причем при этих превращениях ничего не теряется».
Вспомним формулировку закона сохранения энергии в механике: механическая энергия замкнутой консервативной системы остается постоянной: W = Ek + En = const.
Проверке этого закона в школьном курсе посвящена лабораторная работа «Изучение закона сохранения механической энергии» в учебнике для 10 класса, основой которой, естественно, является физический эксперимент. Речь идет о сохранении механической энергии.
Рассмотрим пример: лабораторная работа по теме «Изучение закона сохранения механической энергии. Соударение шаров». Целью работы является изучение времени столкновения, скорости, силы удара и сохранения энергии при центральном ударе шаров из различных металлов. Метод измерений: на основании законов сохранения импульса и энергии по прямым измерениям угла отклонения шаров и времени их соударения, определяют скорость, силу удара шаров и потерю энергии при их соударении. Чтобы провести лабораторную работу, нужно провести эксперимент – сталкивать шары друг с другом столько раз, сколько необходимо для получения наиболее точного результата.
Закон сохранения энергии относится ко всем формам энергии – тепловой, световой, электромагнитной, о чем свидетельствуют еще исследования Джоуля. Поэтому проведение эксперимента на взаимопревращение разных форм должно быть интересным.
Чтобы проверить закон сохранения энергии при превращении световой (электромагнитной или энергии излучения) энергии в тепловую, можно провести следующий эксперимент. Для него понадобятся: излучатель (мощная лампа), датчик мощности излучения, сосуд с водой, датчик температуры. Во время работы излучателя необходимо рассчитать энергию излучения. Измерив начальную и конечную (после нагревания) температуры воды, мы сможем рассчитать количество теплоты, полученной водой. Сравнение энергии излучения и энергии, пошедшей на нагревание, позволит установить, соблюдается ли в этом опыте закон сохранения энергии. Главная трудность – обеспечить замкнутость системы, т.е. отсутствие потерь.
Таким образом, чтобы ученик овладел знаниями о мире, можно максимально развить его познавательные силы путем применения исследовательского метода при изучении закона сохранения энергии. Благодаря проведению физических экспериментов у ребят появляется уверенность в своих знаниях и силах.
Список литературы:
- Бабанский Ю.К. «Проблемное обучение как средство эффективности учения школьников». — Ростов-на-Дону. — 1999 г.
- Кульневич С.В., Лакоценина Т.П. – «Современный урок» // часть III. Проблемные уроки. — Ростов-на-Дону. — «Учитель». — 2006 г.