Сетевая олимпиада по физике (сетевой проект заграншкол МИД РФ)

Весной 2004 года состоялся первый сетевой проект заграншкол МИД РФ. Начиная с 2004-2005 учебного года ежегодно разрабатывается примерный план сетевых мероприятий. В течение двух лет, во время работы в средней школе при Посольстве России в Болгарии, мы являлись организаторами сетевой олимпиады по физике среди учащихся 8-9 классов. С заданиями и ходом проведения олимпиады 2005-2006 учебного года мы хотим Вас познакомить  в данной статье.

В начале учебного года на сайте школы публиковался список планируемых сетевых мероприятий. Примерно за месяц до начала олимпиады проводилась рассылка информации о мероприятии и положение об олимпиаде. Текст положения публиковался также на сайте школы-организатора.

Положение об олимпиаде по физике

1. Общие положения.

Олимпиада по физике проводится в рамках сетевых проектов отдела заграншкол Департамента кадров МИД России.

Олимпиада проводится в целях:

• развития у учащихся интереса к техническим школьным дисциплинам;
• формирования и развития творческих способностей учащихся;
• поддержки способных и одаренных детей;
• распространения опыта использования информационных технологий для поиска, обработки и передачи информации;
• развития интеграционных связей между учреждениями образования отдела заграншкол Департамента кадров МИД России.

2. Организация олимпиады

Организатор олимпиады — средняя школа при Посольстве России в Болгарии.

Участниками конкурса являются учащиеся 8 и 9 классов. Участие в конкурсе командное, состав команды — не более 6 человек.

Для участия в олимпиаде необходимо выслать заявку на адрес организаторов, в которой необходимо указать:

Заявки принимаются до 6 декабря включительно.

Школа-организатор в олимпиаде участия не принимает.

3. Проведение и содержание олимпиады.

Начало олимпиады — 7 декабря в 13.00 по московскому времени. Время выполнения задания — 3 часа.

Задание олимпиады включает в себя три блока вопросов: качественные задачи, расчётные задачи и экспериментальные задания по основным темам школьного курса физики. Участники олимпиады могут пользоваться любыми источниками информации: справочниками, энциклопедиями, учебниками, глобальной сетью Интернет и другими (за исключением помощи учителя).

Выполненное задание высылается на адрес организаторов вложением (формат *.doc).

4. Основные критерии оценки.

В качественных задачах оцениваются правильность, точность, логика и полнота ответа. В расчетных задачах оцениваются правильность решения, наличие схемы или чертежа (если это необходимо), пояснений к используемым формулам, получение итоговой расчетной формулы, наличие численного ответа, если это требуется в задаче. В экспериментальных заданиях оцениваются ход эксперимента, реальность данных, измеренных и вычисленных в ходе рповедения опыта, наличие правильного вывода или ответа.

Учитывается соблюдение времени, отводимого на выполнение заданий. Работы, присланные с опозданием более чем на 15 минут, рассматриваться не будут.

Организаторы конкурса фиксируют время отправки и получения сообщений и оповещают отправителя о получении выполненного задания.

5. Жюри конкурса.

Нечаев Василий Иванович, директор школы, учитель математики.

Бреева Галина Юрьевна, учитель физики, математики и информатики.

Бреев Николай Александрович, учитель информатики и физики.

6. Результаты конкурса.

Итоги олимпиады публикуются на сайте организаторов и рассылаются всем участникам.

Победители награждаются виртуальным дипломом за подписью членов жюри.

Оргкомитет олимпиады.

По мере поступления заявок информация об участниках публиковалась на сайте школы. Заявки на участие в олимпиаде поступили из 17 стран (Германия, Финляндия, Республика Корея, Чехия, Индия, Израиль, Франция, Йемен, Китай, Сербия и Черногория, Монголия (2 команды), Румыния, Ангола, Египет, Австрия, Бразилия, Куба). По техническим причинам две команды (Йемен, Египет) не смогли принять участие в мероприятии.

При организации олимпиады мы столкнулись с некоторыми техническими проблемами.

Во-первых, провести рассылку заданий одновременно для всех участников не представлялось возможным, так как разница во времени оказалась очень большой. Такие вопросы решались в индивидуальном порядке (для школ в Корее, Китае, Анголе и на Кубе).

Во-вторых, после первой же массовой рассылки наш сервер попал в “чёрный список” портала mail.ru, на котором были созданы почтовые ящики большинства школ-участников. Проблема снималась использованием второго, резервного почтового ящика.

Задания для участников были сгруппированы в 3 блока. По результатам опроса участников аналогичной олимпиады в 2004-2005 учебном году наибольший интерес вызвали практические задания, поэтому их доля в общем количестве заданий была увеличена.

Задания для участников

Блок № 1. Качественные задачи (по 3 балла).

1. Бутылка с водой плотно закрыта пробкой. Внутри имеется небольшой пузырёк воздуха. В какую погоду этот пузырёк будет иметь большие размеры: в тёплую или в прохладную?
2. Электрические лампы накаливания заполняют газом под давлением, меньшим атмосферного. Почему?
3. Пуля пробивает две доски: сначала толстую, затем тонкую. Как изменится расстояние, которое пролетает пуля, если доски поменять местами?
4. В сосуде с водой плавает кусок льда. Изменится ли уровень воды в сосуде, если лёд растает? Почему?
5. Известно, что скорость движения Земли вокруг Солнца зимой больше, чем летом. Куда же исчезает часть кинетической энергии Земли в промежутке между зимним и летним периодами движения?
6. На столе стоит заряженный электроскоп. При касании головки электроскопа рукой листочки отклонились ещё больше вместо того, чтобы приблизиться друг к другу. Почему это произошло?

Блок № 2. Расчётные задачи (по 6 баллов).

В задачах можно получить дополнительные баллы за второй способ решения.

1. Оцените массу воздуха, окружающего Землю.
2. Канат длиной 5 м и массой 8 кг лежит на земле. Канат за один конец подняли на высоту, равную его длине. Какую при этом совершили механическую работу?
3. Имеются 4 резистора сопротивлениями R₁=1 Ом, R₂=2 Ом, R₃=3 Ом и R₄=4 Ом. Начертите все возможные схемы соединения резисторов между собой. Как нужно соединить резисторы между собой, чтобы общее сопротивление цепи было максимальным? Минимальным? Рассчитайте эти значения. Схемы соединения можно нарисовать на бумаге и отсканировать, а картинку выслать отдельно вложением (желательно в формате *.gif).

Блок № 3. Экспериментальные задачи (по 10 баллов).

В экспериментальных задачах оцениваются: описание порядка выполнения эксперимента, запись значений измеренных и вычисленных величин, оценка погрешности измерений, наличие конечного ответа, сравнение результатов и выводы из проведённого опыта.

1. Определите экспериментально насыпную плотность зёрен пшена и риса. Насыпная плотность определяется для сыпучих тел как отношение массы вещества вместе с порами в некотором объёме к этому объёму. В вашем распоряжении имеются: 2 сорта крупы, весы с разновесами, измерительный цилиндр, стакан. Оцените погрешность измерений и сравните результаты.
2. Определите экспериментально отношение плотности вещества к насыпной плотности для зёрен пшена и риса. В Вашем распоряжении имеются: всё те же 2 сорта крупы, стакан с вертикальными стенками, миллиметровая линейка, вода. Рассчитайте плотность вещества пшена и риса. Оцените погрешность вычислений и сравните результаты. Учтите, что при намокании крупа разбухает.
3. Известно, что вода смачивает поверхность стекла. Определите зависимость максимальной силы, которую нужно приложить для того, чтобы оторвать стеклянную пластинку от поверхности воды, от площади этой поверхности. Приборы и оборудование для проведения опыта: рычажные весы с разновесами, 2 стеклянные пластинки прямоугольной формы, но разных размеров (вместо стекла можно использовать пластинки из другого вещества или другой формы, имеющиеся в кабинете), нитки, пластилин, речной песок, стакан, кювета с водой.
4. Определите длину обмотки катушки электромагнита (или другой, имеющейся в кабинете). В Вашем распоряжении имеются: источник постоянного тока на 4-6 В, амперметр, вольтметр, провода, ключ, миллиметровая линейка, полоска бумаги, иголка, справочные таблицы по физике.

Ответы

Блок № 1. Качественные задачи (по 3 балла).

1. Пузырёк воздуха будет иметь большие размеры в прохладную погоду. При уменьшении температуры вода сжимается и её объём уменьшается. Так как бутылка закрыта плотно, то общий объём воды и воздуха останется прежним. Воздух займёт весь предоставленный ему объём (свойства газов).
2. Нить лампы нагревается до очень высокой температуры, что вызывает нагревание газа в баллоне и увеличение давления газа на стенки колбы. Это может привести к разрушению баллона (взрыву). Поэтому лампы заполняют газом под давлением, меньшим атмосферного. Не заполнять колбу газом (вакуум) тоже нельзя, т. к. это может привести к взрыву при ударе лампы.
3. Расстояние, которое пролетает пуля по горизонтали, будет одинаковым в обоих случаях. Скорость пули уменьшается вследствие трения и деформации досок. По условию задачи, пуля пробивает обе доски. Пусть потеря скорости пули при выходе из досок составляет v, а потеря скорости в толстой и тонкой досках – соответственно v₁ и v₂. Тогда v = v₁+ v₂, или v = v₂+ v₁. Это означает, что при выходе из досок независимо от порядка очерёдности их расположения пуля будет иметь одинаковую скорость в обоих случаях. Отсюда заключаем, что и дальность полёта пули будет одинаковой.
   Второе решение: если считать силу сопротивления движению пули в доске постоянной (материал досок одинаковый), то общая работа этой силы равна сумме работ, совершаемых при пробивании каждой доски в отдельности. Следовательно, кинетическая энергия (а значит, и скорость) в первом и во втором случаях изменится одинаково. Значит, и дальность полёта пули не изменится.
4. Уровень воды в сосуде не изменится. Плавая, лёд вытесняет столько воды, что её вес равен весу льда. При таянии льда образуется вода, имеющая такой же вес, что и лёд. (А вот если бы лёд находился полностью внутри жидкости, то уровень воды бы понизился).
5. Земля движется вокруг Солнца не по круговой орбите, а по эллипсу. При этом зимой Земля находится на меньшем расстоянии от Солнца, чем летом. Таким образом, в промежутке между зимним и летним периодами обращения скорость (а значит, и кинетическая энергия) Земли уменьшается. На столько же увеличивается потенциальная энергия взаимодействия Земли и Солнца (расстояние между Землёй и Солнцем увеличивается). Полная механическая энергия Земли остаётся постоянной, что и должно быть в соответствии с законом сохранения энергии.
6. Если электроскоп изолирован от стола, то это возможно в случае, если были заряжены одновременно электроскоп и его корпус. Первоначально листочки отталкиваются друг от друга, так как заряжены одноимённо. При касании головки электроскопа рукой избыточный заряд переходит в землю. Под действием заряда корпуса происходит перераспределение зарядов на листочках и стержне электроскопа (сменится знак заряда) и листочки снова разойдутся, отталкиваясь друг от друга и притягиваясь к корпусу электроскопа.

Блок № 2. Расчётные задачи (по 6 баллов).

В задачах можно получить дополнительные баллы за второй способ решения.

1. Оценить массу воздуха можно следующим образом. Известно, что нормальное атосферное давление составляет 101325 Па (примерно 10⁵ Па). Так как , то сила, с которой воздух оказывает давление на 1м² поверхности Земли, равна 10⁵ Н. Площадь поверхности Земли можно вычислить по формуле , где R – радиус Земли, равный 6,37?10⁶ м. Отсюда площадь поверхности Земли примерно равна 5*10¹⁴ м². Умножая значение силы давления на площадь земной поверхности, получаем примерно 5*10¹⁹ Н. Сила давления численно равна силе тяжести, действующей на воздух. Поэтому массу воздуха можно оценить, используя формулу , откуда m5*10¹⁸кг.
   Многие команды выбрали другой путь решения, считая плотность атмосферы постоянной (равной половине плотности у поверхности Земли до определённой высоты), они вычисляли объём воздуха, а затем по формуле плотности находили массу. Но не все смогли реально оценить высоту столба атмосферы (значения в решениях от 8 до 1000 км). Предлагается командам самостоятельно оценить эту высоту (массу воздуха Вы знаете). Сделать это можно, посмотрев таблицу зависимости плотности атмосферы от высоты (“Справочник по физике и технике”, А. С. Енохович). У нас получилось около 15 км.
2. Так как канат однородный (масса вещества распределена равномерно по всей его длине), то можно считать, что сила тяжести, действующая на канат, приложена к его центру. Работа совершается против действия силы тяжести. Центр каната подняли на высоту, равную половине длины каната. Таким образом, совершенная работа равна . Отсюда A200 Дж.
3. Сопротивление будет максимальным при последовательном соединении всех резисторов (R=10 Ом) и минимальным при параллельном соединении всех резисторов (R=0,48 Ом). Всего возможно 10 различных схем соединения резисторов между собой (с точностью до перестановок).

Блок № 3. Экспериментальные задачи (по 10 баллов).

В экспериментальных задачах оцениваются: описание порядка выполнения эксперимента, запись значений измеренных и вычисленных величин, оценка погрешности измерений, наличие конечного ответа, сравнение результатов и выводы из проведённого опыта.

1. Выполнение задания не должно было вызвать сложностей у учащихся. Массу крупы определяют взвешиванием на рычажных весах, объём – с помощью измерительного цилиндра. Затем определяют насыпную плотность крупы как отношение массы вещества к его объёму. Оценку погрешности изменений можно определить, используя учебник физики для старших классов. Необходимо также учесть, что абсолютную погрешность измерения обычно округляют до одной значащей цифры, а численное значение результата измерений округляют так, чтобы его последняя цифра оказалась в том же разряде, что и цифра погрешности. Для большинства круп их насыпная плотность колеблется в пределах от 700 кг/м³ до 900 кг/м³ (например, для пшена – 860 кг/м³).
2. Для определение отношения плотности вещества к насыпной плотности достаточно измерить высоту уровня сухой крупы в стакане H₀ (при выровненной поверхности крупы) и разность высот уровней воды, налитой в пустой стакан H₁ и после загрузки в стакан крупы H₂. Тогда искомое отношение равно При таком варианте выполнения работы необходимо заранее оценить разумные объёмы крупы и воды, так как часть воды может вылиться, если её будет много, или, наоборот, воды может не хватить для того, чтобы она полностью покрыла крупу. Плотность вещества получается примерно в 2 раза больше, чем насыпная плотность. Некоторые команды предложили и другие варианты постановки эксперимента, определив с помощью воды объём пустот и найдя истинный объём крупы. Неверным мы считали вариант прямого измерения размеров крупинок методом рядов и вычисления объёма одной крупинки. Погрешность измерений в этом случае в несколько раз превысила искомый результат.
3. К стеклянной пластинке с помощью пластилина прикрепляют нить и подвешивают пластинку к чашке весов снизу (выполнять эту часть работы нужно аккуратно, чтобы пластилин не попал на нижнюю часть пластинки). Уравновешивают весы с помощью разновесов или песка. Затем снизу подносят кювету с водой так, чтобы пластинка качалась поверхности воды. На другую чашку весов аккуратно насыпают песок до тех пор, пока пластинка не оторвётся от поверхности воды. Определив затем массу песка, находят значение силы. По результатам опыта многие команды получили прямо пропорциональную зависимость силы от площади поверхности, что хорошо согласуется с теорией.
4. С помощью амперметра и вольтметра измеряются сила тока в катушке и напряжение на концах обмотки. По закону Ома находим сопротивление обмотки: . Из формулы выражаем l: . Удельное сопротивление материала (медь) находим в справочнике, а площадь поперечного сечения провода можно найти по формуле , где D – диаметр провода. Диаметр можно найти методом рядов (вот где иголка пригодится). Длина провода составляет обычно несколько десятков метров (в зависимости от вида катушки). В ответах команд длина провода составляла от 20 см до 508 м.

Итоги олимпиады подводились через 3 суток и были разосланы всем участникам проекта вместе с ответами к задачам. Все материалы олимпиады опубликованы на сайте школы в разделе “Проекты” (http://www.rus-edu.bg/shp/project/physic3/physic.htm). Победителям были высланы по электронной почте дипломы, которые затем распечатывались и вручались каждому участнику команды-призёра.

На основе опыта организации и проведения сетевых олимпиад можно сделать некоторые выводы.

Олимпиада включала в себя задачи практически-исследовательской деятельности. Такие задания, как отметили сами участники олимпиады, вызвали наибольший интерес. В процессе участия в сетевых проектах учащиеся не просто приобретают новые знания, умения и навыки.

• повышается грамотность в широком смысле слова, общая культура учащихся, совершенствуются навыки учебной работы;
• развивается личность ученика, формируются системность и глубина знаний, критическое мышление;
• обогащается социальный опыт: ребята учатся деловитости, умению преодолевать трудности, достойно переживать успехи и неудачи, воспитывается уверенность в своих силах;
• растет коммуникабельность школьников, расширяются контакты с учениками других стран;
• ребята учатся сетевому взаимодействию с учителями и учениками.

Работа учителей в этом направлении сложная, объёмная, но интересная, и должна вовлекать как можно больше школьников.