УДК 378.147: 372. 853
Л.С.Бадаева, Л.Ф.Ильина, Т.М.Темирханова
Карагандинский государственный университет им. Е.А.Букетова (Е-mail: [email protected])
Использование интерактивных технологий при изучении молекулярно-кинетических свойств жидкостей в школе и вузе
В статье рассмотрена методика преподавания основ молекулярно-кинетической теории жидкостей на первом и втором этапах обучения учащихся физике в общеобразовательной средней школе и на третьем этапе — в университетском курсе общей физики. Проанализирована специфика подхода к изучению свойств жидкостей на каждом этапе. Определены роль задач и их специфика на втором и третьем этапах. Особое внимание уделено подбору задач повышенной сложности и обоснованию не- обходимости сопровождения их решения разного рода презентациями. Проведен педагогический экс- перимент в школе и университете.
Ключевые слова: молекулярно-кинетические свойства, сравнительный анализ, интерактивные техно- логии, задачи повышенной сложности.
Многие основные методические инновации связаны с применением интерактивных методов обучения. Интерактивное обучение — это специальная форма организации познавательной деятель- ности с вполне конкретными и прогнозируемыми целями. Одна из таких целей состоит в создании комфортных условий обучения, при которых ученик чувствует свою успешность, свою интеллекту- альную способность, что делает продуктивным сам процесс обучения.
В средних школах проблема преподавания физики в современных условиях стала более слож- ной. Учителям часто приходится прилагать большие усилия для того, чтобы вызвать и поддерживать интерес к изучению таких наук, как физика. Известно, что человек достигает результатов тогда, когда знает об их важности в своей жизни. Эта задача решается путем гуманизации образовательного про- цесса, начиная с первых уроков физики.
Особенно важна в настоящее время проблема развития творческих способностей учащихся, по- скольку сейчас первостепенной задачей стало воспитание ученика творческой личностью средствами каждого учебного предмета. Знакомясь со множеством современных педагогических технологий по направлениям модернизации, мы выбрали технологии на основе активизации и интенсификации дея- тельности учащихся.
В курсе молекулярной физики средней школы подробно анализируются идеальные газы, причем и с точки зрения молекулярно-кинетической теории, и с точки зрения термодинамики. Без рассмот- рения жидкостей этот курс будет неполноценным, но для того, чтобы перейти от идеальных газов к жидкостям, необходим анализ реальных газов. В противном случае на многие вопросы, связанные с молекулярно-кинетическими свойствами жидкости, ответить нельзя. Например, и в школьном, и в вузовском курсах физики одно и то же агрегатное состояние одних веществ называют газом, дру- гих — паром. Возникает вопрос: почему? Таким образом, разделы «Реальные газы» и «Жидкости»
неразрывно связаны друг с другом [1].
Поскольку предлагаемый раздел изучается на двух ступенях в средней школе (7, 10 классы) и в вузе, как в курсе общей физики, так и в специальных курсах по методике преподавания физики, уровень изложения материала должен быть абсолютно разным. Например, на первой, начальной, ступени особенно важна наглядность.
В седьмом классе, т.е. на первом этапе изучения физики по данной тематике, рассматриваются следующие вопросы: давление, атмосферное давление, закон Архимеда, закон Паскаля, закон сооб- щающихся сосудов, элементы поверхностного натяжения.
В статике жидкостей или газов используется закон Пaскаля. Опираясь на многочисленные на- блюдения, Паскаль установил, что жидкости и газы передают давление во все стороны одинаково.
Производимое на жидкость или газ давление передается по всем направлениям без изменения. На рисунке 1 представлен шар Паскаля.
Рассматриваются сосуды, сделанные из прямых трубок, соединённых резиновой трубкой такой длины, чтобы их можно было поднимать и опускать. Трубки заполняют подкрашенной водой (рис. 2).
Ре по зи то ри й Ка рГ У
Использование интерактивных технологий …
Серия «Физика». № 3(75)/2014 87
На практике часто бывает нужно узнать так называемое относительное давление. Для его изме- рения служит прибор, называемый манометр. На рисунке 3 представлен U-образный манометр с под- крашенной водой [2].
Рисунок 1. Шар Паскаля Рисунок 2. Сообщающиеся сосуды Рисунок 3. U-образный манометр с подкрашенной водой
На основном этапе изучения физики, т.е. в 10 классе, повторяются и углубляются понятия и яв- ления, рассмотренные в 7 классе: испарение и конденсация, влажность воздуха, кипение, поверхно- стное натяжение. Так, одним из приборов для измерения влажности воздуха является психрометр, состоящий из двух одинаковых термометров, один из которых обёрнут влажной тканью (рис. 4).
Одним из видов парообразования является кипение. Кипением называют образование большого числа пузырьков пара, всплывающих и лопающихся на поверхности жидкости при её нагревании. На самом деле эти пузырьки присутствуют в жидкости всегда, но их размеры растут, и они становятся заметны только при кипении (рис. 5).
Одним из самых интересных явлений, характеризующих жидкости, является поверхностное на- тяжение. Некоторые элементы поверхностного натяжения рассматриваются уже на первой ступени, однако соответствующий уровень можно обеспечить только на второй ступени.
Некоторые жидкости, например мыльная вода, обладают способностью образовывать тонкие пленки. Хорошо известные всем мыльные пузыри имеют форму, близкую к сферической, — в этом тоже проявляется действие сил поверхностного натяжения. Если в мыльный раствор опустить прово- лочную рамку, одна из сторон которой подвижна, то вся она затянется пленкой жидкости (рис. 6) [3].
Рисунок 4. Психрометр Рисунок 5. Процесс кипения Рисунок 6. Проволочная рамка В связи с повышением научно-теоретического уровня курса физики в средней школе все боль- шее внимание уделяется решению физических задач. Образовательное, политехническое и воспита- тельное значение задач в курсе физики средней школы трудно переоценить. Без решения физических задач курс физики не может быть усвоен. В большинстве школ решению физических задач уделяется значительное внимание. Тем не менее многие учащиеся постоянно испытывают затруднения в реше- нии задач, что наглядно обнаруживается на выпускных школьных экзаменах и вступительных экза-
Ре по зи то ри й Ка рГ У
Л.С.Бадаева, Л.Ф.Ильина, Т.М.Темирханова
менах в вузы. Это объясняется не только сложностью данного вида занятий для учащихся, но и про- счетами в подборе и методике решения задач по школьному курсу физики.
Для решения задач оказывается, как правило, недостаточно формального знания физических за- конов. В некоторых случаях необходимо знание специальных методов, приемов, общих для решения определенных групп задач. В других случаях таких методов не существует.
Методика подбора задач повышенной сложности зависит от многих причин: их содержания, ма- тематической подготовки учащихся, поставленных учителем целей и т.д.
В настоящее время в связи с новыми программами, в основу которых положены фундаменталь- ные физические принципы, для этого создаются самые благоприятные условия. Задачи бывают каче- ственные, экспериментальные, аналитические, графические, повышенной сложности (творческие).
На первой ступени изучения физики (7-й класс) целесообразны качественные задачи; на второй сту- пени (10-й класс) — аналитические [4].
Изложение даже основ теоретического материала по молекулярно-кинетическим свойствам жидкостей в вузовском курсе не входит в круг вопросов, предусмотренных данной статьей.
Остановимся только на нескольких задачах.
1 [5]. Из круглого отверстия вытекает вертикальная струя воды так, что в одном из горизонталь- ных сечений ее диаметр d = 2,0 мм, а в другом сечении, расположенном ниже на l = 20 мм, диаметр струи в n = 1,5 раза меньше. Найти объем воды, вытекающей из отверстия за одну секунду.
l = 0,02 м
1 0,002м
d
2 1
d d
n n = 1,5 Найти:
V — ?
Вытекающая струя имеет форму цилиндра переменного поперечного сечения, так как чем ниже находится сечение, тем скорость течения больше.
По уравнению непрерывности:
1 1S 2S2
, или
2 2
1 2
1 2
4 4
d d
. Откуда:
2
2 1 n
. (1)
По уравнению Бернулли:
2 2
1 2
1 2
2 2
2 gl 2
d d
. (2)
В уравнении (2) учитывается только лапласовское давление, так как атмо- сферное — одно и то же.
Учитывая условие задачи и подставляя (2) в (1), имеем:
1
1 4
2 4
1 1 gl d n
n
. (3)
Очевидно, что
2 1 1
4
V d ; (4)
6 3
0,9 10 м 0,9см
V .
Ре по зи то ри й Ка рГ У
Серия «Физика». № 3(75)/2014
2 [5]. Две вертикальные пар в воду. Расстояние между пластин стинами не доходит до их верхни гиваются друг к другу.
d = 10–4 м l = 0,12 м
= 0
= 0,073 Н/м
= 103 кг/м3
Поверхнос ласовского давл давление в пред ет еще гидроста но на разных гл тарные слои и Единственная и ординат находи В пределах
где 2 d
— лапл
Сила взаим
Проинтегриров
Находим h, исх
Подставляя (3)
Считаем:
F — ?
3 [5]. На мыльном пузыре ра диус кривизны пленки, их раздел ния?
Использование инте
раллельные друг другу стеклянные пластины нами d = 0,10 мм, их ширина l = 12 см. Считая их краев и что смачивание полное, найти силу
стный слой между пластинами — полуцилин ления направлены вверх, причем, по закону П делах столба жидкости между пластинами оди
атическое давление, силы которого направлен лубинах. Поэтому разделим жидкость между п рассмотрим один из них толщиной dx, нахо интересующая нас координатная ось направл ится на поверхности жидкости в широком сосу
х выделенного слоя давление:
( ) 2 ( ),
p x g h x
d
ласовское давление; g h x( ) — гидростатиче модействия в пределах выделенного слоя:
( ) 2
dF p x ldx g h x ldx d
. вав, получаем:
2 2
2 lh glh
F d
.
ходя из равенства давлений:
2 gh
d
, откуда 2
h gd
. в (2), получаем:
2 2
2 l
F gd
.
2 2 2
3 8
2 0,73 10 0,12 10
10 10 10 13H
F
.
адиуса а «сидит» пузырь радиуса b. Имея в вид ляющей. Каковы углы между пленками в ме
ерактивных технологий …
89
ы частично погружены я, что вода между пла- у, с которой они притя-
ндрический. Силы лап- Паскаля, лапласовское инаково. Но существу- ны вниз, и оно различ- пластинами на элемен- одящийся на высоте x.
лена вверх. Начало ко- уде.
(1)
еское.
.
(2)
(3)
ду, что b < а, найти ра- стах их соприкоснове-
Ре по зи то ри й Ка рГ У
Л.С.Бадаева, Л.Ф.Ильина, Т.М.Темирх
а b b<a Найти:
r — ? θ — ?
где трет
пов стны а эт ми о
Предложенные задачи можно чи олимпиадного уровня.
Подбор задач не случаен. Их динамическими презентациями, ч
По тематике статьи выполн тель — проф. Л.Ф.Ильина).
Презентации подготавливали ки Т.М.Темирхановой в ШОД «М
Программы оформления пре шенной сложности, составлялис II курсе физико-технического фа ФЕР-103. Там же проведена прове
Останавливаться на содержа выходит за рамки статьи. Укажем диктанты, тестирование, контроль
По результатам работы офо г. Караганды, так и университета.
Были подготовлены и исполь зам.
В процессе работы как с уча логии полного усвоения, диффер тивные, вузовские — в школьном Получен обширный материал
ханова
Давление внутри мыльных пузырей разное:
0
4 pa p
a
;
0
4 pb p
b
,
p0 — атмосферное давление.
Малый мыльный пузырь «вдавливается» в тья пленка, их разделяющая, радиус которой r
4 1 1 4
b a
p p p a b
b a ab
r ab
a b
.
Поскольку система находится в состоянии р ерхностного натяжения в любой точке пересе ых слоев (см. рис.):
a b r 0
F F F , то возможно лишь в том случае, если FaFb
одинаковы θ = 120º.
Ответ: ab ra b
и θ = 120º.
о решить и в школьном курсе физики, но для х решение сопровождается наглядными, убед что и было реализовано в студенческой аудито нялась дипломная работа Т.М.Темирхановой ись и использовались практически в период п Мурагер».
езентаций в вузовском курсе физики, в частно сь магистранткой Л.С.Бадаевой. Презентаци культета в группе ФОР-201 и на I курсе — ерка уровня усвоения материала учащимися и ании и анализе форм и результатов проверки м только, что использовались следующие виды
ьные работы.
ормлен акт внедрения в учебный процесс ьзованы презентации не только по жидкостям ащимися, так и со студентами использовались ренцированного обучения и т.д. и современны м курсе физики и т.д.
л по очень не простым разделам физики. Счит
большой и образуется r: b
4r
;
равновесия, сумма сил ечения трех поверхно-
Fr
, а углы между ни-
учащихся — это зада- дительными, а главное, ории.
й (научный руководи- педагогической практи- ости по задачам повы- ии использовались на
— в группах ТЭР-111 и студентами.
и не будем, так как это ы контроля: физические как ШОД «Мурагер»
м, но и по реальным га- ь традиционные техно- ые, такие как интерак- таем, что его использо-
Ре по зи то ри й Ка рГ У
Использование интерактивных технологий …
Серия «Физика». № 3(75)/2014 91
вателям, именно в физико-математических классах. Это особенно актуально в современных услови- ях, когда ставится задача о переходе РК на 12-летнее среднее образование, предусматривающее 3 ступени обучения: начальное, базовое и профильное.
Список литературы
1 Усова А.В., Орехов В.П., Каменецкий С.Е. и др. Методика преподавания физики в 7–8 классах средней школы: Посо- бие для учителя. — М.: Просвещение, 1990. — 319 с.
2 Перышкин А.В., Родина Н.А. Учебник для 7-го класса средней школы. — М.: Просвещение, 1993. — 196 c.
3 Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н., Эткин В.С. Курс общей физики. Молекулярная физика. — М.: Просве- щение, 1982. — 207 с.
4 Балашов М.М. Методические рекомендации к преподаванию физики в 7–8 классах средней школы. — М.: Просве- щение, 1991. — 89 с.
5 Иродов И.Е. Задачи по общей физике. — М.: Наука, 2002. — 447 с.
Л.С.Бадаева, Л.Ф.Ильина, Т.М.Темірханова
Мектепте жəне жоо-да сұйықтардың молекулалық-кинетикалық қасиеттерін оқыту кезінде интерактивтік технологияларды пайдалану
Мақалада сұйықтардың молекулалық-кинетикалық теориясы негіздерін жалпы білім беретін орта мектептің оқушыларының физиканы бірінші жəне екінші кезеңдерінде жəне үшінші кезең — университеттің жалпы физика курсында оқыту əдістемесі қарастырылған. Əр кезеңдегі сұйықтардың қасиеттерін оқып үйрену тəсілінің ерекшелігі талданды. Екінші жəне үшінші кезеңдердегі мəселелердің ролі мен ерекшелігі анықталды. Күрделілігі жоғары есептерді іріктеуге ерекше назар аударылды жəне оларды шешудің жолдары түрлі презентациялармен қосақталған. Мектепте жəне жоғары оқу орнында педагогикалық эксперимент жүргізілді.
L.S.Badayeva, L.F.Il’ina, T.M.Temirkhanova
Using interactive technologies in the study of molecular-kinetic properties of liquids in school and university
The article discusses the methodology of teaching the fundamentals of molecular-kinetic theory of liquids on the first and second stages of student learning physics in secondary schools and in the third stage — in a uni- versity course of general physics. Specific character of approach to study the properties of fluids at each stage. The role of tasks and their specificity in the second and third stages. Particular attention is paid to the selection problems of high complexity and the justification of their decision support different kinds of presen- tations. Pedagogical experiment conducted at school and university.
References
1 Usova A.V., Orekhov V.P., Kamenetsky S.E. et al. Methods of teaching physics in high school 7–8: Teacher's Guide, Mos- cow: Prosveshchenie, 1990, 319 p.
2 Peryshkin A.V., Rodina N.A. Textbook for 7th grade middle school, Moscow: Prosveshchenie, 1993, 196 c.
3 Gershenzon E.M., Malov N.N., Mansurov A.N., Etkin V.S. General physics course. Molecular Physics, Moscow:
Prosveshchenie, 1982, 207 p.
4 Balashov M.M. Guidelines for teaching physics in high school 7–8, Moscow: Prosveshchenie, 1991, 89 p.
5
