УДК 378.147:53
О решении экспериментальных задач по механике со студентами-физиками
,
Кафедра физики,
Восточно-Казахстанский государственный университет имени С. Аманжолова, Усть-Каменогорск, Казахстан
*****@***ru
В связи с переходом на кредитную систему обучения уменьшилось количество часов, отводимое на общий курс физики, в том числе и на механику. В то же время механика является фундаментом общего физического образования, и проблема качества знаний в этих условиях является актуальной. В школах, как и в ВУЗах, все меньше внимания уделяется реальным физическим экспериментам. Причина-всё та же - нехватка времени. Применение интерактивных методов обучения и компьютерных технологий позволяет за меньшее время дать больший объем материала, но появляются обоснованные сомнения, насколько прочными будут такие знания, неподкрепленные практическими умениями и навыками. Физика в школе и общий курс физики в ВУЗе должны преподаваться как науки экспериментальные, а этого сейчас и не хватает.
Усилить экспериментальную подготовку студентов-физиков, кроме лекционных демонстрационных опытов и лабораторных работ, позволяет также решение экспериментальных задач. Механика в этом плане дает много возможностей, поскольку в ряде задач можно поставить эксперимент. Эксперимент желательно проводить по тем задачам, ситуация в которых трудно представима, или по которым можно провести несколько вариантов опытов, дающих всё более точные результаты, либо найти искомый результат разными способами и уточнять его в эксперименте. При этом возможны следующие варианты использования эксперимента:
1. Для лучшего представления описываемой в задаче ситуации. В этом случае эксперимент предшествует решению задачи и носит демонстрационный характер.
2. Подтверждение результата решения задачи экспериментом. В случае расхождения результатов расчета и эксперимента создается проблемная ситуация, которая решается коллективно студентами с преподавателем умозрительно, либо дополнительным экспериментом.
3. Эксперимент позволяет получить исходные данные, которые вводятся в условие задачи, проводится решение, результат которого проверяется снова на опыте.
Решение экспериментальных задач требует от преподавателя предварительной подготовки и занимает на занятии больше времени, чем решение обычных текстовых задач, но эффективность таких занятий компенсирует временные затраты.
От решения экспериментальных задач будет больше пользы, если студенты будут сами подготавливать приборы к эксперименту и представлять заранее подготовленные задачи и их решение на занятии.
В качестве примера рассмотрим решение следующей экспериментальной задачи: найти ускорение свободного падения с помощью машины Атвуда. Необходимое оборудование: машина Атвуда с грузами и перегрузками, электромеханический секундомер, линейка.
Два студента под наблюдением преподавателя выполняют эксперимент, записывая данные на доске, а остальные ребята ведут записи в тетради. Выводят общую формулу и рассчитывают ускорение свободного падения без учета момента инерции блока. Приведем решение в общем виде, учитывая рисунок:
Решение данной системы уравнений:
. (1)
Рассчитанный результат не вполне соответствует табличному значению ускорения свободного падения.
Рисунок
Ребятам задается вопрос о причинах данного расхождения. Например: «Что не было учтено в условии?» Задавая наводящие вопросы, выводим ребят на правильный ответ и соответственно на следующую задачу. В предыдущей задаче не учитывался момент инерции блока. Как его учесть? В систему уравнений добавляется ещё одно уравнение – основной закон динамики вращательного движения. Система уравнений в этом случае будет выглядеть так при :
Решение данной системы уравнений в общем виде:
. (2)
Результат, рассчитанный по формуле (2) уже лучше соответствует табличному значению ускорения свободного падения.
На машине Атвуда есть возможность определить ускорение свободного падения с помощью свободно падающего шарика. Выполняем и этот эксперимент. При этом оказывается, что значение ускорения свободного падения завышено. Анализируем условия опыта и приходим к выводу, что использование, для регистрации времени, электромеханического секундомера, вследствие его инертности при включении, дает значение промежутка времени падения меньше истинного. Для проверки высказанного предположения заменяем электромеханический секундомер электронным и получаем результат уже ближе к истинному значению.
За семестр можно решить 5-6 экспериментальных задач с большой пользой для студентов. Они вовлекаются в процесс подбора задач, составления текста, подготовки оборудования, проведения самого эксперимента и анализа полученных результатов. Это способствует привитию экспериментальных навыков и развивает их творческие способности. Некоторые задачи, при их углубленном решении, могут перейти в научно-методические проекты.
