Мастер-класс «Плотность вещества»
методическая разработка по физике

Зайкина Екатерина Сергеевна,

учитель физики МБОУ «Маргуцексая СОШ»

Направление «Стремлюсь к вершинам мастерства»

Мастер-класс «Плотность вещества»

Цель: сформировать понятие "плотность вещества" у учащихся посредством решения системы задач: качественных, количественных, экспериментальных и исследовательских.

Каждое вещество имеет некоторый объем, и может оказаться, что объемы двух тел равны, а массы  различны. И, обратно, два тела одинаковой массы могут занимать разный объем. Тогда говорят, что вещества обладают различной плотностью.

Плотностью вещества называется величина, численно равная массе единицы объёма этого вещества

На мастер-классе я постараюсь показать, как при помощи разных методов  сформировать у наших участников такое понятие как плотность вещества.

1.Качественные задачи:

      Физическая задача – это ситуация, требующая от учащихся мыслительных и практических действий на основе законов и методов физики, направленных на овладение знаниями по физике и на развитие мышления. Качественные задачи включают в себя некоторые качественные характеристики явления и находят своё объяснение в соответственных количественных соотношениях. Главная особенность задач такого типа – внимание в них акцентируется на качественной стороне рассматриваемого физического явления. Решаются такие задачи путём логических умозаключений, базирующихся на законах физики.

Разбор качественных задач, не осложненных, в отличие от решения традиционных задач, достаточно громоздкими вычислениями, позволяет сосредоточиться на главном: формировании у учащихся физического мышления, ясного и четкого понимания физических законов, понятий и представлений.

Основная цель качественных задач – научить:

•        различать физические явления и процессы в природе и технике;

•        объяснять физические явления и процессы на основе имеющихся теоретических знаний.

Качественные задачи по типу условия делятся на словесные, графические и экспериментальные. Решение качественных задач – необходимый компонент полноценного физического образования, т.к.  не требуя громоздких математических выкладок, концентрирует внимание учащихся на физической сущности явления, на их взаимосвязи и формах проявления. Разбор таких задач углубляет понимание фундаментальных понятий и законов физики, побуждает интерес у учащихся к познанию окружающего мира. В качественных задачах идет речь о реальных телах, о том, что нас окружает, вещах в основном обычных и потому не замечаемых. Качественная задача  обозначает проблему, провоцирует на поиск, исследование данного вопроса и глубина этого поиска ограничена субъективными желаниями школьника и настойчивостью учителя.

Качественные задачи можно использовать на разных этапах обучения. На начальном этапе можно показать всю красоту и прелесть окружающих явлений, поставить проблему, обрисовать пути выхода из нее, увлечь физикой. В дальнейшем качественные задачи можно использовать как этап, ступеньку для более глубокого исследования проблемы. Именно качественная задача является одним из важнейших инструментов, которым необходимо вооружить любознательного человека, исследователя окружающего мира, глубже проникать в мироздание, сделает мыслящим и свободным.

Решение качественных задач включает три этапа: чтение условия, анализ задачи и решение. При анализе содержания задачи используем, прежде всего, общие закономерности, известные учащимся по данной теме. После этого выясняем, как конкретно объясняется явление, описанное в задаче. Ответ к задаче получаем как завершение проведенного анализа. В качественной задаче анализ условия тесно сливается с получением нужного обоснованного ответа.

В качественной задаче вопрос ставится так, что ответа на него в готовом виде в учебнике нет. Учащийся должен сам его найти, синтезируя данные условия задачи и моделируя физические явления. Форма подачи вопроса, формулировка играют не последнюю роль: от них зависит «длительность» рассуждения и формулировки ответа. Активно используя качественные задачи на уроках, условно я подразделяю формулировки качественных задач на четыре уровня. Вопросы первого уровня сформулированы так, что уже содержат подсказку для ответа, в них учащемуся следует выбрать один из приведенных вариантов ответа и его обосновать (например, на полу – в стакане; постные – жирные щи). Вопросы второго уровня содержат оборот «сравните», учащийся должен сам выбрать вариант ответа. Вопросы третьего уровня содержат описание ситуации, процесса, требуют анализа графика. При ответе на них учащийся может ввести дополнительные условия и объекты. Вопросы четвертого уровня  требуют тщательного анализа самого вопроса и даже переформулировки его, привлечения значительного теоретического материала.

        Поисковую деятельность по решению задачи можно условно разделить на два вида: алгоритмическую (действия по образцу – первый, второй уровень) и эвристическую (направленную на поиск этого образца – третий, четвертый уровень). «Образец», который удаётся подобрать, иногда настолько радикально отличается от того, что рассматривается в задаче, что даже сам нашедший это сходство удивляется ходу своих мыслей. Вспомните, как Архимед решил проблему обнаружения примесей в составе царской короны, наблюдая за водой, выливавшейся из переполненной ванны при погружении в неё собственного тела. Если же из подсознания подсказка не приходит, то для осознанного поиска идеи решения оказываются полезными некоторые опоры – эвристики, называемые ещё эвристическими действиями или приёмами. Основной эвристический совет: преобразовать нестандартную "задачную" ситуацию в стандартную. Как это сделать, подсказывают эвристические приёмы. Многие специалисты в области теории и методики обучения физике отмечают большой эвристический потенциал и эффективность использования методологических принципов простоты, толерантности, относительности, сохранения, симметрии, суперпозиции, соответствия, причинности, дополнительности, а также соотношения неопределённостей. Руководствуясь этими принципами и используя метод аналогии, иногда удаётся сразу найти основную идею решения.

Задача 1: Если налить в одну банку жидкий мёд и воду, не перемешивая их, то мёд опустится вниз, а вода останется сверху над мёдом. Назовите физическую характеристику вещества, благодаря которой мёд погружается в воду. Запишите формулу, при помощи которой можно вычислить эту характеристику, и назовите все входящие в эту формулу обозначения.

Задача 2: В цирке клоуны часто используют фальшивые гири. Эти гири сделаны из пенопласта и покрашены в чёрный цвет так, чтобы они выглядели как чугунные. Назовите физическую характеристику вещества, благодаря которой чугунная гиря имеет намного бо́льшую массу по сравнению с такой же по объёму пенопластовой гирей. Запишите формулу, при помощи которой можно вычислить эту характеристику, и назовите все входящие в эту формулу обозначения

Задача 3: Если налить в кастрюлю воду, а затем подсолнечное масло, то масло растечётся по поверхности воды. Назовите физическую характеристику вещества, благодаря которой масло держится на поверхности воды. Запишите формулу, при помощи которой можно вычислить эту характеристику, и назовите все входящие в эту формулу обозначения.

Задача 4: Играя в кондитерский магазин, подружки взвешивали на рычажных весах две шоколадные плитки одинакового размера (без оберток). Для того чтобы уравновесить первую плитку шоколада, им понадобились одна гирька массой 40 грамм и две гирьки массами по 20 грамм каждая. Для взвешивания второй плитки им понадобились одна гирька массой 40 грамм. одна массой 20 грамм и одна массой 15 грамм. Подружки сообразили, что один шоколад был пористым, а второй - более плотным. Чему была равна масса плитки пористого шоколада? г.

2.Количественные задачи

Количественные задачи - это задачи, в которых ответ на поставленный вопрос не может быть получен без вычислений. При решении таких задач качественный анализ также необходим, но его дополняют ещё и количественным анализом с подсчётом тех или иных числовых характеристик процесса. Количественные задачи разделяют по трудности на простые и сложные. Под простыми задачами понимают задачи, требующие несложного анализа и простых вычислений, обычно в одно - два действия. Решение таких задач (в небольшом количестве) необходимо для конкретизации только что изученной закономерности. Наиболее лёгкие из них могут быть решены устно.

Для решения количественных задач могут быть применены разные способы: арифметический, алгебраический, геометрический, графический.

При арифметическом способе решения задачи применяют арифметические действия и расчёты примерно так же, как в решении задач по арифметике. До перехода школ на новые программы арифметический способ решения задач был основным в 7 классе, а иногда и в 8-м. Это обусловлено тем, что изучение алгебры раньше начинали только во втором полугодии 7 -го класса. С переходом школ на новые программы решение этого вопроса изменилось. Новая программа по математике уже во 2 классе предусматривает введение буквенных обозначений, а в 5 классе - понятия об уравнениях первой степени. Это создаёт благоприятные условия для применения алгебраического способа решения, а самом начале изучения физики - в 7 классе.

Алгебраический способ решения задач заключается в том, что задачу решают с помощью формул и уравнений.

При геометрическом способе решения задач используют теоремы геометрии, а при графическом - графики.

Задача 1:  Определите среднюю плотность сливочного масла, если брусок такого масла размерами 6,3 см × 5,6 см × 3,1 см имеет массу 100 г. Ответ выразите в г/см3 и округлите до сотых долей.

Задача 2:  Ваня «краем уха» слушал новости и узнал, что в связи с ожидающимися сильными морозами на Новосибирскую ТЭЦ нужно срочно доставить 4500 тонн угля. Ему стало интересно, какое минимальное число железнодорожных вагонов потребуется для этого. В интернете написано, что внутренний объём вагона 75 м3, а насыпная плотность каменного угля 800 кг/м3. Пользуясь этими сведениями, Ваня предположил, что уголь засыпается во все вагоны до уровня бортов, и сделал правильный расчёт. Что у него получилось?

Задача 3:  Петя посмотрел на этикетку, наклеенную на бутылку с подсолнечным маслом, и ему стало интересно, каково значение плотности этого масла. Найдите плотность масла, пользуясь данными с этикетки.

3. Экспериментальные задачи

Экспериментальной задачей называется такая задача, данные для решения которой, получаются экспериментально, непосредственно на глазах учащихся или самими учащимися. Решение таких задач положительно влияет на качество преподавания физики. К основным их достоинствам можно отнести следующее:

•        Экспериментальные задачи способствуют повышению активности учащихся на уроках, развитию логического мышления, учат анализировать явления, заставляют ученика думать. Решение экспериментальных задач воспитывает у учащихся стремление активно, собственными силами добывать знания, стремление к активному познанию мира.

•        Разбирая экспериментальные задачи,  ученики убеждаются на конкретных примерах, что их знания вполне применимы к решению практических вопросов, что с помощью их школьных знаний можно предвидеть физические явления. Таким образом, их книжные знания приобретают реальный смысл.

•        При решении почти каждой экспериментальной задачи ученики убеждаются, что эксперимент  играет огромное  значение в познании окружающих явлений.

•        Самостоятельное решение  учениками экспериментальных задач способствует приобретению исследовательских навыков, развитию творческих способностей.

•        Учащиеся на практике убеждаются, что результаты измерений всегда приближённые, и что на их точность влияют различные причины, поэтому производя измерения нужно устранять все побочные влияния.

         Используемое при постановке опытов оборудование должно быть учащимся известно, а установка опыта простой. При решении любой экспериментальной задачи целесообразно выделить четыре этапа деятельности:

1.        анализ текста и физического явления задачи;

2.         план решения;

3.         решение;

4.         анализ решения.

Экспериментальные задачи бывают двух классификаций:  качественные и количественные.

 К качественным экспериментальным задачам следует отнести задачи, поставленные на конкретной физической установке, на конкретном вещественном материале и не требующие для решения количественных данных и  математического расчёта. Это могут быть задачи- вопросы, которые есть в учебниках или задачниках. Вопросы к задаче могут быть поставлены иначе. Приготовив установку можно спросить у  учащихся, что произойдёт в результате наших действий.   В другом случае им предлагается не предвидеть событие, а показать его.  В этом случае мы не спрашиваем что будет, а спрашиваем, как это сделать?

      При обучении школьников решению качественных экспериментальных задач следует договориться о «правилах игры». Это необходимо потому, что ученик часто отвечает не на вопрос учителя, а на «свой вопрос», связанный с той частью опыта,  которая  произвела на него самое большое впечатление. (Можно вспомнить, замечают ли учащиеся образование тумана в толстостенном сосуде, из которой с шумом вылетела пробка?) Чтобы избежать таких досадных недоразумений, нужно договориться, что каждый ответ будет начинаться со слова «Наблюдаю» и  описания увиденного. Когда описание увиденного окончено, надо     произнести другое ключевое слово: «Объясняю». Закончить ответ нужно словами «Делаю вывод» и формулировка вывода.

Качественные задачи способствуют развитию критического мышления учащихся, развивают умение решать задачи, предъявленные в необычной форме. Особенность таких задач состоит в том, что они связаны с жизнью. Самостоятельно найденный ответ-маленькая победа в познании сложного мира природы, придающая уверенность в своих возможностях, создающая положительные эмоции, устраняющая неосознанное сопротивление процессу обучения.

Ну и конечно, нельзя не отметить, что физика - «необычный» предмет в том смысле, что ученики не только должны изучать, понимать фактический материал, но и посвящать часть занятий экспериментам.

К количественным экспериментальным задачам следует отнести задачи, поставленные на конкретной физической установке, на конкретном вещественном материале,  требующие  решения количественных данных и  математического расчёта. Это могут быть задачи составленные в ходе эксперимента учеником и учителем. Для решения таких задач приглашаем двух учеников, один проводит эксперимент, другой на доске записывает данные и оформляет задачу, решает её. В конце оба ученика делают выводы и результаты своей деятельности.

Часто при проведении опыта учителя описывают свои действия. Как правило, это          описание излишне подробное,  дети сами видят, что вы берете в руки. Также многословие учителя      при показе опытов отвлекает учащихся от наблюдений, рассеивает их        внимание, утомляет. Поэтому многие учащиеся просто не слышат вопроса, который        следует после монолога учителя.

   Чтобы активизировать внимание учащихся, можно предложить и такой прием. Если для проведения опыта нужна специальная установка и она заранее собирается учителем, тогда  учащиеся называют ее основные части. Только после этого формулируется вопрос, ответ на который должны дать учащиеся.

Экспериментальные задачи могут быть использованы в любой части урока. Такая задача может стать темой данного урока.  В этом случае необходимо, чтобы вопрос вызывал некоторое удивление и желание решить его. Таким средством стимула к восприятию является постановка проблемы, а  значит, нужна подходящая экспериментальная задача.   Применять задачу можно для проверки степени понимания учениками изучаемого на уроке материала, для его закрепления. Задача в этом случае способствует углублению и уточнению нового материала. Использование экспериментальных задач при опросе даёт нам возможность выяснить, насколько правильно  и глубоко усвоен пройденный материал. Экспериментальные задачи могут быть предложены учащимся в качестве домашнего задания. Задания должны быть такими,  чтобы для домашних опытов  ученики нашли нужные приборы и предметы.

Задача 1: Определение плотности мыла

Оборудование:  линейка, кусок мыла прямоугольной формы, весы (рычажные или электронные)

Указания:

1 Определите объём тела.

2 Определите массу тела с помощью весов.

3 Рассчитайте плотность данного тела.

Задача 2: Определение плотности кусочка мела

Оборудование:  линейка, кусок мела прямоугольной формы, весы (рычажные или электронные)

Указания:

1 Определите объём тела.

2 Определите массу тела с помощью весов.

3 Рассчитайте плотность данного тела.

 Задача 3: Определение плотности вещества металлического цилиндра

Оборудование: набор цилиндров,  мензурка с водой, нитки, весы (рычажные или электронные)

1 Определите объём тела.

2 Определите массу тела.

3 Рассчитайте плотность данного тела.

4. Определите из какого вещества сделано тело

5 Повторите для остальных тел

4. Исследовательские задачи

Склонность к исследованиям свойственна всем детям. Неутомимая жажда новых впечатлений, любознательность, постоянное стремление экспериментировать – это индикаторы детской одаренности.

Под исследовательской деятельностью понимается деятельность учащихся, связанная с решением учащимися творческой, исследовательской задачи с заранее неизвестным решением (в отличие от практикума, служащего для иллюстрации тех или иных законов природы) и предполагающая наличие основных этапов, характерных для исследования в научной сфере, нормированную исходя из принятых в науке традиций: постановку проблемы, изучение теории, посвященной данной проблематике, подбор методик исследования и практическое овладение ими, сбор собственного материала, его анализ и обобщение, собственные выводы. Любое исследование имеет подобную структуру. Такая цепочка является неотъемлемой принадлежностью исследовательской деятельности, нормой ее проведения.

Систематическая и целенаправленная работа по формированию исследовательских умений учащихся дает возможность приобщить их к научному поиску, научить излагать свои мысли на бумаге, вести публичную дискуссию, отстаивать собственные выводы. А значит сделать обучение более эффективным и отвечающим современным требованиям.

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.  Интерес проявляется тогда, когда задача затрагивает реальный мир, жизненные ситуации, встречающиеся каждому человеку.

Задачи привития интереса учащихся к физике расширение и углубление их  знаний и преставлений  о связи  физики с жизнью в учебно-исследовательской работе могут решаться по-разному. При большом разнообразии работы, деятельность учащихся чаще всего строится либо на теоретической основе - подготовка докладов, составление рефератов, решение задач, либо практическое изготовление моделей, приборов, наглядных пособий или учебно-исследовательской работы.

Разумеется, определение этих заданий как исследовательских, имеет несколько условный характер, так как возможность школьного кабинета физики и уровень подготовленности учащихся даже в старших классах делают задачу проведения физических исследований не выполнимой. Поэтому к исследовательским, творческим следует отнести те задания, в которых ученик может открыть новые, неизвестные  для него закономерности или для решения которых, он должен сделать какие-то изобретения. Такое самостоятельное открытие известного  в физике закона или изобретение способа измерения физической величины не является простым повторением известного. Это открытие или изобретение, обладающее лишь субъективной новизной, для ученика является объективным доказательством его способности к самостоятельному творчеству, позволяет приобрести необходимую уверенность в своих силах и способностях.

Не прожитое деятельностно знание мертво и бесполезно. Важнейшим побудителем любой деятельности является интерес. Для того чтобы он возник, ничего нельзя давать учащимся в «готовом виде»: все (или почти все) знания и умения учащиеся должны добывать в процессе их личного труда – индивидуального или в малых группах.

Физика – наука экспериментальная. В основе её лежат наблюдения и опыты, и организация исследовательской деятельности учащихся при изучении физики – необходимый фактор, позволяющий повысить интерес  к физической науке, сделать её увлекательной, занимательной и полезной и осознать, что  физика – это не страшно, физика – это интересно.

Для успешной исследовательской деятельности необходимо выработать у учащихся элементарные навыки этой работы и пробудить интерес к исследовательской работе.

Оглянувших вокруг, можно найти много вопросов, требующих исследований.

                 Например:                              

• Почему пищит комар?
• Почему овощи и фрукты быстрее высыхают в вакууме?
• В чём причина полярных сияний?
• Через какое время после того, как в цепи пошёл ток, лампочка начинает светиться?

Поиск ответов на такие вопросы заставит учащихся обратиться к дополнительной литературе, учебнику. Что ж, этого нам и надо, ведь и физики – профессионалы пользуются чужими результатами и редко начинают работу на пустом месте.

 Исследовательская деятельность учащихся многогранна и организую её на любом этапе обучения физике:

• При изучении физической теории;
• При решении задач;
• При проведении демонстрационного эксперимента;
• При выполнении лабораторных работ.
• А также провожу:
• Исследования в рассказах;
• Исследования практических вопросов;
• Исследования с помощью самодельных приборов;
• Исследования дома и на улице;
• Проектную исследовательскую деятельность учащихся.

Моя задача – помочь ученику найти себя, сделать первое и самое важное открытие – открыть свои способности, а может быть, и талант.

В частности, я на уроках физики ребятам предлагаю изобретательские, исследовательские задачи, задачи-открытия, задачи с недостатком и избытком данных. Предлагаю ребятам творческие задания, такие как: 1) определение закономерностей по предложенным фактам; 2) исправление ошибок; 3) сравнение; 4) установление причин явлений; 5) составление плана изучения или исследование системы; 6) решение противоречий и др.

 Работа над учебно-исследовательскими проектами очень популярна в последнее время как один из способов развивающего обучения. На начальном этапе предлагаю разработать учебный демонстрационный опыт. Учащийся в этом случае занимается не только несколькими видами деятельности по учебному предмету (поиск информации, выбор темы, постановка физического эксперимента, анализ физического явления), но и закрепляет умения и навыки, полученные на уроках черчения, технологии, информатики и информационных технологий (создание компьютерной презентации, преобразование фото- и видеоматериала). Отрабатываются и развиваются общие учебные навыки – умение работать с информацией, умение правильно выстроить презентацию и свой устный рассказ, умение свести, в конечном итоге, результаты своих действий в логически законченную работу.

Каждое выступление учащихся на уроке вызывает неподдельный интерес, внимание и часто восторг по поводу увиденного, плюс к этому сразу же следует информация – почему так происходит, в чём секрет эксперимента. Я не ограничиваю учащихся в выборе темы, довольно часто опыты, показанные на уроке, опережают её изучение, но ученики и в этом случае правильно и достаточно понятно объясняют суть явления. Все видеоролики, снятые учащимися для своего проекта, поступают в коллекцию видеоматериалов кабинета и используются на уроках. Для правильного выполнения задания необходимо очень точно сформулировать единые требования к содержанию и порядку изложения и добиваться их выполнения.

Задача 1: Объясните, почему в лава-лампе, изготовленной в домашних условиях, не смешивается водный раствор уксуса и растительное масло

Оборудование: сосуд цилиндрической формы, растительное масло (200-250 мл), сода (1 ч.л.), уксус (10-20 мл), вода, краситель

Задача 2: Башня плотности

Оборудование: Стакан, вода, краска или пищевой краситель, жидкий мёд, растительное масло, разные мелкие предметы (мы использовали крышку от пластиковой бутылки, канцелярские скрепки, небольшой шарик из фольги, монетку)

Задача 3: Плавающие яйца в соленой воде

Оборудование: яйцо, 2 стакана, вода, соль