CC BY
141
Н. С. Ильина
РАЗВИТИЕ УМЕНИИ ЦЕЛЕПОЛАГАНИЯ НА УРОКАХ ФИЗИКИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ
ЗАКОНОВ
Кафедра методики обучения физике.
Научный руководитель - С. В. Бубликов
Сущность педагогического целеполага-ния отражают следующие два теоретических положения. Первое состоит в том, что педагогические цели рассматриваются как «ожидаемые и возможные результаты педагогической деятельности, которые заключаются в изменениях личности в целом, ее отдельных качеств и структур» . Иначе говоря, цель предполагает планирование конкретных изменений личности обучаемого.
■ Второе положение отражает принцип реальности, который раскрывает существующую связь между целями и результатами, с одной стороны, и целями и потенциалом педагогической системы - с другой. Содержание этого принципа включает следующие требования:
- педагогические цели в системе образования должны исходить из возможностей данной системы (ее ресурсов, особенностей контингента учащихся и т. п.);
- эти цели должны соответствовать общим целям воспитания и социальным функциям системы образования;
- педагогические цели следует разделить на планируемые, отражающие реально достижимые результаты, и прогнозируемые, раскрывающие те или иные возможности достижения желаемых педагогических результатов.
Ерамотно поставленная цель учебной деятельности способствует ее успешному достижению.
Поставим цель - на конкретных примерах обучить школьников анализу физических ситуаций, для которых учащимся неизвестны конкретные законы, описывающие эти ситуации. Реализация этой цели возможна, так как в физике результат можно получить различными способами, например, используя методологические принципы физики, фундаментальные физические
Развитие умений целеполагания на уроках физики при использовании..
законы, конкретные законы физических те-2
орий . Осознавая «невозможность объятия необъятного», ограничимся следующим примером.
В физике как науке коэффициенты сопротивления среды находятся в каждой конкретной ситуации экспериментально с помощью аэродинамических труб. Это одна из причин, из-за которой силы сопротивления среды в курсе физики средней школы не изучаются или изучаются лишь в ознакомительном плане. Однако, используя фундаментальные физические законы, например, закон сохранения энергии и оборудование школьного кабинета физики, становится возможным оценить коэффициент сопротивления воздуха в случае движения легкого тела по наклонной плоскости.
В аудитории с высокими потолками сконструируем наклонную плоскость, модифицируя установку . Плоскость стыкуем из нескольких коробов для наружной электропроводки, добившись равномерного наклона плоскости без провисания. Изготовим из тонкой бумаги легкий кубик с ребром равным внутренней ширине короба. Угол а наклона плоскости к горизонту подберем таким, чтобы начальное движение кубика было с возможно большим ускорением, но без отрыва кубика от плоскости.
Для фиксации момента начала движения и измерения скорости в конце плоскости используем бесконтактные датчики современного школьного оборудования по кинематике и динамике. Установка готова. Ее некоторая громоздкость - плата за принципиальную простоту.
Коэффициент трения /л скольжения тела по плоскости найдем при равномерном движении кубика внутри короба известным школьникам методом, располагая короб горизонтально. Измерим чувствительным динамометром силу трения скольжения ¥трР • Вычислим вес кубика Р по его массе т, измеренной на рычажных весах. При таком измерении силы трения и расчете веса учтена систематическая погрешность, вносимая влиянием атмосферы. Таким обра-
зом, коэффициент трения скольжения найден и равен:
и
т
При движении кубика по наклонной плоскости учтем его взаимодействие с Землей: силой тяжести mg, с наклонной плос-костьюАсилой нормальной реакции плоскости N и силой трения скольжения Ртр , со средой (воздухом): силой сопротивления Р° • Другими влияниями атмосферы и возможной электризацией при трении пренебрежем. В инерциальной системе отсчета, связанной с Землей (рис. 1), второй закон Ньютона при описании движения кубика по наклонной плоскости имеет вид
mg + N + ГтР + = та. (2)
При установлении режима движения с постоянной скоростью V , измеряемой в нижней части наклонной плоскости, ускорение а = 0
mg + N + ¥тр = б . (3)
Введем прямоугольную систему координат, направив ось абсцисс вдоль наклонной плоскости по направлению движения тела, ось ординат вверх перпендикулярно наклонной плоскости. Проецируя уравнение (3) на оси системы ■ координат, и используя закон Амонтона для силы трения скольжения, получим для силы сопротивления воздуха:
Fc = mg (sin а - /л cos а ) . (4)
Учитывая соотношения между элементами наклонной плоскости, образующими прямоугольный треугольник (рис. 1), sin ее = his, cos а = lis, где s - длина, h - высота, I-длина основания наклонной плоскости, измеряемые рулеткой, выражение (4) можно записать в виде:
Гс=т*-0,-м.1). (5)
S
Рассмотрим энергетические превращения при движении тела с установившейся скоростью. Воздух массой AM, перед кубиком приобретает скорость v и кинетичес-
2
кую энергию AM-v /2. На эту величину уменьшится кинетическая энергия кубика за счет сопротивления среды. Иначе говоря, потеря энергии кубиком за счет сопротивления воздуха за интервал времени At составит
2 2 2 2 3
ДЕк _ AMv _ (pd vAt\ _ pd v At : (6)
2 2 2 где AM = pcPvAt, масса воздуха, приводимая в движение кубиком и влияющая на его движение, р - плотность воздуха, сР - площадь поперечного сечения (миделя) кубика.
Сила сопротивления воздуха за интервал времени At развивает мощность
Назовем
А АЕ
W= , сопР .. = < 0.
At At
(7)
Мгновенная мощность, развиваемая силой сопротивления воздуха
V
W = Fn ■ v =-
(8)
Из (8) находим силу сопротивления воздуха
¿ 2 pa v
2
P = pf/2
(10)
коэффициентом сопротивления воздуха при движении кубика по наклонной плоскости. Коэффициентр можно оценить количественно, зная площадь поперечного сечения кубика и плотность воздуха в условиях опыта.
С учетом (10) можно записать (5) в следующем виде:
2
/.ГГ = л Ц а -р-1). (11)
s
Из (11) видно, что /3 можно оценить экспериментально согласно (12), используя данные измерений величин, смысл которых обсужден выше.
т • g
s • V
(h-pl).
(12)
(9)
Предложенный подход к оценке коэффициента сопротивления среды в конкретной ситуации позволяет учащимся познакомиться с особенностями изучения реального движения твердых тел в жидкостях и газах и служит пропедевтике необходимости экспериментальных и модельных методов изучения этих вопросов.
В заключение отметим, что накопление учащимися опыта использования фундаментальных физических законов в познавательной деятельности нацелено не только на выполнение образовательных функций, но и на развитие познавательных потребностей и умственных способностей школьников средствами физики как учебного предмета.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Лебедев О. Е. Теоретические основы педагогического целеполагания в системе образования: Автореф. дисс.... докт. пед. наук. СПб., 1992. С. 13.
2 Бубликов С. В., Кондратьев А. С. Методологические основы решения задач по физике в средней школе. СПб.: Образование, 1996. 80 с.
3 Бубликов С. В., Густенков П. А., Седеньо Х.-А.-Ф. Оценка коэффициента сопротивления среды
при движении тела по наклонной плоскости // Физика в школе и вузе: Междунар, сб_ научных ст _ № 4. СПб.: Изд-во БРАН, 2004. С. 56-59. '
с
