Решение качественных задач по физике как средство глубокого понимания фундаментальности мироздания

Физика – наука, изучающая физические явления. К физическим явлениям относятся: механические, тепловые, световые, электромагнитные, ядерные. В более широком смысле физика − наука о природе, явлениях, о материальном мире.

Качественная задача по физике содержит разрешаемую проблему, связанную с качественной стороной физического явления. Чтобы ее решить не нужно применят математические действия; нужны логические умозаключения, основанные на законах физики. Ответ на качественную задачу нужно составить, синтезируя данные условия задачи с имеющимися знаниями по предмету. Принцип единства теории и практики при изучении науки физики осуществить, возможно, только решая качественные задачи. Обучение решению качественных задач предупреждает формализм в знаниях учащихся. Как один из важных приемов политехнического обучения, решение качественных задач способствует:

знакомству учащихся с техникой, расширяют их кругозор, являются одним из средств подготовки учащихся к практической деятельности;
глубокому пониманию физических теорий, формированию правильных физических представлений;
приучению учащихся к точной, лаконичной, литературно и технически грамотной речи;
привитию навыка наблюдательности и умения различать физические явления в природе, быту, технике, развитию смекалки, сообразительности, инициативы и творческой фантазии учащихся.

Качественные задачи вызывают большой интерес у учащихся, создают их устойчивое внимание на уроке, позволяют учителю оживить урок эмоционально, увлечь учащихся, активизировать их мыслительную деятельность, разнообразить методы изложения. Их методическая ценность ярко проявляется при изучении разделов курса физики, в которых нет физических формул, и явления рассматриваются лишь с качественной стороны (например, закон инерции, электромагнетизм).

У детей среднего школьного возраста мышление имеет конкретно-образную форму. Подростку более доступны понимание физического закона, основанное на конкретных предметах, на осязаемой наглядности, чем установленную на абстракциях.

Решение качественной задачи можно представить в виде пяти этапов:

знакомство с условиями задачи: чтение текста, разбор чертежа, изучение прибора, и уяснение главного вопроса задачи, то есть определение конечной цели решения задачи;
осознание условий задачи: анализ данных задачи и описанных в ней физических явлений;
составление плана решения задачи: установление причинно-следственной связи между логическими посылками задачи;
осуществление плана решения задачи: синтез данных условия задачи с формулировкой закона и получение ответа на вопрос задачи;
проверка ответа: постановка соответствующего физического эксперимента, решение задачи другим способом, сопоставление полученного ответа с общими принципами и законами физики.

Схематически методику решения качественного вопроса можно представить в виде схемы (см. рисунок).

Приемы решения качественных задач

Эвристический прием. Состоит в постановке и разрешении ряда взаимосвязанных целенаправленных качественных вопросов, каждый из которых имеет свое самостоятельное значение и решение. Есть три формы осуществления этого приема решения:

а) форма наводящих вопросов, которая предполагает постановку учителем ряда вопросов для ответов на них учащихся;

б) вопросно-ответная форма, которая предполагает постановку самим учащимся вопросов и ответов письменном виде;

в) повествовательная (ответная) форма, которая предполагает ответы учащихся на мысленно поставленные перед собой вопросы, сбор тезисов, образующих цельный рассказ.

Графический прием. Составление ответа на вопрос задачи на основании исследования графика функции, чертежа, схемы, рисунка, фотографии и т. п. Он развивает функциональное мышление школьников, приучает их к точности, аккуратности.
Экспериментальный прием. Заключается в получении ответа на вопрос задачи на основании опыта, проведенного в соответствии с ее условием. При правильно поставленном опыте ответ получается быстро, он убедителен и нагляден, далее его сопровождают словесным доказательством.
Интуитивное мышление. Прием выдвижения гипотезы, когда учащиеся, не владеют навыками логического мышления. Надо тщательно рассмотреть любое предложение, любую физическую идею решения задачи, доказать либо ее применимость, либо несостоятельность; завяжется дискуссия.

Решение качественных задач

Физические величины

	Задача	Решение и анализ	Замечание (межпредметные связи математики и физики)
1	Определите средний диаметр одинаковых швейных иголок при помощи масштабной линейки.	Измеряют общую толщину 10-20 иголок, расположенных вплотную и делят на число иголок.	Вспомнить из курса алгебры определение среднеарифметическое нескольких чисел. Провести синтез определения этого понятия в алгебре и физике.
2	В два одинаковых стакана налили чай (см. рисунок) В каком стакане налито больше чая?	В стакане А, так как уровни воды в обоих стаканах одинаковы, но в стакане В находится чайная ложка.	Показать, как с помощью геометрических построений можно смоделировать геометрические свойства света: преломление и отражение.

Строение вещества

3	В первом случае смешали равные объемы ртути и воды и получили удвоенный объем. Во втором случае – равные объемы спирта и воды, получили меньше удвоенного объема. Почему?	Молекулы спирта и воды взаимно проникают в имеющиеся между ними промежутки и вступают в химическое взаимодействие. Вследствие этого объем смеси воды и спирта меньше, чем сумма первоначальных объемов.	Масса смеси в обоих случая одинаковая. Значит плотность второй смеси больше плотности первой смеси. Из области математики вспомнить, что линейную функцию прямой пропорциональности. Масса и плотность или масса и объем есть прямо пропорциональные величины.
4	Чем объясняется, что пыль не спадает даже с поверхности, обращенной вниз?	Частички пыли удерживаются на поверхности силой взаимного притяжения молекул.	Вспомнить, что сила - векторная величина. Вспомнить определение и свойства вектора из математики.
5	Почему при сгибании прутика паяльного олова слышен характерный треск?	Разрушаются связи между кристалликами олова.	При изучении структуры кристаллической решетки твердого тела вспомнить определение геометрические свойства объемных фигур.

Движение и силы

6	Автомобиль и комбайн движутся прямолинейно, так что некоторое время расстояние между ними не меняется. Укажите, относительно каких тел каждый из них в это время находится в покое, и относительно каких тел движется.	Покоятся друг относительно друга; движутся относительно Земли.	Провести синтез понимания координаты движущегося тела, точки относительности в физике и декартовой плоскостью и началом координат в алгебре; векторных величин скорости и перемещения в физики с вектором на координатной плоскости в алгебре (геометрии).
7	При каком физическом условии летчик-спортсмен сумеет посадить самолет на крышу движущегося легкового автомобиля.	Если самолет относительно автомобиля неподвижен, т. е. движется почти горизонтально с той же скоростью относительно Земли, что и автомобиль.	Вспомнить свойство сложения векторов. В частности сложение коллинеарных векторов (векторная геометрия).

Плотность вещества

Два одинаковых ящика наполнены дробью. В одном ящике – крупная дробь, а в другом мелкая. Какой из них имеет большую массу?

Тот, в котором мелкая дробь.

Масса и плотность – прямо пропорциональные величины.

Инерция

9	Капли дождя при резком встряхивании слетают с одежды. Почему?	Вследствие инертности капель воды.	Скорость – векторная величина, время – скалярная величина. Формулу x=v*t нужно рассмотреть со стороны изучения темы «умножение вектора на число»
10	Кирпич кладут на ладонь и ударяют по нему молотком. Рука, держащая кирпич, не ощущает боли от ударов молотка. Почему?	Вследствие инертности кирпич за время удара, не успеет значительно изменить свою скорость и не будет дополнительно давить на держащую его руку. Поэтому она не будет ощущать боли.	Сила, скорость, перемещение – векторные величины. Из алгебры повторить правила сложения векторов и их свойства.

Сила. Явление тяготения. Сила тяжести

В чем главная физическая несуразность истории: Барон Мюнхгаузен в известной повести привял конец веревки к Луне и спускался по ней на Землю.

Сила притяжения Луны препятствует скольжению по веревке к Земле.

Соноправленные и противоположно направленные векторы – геометрия.

Вес тела. Понятие о невесомости

Гулливер, герой известной книги Д. Свифта, в «Путешествии в Бробдинг-нег» рассказывает: «Мальчик нес меня в ящике... Орел, захватив клювом кольцо моего ящика, понес его... Затем вдруг я почувствовал, что падаю отвесно вниз около минуты, но с такой невероятной скоростью, что у меня захватило дух». В каком состоянии движения находился рассказчик?

В состоянии свободного падения, в состоянии невесомости.

Точка – есть нулевой вектор (векторная геометрия). Длина нулевого вектора равна нулю.

Сила трения. Трение в природе и технике

13	Почему мел оставляет след на классной доске?	Когда прижимают мел к доске, создают большую силу трения, которая и отрывает частички мела, - возникает след на доске.	Сила трения и перемещение – прямо пропорциональные величины. Вспомнить определение прямой пропорциональности из алгебры.
14	Какие силы уравновешиваются при равномерном движении автомобиля по горизонтальному участку дороги?	Сила тяги двигателя автомобиля и сумма сил сопротивления воздуха и трения подвижных частей машины.	Сложение векторов в пространстве (векторная геометрия).

Есть много качественных задач, которые учитель может использовать в воспитательных целях, и даже на классных часах. Приведем примеры.

Вред курения

Физическое явление	Вопрос	Ответ
диффузия	Как родители могут узнать курят их дети или нет?	Благодаря диффузии табачный дым хорошо смешивается с воздухом и проникает всюду: в одежду, в волосы, легкие, кровь, лимфу, мозг, рассеивается в помещении. Выдает табачный запах, исходящий от курильщика.
тепловое расширение тел	Почему стоматологи не рекомендуют, есть или же пить холодное сразу же после горячего? Или наоборот?	Чередование холодного и горячего ведет к разрушению зубов вследствие различных температурных коэффициентов расширения эмали и дентина, вследствие быстрого неравномерного нагрева или охлаждения зубов.
тепловые двигатели	Чем вы объясните, что настоящие спортсмены не курят?	Систематическое курение вызывает сужение капиллярных сосудов, в том числе в сердце, нарушается нормальное питание сердечной мышцы, а это в свою очередь способствует развитию ишемической болезни. Курение отнимает 8-10 лет жизни.
звук	Что такое прокуренный голос?	Хроническое раздражение голосовых связок ведет к тому, что голосовая щель сужается, голос утрачивает частоту и звучность, становится хриплым, меняется его тембр.
оптика	Глаза длительно и много курящего человека часто слезятся, краснеют, края век распухают. Почему?	При курении сужаются сосуды, изменяется сетчатка глаза, что ведет к частичной потере светоощущения сначала на зеленый свет, в дальнейшем – на красный и желтый. Это в свою очередь снижает быстроту реакции человека в среднем на 24%. Никотин, действуя на зрительный нерв, вызывает его хроническое воспаление.
радиоактивное излучение	Предельная допустимая доза общего облучения для человека равна 0,05 Гр /грэй/ в год. Облучение от 2 Гр в год приводит к лучевой болезни, 7-8 Гр в год приводит к смерти. Выкуривающий за день 20 сигарет человек, получает облучение в 1,25 Гр. Курение – опасный источник внутреннего радиоактивного облучения. Почему?	В сигаретах находятся тяжелые металлы: свинец (), бериллий (), полоний (). Период полураспада (время, в течение которого масса металла уменьшается в два раза) свинца составляет 22 года, бериллия – 5 суток, полония – 138 суток. Радиоактивный распад описывается такими формулами: При испускании альфа-частиц полоний превращается в стабильный свинец. Гамма-кванты в таких реакциях имеют кинетическую энергию в 0,09 МэВ /9 сотых МегаЭлектронВольт/. Такие реакции в организме человека способны повреждать наследственные структуры – гены и хромосомы. У ребят – это ведет к бесплодию, а у девочек (если она в жизни курила год) в каждом пятом случае во время беременности ребенок погибает, в остальных – рождаются с патологией.

Список литературы:

Лях В.П. Использование литературных материалов при обучении физике (http://vpl54.narod.ru/index.html).
Перельман Я.И. Занимательная физика. — М.: АСТ, 2005. — 473 с.
Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике в средней школе.- М.: Просвещение, 1972. - 240 с.
Шкатулка качественных задач по физике [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.iralebedeva.ru/.1 миля = 1.61e+03 метра