Наибольшие трудности при изучении физики учащиеся испытывают при решении задач, т.е. когда требуется применить знания. Эти трудности приводят учащихся к отказу даже от попытки решать задачу. Но в современных условиях при введении ГИА и ЕГЭ по физике проверяется именно умение применять полученные знания, а не декларировать их, как это было ранее при проведении устных экзаменов в 9 и 11 классе.
Исходя из личного опыта, могу отметить – в школьном курсе физики огромное количество задач разного уровня сложности, направленности, типов, способов и методов решения, но большинство из них группируются вокруг нескольких десятков типичных учебных ситуаций – ключевых ситуаций.
- Опыт изучения ключевых ситуаций – главный итог изучения физики;
- овладение ключевыми ситуациями формирует компетенции в решении задач, раскрывает теснейшую связь между теорией и задачами;
- ключевые ситуации позволяют наглядно показать применение физических законов; ключевую ситуацию можно проанализировать с помощью школьного курса математики.
Для меня в курсе физики 7 класса важными являются ключевые ситуации:
- закон Архимеда (решение расчетных задач),
- КПД простых механизмов.
Задачи
- Ключевая ситуация «Закон Архимеда» (Приложение 1)
- Ключевая ситуация «КПД простых механизмов» (Приложение 2)
При решении подобных задач учащиеся сталкиваются спроблемой: с чего начинать само решение, «как подобрать нужную формулу?»
Поэтому у меня сложилась определенная система работы по снятию такой проблемы:
- решение задач по мере их усложнения (от простого – к сложному),
- подробный анализ условия задачи,
- исследовательский подход
Урок решения задач по разрешению ключевой ситуации «Архимедова сила. Закон Архимеда» провожу после изучения нового материала по данной теме и выполнения лабораторной работы «Определение выталкивающей силы, действующей на погруженное в жидкость тело». Одна из целей урока (развивающая): формировать умения анализировать свойства и явления на основе знаний, выделять главную причину, влияющую на результат, проверить уровень самостоятельности мышления учащихся по применению знаний в различных ситуациях, пользоваться справочными материалами и таблицами, грамотно осуществлять перевод единиц измерения в СИ. Задача №1 подробно анализируется совместно с учащимися, далее с учетом уровня класса и математической подготовленности учащихся предлагаются для самостоятельного решения задачи №2 и№3.
Привожу фрагмент урока
Учитель. Чемвызвано уменьшение веса тела при его погружении в жидкость?
Учащиеся. На погруженное в жидкость тело действует выталкивающая сила.
Учитель. Какова природа выталкивающей силы?
Учащиеся. Выталкивающая сила действует на тело со стороны жидкости. Жидкость давит на дно и стенки сосуда, так же, как и на любое погруженное в нее твердое тело. Давление, действующее на боковые поверхности (грани) погруженного тела, одно и то же на любом выбранном уровне (глубине), значит, равны и силы, действующие на боковые поверхности. Они направлены навстречу друг другу, уравновешивают друг друга, под их действием тело только сжимается. По-другому действует жидкость на верхнюю и нижнюю поверхность (грани). На верхнюю поверхность действует давление столба жидкости высотой h1, а на нижнюю – большее давление столба жидкости h2, т.к. давление жидкости зависит от высоты столба жидкости, отсчитываемого от свободной поверхности жидкости (p = ρgh), h2> h1. Значит, и сила, действующая на тело сверху, меньше силы, действующей снизу. Равнодействующая этих сил, направленная вверх, в сторону действия большей силы, и называется выталкивающей силой (или силой Архимеда). Это полностью подтверждается экспериментом по определению веса тела в воздухе и при погружении в жидкость.
Учитель. Как ее можно рассчитать?
Учащиеся. Надо из большей силы давления, с которой действует жидкость на нижнюю поверхность тела, вычесть меньшую силу – на верхнюю поверхность тела.Или,определить (измерить) вес тела в воздухе и при погружении в жидкость. Затем из веса тела в воздухе вычесть вес тела в жидкости. FA = Р – Р’.Измеряется в ньютонах [1 Н].
Учитель. Как рассчитывается вес тела в воздухе в состоянии покоя?
Учащиеся. Р = mg, где m – масса тела, g – ускорение свободного падения (или g= 9,8 Н/кг). Измеряется в ньютонах [1 Н].
Учитель. Выразите массу тела из данной формулы.
Учащиеся. m = P/g
Учитель. Каким образом можно определить еще величину выталкивающей силы?
Учащиеся. Выталкивающая сила равна весу жидкости в объеме этого тела.
FA = mж g = Pж
Учитель. Сформулируйте закон Архимеда. Запишите формулу закона.
Учащиеся. Тело, погруженное в жидкость или газ, выталкивается вертикально вверх с силой, равной весу жидкости или газа в объеме тела (или его погруженной части). FA = ρжgV’ или при полном погружении тела в жидкость FA = ρжgVm, V’ – объем части тела, погруженной в жидкость, а Vт – объем тела полностью погруженного в жидкость. Таким образом, выталкивающая сила зависит от плотности жидкости, объема тела; не зависит от плотности тела, глубины погружения, положения тела, формы тела. Измеряется в ньютонах [1 Н].
Учитель. Представьте запись формулы закона Архимеда посредством метода треугольника.
Учащиеся.
Учитель. Выразите из формулы все величины, входящие в нее.
Учащиеся. ρж = FA /gVm, g = FA/ρжVm, Vm = FA /ρжg .
Учитель. Каким образом можно определить название металла, из которого изготовлена деталь?
Учащиеся. Определить массу детали и, зная ее объем, рассчитать плотность металла; затем, пользуясь справочной таблицей плотностей – узнать название металла.
Учитель. Дайте определение плотности вещества, запишите расчетную формулу и укажите единицы измерения.
Учащиеся. Плотностью вещества называется физическая величина, равная отношению массы тела к его объему. Физический смысл плотности вещества – какая масса вещества сосредоточена в единице объема тела. ρ = m/V. Единицей измерения плотности является 1 кг/м3, в ряде случаев используется 1 г/см3. 1 г/см3 = 1000 кг/м3.
Учитель. Есть ли возможность по условию задачи или в ходе ее решения определить наличие полостей в теле, погруженном в жидкость?
Учащиеся. Сравнить объем тела и объем вещества, из которого оно изготовлено, если объемы равны, то пустот внутри тела нет; если объем тела больше объема вещества – значит, есть полость.Можно еще сравнить плотность тела и плотность вещества, из которого оно изготовлено.
Учитель. Как рассчитать объем полости в теле?
Учащиеся. Найти объем тела Vт, пользуясь формулой закона Архимеда. По весу тела в воздухе определить объем вещества Vв. Если Vт = Vв – нет полости, если Vт > Vв – есть полость. Объем полости равен разности объема тела и объема вещества V = Vт – Vв.
Решаем задачу №1.
Решение задачи №1 (Приложение 3)
Решение задачи №2 (Приложение 4)
Решение задачи №3 (Приложение 5)
Урок решения задач по разрешению ключевой ситуации «КПД простых механизмов» провожу после изучения нового материала по теме «КПД механизмов» и выполнения лабораторной работы «Определение КПД при подъеме тела по наклонной плоскости» для систематизации знаний учащихся по теме, применения формулы расчета КПД к различным видам простых механизмов и машин (гидравлический пресс). Задачи №1 и №2 (обучающие) подробно анализируется совместно с учащимися, далее с учетом уровня класса и математической подготовленности учащихся предлагаются для самостоятельного решения задачи №3 и№4 (контролирующие).
Привожу фрагмент урока
Учитель. Что такое простой механизм? Какие виды механизмов вы знаете? Каково их назначение?
Учащиеся. Приспособления, служащие для преобразования силы, называются механизмами. К ним относятся: рычаг с его видами (блок, ворот), и наклонная плоскость с ее видами (клин, винт). Механизмы применяют для того, чтобы получить выигрыш в силе, в скорости или чтобы изменить направление силы (для практического удобства).
Учитель. Что такое рычаг?
Учащиеся. Рычаг – это твердое тело, которое может вращатьсявокруг неподвижной опоры. Силы F, действующие на рычаг, могут поворачивать его либо по ходу часовой стрелки, либо – против часовой стрелки. Примеры рычагов: рычажные весы, весла, кусачки, ножницы, качели, локоть человека, шлагбаум, тачка, педаль, дверь, ствол дерева и составляющий его продолжение главный корень и т.д.
Учитель. Что называется плечом силы?
Учащиеся. Плечом силы называется кратчайшее расстояние от точки опоры до линии действия силы (l). Чтобы найти плечо силы, надо из точки опоры опустить перпендикуляр на линию действия силы.
Учитель. Каким образом, пользуясь рычагом, можно получить выигрыш в силе?
Учащиеся. Экспериментально установлено, что рычаг находится в равновесии, если силы, действующие на него, обратно пропорциональны плечам этих сил: F1/F2 = l2/l1. Это правило было установлено Архимедом. Из него следует, что с помощью рычага можно получить выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз одно плечо больше другого.
Учитель. При использовании рычага для подъема или опускания груза на некоторую высоту, каким образом связаны между собой плечи сил и высоты?
Учащиеся.
Учитель. Чем отличаются друг от друга подвижный и неподвижный блоки?
Учащиеся. Блок представляет собой колесо с желобом, по которому пропускают веревку, трос, цепь, нить и т.д. Если ось блока закреплена и при подъеме груза не опускается и не поднимается, то такой блок называется неподвижным. Его можно рассматривать как равноплечный рычаг, у которого плечи сил равны радиусу колеса. Неподвижный блок не дает выигрыша в силе, но позволяет менять направление действия силы.
Ось подвижного блока поднимается и опускается вместе с грузом. В этом блоке плечо к которому прикладывается сила F, в 2 раза больше плеча, на которое действует вес Р груза, поэтому подвижный блок дает выигрыш в силе 2 раза P/F = l2/l1 = 2.
Учитель. Дайте определение механической работы, запишите формулу, укажите единицы измерения.
Учащиеся. Механическая работа – это физическая величина, характеризующая результат действия силы. Она совершается, когда тело двигается под действием приложенной к нему силы (подъем камня, выстрел, движение автомобиля, движение поезда). Если сила приложена, но движения нет, или, наоборот, тело движется по инерции, то работа не совершается.
Механическая работа (А) прямо пропорциональна силе (F) и перемещению (s). Она равна произведению силы на пройденный путь: A=F*s, если на всем пути сила постоянна, а направление силы совпадает с перемещением. Единицей измерения работы является джоуль (Дж). Работу в 1 Дж совершает сила в 1 Н при перемещении на 1 м в направлении силы.
Учитель. Как рассчитать работу по подъему тела на некоторую высоту над поверхностью земли?
Учащиеся. А = mgh; при использовании блоков необходимо помнить о разновидности блока – подвижный или неподвижный, чтобы учесть выигрыш в силе или проигрыш в расстоянии.
Учитель. В чем состоит принципиальное отличие работы полезной от работы совершенной?
Учащиеся. Существуетдва вида работы: Ап– полезно используемая, или просто полезная, и Ас – совершенная (затраченная, полная), которая включает в себя кроме полезной работы еще и работу по преодолению сил трения, сопротивления воздуха и т.п., мешающих движению и совершению полезной работы. Совершенная работа всегда больше полезной работы.
Учитель. В чем состоит «золотое правило» механики? Как понимать: выигрыш и проигрыш?
Учащиеся. Практика показала, что ни один из механизмов не дает выигрыша в работе, т.к. произведение сил, действующих на разные части механизмов, на пути, проходимые этими частями, одинаковы. Это происходит потому, что все механизмы подчиняются правилу: во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии, – это правило называется «золотым правилом» механики. Под выигрышем в силе, расстоянии подразумевается приложение меньшей силы, преодоление меньшего расстояния; проигрыш – приложение большей силы, увеличение перемещения. Таким образом, простые механизмы дают возможность получить выигрыш в силе или в расстоянии, но не в работе!
Учитель. Каков физический смысл КПД механизма?
Учащиеся. Каждое устройство характеризуется величиной, показывающей эффективность совершаемой им работы, – это коэффициент полезного действия (КПД), равный отношению полезной работы к совершенной работе. КПД показывает – какую часть составляет полезная работа от совершенной работы. Расчетная формула
. КПД для удобства выражают в процентах %. Если не использовать процентное выражение, тогда 
(определяется значение КПД в долях 1 для отдельных учащихся со слабой математической подготовкой).
Учитель. Пользуясь формулой КПД, выразите из нее полезную работу, совершенную работу.
Учащиеся. 
; 
.
Учитель. Почему КПД механизмов всегда меньше 100%, меньше 1?
Учащиеся. Полезная работа всегда меньше совершенной работы, т.к. необходимо преодолевать силу трения при движении тел, учитывать массу самого механизма.
При решении задач с КПД рекомендую учащимся обязательно:
- выполнить чертеж с указанием приложенных сил, расстояний (перемещений, плеч рычага);
- записать формулу КПД;
- четко расписать формулы полезной и совершенной работы;
- учесть «золотое правило» механики;
- выразить в ходе математических преобразований искомую величину.
Решаем задачи №1, №2; самостоятельное решение учащимися задач №3, №4
Решение задачи №1 (Приложение 6)
Решение задачи №2 (Приложение 7)
Решение задачи №3(Приложение 8)
Решение задачи №4 (Приложение 9)
Дидактическое обеспечение и список литературы: (Приложение 10)