“Функции школы не в том, чтобы дать
специальный опыт, а в том,
чтобы выработать последовательное методическое
мышление”. (М. Планк)
Работая в профильных физико-математических классах, всё больше убеждаюсь в том, что следует идти не только по пути усиления образования по определённому предметному направлению. Это важно, если интересы, склонности, способности учащихся, их профессиональные интересы и намерения в отношении продолжения образования лежат в этой плоскости. Но не менее важно научить учащихся занимать исследовательскую позицию к окружающему миру как в рамках учебного предмета, так и в любой другой области познания. Роль физики, как и естествознания в целом, в развитии исследовательских навыков чрезвычайно велики. Р. З. Сагдеев говорил: “Последовательное изучение курса физики вырабатывает специфический логический метод мышления, физическую интуицию, которые оказываются чрезвычайно плодотворными и в других науках”.
Выстроить индивидуальную образовательную траекторию для каждого учащегося в рамках изучения физики можно за счёт выполнения разного рода индивидуальных и групповых исследовательских работ. Задача учителя – вовлечение ученика в самостоятельный активный процесс познания, создание благоприятных условий для такого рода деятельности. Как не согласиться с Л. И. Мандельштамом, утверждавшим: “Ни учебник, ни учитель недостаточны, чтобы научить физике. Учащийся должен хоть немного работать опытно сам. Он должен хоть поверхностно, но сам слышать, сам осязать те явления, о которых ему говорят”.
Исследовательская деятельность основывается на принципах проектирования. Поэтому метод проектов в сочетании с групповым подходом к обучению позволяет развивать познавательные, творческие навыки учащихся, умения самостоятельно конструировать знания, ориентироваться в информационном пространстве, учит общению и взаимодействию, способствует дифференциации процесса обучения.
В педагогической литературе опубликовано немало материалов, посвящённых особенностям организации исследовательской деятельности учащихся, предложены поэтапные действия по формированию исследовательской культуры школьников. Бесспорно, жизнь человека - движение по пути познания, поэтому каждый шаг как в предметной, так и межпредметной областях, должен способствовать развитию исследовательской позиции к миру.
В работе предлагается система проектных заданий по теме “Электрические измерения и измерительные приборы” (тема “Законы постоянного тока”, 10 класс). Задания разрабатывались с целью интенсифицировать работу по изучению амперметров, вольтметров, реостатов, потенциометров, являющихся неотъемлемыми элементами практически любой электрической цепи, и способов измерения силы тока, напряжения, сопротивления в различных условиях на основе применения знаний о законе Ома для участка цепи и законов последовательного и параллельного соединения.
Данное задание выполняется до начала изучения темы “Законы постоянного тока” на основе имеющихся у десятиклассников знаний за курс основной школы и направлено, в первую очередь, на развитие исследовательских навыков учащихся. Задание предлагается учащимся профильного физико-математического класса и проводится в форме индивидуальных занятий физическим экспериментом в условиях школьного физического кабинета или (по возможности) в домашних условиях. На этапе подготовки к выполнению задания формируются рабочие группы учащихся из 4 – 5 человек, планируется их деятельность: определяются источники информации, способы представления результатов теоретической и практической деятельности, устанавливаются критерии оценки результатов проектной деятельности учащихся, распределяются обязанности внутри группы. В процессе работы учащихся над выбранной темой задание конкретизируется, поэтому ниже сформулировано первоначально полученное задание, а также уточнённое в ходе работы над ним.
Творческий отчёт о выполнении группой разработанного проекта проводится на первом занятии темы “Законы постоянного тока” в 10 классе. Конечным продуктом являются рассчитанные и изготовленные шунты и добавочные сопротивления, модели (модель омметра), теоретическое обоснование методов, полученные таблицы поверки электроизмерительных приборов, подборки задач на заданную тему, схемы, графики и др., оформленные на бумажных или электронных носителях.
К итоговому занятию подготовлена презентация, в которой обозначены основные обсуждаемые вопросы.
Предварительно проделанная работа помогает учащимся успешно выполнить практическую часть программы по электродинамике, в том числе практикум, и способствует высвобождению времени на изучение таких вопросов, как законы Ома для полной цепи и участка цепи, содержащего ЭДС, методы расчёта электрических цепей на основе правил Кирхгофа.
Система заданий по теме
“Электрические измерения и измерительные приборы”.
Задание I. Регулирование силы тока и напряжения в электрической цепи. Реостаты.
1. Первоначальное задание.
Реостаты – это проводники или системы проводников с регулируемым сопротивлением, предназначенные для изменения силы тока на участке цепи.
Реостат с подвижным контактом может использоваться в режиме потенциометра (делителя напряжения). В этом случае его назначение – изменять разность потенциалов на концах интересующего нас участка.
Повторите учебный материал об устройстве и принципе действия реостатов, применении реостатов для регулирования силы тока и напряжения.
Ознакомьтесь со способами применения реостатов для регулирования напряжения.
Подготовьте практический материал к отчёту.
2. Уточнённое задание.
Выполните задания, сделайте вывод о границах применимости реостатов для регулирования силы тока и напряжения и в качестве потенциометров. Подготовьте практический материал к отчёту.
Оборудование: школьные лабораторные и демонстрационные реостаты, резисторы с переменным сопротивлением, источники тока, вольтметры, амперметры, соединительные провода.
Задание 1. Оцените, каким должно быть
сопротивление реостата 
, чтобы он позволял уменьшать силу тока
на участке с сопротивлением R в n раз? (Рисунок 1)
Задание 2. Оцените, каким должно быть
сопротивление реостата ,
чтобы он позволял уменьшать напряжение на
участке с сопротивлением R в n раз? (Рисунок 2)
Задание 3. Ознакомьтесь на практике с
использованием реостатов в качестве
потенциометров. Оцените (теоретически и
выполните по возможности практически), влияет ли
сопротивление потенциометра 
на диапазон изменения разности
потенциалов на концах участка с сопротивлением 
, если питание
схемы осуществлять от точек с потенциалами 
и 
. Из каких соображений
следует выбирать параметры потенциометра? (Рисунок 3)
Задание 4. Используя паспортные данные школьных реостатов, оцените границы их применимости в качестве реостатов и потенциометров.
Задание II. Измерение силы тока в цепи. Амперметр.
1. Первоначальное задание.
Амперметр предназначен для измерения силы тока на участке цепи, к которому он подключен последовательно.
Ток, больший предельного, на который амперметр рассчитан, через него пропускать нельзя, т. к. это приведёт к перегоранию обмотки. Но можно расширить диапазон измеряемых амперметром токов.
В некоторых случаях в роли амперметра может использоваться вольтметр (гальванометр).
Повторите учебный материал о силе тока как физической величине и амперметре как приборе для измерения силы электрического тока.
Ознакомьтесь с наиболее распространёнными системами электроизмерительных приборов, применением школьных лабораторных приборов в качестве амперметра и способами повышения пределов измерения амперметра.
Подготовьте практический материал к отчёту.
2. Уточнённое задание.
Выполните задания, сделайте вывод о возможности применения школьных лабораторных электроизмерительных приборов для измерения силы тока, оцените границы применимости приборов в качестве амперметра. Подготовьте практический материал к отчёту.
Оборудование: лабораторные амперметры и вольтметры (класс точности 4,0 и 2,5), контрольный амперметр класса точности 1,0, источник тока, реостаты, соединительные провода.
Задание 1. Оцените влияние
амперметра сопротивлением 
на силу тока в электрической цепи
с нагрузочным сопротивлением . Почему нельзя присоединять
амперметр к зажимам источника тока без
какого-либо потребителя, соединённого
последовательно с амперметром? К чему приведёт
включение амперметра параллельно потребителю?
Задание 2. Выясните, какого
сопротивления 
нужно
подключить шунт к амперметру с внутренним
сопротивлением , чтобы
этим амперметром можно было измерять токи до
максимального значения, в n раз большего
номинального 
. Как
изменяется при этом цена деления и
чувствительность прибора? (Рисунок 4)
Рассчитайте сопротивление шунта, при подключении которого школьным лабораторным амперметром можно измерять ток до 4 А. Изготовьте шунт и проведите поверку полученного прибора.
Задание 3. Проанализируйте, при каком условии в качестве амперметра можно использовать вольтметр.
Рассчитайте сопротивление шунта, при подключении которого школьным лабораторным вольтметром можно измерять ток до 1 А. Изготовьте шунт и проведите поверку полученного прибора.
Задание 4. Оцените влияние на точность измерений силы тока в электрической цепи класса точности используемого амперметра.
Задание 5. Изучите имеющиеся в школьном кабинете физики многопредельные (с одной шкалой и многошкальные) и цифровые амперметры.
Задание III. Измерение напряжения. Вольтметр.
1. Первоначальное задание.
Для измерения напряжения на участке цепи к нему параллельно включают вольтметр. Включение вольтметра сопротивлением параллельно с нагрузкой вносит в электрическую цепь искажения, которые можно существенно уменьшить, грамотно выбрав прибор.
В случае необходимости пределы измерения вольтметра можно повысить.
В некоторых случаях в роли вольтметра может использоваться амперметр (гальванометр).
Повторите учебный материал об электрическом напряжении как физической величине и вольтметре как приборе для измерения электрического напряжения.
Ознакомьтесь с наиболее распространёнными системами электроизмерительных приборов, применением школьных лабораторных приборов в качестве вольтметра и способами повышения пределов измерения вольтметру.
Подготовьте практический материал к отчёту.
2. Уточнённое задание.
Выполните задания, сделайте вывод о возможности применения школьных лабораторных электроизмерительных приборов для измерения напряжения, оцените границы применимости приборов в качестве вольтметров. Подготовьте практический материал к отчёту.
Оборудование: лабораторные вольтметры и амперметры (класс точности 4,0 и 2,5), контрольный вольтметр с зеркальной шкалой, набор резисторов, источник регулируемого напряжения, соединительные провода.
Задание 1. Оцените, каким должно быть
сопротивление вольтметра 
, включенного параллельно участку
цепи с сопротивлением ,
чтобы вольтметр не вносил заметных искажений в
электрическую цепь.
Задание 2. Выведите формулу для
расчёта дополнительного сопротивления 
, которое нужно
подключить к вольтметру внутренним
сопротивлением ,
чтобы повысить предел измерения напряжения от
номинального значения 
до значения U. (Рисунок
5)
Рассчитайте добавочное сопротивление, при подключении которого школьным лабораторным вольтметром можно измерять напряжение до 12 В. Подберите добавочное сопротивление и проведите поверку полученного прибора.
Задание 3. Амперметр имеет
внутреннее сопротивление и рассчитан на измерение токов до 
. Какое
дополнительное сопротивление нужно подключить к
этому амперметру, чтобы его использовать в
качестве вольтметра, измеряющего напряжение до
значения U.
Рассчитайте добавочное сопротивление, при подключении которого школьным лабораторным амперметром можно измерять напряжение до 1 В. Подберите добавочное сопротивление и проведите поверку полученного прибора.
Задание 4. Оцените влияние на точность измерений напряжения на участке электрической цепи класса точности используемого вольтметра.
Задание 5. Изучите имеющиеся в школьном кабинете физики многопредельные (с одной шкалой и многошкальные) и цифровые вольтметры.
Задание IV. Измерение сопротивления косвенными методами.
1. Первоначальное задание.
Сопротивление участков цепи можно измерять непосредственно с помощью приборов – омметров - и косвенными способами. Очень часто используются способы косвенных измерений сопротивления с помощью амперметра и вольтметра, реже – с использованием в качестве измерительного прибора только амперметра или только вольтметра. Для измерения электрических величин, в том числе электрического сопротивления, используются мостовые схемы.
Повторите учебный материал об электрическом сопротивлении как физической величине и способах измерения сопротивления.
Найдите в литературе описание различных способов косвенных измерений электрического сопротивления и ознакомьтесь с ними.
Подготовьте практический материал к отчёту.
2. Уточнённое задание.
Выполните задания, сделайте вывод о достоинствах и недостатках каждого из способов. Подготовьте практический материал к отчёту.
Оборудование: набор резисторов, амперметр, вольтметр, источник тока, соединительные провода.
Задание 1. Измерьте электрическое сопротивление резистора методом амперметра и вольтметра. Способ допускает два возможных варианта сборки измерительной схемы: схема I (рисунок 6) и схема II (рисунок 7). Каким образом на практике можно выбрать вариант (I и II) сборки измерительной схемы?
Задание 2. Оцените теоретически
относительные ошибки в измерении сопротивления R
проводника с помощью амперметра и вольтметра в
двух схемах соединения измерительных приборов
(схемы I и II), считая внутренние сопротивления
амперметра 
и
вольтметра известными,
и сделайте вывод, какую из них нужно применять в
каждом конкретном случае. Какие сопротивления
следует считать малыми, а какие большими?
Указание: постройте графики относительных
ошибок измерений 
и 
от
отношений 
и 
и попытайтесь
сделать вывод.
Задание 3. Определите сопротивление резистора, если в вашем распоряжении из измерительных приборов имеется только вольтметр, резистор с известным сопротивлением, источник тока, ключ, соединительные провода.
Задание 4. Определите сопротивление резистора, если в вашем распоряжении из измерительных приборов имеется только амперметр, резистор с известным сопротивлением, источник тока, ключ, соединительные провода.
Задание 5. Ознакомьтесь с мостовыми методами определения неизвестного сопротивления резистора. Выберите в кабинете физики необходимое оборудование и выполните измерения. (Рисунок 8)
Задание V. Измерение сопротивления. Омметр.
1. Первоначальное задание.
Электрическое сопротивление часто измеряют специальным измерительным прибором - омметром.
Найдите в литературе и ознакомьтесь с устройством, принципом действия и порядком применения омметров для измерения сопротивлений.
Ознакомьтесь с устройством и назначением авометров, их достоинствами и недостатками.
Подготовьте практический материал к отчёту.
2. Уточнённое задание.
Выполните задания, сделайте вывод о способах измерения сопротивления и методах исследования т. н. “чёрных ящиков” (по мере изучения электродинамики ваш опыт по исследованию “чёрных ящиков” существенно обогатится). Подготовьте практический материал к отчёту.
Оборудование: набор резисторов, омметры, авометр. Недостающее оборудование выберите самостоятельно из имеющегося в кабинете физики.
Задание 1. Ознакомьтесь с принципом действия омметров. Измерьте электрическое сопротивление резистора с помощью омметра.
Задание 2. Изготовьте модель омметра, отградуируйте его шкалу и измерьте им сопротивление резистора. Сравните полученные результаты, сделайте вывод. Недостающее оборудование выберите самостоятельно из имеющегося в кабинете физики. (Рисунок 9)
Задание 3. Исследуйте предложенные “чёрные ящики” доступными вам способами и определите, в каком из ящиков находится электрическая лампа. Необходимое оборудование выберите самостоятельно из имеющегося в кабинете физики.
Задание 4. Ознакомьтесь с назначением и принципом действия авометра. Оцените достоинства и недостатки измерения электрических величин с помощью авометров.
Литература:
- Ю. А. Селезнёв. Основы элементарной физики. Пособие для самообразования. Под редакцией проф. Б. М. Яворского. М.: “Наука”, 1969.
- Кабардин О. Ф., Орлов В. А. Экспериментальные задания по физике. 9 – 11 классы: учебное пособие для учащихся общеобразовательных учреждений. – М.: Вербум-М, 2001.
- 1С: Школа. Физика, 7-11 классы. Библиотека наглядных пособий (2 CD). “1С”, “Дрофа”, “FORMOZA”.
- Физика. 7-11 класс. Библиотека электронных наглядных пособий (1 CD for Windows). ООО “ Кирилл и Мефодий”.
- Физика. 7-11 классы. Практикум. (Интерактивный курс физики для 7-11 классов). Учебное электронное издание (2 CD). ФИЗИКОН.
- Открытая физика. Полный интерактивный курс физики (Версия 2.5, 2CD). ФИЗИКОН.
- “Курс физики XXI века базовый +” (2 CD), “Курс физики XXI века полный” (2 CD) Л. Я. Боревского.
- Учебники физики.