Физика

ФИЗИКА

, учитель физики школы № 000 Колпинского района г. Санкт-Петербурга, заслуженный учитель РФ, кандидат педагогических наук.

С 1986 года районный методист по физике. Организатор семинаров для учителей физики Колпинского района, участник конференций, в том числе международных, педагогических чтений (к 125-летию , памяти , памяти , Герценовских), автор проблемно-целевых курсов «Использование информационных технологий в образовательном процессе: учителя физики», «Информационно-коммуникационные технологии в образовании: совершенствование дидактического инструментария современного учителя-предметника», «Совершенствование единой информационной среды современной школы», лауреат городского конкурса педагогических достижений, 1991 год, лауреат «Золотой книги Колпино» в номинации «Образование и духовное просветительство», 1999 год, «Грант Санкт-Петербурга-2001», «Учитель, воспитавший ученика-2002» (фонд «Династия»), «Лучшие учителя России-2006», награжден медалью «В память 300-летия Санкт-Петербурга».

О себе

Мой первый директор школы Александра Антоновна Смирнова научила видеть в каждом ученике личность и гражданина, использовать энергию непоседливых, непослушных, ершистых учеников для школы.

Стремлюсь, чтобы уроки всегда были особенными. Ученики нередко делают ошибки. Но если кто-то из них ошибается, терпеливо, старательно помогаю каждому найти причину своей ошибки, работать над ней и в конце концов исправить ее.

Понимаю учеников, которым физика дается нелегко. Уверен, что если у них не очень хорошо получается решать задачи по физике, то наверняка они сильны в чем-то другом. Каждый из нас умеет делать что-то лучше других.

В плане оценки знаний пошел далеко вперед обычной школьной системы. Практически каждая отметка может быть исправлена, если того желает ученик и прилагает к этому соответствующие усилия. Об этом написано в моем диссертационном исследовании «Разноуровневый подход к оценке знаний учащихся на уроках физики» и множестве публикаций.

Увлекаюсь астрономией. Наблюдаю со школьниками в телескоп Сатурн, Юпитер со спутниками, горы и кратеры на Луне, кометы Хейла–Боппа, Вассмана–Штрассмана. Днем наблюдаем пятна на Солнце, прохождение Меркурия по диску Солнца.

Урок «Измерение температуры»,

10-й профильный физико-математический класс

Цели урока:

1.  Создание условий для овладения учащимися методами научного познания, формирования опыта исследовательской деятельности.

2.  Формирование мотивов творческой деятельности обучаемых по решению новых для них проблем.

3.  Усвоение учащимися осознанных и гибко используемых знаний.

Задачи урока:

·  Формировать умение формулировать и проверять гипотезы.

·  Формировать умение сравнивать, анализировать, устанавливать причинно-следственные связи, обобщать и классифицировать полученные результаты, формулировать выводы.

·  На основе полученных ранее знаний организовать усвоение учащимися существующих подходов к измерению температуры в историческом ракурсе, ознакомить с принципами работы и устройством термометров, сферой их применения.

·  Продемонстрировать недостаточность применения знаний на эмпирическом уровне и показать важность теоретических обобщений.

·  Продолжить воспитание личностных качеств: гибкость, критичность, умение работать в группе.

·  Развивать у учащихся культуру развертывания познавательных действий через систему взаимосвязанных вопросов, решение проблемных ситуаций.

·  Развивать познавательные процессы учащихся: внимание, воображение, память, восприятие.

·  Продолжить формирование логического мышления, элементов творческого поиска на основе методов анализа и синтеза, обобщения и классификации.

Ход урока

Структура предлагаемого урока строится на единстве трех основных содержательных линий, дополняющих и развивающих друг друга, – демонстрационного эксперимента, лекционной формы организации урока и элементов эвристической беседы. Урок сопровождается демонстрацией компьютерной презентации «Измерение температуры» (автор ) Этапы, краткое содержание и ход урока сведены в таблицу (табл. 1).

Таблица 1

Этапы, краткое содержание и ход урока «Измерение температуры»

Время (мин)	Этап урока	Деятельность учителя	Деятельность ученика	Изучаемые понятия, устройства
1	Организационный момент	Психологический настрой учащихся	Слушают
4	Подготовка учащихся к восприятию нового учебного материала	Сообщает учащимся тему и задачи урока. Начинается эксперимент по нагреваю льда. Дает задание построить таблицу в тетради. Пока ученики ее строят, задает ряд вопросов: ·  Чем горячее тело отличается от холодного? ·  Что такое температура? ·  Какую температуру принять за 0? ·  Что такое самая глубокая степень холода? ·  Какова максимальная температура в природе?	Слушают Отвечают Чертят таблицу и слушают вопросы
5	Проверка домашнего задания, направленного на повторение основных понятий, умозаключений, основополагающих знаний, умений, способов деятельности (практической и мыслительной)	Проверяет домашнее задание	Два ученика у доски чертят график теплообмена (домашнее задание)
30	Изучение нового материала	Организует выступления докладчиков: «Термоскоп Галилея», «Фаренгейт», «Реомюр», «Цельсий». Иллюстрирует выступления докладчиков слайдами. Контролирует ход эксперимента	Выступают докладчики. Остальные слушают, думают, что записать в таблицу. Наблюдают за ходом эксперимента
Организует дискуссию. Контролируется ход эксперимента. Вместе с учениками делает выводы	Ученики участвуют в дискуссии, обсуждают график теплообмена Наблюдают за ходом эксперимента. Чертят в тетради график теплообмена. Вместе с учителем делают выводы	«Термометрическое тело» «Реперная точка»
Организует работу со справочником и с иллюстрацией. Вопросы: ·  Надо делить шкалу именно на равные части, т. е. считать термометрическую шкалу линейной? ·  Дает задание заполнить таблицу. Обсуждает с учащимися записи в таблице	Работают со справочником (коэффициенты объемного расширения). Обсуждают иллюстрацию. Заполняют таблицу	«Жидкостные термометры» «Погрешность измерения»
Иллюстрация. Опыт. Обсуждение вопроса: почему лучшим термометрическим телом является газ? Обращается внимание на точку пересечения графика с осью температур	Наблюдают опыт. Участвуют в беседе. Отвечают на вопросы	«Газовые термометры» «Термометрическое тело»
Иллюстрация. Опыт. Вопросы: ·  Как измерить температуру в активной зоне ядерного реактора? ·  Для чего надо измерять эту температуру?	Наблюдают и по возможности заполняют таблицу. Обсуждают иллюстрации Заполняют таблицу	«Биметаллические термометры» «Термопара» «Термостолбик»
·  Как измерить температуру звезд? ·  Есть ли температура у космоса?	Работают с иллюстрацией. Участвуют в беседе. Отвечают на вопросы	«Оптические термометры» (пирометры)
·  Как медицинский термометр «запоминает» максимальную температуру? ·  Надо ли делить шкалу именно на равные части, т. е. считать термометрическую шкалу линейной? ·  Как измерить температуру комарика?	Наблюдают и, по возможности, заполняют таблицу Участвуют в дискуссии	«Погрешность измерения» температуры (и другие вопросы)
5	Подведение итогов урока. Задание на дом	Анализирует типичные ошибки в таблицах учащихся, корректирует их. Объявляет домашнее задание (заполнить таблицу)	Слушают и записывают домашнее задание

Как известно, эксперимент способствует углублению и закреплению теоретических знаний, развивает навыки самостоятельного экспериментирования, позволяет осуществлять самостоятельное восхождение от абстрактного к конкретному. Кроме того, правильно поставленный эксперимент всегда поражает воображение ребят, оказывает на их эмоциональную сферу сильное влияние, создавая яркие и запоминающиеся образы.

На представленном уроке потенциал «живого» демонстрационного эксперимента значительно возрастает благодаря сочетанию с «виртуальными экспериментами» и опытами, которые проводятся в компьютерной презентации.

Такая комбинация позволяет реализовать сразу несколько дидактических форм эксперимента (создание проблемной ситуации, иллюстрирование, мысленный эксперимент). Это обеспечивает высокую степень познавательной активности и самостоятельности учащихся, дает им возможность глубоко вникать в суть наблюдаемых явлений и усваивать физические понятия.

Эксперимент начинается уже в первой части урока, при подготовке учащихся к восприятию нового учебного материала (эксперимент по нагреванию льда). Дается задание построить таблицу в тетради и заполнять ее по мере усвоения новых знаний (табл. 2).

Таблица 2

Таблица для работы на уроке и выполнения домашнего задания

Термометрическое тело	Особенности	Недостатки	Достоинство	Применение
Жидкость
Газ
Металлические проводники
Термисторы
Термопара
Биметаллические пластины
Оптические термометры (пирометры)

Пока ученики чертят таблицу, им задаются вопросы, которые дают возможность вспомнить пройденный материал, понять сложность понятия «температура» и оценить роль опыта в познании законов природы:

·  Чем горячее тело отличается от холодного?

·  Что такое температура?

·  Какую температуру принять за 0?

·  Какова минимальная температура в природе?

·  Какова максимальная температура в природе?

·  Какие точки для термометров принять за опорные (реперные)?

·  Будут ли совпадать показания термометров с разными термометрическими телами (газами или жидкостями)?

·  Какое вещество является лучшим термометрическим телом?

Два ученика вызываются к доске. Они чертят график теплообмена (домашнее задание, заданное накануне). График понадобится для введения понятия «реперные точки».

Далее учитель, выслушав все вопросы и доводы, предлагает обратиться к истории вопроса.

Проследить тернистый путь человечества к постижению проблемы измерения температуры учащимся помогают докладчики. Доклады сопровождаются демонстрацией слайдов презентации (см. приложение 1) и комментариями учителя, что стимулирует познавательные интересы учащихся и побуждает к работе с дополнительными источниками информации. Ниже приводится краткое содержание докладов.

Доклад «Термоскоп Галилея». Первый прообраз термометра демонстрировал на своих лекциях Г. Галилей в 1592 г. Термометр Галилея (термоскоп) состоял из трубки, частично заполненной водой, и стеклянного шарика. Конец трубки был опущен в открытый сосуд с водой. При нагревании шарика давление воздуха в нем увеличивалось и уровень воды в трубке опускался. При охлаждении, наоборот, уровень жидкости поднимался вверх. Таким образом, о температуре можно было судить по уровню воды в трубке. Первое применение термоскоп нашел в медицине.

Термоскоп Галилея имел тот недостаток, что его показания зависели от атмосферного давления. При повышении давления уровень жидкости в трубке будет повышаться без увеличения температуры.

Впоследствии во Флоренции были изготовлены полностью запаянные термометры, показания которых не зависели от атмосферного давления. Вода была заменена спиртом с более высокой температурой замерзания. Чтобы показания различных термометров можно было сравнивать, необходимо ввести температурную шкалу. Для этого надо прежде всего установить постоянные точки с фиксированной температурой. После многих попыток в качестве опорных точек были выбраны температуры таяния льда и кипения воды.

Доклад «Шкала Фаренгейта». Шкала введена в 1714 г. Фаренгейтом. В качестве опорных точек были выбраны температура таяния льда и температура человеческой крови. Этот температурный интервал был разделен на 64 части, а нулевая точка помещалась ниже точки таяния льда на расстоянии, равном половине этого интервала. В то время это была наиболее низкая из известных температур, получавшаяся при смешивании нашатыря и смеси вода – лед. Таким образом, температура таяния льда имела значение 32 °F, а температура человеческой крови – 96 °F. В дальнейшем он перешел к ртутному термометру (первый был спиртовым), для которого в качестве опорной точки выбрал температуру кипения воды, для которой, сохраняя прежнюю шкалу, было установлено значение 212 °F.

Доклад «Шкала Реомюра». Введена в 1730 г. В качестве опорных точек выбраны температура таяния льда и температура кипения воды. Точке таяния льда присвоено значение 0 °R. Свой термометр он наполнил смесью спирт – вода, которая между двумя опорными точками расширялась на 8%. За 1 °R он принял температуру, соответствующую расширению жидкости на 1 промилле (тысячная доля), поэтому температура кипения воды получила значение 80 °R.

Доклад «Шкала Цельсия» Введена в 1742 г. Он предложил разделить интервал между точками таяния льда и кипения воды на 100 градусов. Первоначально он придал точке таяния льда значение 100 °C, а точке кипения воды – 0 °C. Используемое в наше время обратное обозначение было введено позднее Штpемеpом.

Далее учитель излагает вопросы, связанные с понятием «термометрическое тело» (вещество, используемое в термометрах, физические параметры которого зависят от его температуры), и объясняет принцип действия, устройство термометров, а также сферу их применения.

Жидкостный термометр. Действие наиболее употребительных термометров основано на том факте, что жидкости обычно расширяются при нагревании. В лабораторных и медицинских термометрах используется ртуть. В бытовых термометрах используется окрашенный спирт или толуол – жидкости, которые дешевле и потенциально менее опасны. Жидкостный термометр может работать только в интервале температур, лежащих выше точки замерзания жидкости и существенно ниже ее точки кипения. Для ртути этот интервал лежит от – 38 °С до 260 °С.

Жидкостный термометр обычного типа представляет собой очень «умный» прибор. Если бы он состоял просто из жидкости, находящейся в стеклянной капиллярной трубке, то изменение температуры было бы очень трудно зафиксировать. При нагревании жидкости расширяются, но процентное изменение объема при характерных изменениях температуры очень невелико. Для ртути оно составляет только 0,018% на градус по шкале Цельсия. Большая часть объема жидкости находится в колбочке термометра на конце трубки. Столбик жидкости, который обозначает температуру, находится в капиллярной трубке очень малого объема. В такой трубке длина столбика увеличивается в 10 и более раз при изменении объема жидкости всего на 2%.

Газовый термометр. Прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости давления или объема газа от температуры. Заполненный гелием, азотом или водородом баллон, соединенный при помощи капилляра с манометром, помещают в среду, температуру которой измеряют. По измеренному объему или давлению газа, используя его уравнение состояния, определяют температуру. С теоретической точки зрения бесспорным преимуществом обладает газовый термометр. В самом деле, как давление газа, так и температура пропорциональны одной и той же величине – средней кинетической энергии молекул газа. Поэтому связь между давлением и температурой газа оказывается наиболее фундаментальной. Именно поэтому показания газового термометра (и совпадающие с ними показания ртутного термометра) считаются образцовыми. В показания всех остальных термометров придется вносить соответствующие поправки. Однако для практических целей он очень громоздок и неудобен.

Термопара. Во многих веществах изменение температуры приводит к изменению их электрических свойств. Один из типов термометров, в которых используются такие изменения, получил название термопары. Нагревая спай А двух разнородных проводников и охлаждая спай Б, мы видим, что в цепи возникает термоЭДС. Величина ЭДС различных термопар пропорциональна разности температур. Обычно для термопар используются железо и константан, который представляет собой сплав меди с никелем. Таблица зависимости разности потенциалов для этой комбинации металлов от температуры приводится во многих справочниках.

Одно из достоинств термопар – их маленький размер, не больше чем точка соединения тонких проволок. Проволоки можно заделать глубоко внутрь любого тела и дистанционно измерять температуру внутри объекта (например, в активной зоне ядерного реактора). Используя различные комбинации металлов, можно с помощью термопар измерять температуру в интервале от – 269 °С до почти 2300 °С.

Термометры на основе электрического сопротивления. Обычно сопротивление металлов растет с увеличением температуры. Это очень легко воспроизводимый эффект, который используется во многих точных термометрах. Обычно берется небольшая проволочная спираль из платины, характеристики которой остаются очень стабильными. Измеряемая температура может меняться от – 258 °С до 900 °С.

Термисторы. Термисторами называется целый класс полупроводников, у которых зависимость сопротивления от температуры противоположна этой зависимости для металлов. Электрическое сопротивление резко падает с ростом температуры. Термисторы, которые обычно представляют собой окислы металлов, могут изготовляться в форме крошечных шариков. Они могут быть гораздо более чувствительными, чем термопары или платиновые термометры, но не столь стабильными в течение длительных промежутков времени. Термисторы используются в медицинских термометрах с электрическим способом считывания показаний.

Биметаллические пластины. Термометр в большинстве бытовых холодильников, многие уличные термометры состоят из двух кусков разных металлов, соединенных вместе. Металлы подбираются таким образом, чтобы один из них при увеличении температуры расширялся гораздо больше другого.

При этом биметаллическая полоска, образованная двумя соединенными между собой кусками, изменяет свой радиус кривизны, как показано на рисунке.

Широкое применение биметаллические пластины нашли в терморегуляторах утюгов.

Оптические термометры (пирометры). В технике для измерения температуры широко применяются пирометры с исчезающей нитью. Меняя ток в цепи лампы, добиваются исчезновения нити на фоне поверхности раскаленного тела. По шкале реостата определяют температуру. Опытные мастера безошибочно определяют температуру нагретого металла по его цвету.

Следующий блок вопросов позволяет ребятам усвоить понятие «погрешность измерения» и прийти к выводу, что за всей очевидностью внешних, наблюдаемых явлений существуют «побочные явления», которые влияют на точность измерения (например, расширение материала, из которого изготовлена колба, нелинейное расширение жидкости и др.). Учащиеся актуализируют знания, необходимые в этой ситуации, учатся предусматривать обстоятельства, скрытые от глаз наблюдателя, и добиваться решения поставленной задачи наиболее рациональным и эффективным способом.

Учитель с учениками обсуждают следующие вопросы:

•  Надо ли делить шкалу на равные части?

•  Линейна ли термометрическая шкала?

•  Как медицинский термометр «запоминает» максимальную температуру?

•  Как измерить температуру комарика?

•  Как измерить температуру в активной зоне ядерного реактора?

•  При нагревании жидкости расширяются, но процентное изменение объема при изменениях температуры очень невелико. Для ртути оно составляет только 0,018% на градус по шкале Цельсия. То есть при изменении температуры от 0 до 100 °С объем столбика ртути – и, следовательно, его высота в трубке – должен измениться только на 1,8%. Как же столбик так чутко реагирует на изменение температуры? Как устроен механизм «усиления» в термометрах этого типа?

Учитель обобщает и дополняет имеющиеся знания, отвечает на вопросы. При этом учитель анализирует типичные ошибки в ответах и таблицах учащихся, корректирует их. Подводятся итоги урока. В целом весь ход урока направлен на подготовку следующего урока «Абсолютная температура», поэтому особый акцент учитель должен сделать на объяснении того факта, что температура любых газов одинакова в состоянии теплового равновесия, а график давления пересекает ось температур в точке – 273 °С (график к концу урока уже нарисован).

Дома ученикам предлагается доделать полностью таблицу, которую учащиеся в течение всего урока заполняли, и обдумать следующие вопросы:

·  При увеличении температуры объем стеклянной трубки увеличивается. Становится ли при этом внутренний объем трубки больше? меньше? Как это влияет на показания термометра?

·  Какова структура материи при максимальных температурах?

·  Какова структура материи при минимальных температурах?

·  Есть ли температура у космоса?

·  Какой макроскопический параметр одинаков у тел в состоянии теплового равновесия?

·  Имеется ли какой-нибудь одинаковый микроскопический параметр у этих тел? Являются ли точки плавления льда и кипения воды идеальными опорными точками?

Комментарий методиста

Урок построен на трех содержательных и процессуальных компонентах, дополняющих и развивающих друг друга,– демонстрационного эксперимента, лекционной формы организации урока и элементов эвристической беседы.

Структура урока, приблизительное время, затраченное на каждый этап, а также темп проведения урока рациональны и позволили обеспечить успешное решение поставленных задач урока и экономно использовать время урока. Каждый этап урока решал определенные дидактические задачи.

Организационный момент и подготовка к восприятию нового учебного материала позволили быстро подготовить учащихся к работе на уроке, настроить их на деловой ритм. Этому способствовали доброжелательность, положительный эмоциональный настрой учителя, мастерски созданная им атмосфера сотрудничества. Важно, что к началу урока была обеспечена полная готовность ТСО, экспериментального и компьютерного оборудования. Подготовка учащихся к восприятию нового учебного материала умело сочеталась с проверкой и актуализацией знаний, усвоенных учащимися ранее. В ходе коррекции неправильных или неточных ответов, учитель добивался активности всего класса, чтобы получить правильные ответы совместными усилиями с другими учащимися.

Проверка домашнего задания – следующий этап урока, включающий проверку знаний по изучаемому вопросу из курса 8-го класса основной школы. Два ученика вызываются к доске. Они чертят график теплообмена (домашнее задание, заданное накануне). Тем самым обеспечивалась наглядность, убедительность опыта, а также оценивались знания и умения учащихся, необходимые для составления графика (удельная теплоемкость, удельная теплота плавления, удельная теплота парообразования). Учитель обратил внимание на правильность обозначений осей графика, вид самого графика, а также на неправильный масштаб отдельных участков теплообмена. Обсуждая график с учителем, учащиеся понимают, почему за опорные точки удобно взять кипение воды и таяние льда (введения понятия «Реперные точки»).

Проверка домашнего задания включала и оценку качества докладов, подготовленных к данному уроку. Тематика и содержание докладов были направлены на ознакомление с историей проблемы измерения температуры, а также на подготовку к изучению современных методов измерения температуры. Вместе с тем доклады позволили проверить навыки учащихся работать с научной и научно-популярной литературой и Интернетом.

Выступления докладчиков сопровождались опытами с термоскопом Галилея и различными термометрами, которые проводили учащиеся. Выступления и опыты сопровождались показом слайдов компьютерной презентации, созданной учителем. Сочетание текста, фотографий и других выразительных средств оформления слайдов явно подчинено важнейшим принципам научности и доступности обучения, учитывает жизненный опыт и интересы школьников данного возраста.

Использование и оптимальное сочетание методов обучения (словесных, наглядных, практических, проблемно-поисковых, методов работы под непосредственным руководством учителя и самостоятельной работы школьников) позволило на высоком уровне познавательной активности и мотивации к учебной деятельности перейти к следующему этапу урока – изучению нового материала.

Содержание учебного материала оригинально и своеобразно интерпретировано учителем, в полной мере отвечает задаче развития познавательных психических процессов и интересов учащихся. При этом содержание соответствует требованиям учебной программы, логично изложено, а конкретные факты соотнесены с общими теоретическими положениями физической науки. Все это позволило:

·  приблизить учебный материал к возрастным и индивидуальным особенностям учащихся, сделать его более доступным;

·  создать условия для решения как учебных, так и воспитательных задач;

·  обеспечить тесную и органическую связь содержания урока с жизнью, личным опытом и интересами школьников;

·  обеспечить внутри - и межпредметные связи с целью формирования целостной научной картины мира;

·  инициировать дискуссии, обсуждения на уроке;

·  рационально использовать время урока.

Методы обучения полностью соответствовали целям, содержанию и специфике урока, а также состоянию имеющейся материальной базы и учебного оборудования. Изложение нового материала предусматривало ведение эвристической беседы. Вопросы актуализировали имеющиеся у учащихся знания, помогали учащимся самостоятельно разрешать возникающие перед ними проблемные ситуации. Широко использовался прием аналогии, метод сравнения, обращение к классификации понятий, явлений, приборов. Доминирующими методами оказались проблемный, частично-поисковый (эвристический) и исследовательский методы. Средняя продолжительность и частота чередования различных видов учебной деятельности находилась в пределах от 7 до 9 минут, что соответствует норме.

Продуктивно была организована самостоятельная работа; ею были охвачены все ученики в классе. Эта деятельность предусматривала работу со справочником, с иллюстрациями. Кроме того, ученики в течение всего урока заполняли таблицу, в которую должны были вписать названия основных термометрических тел, их особенности, достоинства, недостатки и сферу применения. Работа контролировалась и корректировалась учителем. Это позволяло:

– обеспечить первичную проверку понимания, правильности и осознанности усвоения нового учебного учащимися (т. е. информацию о реальных результатах учения) на протяжении всего урока;

– продолжить формирование умений сравнивать, анализировать, устанавливать причинно-следственные связи, обобщать и классифицировать хорошо известные и новые знания, полученные на уроке;

– подвести итоги занятия и наметить перспективу последующей работы.

Таким образом, после объяснения нового материала был осуществлен переход к первичной проверке обученности и закреплению знаний и способов действий, усвоенных на уроке.

Важно отметить, что в течение всего хода урока осуществлялся дифференцированный подход к учащимся: при объяснении нового материала, при проверке качества усвоения нового материала, при повторении пройденного учебного материала.

Благодаря этому к последнему этапу урока были созданы необходимые и достаточные условия для успешного выполнения домашнего задания всеми учащимися в соответствии с актуальным уровнем их развития.

, к. п.н., доцент кафедры

естественно-научного и

математического образования СПб АППО