Занимательные опыты по физике

Законы физики основаны на фактах, установленных опытным путем. Причем нередко истолкование одних и тех же фактов меняется в ходе исторического развития физики. Факты накапливаются в результате наблюдений. Но при этом только ими ограничиваться нельзя. Это только первый шаг к познанию. Дальше идет эксперимент, выработка понятий, допускающих качественные характеристики в форме числа. Чтобы из наблюдений сделать общие выводы, выяснить причины явлений, надо установить количественные зависимости между величинами. Если такая зависимость получается, то найден физический закон. Если найден физический закон, то нет необходимости ставить в каждом отдельном случае опыт, достаточно выполнить соответствующие вычисления.

Изучив экспериментально количественные связи между величинами, можно выявить закономерности. На основе этих закономерностей развивается общая теория явлений.

Следовательно, без эксперимента нет и не может быть рационального обучения физике; одно словесное обучение физике неизбежно приводит к формализму и механическому заучиванию. Первые мысли учителя должны быть направлены на то, чтобы учащийся видел опыт и проделывал его сам, видел прибор в руках преподавателя и держал его в своих собственных руках. Однако если учащиеся будут проделывать различные опыты и наблюдать за демонстрацией опытов, выполняемых учителем, но не будут слышать продуманных ярких рассказов преподавателя, не будут решать задач, не будут читать учебника и знакомиться с литературой, то такую работу учителя еще нельзя назвать удовлетворительной. Преподавание предполагает широкое использование эксперимента, обсуждение со школьниками особенностей его постановки и наблюдаемых результатов. Проведение лабораторного эксперимента и решение расчетных задач не предусматриваются. Для проверки усвоения рекомендуются контрольные работы, ответы на качественные вопросы, написание рефератов с последующим анализом их содержания на уроках.

1.Теоретическая часть

Механика (от греческого mhcanich - мастерство, относящееся к машинам; наука о машинах) – наука о простейшей форме движении материи – механическом движении, представляющем изменение с течением времени пространственного расположения тел, и о связанных с движением тел взаимодействиях между ними. Механика исследует общие закономерности, связывающие механические движения и взаимодействия, принимая для самих взаимодействий законы, полученные опытным путем и обосновываемые в физике. Методы механики широко используются в различных областях естествознания и техники.

Механика изучает движения материальных тел, пользуясь следующими абстракциями:

1) Материальная точка, как тело пренебрежимо малых размеров, но конечной массы. Роль материальной точки может играть центр инерции системы материальных точек, в котором при этом считается сосредоточенной масса всей системы;

2) Абсолютно твердое тело, совокупность материальных точек, находящихся на неизменных расстояниях друг от друга. Эта абстракция применима, если можно пренебречь деформацией тела;

3) Сплошная среда. При этой абстракции допускается изменение взаимного расположения элементарных объемов. В противоположность твердому телу для задания движения сплошной среды требуется бесчисленное множество параметров. К сплошным средам относятся твердые, жидкие и газообразные тела, отражаемые в следующих отвлечённых представлениях: идеально упругое тело, пластичное тело, идеальная жидкость, вязкая жидкость, идеальный газ и другие. Указанные отвлечённые представления о материальном теле отражают действительные свойства реальных тел, существенные в данных условиях.

Соответственно этому механику разделяют на:

Ø механику материальной точки;

Ø механику системы материальных точек;

Ø механику абсолютно твердого тела;

Ø механику сплошной среды.

Последняя в свою очередь подразделяется на теорию упругости, гидромеханику, аэромеханику, газовую механику и другие.

Термином «теоретическая механика» обычно обозначают часть механики, занимающуюся исследованием наиболее общих законов движения, формулировкой её общих положений и теорем, а также приложением методов механики к изучению движения материальной точки, системы конечного числа материальных точек и абсолютно твердого тела.

В каждом из этих разделов, прежде всего, выделяется статика, объединяющая вопросы, относящиеся к исследованию условий равновесия сил. Различают статику твердого тела и статику сплошной среды: статику упругого тела, гидростатику и аэростатику. Движение тел в отвлечении от взаимодействия между ними изучает кинематика. Существенная особенность кинематики сплошных сред заключается в необходимости определить для каждого момента времени распределение в пространстве перемещений и скоростей. Предметом динамики являются механические движения материальных тел в связи с их взаимодействиями.

Существенные применения механики относятся к области техники. Задачи, выдвигаемые техникой перед механикой, весьма разнообразны; это – вопросы движения машин и механизмов, механика транспортных средств на суше, на море и в воздухе, строительной механики, разнообразных отделов технологии и многие другие. В связи с необходимостью удовлетворения запросов техники из механики выделились специальные технические науки. Кинематика механизмов, динамика машин, теория гироскопов, внешняя баллистика представляют технические науки, использующие методы абсолютно твердого тела. Сопротивление материалов и гидравлика, имеющие с теорией упругости и гидродинамикой общие основы, вырабатывают для практики методы расчёта, корректируемые экспериментальными данными. Все разделы механики развивались и продолжают развиваться в тесной связи с запросами практики, в ходе разрешения задач техники.

Механика как раздел физики развивался в тесной взаимосвязи с другими её разделами – с оптикой, термодинамикой и другими. Основы так называемой классической механики были обобщены в начале XX в. в связи с открытием физических полей и законов движения микрочастиц. Содержание механики быстродвижущихся частиц и систем (со скоростями порядка скорости света) изложены в теории относительности, а механика микродвижений – в квантовой механике.

В основе механики лежат следующие законы Ньютона. П е р в ы й з а к о н, или закон инерции, характеризует движение тел в условиях изолированности от других тел, либо при уравновешенности внешних воздействий. Закон этот гласит: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока приложенные силы не заставят его изменить это состояние. Первый закон может служить для определения инерциальных систем отсчета. В т о р о й з а к о н, устанавливающий количественную связь между приложенной к точке силой и вызываемым этой силой изменением количества движения, гласит: изменение движения происходит пропорционально приложенной силе и происходит в направлении линии действия этой силы. Согласно этому закону, ускорение материальной точки пропорционально приложенной к ней силе: данная сила F вызывает тем меньшее ускорение а тела, чем больше его инертность. Мерой инертности служит масса. По второму закону Ньютона сила пропорциональна произведению массы материальной точки на её ускорение; при надлежащем выборе единицы силы последняя может быть выражена произведением массы точки m на ускорение а:

F = ma.

Это векторное равенство представляет основное уравнение динамики материальной точки. Т р е т и й з а к о н Ньютона гласит: действию всегда соответствует равное ему и противоположно направленное противодействие, т. е. действие двух тел друг на друга всегда равны и направлены по одной прямой в противоположных направлениях. В то время как первые два закона Ньютона относятся к одной материальной точке, третий закон является основным для системы точек. Наряду с этими тремя основными законами динамики имеет место закон независимости действия сил, который формулируется так: если на материальную точку действует несколько сил, то ускорение точки складывается из тех ускорений, которые точка имела бы под действием каждой силы в отдельности.

Но любое изучение и преподавание физики не возможно без проведения экспериментов.

Эксперимент имеет большое значение для преподавания учащимся физических законов и явлений. Значение физического эксперимента непрерывно возрастает в связи с небывалым развитием физики. Гигантское развитее науки требует совершенствования методики преподавания физики. Эта задача приобретает особую важность в связи с перестройкой школы.

Осуществление двух видов школьного эксперимента: демонстрации опытов и проведение лабораторных работ – позволяет успешно решать задачу физики с техникой. Этим и объясняется огромный интерес, проявляемый учителями физики к постановке школьного физического эксперимента.

Использование демонстрационного эксперимента, обсуждение со школьниками особенностей его постановки и наблюдаемых результатов. Проведение лабораторного эксперимента и решение расчетных задач не предусматриваются. Для проверки усвоения рекомендуются контрольные работы, ответы на качественные вопросы, написание рефератов с последующим анализом их содержания на уроках.

2.Виды и роль эксперимента в обучающем процессе.

Демонстрационный эксперимент является одной из составляющих учебного физического эксперимента и представляет собой воспроизведение физических явлений учителем на демонстрационном столе с помощью специальных приборов. Он относится к иллюстративным эмпирическим методам обучения. Роль демонстрационного эксперимента в обучении определяется той ролью, которую эксперимент играет в физике-науке как источник знаний и критерий их истинности, и его возможностями для организации учебно-познавательной деятельности учащихся.

Значение демонстрационного физического эксперимента заключается в том, что:

-учащиеся знакомятся с экспериментальным методом познания в физике, с ролью эксперимента в физических исследованиях (в итоге у них формируется научное мировоззрение);

-у учащихся формируются некоторые экспериментальные умения: наблюдать явления, выдвигать гипотезы, планировать эксперимент, анализировать результаты, устанавливать зависимости между величинами, делать выводы и т.п.

Демонстрационный эксперимент, являясь средством наглядности, способствует организации восприятия учащимися учебного материала, его пониманию и запоминанию; позволяет осуществить политехническое обучение учащихся; способствует повышению интереса к изучению физике и созданию мотивации учения. Но при проведении учителем демонстрационного эксперимента учащиеся только пассивно наблюдают за опытом, проводимым учителем, сами при этом ничего не делают собственными руками. Следовательно, необходимо наличие самостоятельного эксперимента учащихся по физике.

Обучение физике нельзя представить только в виде теоретических занятий, даже если учащимся на занятиях показываются демонстрационные физические опыты. Ко всем видам чувственного восприятия надо обязательно добавить на занятиях “работу руками”. Это достигается при выполнении учащимися лабораторного физического эксперимента, когда они сами собирают установки, проводят измерения физических величин, выполняют опыты. Лабораторные занятия вызывают у учащихся очень большой интерес, что вполне естественно, так как при этом происходит познание учеником окружающего мира на основе собственного опыта и собственных ощущений.

Значение лабораторных занятий по физике заключается в том, что у учащихся формируются представления о роли и месте эксперимента в познании. При выполнении опытов у учащихся формируются экспериментальные умения, которые включают в себя как интеллектуальные умения, так и практические. К первой группе относятся умения: определять цель эксперимента, выдвигать гипотезы, подбирать приборы, планировать эксперимент, вычислять погрешности, анализировать результаты, оформлять отчет о проделанной работе. Ко второй группе относятся умения: собирать экспериментальную установку, наблюдать, измерять, экспериментировать.

Кроме того, значение лабораторного эксперимента заключается в том, что при его выполнении у учащихся вырабатываются такие важные личностные качества, как аккуратность в работе приборами; соблюдение чистоты и порядка на рабочем месте, в записях, которые делаются во время эксперимента, организованность, настойчивость в получении результата. У них формируется определенная культура умственного и физического труда.

Фронтальные лабораторные работы - это такой вид практических работ, когда все учащиеся класса одновременно выполняют однотипный эксперимент, используя одинаковое оборудование. Фронтальные лабораторные работы выполняются чаще всего группой учащихся, состоящей из двух человек, иногда имеется возможность организовать индивидуальную работу. Соответственно в кабинете должно быть 15-20 комплектов приборов для фронтальных лабораторных работ. Общее количество таких приборов будет составлять около тысячи штук. Названия фронтальных лабораторных работ приводятся в учебных программах. Их достаточно много, они предусмотрены практически по каждой теме курса физики. Перед проведением работы учитель выявляет подготовленность учащихся к сознательному выполнению работы, определяет вместе с ними ее цель, обсуждает ход выполнения работы, правила работы с приборами, методы вычисления погрешностей измерений. Фронтальные лабораторные работы не очень сложны по содержанию, тесно связаны хронологически с изучаемым материалом и рассчитаны, как правило, на один урок. Описания лабораторных работ можно найти в школьных учебниках по физике.

Физический практикум проводится с целью повторения, углубления, расширения и обобщения полученных знаний из разных тем курса физики; развития и совершенствования у учащихся экспериментальных умений путем использования более сложного оборудования, более сложного эксперимента; формирования у них самостоятельности при решении задач, связанных с экспериментом. Физический практикум не связан по времени с изучаемым материалом, он проводится, как правило, в конце учебного года, иногда - в конце первого и второго полугодий и включает серию опытов по той или иной теме. Работы физического практикума учащиеся выполняют в группе из 2-4 человек на различном оборудовании; на следующих занятиях происходит смена работ, что делается по специально составленному графику. Составляя график, учитывают число учащихся в классе, число работ практикума, наличие оборудования. На каждую работу физического практикума отводятся два учебных часа, что требует введения в расписание сдвоенных уроков по физике. Это представляет затруднения. По этой причине и из-за недостатка необходимого оборудования практикуют одночасовые работы физического практикума. Следует отметить, что предпочтительными являются двухчасовые работы, поскольку работы практикума сложнее, чем фронтальные лабораторные работы, выполняются они на более сложном оборудовании, причем доля самостоятельного участия учеников значительно больше, чем в случае фронтальных лабораторных работ. К каждой работе учитель должен составить инструкцию, которая должна содержать: название, цель, список приборов и оборудования, краткую теорию, описание неизвестных учащимся приборов, план выполнения работы. После проведения работы учащиеся должны сдать отчет, который должен содержать: название работы, цель работы, список приборов, схему или рисунок установки, план выполнения работы, таблицу результатов, формулы, по которым вычислялись значения величин, вычисления погрешностей измерений, выводы. При оценке работы учащихся в практикуме следует учитывать их подготовку к работе, отчет о работе, уровень сформированности умений, понимание теоретического материала, используемых методов экспериментального исследования.

3. Занимательные опыты по физике

Но опыты в физике могу не только иллюстрировать различные физические процессы но и стимулировать познавательную активность и желание учиться. Так, например некоторые опыты предназначенные для проведения в школе на уроках по механике.

Инерция.

Интереснейшим подтверждением существования инерции служит обыкновенный волчок. Каждая частица волчка движется по окружности в плоскости, перпендикулярной оси вращения. По закону инерции частица в каждый момент времени стремится сойти с окружности на прямую линию, касательную к окружности. Но всякая касательная расположена в той же плоскости, что и сама окружность; поэтому каждая частица стремится двигаться так, чтобы все время оставаться в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. Отсюда следует, что все плоскости в волчке, перпендикулярны к оси вращения, стремятся сохранить свое положение в пространстве, а поэтому и общий перпендикуляр к ним, т.е. сама ось вращения, также стремится сохранить свое равновесие, волчок как бы сопротивляется попытке его опрокинуть. Чем массивнее волчок и чем быстрее он вращается, тем упорнее противодействует он опрокидыванию.

· Возьмем центробежную машину и укрепим на ней диск(сирену дисковую). На край диска поставьте свечу которую накройте коническим сосудом для демонстрации гидростатического парадокса. Сосуд закрепите на диске проволокой. Почему при вращении диска пламя свечи отклоняется от оси вращения?

Ответ: холодный, болие плотный воздух удаляется от оси вращения, а теплый, менее плотный, приближается, чем и объясняется отклонение пламени.

Сила тяжести давления

Силу тяжести с которой тела притягиваются к Земле, нужно отличать от веса тела. Понятие веса широко используется в повседневной жизни.

Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. При этом предполагается, что тело неподвижно относительно опоры или подвеса. Пусть тело лежит на неподвижном относительно Земли горизонтальном столе. Систему отсчета, связанную с Землей, будем считать инерциальной.

Сила, с которой Земля или другая планета действует на все тела, находящиеся у ее поверхности, называется силой тяжес­ти. Сила тяжести прямо пропорциональна массе тела. Теперь вам ясно, почему тело, обладающее большей массой тяжелее, ведь его Земля притягивает с большей силой. Сила тяжести действу­ет на тело вертикально вниз. Изображается так же, как и другие силы

Для проверки теории можно использовать следующие опыты:

· Возьмем диск из метала(фанеры или пластмассы ) диаметром 10 см. по его размерам вырежем кусок бумаги. В одну руку возьмите бумажный диск, а в другую металлический (фанерный или пластмассовый) и предоставьте им возможность свободно падать с одной и той же высоты. Почему металлический диск упадет быстрее бумажного? Положите бумажный диск на металлический и дайте им возможность свободно падать. Почему в этом случае они падают одновременно?

Ответ: На каждый диск действует две силы: сила тяжести и сила сопротивления воздуха. В начале движения равнодействующая этих сил направлена в низ, больше для металлического диска, поэтому он будет двигаться с большим ускорением. Но с увеличением скорости сила сопротивления воздуха увеличится и станет равной силе тяжести. В итоге оба диска будут двигаться равномерно, но металлический диск – с большей скоростью. (Похожая ситуация возникает когда парашютист находится в состоянии свободного полета: выпрыгивая из самолета он имеет сравнительно небольшую скорость потом разгоняясь примерно до 50 м/с эти две силы уравновешиваются и он подает с постоянной скоростью).

Во втором случае сопротивление воздуха преодолеет только металлический диск, а сила тяжести сообщает телам равные ускорения в независимости от их масс.

· Возьмите два одинаковых по размерам и массе листа бумаги. Один лист скомкайте. Одновременно отпустите листы с одной и той же высоты. Почему скомканный лист падает быстрее?

Ответ: скомканный лист бумаги падает быстрее, так как на него действует меньшая сила сопротивления со стороны воздуха.

Сила трения.

Трение – один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из тел действует сила трения, то такая же по модулю, но направленная в противоположную сторону сила действует и на второе тело. Силы трения, как и упругие силы, имеют электромагнитную природу. Они возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел.

Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Сухое трение, возникающее при относительном покое тел, называют трением покоя. Сила трения покоя всегда равна по величине внешней силе и направлена в противоположную сторону

Вот опыт, показывающий, что происходит если действие силы трения мало.

· Возьмем шелковую нить. Привяжем ее конец узлами к какому-либо грузу и дерним за второй конец нити. Узлы развяжутся.

Или еще опыт более сложный для объяснения.

· Возьмем линейку и положим горизонтально на указательные пальцы рук. Не торопясь перемещаем пальцы к центру линейки. Почему линейка двигается то по одному, то по другому пальцу?

Ответ: Сила давления со стороны линейки на пальцы изменяется при движении. Стало быть изменяется и сила трения между пальцами и линейкой. Если один палец расположен ближе к центру то на него сила давления действует больше. Между ним и линейкой действует большая сило давления следовательно перемещается второй палец и т.д.

Закон Бернулли.

Согласно ему полное давление в установившемся потоке жидкости(газа) остается постоянным вдоль этого потока. Полное давление состоит из весового, статического и динамического давления. Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, т.е. динамического давления, статическое давление падает. Закон Бернулли справедлив и для ламинарных потоков газа. Явление понижения давления при увеличении скорости потока лежит в основе работы различного рода расходомеров, водо и пароструйных насосов.

Данный опыт прямое следствие вышеизложенного закона.

· Возьмите стеклянную воронку вместимостью 80-100 см3, вставьте ее в отверстие резиновой пробки, находящийся на патрубке пылесоса. Включите пылесос и на ладони поднесите к воронке шарик от настольного тенниса (возможно, шарик внутри воронки надо будет приподнять). Хотя поток воздуха идет через воронку наружу, шарик поднимется к верхенй части раструба и прочно удержится там. Почему?

Ответ: Явление объясняется законом Бернулли. При продувании воздуха скорость его движения между стенками воронки и шарика больше чем у основания конуса. А где скорость меньше, там давление больше. Следовательно, давление воздуха на основании конуса больше. Это давление удерживает его в раструбе воронки.

Это некоторые опыты которые можно демонстрировать на уроке. Но изучение физики не ограничивается рамками урока, возможно проведение различных викторин, физических вечеров и конкурсов.

Разработать и провести подобное мероприятие дело весьма трудоемкое, что бы вечер удался следует помнить о некоторых правилах.

Вечер нужно начинать с показа такова интересного опыта, чтобы сразу привлечь внимание учеников. Если в плане вечера есть вопросы их необходимо чередовать с опытами. Заканчивать вечер надо наиболее интересным экспериментом.

После демонстрации опыта желающие объясняют его и отвечают на заданные вопросы. Для ответа следует увлекать как можно больше ребят. Поэтому ученики, правильно ответившие на 1-2 вопроса, в дальнейшем участвуют в исправлении ошибок и неточностей. Иногда целесообразно начать вечер с небольшого сообщения ученикам по тому или иному вопросу с показом соответствующих демонстраций.

Опыты следует тщательно готовить, так как самый занимательной опыт, не удавшийся сразу перестает интересовать детей и внимание их ослабевает. Опыт не вызывает интереса и в том случае, неудачно сформулирован вопрос, когда плохо пояснена демонстрация.

Заключение

Уже в определении физики как науки заложено сочетание в ней как теоретической, так и практической частей. Считается важным, чтобы в процессе обучения учащихся физике учитель смог как можно полнее продемонстрировать своим ученикам взаимосвязь этих частей. Ведь когда учащиеся почувствуют эту взаимосвязь, то они смогут многим процессам, происходящим вокруг них в быту, в природе, дать верное теоретическое объяснение. Это может являться показателем достаточно полного владения материалом.

Какие формы обучения практического характера можно предложить в дополнение к рассказу преподавателя? В первую очередь, конечно, это наблюдение учениками за демонстрацией опытов, проводимых учителем в классе при объяснении нового материала или при повторении пройденного, так же можно предложить опыты, проводимые самими учащимися в классе во время уроков в процессе фронтальной лабораторной работы под непосредственным наблюдением учителя. Еще можно предложить: 1)опыты, проводимые самими учащимися в классе во время физического практикума; 2)опыты-демонстрации, проводимые учащимися при ответах; 3)опыты, проводимые учащимися вне школы по домашним заданиям учителя; 4)наблюдения кратковременных и длительных явлений природы, техники и быта, проводимые учащимися на дому по особым заданиям учителя.

Опыт же не только учит он увлекает ученика заставляет лучше понимать то явление которое он демонстрирует. Ведь известно, что человек заинтересованный в конечном результате добивается успеха. Так и в данном случае заинтересовав ученика, пробудем тягу к знаниям. Использование всякого рода викторин основана тоже на том что бы заинтересовать но здесь и проявляется монет игры соревнования то есть спортивный интерес. От умение учитель применять такого рода опыты напрямую зависит успеваемость его учеников.

Литература

1. . Занимательные опыты по физике в 6-7 классах средней школы. Л.А.Горев. М.: “Просвещение”, 1985.

2. Занимательная физика. Я.И. Перельман. М.: “Наука”, 1991.

3. Сборник по методике и технике физического эксперимента. Под ред. Н.В. Алексеева. М.: “Учпедгиз”, 1960.

4. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы. Под ред. С.Е.Каменецкого, Н.С.Пурышевой. М.: “Академия”, 2000

5. Т.И.Трофимова. “Курс физики”, изд. “Высшая школа”, М., 1999г.

6. Методическая литература по курсу физика WWW.METODIST.RU

7. Сборник физических законов “закон Бернулли” WWW.ADNET.RU