Задачи-опыты по физике

      ВВЕДЕНИЕ
      Проблема повышения качества знаний учащихся по физике разрешается в средней школе различными путями, в частности, усилением экспериментальной стороны преподавания, организацией самостоятельной работы учащихся. Этим целям прекрасно служат экспериментальные задачи, решение которых находится опытным путем.
      Вместе с тем задачи-опыты, содействуя овладению учащимися практически полезными навыками, способствуют выполнению школой директив XIX съезда КПСС о политехнизации обучения в средней школе.
      Характерной особенностью задач-опытов являются выставленные для учащихся простые физические приборы, предметы и материалы, собранные или не собранные в экспериментальную установку, причем в последнем случае сами ученики осуществляют сборку нужной для задачи установки.
      От учащихся требуется не только теоретическое, но и опытное решение задачи. В условии некоторых задач ставится вопрос только об опытном решении, однако, при этом учащимся говорится и подчеркивается, что решение любой задачи-опыта требует обязательного объяснения тех физических явлений и законов, которые связаны с ней и ее решением.
      Задача-опыт дает возможность ученику проявить в той или иной мере свою творческую самостоятельность и приучает его при решении конкретных вопросов исходить из неразрывной связи теории с опытом. Вследствие этой связи весь ход решения задачи и его физический смысл приобретают особую ясность для учащихся. В итоге задачи-опыты способствуют углублению и закреплению физических знаний учащихся, возбуждают их интерес к физическим явлениям, дают дополнительные навыки, в частности, такие, которые необходимы для подготовки учащихся к практической деятельности. Задачи-опыты, несомненно, воспитывают чувство самостоятельности, развивают инициативу, особенно в проведении опыта, т. е. в конечном счете закладывают семена практического изобретательства. В этом смысле многие задачи-опыты идут навстречу присущей большинству подростков склонности к строительству, их врожденной любви созидать что-то новое, их неизменному интересу к работе с вещью.
      Некоторые задачи-опыты, из числа содержащихся в настоящем сборнике, с успехом могут быть использованы на уроках физики, в целом же они могут быть особенно полезны в работе кружка по физике в плане внеклассных занятий. Решение учащимися задач-опытов может идти следующим путем.
      1. Учащиеся знакомятся с экспериментальной установкой. Если нужно, делается чертеж, записываются условия задачи, а в необходимых случаях и дополнительные вопросы к ней.
      2. Устанавливается физическая сущность явления, закона, которому оно подчиняется. Намечается путь опытного решения задачи.
      3. Осуществляется опытное решение задачи и проделываются нужные вычисления, если они предусмотрены данной задачей.
      4. Полученные результаты обсуждаются всеми участниками решения задачи.
      Задачи легкие, с простым экспериментом, могут быть решены и обсуждены на одном занятии кружка. Осуществление опытного решения более сложных и трудных задач может потребовать от учащихся более длительной подготовки. В этих случаях целесообразно решение задачи и обсуждение его отнести на следующее занятие кружка.
      Вообще, следует организацию решения задач варьировать в соответствии с характером каждой данной задачи и особенностями работающей группы учащихся.
      Каждая задача имеет название, соответствующее ее основной теме. Название задачи позволяет преподавателю, не читая текста самой задачи, получить предварительное представление о ней. Название задачи во многих случаях является ответом на вопрос задачи или, во всяком случае, подсказывает путь к ее решению, благодаря чему сокращается материал, излагаемый в разделе втором.
      Называние задачи, которое подсказывает ее решение или определяет раздел физики, к которому она относится, не должно быть известно учащимся. В тех случаях, когда название задачи не дает учащемуся дополнительных указаний к тем, которые содержатся в условиях задачи, оно может быть доведено до сведения ученика. Это всегда усиливает интерес к задаче, фиксируя мысль на основном поставленном в ней вопросе.
      Экспериментальная установка дается в руки учащихся только после того, как преподаватель получил с ее помощью вполне четкие и устойчивые результаты.
      Не все учащиеся могут одинаково успешно решить задачу, во всяком случае одни решат ее раньше, другие позже. Было бы неверно считать, что данной группе учащихся можно предлагать задачи, рассчитанные на среднего ученика. Наоборот, если задача интересна большинству, то успехи сильных товарищей в ее решении могут благоприятствовать развитию соревнования всего коллектива.
      Если учащимся не удастся самостоятельно найти путь к решению задачи, то преподаватель может подсказать им физическую сущность решения или его первый этап, или напомнить учащимся физическое явление, близкое или аналогичное тому, которое связано с решением задачи, или, наконец, указать на литературу (учебник, задачник, журнал и т. п.), в которой можно найти описание явлений, связанных с решением задачи. Во всяком случае, надо сначала испытать прием наведения на мысль о способе, с помощью которого можно решить задачу, и только, если прием окажется неудачным, решить самому преподавателю. Следует учесть способности и особенности учащихся, чтобы иметь уверенность в том, что предлагаемая задача окажется по силам если не всем, то некоторым ученикам. Однако то обстоятельство, что учащиеся в отдельных случаях не смогут самостоятельно решить задачу, не должно расцениваться как отрицательный момент в педагогической работе учителя. Многое в задаче окажется полезным для учеников даже в том случае, когда почти вся инициатива в отыскании путей к решению перейдет к преподавателю. Очень желательно, чтобы и в этом случае экспериментальная часть задачи проводилась самими учащимися по указаниям преподавателя. •
      Почти каждая задача-опыт, кроме основного вопроса, имеет дополнительные, которые выделены в особую группу.
      Введение дополнительных вопросов вызвано следующими соображениями.
      1. Задача может быть связана с некоторыми достаточно интересными вопросами, включение которых в условие задачи усложнит ее решение и отвлечет внимание учеников. Такие вопросы целесообразно поместить в дополнениях.
      2. Иногда, как уже отмечалось, для облегчения решения задачи полезно дать учащимся наводящие указания. В некоторых дополнениях помещены вопросы именно такого порядка.
      3. Вопросы, связанные с практическим использованием полученных учащимися итогов решения задачи, ставятся также в дополнениях.
      4. Вопросы, связанные с побочными физическими явлениями, возникающие при решении задачи, предлагаются в дополнениях, если они представляют интерес с точки зрения углубления или закрепления вопросов курса физики.
      5. Для выяснения основного вопроса задачи или для расширения его значения иногда целесообразно, кроме основного эксперимента, предложить учащимся дополнительный, который, по ряду причин, не вводится в условие задачи. Такой вопрос-опыт предлагается тоже в дополнениях.
      Для каждой задачи-опыта возможны некоторые варианты экспериментальных установок. Поэтому предлагаемые варианты не должны связывать преподавателя, который может вносить в установки самые различные изменения в связи с реальными возможностями физического кабинета школы. Это относится в равной мере как к материалам, так и к приборам, входящим в установку.
      Вполне возможно дать для некоторых задач не одну, а несколько одинаковых установок, что приводит не только к экономии времени, но и к большему интересу к задаче со стороны учащихся, соревнующихся между собой при коллективном решении ее.
      В тех случаях, когда возможна порча приборов или электрической сети, принимаются соответствующие предохранительные меры, о которых говорится в разделе втором.
      Форма текста условия задачи может и даже должна изменяться в зависимости от целого ряда условий (средств кабинета, развития учащихся, условий помещения, в котором дается экспериментальная установка, и т. п.).
      Так, например, текст условия может быть вывешен около экспериментальной установки, например, на стене. В тех случаях, когда задача решается на уроке или дается для домашнего решения, целесообразнее, чтобы учащиеся записали ее условие под диктовку преподавателя.
      Поиски учащимися путей к решению задач-опытов изобилуют многими неожиданностями для преподавателя.
      Неверный прием, примененный учениками при решении обычных расчетных задач, приводит неизбежно к ошибочному результату. Решение задачи, которое не вполне соответствует ее условию, также приходится считать неверным. В том и в другом случае результаты не имеют почти никакой ценности, и учащимся предлагается продумать еще раз, пересмотреть решение и с помощью преподавателя или самостоятельно заново решить задачу.
      Совсем иная ситуация может возникнуть в аналогичных случаях при решении задач-опытов. Может случиться, что задачу не придется переделывать и результаты ее решения окажутся ценными и поучительными не только в том случае, когда ученики провели работу непредусмотренным методом или не вполне в соответствии с условием, но иногда даже в тех случаях, когда экспериментальный вопрос остался нерешенным вследствие опытных неудач.
      Неверное решение расчетной задачи указывает на допущенную ошибку в применении закона физики или в математических операциях, что приводит к неверному, а иногда к нелепому результату.
      Результат опыта не может быть неверным, а тем более нелепым. Опыт может привести к результату, которого не ожидает экспериментатор, но он, в силу закона причинности, всегда развертывает закономерную цепь причин и следствий. Экспериментатор может не учесть должным образом взаимную связь явлений, он может не принять во внимание того или иного процесса, протекающего одновременно с тем, который он анализирует. Опыт отражает весь сложный комплекс связанных с ним физических явлений, экспериментатор же не всегда может правильно оценить те из них, которые играют доминирующую роль в данном опыте.
      Приведем примеры из практики решения задач, имеющихся в настоящем сборнике, которые подтвердили бы указанное различие в оценке неверного решения расчетной задачи, с одной стороны, и задачи-опыта, с другой.
      1. Задача 12. Стакан с чистыми стенками и второй со стенками, покрытыми тонким слоем парафина, наполняются водой так, чтобы она не доходила до краев стакана приблизительно на 1 см. Если на поверхность воды в каждом стакане положить по легкому стальному перу, то в стакане с чистыми стенками перо будет держаться только посередине стакана, так как поверхность воды вогнутая, а во втором стакане перо будет держаться только у края стакана (поверхность воды выпуклая).
      Однажды в условии задачи не было указано, что уровень воды расположен ниже края стакана „приблизительно на 1 см". Учащиеся наполнили водой стакан до самых краев. Естественно, что результат опыта получился противоположный тому, какой предполагался в задаче. Но разве эта „неудача" не позволила решить вопрос о форме поверхности жидкости, о смачивании стенок стакана на основании поведения пера, когда оно вместо ожидаемого равновесия в центре поверхности жидкости держалось около края стакана? Надо ли было переделывать задачу, решать ее заново, если она осветила исследуемый вопрос, пожалуй, даже более интересно, чем предполагалось?
      2. 3адача 28. Вода в колбе доводится до кипения, после чего нагревательный прибор (например, спиртовка) отставляется, а колба закрывается пробкой, к которой на ниточке подвешен маленький колокольчик. После того как колба остынет, раскачивают ее, заставляя звучать колокольчик. При этом слышен очень слабый звук.
      Когда ученики закрывали пробкой колбу после кипячения в ней воды, то, вследствие недостаточно плотного закупоривания, в колбу проник воздух и к моменту ее остывания она была наполнена воздухом при атмосферном давлении и некоторым количеством водяного пара. Так как в результате этого физические условия в колбе после опыта ничем не отличались от условий до опыта, то при встряхивании колбы по-прежнему слышался звон бубенчика. Опыт не привел к желаемому результату, но он продемонстрировал одно из существенных положений физики: если данная система (воздух — пар) в результате происходящих в ней изменений (нагревание, испарение и т. д.) вернулась в свое первоначальное состояние (плотность, температура и т. д.), то любой процесс, например, процесс распространения звука, протекает в ней так же, как он протекал при ее первоначальном состоянии.
      Не будь указанной случайной „неудачи", этот вопрос остался бы, конечно, не затронутым.
      3. Задача 36. Две колбы закрыты пробками, сквозь которые пропущены концы стеклянной толстостенной трубки, согнутой П-образно. В колбы налито небольшое количество воды, в которую опущены концы трубок, тоже наполненные водой. К середине трубки прикреплена тонкая верёвка, с помощью которой трубка с колбами подвешивается так, чтобы трубка установилась горизонтально. Кроме того, дана электрическая лампочка, поставив которую на одинаковом расстоянии от колб, поочередно направляют от нее лучи то на правую, то на левую колбу. Вода, поочередно нагреваясь, переливается из одной колбы в другую и обратно. Этим переливанием осуществляется качание колб.
      С помощью указанной установки учащиеся не могли решить задачу. Они придумали свой способ решения. Под колбы были подставлены две горящие спиртовые лампочки. После того как одну из колб немного опускали, рычаг начинал совершать длительные колебания. По формальным соображениям следовало бы сказать, что задача не решена, так как не выполнено условие задачи и не использована данная установка. Тем не менее, по существу задача была» безусловно, решена и решена блестяще. Ясно, что в этом случае следовало бы указать учащимся на их отступления от условий задачи и вместе с тем всемерно поощрить их творческие поиски новых путей решения, в результате которых были бы вскрыты именно те основные физические явления, ради которых и ставилась задача.
      Таких примеров может быть приведено очень много, но и из указанных здесь видно, что неудачи и ошибки учащихся можно использовать для раскрытия многих физических явлений. В связи с этим не следует затушевывать неудачу или некоторую нечеткость опыта. Наоборот, преподавателю совместно с учащимися следует вскрыть физические причины „неудачи". В некоторых случаях „неудачи" могут дать материал для создания новых задач-опытов, часто даже не связанных с темой основной задачи.
      Кроме задач-опытов, в настоящем сборнике имеется небольшое количество задач-вопросов (17 задач), из которых семь являются чисто вопросными задачами, а десять представляют собой также задачи-опыты, но для них не дается экспериментальной установки по различным соображениям.
      Например, в задаче 38 речь идет о том, что если открыть водоспускной кран в паровом котле с давлением в нем в 8 атм, то из крана пойдет не вода, как этого ожидают учащиеся, а пар, так как вода в котле при давлении в 8 атм имеет температуру около 170° С. Выходя наружу, она кипит, обращаясь в пар. Опыт прекрасно удается с котлами от моделей паровых машин. Однако установка с моделью паровой машины противоречила бы принципу простоты экспериментальных установок.
      В задаче 51 говорится о том, что если на один шелковый чулок (на ноге) надеть другой, то после этого снять один верхний чулок очень трудно, так как чулки наэлектризовываются и слипаются. И в этом случае от экспериментальной установки целесообразно отказаться.
      Задачи-опыты находят все большее применение в школе. Дальнейшая работа учителей физики в этом направлении, несомненно, будет содействовать повышению качества знаний учащихся по физике и подготовке их к практической деятельности.
      РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ И ПОЯСНЕНИЯ К НИМ.
      В тех случаях, когда объяснение явления безусловно известно преподавателю, оно не приводится в решении задач. Однако от учащихся следует требовать теоретических объяснений, связанных с опытным решением задачи.
      На некоторые дополнительные вопросы, которые не могут вызвать недоразумений, также не дается ответа, поскольку они являются курсовыми вопросами.
      Во многих задачах по электричеству используется переменный ток городской сети или электрический ток аккумуляторов и гальванических элементов. Во всех этих случаях необходимы известные меры предосторожности. Для того чтобы не повторять описания их в каждой задаче, мы ограничимся общими соображениями, одинаково пригодными для любого частного случая.
      Штепсельная розетка, от которой пользуются городским током для экспериментальной установки, должна быть снабжена предохранителем, помещенным в самой розетке или включенным в шнур розетки на такой высоте, чтобы, встав на стул, можно было свободно заменять перегоревшие пробки новыми.
      Кроме того, следует обязательно включать (до розетки или после нее) последовательно в цепь предохранительное сопротивление.
      В качестве такого сопротивления удобнее и проще всего использовать лампочку накаливания (25—100 вт), рассчитанную на нормальное напряжение сети.
      В этом случае „короткое" замыкание проводов, с которыми экспериментируют учащиеся, ничем не будет сопровождаться, кроме свечения лампочки.
      Весьма желательно, чтобы подобное предохранительное сопротивление было совершенно изолировано от экспериментальной установки, а когда применена лампочка – даже полностью закрыто. В противном случае, во-первых, отвлекается внимание учащихся деталью, которая ничего общего не имеет ни с установкой задачи, ни с ее решением, и, во-вторых, создается опасность, что во время налаживания опыта учащиеся могут случайно замкнуть концы сопротивления каким-нибудь прислоненным к нему металлическим предметом.
      Использовать лампочку накаливания в качестве предохранительного сопротивления удобно еще по одному соображению. Когда, согласно задаче, требуется в самой установке использовать, например, две последовательно включенные лампочки, то для осуществления этого достаточно вывинтить лампочку-сопротивление и вместо нее ввинтить пробку предохранителя большого диаметра или цоколь от перегоревшей лампочки с закороченными контактами. (В цепи всегда остается тот предохранитель, о котором говорилось выше.)
      Когда в задачах указывается, что лампочки рассчитаны на 127 в, имеется в виду, что напряжение сети равно 127 в. В тех случаях, когда напряжение сети имеет иное значение, следует пользоваться лампочками, рассчитанными на это напряжение.
      Если для экспериментальной установки требуется переменный ток низкого напряжения порядка 10–20 в, то можно использовать для этого трансформатор или потенциометр. В том и другом случае, если нет специальных указаний, приборы, понижающие напряжение тока, должны быть совершенно отделены от экспериментальной установки и недоступны для учащихся. Если в физическом кабинете нет необходимого трансформатора и проволочного потенциометра, можно использовать жидкостный. Его включение показано на рис. 27. (Электроды – железные. Раствор соды или хлористого натрия.) Нагревание раствора и порча железных электродов не имеет практического значения, так как опыты длятся весьма недолго.
      Если для задачи требуются аккумуляторы, то, независимо от того, применяется ли предохранительное сопротивление или нет, в аккумуляторную цепь обязательно включается предохранитель, рассчитанный на безопасную для аккумулятора силу тока. Этим достигаются две цели: во-первых, аккумулятор оберегается от порчи и, во-вторых, контролируется внимательность и дисциплинированность учащихся во время опытного решения задачи. Используя предохранительное сопротивление, преподаватель, конечно, может быть спокоен за сохранность своих аккумуляторов, но он никогда не сможет выяснить, даже приблизительно, насколько беспорядочно или неумело решалась опытная часть задачи. Наоборот, предохранитель, включенный в цепь аккумулятора, превращается, так сказать, в автоматический регистратор каждого короткого замыкания или перегрузки аккумуляторов, возникших вследствие небрежности, неумелости или невнимательности учащихся. Поэтому существенно монтировать предохранитель на самом аккумуляторе и сделать недоступными для учащихся как полюсы самого аккумулятора, так и предохранитель. Проще всего этого можно добиться, заключив аккумулятор с предохранителем в ящик. Крышка делается на петлях и запирается с помощью висячего или иного замка. В крышке высверливается маленькое отверстие для удаления газов. На боковой стенке ящика монтируются клеммы, соединенные внутри ящика с полюсами аккумулятора (через предохранитель), около которого привинчиваются (одним винтиком каждый) два небольших прямоугольных куска картона с отметками полюсов (+) и (–). Обозначения полюсов лучше не ставить непосредственно на стенке ящика, так как для некоторых задач может потребоваться аккумулятор, знаки полюсов которого должны быть неизвестны учащимся. В этом последнем случае кусочки картона снимаются. При этом можно внутри ящика переключить соединение клемм с полюсами аккумуляторов.
      В качестве предохранителя для аккумуляторов удобно воспользоваться не специальным предохранителем, а просто двумя клеммами, в которые зажимается тонкая медная проволока (D ? 0,1 мм).
      При работе с гальваническими элементами предохранитель излишен и надо удовлетвориться включением в их цепь предохранительного сопротивления для того, чтобы избежать напрасной перегрузки элементов.
      Успешное опытное решение некоторых задач зависит от достаточной чувствительности электроскопа, который следовало бы заменить в этих случаях электрометром. Так как такая замена в подавляющем большинстве случаев невозможна, то для некоторых опытов можно рекомендовать следующий прием, значительно повышающий чувствительность электроскопа, точнее – дающий возможность с помощью обычного электроскопа наблюдать очень малые изменения электрического поля. Для этого употребляют не нейтральный, а уже заряженный электроскоп. Электроскопу сообщается такой .заряд, чтобы его листочки отклонились от вертикали примерно на 10–15° каждый. Если, например, электроскоп зарядить положительным электричеством, то при увеличении напряженности электрического поля угол между его листочками увеличивается. При этом можно отчетливо наблюдать такую напряженность внешнего поля, которая совершенно недостаточна для заветного подъема листочков нейтрального электроскопа.
      Если с помощью такого положительно заряженного электроскопа требуется определить знак заряда подносимого к нему тела, то он даст однозначный ответ только при увеличении угла между листочками – тело заряжено положительно. Уменьшение угла между листочками указывает, что тело либо заряжено отрицательно, либо нейтрально. Для окончательного решения вопроса электроскоп необходимо зарядить отрицательным электричеством и вновь приблизить к нему исследуемое тело. Если при этом угол между листочками по-прежнему уменьшается, значит тело нейтрально, если увеличивается — тело заряжено отрицательно. Если известно, что тело несет отрицательный заряд и требуется только подтвердить это экспериментально, то наибольшая чувствительность электроскопа получится в том случае, если он заряжен положительно и его листочки с вертикалью образуют угол в 700–80°.
      Последнее общее замечание относится к тем двум-трем задачам, в которых применяется раствор серной кислоты. Несмотря на то, что пользуются слабым раствором (3—5%), учащимся следует напомнить об осторожном обращении с раствором, вполне безопасным для их рук, но не для одежды. Возможно, что в „Условие" задачи следует включить соответствующее примечание, вроде следующего:
      Примечание. Будьте осторожны! Не капните раствором серной кислоты на одежду. Даже мельчайшие брызги ее могут прожечь сукно, бумажные ткани и пр. Не вытирайте рук носовым платком, а тотчас же после окончания опыта вымойте руки.
      Переходим к решениям и замечаниям, относящимся к каждой задаче. Порядковая нумерация замечаний соответствует номерам задач. Относительно каждой задачи дается указание, для какого класса она предназначена. Однако это надо понимать только как указание на наибольшую пригодность задачи для данного класса. Отсюда не следует делать вывод, что задачу нельзя использовать и для других классов.
     
      ЗАДАЧИ-ОПЫТЫ И ЗАДАЧИ-ВОПРОСЫ.
      Настоящий раздел книги содержит описания „Экспериментальных установок" (Дальше для краткости будем говорить просто „установка“.) и „Условия задач“. Кроме того, большинство задач имеют „Дополнения“. Учащимся не дают описаний установки – они получают лишь условие задачи, вывешенное около установки или продиктованное учителем. В зависимости от соображений преподавателя учащимся могут быть даны вместе с условием задачи и некоторые или все вопросы, помещенные в дополнениях.
      При налаживании задач-опытов преподавателю рекомендуется ознакомиться не только с их решением, но и с примечаниями, которые даются там же.
      Для некоторых задач необходимы спички (зажигание свечи, спиртовой лампочки и пр.). О них не упоминается в описании установки. Предполагается, что преподаватель сам решит, включать ли их в установку или выждать, пока учащиеся попросят их у преподавателя.