Дидактические основы решения физических задач

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
_____физический факультет___
УТВЕРЖДАЮ
___________________________
"__" __________________20__ г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
Дидактические основы решения физических задач (Б3.ДВ5)
Направление подготовки
Педагогическое образование
050100
Профиль подготовки
физика и информатика
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов,
2011
Дисциплина: «Дидактические основы решения физических задач»
по профилю «Физика и информатика»
Направление: педагогическое образование
Квалификация (степень): бакалавр
Объем трудоемкости: 3 зачетные единицы 108 часов, из них 36 часов
аудиторная нагрузка (практика), 72 часа – самостоятельная работа.
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Дидактические основы решения физических задач» (Б3.ДВ5) являются: сформировать у студентов компетентностно-ориентированные знания, умения при изучении физики путём решения задач повышенной трудности и применение этого метода при обучении
решению физических задач в средней школе как неотъемлемые компоненты
системы общекультурных, общепрофессиональных, специальных компетенций бакалавра и компетенций бакалавра в области педагогической деятельности.
Формирование профессиональной компетентности бакалавра посредством подготовки студентов к обучению учащихся применению физических
знаний при решении учебных задач в сфере среднего школьного (основного,
полного, вариативного) и дополнительного образования по физике.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Дидактические основы решения физических задач»
(Б3.ДВ5) относится к разделу дисциплин по выбору профессионального цикла. Логическая и содержательная связь этой дисциплины с дисциплинами
«Общая и экспериментальная физика» и «Методика преподавания физики»
основана на использовании основных физических понятий, определений,
формулировок физических законов и их использования применительно к
конкретным физическим явлениям и процессам. Связь с еще одной фундаментальной дисциплиной – математикой основана на широком применении
математических приемов и методов в процессе изучения физики.
Для успешного освоения данной дисциплины необходимы углублённые
знания школьного курса физики, умения использовать методы элементарной
математики, способность воспринимать нетривиальные необычные взгляды
на протекающие в природе процессы.
Освоение курса определяет роль место решения физических задач в образовании и способствует более успешному изучению дисциплины «Общая и
экспериментальная физика»; необходимо для прохождения педагогической
практики в школе.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Дидактические основы решения физических задач»
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
общекультурные компетенции (ОК)
- владение культурой мышления, строгостью причинно – следственных связей, способность к детализации знаний и их обобщению, анализу, восприя-
тию информации, осознанию проблемы и необходимости её решения, постановке цели, выбору путей её достижения (ОК-1);
- способность использовать знания о современной естественнонаучной картине мира в образовательной и профессиональной деятельности, применять
методы математической обработки информации, теоретического и экспериментального исследования (ОК-4);
- готовность к использованию основных методов, способов и средств получения, хранения, переработки информации, к работе с компьютером как
средством обработки информации (ОК-8);
общепрофессиональные компетенций (ОПК)
- осознание социальной значимости своей будущей профессии, владение мотивацией к осуществлению профессиональной деятельности (ОПК-1);
- способность нести ответственность за результаты своей профессиональной
деятельности (ОПК-4).
в области педагогической деятельности (ПК)
- способность реализовывать учебные программы базовых и элективных курсов в различных образовательных учреждениях (ПК-1);
- готовность применять современные методики и технологии, в том числе и
информационные, для обеспечения качества учебно-воспитательного процесса на конкретной образовательной ступени конкретного образовательного
учреждения (ПК-2);
- способность использовать возможности образовательной среды, в том числе
информационной, для обеспечения качества учебно-воспитательного процесса (ПК-4);
специальные компетенции (СК)
- знать концептуальные и теоретические основы физики, ее место в общей
системе наук и ценностей, историю развития и современное состояние
(СК-1);
- владеть системой знаний о фундаментальных физических законах и теориях, физической сущности явлений и процессов в природе и технике (СК-2).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
 понятие «физическая задача», классификации задач и возможности их использования в учебном процессе;
 различные технологии решения задач, включая использование математических приемов и методов;
 формы организации учебной работы учащихся при решении задач по физике.
Уметь:
 решать задачи повышенной сложности по всем разделам физики для средней школы;
 структурировать физические явления;
 обнаруживать недостатки в комплексе знаний предмета учащимся;
 проводить кружки в различных классах школы по решению задач повышенной сложности;
 выделять талантливых учеников;
 проводить уроки решения задач в разных классах.
Владеть:
 грамотным использованием физического и математического научных языков;
 системой фундаментальных понятий физики;
 структурным анализом предмета;
 использованием международной системы единиц измерений физических
величин (СИ) при физических расчетах;
 математическим аппаратом для решения физических задач.
4. Структура и содержание дисциплины «Дидактические основы решения физических задач»
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы (108
часов), из них 36 часов аудиторных занятий и 72 часа самостоятельной работы.
№
п/п
Раздел дисциплины
Неделя
семестра
Виды учебной работы, включая самостоятельную работу
студентов и трудоемкость (в часах)
Лек
Пр
Формы текущего контроля успеваемости (по
неделям семестра)
Формы промежуточной аттестации (по семестрам)
Ср
3 семестр
Раздел 1.
1.
Тема 1.1.
2
4
2.
Тема 1.2.
2
4
2
4
проверка решений
2
4
проверка решений
1.2.1.
3.
Тема 1.2.
1.2.2. – 1.2.3.
4
Тема 1.2.
1.2.4. – 1.2.6.
5
Тема 1.3.
2
4
6
Тема 1.4.
2
4
Тема 1.5.
Раздел 2.
проверка решений
7
Тема 2.1.
2
4
проверка решений
2
4
проверка решений
2
4
проверка решений
2
4
2.1.1. – 2.1.2.
8
Тема 2.1.
2.1.3. – 2.1.4.
9
Тема 2.2.
2.2.1.
10
Тема 2.2.
2.2.2 – 2.2.3.
11
Тема 2.3.
2
4
12
Тема 2.4.
2
4
проверка решений
13
Тема 2.5.
2
4
проверка решений
14
Тема 2.6.
2
4
15
Тема 2.7.
2
4
16
Тема 2.8.
2
4
проверка решений
Тема 2.9.
17
Тема 2.10.
2
4
18
Тема 2.11.
2
4
36
72
Итого
108
зачёт
Содержание дисциплины «Дидактические основы решения физических
задач»
Обучение дисциплине «Дидактические основы решения физических
задач» осуществляется в форме практических занятий и внеаудиторной самостоятельной работы. Закрепление полученных знаний проходит в ходе педагогической практики.
Текущий контроль качества усвоения материала в ходе практических и
самостоятельных работ осуществляется в устной и письменной формах: решение домашних задач, тестовых опросов, отчётов по решениям задач.
Раздел 1. Дидактические цели задач.
Тема 1.1. Основные физические идеализации и их отражение в школьном курсе физики.
Тема 1.2. Классификация задач по дидактическим целям.
1.2.1. Типовые задачи и их решение.
1.2.2. Познавательные задачи и их виды.
1.2.3. Примеры решений (по разделам физики).
1.2.4. Познавательные задачи и их виды.
1.2.5. Творческие задачи и их виды.
1.2.6. Примеры решений творческих задач.
Тема 1.3. Место олимпиадных задач в дидактической классификации.
Тема 1.4. Основные методы и способы решения физических задач.
Тема 1.5. Алгоритмический подход к решению задач по физике. Примеры.
Раздел 2. Технология решения задач по разделам курса физики.
Тема 2.1. Механика.
2.1.1. Кинематика материальной точки.
2.1.2. Динамика материальной точки.
2.1.3. Законы сохранения.
2.1.4. Элементы статики.
Тема 2.2. Молекулярная физика.
2.2.1. Основы молекулярно-кинетической теории газов.
2.2.2. Основы термодинамики.
2.2.3. Свойства паров.
Тема 2.3. Электростатика.
Тема 2.4. Расчёт цепей постоянного тока.
Тема 2.5. Магнитное поле.
Тема 2.6. Расчёт характеристик магнитного поля.
Тема 2.7. Электромагнитная индукция.
Тема 2.8. Механические колебания и волны.
Тема 2.9. Электромагнитные колебания.
Тема 2.10. Электромагнитная волна.
Тема 2.11. Волновая оптика.
Тема 2.12. Исследовательские и конструкторские задачи по физике.
5. Образовательные технологии
В соответствии с требованиями ФГОС ВПО по педагогическому
направлению подготовки в рамках изучения дисциплины «Дидактические
основы решения физических задач по профилю «Физика и информатика»
реализация компетентностного подхода должна предусматривать широкое
использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения занятий в сочетании с внеаудиторной работой с целью формирования и
развития профессиональных навыков обучающихся.
Удельный вес занятий, проводимых в интерактивных формах, определяется главной целью (миссией) программы, особенностью контингента обучающихся и содержанием конкретных дисциплин, и в целом в учебном процессе они составляют не менее 50% аудиторных занятий.
Основными педагогическими технологиями при изучении данной дисциплины являются индивидуализация и дифференциация обучения, развивающее обучение, проблемное обучение и деятельностный подход.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Виды самостоятельной работы:
- изучение основных стандартов, анализ справочно-информационных изданий,
- знакомство с каталогом библиотеки СГУ, составление отчета.
- реферативная работа по заданной теме.
- работа по аннотированию информационных источников по заданной теме.
На самостоятельную работу по теме теоретических задач рекомендуется задавать по 3 – 4 индивидуальных задачи из той же темы. Задачи выбираются из учебников и методических разработок кафедры.
Самостоятельную работу по теме экспериментальных задач целесообразно проводить в физическом кабинете школьного типа. Заданием самостоятельных занятий являются задания, обозначенные в тематике соответствующего практического аудиторного занятия, но не выполненные на соответствующем занятии.
Зачёт по курсу проводится путём проверки решений всех решаемых на
занятиях и задаваемых на самостоятельную работу задач и проверкой самостоятельности решения каждого студента.
2.1.1, 2.1.2
1, 2, 3, 4
2.1.3, 2.1.4
5, 6, 7
2.2.1
8, 9, 10
2.2.2, 2.2.3
11, 12, 13, 14
2.3
15, 16, 17, 18
2.4
19, 20, 21
2.5, 2.6
22, 23, 24, 25
2.7
26, 27, 28
2.8
29, 30, 31, 32
2.9, 2.10
33, 34, 35, 36
2.11
37, 38, 39, 40
1. Определите радиус маховика, если при его вращении линейная скорость точек на ободе 6 м/с, а точек, находящихся на 15 см ближе к оси — 5,5
м/с.
2. Тележка массой m совершает мёртвую петлю, скатываясь с минимально необходимой для этого высоты. Определите величину силы, с которой тележка давит на рельсы в точке А, радиус-вектор которой составляет
угол альфа с вертикалью. Трением пренебречь.
3. Система грузов m1, m2 и m3 находится в равновесии. Определите величину массы m3 и силу давления, производимую массой m1 на наклонную
плоскость, если массы m1 и m2 и угол α, который составляет наклонная плоскость с горизонтом, известны. Массой блоков, нитей и трением пренебречь.
4. На рисунке изображены балки, на которых находятся по два груза
массами 10 кг. Расстояние между опорами балок 4 м. Определите силы давления балок на опоры. Балки невесомы.
5. Гранату массой 0,5 кг бросили со скоростью 40 м/с под углом 60
градусов к горизонту. В верхней точке траектории она разрывается на две части массами 0,3 кг и 0,2 кг, и после разрыва большая часть движется вертикально вниз со скоростью 50 м/с. Определите модуль и направление скорости
меньшей части гранаты.
6. Лифт массой 1 т равноускоренно поднимался лебёдкой. На некотором отрезке пути длиной 1 м лифт двигался со средней скоростью 5 м/с и его
скорость возросла на 0,5 м/с. Определите работу силы, которая перемещала
лифт на указанном отрезке его пути.
7. Однородный куб перемещают на некоторое расстояние один раз кантованием, т. е. опрокидыванием через ребро, а другой – волоком. Каким должен быть коэффициент трения скольжения, чтобы работы в обоих случаях
были одинаковы?
8. Молекулы кислорода ударяются о стенку сосуда и упруго отталкиваются от неё без потери скорости. Определите давление, испытываемое
стенкой, если скорость молекул в пучке одинакова и равна в=300 м/с, а их
концентрация н=2*108 м-3. Рассмотрите два случая: а) стенка расположена
перпендикулярно к скорости молекул и неподвижна; б) стенка неподвижна и
расположена под углом α=30 градусов к направлению движения молекул.
9. Герметическая камера максимального объёма V наполнена воздухом
наполовину. Сколько ходов должен сделать поршень накачивающего насоса,
чтобы накачать в камеру воздух до давления p? Атмосферное давление p 0.
Объём насоса V0. Нагреванием пренебречь. Стенки камеры гибки, но нерастяжимы.
10. Баллон объёмом 50 дм3 наполнен сжатым воздухом при температуре 20 градусов С до давления 10 МПа. Какой объём воды можно вытеснить
этим воздухом из цистерны подводной лодки в море на глубине 30 м, если
температура воды 50С, а атмосферное давление 990 гПа? Плотность морской
воды принять равной 1030 кг/м3.
11. В калориметр, содержащий 1 л воды при температуре 20 0 С, бросают нагретый до 500 0 С кусок железа, масса которого 100 г. При этом некоторое количество воды обращается в пар. Окончательная температура воды
24 0 С. Определите массу обратившейся в пар воды.
12. Вода при соблюдении необходимых предосторожностей может
быть переохлаждена до температуры -10 0 С. Какая масса льда образуется из
1 кг такой воды, если бросить в неё кусочек льда и тем вызвать замерзание?
Считать, что теплоёмкость переохлаждённой воды не зависит от температуры и равна теплоёмкости обычной воды.
13. Двигатель автомобиля расходует в час m=22 кг бензина. Какую
максимальную полезную мощность может развивать этот двигатель, если
средняя температура газа в цилиндре двигателя при рабочем ходе поршня
Т1=1073 К, а температура отработавших газов Т2=423 К? Сравните эту мощность с фактической мощностью двигателя, если его КПД 26%.
14. На сколько понизилась температура воздуха в помещении объёмом 120 м3 в результате работы кондиционера, если при этом сконденсировалась масса воды 1 кг, а относительная влажность уменьшилась в 1,2 раза?
Первоначальная температура в помещении была 25оС, относительная влажность 80%.
15. Над бесконечной равномерно заряженной горизонтальной плоскостью, поверхностная плотность электрического заряда которой 91 мкКл/м2,
находится в состоянии равновесия медный шарик с зарядом 4 мкКл. Определите радиус шарика.
16. Рядом с вертикальной металлической пластиной площадью 314
2
см , находящейся в воздухе, подвешен на тонкой шёлковой нити маленький
шарик массой 0,04 г, несущий заряд 3,3 нКл. Какой заряд надо сообщить
пластине, чтобы нить с шариком отклонилась на угол 45о от вертикали?
17. Точечный заряд q находится на высоте h над проводящей горизонтальной плоскостью. Какую работу нужно совершить против сил поля,
чтобы удалить этот заряд в бесконечность.
18. По гладкой наклонной плоскости высотой h, составляющей угол
альфа с горизонтом, без начальной скорости соскальзывает небольшое тело
массой m, заряженное отрицательным зарядом «-q». В вершине прямого угла,
образованного высотой и основанием плоскости, находится заряд «+q».
Определите скорость тела у основания наклонной плоскости.
19. Если через вольтметр со шкалой на 100 В проходит ток силой 0,1
мА, то стрелка прибора отклоняется на 2 В шкалы. Какое наибольшее напряжение можно измерить этим вольтметром при подключении к нему добавочного сопротивления 90 кОм?
20. В магистраль, состоящую из медного провода сечением 5 мм2,
требуется включить при температуре 25о С свинцовый предохранитель, который расплавился бы при повышении температуры провода на 20оС. Определите сечение предохранителя.
21. При каком напряжении зажигается неоновая лампочка, если расстояние между её электродами, имеющими вид тонких плоских пластин, равно 0,2 мм, энергия ионизации неона 21,6 эВ, длина свободного пробега электронов 43 мкм?
22. Замкнутый проводящий контур в виде квадрата с одной диагональю, изготовленный из медной проволоки сечением S, находится в однородном магнитном поле, вектор индукции которого B0 параллелен плоскости
контура. Определите модуль и направление силы, действующей на контур,
если к концам диагонали приложено напряжение U.
23. Проволочное кольцо радиусом 1 см, по которому проходит ток 2
А, помещено в магнитное поле индукцией 1 Тл, линии индукции которого
перпендикулярны плоскости кольца. Определите силы упругости, возникающие в кольце.
24. Электрон, прошедший ускоряющую разность потенциалов 1 кВ,
влетает в однородное магнитное поле с индукцией 1 мТл перпендикулярно к
линиям индукции поля. Определите радиус траектории и период обращения
электрона в поле.
25. Жёсткая квадратная рамка, площадью S, изготовленная из стальной проволоки диаметром d, падает с высоты H в горизонтальном магнитном
поле, вектор индукции которого В перпендикулярен плоскости рамки. Определите установившуюся скорость движения рамки, если модуль вектора индукции магнитного поля изменяется с высотой по закону B=B0(1+kH).
26. Круговой виток радиуса r, сделанный из проводника с сопротивлением единицы длины R0, находится в постоянном однородном магнитном
поле, вектор индукции которого В перпендикулярен плоскости витка. Какой
заряд пройдёт по проводнику, если виток, не выходя из плоскости, превратить в восьмёрку, составленную из двух разных колец?
27. Реактивный самолёт, имеющий размах крыльев 50 м, летит горизонтально со скоростью 800 км/ч. Определите разность потенциалов на концах крыльев самолёта, если вертикальная составляющая индукции магнитного поля Земли 50 мТл.
28. Параллельно соединённые катушка индуктивностью L и резистор
сопротивлением R подключаются к источнику тока с ЭДС e и внутренним
сопротивлением r. (см рисунок) Какой заряд пройдёт через резистор после
замыкания ключа К?
29. Тело массой 0,01 кг совершает гармонические колебания в соответствии с уравнением x=2*10-3sin(pi(3,5t+0,1)) м. Определите значение квазиупругой силы, действующей на тело в момент времени t = 0,1 с.
30. Коробка массой М стоит на горизонтально столе. В коробке на
пружине жёсткостью k подвешен груз массой m (см. рисунок). При какой
амплитуде колебаний груза коробка начнёт подпрыгивать?
31. Скорость звука воде 1450 м/с. На каком расстоянии находятся
ближайшие точки, совершающие колебания в противоположных фазах? Частота колебаний 725 Гц.
32. Источник ультразвука, помещённый в воду, излучает волны
длинной 2*10-3 м. Чему будет равна длина этой волны в воздухе? Температуру воды и воздуха считать равной 20 0 С.
33. Зависимость силы тока от времени в колебательном контуре имеет вид I=0,1sin300pi*t (A). Определите индуктивность катушки контура, если
максимальная энергия электростатического поля конденсатора составляет 5
мДж.
34. Колебательный контур состоит из катушки индуктивностью 0,2
Гн и конденсатора ёмкостью 10 мкФ, заряженного до напряжения 2 В. Определите силу тока в момент времени, когда энергия контура окажется распределённой поровну между электростатическим полем конденсатора и магнитным полем катушки.
35. Колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и
плоского конденсатора, настроен на длину волны 1000 м. Когда расстояние
между обкладками конденсатора уменьшили в 4 раза, его ёмкость увеличилась на 18 пФ. Определите индуктивность катушки и длину волны, на которую будет резонировать новый контур.
36. Катушка индуктивностью 45 мГн, активное сопротивление которой равно 10 Ом, включена в цепь переменного тока частотой 50 Гц с действующим значением напряжения 220 В. Определите амплитудное значение
силы тока в катушке и сдвиг фаз между колебаниями силы тока и напряжения.
37. Во сколько раз увеличится расстояние между соседними интерференционными полосами на экране в опыте Юнга, если зелёный светофильтр (лямбда = 500 нм) заменить красным (лямбда = 650 нм) ?
38. Белый свет, падающий нормально на мыльную плёнку, после отражения от неё даёт интерференционный максимум на волне длиной 630 нм,
а ближайший к нему минимум – на волне длиной 450 нм. определите толщину плёнки, считая ее постоянной, если абсолютный показатель преломления
мыльного раствора равен 1,33.
39. Определите длину волны света, падающего нормально на дифракционную решётку, содержащую 200 штрихов на 1 мм, если угол между
направлениями на максимумы первого порядка равен 8 градусов.
40. Для измерения длины световой волны используется дифракционная решетка, имеющая 100 штрихов на 1 мм. Определите длину световой
волны, если расстояние между центральным максимумом и максимумом 1го
порядка на экране, находящемся на расстоянии 2 м от решётки, равно 12 см.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Литература
Основная
1. Гладкова Р.А. , Косоруков А.Л. , Задачи и вопросы по физике. Издательство "Физматлит", 2010, -429с.
(http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=2164)
Дополнительная
1. Сборник вопросов и задач по общей физике: Учеб. пособие / И. В. Савельев. - 5-е изд., стер. - СПб. ; М. ; Краснодар : Лань, 2007. - 288 с.
программное обеспечение и Интернет-ресурсы
http://teachmen.csu.ru/ – физика преподавателям и студентам
http://www.vargin.mephi.ru/index.html – физика студентам и школьникам
http://www.physel.ru – интерактивный учебник по физике (в основе – элементарный учебник физики под ред. академика Г.С. Ландсберга).
http://www.alsak.ru/ – школьная физика для учителей и учеников.
http://www.physics-regelman.com – сборник тестов по всем разделам физики
для старшей и средней школы
www.physbook.ru) – электронный учебник физики, разработан по принципу
свободной энциклопедии
http://questions-physics.ru/ Физика
8. Материально-техническое обеспечение
Для изучения дисциплины должны быть подготовлены следующие помещения:
-специализированная аудитория для проведения практических занятий,
оборудованная доской,
-методическая и учебная литература.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО № 788 от
22.12.2009 г. с учетом рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению и профилю подготовки Педагогическое образование профиль «Физика и
информатика»
Составитель доцент кафедры ФиМИТ, к. физ. – мат. н. В.П.Вешнев
____________________________________
Программа одобрена на заседании _кафедры физики и методикоинформационных технологий от 9 марта 2011 года, протокол № 9.
Подписи:
Зав. кафедрой
Б.Е. Железовский
Декан факультета/Директор Института (факультет/Институт, где разрабатывалась программа)
Декан факультета/Директор Института (факультет/Институт, где реализуется
программа)