Актуальность выбранной темы обусловлена значением изучения законов сохранения энергии для мировоззрения школьника: они доказывают материальность мира, показывают диалектику природы в части взаимосвязи и взаимообусловленности явлений природы. Решение задач с применением законов сохранения значительно быстрее проводит к цели и упрощает решение по сравнению с ранее изученными методами. Такие понятия, как «импульс», «работа», «энергия» в последующем необходимы для изучения разделов «Молекулярная физика и термодинамика», «Электродинамика», «Квантовая, атомная физика», «Физика элементарных частиц». При изучении данной темы развиваются политехнические умения: наблюдать, ставить эксперимент, конструировать.

Лучший способ познать тот или иной закон физики, усвоить понятие – провести опыт. Но пока в нашей школе демонстрационных приборов для такой работы не хватает, а для изучения некоторых тем их нет вообще. Изучая методическую литературу и пространство Интернет, можно сделать вывод о том, что интерес к проблеме изготовления самодельных приборов не ослабевает, что некоторые из приборов можно изготовить самим, даже из подручных материалов.

Цель: сделать приборы, установки по физике для демонстрации физических явлений по теме «Законы сохранения в механике», объяснить принцип действия каждого прибора и продемонстрировать их работу изготовить приборы, необходимые для кабинета физики.

Задачи:

1. Проанализировать методическую литературу по рассматриваемому вопросу

2. Определить наименования физических приборов, которые возможно сделать своими руками

3. Продумать конструкцию с наименьшими затратами и хорошим эстетическим видом

4. Сконструировать приборы.

5. Выступить с приборами перед учащимися МАОУ КШ с объяснением принципа действия и демонстрацией

Обоснование конструирования, изготовления и применения самодельного оборудования в учебном процессе

Самодельные приборы

При словах «самодельный пи6ор» обычно возникает представление о невзрачном приборе грубой работы, с плохой отделкой, малой прочности, ненадёжности при его применении на практике. Но анализ истории физики говорит о том, что величайшие научные и технические открытия обычно сопровождались изготовлением приборов своими силами и средствами (рис. 1–2).

Рис. 1. Радио А. Попова

Рис. 2. Телескоп Г.Галилео

Основной признак школьного самодельного прибора – изготовление его в условиях физической лаборатории своим и силами и средствами. Конструкция и внешность прибора всегда будут различными. Некоторые учащиеся строят своими силами и средствами работающие модели паровых машин и турбин, двигателей внутреннего сгорания, высококачественные летающие модели самолётов, кораблей электровозов и даже телеуправляемые модели. Случается, что некоторые из них, если не по своей внешней отделке, то по внутренним качествам, не уступают фабричным изделиям. Таким образом, невзрачность, плохая отделка и ненадёжность действия могут быть лишь качествами плохого самодельного прибора, но не признаком. Естественно, что самодельные приборы всегда отличаются от «фабричных» приборов, изготовляемых на совершенных машинах и мастерами-специалистами и к тому же, как правило, в количестве нескольких сотен и тысяч экземпляров.

Навыки, формирующиеся при изготовлении физических приборов

Чтобы изготавливать приборы необходимо владеть определёнными приёмами обработки тех или иных материалов, зная не только какой, но и как надо применять инструмент. Эти знания и навыки приобретаются либо путём самостоятельных упражнений и опытов, либо, чаще всего, в процессе специального обучения на уроках технологии. Конструкция инструментов и приёмы обработки материалов, являются в настоящее время строго научно обоснованными. Элементы научных знаний, определяющих конструкцию инструментов и приёмы обработки материалов и представляющих собой особую отрасль технической физики, являются частью тех политехнических знаний, которые в известной мере могут быть обобщены. При дальнейшем обучении эти знания углубляются и расширяются в специальных высших учебных заведениях, сформировываются в научно-технические знания по той или иной специальности.

Для пояснения этого введённого положения приведём пример. Умение набить гвоздь молотком – нужный для жизни приём. В школе на уроках физики мы получаем знания о давлении, силах, трении, энергии и т. п., которые позволяют понять нам назначение острия у гвоздя и поперечных насечек или выступов около его шляпки и на самой шляпке, а также оцениваем значение «веса» молотка и можем определить, за какое место на рукоятке, ближе или дальше от бойка, следует браться за молоток, чтобы получить наибольший эффект при забивании гвоздя и т.п. В таком осмысливании, а иногда и определении практических приёмов – одна из важнейших основ политехнических знаний. Подобные вопросы ставились и нами, когда мы занимались изготовлением приборов.

Значение мастерской в кабинете физики

Занимаясь проектом, мы пришли к выводу, что бесперебойное и достаточно полное обеспечение демонстрациями и лабораторными занятиями уроков по физике при отсутствии подсобной, самой простой мастерской (набор инструментов и рабочее место) невозможно. Действительно, почти каждый из приборов перед его использованием нуждается обычно в том или ином налаживании, несмотря на его, казалось бы, полную исправность. Если прибор необходимо отрегулировать, нужны по крайней мере такие инструменты, как отвертка, и притом соответствующего размера, плоскогубцы. Приборы, содержащие трущиеся части, нуждаются в периодической смазке, причём их иногда приходится если не целиком, то частично разбирать для промывки с целью удаления загустевшего масла. Каучуковые трубки, плёнки и пробки в приборах необходимо с течением времени подвергать замене, вследствие их пересыхания, что опять-таки потребует того или иного инструмента. Если же в приборах, как это обычно случается при эксплуатации, окажется та или иная неисправность, то ремонт своими силами и средствами неизбежен, иначе при проведении урока без соответствующей демонстрации образуется пробел в логике изложения вопроса.

Таким образом, даже допуская, что имеются все необходимые для демонстрации добротные приборы, приходится признать, что без надлежащего инструмента приборы станут постепенно выбывать из строя, а преподавание превращаться из экспериментальной в «меловую» физику.

Еще в 1953 г. методист Е.Н. Горячкин дал рекомендации по составу набора инструментов для кабинета физики: молоток, нож, кусачки и плоскогубцы или пассатижи, столярная пила-ножовка, ножницы, шило, две отвёртки: обычная часовая, напильники плоский и трёхгранный, пробочные свёрла, паяльник, а также газовая горелка, рубанок, тиски, дрель и свёрла, слесарная ножовка. В лаборантской надо завести небольшой прочный стол и установить на нём тиски, используемые обычно по самым разнообразным назначениям; рабочий стол желательно окрасить кислотоупорной краской: на краю стола следует укрепить уголок из железа для сгибания жести и других работ с нею [1].

Необходимость изготовления и применения самодельных приборов

Изучая предложения отечественных предприятий, занимающихся производством комплектов оборудования для образовательных учреждений, мы выяснили, что в основном по теме «Законы сохранения в механике» предлагаются приборы: маятник Максвелла (средняя цена 1000 руб.), прибор для демонстрации закона сохранения импульса (средняя цена 500 руб.). Другие опыты по законам сохранения в механике предлагаются уже в ряду других экспериментов в демонстрационных наборах для стендов вертикальном положении стоимостью десятки тысяч рублей.

Необходимость изготовления самодельных приборов для уроков физики обосновывают учителя – методисты в своих работах [4, 7, 8] может быть обусловлено следующим:

а) если нужный прибор в кабинете физики отсутствует, а требуется продемонстрировать физическое явление;

б) если преподаватель находит, что имеющийся в его распоряжении прибор не способен дать учащимся достаточно ясно воспринять демонстрирующееся явление или является слишком сложным для объяснения своего действия.

Так как пока в нашем кабинете нет приборов для демонстрации по данной теме, мы считаем, что конструирование и изготовление самодельных приборов является не только необходимым, но и неизбежным спутником деятельности учащихся и учителя.

Как отмечает В.Я. Синенко, «проблема изготовления самодельного физического оборудования должна решаться не только в связи с дефицитом, недоступностью заводских приборов и приспособлений. В большей степени это важно для развития творчества и формирования практических умений у детей. Современные подручные материалы позволяют создать ряд неплохих приборов и установок по физике (различные пластиковые емкости с герметично завинчивающейся пробкой, громадное разнообразие крепежных материалов, разнообразные упаковочные материалы и т.п.)» [5].

Содержание модели исследовательской деятельности по физике

Р.И. Малафеев приводит свод правил выполнения конструкторских заданий, с которым следует знакомиться учащимся, приступающим к изготовлению самодельных приборов [2]:

1. Прежде чем приступить к разработке конструкции, хорошо уясните себе, каково её назначение, в каких условиях данная конструкция будет использована и каким требованиям она должна отвечать.

2. Конструирование технических установок и приборов основывается на использовании различных физических явлений и законов. Подумайте, с какими из них придется иметь дело при выполнении данного задания. Если даже вам кажется, что вы помните эти законы достаточно хорошо, все равно повторите их по учебнику. Это поможет вам найти наиболее целесообразное решение, предотвратить ошибки.

3. Никогда не торопитесь разрабатывать первую пришедшую на ум идею конструкции. Постарайтесь найти у неё слабые места. Подумайте над тем, нет ли других, более интересных и удачных идей решения.

4. Помните, что одним из главных достоинств конструкции является её простота. Старайтесь найти наиболее простое конструкторское решение.

5. Обязательно делайте эскизы и рисунки конструкции (если нужно, то и отдельных её частей) и письменные пояснения к ним. Выполняйте эскизы от руки (для экономии времени), но обязательно аккуратно.

По В.Г. Разумовскому, «изготавливая прибор, модель или какое-то устройство, учащиеся «вдруг видят» взаимосвязь явлений, видят, что иногда ожидаемый эффект «гасится» другим непредвиденным эффектом. Все это заставляет ученика переосмысливать явления, более глубоко продумывать изученное и более критически подходить к вновь изученному» [3, с. 41].

В.Я. Синенко делит самодельное оборудование на оригинальное (т. е. аналоги которому в заводских условиях не выпускаются) и копирующее несложное заводское оборудование [5].

В модели, предложенной А.И. Слепцовым, структура исследовательской деятельности может быть такой:

Исследовательская задача: изготовить самодельные приборы для использования в лабораторных и демонстрационных опытах по физике, в быту и технике.

Исследовательские действия и операции:

– выясняется, на использовании каких физических явлений и законов основывается работа данного прибора, каковы его назначение, условия использования, требования к нему и т.д.;

– выявляется наиболее целесообразное (простое) конструктивное решение;

– готовится эскиз и рисунок прибора;

– изготавливается прибор;

– исследуется возможность использования прибора в опытах по физике, в быту и технике.

Действия оценки и контроля: проводится оценка характеристик самодельных приборов при постановке физических экспериментов и лабораторных опытов [6].

Требования к самодельным приборам

Можно выделить четыре основных раздела в требованиях к самодельным приборам:

– экономические – приборы должны иметь низкую себестоимость;

– научные – приборы должны способствовать получению научно достоверной информации;

– технические – надёжность и долговечность, совершенство конструкции, хорошая чувствительность и высокая точность;

– эстетические – форма прибора и вспомогательных принадлежностей должны быть современными, окраска рекомендуется двухцветная с целью выделения основных цветов.

В эти требования обычно включаются такие: хорошая демонстративность прибора для показа того или другого явления, доходчивость его конструкции, обеспечивающая ясное понимание взаимодействия частей прибора в минимально короткий промежуток времени, отсутствие лишних деталей; быстрая готовность прибора к действию, т.е. небольшая затрата времени для его подготовки к демонстрации; надежность прибора в отношении его прочности и стабильности даваемых результатов; численные результаты, получаемые на приборах, не должны давать больших ошибок и быть в пределах допускаемых ошибок для технических измерительных приборов; соответствие размеров его частей, так сказать, архитектурное оформление и, наконец, возможность изготовления прибора из имеющихся материалов с использованием оборудования мастерской.

Самодельные приборы по теме «Законы сохранения в механике»

Прибор для демонстрации закона сохранения импульса

Назначение пособия

Прибор предназначен для использования в качестве учебного пособия при изучении физики в средней общеобразовательной школе по темам «Закон сохранения энергии», «Механические колебания», «Затухающие колебания» (рис. 3–4).

Рис. 3. Прибор для демонстрации закона сохранения импульса

Рис. 4. Работа прибора для демонстрации закона сохранения импульса на учебных занятиях

Краткое описание

Прибор состоит из основания, состоящего из четырех опор, связанных между собой стержнями и двух рамок. Образованных вертикальными стойками и горизонтальными стержнями, к которым на нитях подвешены шесть шаров равной массы.

Порядок работы с прибором и описание физического процесса

В статистическом положении на шары действуют внешние силы: сила тяжести G и силы натяжения нитей N. Сумма внешних сил, действующих на шары, равна нулю:

G – N* = 0,

где N* = 2N cos (/2) – равнодействующая сил натяжения N, – угол между нитями.

В начале опыта отклоняют шар 1 на некоторый угол α и отпускают. Под действием силы G шар 1 приходит в движение и, возвращаясь в первоначальное положение, ударяет по шару 2. В начале удара шар 1 обладает скоростью υ1.

Импульс системы шаров в начале удара составит

P = m1υ1 + m2υ2 + m3υ3 + m4υ4 + m5υ5

или, так как массы шаров равны,

P = m(υ1 + … + υ5).

Шары 2, 3, 4, 5 и 6 в начальный момент удара находятся в покое, их скорости равны нулю. Тогда P = mυ1.

В конце удара система шаров будет иметь импульс

P* = m(u1 + u2 + u3 + u4 + u5 + u6),

где u1, … u6 – скорости шаров в конце удара.

Визуально наблюдаем, что после удара шар 1 остановился, скорость шаров 2, 3, 4 и 5 остается нулевой. А шар 6, приобретя скорость u5, приходит в движение. Импульс системы в конце удара P* = mu6.

Хотя на систему шаров действуют внешние силы, в течение удара сила тяжести и сила натяжения нитей уравновешены и поэтому к системе шаров применим закон сохранения импульса P = P* следует, что mυ1 = mu6 и, следовательно, u6 = υ1, т.е. шар 6 в конце удара приобрел скорость, равную скорости шара 1 в начале удара.

Из закона сохранения энергии следует, что mυ12/2 = mu62/2, т.е. кинетическая энергия системы шаров в начале удара равна энергии системы в конце удара. Кинетическая энергия системы в начале удара равна потенциальной энергии шара 1 в положении, когда шар находился на высоте H1, т.е. mυ12/2 = mgH1 (здесь g – ускорение свободного падения). Из этого равенства следует, что υ1 = v2gH1.

Аналогично можно записать:

mu62/2 = mgH5,

откуда u6 = v2gH5.

Так как u5 = υ1, тогда H6 = H1.

Сравнивая в опыте высоты отклонения шаров 1 и 6, убеждаемся в равенстве импульсов системы в начале и конце удара.

В реальной системе при соударении происходит деформация шаров, на которую затрачивается часть кинетической энергии, т.е. импульс системы в конце удара будет меньше, чем в начале удара.

Правила хранения

Хранить прибор следует в сухом помещении с комнатной температурой (15–25 °C) при относительной влажности воздуха 80 %.

Маятник Максвелла

Назначение пособия

Прибор предназначен для использования в качестве учебного пособия при изучении физики в средней общеобразовательной школе по темам «Закон сохранения энергии», «Механические колебания», «Затухающие колебания» (рис. 5–6).

Рис. 5. Маятник Максвелла

Рис. 6. Демонстрация маятника Максвелла на учебных занятиях

Краткое описание

Прибор состоит из металлического диска, укрепленного на горизонтальной оси; сама же ось прикреплена к стойке при помощи нитей.

Порядок работы с прибором и описание физического процесса

Действие прибора основано на одном из основных законов механики – законе сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы, на которую действуют только консервативные силы, постоянна. Под действием силы тяжести маятник совершает колебания в вертикальном направлении и вместе с тем крутильные колебания вокруг своей оси. Пренебрегая силами трения, систему можно считать консервативной. Закрутив нити, мы поднимаем маятник на высоту h, сообщив ему запас потенциальной энергии. При освобождении маятника он начинает движение под действием силы тяжести: поступательное вниз и вращательное вокруг своей оси. При этом потенциальная энергия переходит в кинетическую. Опустившись в крайнее нижнее положение, маятник будет по инерции вращаться в том же направлении, нити намотаются на ось и маятник поднимется. Так происходят колебания маятника.

Правила хранения

Хранить прибор следует в сухом помещении с комнатной температурой (15–25 °C) при относительной влажности воздуха 80 %.

Заключение

Мы считаем, что цели, поставленные в проекте, достигнуты. Проанализировано 8 источников литературы, благодаря которым мы дали обоснование конструирования, изготовления и применения самодельного оборудования в учебном процессе по физике.

Нами выбрано 2 прибора для изготовления по теме «Законы сохранения в механике». Продумана конструкция приборов с наименьшими затратами и хорошим эстетическим видом.

Проведена апробация приборов на занятиях по физике в 9, 10 классе МАОУ КШ.

В ходе апробации приборов мы выяснили, что приборы можно использовать при демонстрации по темам «Механические колебания», «Затухающие колебания».

При изготовлении самодельного прибора мы совершенствовали навыки работы с простейшим инструментом, научились оценивать результаты своей работы. Кроме того, изготовление самодельных приборов побудило нас к самостоятельному получению знаний за счет более глубокого изучения принципа действия приборов.

Наблюдать за опытом проводимым учителем, интересно. Проводить его самому интереснее вдвойне. А проводить опыт с прибором, сделанным и сконструированным своими руками, вызывает очень большой интерес у всего класса.

В перспективе – изготовление самодельных приборов по другим темам, развитие мастерской по изготовлению приборов в кабинете физики; публикация результатов работы в материалах научно-практической конференции.