Решение качественных задач при изучении физики в средней школе

ИЗ ОПЫТА РАБОТЫ

ГРИНЬ ГАЛИНЫ ДМИТРИЕВНЫ,

учителя физики МБОУ школы №8

РЕШЕНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ЗАДАЧ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ФИЗИКИ В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ

К настоящему времени накоплено огромное количество задач. Все они различны по сложности, содержанию, способам решения. Возникает проблема их классификации. Такая классификация важна для учителя, т. к. она позволила бы ему избежать односторонности в выборе задач и осуществлять этот выбор на основе дидактических целей, которые необходимо достичь в соответствии с определённой учебной ситуации. Единой классификации физических задач не существует.

Задачи классифицируются:

1) по содержанию

2) по разделам

3) по основному методу решения

4) по степени сложности

5) по способу выражения условия.

Одна и та же задача попадает, таким образом, в несколько различных классов. По содержанию все задачи делятся на абстрактные и конкретные.

Абстрактные - это те задачи, в которых нет конкретных числовых значений, и которые решаются в общем виде. Абстрактная задача выявляет более глубоко физическую сущность явлений, не отвлекая учащихся на конкретные несущественные детали.

Конкретные задачи легче для учащихся, потому что конкретные числа приближают задачу к уровню развития ребёнка, который не научился ещё абстрагировать. По степени сложности задачи делятся на простые, сложные, задачи повышенной сложности (трудности) и творческие.

Простые - с использованием одной формулы. Они носят тренировочный характер и решаются обычно сразу же на закрепление нового материала.

Сложные - с использованием нескольких формул. Эти формулы могут быть из разных тем. Повышенной сложности - связывающие в одну проблему несколько разделов. (Часто бывает, что для учеников сложность вызывает не физическая, а математическая составляющая решения задачи).

Творческие - алгоритм решения, которых ученику не известен. Исследовательская задача отвечает на вопрос «почему?», а конструкторская - на вопрос «как сделать?» По основному способу выражения условия задачи делятся на текстовые, экспериментальные, графические и задачи-рисунки.

По способу решения задачи делятся на качественные, вычислительные, графические, экспериментальные.

Отличительная особенность качественных задач в том, что их условия акцентируют внимание учащихся на физической сущности рассматриваемых явлений. Решаются они, как правило, устно, путём логических умозаключений.

Вычислительные задачи - это задачи, которые могут быть решены только с помощью вычислений и математических действий.

Графические и экспериментальные задачи - это задачи, решаемые с помощью графика или с помощью эксперимента.

Однако характер условия задачи не всегда соответствует характеру ее решения. Некоторые расчетные задачи имеют условие, в котором числовые величины заданы косвенно. Такие задачи решаются по формулам, т.е. являются количественными задачами, но без числовых данных. Вот простой пример: «Во сколько раз изменится подъемная сила воздушного шара, если наполняющий его гелий заменить водородом?». Наоборот, есть задачи с численными данными, решаемые качественными методами: «Парашютист весом 700 Н равномерно опускается. Чему равна сила сопротивления воздуха, действующая на парашютиста?». Этот пример иллюстрирует неточность еще одной формулировки: «Качественными называют задачи, при решении которых устанавливают только качественную зависимость между физическими величинами». Однако решение ряда задач, в которых требуется найти значение некоторой величины, можно осуществить при использовании только качественных методов. Вот еще один пример: «Чему равна равнодействующая всех сил, действующих на автомобиль, равномерно движущийся по горизонтальной дороге?». Для ответа на вопрос не нужно делать каких-либо математических действий, достаточно провести простые рассуждения: автомобиль движется равномерно и прямолинейно, значит, действие на него всех тел скомпенсировано, т.е. равнодействующая всех сил равна нулю.

Одно из первых определений качественных задач дал М. Е. Тульчинский: «Задача, в которой ставится для разрешения одна из проблем, связанная с качественной стороной рассматриваемого физического явления, которая решается путем логических умозаключений, основывающихся на законах физики, построения чертежа или выполнения эксперимента, но без применения математических действий, называется качественной задачей».

Качественной задачей называем такую задачу, решение которой осуществляется путем построения логической цепочки рассуждений и не требует обязательных математических выкладок и вычислений, а используемые вычисления, не образуют строгую и полную логическую систему формальных выводов. Все формульные преобразования используются только для качественного анализа, а расчеты осуществляются для количественной прикидки.

Однако можно указать на отсутствие четкой границы между качественными и количественными задачами. Некоторые задачи в зависимости от уровня восприятия и мышления учащихся могут решаться и качественными, и количественными методами. Вот такой пример: «В цилиндрическом сосуде, наполненном водой при температуре 0°С, на поверхности плавает кусок льда. Как изменится уровень воды в сосуде, когда лед растает?». Приведем качественное решение. Лед, плавая, вытесняет воду весом равным своему весу. Поэтому вода, образовавшаяся при плавлении льда, имеет такую же массу, как и вода, вытесняемая льдом первоначально, а значит и занимает такой же объем. Соответственно, она "займет" место подводной части льда, и уровень воды не изменится. Но задачу можно решить и количественно.

Качественные задачи, связанные с конкретными предметами, легко воспринимаются учащимися и те их решают охотнее, чем количественные.

Решение качественных задач

Тульчинский М. Е. писал: " Решение качественных задач способствует более глубокому усвоению материала, развивает сообразительность, мышление, вызывает интерес к физике". Качественные задачи вызывают больший интерес, если в них предлагается дать объяснение тем или иным явлениям природы или фактам, с которыми школьники сталкиваются в жизни". В процессе решения качественных задач прививаются навыки наблюдать и умение различать физические явления в природе, быту, технике, а не только в физических кабинетах. Развивается смекалка, сообразительность, творческая фантазия. Овладение методами решения качественных задач позволит учащимся творчески применить их к решению самых разнообразных задач и самостоятельно расширить сферу собственных знаний. Именно этот фактор способствует развитию интеллектуальной инициативы и творческой активности учащихся. Особенно важным является использование качественных задач в основной школе, где большая часть материала рассматривается на качественном уровне.

Схема решения качественных задач:

· чтение условия задачи, выяснения всех терминов в ее условии,

· анализ условия задачи, выяснение всех физических явлений, построение схемы или чертежа.

Качественные задачи делятся на две группы:

a) Простые качественные задачи (их называют задачами-вопросами) решение которых обычно основываются на одном физическом законе.

б) Сложные качественные задачи, представляющие как бы совокупность или комбинацию нескольких простых задач. Решая их, приходится строить более сложные цепи умозаключений анализировать несколько физических закономерностей.

Начнем с рассмотрения задач-вопросов:

· Почему при проводке телеграфной линии летом нельзя сильно натягивать провода между столбами?

· Почему зубные врачи не рекомендуют, есть очень горячую пищу?

· Почему нельзя наливать бензин в цистерну до верху?

Во всех трех задачах имеют место тепловое расширение твердых и жидких тел, поэтому построение цепи при решении этих задач опираются на эту тему применяется тепловое расширение тел, заключают, что при нагревании размеры твердых тел, немного увеличиваются, жидкости, как твердые тела, с увеличением температуры расширяются, но значительно сильнее, чем твердые тела. В задачах - вопросах могут использоваться и различные зависимости, выражаемые физическими формулами.

· Каким приемом человек может быстро удвоить давление, производимое им на пол?

В начале проводят анализ физической сущности происходящего. Давление зависит от силы давления, F и от площади S. Поэтому, во-первых, давление возрастает в два раза, если в два раза увеличить силу давления. Этого можно достигнуть, взяв в руки дополнительный груз равный весу человека. Но еще можно увеличить давление - уменьшить площадь опоры в два раза. Для этого достаточно встать на одну ногу.

Одно из наиболее важных умений - это умение найти причину какого либо явления. В частности, в учебной деятельности оно необходимо при решении, например, следующих задач.

На одну чашку уравновешенных весов положили железный кубик, а на другую - деревянный шарик. Шарик перетянул. Почему?

Важным также является умение предусмотреть возможные следствия события. Пример:

К уравновешенному рычагу приложили две сил. Может ли рычаг остаться при этом в равновесии? Если да, то, при каких условиях? Можно ли действие этих сил вывести рычаг из равновесия?

(С помощью этой задачи можно навести учащихся на важную мысль о том, что одна и та же причина при различных условиях, в частности начальных, может привести к разным результатам.)

Пример решения задач

• Составьте и запишите одно предложение (имеющее смысл и верное с точки зрения физики), объединив в нем с помощью союза "поэтому" два таких утверждения:

1) в случае утечки газа запах его некоторое время распространится по всей квартире;

2) молекулы движутся непрерывно и хаотически. Скажите, какое из этих утверждений является причиной по отношению к другому, а какое следствием.

• Составьте и запишите одно предложение (имеющее смысл и верное с точки зрения физики), объединив в нем с помощью союза "поэтому" (или "потому что" два таких утверждения:

1) масса стального кубика больше массы деревянного кубика такого же объема;

2) плотность стали больше плотности дерева.

• Ответьте на вопросы: может ли плотность, какого либо вещества зависеть от того, какой массы физического тела из этого вещества изготовлено? Какое из двух данных утверждений служит причиной по отношению к другому, а какое - следствием.

В решении подобных задач большую роль играет интуиция ученика. В данном случае мы считаем этот путь более эффективным, чем использование определений терминов "причина" и "следствие".

Для успешного решения нужно уметь: во-первых, сравнивать объекты, величины, условия и т.п.; во-вторых, находить факторы влияния (другими словами, из всех факторов выделять существенные); в-третьих, отличать правильное от ошибочного (неточного). Значение этих умения (так же, как и умений находить причину, следствия, пути достижения заданного результата и т.п.) заключается, прежде всего, в этих универсальности: они необходимы для решения большего числа разнообразных проблем (причем, не только учебных). Кроме того, их усвоение позволяет развивать интеллектуальные способности человека.

• Имеются две ложки (деревянная и стальная) одинаковой массы. Объем, какой ложки

больше? Почему?

• Из приведенных ниже слов и словосочетаний нужно выписать в тетрадь те, которые представляют собой физические явления: магнит, притяжение железных опилок к магниту, льдина, ледоход, ветер, воздух, гром, звон колокола, колебание маятника в часах, часы, термометр, температура, нагревание чайника с водой, выстрел.

• Из следующего перечня надо выписать в один столбик физические величины, а в другой - единицы физических величин: длина, секунда, метр, температура, время, кубический метр, градус, объем.

• Какое слово, на ваш взгляд, лишнее в следующем перечне: время, путь, площадь, метр, скорость? Почему вы выбрали именно это слово?

• Какое слово, на ваш взгляд, лишнее в следующем перечне: Ньютон, килограмм, плотность, метр, Паскаль, Джоуль, секунда? Почему вы выбрали именно это слово?

Примеры качественных задач

1. Почему в замутненной воде вы можете увидеть свою тень, а в чистой - нет? (Для того чтобыувидеть собственную тень на мутной воде, вы должны иметь возможность выделять свет, отраженный от поверхности воды. В чистой воде этот относительно слабый свет теряетсяна фоне света, отраженного от дна. При мутной воде отраженный от дна свет сильно ослабляется или поглощается, поэтому образуются тени.)

2. Чем объясняется расцветка крыльев стрекоз, жуков и прочих насекомых? (Интерференция солнечного света в прозрачной пленке, покрывающей крылья насекомого и имеющей разную толщину в разных местах.)

3. Почему меняется окраска крыльев насекомого, если его рассматривать под разными углами?(При падении лучей на тонкую пленку образуются интерференционные полосы равного наклона, положение которых меняется, если смотреть на пленку под разными углами.)

4. Почему обычные облака в основном белые, а грозовые тучи черные? (Размеры водяных капель в облаке гораздо больше молекул воздуха, поэтому свет от них не рассеивается, а отражается. При этом он не разлагается на составляющие, а остается белым. Очень плотные грозовые облака либо вообще не пропускают свет, либо отражают его вверх.)

5. Почему при восходе и особенно закате Солнце играет различными цветами? (Солнечные лучи при восходе и при закате проходятбольшие пути в воздухе. По теории Рэлея, будут рассеиваться синие, голубые и фиолетовые лучи, а проходят лучи красной части спектра. Поэтому Солнце окрашивается в желтые,розовые, красные тона, противоположная сторонанеба кажется окрашенной в синий с фиолетовым оттенком цвет. Восход дает более яркую и чистую картинку, так как воздух за ночь делается чище.)

6. В морозный вечер подышите на кусок стекла. Через образовавшуюся тонкую пленку кристалликов льда посмотрите на светящиеся уличные фонари. Почему фонари оказываются при этом окруженными радужными кругами (ближе к источнику - сине-голубой свет, дальше от источника - оранжево- красный)? (Наблюдается дифракция света в неоднородной среде.)

7. Во время ночной прогулки можно часто увидеть радужный ореол вокруг уличных фонарей даже в ясную погоду. Почему? (Венцы вокруг фонарей объясняются дифракцией света на препятствиях, соразмерных с длиной волны света. Но в этом случае частицы находятся внутри самого глаза. Это радиальные волокна линзы хрусталика или частицы слизи на поверхности роговицы.)

8. Если поверхность воды не совсем спокойна, то предметы, лежащие на дне, кажутся колеблющимися. Объясните явление. (Угол, под которымсветовые лучи от предметов падают на границу вода - воздух, постоянно меняются. Вследствие этого меняется и угол преломления. Поэтому наблюдатель видитпредметы в воде колеблющимися.)

9. Религиозные люди утверждают, что лишь в день пасхи Солнце при восходе «играет» (диск Солнца колеблется, меняет свою форму и цвет). Как объяснить видимое колебание диска восходящего Солнца? (Весной почва в разных местах нагрета по- разному и воздух над этими местами имеет различную плотность, разный показатель преломления. Воздух вследствие конвекции движется, лучи света проходят через слои воздуха с меняющимся показателем преломления. Это вызывает колебание видимого диска Солнца. «Игра» Солнца наблюдается в любой день, когда возникаеттемпературная, а, следовательно, и оптическая неоднородность воздуха.)

10. Почему в затемненной комнате струя воды видна, хотя свет из нее не должен бы выходить? Почему видимость струи улучшается, если в воду подмешать зубного порошка? (Течение струи воды турбулентное, вследствиеэтого внекоторых ееместахлуч падаетна поверхность под углом, меньшим предельного.Зубной порошок в струе рассеивает свет,поэтомуструявидналучше.)

11. Почему днем не видно звезд? (Рассеянный солнечный свет значительно ярчесвета звезд,поэтому звезды не видны.)

12. Почва, бумага, дерево, песок кажутся более темными, если они смочены. Почему? (У сухого материала поверхность шероховата. Поэтому отраженный свет оказывается рассеянным. Если материал смочить, то шероховатость уменьшится. Кроме того, в тонкой пленке воды свет испытывает многократное полное отражение и поглощается.)

13. Если смотреть на разноцветную светящуюся рекламу (например, из газоразрядных трубок), то красные буквы всегда кажутся выступающими вперед по отношению к синим или зеленым. Чем это объяснить? (Фокусное расстояние глаза, как и любой линзы, различно для разных длин волн, т.е. для разных цветов спектра. Красные лучи преломляются слабее, потому возникает зрительное впечатление, что красные предметы находятся ближе к наблюдателю, чем синие.)

14. Почему, глядя на ряд фонарей, расположенных вдоль длинной улицы, мы видим их одинаково яркими, хотя расстояния от глаза до фонарей неодинаковы?

Почему, если рассматривать тот же ряд фонарей в тумане, яркость их будет казаться постепенно уменьшающейся? (Видимая яркость фонаря равна освещенности изображения на сетчатке глаза, к площади изображения на сетчатке. При увеличении расстояния до источника света уменьшается световой поток, попадающий в глаз, но одновременнотакже уменьшается и площадь изображения на сетчатке. Отношенииэтих двух величин остается постоянным, если можно пренебречь потерей световой энергии вследствие поглощения и рассеяния света при распространении в воздухе. В тумане видимая яркость изображения падает по мере удаления источника света, поскольку становятся заметными поглощение и рассеяние энергии.)

15. Вилка освещается пламенем свечи и дает тень на стене. При вертикальном положении тень отчетливо воспроизводит форму ее зубцов, а при горизонтальном положении вилки тень размыта и зубцов почти не видно. Почему? (Причина в том, что источник света (пламя свечи) вытянут в вертикальном направлении. Когда вилка расположена вертикально, то для каждого из зубцов граница света и тени на экране от всех частей источника расположена примерно в одних и тех же местах и поэтому получается отчетливая тень зубцов. Когда же вилка расположена горизонтально, то граница света итениот одной части источника для денного зубца будет сдвинута на экране относительно границы света и тени, создаваемой другой частью источника от того же зубца, а потому вся тень вилки будет размыта.)

Необходимость применения качественных задач

Задачники представляют физику либо как абстрактную науку, либо как чисто техническую, не связанную с живой природой, биологией, анатомией, медициной, жизнью человека. Поэтому для многих учеников она не интересна. Нужно стремиться сообщать ученику не только новые знания, но и помогать ему глубже и лучше познать то, что он уже знает, то есть сделать "живыми" уже имеющиеся у него основные научные сведения, научить сознательно ими распоряжаться, пробудить желание применить их. Успех обучения выражается в сформированности способности мыслить, а мыслить человек начинает тогда, когда у него возникает потребность что-либо понять. Один из способов дать толчок к активной мыслительной деятельности ребят - предложить им интересные учебные задачи. А интерес проявляется тогда, когда задача затрагивает реальный мир, жизненные ситуации, встречающиеся каждому человеку.

При таком условии эффективность формирования познавательного интереса возрастет.

Проблемы связанные с качественными задачами

Проблеме использования непосредственно качественных задач и методике их решения уделяется очень мало внимания. Недостаточно разработаны и не нашли должного отражения в методической литературе вопросы о приемах постановки качественных задач, их подборе, системном использовании и рациональных методах решения. В то же время с появлением уровневой дифференциации, курсов по выбору, профильных школ и классов остро встал вопрос о методическом обеспечении и, в частности, о методике использования качественных задач при углубленном изучении. Для современных учителей, как и десятки лет назад, организация работы по решению качественных задач с учащимися является одним из наиболее трудных звеньев в преподавании физики. Современная практика показывает, что и у школьников, и у учителей при решении качественных задач возникает много затруднений. Тому существует несколько причин: отсутствие должного внимания к качественным задачам со стороны учителей, недооценка их роли и места в преподавании физики; упрощенные представления о самих качественных задачах (устные значит простые); отсутствие методик по их решению и использованию в учебном процессе; отсутствие хороших задачников и подробных образцов действий по решению качественных задач.

Но не стоит забывать, что качественные задачи занимают важное место и в физической науке и в системе современного физического образования, в том числе для развития и воспитания личности.

Список литературы

1. Каменецкий С.Е., Орехов В.П. Методика решения задач по физике в средней школе. Пособие для учителей Просвещение, 1971

2. Я. И. Перельман. Занимательная механика, 1937 г. Я. И. Перельман. Занимательная физика. Книга вторая, 1932 г. Я. И. Перельман. Занимательная астрономия, 1954 г. Я. И. Перельман. Занимательные задачи и опыты, 1959 г. Я. И. Перельман. Знаете ли Вы физику? 1992 г.

3. physfac.bspu.secna.ru/

4. Качественные задачи по физике в средней школе. Тульчинский М.Е.Пособие для учителей.М.: Просвещение, 1972. - 240с.