Введение
Образовательное и воспитательное значение решения физических задач в сознательном усвоении курса физики переоценить невозможно, поэтому данному методу обучения физике уделяется большое внимание. Однако одним из существенных недостатков подготовки школьников по физике является чрезмерная прямолинейность в подходе к решению физических задач. Зачастую они решаются лишь для тренинга, а сами решения служат иллюстрацией правила, формулы, закона. Кроме того, однообразие в решениях физических задач, применение алгебраического метода отнюдь не способствуют глубокому пониманию сути явлений.
Предлагаемая ниже разработка по решению задач-оценок составлена на основе проведения урока повторения и решения задач со старшеклассниками у которых в основном сформированы умения в построении умозаключений методом дедукции. Обнаружение следствий того или иного явления не только расширяет представления о предмете, знания учащихся получают практическую направленность. Наряду с этим происходит совершенствование и развитие различных форм логического способа решения, усвоение его иерархической структуры, овладение частными способами решения задач.
Содержание урока
Уважаемые ребята. Сегодняшний урок будет посвящен решению задач – оценок.
Задачи-оценки — для большинства из вас изучающих физику новый класс задач, особенностью которых является то, что для их решения надо распознать физическое явление или процесс, лежащий в основе задачной ситуации, построить определенную физическую модель. Если понята физическая сущность задачной ситуации, и подобраны основные законы, уравнения, формулы, при помощи которых можно создать математическую модель исходной физической задачи, производится выбор приемов математических процедур решения, а также разумных значений физических величин.
Хорошо представляя явление или задачу, каждый сам может выбрать необходимые для решения величины и их числовые значения. Этот этап завершается получением числового результата, более или менее соответствующего реальности с точки зрения его соответствия размерности, реальности численной величины и ее правильности.
Необходимо также заметить, что задачи-оценки выступают как метод уточнения, закрепления, углубления основных элементов знаний: понятий, законов и теорий. В процессе их решения осуществляется выделение существенных признаков понятий, проводится их отграничение от несущественных, усвоение функциональных зависимостей между физическими величинами, объяснение сущности рассматриваемого в условии задачи явления на основе физических теорий, моделирование явлений и процессов. Поэтому надеюсь, что сегодняшнее занятие будет способствовать достижению образовательных целей.
В заключении хочу заметить, что владение методом оценок, наряду с интуицией, является необходимым условием вашего развития, воспитания очень важных качеств исследователя, проявляющихся в разработке и анализе новых идей, в вашей будущей творческой работе.
Первая задача- оценка, которую нам предстоит решить.
Представьте что в начале урока на рычажных весах в открытых сосудах уравновешиваются 1 кг воды и 1 кг льда, замороженного в виде кубика. Что произойдет после таяния льда? Оцените, сколько воды и в какой сосуд нужно добавить, чтобы восстановить равновесие.
Анализ и решение задачи.
Во-первых выясним, почему должно нарушиться равновесие весов. Поскольку плотность льда меньше, чем плотность воды, то объем льда больше, чем объем воды. Равновесие весов достигалось не только равенством веса жидкости и льда, но и равенством выталкивающих сил. Следовательно, после таяния льда объем получившийся воды будет меньше, что приведет к уменьшению выталкивающей силы, действующей на сосуд с растаявшим льдом, что, в свою очередь, приведет к нарушению равновесия весов.
Итак: изменение выталкивающей силы приведет к изменению силы действия на весы. Это изменение равно:
.
Так как плотность воды 
, плотность льда 
, плотность воздуха 
, то после подстановки в уравнение
для 
получим:
.
Таким образом, для восстановления равновесия
весов в сосуд с водой необходимо долить воды,
масса которой (оценочно) равна: 
.
Условия и методика решения задачи предлагаемой ниже, рассчитано на повторение материала «Движение тела под действием нескольких сил».
Большинство из мальчишек в детстве мастерили простейшую игрушку – вращали на веревке какой либо предмет. Представьте что к веревке привязано ведро с водой. Существуют ли какие либо условия, при которых вода при вращении ведра в вертикальной плоскости не будет выливаться?
Другими словами задача состоит в оценке минимальной частоты вращения в вертикальной плоскости ведра с водой, чтобы из него не выливалась вода.
Анализ и решение задачи.
Для начала оценим длину веревки, на которой
вращается ведро с водой. Будем считать, что эта
длина лежит в «разумных» пределах: 
. Следовательно, и радиус,
описываемой ведром с водой окружности равен 
.
Анализируя процесс вращения ведра, приходим к следующему выводу. В верхней точке траектории сила тяжести и сила реакции дна ведра создают центростремительное ускорение, приводящее не к движению частиц воды вниз по радиусу, а лишь к изменению скорости их движения, к удержанию частиц воды на данной окружности вращения. Поскольку ускорение является зависимой величиной от линейной скорости вращения, то при ее уменьшении в верхней точке вода может вылиться из ведра.
Записываем уравнение динамики для верхней точки траектории
.
Так как по условию задачи нужно найти минимальную частоту вращения, соответствующую минимальному центростремительному ускорению (скорости вращения), при котором сила реакции опоры должна быть равна нулю, уравнение динамики запишется так
.
Или 
.
С учетом связи между скоростью и частотой вращения
.
Откуда, с учетом того, что 
, получаем 
, после подстановки численных
значений определяем, что минимальная частота
вращения, при которой вода не будет выливаться из
ведра, равна 
.
Ответ: 
.
Следующая задача составлена на основе наблюдения за физическим опытом. Сначала проводится демонстрация следующего содержания. Трехлитровую банку заполняем на треть горячей водой и, закрыв крышкой, интенсивно ее трясем. Наблюдаем, что даже плотно закупоренная крышка слетает с банки. Задача состоит в том чтобы определить какие силы действуют на крышку заставляя ее слететь и провести оценку их величины.
Анализ и решение задачи
Объяснить наблюдаемое явление можно следующим образом. Если налить горячую воду в банку и быстро ее закрыть, за это время воздух в банке не успевает прогреться. В процессе встряхивания банки вода ударяет по крышке. В результате взаимодействия каждый раз крышке передается импульс силы.
Поскольку передача импульса силы осуществляется в течение определенного времени оценим реальную частоту встряхивания, т.е. оценим какое максимальное число встряхиваний может совершить человек за одну секунду?
Оценочно можем предположить что человек может
встряхивать банку не чаще двух раз в секунду т.е.
с частотой 
.
Тогда среднее время взаимодействия
разбрызгиваемой воды и крышки 
.
Скорость, с которой движется вода 
в банке, оценим в 1 м/с.
Тогда сила удара воды о крышку может быть
определена через изменение импульса воды: 
. Изменение импульса равно
импульсу силы 
, откуда определяем величину силы
действующей на крышку 
.
Правда полученный результат позволяет сомневаться в том, что такая незначительная сила может сорвать крышку с банки.
Поэтому подумаем и попытаемся найти еще какой либо фактор, влияющий на результат нашего опыта. Что происходит с воздухом после встряхивания банки? Встряхивание банки приводит к быстрому нагреванию воздуха и повышению давления и силы, действующей на крышку.
Если воздух прогревается вследствие передачи тепла от воды, то это должно привести к увеличению давления воздуха в замкнутом объеме. Таким образом, кроме механического воздействия воды крышку, на нее действует сила обусловленная увеличением давления воздуха. Оценим величину этой силы.
Так как объем воздуха в банке постоянный, то
Следовательно, изменение давления (повышение над атмосферным)
,
откуда определяем силу действующую на крышку
.
Подставляя числовые значения величин
(оценочно) 
после вычислений получим
.
Если сравнить силу F2 действующую на крышку со стороны горячего воздуха с силой обусловленной действием частиц воды F1то видим что эта сила существенно больше, чем сила F1.
Можно ли сказать, что мы учли все факторы действующие на крышку?
Есть еще одна сила, действующая на крышку. Дело
в том что под крышкой, над поверхностью воды,
образуется насыщенный пар. Давление этого пара 
с ростом температуры повышается
за счет чего возникает еще одна сила F3.
При температуре 318 K (45o C) находим
по таблице зависимости давления от температуры
насыщенного пара 
104 Па.
За счет этого давления создается дополнительная
сила F3 80 H.
Таким образом, суммарная сила, действующая на крышку, равна сумме всех сил
F = F3 + F2 +
F1 
207 H. Ответ: F207 H.
Задача решение которой приведено ниже может быть предварена демонстрацией по отделению друг от друга двух стеклянных пластинок смоченных водой. После проведения опыта ученикам предлагается оценить силу, которую нужно приложить для того, чтобы отделить друг от друга две стеклянные пластинки, смоченные водой.
Изображение, полученное на экране, позволяет увидеть, что свободная поверхность жидкости у торца сложенных стекол представляет собой вогнутую поверхность. Далее следует анализ и решение задачи.
При полном смачивании радиус кривизны
поверхности жидкости равен r = d/2,
где d — расстояние между стеклами.
Давление под изогнутой поверхностью жидкости
меньше атмосферного на величину 
, которую можно найти,
рассмотрев равновесие выделенного элемента
жидкости и воздуха.
Учитывая силы поверхностного натяжения на
границе стекло—жидкость, запишем 
,
откуда 
Поскольку атмосферное давление больше, чем
давление между пластинками, то оно прижимает
пластинки друг к другу. Для того, чтобы оторвать
одно стекло от другого, нужно приложить силы,
большие, чем 
, где S —
площадь стекол. Если расстояние между стеклами d
10-6 м,
то 
. При площади
пластин порядка S 10-2 м2определим
силу, которую нужно приложить для того, чтобы
отделить друг от друга две стеклянные пластинки,
смоченные водой:
Следующая задача позволяет глубже понять принцип работы холодильной машины, работа которой осуществляется в полном соответствии с первым законом термодинамики: за счет работы компрессора холодильник отдает в окружающее пространство большее количество теплоты, чем то, которое он отнимает у морозильной камеры.
Оцените, какое количество теплоты будет передано работающим холодильником окружающей среде, если он заморозил m = 1 кг воды, у которой начальная температура была t = 200 C. Мощность холодильника P = 100 Вт.
Анализ и решение задачи
Перед решением задачи объясняем учащимся, что из принципа работы любой холодильной установки следует, что в тепло переходит как вся энергия, потребляемая холодильником от сети, так и энергия, которую отдают охлаждаемые продукты (в данном случае вода).
Это означает, что количество теплоты,
выделившегося в комнате за время t, 
, при мощности
холодильника P = 100 Вт, m = 1 кг,
t = 200 C, 
.
Время (оценочно), в течение которого произойдет
охлаждение воды и ее замораживание, возьмем
равным 3 часам или 10800c. 
Ответ: 
Следующая задача может быть составлена на основе проведения демонстрации процесса получения автоколебаний, при помощи лампового генератора незатухающих колебаний. Сообщаем учащимся о том, что получению высоких частот препятствуют значительные емкость и индуктивность электродов лампы, а также конечное время пролета электронов внутри вакуумного триода.
Учащимся предлагается задача на оценку максимальной частоты колебаний, которые можно получить, используя генератор на триоде, в котором расстояние между катодом и анодом равно d = 1 мм, при анодном напряжении U = 200 В.
При объяснении решения этой задачи учащимся напоминаем о роли сетки в управлении работой лампы и существующие ограничения в получении колебаний высокой частоты, одним из которых является конечное время пролета электронов внутри вакуумного триода. Это время должно быть не меньше времени, за которое происходит одно колебание потенциала сетки, управляющей колебаниями тока в анодной цепи.
Обозначив это время через t1,
а время пролета через t2 и
приравнивая их, максимальную частоту определим
как 
.
Рассматривая движение электрона между анодом и
катодом как равноускоренное под действием
электрической силы 
, определим ускорение
электрона 
. Учитывая
что 
, ускорение
электрона 
.
Следовательно, расстояние которое пролетает
электрон, может быть выражено как 
, откуда определим время 
. Поэтому максимальная
частота колебаний, которую можно получить от
генератора с такими параметрами будет
определяться по формуле:
. Ответ: 
.
В заключение урока необходимо сказать, что всякая физическая задача-оценка представляет собой проблемное описание какого-либо конкретного физического явления, процесса. Проблемность ситуации состоит в том, что требуется провести оценку какой-либо физической величины, и решение задачи представляет собой процесс построения различных моделей и последовательности действий по применению к ее условию различных физических теорий, законов, формул.
Решение задач-оценок необходимо строить как развернутый процесс изучения ситуаций отражаемых в задаче, создания их моделей и как процесс конкретизации физических теорий, лежащих в основе определенных задачных ситуаций. Ценность задач-оценок состоит в том, что при их решении, у вас формируется подлинно физический научно-исследовательский подход к явлениям окружающего мира, способность видеть в этом мире проявление физических теорий и законов.
Попробуйте самостоятельно решить следующие задачи.
Оцените выталкивающую силу, действующую на ученика со стороны воздуха, находящегося в классной комнате.
Ответ: 
.
У автомобиля, участвующего в гонке, лопается шина. Оцените, с какой скоростью должен ехать автомобиль, чтобы шина не сминалась.
Ответ: 
.
Оцените радиус атома алюминия, приняв, что в алюминии, находящемся в твердом состоянии, атомы располагаются вплотную друг к другу.
Ответ: 
.
Оцените количество вещества, попадающего на
экран телевизора за t = 1 c, если сила
тока в электронном луче 
. Заряд электрона равен 
.
Ответ:
.