Составление задач по результатам лабораторных работ по

SCIENCE TIME
СОСТАВЛЕНИЕ ЗАДАЧ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ФИЗИКЕ
Ермакова Елена Владимировна,
Ишимский государственный педагогический
институт им. П.П. Ершова, г. Ишим
Е-mail: ermakowael@mail.ru
Аннотация. Данная статья посвящена вопросам составления задач по
результатам лабораторных работ на занятиях по физике.
Ключевые слова: задача, решение задач, составление задач,
лабораторная работа.
Решение задач – один из наиболее важных участков работы в системе
изучения физики. Задачи различных видов эффективно используются на разных
этапах изучения материала. Доказано, что решение задач составляет
неотъемлемую часть полноценного изучения предмета (в частности, физики) на
любом уровне.
В процессе решения задач проявляются основные закономерности
мыслительной деятельности. При введении новых понятий постановка задач
способствует возникновению потребности в знаниях и в усвоении способов их
добывания. О степени усвоения физических понятий можно судить по умению
сознательно их применять для анализа конкретных физических явлений в
процессе решения задач.
Решение задач позволяет лучше понять и запомнить основные законы
физики, воспитывает способность применять общие теоретические
закономерности к отдельным конкретным случаям. В этом случае решение задач
– один из методов обучения физике, на котором идет не только изучение законов,
формул, графических зависимостей, расчетов и т.п., но и активное применение
их, обучение анализу в конкретных физических ситуациях.
Существуют разнообразные формы проведения занятий по решению задач:
самостоятельное решение задач всеми студентами; решение задач студентами на
доске; решение задач преподавателем на доске с привлечением студентов;
решение задач всеми студентами на местах с комментированием отдельных
87
SCIENCE TIME
этапов.
Р.А. Акофф [1], исследуя противоречия между тем, чему учат студентов в
системе образования и тем, что ожидает их в процессе деятельности отмечает: в
реальном мире «…задачи редко задаются, обычно их приходится извлекать из
сложных ситуаций, а студентов этому не учат». На занятиях студенты ставятся в
идеальные условия, так как им предъявляются, как правило, задания, уже
представляющие собой модели реальных ситуаций. В этих условиях творческая
активность, самостоятельность студента сводится к минимуму.
Задачи выступают также как средство реализации межпредметных связей,
и как средство формирования умения самостоятельно устанавливать эти связи.
Задачи могут быть предложены не только в готовом виде. Можно дать
задание по составлению и решению задач с использованием литературы, как
научной, исторической так и документальной и справочников. В руководстве по
методике решения задач С.Е. Каменецкий и В.П. Орехов отмечают, что
составление задач – полезный педагогический прием [7]. Они считают, что такие
задачи должны обязательно проверяться, а наиболее интересные разбираться. По
заданию преподавателя обучаемые могут составлять задачи после изучения тем
на материалах опытов и наблюдений, которые проводят в быту, в лабораториях,
на природе в литературе.
Приведем пример лабораторной работы по физике «Определение удельной
теплоемкости твердых тел методом смешивания твердых и жидких тел» [2, 3,
4].
Цель работы: научит ься определят ь указанным мет одом удельную
теплоемкость твердых тел.
Приборы и принадлежности: калоримет р, плит ка с нагреват елем,
термометр, твердые тела.
Вопросы для самопроверки:
1. Что собой представляет твердое тело?
2. Что называется удельной теплоемкостью твердого тела? Ее единица
измерения?
3. Какова зависимость теплоемкости тел от температуры?
4. В чем заключается метод смешивания твердых и жидких тел?
5. Каковы основные положения классической теории теплоемкости
твердых тел? В какой области температур справедлива классическая теория
теплоемкости твердых тел?
6. Удельная теплоемкость стали 460 Дж/(кг´К). Поясните физический
смысл этой величины.
7. Обычно удельная теплоемкость вещества в твердом состоянии почти в
два раза больше удельной теплоемкости этого вещества в газообразном
88
SCIENCE TIME
состоянии. Например, для ртути эта величины соответственно равны 125 и 63
Дж/(кг´0С). Чем можно объяснить такое различие?
8. В производственной практике нагретые до высокой температуры
металлические детали часто охлаждают в воде, минеральном масле или воздухе.
В какой среде охлаждение идет наиболее быстро и почему?
Теория метода смешивания твердых и жидких тел:
Первое начало термодинамики в виде
DU =Q+A
говорит, что внутренняя энергия тела (термодинамической системы) DU
может изменяться за счет подвода телу тепла Q и совершенной над телом работы
А. Внут ренняя энергия ест ь функция сост ояния, и поэт ому ее изменения
определяются только начальным и конечным состоянием тела. Величины же
количества теплоты и работы зависят от вида процесса; они не являются
функциями состояния. Поэтому теплоемкость тела – количество теплоты,
необходимое для изменения температуры на один градус – также зависит от вида
процесса.
Для твердых тел теплоемкость слабо зависит от вида процесса. Это
объясняется тем, что при нагревании объем твердых тел меняется крайне
незначительно, следовательно, работа расширения А =pDV мала. Поэтому почти
все подведенное твердому телу количество теплоты идет на увеличение
внутренней энергии тела.
Различают удельную и молярную теплоемкости.
Молярной теплоемкостью называют теплоемкость одного моля вещества.
Удельной теплоемкостью вещества называется физическая величина,
численно равная тому количеству теплоты, которое необходимо сообщить
единице массы вещества, для того чтобы повысить ее температуру на 10С.
с
dQ
m u dT
На практике приходится иметь дело с нагреванием вещества от некоторой
Q
температуры t1 до температуры t2 при сообщении ему некоторого тепла
.В
этом случае вводят понятие о средней удельной теплоемкости вещества для
данного температурного интервала:
ccр
Q
m(t2 t1 )
89
SCIENCE TIME
Наиболее ранним методом определения теплоемкостей твердых тел был
метод смешивания твердых и жидких тел. Суть его заключается в том, что тела
нагретые до различных температур, приводятся в соприкосновение, при этом
сколько теплоты потеряет нагретое тело, столько же приобретет более холодное.
Это справедливо при условии, если тепло никуда больше не уходит.
Ход работы:
Пусть имеем твердое тело массой M с удельной теплоемкостью c Х
нагретое в нагревателе до Т
0 С.
Поместим это тело в калориметр с водой. Пусть
масса воды m1 , ее температура t , масса внутреннего сосуда калориметра m2 и
его удельная теплоемкость c2 . Установится температура T .
Количество теплоты, потерянное нагретым телом:
Q1 Mcх (T T ) .
Количество теплоты, полученное водой
m1c1 (T t )
Q2
и калориметром
m2 c2 (T t ) .
Q3
Тогда, составляя уравнение теплового баланса, получим:
Q1
Mc Х (T T )
Q2 Q3
m1c1 (T t ) m2 c2 (T t ) .
Отсюда, удельная теплоемкость твердого тела:
сХ
где c1
(m1c1 m2 c2 )(T t) ,
M (T T )
– удельная теплоемкость воды, m1
теплоемкость вещества калориметра,
калориметра, M
m2
– масса воды, c2
(1)
– удельная
– масса внутреннего сосуда
– масса тела, t – начальная температура воды, T
–
температура нагретого тела, T – температура теплового равновесия.
Чтобы избавиться от введения поправок на потерю тепла во внешнюю
среду, Румфорд рекомендовал брать первоначальную температуру воды на
несколько градусов ниже комнатной.
90
SCIENCE TIME
Таблица
Материал
№ М,
кг
m1,
кг
с1,
Дж
кгu0 С
m2,
кг
с 2,
Дж
кгu0 С
0
T, С
0
t, С
0
q, С
сх,
Дж
кгu0 С
1
2
3
..
Итак,
1. Определить массу исследуемого тела M .
2. Поместить тело в сосуд нагревателя, подвешивая на нити так, чтобы оно
не касалось дна и стенок нагревателя и начать нагревать.
3. Определить массу внутреннего сосуда калориметра m2 .
4. Налить в калориметр воду (примерно 2/3 объема) и определить ее массу
m1 . Температура воды в калориметре должна быть на 3-40С ниже комнатной.
5. Тело нагревать не менее 4-5 минут (в горячей воде). Определить
температуру воды в калориметре t и температуру тела в нагревателе T .
6. Быстро, но осторожно ввести тело в калориметр с водой, перемешать,
следя за показаниями термометра. Записать температуру смеси T .
7. Результаты занести в таблицу 1. Для каждого тела измерения произвести
не меньше 3-х раз. Вычислить удельную теплоемкость тела по формуле (1).
Найти среднее значение теплоемкостей и сравнить полученный результат с
табличным значением.
Задачи, составленные по результатам лабораторной работы, или близкие
по содержанию:
1. Для определения удельной теплоемкости меди был проделан
следующий опыт. Медный предмет массой 0,5 кг был нагрет до 1000С. Затем его
поместили в алюминиевый калориметр массой 0,05 кг, содержащий 0,4 кг воды
при температуре 150С. Окончательная температура установилась 23,40С. Какое
значение удельной теплоемкости меди получили при этом?
2. Металлический предмет массой 200 г, нагретый предварительно в
кипящей воде до температуры 1000С, опущен в воду, масса которой 400 г и
температура 220С. Спустя некоторое время температура воды и предмета стала
91
SCIENCE TIME
равной 250С. Какова удельная теплоемкость металла? Теплоту, идущую на
нагревание окружающих тел не учитывать.
3. Пользуясь калориметрическим методом, выясните, из какого материала
изготовлена гиря. Составьте план выполнения операций. Оборудование:
калориметр с холодной водой, нагреватель, сосуд с водой, гиря на нитке,
мензурка, весы с разновесом, динамометр.
4. Предложите способ сравнения удельных теплоемкостей двух различных
металлов, не имея таблицы теплоемкостей.
5. Определите удельную теплоемкость почвы. Оборудование: сухая почва,
коробочка, калориметры, термометр, вода, нагреватель.
6. Определить удельную теплоемкость керосина. Оборудование: весы без
разновеса, песок, калориметр с известной удельной теплоемкостью, термометр,
электроплитка, вода, керосин, два стакана (песок используется как разновес).
7. Определите температуру металлического тела, хорошо прогретого в
пламени спиртовки или свечи.
8. Узнайте массу гири, если масса калориметра и вещество, из которого он
изготовлен, известны. Составьте план выполнения операций. Оборудование:
калориметр, мензурка, холодная вода, нагреватель, сосуд с водой, термометр,
справочник.
9. 4,65 кг воды, взятой при температуре 286 К, нагревают до 308 К
погружением в воду куска железа с температурой 773 К. Найти массу куска
железа. Теплообменом с окружающими телами и испарением пренебречь.
10. После опускания в воду, имеющую температуру 100С, тела нагретого,
до 1000С, через некоторое время устанавливается температура 400С. Какой
станет температура воды, если не вынимая первого тела, в нее опустить еще
одно такое же тело при температуре 1000С.
11. Смешали 24 кг цемента при температуре 50С и 30 кг воды при
температуре 350С. Определить температуру раствора, если удельная
теплоемкость цемента 830 Дж/(кг´К).
12. Для повышения твердости и прочности стальных изделий применяют
закалку (нагрев до некоторой температуры с последующим быстрым
охлаждением). Какое количество теплоты необходимо, чтобы нагреть стальной
молоток массой 500 г от 17 до 8170С? Вычислите, какое количество теплоты
выделяет молоток, если его охлаждают в жидком кислороде, температура
которого –1830С. Удельная теплоемкость стали 460 Дж/(кг´К).
13. Для определения температуры печи нагретый в ней стальной шарик
92
SCIENCE TIME
массой 0,3 кг бросили в медный сосуд массой 0,2 кг, содержащий 1,27 кг воды
при температуре 150С. Вычислите температуру печи, если температура воды
повысилась до 320С.
14. Закаливают сверло из стали массой 100 г, нагретое до температуры
0
840 С, опуская в сосуд, содержащий машинное масло при температуре 20°С.
Какое количество масла следует взять для того, чтобы конечная температура
детали не превысила 700С? Удельная теплоемкость масла 2000 Дж/(кг´К).
15. В алюминиевый калориметр массой 500 г налили 250 г воды при
температуре 190С. Затем туда опустили металлический цилиндр массой 180 г,
состоящий из двух частей – алюминиевой и медной; температура воды при этом
повысилась до 270С. Определите массу медной и алюминиевой частей цилиндра,
если начальная его температура была 1270С.
16. В алюминиевый калориметр массой 29,5 г, содержащий керосин при
0
20 С, опускают оловянный цилиндр массой 0,6 кг, нагретый предварительно до
1000С. Сколько керосина находилось в калориметре, если конечная температура
керосина и олова равна 29,50С, а потери тепла в окружающее пространство
составляют 15 % ?
17. До какой температуры был нагрет при закалке стальной резец массой
0,15 кг, если после опускания его в алюминиевый сосуд массой 0,1 кг,
содержащий 0,6 кг машинного масла при 150С, масло нагрелось до 480С?
Считать, что потери тепла в окружающую среду составляют 25 %.
18. Пользуясь законом Дюлонга и Пти, определить, во сколько раз
удельная теплоемкость железа больше удельной теплоемкости золота.
19. Для нагревания металлического шарика массой 10 г от 20 до 500С
затратили количество теплоты, равное 62,8 Дж. Пользуясь законом Дюлонга и
Пти, определить материал шарика.
Данные задачи могут быть решены на разных этапах выполнения: при
подготовке к лабораторной работе, при выполнении или при защите. Однако, ряд
объективных причин не позволяет существенно увеличить этот вид задач с тем,
чтобы их количество было бы достаточным для приобретения необходимых
умений и навыков.
Главное требование к составленной задаче – наличие, по крайней мере,
одного решения. Далее, задача должна описывать физические процессы и
служить уяснению физической сущности изучаемых явлений. Желательно,
чтобы каждая задача была сформулирована в виде законченного, логически
связанного текста. Характер задач и их количество зависит от многих факторов:
типа занятия, изучаемой темы и т.д.
Работа по составлению задач может быть предложена как на занятии, так и
93
SCIENCE TIME
в качестве домашнего задания [5, 6]. Такой прием обучения активизирует ребят,
способствует выработке у них умений применять полученные знания на
практике. Составление и решение задач особенно эффективно при закреплении и
повторении материала.
Литература:
1. Акофф Р.Л. Рассогласование между системой образования и требованиями к
успешному управлению // Вестник высшей школы. – 1990. - №2.- С. 50-54.
2. Ермакова Е. В. Задачи при подготовке к лабораторным занятиям по физике в
педагогическом вузе // Концепт. – 2013. – № 03 (март). – ART 13058. – 0,5 п. л. –
URL: http://e-koncept.ru/2013/13058.htm. – Гос. рег. Эл № ФС 77-49965. – ISSN
2304-120X.
3. Ермакова Е. В. Методические рекомендации к лабораторным занятиям по
курсу общей физики (молекулярная физика и термодинамика). – Ишим: Изд-во
ИГПИ им. П.П. Ершова, 2003. – 60 с.
4. Ермакова Е.В. Организация и проведение лабораторных занятий по курсу
общей физики в педагогических вузах с использованием задачного
подхода / Е.В.Ермакова. - Дис…. канд. пед. наук. - Челябинск, ЧГПИ, 2004. –
227 с.
5. Ермакова Е.В. Составление задач межпредметного содержания на занятиях по
физике /Академический вестник. 2013. № 4 (26). С. 146-151.
6. Ермакова Е.В. Формирование у студентов комплексного применения знаний
при решении физических задач / Вестник ИГПИ № 4(10) 2013. С. 93-97.
7. Каменецкий С.Е., Орехов В.П. Методика решения задач по физике в средней
школе: Кн. для учителей. - 3-е изд., перераб. - М.: Просвещение, 1987. – 336 с.
94