Проблемы и перспективы фронтального лабораторного эксперимента.  

                                                                                                                                           А.М. Журавлев

                                                                                                                               КБР г. Майский Гимназия №1

Сопоставление обозначенной в школь­ных программах по физике тематики фрон­тальных лабораторных работ за разные годы (те годы, когда появлялись существен­но измененные или модернизированные программы) позволяет сделать следующие выводы.

1. Тематика лабораторных работ по фи­зике в VII—IX  классах со­риентирована в основном на решение та­ких задач:

проведение опытной проверки (под­тверждение справедливости) изучае­мых законов, овладение методами из­мерения физических величин, изуче­ние связи между физическими вели­чинам и установление закономернос­тей между явлениями, формирование и развитие умений пользоваться из­мерительными приборами.

Содержание лабораторных работ кор­ректировалось по мере появления в торго­вой сети новых лабораторных приборов(прежде всего измерительных).

Программы по физике оставляли не­изменными (не по названию, а по сути) те лабораторные работы, выполнение которых было связано с использованием измеритель­ных приборов.

Уменьшение учебного времени, отво­димого на преподавание физики, вело к со­кращению числа лабораторных работ в VII-IX классах.

Многоцелевые задачи, возлагаемые на лабораторные занятия, и одновременно ма­лый лимит времени для осуществления это­го привели к жесткой регламентации мето­дики выполнения работ. Инструкции для учащихся к лабораторным работам, как правило, построены так: название работы, список необходимого оборудования, исчер­пывающая последовательность выполняе­мых операций, формулы для расчета физи­ческих величин, таблица для занесения ре­зультатов измерений и расчетов.

Многолетняя практика преподавания автора показывает, что иногда учащиеся, слепо следуя за инструкцией, могут благо­получно дойти до конца работы и оформить отчет, но так и не осознать, почему и что они делали.

Конструктивно лабораторное оборудо­вание обновляется медленно. В кабинетах физики оно морально и физически устаре­вает, особенно это относится к измеритель­ным приборам. Например, в лабораторной практике десятки лет применяются гальва­нометр, амперметр и вольтметр постоянного тока. Если 20—30 лет назад их использова­ние соответствовало эпохе технического прогресса, то в настоящее время эти элект­роизмерительные приборы практически ниг­де, кроме кабинета физики, не встречаются.

Даже если предположить, что все лабо­раторные работы, описания которых при­ведены в школьных учебниках по физике, строго выполняются, то и тогда лаборатор­ный эксперимент в VII—IX классах не ре­шает всех проблем, обозначенных в проек­те стандарта физического образования. В этом документе в разделе «Требования к уровню подготовки выпускников основной школы» названы, в частности, такие ком­поненты экспериментального метода науч­ного познания: собирать эксперименталь­ные установки и проводить наблюдения изучаемых явлений, измерять физические величины, представлять результаты изме­рений в виде таблиц, графиков, объяснять результаты наблюдений и экспериментов, выявлять эмпирические закономерности, применять полученные в опыте результаты для предсказания значения величин, харак­теризующих ход физических явлений.

Требования стандарта рассчитаны на формирование творческой личности, в то время как повседневная практика ориен­тирована на строгие предписания при вы­полнении лабораторных работ независимо от класса или года обучения. Такая прак­тика формирует ученика-исполнителя, а не ученика-исследователя.

Проблемы во многом могут быть решены за счет обновления лабораторной техники, позволяющей расширить тематику, а зна­чит, и усовершенствовать методику прове­дения лабораторных работ.

Педагогический опыт автора свидетель­ствует, что использование в лабораторных работах, например, цифрового мультиметра М 838 (рис. 1)  значительно сокращает вре­мя их выполнения, повышает качество от­четов и коренным образом изменяет отно­шение учащихся к учебному оборудованию. Покажем на конкретных примерах, какие новые лабораторные фронтальные работы и как можно поставить, используя цифро­вой мультиметр.

Установление теплового рав­новесия. Такой процесс происходит в природе постоянно. Его необходимо соблю­дать и при измерении температуры среды или тела человека. Для экспериментально­го исследования этого процесса берут ка­лориметр, мензурку (или емкость-мерку для отмеривания равных объемов воды) и муль­тиметр М 838 (в качестве термометра). Наливают во внешний сосуд калориметра 50 или 100 г холодной воды, а во внутрен­ний — столько же горячей. Вставляют внут­ренний сосуд калориметра во внешний. Ежеминутно измеряют температуру воды в обоих сосудах (при наличии одного муль­тиметра термопару помещают в сосуд по­очередно). Полученные результаты заносят в табл. I.

Таблица  I

По данным таблицы строят графики за­висимости нагревания (охлаждения) воды от времени, на которых выделяют времен­ной интервал теплового равновесия воды в сосудах калориметра. Далее объясняют причину понижения температуры системы «воздух — калориметр».

В нашем опыте показания первого тер­мометра были равны 24°С, второго — 21⁰С. Разность температур составила 3°С, а отно­сительная влажность в помещении кабине­та - 77%.

Затем мы обычно предлагаем учащимся измерить влажность воздуха на улице, на различных этажах школьного здания, в спортзале или в школьной столовой.

Измерение напряжения. Опре­деляется напряжение на зажимах лабораторного выпрямителя ВУ-4. Подклю­чают черный провод мультиметра к гнез­ду «СОМ», красный — к «VΩмА». Уста­навливают переключатель функции в по­ложение «20» сектора «DCУ». Штеккеры мультиметра, соблюдая полярность, под­ключают к зажимам выпрямителя. Сни­мают с дисплея показания прибора и по­лучают такой результат: для пределов из­мерения «20 В», «200 В» и «1000 В» пока­зания прибора будут соответственно 4,15 В (последняя цифра все время меня­ется), 04,1 В (постоянное) и 004 В (по­стоянное).

Делают вывод: точность измерения зави­сит от выбора предела измерения, она наи­большая при низком пределе измерения.

Если перепутана полярность подключе­ния прибора к зажимам выпрямителя, то показания прибора («число») остаются не­изменными, но перед цифрами появляется знак минус.

Измерение силы тока. К намот­ке лабораторного реостата прикладывают линейку с миллиметровыми делениями. Против делений 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 на намотке (проволоке) корректирующей жидкостью (белилами) наносят белые штрихи.

Подключают реостат к зажимам выпря­мителя ВУ-4 через амперметр (рис. 2).

Для превращения мультиметра в ампер­метр подсоединяют черный провод к гнез­ду «СОМ», а красный — к «10 ADC». Пе­реключатель функции ставят в положе­ние «10 А».

Вначале опыта реостат введен полнос­тью, а затем ползунок устанавливают про­тив меток (белых штрихов) и снимают по­казания амперметра. В одном из опытов мы получили данные, представленные в табл. II.

Таблица  II

По данным таблицы можно построить график зависимости силы тока от длины намотки.

Измерение электрического сопротивления. Изучают зависимость сопротивления от длины намотки реостата. Реостат берут тот же, что и в предыдущем опыте. Мультиметр превращают в омметр. Черный и красный провода соединяют со­ответственно с гнездами «СОМ» и «VΩмА». Переключатель функции переводят в поло­жение «200» сектора «Ω», свободные концы закорачивают (на дисплее прибора показа­ния «00.6»). Подключают штеккеры муль­тиметра к зажимам реостата. Перемещают ползунок от нулевого штриха к последнему, записывают показания омметра, из кото­рых вычитают нулевые показания. В итоге получают табл. III.

Таблица III

По результатам таблицы строят график. При этом по горизонтальной оси ставят метки, соответствующие длине проводника в условных единицах, а на вертикальной — значения сопротивления. Получают график зависимости сопротивления проводника от его длины.

Измерение сопротивления при последовательном соеди­нении проводников. Мультиметр переводят в режим работы омметра. Для этого черный и красный провода подклю­чают к гнездам «СОМ» и «VΩмА». Пере­ключатель функции устанавливают либо в положение «200» сектора «Ω» (если пользуются стандартными проволочными резис­торами на 2 и 4 Ом), либо на более высокие пределы измерения (при использовании радиорезисторов).

Перед измерением сопротивления отдель­ных резисторов свободные концы штекке-ров закорачивают, на дисплее появляется число, соответствующее внутреннему со­противлению омметра (это также зависит от состояния источника тока — батарейки типа «Крона», — находящегося внутри мультиметра). В нашем случае это число было равно «0,5».

Далее свободные концы штеккеров при­соединяют к зажимам резистора R1 (рис. 3). На дисплее появляется число «2,5». Выясняют истинное значение сопротивле­ния этого проволочного резистора. Полу­чают R₁ = 2 Ом (2,5 - 0,5 = 2).

Затем аналогичным образом измеряют сопротивление резистора R2. Получают R₂ = 4 Ом. Соединяют оба резистора после­довательно и измеряют их общее сопротив­ление R. Оно равно 6 Ом.

Таким образом, в отличие от укоренив­шейся школьной практики, предполагаю­щей при измерении сопротивлений резис­тора сборку электрической цепи, измере­ние силы тока и напряжения, а затем вы­числение по закону Ома сопротивления проводника, мы предлагаем прямое изме­рение сопротивления, как это и принято в повседневной жизненной практике.

Измерение сопротивления цепи при параллельном соеди­нении проводников. Как и в преды­дущем опыте, мультиметр переводят в режим работы омметра. Аналогичным образом из­меряют сопротивления отдельных проволоч­ных резисторов или радиорезисторов. Соеди­няют эти резисторы параллельно и оммет­ром измеряют сопротивление цепи.

При осуществлении названных выше процедур мы получили такие результаты: R₁ = 2 Ом, R₂ = 4 Ом, сопротивление цепи при параллельном соединении этих резис­торов R = 1,3 Ом.

Измерение температуры про­водников, включенных в элек­трическую цепь, при последо­вательном и параллельном со­единениях. Мультиметр переводят в ре­жим термометра. Вначале собирают элект­рическую цепь по схеме, показанной на рис. 4. (Сопротивления проволочных рези­сторов R1 и R2 соответственно 2 и 4 Ом.)

Прикасаются термопарой к спирали ре­зистора R1 и через минуту снимают пока­зания термометра. Затем то же делают по отношению к резистору R2. Сравнивают оба показания и приходят к выводу, что при последовательном соединении проводников резистор с большим сопротивлением выде­ляет большее количество теплоты. (Именно поэтому электронагревательные приборы — лампочка, утюг, электроплитка — выделя­ют большее количество теплоты, чем соеди­нительные провода.)

Собирают электрическую цепь по схеме, представленной на рис. 5. Прикасаются термопарой вначале к спирали резистора R2, а затем к спирали резистора R1. Записав в обоих случаях показания прибора, сравни­вают их и приходят к выводу, что спираль с малым сопротивлением нагревается до более высокой температуры.

Измерение коэффициента трансформации. Используя трансфор­матор лабораторного выпрямителя ВУ-4, определяют его коэффициент трансформа­ции. Перед опытом учитель, сняв крышку с выпрямителя, показывает учащимся, что внутри корпуса прибора размещен понижа­ющий трансформатор и два диода на колод­ке. Задача — определить коэффициент трансформации. Для этого надо знать на­пряжения на первичной и вторичной катуш­ках трансформатора модернизированного выпрямителя (рис. 6). Такая модернизация необходима для постановки опытов с пере­менным током.                                                  

Рис. 6.

Переводят мультиметр в режим вольтмет­ра переменного тока (т.е. ставят переклю­чатель функции в положение «200» сектора «АСУ»), вставляют свободные штеккеры прибора в ту розетку, куда включается вы­прямитель, и записывают показания при­бора: U₁ = 34,8 В (последняя цифра посто­янно изменяется). Затем этим же вольтмет­ром измеряют напряжение на выходных за­жимах (переменный ток) и снова записы­вают показания прибора: U₂ = 04,7 В (пос­ледняя цифра постоянно меняется). Далее определяют коэффициент трансформации k = U₁ / U₂, k ≈ 7,4.

Если сообщить учащимся, что первич­ная обмотка трансформатора содержит 720 витков, то, пользуясь коэффициентом трансформации, они определяют число вит­ков во вторичной обмотке трансформатора.

Определение сопротивления термистора. Переводят мультиметр в ре­жим термометра и фиксируют температуру среды (воздуха и окружающих предметов). Используя проволочный резистор (сопро­тивлением 4 Ом), подключают его к зажи­мам выпрямителя (рис. 7), подносят к про­волоке резистора термопару и измеряют температуру последнего. Повторяют опыт, используя другой резистор (сопротивлени­ем 2 Ом).

Переводят мультиметр в режим работы омметра, для чего переключатель функции устанавливают в положение «2000» сектора «Ω», закорачивают свободные штеккеры — на дисплее появляется цифра «0». Присое­диняют термистор (в нашем случае ММТ-4) к свободным концам штеккеров.

Измерения показали, что сопротивление термистора такое:

1084 Ом при температуре окружаю­щей среды 20°С,

700 Ом при температуре резистора (4 Ом) 40° С,

550 Ом при температуре резистора (2 Ом) 50°С.

Полученные результаты позволяют в пер­вом приближении построить график зави­симости сопротивления термистора от тем­пературы.

Измерение проводимости по­лупроводникового диода. Услов­ное изображение диода в виде стрелки (рис. 8) указывает на его одностороннюю проводимость.

Для проверки исправности диода пользуются мультиметром, переведенным в режим пробника. Для этого подключают черный провод к гнезду «СОМ», красный — к гнезду «VΩмА». Далее к свободным штек-керам, оснащенным зажимами «крокодил», подключают полупроводниковый диод: красный провод соединяют с анодом дио­да, черный — с катодом. В этом режиме внутри прибора возникнет электрическая цепь, состоящая из внутреннего источни­ка питания, зуммера, милливольтметра и диода. Если диод исправный и подключен правильно, зуммер зазвенит, а на дисплее прибора появится значение напряжения (в мВ) на внешней цепи. В этом случае при смене полярности подключения диода на противоположную сопротивление окажет­ся более 1 кОм и звукового сигнала не будет