Аналитическая ведомственная целевая программа
advertisement
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Научно-образовательный центр «Инновационная педагогика в техническом университете» Онуфриев В.В. Методическое пособие по курсу «Изучение физических явлений и процессов в механике, гидростатике и молекулярной физике» ДЛЯ МАСТЕР-КЛАССА «ФИЗИКА И ПОЗНАНИЕ МИРА» Российской научной школы-семинара «Академия юных» Издание научно-технической ассоциации «Актуальные проблемы фундаментальных наук» Лицензия № 006331, сер. ИД 05923 от 28 сентября 2001 г. Серия «ПРОФЕССИОНАЛ» УДК 001 ББК 72 М 75 Автор: Онуфриев Валерий Валентинович, профессор кафедры «Физика» МГТУ им. Н.Э. Баумана, доктор технических наук Компьютерная верстка: Сидоренко Евгения Александровна, начальник отдела олимпиад школьников управления «Образовательные и научные молодежные программы и проекты» МГТУ им. Н.Э. Баумана Печатается по оригинальным авторским материалам. УДК 001 Онуфриев В.В. Российская научная школа-семинар «Академия юных»: методическое пособие по курсу «Изучение физических явлений и процессов в механике, гидростатике и молекулярной физике » мастер-класса «Физика и познание мира». М.: РОО «НТА «АПФН», 2011. 24с. Методическое пособие предназначено для школьников, занимающихся научноисследовательской работой и интересующихся физическими проблемами. Оно содержит материал по развитию навыков научно-исследовательской работы и творческой деятельности у школьников в области изучения физических процессов и явлений, проведения физических экспериментов. В первой части пособия рассмотрены вопросы, связанные с проработкой доклада учащегося, представляемого на научную конференцию по разделу «Физика и познание мира», методического обеспечения доклада, формирования его разделов. Показана методическая роль научного руководителя и его задачи на этом этапе. Во второй части представлены вопросы, связанные с типичными ошибками докладчиков во время выступления на конференции, их анализу и путям совершенствования материалов доклада, как завершающего научную работу этапа. Пособие может быть полезно учащимся и их научным руководителям при изучении различных разделов физики и организации лабораторного практикума. © РОО «НТА «АПФН», 2011 ISBN 978-5-900025-73-5 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение 4 1.О специфике физических исследований в рамках школы 6 1.1. О задачах мастер-класса 7 1.2. Проблемы, связанные с представлением научного доклада школьниками на конференции 8 1.3. Методические рекомендации по построению и содержанию научного доклада 9 1.4. Проблемы, связанные с типичными ошибками школьника при выступлении с научным докладом 10 2.О подходах и рекомендациях к изучению физических явлений и процессов (на примере гидростатики и молекулярной физики) 3.Примерный план тем цикла «Физика и познание мира» 11 14 3.1. Первый цикл занятий 2012 г. 14 3.1. Второй цикл занятий 2012 г. 16 3.1. Третий цикл занятий 2012 г. 17 4.Список рекомендуемой литературы 22 3 ВВЕДЕНИЕ Изучение физики в рамках проводимого мастер-класса направлено на достижение следующих целей: освоение знаний о механических, тепловых, электромагнитных и квантовых явлениях, величинах, характеризующих эти явления, законах, которым они подчиняются, о методах научного познания природы и формирование на этой основе представлений о физической картине мира; овладение умениями проводить наблюдения природных явлений, описывать и обобщать результаты наблюдений, использовать простые измерительные приборы для изучения физических явлений; представлять результаты наблюдений или измерений с помощью таблиц, графиков и выявлять на этой основе эмпирические зависимости; применять полученные знания для объяснения разнообразных природных явлений и процессов, принципов действия важнейших технических устройств, для решения физических задач; развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей в процессе решения интеллектуальных проблем, физических задач и выполнения экспериментальных исследований; способности к самостоятельному приобретению новых знаний по физике в соответствии с жизненными потребностями и интересами; воспитание убежденности в познаваемости окружающего мира, в необходимости разумного использования достижений науки и технологий для дальнейшего развития человеческого общества, уважения к творцам науки и техники; отношения к физике как к элементу общечеловеческой культуры; применение полученных знаний и умений для решения практических задач повседневной жизни, для обеспечения безопасности жизнедеятельности. В результате изучения физики в рамках мастер-класса ученик должен знать: смысл понятий: физическое явление, физический закон, вещество, взаимодействие, силы, элементарные физические характеристики тел, явлений, процессов, электрическое поле, магнитное поле, волна, атом, атомное ядро, ионизирующие излучения и другие; смысл физических величин: (например, путь, скорость, ускорение, масса, плотность, сила, давление, импульс, работа, мощность, кинетическая энергия, потенциальная энергия, коэффициент полезного действия, внутренняя энергия, температура, количество теплоты, удельная теплоемкость, электрический заряд, сила электрического тока, электрическое напряжение, электрическое сопротивление, работа и мощность электрического тока, фокусное расстояние линзы и других разделов физики); 4 смысл физических законов: (например, законы Паскаля, Архимеда, Ньютона, всемирного тяготения, сохранения импульса и механической энергии, сохранения энергии в тепловых процессах, сохранения электрического заряда, Ома для участка электрической цепи, Джоуля-Ленца и других законов физики); уметь: описывать и объяснять физические явления: (например, равномерное прямолинейное движение, равноускоренное прямолинейное движение, передачу давления жидкостями и газами, плавание тел, механические колебания и волны, диффузию, теплопроводность, конвекцию, излучение, испарение, конденсацию, кипение, плавление, кристаллизацию, электризацию тел, взаимодействие электрических зарядов, взаимодействие магнитов, действие магнитного поля на проводник с током, тепловое действие тока, электромагнитную индукцию, отражение, преломление и дисперсию света); использовать физические приборы и измерительные инструменты для измерения физических величин: (например, расстояния, промежутка времени, массы, силы, давления, температуры, влажности воздуха, силы тока, напряжения, электрического сопротивления, работы и мощности электрического тока); представлять результаты измерений с помощью таблиц, графиков и выявлять на этой основе эмпирические зависимости: (например, пути от времени, силы упругости от удлинения пружины, силы трения от силы нормального давления, периода колебаний маятника от длины нити, периода колебаний груза на пружине от массы груза, температуры остывающего тела от времени, силы тока от напряжения на участке цепи, угла отражения от угла падения света, угла преломления от угла падения света); выражать в измерений и расчетов; единицах Международной системы результаты приводить примеры практического использования физических знаний (например, о механических, тепловых, электромагнитных и квантовых явлениях); решать задачи на применение изученных физических законов; проводить самостоятельный поиск информации (например, естественнонаучного содержания с использованием различных источников (учебных текстов, справочных и научно-популярных изданий, компьютерных баз данных, ресурсов Интернета), ее обработку и представление в разных формах (словесно, с помощью графиков, математических символов, рисунков и структурных схем)); использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни. 5 1. О СПЕЦИФИКЕ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В РАМКАХ ШКОЛЫ Цель настоящего мастер-класса – дать начинающим исследователям методы, навыки и знания, необходимые для того, чтобы сделать свои первые шаги в самостоятельном научном исследовании в области физических явлений, помочь устранить типичные ошибки, встречающиеся у юных исследователей. Показать особенности построения и наполнения доклада, являющегося важнейшим этапом при представлении работы экспертной комиссии на научной конференции. Следует подчеркнуть, что знание материала, пусть даже выходящего за рамки минимальной школьной программы, позволит молодым исследователям самостоятельно идти по нелегкой дороге научных поисков и свершений. Важно уяснить следующий тезис. Школьник при выполнении своей научной работы очень часто изучает и понимает то, что изучено мировой наукой и оформлено в виде законов – теоретическое и практическое знание, уже оформленное в научных исследованиях, обобщающих работах, работах популярных, наконец, в учебниках. Будет это учащийся изучать более или менее осознанно и критически, ограничится ли он итоговыми работами или же доберется до самих научных исследований – все это принципиально не меняет суть происходящего – речь идет об усвоении уже известного материала по физической природе явлений, а не о получении нового (по крайней мере для него) результата его самостоятельной деятельности. В рамках программы «Научные кадры будущего» при знакомстве с юными исследователями (5-7 класс) очень часто видишь смущение школьников, когда предлагаешь самостоятельно выбрать тему, спрашиваешь о том, что мог предложить его руководитель. Существует и другая крайность – школьник берется за тему, рассматривающую глобальные физические проблемы (в этом случае работа чаще всего заканчивается реферативным изложением материала – нулевая ценность, фактически пустая трата времени, так как ученик идет по пути наименьшего сопротивления, добывая материал из сети «Internet»). Это свидетельствует о том, что руководитель существует номинально, не утруждая себя работой с исследователем. Очень мало школьников представляет ценность физического эксперимента, его необходимость, это указывает на поверхностное изучение предмета физики в школе («заслуга» педагогов в школе). Отметим, что работа на современном физическом оборудовании в настоящее время непроста для студентов высшего учебного заведения, что показывает обычный учебный лабораторный практикум (слабый практикум в школе, а то и полное его отсутствие приводят к неумению пользоваться аппаратурой регистрации, собирать схемы опытов, проводить сам эксперимент и обрабатывать его результаты с учетом различных погрешностей). Роль научного руководителя в этом вопросе сводится к обучению работы на аппаратуре, методикам измерения, оценке погрешности измерений. Это очень важный момент, чтобы исследователь усвоил, что в любом эксперименте необходимо отделить эффекты 6 от дефектов (качественно провести эксперимент), четко понимать применимость методик и их обоснованность, знать погрешность эксперимента. Все это позволит привить школьнику навыки практической экспериментальной работы в исследованиях. Использование математического моделирования в исследованиях школьников сопряжено с проблемой недостаточных математических знаний у школьника, поэтому присутствие совета и помощи научного руководителя из ВУЗа поможет юному исследователю быстрее вникнуть в материал, разобраться в нем и уметь им пользоваться в дальнейшем исследовании. Одновременно этот материал станет подспорьем знаний школьника при учебе в ВУЗе. Роль научного руководителя определяется необходимостью развития у юного исследователя навыков представлять новые результаты в виде, который отличает их от известных ранее. Вместе с тем школьник знакомится с методами обработки результатов измерений (математической статистикой), то есть, он учится правильно представлять результаты физических исследований. 1.1 О ЗАДАЧАХ МАСТЕР-КЛАССА Каждый год на секцию «Физика и познание мира» конференции «Шаг в будущее» приходит много десятков работ школьников старших классов и студентов младших курсов, пробующих свои силы в творческой исследовательской работе, в которых они пытаются сформулировать задачи и цели собственного исследования, а также пути их достижения. Диапазон исследований охватывает области физики от классической механики до квантовой механики и атомной физики, причем материал работ очень часто выходит за рамки школьных представлений и поэтому не всегда верно интерпретируется юными исследователями. Добавим, что необходимы дополнительные знания по самому предмету, чтобы грамотно охарактеризовать результаты своей научной работы, показать физические связи исследуемых явлений, сделать выводы и поставить цели дальнейшего исследования. В этом плане секция «Физика и познание мира» очень сложна для юных исследователей. Поэтому научный руководитель должен продумать о качестве будущих экспериментов и их результатах, отличии от известных школьнику физических результатов из школьной программы и продумать элемент новизны в постановке эксперимента, методах измерений. Это позволит получить более высокий уровень работы. Вместе с тем, научный руководитель должен помочь юному исследователю всесторонне изучить причинно-следственные связи физического объекта, понять их влияние на характеристики объекта, показать новые качественные стороны исследуемого объекта. Необходимо помнить, что существенный вклад в работу вносит теоретическая подготовка участника. Очень часто можно наблюдать вызубренный доклад, который напрочь уничтожается бестолковыми ответами на вопросы жюри (связанными с физическими аспектами работы школьника). Работа в этом случае не получит высокой оценки жюри. Поэтому научный руководитель постоянно должен развивать в участ7 нике физическое мышление, знание предмета в целом, что может наоборот сделать выступление выигрышным за счет полных ответов на дополнительные вопросы даже при сравнительно скромном представлении в докладе – ученик разобрался в теме, он ее понимает. Таким образом, готовясь к участию в конференции «Шаг в будущее», участник должен на основе полученных самостоятельных исследований представить в докладе: описание результатов эксперимента (численного, физического) – предельно четкое, с ясным указанием его условий, параметров и указать достигнутые новые результаты, основные выводы работы. Научному руководителю необходимо научить ученика писать лаконично, излагая суть явления и его связей, достигнутые результаты и полученные новые эффекты и их причинно-следственные связи. При этом следует отметить, что все элементы структуры научного доклада – постановка проблемы, определение целей и задач, характеристика источников и научной литературы, описание методов исследования, анализ источников, выводы – обязательны. 1.2. ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ПРЕДСТАВЛЕНИЕМ НАУЧНОГО ДОКЛАДА ШКОЛЬНИКАМИ НА КОНФЕРЕНЦИИ Это, достаточно сложная и ответственная часть работы, как юного исследователя, так и его научного руководителя. Решение этой важной задачи в дальнейшем обеспечит не только успех начинающему юному исследователю, но в конечном итоге может предопределить его дальнейшую судьбу как молодого ученого. Всегда необходимо помнить и школьнику и его руководителю, что существует временной регламент на доклад (временные рамки оговариваются организаторами и рассылаются с материалами всем заинтересованным участникам). Однако стоит напомнить, что на конференцию экспертная комиссия отбирает всегда значительное число участников, которых заслушать в обычном временном режиме (оговоренном ранее) за два дня работы секции практически невозможно. В этой связи временные рамки представления доклада сужаются, поэтому школьник должен быть готов к перестройке своего доклада и представлению его за короткий промежуток времени (причем это касается всех участников научной конференции). Руководитель должен проработать построение доклада таким образом, чтобы при уменьшении располагаемого времени его подопечный мог без ущерба сократить выступление, сохранив в нем основные существенные моменты. Необходимо помнить, что экспертная комиссия ставит это перед всеми участниками конференции и учитывает соблюдение регламента. В этот момент особенно четко отсортировываются ребята, хорошо чувствующие тему исследования от тех, кто зазубрил доклад и не знает, как его сократить без ущерба самого исследования. Во время выступления школьнику необходимо придерживаться определенного плана (он может быть под рукой и выступать как руководство к действию); при этом девяносто процентов времени доклада необходимо уделить 8 самому исследованию (постановке задачи, цели исследования, выбору методов исследования, созданию экспериментальной установки, методам обработки результатов и оценке погрешности измерений, выводам работы и задачам дальнейшего исследования). К сожалению, приходится констатировать, что зачастую половина времени докладчика уходит в историю вопроса, затем пятнадцать процентов о применении данного явления, двадцать процентов – на само исследование. А ведь представляется работа на секции физики. В результате у комиссии возникает масса вопросов для уяснения обстоятельств исследования, в которых чаще всего твердых хороших ответов нет. Поэтому вводная часть доклада не должна превышать половины минуты выступления. Часто школьники строят доклад по следующей схеме: объявляю гипотезу исследуемого явления и пытаюсь найти ее объяснение. Такой подход противоречит тому, что школьник должен знать из курса физики к началу исследований (многие исследования базируются на явлениях, с которыми школьники знакомятся на уроках и лабораторных занятиях, а также из научно-популярной литературы). Школьник выступает как «первооткрыватель», это плохой подход к построению работы он негативно сказывается на оценке доклада. В этой связи во вводной части школьник должен кратко освятить исследуемую проблему и сказать о результатах ранее известных исследований, это повысит качество доклада и грамотность выступающего (несомненно должен поработать руководитель, чтобы сформировать у подопечного четкие знания по сути проблемы). Вместе с тем, это позволит в докладе оттенить новые элементы собственного исследования (что очень приветствуется). Одно из важнейших требований к научному исследованию – научная новизна работы, сформированная в виде выводов. Эту часть доклада школьник должен представить с учетом полученных результатов и используемых методов исследования в сравнении с ранее известными результатами (из литературы), что также повысит качество доклада. 1.3. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОСТРОЕНИЮ И СОДЕРЖАНИЮ НАУЧНОГО ДОКЛАДА Ранее мы указали основные части, входящие в доклад (постановка проблемы, определение целей и задач, характеристика источников и научной литературы, анализ источников, описание методов исследования, выводы) являются обязательными атрибутами. В этой связи руководитель должен четко разъяснить ценность каждой части и ее весомость во всем докладе (т.е. показать ему, на что необходимо сделать акцент в выступлении). При постановке проблемы исследования обязательно необходимо осветить известные результаты (указать авторов и особенности их работ), и сформулировать цель и задачи собственного исследования (которые в чем-то должны отличаться от известных, либо привести отличительные особенности своей работы). В этой части доклада школьник обозначит весомость и необходимость 9 своих собственных исследований – изюминку всей научной работы. В этой части работы руководитель должен придирчиво расставить все приоритеты, что и задаст тон выступлению. Анализ известных работ в докладе должен кратким, но полным по содержанию (не обязательно перечислять все известные работы – лучше выделить наиболее яркие, близкие к теме исследования), вместе с тем результат анализа должен сформулировать цель и задачи исследования. В этой части может появится первая изюминка новизны исследования, которая выгодно отличит доклад и всю работу (это также кропотливая работа руководителя с школьником. В основной части содержания доклада при освещении экспериментальных установок, методов измерений и обработки результатов желательно также указывать пусть небольшие, но отличительные качества данной научной работы – элементы новизны (при этом нельзя забывать об опыте предыдущих исследователей: оголтело все истолковывать все новым неправильно, так как эксперты достаточно осведомлены по исследуемым проблемам и расценят такой эмоциональный подход как простое незнание школьником истории исследуемого явления). Выводы работы являются венцом исследований, поэтому качество представленных выводов, их связь с проведенными исследованиями определяют оценку проделанной работы школьником. Выводы должны быть лаконичными и четкими, но при этом должны вскрывать все причинно-следственные связи и количественные соотношения исследуемого явления. Именно выводы во многом влияют на оценку работы (показывают ее значимость и отличительные качества). Следует при этом воздерживаться от лишней амбициозности в выводах, что не украшает выступающего. 1.4. ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С ТИПИЧНЫМИ ОШИБКАМИ ШКОЛЬНИКА ПРИ ВЫСТУПЛЕНИИ С НАУЧНЫМ ДОКЛАДОМ Кратко освятим ряд проблем, наблюдающихся при выступлении докладчиков. Наиболее распространенная ошибка школьника при выступление – это монотонное чтение материала напечатанного доклада (слово в слово). В результате теряется контакт с аудиторией, снижается рейтинг выступающего. Отметим, что такой доклад иногда сопровождается нарушениями в синхронизации между демонстрируемым материалом (слайды, плакаты) и рассказываемой частью доклада, что также снижает общую оценку. Другая крайность – фривольное выступление докладчика без четко выраженной направленности, последовательности выступления, которое сопровождается периодическими восклицаниями докладчика о пропущенных моментах выступления. Все это нарушает целостность выступления и снижает оценку работы. 10 Часто руководители «натаскивают» школьников на доклад (особенно в случаях исследования сложных явлений, выходящих за рамки школьной программы, например: гидроудар, детонация, ионно-плазменные технологии), при этом на первый взгляд школьник говорит уверенно, даже помнит ответы на типовые вопросы. Однако, вопросы на тонкости явления или на физику явления, заданные несколько иначе, ставят в тупик и практически перечеркивают весь результат. Поэтому о качестве выступления руководитель должен заботиться заранее: проработать разные варианты докладов, задать много вопросов, связанных с физикой явления и на этом выбрать оптимальное построение доклада. Необходимо проработать вопрос о манере поведения во время ответа (часто школьники рассказывают материал, засунув руки в карманы брюк, выражая этим неуважение к аудитории, либо отвечают спиной к аудитории). Внешний вид некоторых выступающих также оставляет желать лучшего, хотя понятие дресс-кода для школьников существует. Приведенный материал на наш взгляд поможет совершенствовать доклад школьника, представляемый на научной конференции. 2.О ПОДХОДАХ И РЕКОМЕНДАЦИЯХ К ИЗУЧЕНИЮ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И ПРОЦЕССОВ (НА ПРИМЕРЕ ГИДРОСТАТИКИ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ) Гидростатика – раздел физики, изучающий давление жидких сред на стенки, сообщающиеся сосуды с жидкостями и другие явления, связанные с условно неподвижным объемом жидкости. В основу положены законы Паскаля, Архимеда, Торричелли. Основные понятия раздела связаны с элементарным объемом жидкости, давлением (физической величиной, характеризующей силу давления, приходящуюся на единицу поверхности), поверхностью уровня (поверхность, на которой энергия частичек жидкости одинакова). В основу решения задач по гидростатике положены понятия гидростатического столба жидкости, оказывающего давление на поверхность в его основании. Необходимо уяснить, что давление определяется высотой столба жидкости и ее плотностью (хорошо продемонстрировать этот опыт экспериментально, используя жидкости с значительно отличающимися плотностями, а также гибкий шланг, изменяющий высоту столба жидкости). В качестве воспринимающей поверхности можно рекомендовать полость воздушного шарика, которая наглядно продемонстрирует изменение давления. Использование закона Паскаля позволяет школьнику уяснить принцип работы гидростатического пресса (в котором рабочее усилие достигается двумя факторами давлением рабочей жидкости и площади поршня пресса). Опыты с сообщающимися сосудами, демонстрирующими одинаковость вертикального столба жидкости в них, можно дополнить информацией об ис11 пользовании этого явления в технике и быту (указатели уровня жидкости в устройствах). Условие плавания тел часто вызывает затруднения у школьников в части математической записи, а связано это с недостаточным пониманием выталкивающей силы – силы Архимеда. Необходимо знать, как приложена сила Архимеда, как направлена, как вычисляется. Основная ошибка школьников – неверное истолкование объема, входящего в формулу вычисления силы Архимеда. Необходимо помнить, что это объемная сила и приложена в центре давления, а ее величина равна весу вытесненной жидкости погруженным телом (в общем случае частью тела – плавает). Поэтому в формулу вычисления силы Архимеда входит величина объема погруженной части тела в жидкость, что и определяет в качестве критерия плавания тел условие, что плотность погруженного тела меньше плотности жидкости. Особенно это важно при решении задач о погружении тел в несмешивающиеся жидкости, когда тело плавает на их границе. Важно оттенить, что метод взвешивания тел в средах с разной плотностью можно определить достаточно точно объем тела сложной формы (практическое применение физического закона) по результатам прямых измерений. Таким образом, мы кратко охарактеризовали основные понятия гидростатики, которые используются при решении практических задач исследования. Приведенные выше понятия раздела «гидростатика» необходимо довести до школьника, разобрать с ним, чтобы он умел ими оперировать, изображать основные величины, знать способы вычисления. Дальнейшая работа будет направлена в привитие навыков в описании явлений гидростатики, которые будут использовать понятия, выходящие за рамки школьной программы: тензор напряжений, центр давления, инерционные нагрузки на объемы с жидкостями (баки самолетов и ракет) Это будет следующий этап, требующий привлечения знаний высшей школы под руководством научного руководителя. В рамках раздела физики «молекулярная физика» школьник впервые знакомится с элементами микромира, методами измерений в микромире, со статистическими распределениями в физике. Это ответственный этап, усвоение материала которого позволит школьнику изучать многие другие разделы физики, использующие понятия и явления молекулярной физики. Школьник должен усвоить основные понятия и определения, касающиеся строения вещества, межмолекулярного взаимодействия. Он должен знать характерные размеры молекул. Ему надо дать понятия статистических распределений, которым подчиняется идеальный газ, что они отражают. Курс физики дает представления об агрегатном состоянии вещества, фазовых переходах. При разборе этого материала целесообразно провести опыты на экспериментальных установках (плавление, кристаллизация, сублимация, кипение, конденсация) с выделением их особенностей, исследования температурных зависимо12 стей. Полезно дать сведения об ионизованном состоянии вещества, плазме (т.к. в материалах тестирования и олимпиад вопросы и задачи на ионизованное состояние вещества). Оттеним краткий перечень тем по молекулярной физике и основам термодинамики. 1. Молекулярное строение вещества. Силы межмолекулярного взаимодействия. Виды молекул. Свойства молекул и атомов. Агрегатные состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное, плазменное). Плавление и отвердевание. Температура плавления и кристаллизации, теплота плавления. Зависимость температуры плавления от химического состава вещества и от давления. Испарение и кипение. Температурная зависимость давления при кипении. Теплота испарения. Явление сублимации (фазовый переход из твердого в газообразное состояние), применение явления сублимации (защита КА, охлаждение продуктов «сухим льдом»). Диссоциация и ионизация (плазменное состояние вещества). Виды ионизации, степень ионизации. Теплота. Тепловой баланс системы. Явления переноса (диффузия, теплопроводность, вязкое трение). Капиллярные явления, поверхностное натяжение. Применение явления поверхностного натяжения в технике. 2. Термодинамическая система. Идеальный газ, его свойства. Термодинамические параметры системы (макропараметры) и их измерение (термометры, их виды, способы измерения температуры, способы измерения давления, манометры). Статистические особенности измерения макропараметров, понятие вероятности состояния. Законы идеального газа (Менделеева-Клайперона, Гей-Люссака, Дальтона, Шарля). Изопроцессы в газе, особенности, характеристики. Теплоемкость газа, внутренняя энергия газа, теплота. 3. Первое начало термодинамики (связь между теплом системы, внутренней энергией и работой). Работа в изопроцессах. Тепловая машина (циклический процесс, прямой цикл, обратный – холодильный, КПД). Получение полезной работы от тепловых машин. Тепловые машины в природе и технике, их роль в жизни человечества (примеры и характеристики). Видно, что материал раздела весьма обширный и увязан между всеми разделами. Руководитель должен учитывать это, если работа его подопечного касается одной из граней молекулярной физики. Хорошее знание всего раздела поможет лучше ориентироваться в своей научной работе и лучше ответить на дополнительные вопросы. Приведенный материал примера должен быть разобран юным исследователем вместе с научным руководителем до тонкостей, чтобы он свободно ориентировался в нем. Тогда задача исследования будет оформлена правильно и математически и физически. Приведенный нами методический материал, на наш взгляд поможет поднять на новый качественный уровень работы школьников по Программе «Шаг в будущее». 13 3. ПРИМЕРНЫЙ ПЛАН ТЕМ ЦИКЛА «ФИЗИКА И ПОЗНАНИЕ МИРА» ПЕРВЫЙ ЦИКЛ ЗАНЯТИЙ (весна 2012 г.) Лекции. Механика в окружающем мире. Литература - 1, 2, 7, 9, 10, 13, 14. Цель занятий: познакомить школьников с физической механикой, законами механики, механическими системами. Научить приемам решения задач физической механики. Введение. Предмет физики. Проблемы, изучаемые физикой. Основные разделы школьного курса физики. Механика в школьном курсе физики. Законы классической механики. Кинематика. Поступательное и вращательное движение материальной точки. (Движение планет, спутников). Измерения в механике (скоростемеры, акселерометры, измерение времени, измерение силы, динамометры). Реактивное движение. Использование реактивного движения в природе и технике. Движение космических аппаратов с двигателями малой тяги. Работа и энергия механической системы. Механические колебания, их природа, свойства, роль колебаний в нашей жизни и природе. Волновые процессы и их роль в физических явлениях. Кинематика. Определение материальной точки в физике. Свойства материальной точки. Система отсчета (понятие, свойства систем, виды систем отсчета). Кинематика материальной точки. Поступательное движение материальной точки (траектория движения, радиус-вектор, вектор перемещения, вектор скорости и ускорения, путь материальной точки, мгновенная скорость, средняя скорость). Вращательное движение материальной точки (угол поворота, угловая скорость и угловое ускорение, векторы угловой скорости и ускорения, среднее значение скорости, мгновенная угловая скорость). Связь между линейными и угловыми характеристиками движения материальной точки. Закон сложения скоростей (относительное и переносное движение материальной точки). Твердое тело – совокупность материальных точек. Кинематика твердого тела (поступательное движение твердого тела, вращательное движение твердого тела, плоское движение твердого тела – качение колеса). Распределение ско14 ростей точек твердого тела при вращении вокруг неподвижной оси. Мгновенный центр скоростей, мгновенный центр ускорений твердого тела. Равнопеременное и равномерное движение материальной точки. Основные характеристики равномерного поступательного и вращательного движений, их взаимосвязь. Основные характеристики равнопеременного движения материальной точки, их взаимосвязь. Частные случаи движения материальной точки (движение материальной точки в поле сил тяжести под углом к горизонту – вертикальное, горизонтальное, при произвольной величине угла), основные количественные соотношения. Динамика. Силы в природе (гравитационная сила, сила тяжести, сила трения скольжения, сила вязкого сопротивления, сила Архимеда, сила Лоренца, сила Ампера). Связи в механике, реакции типовых связей. Формирование «силовой» схемы механической задачи. Законы Ньютона в механике. Применение законов Ньютона для решения задач механики (система уравнений поступательного движения для точки, тела). Закон Гука. Деформация пружины, ее жесткость упругая сила. Упругие свойства деформируемых тел. Относительная и абсолютная деформация, напряжения, упругая и пластическая деформация. Закон Гука для упруго деформируемых тел. Модуль Юнга. Определение импульса, вектор импульса, изменение импульса. Закон Ньютона через импульс материальной точки. Импульс силы. Импульс системы материальных точек. Движение центра масс системы материальных точек (радиус-вектор, векторы скорости и ускорения). Закон сохранения импульса. Реактивное движение (динамика движения точки переменной массы). Применение реактивного движения в природе и технике. Момент импульса материальной точки, системы материальных точек. Закон сохранения момента импульса. Движение спутников, планет под действием гравитации (законы Кеплера). Понятия: момент силы, пара сил, момент пары сил, вектор момента силы. Уравнения динамики для вращательного движения твердого тела и материальной точки. Работа и энергия. Определение работы, работа элементарной силы. Вычисление работы переменной силы. Работа консервативных сил. Работа упругой силы. Работа сил трения. Энергия (кинетическая, потенциальная гравитационного взаимодействия, потенциальная упругих деформаций). Связь между работой и изменением энергии. Закон сохранения механической энергии системы материальных точек (тел). Колебания и волны в механике. 15 Механические колебания (свободные незатухающие, свободные затухающие, вынужденные). Уравнение колебаний. Основные характеристики колебательного движения: амплитуда, фаза, частота, период. Скорость и ускорение при колебаниях. Сложение колебаний одного направления и равных частот. Энергия и импульс колебаний. Явление резонанса при колебаниях. Роль колебаний в природе и технике. Волны в механике (виды волн, основные характеристики: фазовая скорость, частота, длина волны, период). Энергия и импульс волны. Механические волны в технике. В результате проведения занятия (лекции и семинара) школьник должен получить знания по физической механике и навыки для решения практических задач. ВТОРОЙ ЦИКЛ ЗАНЯТИЙ (лето 2012 г.) Лекции: Гидростатика Литература - 2, 3, 7, 9, 10, 14. Цель занятий: познакомить школьников с гидростатикой и гидромеханикой, законами гидростатики и гидромеханики, гидромеханическими системами. Научить приемам решения задач гидростатики и гидромеханики. Гидро-аэростатика в школьном курсе физики. Закон Архимеда, условие плавания тел. Закон Паскаля для жидкостей и газов. Давление столба жидкости, газа. Опыт Торричелли. Измерение давления. Закон сообщающихся сосудов (примеры и назначение). Гидравлический пресс, его особенности, назначение. Гидродинамика жидкости. Закон сохранения механической энергии для жидкости (уравнение Бернулли). Истечение жидкости из объемов. Технические аспекты гидростатики и гидродинамики. Гидро-аэростатика. Атмосферное давление. Опыт Торричелли. Опыты, свидетельствующие о наличие атмосферного давления. Приборы для измерения атмосферного давления. Барометры (их типы, способы измерения). Закон Паскаля для жидкостей и газов. Давление столба жидкости (газа). Поверхность уровня (равного давления) для случаев: жидкость в поле сил тяжести, жидкость в поле сил тяжести и инерционных сил (прямолинейное движение и вращение вместе с сосудом). Сообщающиеся сосуды, закон сообщающихся сосудов. Сила давления жидкости (на горизонтальную стенку, на вертикальную стенку). «Отрицательное» давление в жидкости и его применение. 16 Гидравлический пресс как сообщающийся сосуд, применение гидравлических прессов в технике. Плавание тел. Закон Архимеда. Действие жидкости (газа) на погруженные тела. Выталкивающая сила, условие плавания тел в жидкости (газе). Вычисление силы Архимеда. Работа силы Архимеда. Гидродинамика невязкой жидкости. Течение невязкой жидкости. Закон сохранения полной механической энергии для движущейся невязкой жидкости (уравнение Бернулли). Полное давление в жидкости (статическое, динамическое). Движение жидкости в трубах. Уравнение расхода жидкости. Измерение статического и полного давления в газе (жидкости), трубка Пито. Применение трубок Пито в технике. Истечение жидкости из малых отверстий в стенке сосуда. Формула Торричелли. Гидравлические насосы как средство изменения энергии жидкости для ее транспортировки. Типы насосов, их устройство и особенности (лопастные, объемные). В результате проведения лекции школьник должен получить знания по гидростатике и гидродинамике невязкой жидкости, а также практические навыки решения задач. ТРЕТИЙ ЦИКЛ ЗАНЯТИЙ (осень 2012 г.) Лекции: Молекулярное строение вещества. Литература - 3-5, 11, 14. Цель занятия: познакомить школьников с молекулярной физикой, молекулярным строением вещества, агрегатными состояниями вещества, фазовыми переходами законами молекулярно-кинетической теории, капиллярными явлениями. Научить приемам решения задач по молекулярной физике. Молекулярная физика в школьном курсе. Свойства молекул и атомов, агрегатные состояния вещества. Плавление и отвердевание Испарение и кипение. Диссоциация и ионизация (плазменное состояние вещества). Явления переноса. Капиллярные явления, поверхностное натяжение. Плазма в технике и исследованиях (плазменные технологии, плазма в медицине, плазменные двигатели для космоса, плазменные энергетические установки). Основы молекулярно-кинетической теории. 17 Молекулярное строение вещества. Характеристики молекул (диаметр, масса). Взаимодействие молекул вещества, структура вещества. Аморфные и кристаллические вещества. Явление анизотропии в кристаллах Фазы состояния вещества (газообразная, жидкая, твердая, плазменная). Диаграммы состояния вещества (фазовые переходы: плавление и отвердевание, кипение и конденсация, сублимация). Равновесие фаз. Испарение. Пар, его свойства (абсолютная и относительная влажность). Точка росы для пара. Модели идеального газа, их положения и особенности. Статистические распределения в газе (распределение Максвелла, распределение Больцмана), понятия наиболее вероятной скорости молекул, средней скорости, среднеквадратичной скорости молекул. Столкновения молекул (длина свободного пробега молекул, разреженный газ, понятие вакуума). Импульс и энергия хаотического движения молекул, давление газа на стенку сосуда (основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа). Концентрация молекул, плотность газа, температура газа. Явления переноса в газе (диффузия, вязкость, теплопроводность). Коэффициенты вязкости, диффузии, теплопроводности. Использование данных явлений в технике. Диссоциация и рекомбинация молекул вещества, ионизация молекул (атомов) вещества – образование плазмы. Свойства плазмы. Характеристики плазмы, параметры плазмы. Применение низкотемпературной плазмы в технике. В результате проведения лекции школьник должен получить знания по молекулярно-кинетической теории идеального газа, а также практические навыки решения задач. Лекции: Термодинамика Литература - 3-5, 11, 14. Цель занятия: познакомить школьников с термодинамикой идеального газа (понятиями температуры массы газа, внутренней энергии газа, теплоемкости, давления, объема, энтропии, энтальпии, показателя адиабат). Изучить газовые законы, описывающие поведение идеального газа как объема вещества. 18 Ознакомить с методами измерения температуры газа, шкалами температур. Научить приемам решения задач по молекулярной физике. Молекулярная физика в школьном курсе физики. Термодинамическая система. Идеальный газ, его свойства. Термодинамические параметры и их измерение (термометры, их виды, пирометры, способы измерения температуры, способы измерения давления, манометры). Законы идеального газа (Менделеева-Клайперона, Гей-Люссака, Дальтона, Шарля). Газовые процессы, их свойства. Термодинамика идеального газа. Термодинамическая система, макропараметры состояния термодинамической системы. Идеальный газ, его свойства. Температура идеального газа. Внутренняя энергия идеального газа, ее связь с температурой. Понятие потенциала состояния и координаты состояния термодинамической системы. Термодинамические параметры и их измерение: (термометры, их виды, пирометры, способы измерения температуры, термоэлектрические методы измерения температуры); измерение температуры плазмы (зондовые и оптические); (способы измерения давления: контактные, электрические, манометры, пьезодатчики). Законы идеального газа. Обратимые и необратимые процессы. Виды процессов в термодинамике. Изотермический процесс, основные характеристики. Уравнение изотермического процесса (закон Бойля-Мариотта). Изохорный процесс. Уравнение изохорного процесса. Изобарный процесс, основные характеристики. Уравнение изобарного процесса. Адиабатный процесс, его характеристики. Уравнение адиабатного процесса. Уравнение состояния идеального газа, закон Менделеева - Клайперона. Теплоемкость идеального газа (изобарная, изохорная, молярная). Уравнение Майера для теплоемкостей. Теплоемкости процессов. Газовые смеси, закон Дальтона. Парциальное давление газа в смеси. Молярная масса и теплоемкость смеси газов. В результате проведения лекции школьник должен получить знания по термодинамике идеального газа, а также практические навыки решения задач. Лекции: Термодинамические циклические процессы. Первое начало термодинамики. 19 Литература - 3-5, 11, 14. Цель занятия: познакомить школьников с термодинамикой процессов в идеальном газе (понятиями: работа газа, внутренняя энергия газа, теплоемкость, давление, объем, энтропия, энтальпия, циклический процесс, КПД циклического процесса). Изучить первое начало термодинамики для идеального газа. Изучить цикл Карно и его основные характеристики, теорему Карно. Ознакомить с прямым (тепловой машины) и обратным циклом (холодильной машины) Научить приемам решения задач по термодинамике циклов идеального газа. Первое начало термодинамики в школьном курсе физики. Обратимые и необратимые процессы. Термодинамические циклы. Цикл Карно. Теорема Карно. Тепловая машина – устройство, использующее циклический термодинамический процесс (прямой цикл, обратный – холодильник, КПД тепловой машины). Тепловые машины в природе и технике, их роль в жизни человечества. Работа и теплота в термодинамике. Теплота. Теплота в термодинамике как средство изменения параметров термодинамической системы. Работа газа (термодинамической системы). Работа как средство изменения состояния термодинамической системы. Взаимосвязь теплоты и работы в термодинамике. Первое начало термодинамики. Работа идеального газа в изопроцессах (изотермическом, изохорном, изобарном, адиабатном). Первое начало термодинамики для различных изопроцессов идеального газа. Циклические процессы. Цикл Карно. Циклические процессы в термодинамике. Условие работы тепловой машины (необходимость наличия двух потенциалов в термодинамической системе). Прямой циклический процесс и обратный циклический процесс. Параметры циклического процесса. Идеальный термодинамический цикл – цикл Карно. Теорема Карно. Работа цикла. КПД цикла.Тепловая машина – устройство, использующее циклический термодинамический процесс (прямой цикл, обратный – цикл холодильной машины, КПД тепловой машины). Тепловое равновесие в термодинамической системе. Потери тепла в термодинамических процессах.Тепловые машины в природе и технике, их роль в жизни человечества. В результате проведения лекции школьник должен получить знания по термодинамике процессов идеального газа, циклическим процессам, а также практические навыки решения задач. 3.1. Примерный план тем цикла летних занятий 2012 г. 20 Первый день Лекция 1. «Гидростатика» (2 акад. часа) Краткое содержание: «Гидростатика. Жидкость и газ в замкнутом объеме. Закон Паскаля для жидкостей и газов. Давление столба жидкости, газа, его зависимость от высоты столба. Сила давления на стенку (горизонтальную и вертикальную). Семинар №1 «Гидростатика»(2 акад. часа) Теория к Семинару 1.: Л1 – Л3 Практика к Семинару 1.: Л4 - Л5 Второй день Лекция 2. «Давление жидкости и газа» (2 акад. часа) Краткое содержание: «Атмосферное давление. Опыты по подтверждению наличия атмосферного давления. Опыт Торричелли. Измерение давления (барометр, виды барометров)». Семинар №2 «Давление жидкости и газа» (2 акад. часа) Теория к Семинару 2.: Л1 – Л3 Практика к Семинару 2.: Л4 - Л5 Третий день Лекция 3. «Гидростатика сообщающихся сосудов» (2 акад. часа) Краткое содержание: «Закон сообщающихся сосудов (примеры и назначение). Гидравлический пресс, его устройство, особенности, назначение.». Семинар №3 «Гидростатика сообщающихся сосудов»(2 акад. часа) Теория к Семинару 3.: Л1 – Л3 Практика к Семинару 3.: Л4 – Л5 Четвертый день Лекция 4. «Плавание тел» (2 акад. часа) Краткое содержание: «Закон Архимеда, условие плавания тел. Сила Архимеда». Научные консультации по темам исследовательских работ: Пятый день Лекция 5. «Нанотехнологии и современная физика»(2 акад. часа) Научно-учебный семинар (выступление с докладами с последующим обсуждением) (2 акад. часа) 21 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Мякишев Г.Я. Физика: Механика. 10 кл.: Учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа, 2002. – 496 с. 2. Перышкин А.В. Физика. 7 кл.: Учебник для общеобраз. Учебных заведений. М.: Дрофа, 2001. – 192 с. 3. Перышкин А.В. Физика. 8 кл.: Учебник для общеобраз. Учебных заведений. М.: Дрофа, 2001. – 192 с. 4. Перышкин А.В. Физика. 9 кл.: Учебник для общеобраз. Учебных заведений. М.: Дрофа, 2002. – 256 с. 5. Мякишев Г.Я. Физика: Молекулярная физика. Термодинамика. 10 кл.: Учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа, 2002. – 352 с. 6. Мякишев Г.Я. Физика: Электродинамика. 10-11 кл.: Учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа, 2002. – 480 с. 7. Мякишев Г.Я. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа, 2002. – 288 с. 8. Мякишев Г.Я. Физика: Оптика. Квантовая физика. 11 кл.: Учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа, 2002. – 464 с. 9. Васюков В.И. Физика: Пособие для поступающих в вузы: Основные формулы, законы, размерность и единицы измерения физических величин. М.: Учебный центр «Ориентир» при МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. – 46 с. 10. Васюков В.И., Кузин Е.И., Подгузов Г.В. Физика: Три подсказки – и любая задача решена: Пособие для поступающих в Вузы. Часть I. Механика. М.: Учебный центр «Ориентир» при МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. – 146 с. 11. Васюков В.И., Новгородская А.В., Тараненко С.Н. Физика: Три подсказки – и любая задача решена: Пособие для поступающих в Вузы. Часть II. Молекулярная физика и термодинамика. М.: Учебный центр «Ориентир» при МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. – 170 с. 12.Васюков В.И., Григорьян И.С., Зимин А.Б., Карасева В.И. Физика: Три подсказки – и любая задача решена: Пособие для поступающих в Вузы. Часть III. Электродинамика. М.: Учебный центр «Ориентир» при МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. – 304 с. 13.Васюков В.И., Дмитриев С.Н., Кузин Е.И., Подгузов Г.В. Физика: Три подсказки – и любая задача решена: Пособие для поступающих в Вузы. Часть IV. Колебания и волны. М.: Учебный центр «Ориентир» при МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 320 с. 14. Васюков В.И., Дмитриев С.Н., Струков Ю.А. Физика: Сборник задач для поступающих в Вузы. М.: «Демиург-Арт», 2002.- 192 с. 22 ДЛЯ ЗАПИСИ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ _________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ 23 УДК 001 Онуфриев В.В. Российская научная школа-семинар «Академия юных»: методическое пособие по курсу «Изучение физических явлений и процессов в механике, гидростатике и молекулярной физике » мастер-класса «Физика и познание мира». М.: РОО «НТА «АПФН», 2011. 24с. Подписано в печать 26.11.2011 Тираж 100 экз. Заказ № 97 Отпечатано в Типографии МГТУ им.Н.Э.Баумана 105005, г. Москва, ул. 2-ая Бауманская, 5 24
