Пояснительная записка
Количество часов: 16ч.
Образовательная область: физика.
Тип программы: предметно-ориентированная.
Возрастная группа: 9 класс.
Важнейшая задача современной школы – давать подрастающему поколению глубокие и прочные знания основ наук, вырабатывать навыки и умения, применять их на практике.
Процесс познания и образования бесконечен. В этом убеждает нас жизнь и мудрые слова французского писателя Ж. Эрве-Базена:
Все, что я хотел бы знать, – это яблоня.
Все, что я знаю, – ветвь яблони.
Все, что я могу преподать ученикам, – это семечко.
Но из семечка может вырасти яблоня…
Чтобы наше «зернышко» проросло и плодоносило, в нем надо воспитывать навыки практической деятельности, и очень важно сохранить для каждого ребенка возможность развития индивидуальных способностей и таланта, предоставить ему свободу выбора, как в процессе образования, так и развития.
Для всестороннего развития личности необходимы такие понятия и методы исследования, с помощью которых могут быть установлены научные факты. А для установления научных фактов в физике вводится объективная количественная характеристика свойств тел и природных процессов, независящая от субъективных ощущений человека. Введение таких понятий является процессом создания особого языка – языка науки физики. Основу языка физики составляют понятия, называемые физическими величинами. А любая физическая величина должна быть измерена, так как без измерений физических величин нет и физики. Решением данной проблемы является элективный курс: «Физические величины. Единицы измерения и методы измерения физических величин».
Данный элективный курс ставит своей целью: дать возможность учащимся познакомиться с разными системами измерения физических величин (в частности таких как СГС, СИ), основными методами физической науки, овладеть измерительными и экспериментальными умениями и навыками, так как Федеральный компонент государственного стандарта общего; образования включает умения и навыки использования физических приборов и измерительных инструментов для измерения физических величин и представлять результаты измерений с помощью таблиц, графиков и выявлять на этой основе эмпирическую зависимость.
Задачи курса:
- Познакомить учащихся девятого класса со сведениями из истории метрической системы мер.
- Расширить знания учащихся о физических понятиях: физическая величина, измерительные приборы, методы измерения, погрешности измерения, экспериментальные исследования.
- Привить учащимся навыки использования измерительных приборов и обеспечить понимание ими того факта, что ни один прибор не даёт абсолютно точных значений измеряемой величины.
- Научить учащихся делать вывод в соответствии; с поставленной задачей исследования, анализируя результаты эксперимента.
- Раскрыть роль измерений в технике; показать, что в науке и технике очень часто одни величины измеряются с помощью других, связанных с ними величин.
- Сформировать навык соблюдения правил техники безопасности.
- Формировать коммуникативные способности учащихся, умения работать в группах и парах сменного состава.
- Развивать способности к созидательной деятельности, толерантности, терпимости к чужому мнению, умению вести диалог, выступать перед коллективом.
- Предоставить учащимся возможность удовлетворить индивидуальный интерес к изучению практических приложений физики в процессе познавательной и творческой деятельности при проведении самостоятельных экспериментов и исследований.
Актуальность.
С 1 января 1963 года введена международная система единиц (The system of the International), сокращенно обозначаемая СИ. Устанавливается её предпочтительное применение во всех областях науки, техники, а также при преподавании. Наряду с международной системой единиц СИ используются единицы измерения системы СГС как в вузовских учебниках, справочниках, так и на практике. Вследствие этого появилась необходимость углублённого изучения физических величин и единиц измерения, с рассмотрением их роли в технике, а также сведений из истории метрической системы мер, способов измерения этих величин (прямых и косвенных измерений) с использованием датчиков исполнительных устройств.
Наряду с выше изложенным нельзя не отметить тот факт, что задания ЕГЭ предусматривают знания формул, законов физики, выбор оптимального способа решения, корректного представления решения, но и умения работать с размерностями физических величин и их переводом.
- Методологические положения программы
Курс адаптирован на стандартную программу изучения физики в средней школе и привлекает к использованию увлекательную учебную и научно-популярную литературу.
Задачи элективного курса реализуются через индивидуальные и групповые формы работы, построенные на широком использовании эвристических методов обучения и заданий когнитивного, креативного и деятельностного типа. Проведение занятий по курсу предполагается в виде уроков-лекций с элементами беседы и СЛС (структурно-логических схем); практических занятий с выполнением лабораторных работ и экспериментальных заданий.
Основной формой контроля приобретённых знаний является публичная защита лабораторных работ, демонстрация приборов, созданных учащимися.
Текущий контроль проводится через тестирование, подготовку сообщений, компьютерных презентаций.
Краткое описание структуры и содержание разделов программы
Во введении (Модуль 1) даётся понятие физической величины, измерение физической величины, основные, производные единицы и система единиц.
Как часто при изучении физики мы говорим физическая величина, ее определение и измерение. Наша задача состоит в том, чтобы разобраться в смысле, который мы вкладываем в эти слова. (Никогда не следует употреблять слова, смысл которых неясен, т.к. от этого в жизни возникает много недоразумений). И одним из первых шагов в научном познании является установление фактов и их описание, что описание объекта или явления в физике отличается от описания в гуманитарных науках тем, что оно является количественным.
Конечно, можно сказать, например, что данный проводник хуже проводит электрический ток, чем другой. Это фраза тоже описание, но описание на повседневном языке, которое не устраивает физику как точную науку. С точки зрения физики описание будет удовлетворительным, если будет установлена количественная характеристика для свойства этого проводника, которая называется сопротивлением. Следовательно, физическая величина – это характеристика свойств объектов. Но физическая величина может быть характеристикой не только объекта, но и явления, а также физическая величина имеет числовое значение и принятую единицу физической величины.
Таким образом: Физическая величина – это характеристика свойств физических объектов или явлений, имеющая числовое значение, которое получается в результате измерений.
Измерить физическую величину – значит сравнить ее с другой величиной, условно принятой за единицу измерения.
Единицы физических величин устанавливаются произвольно. Можно для каждой величины выбрать свою единицу независимую от других величин. Однако удобнее взять несколько независимых величин и установить для них единицы измерения, а остальные – выразить через эти величины, используя физические закономерности.
Те единицы, которые устанавливаются независимо от других величин, называются основными единицами.
Единицы, полученные из основных с использованием формул физических законов, называется производными единицами.
Например, в механике за основные единицы приняты: длина, масса, время.
Тогда единицы остальных величин: работа, мощность, скорость, энергия и т.д. выражаются через эти основные единицы. Производные единицы обладают размерностью. Размерность производной единицы – это выражение ее через основные единицы.
Например, F = ma, поэтому размерность единицы силы
[F] = кг*м/с^2 = 1м
В системе СГС:
- единица силы 1 дина. 1 Н = 105 дин
- единица механической работы 1 эрг. 1 Дж = 107 эрг.
Совокупность основных и производных единиц измерения физических величин, называются системой единиц.
В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам весам были приняты новые определения метра и секунды и утверждена Международная система единиц. (СИ – система интернациональная). Устанавливается ее предпочтительное применение во всех областях, науки, техники и народного хозяйства, а также при преподавании.
Однако в ряде случаев приводятся также единицы системы СГС, основными единицами которой являются сантиметр (см), грамм (г.) и секунда (с.). В СИ имеется семь основных и две дополнительные единицы.
Модуль 2 формирует у учащихся понимание основных и дополнительных единиц измерения физических величин через подробное объяснение единиц длины, массы, времени. Здесь же приводится краткий исторический обзор возникновения метрической системы мер, включая древнерусские меры и единицы, используемые в Англии и США.
Единица длины
В настоящее время используется несколько единиц измерения длины, например: метр, дюйм, фут, миля.
Почти во всех странах, за исключением США и страны Британского содружества, принята метрическая система. Хотя английская система мер принята в США в качестве официальной системы, американские ученые, однако, пользуются почти исключительно метрической системой.
Первоначально метр был определен через расстояние от Северного полюса до Экватора, которое составляет около 10000 км или 107 м. Эталоном метра служит расстояние между осями двух средних штрихов на платиновом стержне, хранящимся в Севре (Франция) в Международном бюро Мер и Весов при 0оС и нормальном атмосферном давлении. Однако Мать-Природа позаботилась о том, чтобы обеспечить нас несравненно более точной единицей длины, нежели расстояние между двумя штрихами на куске металла.
Это длина световой волны, соответствующей узкой спектральной линии, т.е. метр – длина, равная 1650763,73 длин волн излучения в вакууме, оранжевого цвета изотопа криптона – 36.
Американский дюйм связан с Международным метром следующим образом: 1 дюйм в точности равен 2,54 см. В повседневной практике часто возникает необходимость прежде всего перевести английские единицы в метрические. В таблице № 1 (смотри приложение) приведены различные длины, с которыми имеют дело в физике: от самых малых (размер элементарных частиц) до самых больших (расстояние до самых удаленных из наблюдавшихся галактик).
Единица времени
Время – это физическая категория, поэтому его определение должно исходить из определенных законов физики утверждаю, что период вращения Земли должен оставаться постоянным с очень высокой степенью точности. Этот факт можно использовать для определения основной единицы времени, которая называется средними солнечными сутками. Кроме того, согласно законом физики, период колебаний пластинки кристалла в генераторе с кварцевой стабилизацией частоты должен оставаться постоянным, если не меняются температура и другие внешние условия. Таким образом, на основе электронного генератора можно сделать очень точные часы. То же можно сказать о частоте колебаний атомов в молекуле. И действительно атомные часы, которые «считают» эти колебания, являются самыми точными часами в мире. Основная единица времени, применяемая как в английской, так и в метрической системах, - это секунда.
В таблице 2 (смотри приложение) приведены физические интервалы времени, начиная с возраста Земли и кончая интервалом, за который свет пересекает элементарную частицу.
1 секунда [с] первоначально определялась, как 1/86400 часть средних
солнечных суток. При современном уровне измерений времени обнаружилось, что длительность средних солнечных суток изменяется от года к году. Точность определения секунды необходимо было увеличить, и в 1960 г. было принято ее определение:
1 с = 1/31556925,9747 часть тропического года, начавшегося в полдень 31 декабря 1899 г., т.е., определенного тропического года на рубеже XIX и XX веков.
В настоящее время на XIII Генеральной конференции по мерам и весам в 1967 году принято спектральное определение секунды:
одна секунда – это время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Единица массы.
Масса – тоже физическая категория. В основе ее определения также должны лежать законы физики.
1 килограмм [кг] первоначально была задумана, как масса 1 дм3 дистиллированной воды при 4оС (наибольшая).
В настоящее время: 1 килограмм – масса, равная массе Международного прототипа килограмма, который хранится в Париже в Международном Бюро Мер и Весов. Этот образец представляет собой цилиндр из платино-иридиевого сплава высотой 39 мм и диаметром 39 мм.
В английской системе за единицу массы принимается фунт [ф].
Один килограмм равен 2,204 ф.
В таблице 3 (смотри приложение) приведены значения масс, встречающиеся в физике.
Единица количества вещества
1 моль [моль] устанавливается для каждого вещества или системы частиц.
Один моль – это количества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в массе 0,012 кг Нуклида углерода С12
Происхождение мер. Или немного истории.
Первые единицы измерений были основаны на длине различных частей тела. так, древние египтяне в качестве единицы измерений длины использовали локоть, ладонь и палец (ширину или толщину пальца)
- 1 ладонь = четырем пальцам
- 1 локоть = расстоянию от локтя до кончика среднего пальца
- 1 локоть = семи ладоням
Римская система мер.
Древние римляне для измерения расстояний использовали длину ступни. Для измерения меньших величин они делили ступню (фут) на 12 пальцев (ширина большого пальца) эта величина носила название унция.
Термин «дюйм» происходит от латинского слова «унция». Большие расстояния римляне измеряли в пасах, причем каждый пас представлял собой величину, равную двум шагам. Тысяча пасов составляли одну милю. Слово «миля» происходит от латинского милле, что означает «тысяча».
Ярды
Торговцы тканями изобрели особую единицу измерений, получившую названии ярд один ярд равен длине куска ткани, натянутого от подбородка до кончиков пальцев.
Стандартные единицы
Любая единица измерений может существовать до тех пор, пока все люди будут ею пользоваться. При использовании в качестве меры длины использовании в качестве меры длины различных частей тела возникает серьезная проблема, связанная с индивидуальными особенностями и размерами тела разных людей. Около 900 лет назад король Англии Генрих I издал закон о том, что все ярды должны иметь строго одинаковую величину. В качестве таковой было выбрано расстояние от подбородка до кончиков пальцев руки самого короля. Позднее другие законы предусматривали в качестве образца другие меры. Эти меры получали название имперских, или стандартных, единиц, и ими до сих пор пользуются в некоторых странах.
Приведем в качестве примера некоторые единицы и их переводы в единицы СИ, которые еще встречаются на практике и в художественной литературе.
Старые русские единицы и их перевод в единицы СИ, (или в кратные и дольные от них).
I Единицы длины.
- Дюйм = 25,4 мм
- Вершок = 44,4 мм
- Фут = 304,8 мм
- Аршин = 71,1 см
- Сажень =213,4 см
- Верста = 500 саженям = ;1066,8 м;1066,8 м 1,07 км
II Единицы массы
- Золотник = 4,27 г.
- Фунт = 96 золотникам = 409,5 г = 40 фунтам
- Пуд =16,4 кг
III Единица скорости
- Верста в час =1,07 км/ч = 0,30 м/с
Некоторые древнерусские меры
- Локоть (мера длины, равная длине локтевой кости) числовое значение меры колеблется от 38 до ;46 см;;46 см.
- Сажень косая (мера длины, равная расстоянию от пальцев девой ноги до конца пальцев правой руки, вытянутой по диагонали). Мера имела два числовых значения – 216 или ;248 см;;248 см.
- Сажень простая (мера длины, равная размаху рук от концов пальцев одной руки до концов пальцев другой). Мера имела два числовых значения – 152 или; 176 см;176 см.
- Пядь – мера длины, равная расстоянию между концами растянутых пальцев одной руки – большого и указательного числовое значение пяди колебалось от 18 до ;23 см;;23 см.
Единицы, применяемые в Англии и США, и их перевод в единицы Сu (или в краткие и дольные от них)
I Единицы длины
- Миля =1,609 км
- Морская миля = ;1,852 км;;1,852 км
- Кабельтов = ;185,2 м;;185,2 м
- Ярд = ;914,4 мм;;914,4 мм
- Фут = ;304,8 мм;;304,8 мм
- Дюйм = ;25,4 мм;;25,4 мм
II Единицы площади
- Акр = 4046,9 м2
III Единицы объема, вместимости
Галлон (Англия) = 4,5 л
IV Единицы массы
Фунт (торговый) = 453,6 г
IV Единицы скорости
Фут в секунду = 0,30 м/с
При изучении курса физики часто приходиться сталкиваться с приставками десятичных кратных и дольных единиц, что вызывает определенные трудности у учащихся при их переводе. Поэтому в программу элективного курса включены наиболее часто встречающиеся приставки десятичных кратных и дольных единиц и практическая отработка их на занятиях данного элективного курса.
Модуль 3 знакомит школьников с такими понятиями, как размер и значение физической величины, поясняет, что такое мера и что называется измерительным прибором, какие измерения называются прямыми, что такое абсолютная и относительная погрешности измерений. Теоретическое знакомство связано с выполнением лабораторной работы и творческого задания.
Модуль 4 предусматривает выполнение лабораторных работ и творческих экспериментальных заданий (изготовление самодельных приборов).
Лабораторные работы.
- Измерение длины с помощью масштабной линейки и микрометра.
- Изучение правил пользования штангенциркулем. Измерение диаметра и глубины отверстия, диаметра шарика и проволоки.
- Изучение правил пользования секундомером, измерение времени падения шарика в вязкой жидкости.
- Поиск способа выделить из набора различных тел искомые тела из указанного вещества. Измерение плотностей различных веществ при построении графика зависимости m=f(V).
- Измерение ускорения свободного падения с помощью падающего цилиндра.
- Исследование зависимости дальности полёта тела от угла бросания.
- Учитель по-своему усмотрению может вносить свои изменения в предложенный перечень лабораторных работ.
Модуль 5 является заключительным, в рамках которого проводится итоговая конференция с презентацией приборов, созданных учащимися.
Ожидаемые результаты
- Как показала практика, что недостаточное количество часов отведенное на изучение темы «Физические величины. Единицы измерения и способы их измерения», вызывает трудности при переводе физических величин в Международную систему единиц (СИ). Это сказывается на качестве решений задач и вычислении погрешностей при выполнении лабораторных работ.
- Предлагаемый элективный курс позволит избежать допускаемых ошибок при решении расчетных задач, выполнения практических работ и сократит длительность времени на переводы физических величин и вычисление погрешностей.
- Знакомство с историей метрических мер, активного участия ребят на семинарских занятиях, выполнения самостоятельных практических заданий повысит их интерес к изучаемому курсу физики. Ведь не для кого не секрет, что многие ребята считают физику предметом трудным и неинтересным. Наша задача состоит в том, чтобы доказать обратное, и выполнить главную заповедь врачей: «Не навреди!»