Для успешного участия школьников в конкурсах исследовательских работ часто возникает проблема правильного выбора темы исследования, И это очень актуально. Давно известно, что реферативные работы на серьёзных конференциях просто не принимаются к рассмотрению. Поэтому учитель, желающий стать научным руководителем своего ученика, нередко пребывает в мучительных раздумьях по поводу отбора вопросов, которые можно было бы взять за основную идею исследовательского проекта школьника. Дело в том, что для работы по физике обязательно нужно проводить эксперименты и также, как в любой исследовательской работе по другим предметам, необходимо наличие какой-то своей идеи, так называемой “новизны”. Без этих двух основополагающих факторов (эксперименты и новизна) рассчитывать на успех при выступлениях на конкурсах не приходится. В связи с этим можно дать некоторые рекомендации и привести конкретные примеры.
- Во-первых, нужно посмотреть каким оборудованием обладает кабинет физики. А при написании работ междисциплинарного характера, следует проконсультироваться с другими педагогами, преподающими эти предметы.
- Во-вторых, следует рассмотреть возможность приобретения необходимого оборудования или в другой организации (на время), или же приобретения через торговую сеть, включая возможности Интернета. Кстати, Интернет даёт достаточно интересные перспективы, так как там представлен весьма широкий спектр приборов и материалов, которые могут позволить выполнить конкурентоспособную исследовательскую работу.
- В-третьих, если есть возможность, можно воспользоваться (непосредственно на месте) оборудованием какого-либо высшего учебного заведения или исследовательской лаборатории другой организации. В таком случае спектр очень широк: от исследований и измерений для завода или фермы до криминалистической экспертизы.
В качестве примера выбора тем для проектов школьников рассмотрим аннотации, тезисы или введения к некоторым ученическим исследовательским работам, отмеченным на конкурсах различного уровня. При этом возьмём тематику, не требующую очень сложного и дорогостоящего оборудования.
Условия плавания тел (5 или 7 класс)
Цель данной работы – изучить условия плавания тел. Это очень интересная и важная тема. Только благодаря знаниям, приобретённым по данному вопросу, человечество смогло научиться плавать не только на плоту или лодке, выдолбленной из единого куска дерева, но и на огромных кораблях, сделанных из железа, плотность которого намного больше, чем у воды. Кроме того люди научились делать подводные лодки, которые способны плавать на различной глубине и, конечно же, всплывать на поверхность.
Задача работы – изучить закон Архимеда, лежащий в основе выбранной темы и рассмотреть его применение на практике. Для этого авторы изучали теоретический материал, проводили эксперименты и делали физические приборы. Таким образом, объектом исследования была выталкивающая сила, иначе называемая архимедовой силой.
Гипотеза: при подробном изучении примеров на применение закона Архимеда могут быть найдены какие-нибудь парадоксы, которые можно объяснить, только при более глубоком понимании закона. В этом случае простого механического использования закона для рассмотрения условий плавания будет недостаточно.
Новизной работы стало привлечение к рассмотрению парадокса закона Архимеда, когда судно может плавать в жидкости, объём которой значительно меньше объёма жидкости, вытесняемой данным телом.
Электрические свойства растений
10 класс
Секция биологии
Данная работа представляет собой исследование в области биофизики с целью изучения ряда электрических свойств растений, позволяющих биологическим структурам не только исполнять и контролировать процессы своей жизнедеятельности, но и проявлять достаточно четко ответные реакции на воздействия различного рода (механические повреждения, химические и термические ожоги и т.д.).
Задача работы - проведение экспериментов по изучению ряда электрических свойств растений, а также анализ полученных результатов, с последующим внесением авторских предложений. По результатам экспериментов, связанных с электрическими свойствами растений, а также с влиянием атмосферного электричества (применялось экранирование) авторы рассмотрели различные зависимости, построили графики, сделали выводы и обобщения, а для наиболее успешного проведения исследований подобного рода была предложена конструкция нового прибора, наиболее соответствующая требованиям, предъявляемым к экспериментам в подобных случаях. Это является основным элементом новизны в данной работе. Но помимо прибора, авторами был предложен метод фиксирования различных фаз развития растений с помощью современной копировальной техники.
Практическая значимость работы заключается в том, что авторами предложена конструкция прибора, позволяющего изучать электрические свойства растений в полевых условиях или же при проведения экспериментов по физике и биологии в условиях школы. Кроме того предложен информационно-содержательный способ фиксирования внешнего вида исследуемых образцов растений, основанный на использовании современной копировальной техники.
В процессе выполнения работы авторами был изучен достаточно широкий круг современной литературы по выбранной теме. Это издания Соровского фонда и новые учебники по медицинской и биологической физике.
Физика слуха
10 класс
Секция биологии
Биофизика наука, которая изучает физические и физико-химические процессы в живых организмах, а также ультраструктуру биологических систем на всех уровнях организации – от субмолекулярного и молекулярного до клетки и организма в целом.
Цель данной работы – рассмотреть физические принципы слуховых ощущений человека, провести эксперименты, проанализировать результаты и внести авторские предложения по изучаемой теме.
Задача – изучить разделы медицинской и биологической физики, касающиеся соответствующих выбранной теме вопросов акустики, ознакомиться с клинической картиной соответствующих профессиональных заболеваний, а также заболеваний, связанных с возрастными изменениями слухового аппарата. Кроме этого, достаточное внимание необходимо было уделить аппаратуре, которую можно использовать в данном направлении медицины. При этом следует отметить, что выбранная тема актуальна не только для людей старшего возраста или тех, кто работает в условиях повышенного уровня шума, или получил баротравму. Дело в том, что современные молодые люди, слушая громкую музыку на дискотеках, через наушники и т.д., тоже попадают в группу риска. Поэтому тема исследования важная, нужная и изучалась авторами достаточно всесторонне.
Из физики здесь привлекаются к рассмотрению следующие вопросы: механические и электрические колебания, частота колебаний, длина волны, разность фаз, амплитуда колебаний, дифракция, спектральный состав, давление и сила давления, рычаг и правило моментов. По математике рассматривается тема из старших классов “Логарифмы”. Необходимость привлечения в работу этой темы связана с тем, что раздражение и наши ощущения связаны логарифмической зависимостью. Если бы природой использовался более простой вариант прямо пропорциональной зависимости, то наши “приёмники” ? уши и глаза ? зашкаливало бы уже даже при незначительных нарастаниях сигнала раздражения.
Эксперименты, которые были проведены в процессе работы над темой, представляют собой исследование порога восприятия звуков для лиц разных возрастных категорий и рода деятельности. Для этого использовалась специальная компьютерная программа, позволяющая определить спектр частот, которые слышит тот или иной человек.
К авторским идеям можно отнести объяснение изменения толщины волосковых клеток при изучении вопроса о кохлеарной акустической эмиссии. А именно, в данном случае напрашивается сравнение с резонансом для звуковых колебаний. Так же как пластины разной длины частотомера реагируют на внешние колебания той же частоты, что и собственная частота колебаний той или иной пластины, так и волосковые клетки, изменяя размер, настраиваются на определённый сигнал, как если бы мы крутили ручку настройки колебательного контура радиоприёмника. Лауреатом Нобелевской премии Бекеши было установлено, что резонаторная теория не подходит для основной (базилярной) мембраны, которая проходит вдоль улитки – главной части внутреннего уха, преобразующей механические колебания в электрический сигнал. Но не может быть, чтобы явление резонанса не использовалось в каких-то других структурах звукоприёмника, то есть уха.
Практическую значимость работы повышает то, что в результате неё была создана авторская разработка электронного медицинского фонендоскопа. Это и есть новизна проекта.
Сила трения
4 класс
Цель данной работы – изучить вопросы, связанные с возникновением трения. Эта тема, казалось бы, давно известная, остаётся по-прежнему актуальной, так как вопрос о силе трения полностью не решен ни физиками, ни математиками, тогда как трение – одна из важнейших проблем, например, для машиностроения. Задача работы – провести эксперименты, позволяющие исследовать, от чего зависит сила трения. Таким образом, объектом исследования является трение.
Гипотеза: мир без трения был бы не узнаваем и ужасен. Не было бы развития цивилизации, ведь наши предки с помощью него добывали огонь. Технический прогресс при отсутствии колеса должен был стать каким-то другим. Кроме того, возможно, что трение – один из источников внутреннего тепла Земли.
Практическая значимость работы состоит в том, что она посвящена теории трения, которая до сих пор не является завершенной. Но для того, чтобы привлечь новых будущих исследователей их нужно заинтересовать проблемой. А для этого можно использовать материал данной работы.
Новизной в работе будет гипотеза об уменьшении молекулярного трения под большими горными массивами из-за большого давления. А это должно приводить к увеличению их подвижности. То есть повышать возможность землетрясений.
Математика силы трения
10 класс
Секция математики
Выбранная тема является актуальной, так как вопрос о силе трения до сих пор полностью не решен ни физиками, ни математиками.
Трение – это процесс, сопровождающийся выделением теплоты, электризацией тел, их разрушением и т. д. Без него наш мир был бы неузнаваем. Кажущаяся простота школьных экспериментов и учебников? лишь вершина айсберга. Трение – одна из важнейших проблем, например, для машиностроения. Цель данной работы – принять участие в исследовательской деятельности по вопросам, связанным с математической базой, обеспечивающей плодотворную работу физиков-экспериментаторов.
Задача работы - рассмотрение причин возникновения трения и изучение привлекаемого математического аппарата, а также поиск новых математических ресурсов для описания происходящих процессов, и как следствие этого, внесение собственных предложений. Поэтому данная работа содержит, как уже ставшее довольно стандартным, рассмотрение изучаемых явлений с помощью математических моделей, так и элементы фрактальной геометрии, являющейся достаточно новой и к тому же очень перспективной областью математики.
Новизной работы являются авторские подходы, связанные с математикой силы трения. Это вопросы, касающиеся геометрического трения и составления таблицы сравнения, описывающей процессы с точки зрения и физики, и математики. Оригинальная авторская модель перераспределения энергии при движении осциллятора позволяет с помощью геометрических образов сделать наглядными физические процессы, происходящие в системе, включая возможность эффективного анализа фазового портрета модели. Но особенно инновационным можно считать привлечение фрактальной геометрии при рассмотрении контактирующих в процессе трения поверхностей.
Практическая значимость работы состоит в том, что она посвящена теории трения, которая, несмотря на совместные усилия ученых, не является завершенной теорией. Автором была изучена самая современная литература: Соросовские журналы, энциклопедии и стандартная учебная литература. По данной тематике в мире публикуется более 700 статей ежегодно.
Измерение влажности воздуха и устройства для её измерения и корректировки
8 или 9 класс
Определение влажности имеет огромное значение при исследовании различных атмосферных явлений. Её измерение и регулирование необходимо для некоторых видов производств (ткацкое, кондитерское и др.), в жилых отсеках космических кораблей, в библиотеках, музеях, складах и т.д. Следовательно, выбранная тема является актуальной и перспективной.
Цель работы ? изучение методов измерения влажности воздуха и рассмотрение их практического применения для изготовления приборов измеряющих или изменяющих содержание влаги в воздухе.
Задачи:
1. Сбор материала по выбранной теме, изготовление самодельных приборов, регистрирующих влажность воздуха или её изменение и работа с ними. Снятие показаний и обработка результатов с самодельных и заводских приборов, а также датчика влажности подключаемого к компьютеру.
2. Воплощение самостоятельных творческих технических идей в виде конкретных изделий, имеющих практическое значение и достаточно хорошо работающих по выбранной схеме и в заданном режиме.
Новизной, в данном случае, стали авторские разработки:
1. Конденсационные гигрометры а) с применением мультиметра с датчиком температуры, б) на базе элемента Пельтье;
2. Осушитель воздуха на элементе Пельтье;
3. Вариант простого автоматического механического устройства для регулирования влажности внутри помещений;
4. Устройство для вынужденной конвекции воздуха;
5. Электрические схемы применения датчика влажности воздуха в салоне легкового автомобиля для включения обогрева заднего или ветрового стекла. Рассмотренная модель, возможно, могла бы представлять интерес для отечественного автомобилестроения. Самодельный прибор авторской конструкции успешно эксплуатируется уже более трёх лет, что повышает практическую значимость этой части работы.
6. Разработка несложной компьютерной программы для определения влажности воздуха.
Теоретический материал данной работы может использоваться при проведении занятий со школьниками. В качестве основной литературы при изучении темы и проведении исследований были взяты учебники физики, прикладной физики, по электрооборудованию автомобилей и холодильников, а также материалы из различных журналов для радиолюбителей: “Радиомир”, “Радиолюбитель”, “Электроника” и др.
Инфракрасное излучение – окно в невидимый мир
11 класс
Электромагнитные волны – фактически главный источник информации об окружающем нас мире. С некоторых пор в руках у человечества появилась даже всеволновая астрономия, позволяющая землянам раскрывать тайны отдалённых уголков Вселенной. Для постижения же и освоения человеком ближайшей среды обитания, то есть физических явлений и процессов, сама природа предназначила в первую очередь электромагнитные волны (видимое излучение). Рецепторы кожных покровов воспринимают также тепловое (инфракрасное) излучение. Отдельные представители живой природы имеют возможность более широкого использования излучения “справа” и “слева” от видимого диапазона.
Цель данной работы – изучив теоретический материал об инфракрасном излучении и его свойствах, изготовить приборы, позволяющие регистрировать данное излучение и получать изображения в этом диапазоне длин волн.
Объект исследования – инфракрасное излучение. Предмет исследования – свойства инфракрасного излучения, позволяющие его регистрировать. Задача исследования – собрать материал по выбранной теме, изготовить приборы чувствительные к инфракрасному излучению, используя инфракрасные источники и приёмники, а также компьютерные программы.
Практическая значимость работы – создание комплекта приборов, позволяющих фиксировать наличие инфракрасного сигнала или изображений в инфракрасных лучах, что может, например, использоваться в криминалистике или в учебном процессе. А это повышает актуальность данного исследования, так как позволяет применить невидимое для человеческого глаза излучение в практических целях, расширяя возможности нашего восприятия окружающего мира. А это немаловажно и для узкого специалиста ? криминалиста, и для обычного обучающегося, изучающего физику.
Новизной работы стало изготовление приборов, позволяющих получать инфракрасные изображения или фиксировать наличие данного вида излучения.
Для получения изображений – это камера сотового телефона, инфракрасный сканер (для плоских предметов) и устройство на базе веб-камеры (для объёмных предметов).
Для регистрации наличия излучения:
1. Фотодиод, фиксирующий принятый сигнал с помощью компьютерной программы “Осциллоскоп”;
2. Элемент Зеебека с гальванометром.