Демонстрационный эксперимент в современной средней школе

Демонстрационный эксперимент в современной средней школе

Введение

эксперимент познавательный урок физика

В период научно-технической революции, когда наблюдается быстрый рост научных знаний и их широкое внедрение в производство, перед школой стоит задача вооружить своих выпускников системой прочных знаний и умениями самостоятельно пополнять их и развивать свои познавательные способности.

Важнейший фактор успешного формирования прочных знаний по физике - развитие учебно-познавательного энтузиазма учащихся на уроках, которое достигается интеллектуальной и эмоциональной подготовкой школьников к восприятию нового учебного материала. Последнее предполагает широкое применение системы средств обучения в условиях комплектно оборудованного кабинета физики, позволяющего учителю с наименьшей затратой времени и усилий использовать любые средства обучения в комплексе, в системе.

Проблема стимулирования, побуждения школьников к учению не нова: она была поставлена еще в 40-50-е гг. И.А.Каировым, М.А.Даниловым, Р.Г.Лембер. В последующие годы к ней было привлечено внимание ведущих методистов- физиков нашей страны (В.Г.Разумовский, А.В.Усова, Л.С.Хижнякова и др.). Они поставили задачу формирования положительных мотивов учения в качестве одной из самых главных в обучении физике, ибо высокий уровень мотивации учебной деятельности на уроке и интереса к учебному предмету - это первый фактор, указывающий на эффективность современного урока.

В практике работы школы накоплен уже немалый опыт по активизации познавательной деятельности учащихся при обучении физике. Но нередко случается так, что описанный в литературе метод или отдельный прием не дает ожидаемых результатов. Причина в том, что: во-первых, у каждого конкретного класса свой опыт познавательной деятельности и свой уровень развития, во-вторых, меняются времена, а вместе с ними и нравы, и интересы детей. Поэтому, считается, что проблема активизации познавательной деятельности будет существовать во все времена.

Таким образом, актуальность данного исследования обусловлена перечисленными выше проблемами.

Основываясь на предположении, что работа учителя по активизации познавательной деятельности учащихся будет наиболее эффективной, а качество знаний учащихся будет выше, если при проведении уроков используются приемы и средства, активизирующие познавательную деятельность школьников и развивающие их познавательный интерес.

Цель работы заключается в разработке методики исследования приемов и средств, активизирующих познавательную деятельность школьников на уроках физики.

Объектом исследования является процесс активизации познавательной деятельности учащихся при изучении физики.

Предмет исследования составляют приемы и средства активизации познавательной деятельности, развивающие познавательный интерес школьников.

В работе поставлены задачи:

Изучить состояние исследуемой проблемы в педагогической теории и практике школьного обучения.

Выявить приемы и средства, активизирующие познавательную деятельность учащихся посредством развития их познавательного интереса.

Составление и разработка методических указаний и планов урока внеклассных занятий по физике

.Проблемы развития познавательной деятельности учащихся при изучении физики

.1 Цели и задачи активизации познавательной деятельности

Все способности человека, развиваются в процессе деятельности. Нет другого пути развития познавательных способностей учащихся, кроме организации их активной познавательной деятельности. Умелое применение приемов и методов, обеспечивающих высокую активность в учебном познании, является средством развития познавательных способностей обучаемых.

Развитие познавательных творческих способностей учащихся - цель деятельности учителя, а применение различных приемов активизации является средством достижения цели. Понимание этого важно для работы учителя. Заботясь о развитии учащихся, необходимо чаще использовать активные методы обучения. Но одновременно необходимо отдавать себе отчет в том, что являются ли используемые приемы и методы оптимальными, отвечающими имеющемуся развитию учащихся и задаче дальнейшего совершенствования их познавательных умений.

Применяя те или иные методы и приемы активизации, необходимо всегда учитывать имеющийся уровень развития познавательных способностей учащихся. Сложные познавательные задачи можно предъявлять лишь ученикам, обладающим высоким уровнем развития познавательных способностей. Задачи, не соотнесенные с уровнем развития познавательных сил учащегося, превышающие возможности ученика, предъявляющие к нему требования, значительно опережающие уровень имеющегося у него развития, не могут сыграть положительную роль в обучении. Они подрывают у ученика веру в свои силы и способности.

Система работы учителя по активизации учебной деятельности школьников должна строиться с учетом планомерного постепенного и целенаправленного достижения желаемой цели - развитие познавательных творческих способностей учащихся.

Любая деятельность человека (не только познавательная) складывается из отдельных действий, а сами действия можно разложить на отдельные операции.

Учащийся в процессе познавательной деятельности совершает отдельные действия: слушает объяснение учителя, читает учебник и дополнительную литературу, решает задачи, выполняет экспериментальные задания и т.д. Каждое из указанных действий можно разложить на отдельные психические процессы: ощущение, восприятие, представление, мышление, память, воображение и т.д.

Среди всех познавательных психических процессов ведущим является мышление, Действительно, мышление сопутствует всем другим познавательным процессам и часто определяет их характер и качество. Очевидна, например, связь между мышлением и памятью. Память тем полнее и лучше удерживает существенные свойства предметов и связь между ними, чем глубже они осмыслены в процессе изучения. Но мышление влияет и на все другие познавательные процессы.

Следовательно, активизировать познавательную деятельность учащихся - это значит, прежде всего, активизировать их мышление.

Кроме того, развивать познавательные способности учащихся - это, значит, формировать у них мотивов учения. Учащиеся должны не только научиться решать познавательные задачи, у них нужно развить желание решать эти задачи. Воспитание у учащихся мотивов учения в настоящее время является одной из главных задач школы.

Задача формирования у учащихся мотивов учения неразрывно связана с задачей развития мышления и является предпосылкой ее решения. Действительно, как и всякая другая деятельность, мышление вызывается потребностями. Поэтому, не воспитывая, не пробуждая познавательных потребностей у учащихся, невозможно развить и их мышление.

Итак, используемые учителем приемы и методы познавательной деятельности учащихся в обучении должны предусматривать постепенное, целенаправленное и планомерное развитие мышления учащихся и одновременное формирование у них мотивов учения.

.2 Приемы и средства активизации познавательной деятельности на уроках физики

Активизация познавательной деятельности учащихся должна начинаться с использования различных средств, обеспечивающих глубокое и полное усвоение учащимися материала, излагаемого учителем.

Следует выделить четыре аспекта этого вопроса:

организация восприятия нового материала учащимися;

использование доказательных приемов объяснения;

учет методологических требований и психологических закономерностей;

обучение работе с учебником.

При правильно построенном объяснении материала учитель не только дает учащимся знания, но и организует их познавательную деятельность.

Большое значение, например, имеет то, как учитель вводит тему урока. Тема урока не должна просто сообщаться учащимся, надо убеждаться в их логической необходимости изучения каждого следующего вопроса программы. А для этого нужно раскрывать логику развертывания темы, взаимосвязь ее отдельных вопросов и естественно подводить учащихся к необходимости изучения материала урока.

Кроме того, учитель должен попытаться вызвать у учащихся интерес к теме: привести интересные факты, связанные с историей установления закона; показать опыты, на которые учащиеся могут найти ответ в ходе объяснения и т.д. Важно лишь при этом не затратить много времени и не отвлечь внимания учащихся от предстоящего объяснения. Перед объяснением учитель должен не только назвать и записать тему урока, привлечь к ней внимание учащихся, но и указать им те (познавательные) задачи, которые на данном уроке будут решаться.

Рассмотрим приемы объяснения материала на уроках физики.

К методам устного монологического изложения материала учителем относятся рассказ и объяснение. Характер физики как науки, отраженный в познавательных задачах школьного курса, требует, чтобы основным методом монологического изложения материала было объяснение, т.е. строго логически обоснованное раскрытие изучаемых вопросов. Доказательное изложение познавательных задач на уроках физики обеспечивает более глубокое усвоение материала.

Учителю физики необходимо знать, что излагать материал урока доказательными приемами - это значит, его нужно выводить либо из опыта, либо теоретически, используя при этом умозаключения по индукции, дедукции и аналогии.

Дедукция представляет собой рассуждение только от общего к частному, а индукция - от частного к общему.

Применение индуктивных приемов объяснения в процессе обучения способствует развитию конкретно-образного мышления учащихся, учит их наблюдать явления и замечать в них не что общее, существенное. Применение дедуктивных приемов способствует развитию у учащихся теоретического, абстрактного мышления, учит их рассуждать.[1, с. 22]

Одним из приемов объяснения материала на уроках физики является прием аналогии. При построении умозаключения по аналогии:

анализируют изучаемый объект;

обнаруживают его сходство с ранее изученным или хорошо известным объектом;

переносят известные свойства ранее изученного объекта на изучаемый объект.

В связи с этим мы рассмотрим место индуктивных и дедуктивных приемов при изучении различного физического материала: теорий, законов, понятий с учетом психологических закономерностей усвоения знаний учащимися.

а) Изучение физических теорий.

Физические теории строятся либо по методу принципов, либо по методу модельных гипотез. К числу теорий, построенных по методу принципов относятся классическая механика, термодинамика, специальная и общая теории относительности. Молекулярно-статистическая теория, электронная теория, теория атома строятся по методу модельных гипотез.

б) Изучение физических законов.

Физические законы очень различны по уровню содержащихся в них обобщений. Одни физические законы (закон сохранения и превращения энергии, закон сохранения заряда и др.) представляют собой весьма широкие обобщения. Другие представляют собой весьма частные утверждения: закон сообщающихся сосудов, законы плавания тел (условия плавания), закон (условие) равновесия рычага, условие равновесия тела на наклонной плоскости и т.д. Есть законы, истинность которых доказывается опытом и только опытом. Теоретического объяснения они не имеют. К числу их относятся закон Кулона. Другие законы, открытые опытным путем, ныне имеют теоретическое объяснение и могут быть выведены на основе теории (закон Паскаля, Архимеда, газовые законы и т.д.). [2, с. 20]

в) Изучение физических понятий.

Понятия являются языком науки. Они должны быть обязательно усвоены учащимися. Не овладев понятием, нельзя осмыслить любое научное утверждение (законы, закономерности, положения теории и т.п.).

Обеспечение глубокого понимания учащимися изучаемого материала является лишь первой ступенью активизации их познавательной деятельности и тем условием, на фоне которого могут использоваться приемы и методы, требующие от учащихся большей самостоятельности.

Рассмотрим приемы и методы работы, рассчитанные на развитие логического мышления учащихся.

Метод эвристической беседы.

Для развития логического мышления учащимся в процессе обучения необходимо предоставлять возможность самостоятельно проводить анализ, синтез, обобщения, сравнения, строить индуктивные и дедуктивные умозаключения и т.д. Такая возможность предоставлять учащимся при ведении урока методом беседы.

Однако следует отметить, что не всякая беседа активизирует познавательную деятельность учащихся, способствует развитию их мышления. Иногда учитель задает учащимся вопросы на воспроизведение ранее усвоенных знаний. Например, перед введением понятия центростремительного ускорения учитель ставит перед учащимися ряд вопросов для воспроизведения того материала, на который будет опираться объяснение: что такое ускорение? Что характеризует ускорение? В каких единицах измеряется ускорение? Что можно сказать об ускорении равнопеременного движения? И т.д. Такая вводная беседа необходима, она подготавливает базу для усвоения нового материала. Но все вопросы ее обращены лишь к памяти учащегося и требует воспроизведение уже известных знаний. Она проводится на низком уровне познавательной деятельности учащихся. Их активность (поднятие руки, желание ответить) носит внешний характер и не характеризует напряженной умственной деятельности. Надо отметить, что, к сожалению, в практике преподавания вопросы, требующие от учащихся воспроизводящей деятельности, часто преобладают.

Активизация познавательной деятельности, таким образом, определяется не самим методом беседы, а характером задаваемых вопросов. Беседа активизирует познавательную деятельность, если вопросы рассчитаны на мышление учащихся, их аналитико-синтетическую деятельность, если они направлены на получение индуктивного или дедуктивного вывода. Назовем такую беседу эвристической, так как она подводит учащихся к новому знанию.

При индуктивном введении нового материала учитель ставит вопросы, направленные на то, чтобы учащиеся самостоятельно в ходе анализа выделили общие черты наблюдаемых объектов и пришли к обобщению.

При дедуктивном выводе нового знания или при теоретическом пояснении экспериментально установленного факта учитель, обрисовав существенные черты рассматриваемой модели, включает учащихся в мысленный эксперимент и предлагает им предсказать те изменения, которые будут наблюдаться в ходе его. Например, при объяснении опыта Штерна учитель описывает и зарисовывает на доске схему установки, подчеркивая при этом, что испускаемые накаливаемой нитью атомы серебра оставляют след на внешнем цилиндре напротив прорези во внутреннем цилиндре. Далее учитель предлагает учащимся включиться в мысленный эксперимент. Предположим, что скорости всех атомов серебра одинаковы при данной температуре нити. Какой вид будет иметь след от атомов серебра, испускаемых нитью, и где он расположиться, если прибор вращать с постоянной угловой скоростью? О чем свидетельствует размытый след? Куда попадут более быстрые атомы серебра? Куда попадут медленно движущиеся атомы? Как можно определить скорость каждой группы атомов из результатов данного опыта.

Развитие мышления учащихся в ходе эвристической беседы зависит от искусства учителя задавать вопросы. Вопросы могут быть очень детальными. Ответы на такие вопросы не требуют от учащихся пытливости мысли, серьезной и вдумчивой работы ума.

В практике обучения эвристическая беседа, кроме вопросов, рассчитанных на мыслительную деятельность логического уровня, может включать (и часто включает) вопросы и задания, требующие от учащихся высказываний интуитивного характера (догадки, выдвижения возможных предположений и т.д.). Эти частично-поисковые задания придают эвристической беседе совершенно иной, исследовательский характер. По уровню своего воспитательного воздействия эвристическая беседа с элементами исследования приближается к проблемной беседе.[3, с 34]

Задания на сравнение и систематизацию материала.

Большое влияние на умственное развитие учащихся оказывают задания, требующие сравнения, систематизации и обобщения уже изученного материала. Например, в таблице 1.1 представлены результаты сравнения гравитационных и электростатических сил.

Таблица 1.1 Сравнения гравитационных и электростатических сил

В электродинамике изучаются различные частные примеры электромагнитного поля: электростатическое, стационарное электрическое, вихревое электрическое и магнитное. Можно сопоставлять их свойства, находить в них общее и отличное. Сопоставлению поддаются магнитные свойства вещества (ферромагнетики, пара- и диамагнетики), свойства полей и вещества, ход лучей в линзах и зеркалах и т.д. В школьном курсе можно найти множество примеров для соответствующих заданий учащимся. При логико-поисковой работе учащихся значительная часть материала изучается ими на основе активной познавательной деятельности.

Организовать творческую поисковую деятельность учащихся можно не только на этапе применения знаний, но и при изучении нового материала.

При проблемном обучении познавательную деятельность учащихся стремятся организовать по логике развертывания познавательного творческого процесса, а именно:

Создают проблемную ситуацию, анализируют ее и в ходе анализа подводят учащихся к необходимости изучения определенной проблемы.

Включают учащихся в активный поиск решения проблемы на основе имеющихся знаний и мобилизации познавательных способностей. В отдельных случаях можно организовать предварительное изучение тех знаний, которые могут помочь учащимся решить проблему. Выдвигаемые в ходе поиска гипотезы и догадки должны подвергаться анализу, с тем, чтобы найти наиболее рациональное решение.

Предлагаемое решение проблемы проверяется иногда теоретически, чаще экспериментально. Проблема решается, и на основе этого решения делается вывод, который несет в себе новое знание об изучаемом объекте. В процессе решения проблемы выясняется необходимость исследования других сторон изучаемого объекта. В результате учащиеся добывают некоторую систему знаний.[4, с. 57]

В настоящее время многие считают, что проблемное обучение начинается с постановки учебной проблемы. Именно это исходное утверждение мешает выявлению различий между проблемным и традиционным обучением, ибо и в традиционном обучении всегда выдвигаются (должны выдвигаться) познавательные задачи урока, которые можно рассматривать как проблемы для предстоящего изучения.

В соответствии с основными закономерностями творческой познавательной деятельности, которые являются теоретической основой проблемного обучения, проблемное обучение должно начинаться с организации проблемных ситуаций, а не с формулировки учебных проблем.

Исследования показывают, что на уроках физики можно для создания проблемных ситуаций использовать три типа противоречий:

Противоречия между жизненным опытом учащихся и научными знаниями;

Противоречия процесса познания. Иначе говоря, противоречия между ранее полученными учениками знаниями и новыми. Это противоречие возникает в силу того, что на любом этапе обучения раскрытие свойств объекта не является исчерпывающим и на следующем этапе возникает возможность в яркой, противоречивой форме вскрыть несоответствие новых и имеющихся знаний;

Противоречия самой объективной реальности. Самым известным видом последнего противоречия являются квантовые и волновые свойства фотонов и других элементарных частиц.

Проблемные ситуации возникают в ходе познавательной деятельности человека. Поэтому для введения в проблемную ситуацию нельзя (недостаточно) просто указать учащимся на противоречие. Необходимо организовать их деятельность так, чтобы они сами натолкнулись на некоторое несоответствие познаваемого с имеющимися у них системой знаний. Деятельность эта может быть различной. Например, решение задачи, дающей парадоксальный ответ, расчет, не подтверждающийся экспериментом, беседа, в ходе которой (чаще всего на основе анализа опытов) учитель умело подводит учащихся к осознанию некоторого противоречия. [5, с 12]

Важно не только то, что говорит учитель, но и как он это говорит. Учитель всем своим видом и поведением должен показывать крайнюю заинтересованность в изучаемом явлении, в наблюдении опытов, их анализе; вместе с учащимися удивляться полученному несоответствию, показывать свою “озадаченность”, побуждать их к раскрытию “тайны” природы. Без такого эмоционального отношения учителя к изучаемому вопросу проблемное обучение может не состояться.

Чтобы не ограничиваться отдельными примерами, а выявить возможности курса физики для развития интуиции учащихся, проанализируем место интуитивных моментов в научных физических исследованиях.

В экспериментальных исследованиях по физике интуиция ученого проявляется, прежде всего, в предугадывании конечного результата эксперимента. Исследователь заранее предвидит или смутно угадывает результат эксперимента.

Немало интуиции проявляет исследователь и при анализе результатов эксперимента. Умение понять сущность наблюдаемого, увидеть новое, ранее неизвестное явление - это качество, присущее талантливому исследователю.

В теоретических исследованиях (если исключить из анализа создание самой теории) кульминационный момент творчества состоит либо в предсказании новых следствий теории, либо определении тех явлений и фактов, которые могут быть подведены под данную теорию, т.е. объяснены ею.

При изучении материала на основе теории, учащимся полезно ставить задания на предсказание новых следствий, а также на поиск принципа объяснения изучаемых явлений. Нахождение принципа объяснения того или иного явления часто составляет сущность (и основную трудность) решения качественных задач, а поиск ответа на вопрос “как?” составляет основную ценность творческих заданий.

Успеха можно добиться лишь в том случае, если работу по развитию познавательных способностей учащихся проводить систематически.

. Демонстрационный эксперимент в современной средней школе

.1 Место демонстрационного эксперимента в системе методов обучения физике

Демонстрационный эксперимент как метод обучения появился практически одновременно с началом преподавания систематического курса физики. Объясняется это не только стремлением преподавателей подчеркнуть экспериментальный характер науки физики и не только желанием ознакомить учащихся с методами исследований, применяемых в познании физических явлений и закономерностей, но главным образом потому, что трудно объяснить многие явления природы, пользуясь лишь словесными описаниями. Вот почему уже первый учебник физики на русском языке знакомил учащихся с наукой о природе через систему физических опытов.

В предисловии к этому учебнику М. В. Ломоносов писал: "Мысленные рассуждения произведены бывают из надежных и много раз повторенных опытов. Для этого начинающим учиться физике наперед предлагаются ныне обыкновенно нужнейшие физические опыты, купно с рассуждениями, которые из оных непосредственно и почти очевидно следуют" [6; с. 5].

Естественно, что основное внимание при разработке демонстрационных опытов на первом этапе становления демонстрационного эксперимента было сосредоточено на поиске способов показа. В ход шли и приборы, применявшиеся для научных исследований, и любые доступные материалы. Вот как описывает М. В. Ломоносов один из опытов: "Когда бараний моченый пузырь, оставив несколько в его морщинах воздуху, крепко завяжешь и под стеклянным колоколом... на крючке подвесив, около его находящийся воздух воздушным насосом вытянешь, тогда пузырь помалу надуется, так что ни одной морщины на нем не останется. Когда поршень вытянешь один раз, тогда много воздуха убудет, но потом следующими его движениями - чем далее, тем меньше. А понеже явно есть, что пузырь растягивается воздухом, в нем оставленным, для того следует, что воздух имеет силу, чем он во все стороны раздается, которая упругостью называется". Этот опыт, разумеется, с объяснением на современном научном уровне, и сегодня ставится в школьном физическом кабинете под названием "Раздувание резиновой камеры под колоколом воздушного насоса".

Изменилась материальная основа этого демонстрационного опыта, изменилась глубина проникновения в сущность демонстрируемого явления, но неизменной осталась педагогическая значимость опыта, определяемая задачей формирования представлений о свойствах газов.

М. В. Ломоносову для преподавания курса физики приходилось брать приборы в научных лабораториях и заниматься изготовлением недостающих. И в последующие годы внимание учителей физики было сосредоточено на создании материальной базы преподавания этого предмета. Накапливающийся опыт обучения физике с применением демонстрационного эксперимента все в большей мере убеждал в значимости этого метода преподавания.

Уже в конце прошлого столетия преподавание без использования учебного эксперимента получило название "меловая физика".советский период развития методики преподавания физики в государственном масштабе ведутся работы по совершенствованию материальной базы школьных физических кабинетов, а это, в свою очередь, послужило стимулом к более широкому использованию демонстрационного эксперимента в практике преподавания. Преподавание физики в массовой школе дало новые данные о месте и значении демонстрационного эксперимента, которые позволили известному советскому методисту П. А. Знаменскому сказать: "В настоящее время не может быть споров и сомнений о том, что при изучении физики в школе обязательно возможно более полное применение эксперимента. Ряд положений, воспринятых учеником, но не ставших для него даже фактами, вследствие отсутствия наблюдений и опыта, только обременяет память учащегося, но не дает понимания и не вырабатывает привычки самостоятельного и независимого суждения. Даже самый образный и красочный рассказ учителя об эксперименте не может заменить для учащегося непосредственного живого восприятия предметов и явлений" [7; 41].

В системе методов организации и осуществления учебно-познавательной деятельности учащихся, классифицируемых по источнику передачи и восприятия учебной информации, демонстрационный эксперимент относится к наглядным методам обучения.

По отношению к двум другим ведущим методам этой группы - словесным и практическим, демонстрационный эксперимент занимает особое место: он никогда не используется как уединенный метод, но всегда в сочетании со словесным (лекция, объяснение, беседа), а также с другими средствами наглядности (рисунки, таблицы, экранные пособия).

Как вспомогательное средство демонстрационный эксперимент применяется в практических методах обучения.

Необходимость сочетания слова учителя с показом физических явлений и закономерностей объясняется тем, что в демонстрационном эксперименте даже показ одного из явлений природы всегда сопровождается обилием чувственно воспринимаемых деталей. Главное и второстепенное, существенное и случайное, объект наблюдения и вспомогательные детали предстают перед учеником одновременно. Требуется направляющее слово учителя, которое концентрирует внимание на главном, существенном в объекте наблюдения. Слово учителя не только руководит зрительным восприятием, но и помогает учащимся делать выводы, формулировать заключения. Наконец, слово учителя кодирует зрительные образы в понятия.

Неразрывная связь словесных и наглядных методов в преподавании физики нередко порождает споры о месте демонстрационного эксперимента в изложении изучаемого материала.

Одни считают, что демонстрацией опытов можно лишь "иллюстрировать" учебный материал, изложенный словесно, на теоретическом уровне, а потому исходным началом в обучении должны быть общие положения, аксиомы, системы понятий, и лишь после усвоения теоретического закона должна использоваться наглядность для иллюстрации его применения.

Другие полагают, что логическим стержнем формирования прочных знаний должно быть четкое усвоение учащимися цепочки связанных звеньев: факты→модель→вследствие→эксперимент [8, с. 14]. Здесь демонстрация физических опытов начинает и завершает изложение учебного материала.

Следует признать, что не всегда характер содержания программного материала и оборудование физического кабинета дают учителю возможность выбора: изложить ли изучаемый материал сначала словесно, а затем проиллюстрировать сказанное опытами или же, опираясь на данные, полученные в ходе эксперимента, прийти к теоретическим обобщениям, а затем экспериментом проверить истинность теоретических следствий.

Но если имеются равные возможности и для того и для другого пути сообщения знаний?

Отвечая на этот вопрос, следует помнить, что сообщение учащимся знаний является важной, но не единственной задачей школы. Выбор методов обучения, характер изложения учебного материала и само содержание этого материала направлены на обучение, воспитание и развитие подрастающего поколения. Поэтому два возможных способа использования демонстрационного эксперимента в процессе изучения физики - эксперимент как иллюстрация к изложенным теоретическим положениям и эксперимент как источник фактов, основа для выводов и обобщений оказываются неравнозначными с точки зрения задачи формирования мировоззрения учащихся.

В первом случае мы сообщаем ученикам о существовании "великой идеи", теоретического закона, которые можно применить для объяснения явлений природы. При этом у учеников складывается мнение, что законы природы выдумывают ученые, что, конечно совершенно неверно.

Второй путь от явления к сущности, от того, что можно наблюдать в окружающей природе и в демонстрационном эксперименте, к теоретическим обобщениям, а затем к практике, где, опять-таки, учебный эксперимент позволяет своими глазами убедиться в правомерности и теоретических обобщений, и всех следствий, которые из этой теории вытекают. Этот путь характерен для материалистического понимания процесса познания и потому предпочтительнее для формирования марксистско-ленинского материалистического мировоззрения.

.2 Особенности демонстрационного эксперимента

Демонстрационный эксперимент как метод обучения принадлежит к иллюстративным методам. Главное действующее лицо в демонстрационном эксперименте - учитель, который не только организует учебную работу, но и проводит демонстрацию опытов. Демонстрационный эксперимент имеет существенный недостаток - ученики не работают с приборами (хотя некоторые из них могут вовлекаться в подготовку демонстраций).

Схема 2.1. Структура демонстрационного эксперимента

Перечень обязательных демонстраций из каждой темы школьного курса физики есть в программе. В него входят, в первую очереди опыты, которые составляют экспериментальную базу современной физики, их называют фундаментальными, это, в первую очередь, исследования Галилея, Кавендиша, Штерна, Кулона, Эрстеда, Фарадея, Герца, Столетова и др. Некоторые из них могут быть воспроизведены в школьных условиях с достаточной достоверностью, другие же требуют сложного и дорогого оборудования (опыты Лебедева, Милликена, Резерфорда), а поэтому могут быть показаны лишь средствами кино, телевидения, или промоделируемы с помощью компьютерной техники.

Постановка этих опытов должна быть максимально четкой, а об яснение - продуманным и отображать не только физическую суть эксперимента, но и его место в системе физической науки.[9, c. 154 ]

С педагогической точки зрения демонстрация опытов является необходимой при решении ряда специфических задач, а именно:

Для иллюстрации объяснений учителя. Практика свидетельствует, что эффективность усвоения учебного материала значительно повышается, если объяснение учителя сопровождается демонстрацией опытов. Ведь в ходе демонстрации учитель имеет возможность руководить познавательной деятельностью учеников, акцентировать внимание на обстоятельствах наиболее важных для понимания сути учебного материала. Демонстраций такого типа более всего в обязательном минимуме, предусмотренном программой.

Для иллюстрации применения выученных физических явлений и теорий в технике, технологиях и быту. Демонстрация таких опытов является необходимой не только для иллюстрации связей физики с техникой, но и для подготовки учеников к жизни в условиях современного технизированного общества.

Для возбуждение и активизации познавательного интереса к физическим явлениям и теориям. Эффективный демонстрационный эксперимент может быть своеобразным толчком к активной познавательной деятельности учеников, особенно, если он носит проблемный характер. (Например, демонстрация плавания стальной иглы на поверхности воды создает проблемную ситуацию, которая может быть положена в основу изучения свойств поверхностного слоя жидкости).

Для проверки предположений, выдвинутых учениками в ходе обсуждения учебных проблем.

.3 Методика и техника демонстрационного физического эксперимента

Поскольку современная методика физики предлагает большое количество демонстраций из каждой темы школьного курса физики, перед учителем всегда возникает проблема отбора опытов при подготовке к каждому конкретному уроку. При наличии нескольких вариантов опытов следует отобрать те, которые:

Наиболее полно отвечают теме и дидактическим целям урока;

эффективно вписываются в логическую структуру урока;

наиболее выразительно иллюстрируют явление или физическую теорию;

могут быть воспроизведенные на самом простом оборудовании (но без потери эффективности).[10, c. 304]

Другие методические требования к организации демонстрационного эксперимента такие:

Учеников необходимо готовить к восприятию опытов. Идея опыта, его ход и полученные результаты должны быть понятными ученикам. С этой целью учитель должен объяснить схему установки, все ее составляющие, обратить внимание на измерительные приборы, или на те элементы, на которых оказывается наблюдаемый эффект.

При возможности опыты нужны ставить в нескольких вариантах (особенно, если это способствует более глубокому усвоению учебного материала).

Количество демонстраций на уроке не должна быть слишком большой. Демонстрационный эксперимент должен способствовать изучению учебного материала и не отвлекать от главного на уроке.

Если позволяет оборудование, демонстрационные опыты следует проводить с установлением количественных соотношений (числа должны быть предварительно подобранными и удобными для операции ими!).

Демонстрационную установку следует собирать перед учениками в процессе преподавания учебного материала. Лишь при условии использования очень сложного оборудования, установка может быть собрана предварительно (по этой причине не следует увлекаться использованием готовых стендов).

Установка должна быть максимально надежной, а техника демонстрирования отработанной.

В случае отказа установки, следует отыскать и быстро ликвидировать неисправность, а опыт повторить, достигнув позитивного результата. Если это сделать при данных обстоятельствах невозможно, необходимо объяснить ученикам причину отказа и обязательно воспроизвести демонстрацию на следующем уроке.

Техника демонстрирование должна удовлетворять двум требованиям:

метод демонстрирования должен максимально отвечать научному и давать достоверные результаты;

в процессе демонстрирования нужно достичь максимальной видимости ожидаемого и существенных составных частей установки.[11, c. 5-18]

Для обеспечение хорошей видимости нужно придерживаться таких правил:

Ни сам учитель ни его руки не должны закрывать приборы.

Отдельные приборы или их части не должны затенять друг друга. В связи с этим приборы разносят не только по горизонтали, но и по вертикали, применяя разные подставки и столики.

Рисунок 2.1 Пример расстановки приборов

Приборы нужно хорошо освещать. Для этого применяют специальные осветлители и экраны. Опыты со световыми явлениями, которые слабо наблюдаются, проводятся в темноте.

Рисунок 2.2 Освещение приборов

Если явления происходят в бесцветных телах или жидкостях, то их делают видимыми одним из методов контрастирования: подсветкой или подкрашиванием.

Рисунок 2.3 Подсветка и подкрашивание бесцветных тел

Если предмет вращается в горизонтальной плоскости, то его метят вертикальными отметками на видимой стороне, или ставят на него вешки.

Явления, которые происходят в горизонтальной плоскости, демонстрируются ученикам с помощью наклонных зеркал.

Рисунок 2.4 Демонстрация с помощью зеркал

Если ни одно из перечисленных средств не дает результата, то нужно пользоваться теневым проектированием на экран, или использовать телевизионную камеру.

Рисунок 2.5 Теневое проектирование опыта

3.Физические эффекты и явления на современной сцене

.1 Физические эффекты и явления, используемые на современной сцене

На сегодняшнее время всё больше и больше эффектом и явлений физики используются в повседневной жизни. Для нас это стало повседневностью и мы на это перестаём обращать внимание. Физика была всегда вокруг нас, а сейчас люди начали её использовать для улучшения качества работы и каких-то представлений, в том числе и на современной сцене. Стоит дать чёткое понятие ученикам, что физические явления и выполнение некоторых законов можно наблюдать не только на уроках физики и таких мест очень много. К таким местам можно отнести кинотеатры так как фильм, который мы смотрим проецируется на экран по законам геометрической оптики, представления в театрах, выступления звёзд эстрады, а также ставшие модными в последнее время лазерные и световые шоу.

На представлении в театре можно наблюдать частую смену декорации, данное явление происходит по системе сообщающихся блоков, которые управляются одним валом

Блок - простое механическое устройство, позволяющее регулировать силу, ось которого закреплена при подъеме грузов, не поднимается и не опускается. Представляет собой колесо с желобом по окружности, вращающееся вокруг своей оси. Жёлоб предназначен для каната, цепи, ремня и т. п. Ось блока помещается в обоймах, прикреплённых на балке или стене, такой блок называется неподвижным (то есть ось блока закреплена); если же к этим обоймам прикрепляется груз, и блок вместе с ними может двигаться, то такой блок называется подвижным.

Рисунок 3.1 Пример блока для смены декораций

Неподвижный блок употребляется для подъёма небольших грузов или для изменения направления силы.

Условие равновесия блока:

, где

 - прилагаемое внешнее усилие,  - масса груза,  - ускорение свободного падения,  - коэффициент сопротивления в блоке (для цепей примерно 1,05, а для верёвок - 1,1).

При отсутствии трения для подъема нужна сила, равная весу груза.

Подвижный блок имеет свободную ось и предназначен для изменения величины прилагаемых усилий. Если концы веревки, обхватывающей блок, составляют с горизонтом равные между собой углы, то действующая на груз сила относится к его весу, как радиус блока к хорде дуги, обхваченной канатом; отсюда, если веревки параллельны (то есть когда дуга, обхватываемая веревкой, равна полуокружности), то для подъёма груза потребуется сила вдвое меньше, чем вес груза, то есть:

При этом груз пройдёт расстояние, вдвое меньшее пройденного точкой приложения силы F, соответственно, выигрыш в силе подвижного блока равен 2.

Фактически, любой блок представляет собой рычаг <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D1%8B%D1%87%D0%B0%D0%B3>, в случае неподвижного блока - равноплечий, в случае подвижного - с соотношением плеч 1 к 2. Как и для всякого другого рычага, для блока справедливо правило: Во сколько раз выигрываем в усилии, во столько же раз проигрываем в расстоянии. Иными словами, работа <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%B0>, совершаемая при перемещении груза на какое-либо расстояние без использования блока, равна работе, затрачиваемой при перемещении груза на то же самое расстояние с применением блока при условии отсутствия трения. В реальном блоке всегда присутствуют некоторые потери.

Также используется система, состоящая из комбинации нескольких подвижных и неподвижных блоков. Такая система называется полиспаст. Простейшая такая система изображена на рисунке и даёт выигрыш в силе в 2 раза[12].

В отличие от шкива, блок вращается на оси свободно и обеспечивает исключительно изменение направления движения ремня или каната, не передавая усилия с оси на ремень или с ремня на ось.

Также можно отметить акустические свойства театров. Для того чтобы создать в оперном театре необходимую атмосферу, позволить звуку разливаться по всему залу, необходимо не только наличие очень сильного голоса у певца, но также и хорошее акустическое оснащение зала. Можно сказать одно, оперные театры и их строение, а именно расположение сцены и прочие детали, уходят своими корнями в самое далекое прошлое. А именно, к временам, когда греческие и вместе с ними римские амфитеатры были на высоте и пользовались особым спросом у населения.

По своему строению зал представлял собой нечто похожее на небольшую чашу. Так как многие здания, которые окружали театр, были сделаны из камня, то звук отражался от них и поэтому гармонично разливался по всему залу.

Позже, появилась новая тенденция, строить театры не открытыми, как это было, а делать их закрытыми. Данная практика возведения берет свое начало в Италии. В целом же ничего в структуре зала, как и всего строения не изменилось. Единственным изменением было то, что театр теперь был покрыт крышей. Все эти нормы выдерживались лишь с одной целью, сделать таким же качественным акустическое оснащение театра, как это было и прежде.

При соблюдении всех параметров, необходимых для того, чтобы опера звучала качественно в театре, иногда возникают спорные моменты. Случается так, что то, что для определенной части будет очень хорошо, для других частей может быть вообще неприемлемо. Главным моментом оперы является необходимость понять то, о чем поет оперный певец. Вообще в театре есть необходимость для лучшего восприятия спектакля зрителями делать расстояние между сценой и ими как можно меньше, во время же оперных выступлений это не является самым главным критерием.

Поскольку певцы оперного театра в большинстве своем всегда обладают очень сильным голосом, то слушать и наслаждаться их пением можно и сидя не на первом ряду.

Ещё стоит отметить, как говорилось ранние, то, что мы наблюдаем в кинотеатрах, а то есть проецирование фильма на большой экран.[13]

Устройство и принцип действия кинопроектора

Кинопроектор осуществляет проекцию движущегося изображения на экран при помощи последовательной проекции неподвижных кадров, отснятых на киноплёнке или отпечатанных на фильмокопии. Для этого перфорированная киноплёнка прерывисто передвигается в фильмовом канале мимо кадрового окна при помощи скачкового механизма. Стандартная частота кинопроекции звукового фильма - 24 кадра в секунду.

Рисунок 3.2 Устройство кинопроектора

Для предотвращения смазывания изображения на экране в момент передвижения плёнки в фильмовом канале применяется обтюратор, перекрывающий световой поток от осветительной системы. Все звуковые кинопроекторы оснащаются двухлопастным обтюратором, одна из лопастей которого - холостая. Она необходима для увеличения частоты мерцания изображения на экране до 48 герц, превышающей порог человеческого восприятия. В немом кинематографе стандартная частота проекции составляла 16 кадров в секунду, поэтому обтюраторы немых проекторов - трёхлопастные, с двумя холостыми лопастями

В отличие от фильмового канала, в остальных частях лентопротяжного тракта киноплёнка движется непрерывно, и для предотвращения её обрыва перед фильмовым каналом и после него киноплёнка делает петли у тянущего и задерживающего барабанов. Тянущий барабан сматывает киноплёнку с подающей бобины, после чего она попадает в фильмовый канал, где прерывисто передвигается скачковым механизмом. После фильмового канала, делая петлю, плёнка попадает на задерживающий барабан и с него - в звукочитающую систему на гладкий барабан, сглаживающий колебания скорости кинопленки. После звукочитающей системы фильм попадает на приёмную бобину, которая для равномерной намотки киноплёнки оснащена фрикционом.

Осветительно-проекционная система

Осветительно-проекционная система кинопроектора состоит из проекционного объектива, источника света и оптических элементов: конденсора, отражателя, контротражателя и теплофильтра. В качестве источника света в кинопроекторах используются лампы накаливания или ксеноновые лампы сверхвысокого давления. До распространения ксеноновых ламп в профессиональных проекторах использовалась угольная дуга интенсивного горения - вид газоразрядного источника света, при котором разряд происходит просто в воздухе между двумя угольными электродами. При этом происходит довольно быстрое обгорание электродов, и кинопроектор должен был содержать механическое устройство, регулирующее расстояние между электродами во время работы.

Рисунок 3.3 Осветительно-проекционная система

Главные задачи осветительной системы заключаются в создании максимальных светового потока <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D0%BF%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BA> и равномерности освещённости <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%89%D1%91%D0%BD%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> экрана, а также спектрального состава излучения, близкого к дневному свету. От мощности осветительной системы зависит максимальный размер экрана кинозала и яркость <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AF%D1%80%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> изображения, видимая зрителями, поэтому световой поток кинопроектора считается одной из важнейших характеристик. В зависимости от источника света применяются три основных типа осветительных систем: конденсорная <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BE%D1%80> с отражателем (с лампами накаливания), без конденсора с одним отражателем (с угольной дугой) и с эллипсоидным отражателем и сферическим контротражателем для ксеноновых ламп. В кинопроекторах с мощным источником света в осветительной системе применяется интерференционный теплофильтр, отводящий от киноплёнки значительную часть теплового инфракрасного излучения, уменьшая её нагрев. Первые кинофильмы печатались на киноплёнке с основой из нитроцеллюлозы, обладающей высокой износостойкостью. Но в то же время, такая киноплёнка была чрезвычайно горюча и даже взрывоопасна. Поэтому кинопроекторы первой половины XX века <https://ru.wikipedia.org/wiki/XX_%D0%B2%D0%B5%D0%BA> оснащались сложной противопожарной системой. Бобины с фильмом закрывались в огнеупорные противопожарные боксы, как и весь лентопротяжный тракт герметичной конструкции. Осветительная система оснащалась автоматической противопожарной заслонкой, падающей перед кадровым окном при случайной остановке или обрыве. В1940-х годах <https://ru.wikipedia.org/wiki/1940-%D0%B5_%D0%B3%D0%BE%D0%B4%D1%8B> большинство стран отказались от кинопленки из нитроцеллюлозы, заменив её триацетатной <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%86%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BB%D1%86%D0%B5%D0%BB%D0%BB%D1%8E%D0%BB%D0%BE%D0%B7%D0%B0>. Последняя обладала более низкой износоустойчивостью, но относительно безопасна в пожарной отношении. Это упростило лентопротяжный тракт кинопроекторов, но противопожарная заслонка осталась в их конструкции до последнего времени. Например, самый массовый советский кинопроектор 23КПК <https://ru.wikipedia.org/wiki/23%D0%9A%D0%9F%D0%9A>, рассчитанный на показ обычных и широкоэкранных фильмокопий, оснащался автоматической противопожарной заслонкой АЗП-4, падающей между ксеноновой лампой и обтюратором в случае останова, обрыва плёнки или отключения электроэнергии.

Мощный световой поток, направляемый осветительной системой в кадровое окно, позволяет проекционному объективу строить на экране сильно увеличенное изображение высокой яркости. Объективы, применяемые в кинопроекторах, принципиально не отличается от используемых в других типах проекционных устройств. В стационарных кинопроекторах используются сменные объективы, часто устанавливаемые в поворотной турели. Для демонстрации анаморфированных <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%BE%D1%80%D1%84%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BA%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82> фильмов применяются анаморфотные насадки, устанавливаемые перед объективом. Насадки могут быть как линзовыми, так и с использованием цилиндрических зеркал.

Однако это только одни из самых заметных явлений на сцене. Также используются световые эффекты в освещении сцены, задымление. В последнее время всё чаще используется диодная подсветка костюмов для создания или выражения определенных моментов или элементов танца, чаще всего это используется в мюзиклах и танцевальных программах. Не стоит также забывать о набравших популярность световых и лазерных шоу.

Практически любому физическому явлению можно найти применение на сцене. Поэтому на этих данных можно построить уроки внеклассных занятий по физике в виде экскурсии в театр, кинотеатр или какое-нибудь другое представление для учеников различных классов с дальнейшим их опросом. Что из увиденного может относится к физике? Почему?

.2 Создание аксессуара для сцены на основе катушки Тесла

Как уже говорилось выше любому элементу физики можно найти применение на сцене. Взяв за основу катушку Тесла, мной была поставлена задача, создать посох мага по принципе её работы. Для более эффективного образа на выступления в фестивале Хиган - 2015.

Рисунок 3.4 Маг Тауматург (Чудотворец). Final Fantasy XIV

Принцип работы катушки Тесла

Катушка Тесла представляет собой высокочастотный резонансный трансформатор без ферромагнитного сердечника, с помощью которого можно получить высокое напряжение на вторичной обмотке. Под действием высокого напряжения в воздухе происходит электрический пробой, подобно разряду молнии. Устройство изобретено Николой Теслой, и носит его имя.

Сама катушка представляет собой конструкцию из двух обмоток и тора. Вторичная обмотка цилиндрическая, наматывается на диэлектрической трубе медным обмоточным проводом, в один слой виток к витку, и имеет обычно 500-1500 витков. Оптимальное соотношение диаметра и длины обмотки равно 1:3,5 - 1:6. Для увеличения электрической и механической прочности, обмотку покрывают эпоксидным клеем или полиуретановым лаком. Обычно размеры вторичной обмотки определяют исходя из мощности источника питания, то есть высоковольтного трансформатора. Определив диаметр обмотки, из оптимального соотношения находят длину.

Рисунок 3.5 Пример электрической цепи катушки Тесла

Далее подбирают диаметр обмоточного провода, так чтобы количество витков примерно равнялось общепринятому значению. В качестве диэлектрической трубы обычно применяют канализационные пластиковые трубы, но можно изготовить и самодельную трубу, при помощи листов чертежного ватмана и эпоксидного клея. Здесь и далее речь идет о средних катушках, мощностью от 1 кВт и диаметром вторичной обмотки от 10 см.

На верхний конец трубы вторичной обмотки устанавливают полый проводящий тор, обычно выполненный из алюминиевой гофрированной трубы для отвода горячих газов. В основном диаметр трубы подбирают равным диаметру вторичной обмотки. Диаметр тора обычно составляет 0,5-0,9 от длины вторичной обмотки. Тор имеет электрическую емкость, которая определяется его геометрическими размерами, и выступает в роли конденсатора.

Проанализировав выше приведённые данные, я проделал следующие этапы в создании катушки:

Выбрал источник питания, так как полученный результат должен помещаться в трубу из ПВХ диаметром 55мм, выбор пал на две батарейки кроны по 9 вольт

Изготовил разрядник, которым послужили 2 болта вкрученных на расстоянии

Выбор конденсаторов и резисторов для катушки: гасящие резисторы на 10Мом для каждого конденсатора 0.33μF(всего 3 шт.)

Создание вторичной катушки, для неё была взята медная проволока толщиной 0,1 мм и произведено 700 витков

Для первичной обмотки медная проволока толщенной 3мм и составляющая 5 витков с внутренним диаметром 3см и внешним 4

Соединение всего в одну схему

Однако ожидаемого результата я не получил так как выходное напряжение и сила тока получились маленькими, и соответственно дуги из конца катушки тоже, и нужного эффекта не производили. А так как для того чтобы увеличить характеристики мне пришлось бы увеличивать и размеры катушки то она бы не вошла в посох. Следовательно, данную идею можно считать не реализованной.

.3 Разработка планов-конспектов мероприятий по изучению явлений и эффектов, используемых на современной сцене

Как было упомянуто выше, множество физических эффектов и явлений можно наблюдать на современной сцене. На основе данной информации и с учетом анализа сути явлений автором настоящей работы были составлены планы конспекты внеурочных занятий по физике, нацеленных на изучение таких явлений и их практического применения в сценической практике.

.3.1 Проектор своими руками: занятие в творческом кружке

Цели занятия:

познавательная: усвоение учащимися свойств линз (собирающих и рассеивающих), понятия фокусного расстояния; выяснение ими характера связи между положением предмета;

развивающая: способствовать развитию мышления, пространственного воображения, конструктивного мышления, коммуникативных качеств, умения работать в команде;

воспитательная: способствовать формированию научного мировоззрения, развитию бережного отношения с школьному оборудованию, аккуратности при построении чертежей и выполнении экспериментов.

Оборудование и материалы: собирающие и рассеивающие линзы, листы фанеры (плотного картона), клей (клейкая лента), линейка, карандаш, лобзик (ножницы).

Ход урока

Организационный этап (2мин)

Объяснение материала

Самостоятельная работа учащихся

Анализ проделанной работы

Организационный этап.

Подготовка рабочих мест, мотивация учащихся

Объяснение материала

В оптике линзой (нем. Linse, от лат. lens - чечевица) называют деталь из оптически прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической. В настоящее время всё чаще применяются и «асферические линзы», форма поверхности которых отличается от сферы. В качестве материала линз обычно используются оптические материалы, такие как стекло, оптическое стекло, оптически прозрачные пластмассы и другие материалы. Однако линзы применяют не только в оптике, но и в СВЧ технике, для которой их изготавливают из непрозрачных диэлектриков или набора металлических пластин. В электронных микроскопах используют магнитные линзы. Магнитная линза - устройство, в котором постоянное магнитное поле используется для фокусирования пучка заряженных частиц (ионов или электронов) и применяющееся в электронных и ионных микроскопах. С принципом действия их мы познакомимся, изучая раздел «Электричество и магнетизм».

Для формирования изображений и концентрации световой энергии применяются также линзы Френеля и зонные пластинки Френеля. Действие этих линз основано на явлении дифракции, которое мы будем изучать в 10 классе и тогда сможем объяснить принцип их работы.

Возможно, вам покажется экзотическим понятие гравитационной линзы, с которым связан наблюдаемый на межгалактических расстояниях эффект отклонения электромагнитных волн массивными объектами. Этим понятием оперируют в теории гравитации.

Линзы разных типов, не имея внешнего сходства в строении, предназначены для реализации сходных эффектов в отношении пучков света, электромагнитных волн СВЧ диапазона или пучков заряженных частиц. Посредством линз изменяют размеры или форму поперечного сечения пучков, формируют изображения объектов и т.п.

На данном занятии ограничимся изучением свойств оптических линз.

В зависимости от формы ограничивающих поверхностей различают выпуклые и вогнутые

Рисунок 3.6 - Двояковыпуклая линза

Рисунок 3.7 - Двояковогнутая линза

В зависимости от действия, оказываемого на пучок параллельных световых лучей, различают собирающие (рисунок 3.6) и рассеивающие (рисунок 3.7) линзы.

То, какое именно действие произведет линза на световой пучок, зависит не только от ее формы, но и от свойств материала, из которого она изготовлена. Например, двояковыпуклая стеклянная линза в воздухе является собирающей, а после погружения в жидкость, показатель преломления которой больше показателя преломления стекла, - рассеивающей.

Собирающей или рассеивающей свет может быть плоскопараллельная пластинка, изготовленная из материала с переменным показателем преломления, изменяющимся в зависимости от расстояния от ее оси симметрии. Огромные по размерам «линзы» такого типа формируются в атмосфере - неоднородность ее свойств, в частности показателя преломления, обусловливает мерцание звёзд в ночном небе.

В сложных оптических приборах содержится не одна линза, а системы линз, образующие функциональные узлы прибора. Чтобы производить расчет хода лучей в сложных оптических системах и оценивать качество получаемых изображений, нужно знать законы распространения света через отдельные элементы прибора, в том числе через одиночные линзы.

Даже в быту, а не только при произведении физических экспериментов важно уметь определять характерные расстояния линз.

Фо́кусное расстоя́ние (англ. <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BD%D0%B3%D0%BB%D0%B8%D0%B9%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%8F%D0%B7%D1%8B%D0%BA> focal length) - физическая характеристика оптической системы <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%B0> (и одиночной линзы). Для оптической системы, состоящей из сферических поверхностей, центры кривизны которых лежат на одной прямой, фокусное расстояние характеризует ее способность собирать лучи в одну точку F' при условии, что эти лучи идут из бесконечности параллельным пучком параллельно оптической оси (для собирающих линз, рисунок 3.6 ). При падении пучка параллельных лучей на рассеивающую линзу, наблюдателю кажется, что они вышли из одной точки F, положение которой неодинаково для разных линз (рисунок 3.7). Точку F' (для рассеивающей линзы точку F) называют главным фокусом линзы, а расстояние от линзы до нее - фокусным расстоянием.

Для системы линз, как и для простой линзы <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D0%BD%D0%B7%D0%B0> конечной толщины, фокусное расстояние зависит от радиусов кривизны поверхностей, показателей преломления стёкол и окружающей их среды, от толщины линз.

Определяется как расстояние от передней главной точки до переднего фокуса <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D1%84%D0%BE%D0%BA%D1%83%D1%81> (для переднего фокусного расстояния), и как расстояние от задней главной точки до заднего фокуса <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D1%84%D0%BE%D0%BA%D1%83%D1%81> (для заднего фокусного расстояния <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%B4%D0%BD%D0%B5%D0%B5_%D1%84%D0%BE%D0%BA%D1%83%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D0%B5>). При этом, под главными точками подразумеваются точки пересечения передней (задней) главной плоскости <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8_%D0%BE%D0%B1%D1%8A%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%B0> с оптической осью <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D1%81%D1%8C>.

Величина заднего фокусного расстояния <https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%B4%D0%BD%D0%B5%D0%B5_%D1%84%D0%BE%D0%BA%D1%83%D1%81%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%8F%D0%BD%D0%B8%D0%B5> является основным параметром, которым принято характеризовать любую оптическую систему.

Собирающая линза может быть обращена к бесконечно удаленному от нее предмету любой стороной, вследствие чего лучи по прохождении через линзу могут собираться как с одной, так и с другой её стороны. Таким образом, линза имеет два фокуса - передний и задний. Расположены они на оптической оси по обе стороны линзы на фокусном расстоянии от главных точек линзы.

Построим изображение предмета высотой y (рисунок 3.8) и обозначим высоту изображения y'. Величину  называют линейным увеличением.

Продемонстрируем правила определения положения изображения предмета, сформированного тонкой линзой, с использованием лучей, идущих параллельно главной оптической оси линзы (красный луч), через её оптический центр (голубой луч) и через передний главный фокус (сиреневый луч). Заметим, что ход сопряжённых лучей в пространстве предметов и пространстве изображений обратим.

Собирающая тонкая линза, предмет на расстоянии большем фокусного, но меньшем удвоенного фокусного расстоянии: f ≤ а1 ≤ 2f

Рисунок 3.8 Собирающая тонкая линза

Изображение действительное (получено при пересечении преломлённых лучей), перевёрнутое (y´ < 0), увеличенное (), расположено на расстоянии большем удвоенного фокусного расстояния: а2 > 2f.

Фокусное расстояние F линзы можно выразить через расстояние от линзы до предмета d и расстояние от линзы до изображения f, а также через показатели преломления материала линзы n и окружающей ее среды n0 и радиусы кривизны поверхностей линзы R1 и R2. Названные величины связаны формулой тонкой линзы:

Величину  называют оптической силой линзы.

Часто в технике увеличение линзы (лупы) обозначают Г= 2×, Г = 3× и т.д. При этом читается «двукратное увеличение», «трехкратное увеличение» и т.д. Для лупы увеличение определяется по формуле:

,

где F - фокусное расстояние, d - расстояние наилучшего зрения (для взрослого человека средних лет около 25 см). Для лупы с фокусным расстоянием 25 см, увеличение составляет Г = 2×, для лупы с фокусным расстоянием 10 см оно больше: Г = 3,5×.

Самостоятельная работа учащихся по определению фокусного расстояния линзы

Этапы выполнения работы

Определите фокусное расстояние предоставленной линзы, используя пучок параллельных лучей.

Изготовьте корпус будущего проектора, скрепите его и подготовьте к установке линзы.

Установите линзу в каркас.

Установите источник света перед изготовленным вами проектором и, перемещая его относительно линзы, получите изображение на экране телефона, установленного на выбранном вами расстоянии.

Измерьте нужные расстояния, вычислите с их использованием фокусное расстояние линзы, сравните с тем его значением, которое получено в п.1.

Вычислите кратность увеличения вашего проектора.

Внесите полученные вами результаты в сводную таблицу. Сравните результаты, полученные разными учащимися. Сформулируйте выводы.

Анализ проделанной работы

Опрос учеников по проделанной работе:

Получился ли у вас ожидаемый результат?

Почему увеличение линзы оказалось неодинаковым у разных групп?

Все ли построили проектор изображений?

Какими недостатками обладает построенный вами прибор?

Как можно улучшить данный прибор?

Рефлексия

Какие задачи были выполнены во время работы? Что вызвало затруднения?

Как вы можете оценить свою работу?

Достигли ли мы поставленных целей?

.3.2 Урок-экскурсия «Физика и ее применение на сцене»

Класс: 11

Цели урока:

познавательная: продемонстрировать взаимосвязь явлений на современной сцене и целостность науки «Физика»; способствовать обобщению знаний, полученных при изучении физики;

развивающая: создать условия для развития умения применять знания, полученные в курсе изучения физики, в новой ситуации; для развития памяти, мышления, эмоционального восприятия сценического действа учащимися и развития их коммуникативных навыков;

воспитательная: способствовать воспитанию критического отношения к произведениям культуры, бережного отношения к её ценностям, тренировке правильного поведения в общественных местах и на культурно-массовых мероприятиях.

Ход урока:

Организационный этап

Посещение театра

Анализ отчетов учащихся

Обсуждение отчетов и экскурсии с учащимися (в ходе урока-конференции)

Рефлексия

Ход урока

Организационный этап

Учащиеся за две - три недели до экскурсии получают задание повторить ряд тем по разделам «Механика», «Электродинамика и электростатика», «Колебания и волны», «Молекулярная физика», «Оптика».

Объявляются темы отчетов, которые должны быть представлены через несколько дней после экскурсии:

Управление движением занавеса и положением кулис

Управление движением сценической площадки и сменой декораций.

Система освещения сцены. Акцентирование действия посредством освещения.

Задымление сцены

Световое, визуальное и музыкальное сопровождение

Работа театрального художника и гримера

Специальные оптические эффекты и способы их реализации

Театральная акустика

Система вентиляции театра

В зависимости от типа выступления и его жанра данный список может сужаться, либо наоборот расширяться.

Назначаются роли учащимся во время экскурсии (группы, руководители групп). Учащимся поручается подготовка вопросов работникам театра и подбор литературы для подготовки докладов.

Посещение театра

До спектакля (или после его, или в специально назначенное время) ученикам предоставляется возможность совершить экскурсию по функциональным помещениям театра и ознакомиться с техническими устройствами, используемыми в его работе, получить ответы на возникшие у них или заранее заготовленные ими вопросы у рабочих сцены, осветителей, звукооператоров, инженера и других участников беседы.

Ученикам даётся задание внимательно наблюдать за представлением, делать пометки о фактах, которые нужно будет учесть при составлении письменного отчета об экскурсии. Учащимся рекомендуется во время антракта и после спектакля сравнить свои записи, обменяться наблюдениями, дополняя списки эффектов, которые должны описать участники разных групп. После спектакля учитель объявляет о времени и месте проведения консультаций для отдельных групп (при необходимости) и о сроке сдачи отчетов групп и дате урока-конференции.

Урок-конференция

Группы заранее определяют докладчика.

После каждого доклада на вопросы отвечает докладчик или любой из членов группы.

Анализ результатов экскурсии и содержания докладов

Анализ производится учащимися класса. Учитель подводит итоги, акцентируя внимание на взаимосвязи разных разделов физики, на связи физики с другими видами деятельности, важности физики в разных профессиях.

Рефлексия

Что вам понравилось (не понравилось) во время экскурсии?

Какие впечатления у вас остались?

Возникли ли у вас проблемы с выполнением работы?

Что бы хотели изменить в данном занятии?

Заключение

В рамках курсовой работы выполнен анализ демонстрационного эксперимента и его место на уроках физики средней школы. Подобран и проработан методический материал по данной теме. Рассмотрены его особенности и отличительные черты.

Проанализирована литература и методические указания приёмов и средств активизации познавательной деятельности и интересов учащихся средней школы на уроках физики, и внеурочное время

Рассмотрены и разобраны некоторые физические явления и эффекты, которые зачастую используются на современной сцене и в её приделах. Стоит отметить, что на современной сцене можно встретить физические явления и эффекты начиная от механики и заканчивая молекулярной физикой.

Разработаны планы-конспекты урока в творческом кружке и урока экскурсии на тему: «Физика и её применение на сцене»

Разработан принцип аксессуара костюма для сцены, на основе работы катушки тесла, но в меру малой выходной мощности данный аксессуар не был реализован и ждет дальнейших доработок.

Разработанные и предложенные в данной курсовой работе данные можно использовать как в ознакомительных, так и в педагогических целях. В частности, для создания планов уроков внеклассных занятий и занятий по техническому творчеству.

Список использованных источников

Иванова Л.А. Активизация познавательной деятельности учащихся при изучении физики: Пособие для учителей./ Л.А Иванова - М.: Просвещение, 1983. - 160 с.

Зверева Н.М. Выбор оптимальной методики проведения урока.Физика в школе/ Н.М. Зверева - 1981. - № 6. - с.37.

Бедшакова З.М. О соответствии методов обучения физике содержанию учебного материала. Физика в школе/ З.М. Бедшакова - 1983. - № 5. - с.55.

Иванова Л.А. Проблема познавательной деятельности учащихся на уроках физики при изучении нового материала.: Учебное пособие./ Л.А. Иванова - М.: МГПИ, 1978. - 110 с.

Кузнбецкий А.М. Попов А.П. Использование фотоснимков для создания проблемных ситуаций на уроке. Физика в школе/ А.П. Попов А.М. Кузнбецкий - 1979. - № 1. - с. 39.

Ломоносов М. В. Полный сборник сочинений/ М. В. Ломоносов - М.: Изд-во АПН СССР, 1950. - 424 с.

Знаменский П. А. Методика преподавания физики в средней школе./ П. А. Знаменский - М.; Л.: Учпедгиз, 1947. - 112 с.

Разумовский В. Г. Развитие творческих способностей учащихся в процессе обучения физике./ В. Г. Разумовский - М.: Просвещение, 1975. - 44 с.

Бугаев А.И. Методика преподавания физики. Теоретические основы./ А.И. Бугаев - М.: Просвещение, 1981. - 288с.

Орехова В.П. Усовой А.В. Методика преподавания физики в 6-7 классах. / В.П. Орехова А.В. Усовой - М.: Просвещение, 1976. - 384 с.