Формування фізичних компетентностей учнів шляхом розв’язування завдань з розширеним змістом

Формування фізичних компетентностей учнів шляхом розв’язування завдань з розширеним змістом

Основним результатом вивчення курсу фізики мають бути не завчені формули, означення та закони, а вміння аналізувати, знаходити, застосовувати у повсякденному житті – сформовані компетентності.

Великий обсяг та складність програмового матеріалу доволі часто не лишають часу на глибоке розуміння та розв’язування складних фізичних процесів та явищ. Одним із способів вирішити цю проблему є активізація навчального процесу та залучення самих учнів до процесу дослідження.

Щоб самостійна робота сприяла формуванню ініціативи і пізнавальних здібностей учнів, потрібно пропонувати такі завдання, виконання яких не допускало б дій по готовим рецептам і шаблоном. Тільки тоді буде досягнутий потрібний результат.

Важливо навчити учнів бачити практичне застосування своїх знань у повсякденному житті. Тому серед величезної кількості одноманітних, на думку пересічного учня, задач, на розв’язання яких витрачаються лічені хвилини необхідні задачі, що вирізняються своїм «обличчям».

 Для складання таких задач можна використати:

• історичний матеріал;
• публікації із засобів масової інформації;
• життєві ситуації;
• новини технологій.

 Варто пояснити учням, що розв'язки таких задач потребують пошуку додаткової інформації, передбачають  здійснення аналізу можливих похибок, іноді такі задачі спонукають до подальшої проектної діяльності

Крок перший –  ввідна інформація, невеличка передісторія;

Другий – пошук додаткових даних;

Третій – пошук математичної моделі, розв’язання;

Четвертий – оцінка одержаних результатів;

П’ятий – оцінка можливості подальшого застосування результатів, додаткове дослідження (проект).

1. Нафтобаза

Довжина нафтопроводу від родовища Соколова балка (Новосанжарський район Полтавської області) до Кременчуцького нафтопереробного заводу за температури 0 °С становить 110 км. Цей нафтопровід знаходиться у землі та додатково оснащений температурними компенсаторами.

1.                  На скільки зростала би довжина сталевого нафтопроводу  у разі сезонної зміни температури від -35  °С до +45 °С ? Температурний коефіцієнт лінійного розширення сталі візьміть із довідника.
2.                  Для технічних цілей  працівникам нафтобази необхідно знайти додаткову ємність. В наявності є цистерна, що  вміщує в себе 2000 кг води. Скільки  літрів бензину за потреби  можна  в неї налити?
3.                  У переважній більшості країн об’єм видобутої нафти обчилюють у барелях. Слово «барель» в англійській мові означає «бочка, діжка». Один барель нафти дорівнює 158,76 л. Виразіть відповідь попереднього завдання у барелях.
4.                  При перегонці нафти її нагрівають, в результаті чого із суміші спочатку відділяється бензин, лігроїн, потім гас, дизельне паливо і т.д. що можна сказати про температуру кипіння цих речовин?

2. Бетонна колона

Колони найбільших храмів античності практично не перевищували висоту 20 м. А яку найбільшу висоту може мати колона, виготовлена з бетону, що не зруйнується під дією власної сили тяжіння, якщо максимально допустимий тиск бетону становить 5000 кПа.

Проект: Розрахунок тиску на підлогу сільської печі.

3. Батискаф

Для вимірюванні глибини занурення у підводній техніці зараз використовується  різновид  манометра - глибиномір. Та до створення і удосконалення останнього досить довго  використовували звичайний манометр. У 1960 році Жак Піккар разом із лейтенантом військово-морського флоту Доном Уолшом на  батискафі «Трієст» опустилися на дно Маріанського жолобу.

3.1 Манометр на батискафі показував, що тиск води становить 110 атм.  На якій глибини знаходився в цей момент батискаф?

3.2 Проект: Принцип дії та застосування глибиноміра.

4. Пожежна драбина

31 жовтня 2017, Радіо Трек: «У Рівному планують купити нову пожежну драбину, адже старій драбині, якою користуються пожежники, 25 років. На щастя, 30-метрових драбин у Рівному є дві. Планується також  придбання  автомобіля швидкого реагування з насосом підвищеного тиску, який зможе подавати воду на висоту 150 метрів.»

1.                  Висоті якого поверху відповідає дане значення, якщо висота одного поверху близько 3-х метрів?
2.                  Який саме тиск повинен створювати такий насос? 
3.                  Проект: сучасні тенденції в пожежогасінні.

5. Повітряні кулі

Подільське місто  Кам’янець-Подільський  декілька разів на рік скликає любителів повітроплавання  на фестивалі. І хоча дозволити собі піднятися в небо може не кожен турист,  та спостереження також  додає неабиякого адреналіну.

5.1 Чи змінюється підіймальна сила аеростата (повітряної кулі) зі збільшенням висоти підйому, якщо вважати оболонку аеростата нерозтяжною, а температуру на різних висотах незмінною?

1.                  Чи може аеростат підійматися як завгодно високо? 
2.                    Для спостереження  за краєвидами найчастіше аеростат піднімається на висоту до 2 км. Вантаж якої маси може підняти аеростат об’ємом 2550 м³  на цю висоту?
3.                  Не секрет, що польоти на повітряній кулі є дорогим задоволенням і пояснюється це вартістю устаткування, витратами на її утримання, транспортування, догляд, ремонт, дозволи на використання.  Та велику частину витрат складає пальне – за один політ витрачається 100-120 літрів газу (пропан-бутану).  Яка вартість витраченого пального? Яка кількість теплоти при цьому витрачається (актуальні дані для такого плану задач пропоную знаходити безпосередньо в момент розв’язання у мережі Інтернет).
4.                  Проект: Історія створення альтиметра. Принцип дії та особливості застосування.

6. Склозавод

Учні 8 класу 1-ої  школи  відвідали Костопільський завод скловиробів і на власні очі побачили процес виготовлення скляної тари. Після 12 годин у плавильній печі при температурі 1200 °С сировина перетворюється прозоре безбарвне скло. Саме така розжарена маса у вигляді двох крапель падає з висоти близько 3-х метрів на спеціальні форми, що створюють спочатку «чорновий» варіант, а потім готовий варіант скляної тари. Така розжарена посудина, рухаючись конвеєром, охолоджується повітряним способом.

1.        Чому потрібен саме такий спосіб охолодження, адже охолодження, наприклад, у воді було б значно ефективнішим?
2.        Якими властивостями повинен володіти матеріал поверхні конвеєрної лінії?
3.        На графіку зображено залежність температури скляної тари від часу. Чи рівномірно відбувається охолодження скла?

4.        Як змінилась температура тіла протягом першої хвилини? Наступної? Чим це можна пояснити?
5.        Який вигляд матиме графік, коли мине більше 4-х хвилин?
6.        Якої мінімальної довжини повинен бути конвеєр для охолодження до температури 40 °С, якщо від рухається зі швидкістю 4 см/с?

7. Електрообігрівач

Для обігріву приміщень часто використовують масляні радіатори (калорифери), що дозволяють  забезпечити приміщення свіжим теплим повітрям.

1.                  Яку кількість теплоти отримає кімната, якщо через калорифер щогодини проходить 20 м³ повітря, температура якого при вході в калорифер 15 °С, а на виході з нього 25 °С. Питома теплоємність повітря становить 730 Дж/(кг∙°С).
2.                  Яку роботу виконує за цей час електричний струм, якщо напруга в мережі 220 В, а потужність калорифера становить 2 кВт. Який його ККД?
3.                  За який час такий обігрівач зможе нагріти кімнату розмірами 5×6×3м³ від 15 до 18 °С, якщо густина повітря 1,3 кг/ м³?
4.                  Скільки коштуватиме година роботи такого обігрівача при вартості 170 коп./кВт·год?
5.                  Проект: оцініть переваги та недоліки таких обігрівачів  у порівняння з УФО-обігрівачами та керамічними панелями-обігрівачами.

8. Дріт

Одним із способів виготовлення дроту є метод його витискання. Заготовку в розігрітому стані поміщають на дно циліндра з отвором, а потім на неї тисне поршень (див. малюнок).

1.                  На скільки зростає внутрішня енергія заготовки, якщо поршень під дією сили 30кН переміщується на 50 см? На нагрівання матеріалу, що витискається йде 70% виконаної роботи.
2.                  Проект: Як працює волочильний апарат?

9. Автотранспорт 

Двигун автомобіля Toyota RAV-4, який за версією УкрАвтопрому є найпопулярнішим автомобілем 2017 року в Україні споживає в середньому 12 літрів бензину на 100 км у місті.

1.                  Яку роботу виконує  двигун за годину поїздки при максимально допустимій швидкості 60 км/год?
2.                  Яку потужність розвиває двигун  Toyota RAV-4 при цьому? Порівняйте із зазначеною виробником потужністю. Чим пояснюються відмінності?
3.                  Останнім часом дуже популярними у світі та Україні зокрема стали електромобілі. Живлячись від електроенергії, при їх роботі практично відсутні викиди парникових газів, та, як стверджують шотландські дослідники, вони виробляють значно більше викидів твердих частинок, ніж традиційні авто. Проаналізуйте, з чим це пов’язано?
4.                  Проект: вплив роботи ДВЗ на навколишнє середовище та живі організми
5.                  Проект: характеристика робочих процесів нового автомобіля та автомобіля віком 10 років.

10.  Безпека на дорозі
    1.             Час реакції водія автобуса у потенційно аварійній ситуації, згідно статистичних даних  становить в середньому 0,8 с. Який шлях пройде за цей час автобус, якщо швидкість його була 54 км/год?
    2.             Чи встигне водій загальмувати, якщо на відстані 4 метрів від нього на дорогу несподівано вибіг пішохід? Швидкість машини 36км/год, час реакції водія 1 с.
    3.             Проект: Призначення ременів безпеки в легкових автомобілях.

При вивченні теми «Теплові явища», можна скласти з учнями інструкції з безпеки на кухні. Навчальні ігри допомагають зробити процес навчання цікавим і творчим, матеріал, який спирається на життєвий досвід, легше засвоюється, а отримані знання використовуються на практиці.

11. Фізика твоєї кухні

Придивись до предметів і пристосувань, якими ти користуєшся на кухні. Звичні для досвідченої господині дії мають просте фізичне пояснення.

1.             Для чого при наливанні в стакан крутого окропу в нього попередньо опускають ложку?
2.             Чому досвідчені господині вважають за краще смажити на чавунних сковорідках, а не на алюмінієвих?
3.             Коли швидше охолоне чайник з окропом, коли його поставили на лід, або коли лід поклали на кришку чайника?
4.             Чому ручка у сковорідки пластикова?  Чому в деякий сковорідках металеві ручки не обпікають при дотику?
5.             Чому при приготуванні їжі необхідно забезпечити доступ атмосферного повітря?
6.             Яка тканина підходить для того, щоб зняти з вогню гарячий посуд: суха чи волога?
7.             Чому водяна пара при виході з чайника під час кипіння є значно не безпечнішою, ніж сам окріп?
8.             Щоб морозиво швидше розтануло, його злегка розминають ложкою. Навіщо?
9.             Проект: Чи кипить вода всередині макаронів?

12.  Потужність

З метою формування комунікативних компетентностей учнів вчитель пропонує їм різні види групових завдань, що потребують взаємодії.

В даній темі можливе виконання проекту  групою учнів, оцінка отриманих групових та окремо індивідуальних результатів.

Розрахунок середньої  потужності учня 7 класу

1.  під час підйому з першого на другий поверх звичайним кроком;
2.  під час бігу та стрибків. 

Етапи проведення проектного дослідження.

а) підготовка до проведення дослідження:

механічна потужність  розраховується за формулою

                        N =  ,

A = Fs,  F = mg, g = 9,8 Н/ кг.     

s = h, де  h –висота сходів,  h = n h₁

n – кількість сходинок,  h₁ – висота однієї сходинки.

Таким чином,  потужність можна розрахувати  за формулою

                                                         N =

б) проведення необхідних замірів.

в) обробка даних.

Занести дані до узагальнюючої таблиці:

Розрахувати середню потужність кожного із учасників проектної групи, результат подати у вигляді діаграми, що відображає усі результати групи.

г) висновки  і  презентація результатів роботи.

- від чого залежить потужність?

13.  Зимова риболовля

Рибалка вирушає на зимову риболовлю. Чи безпечно це, якщо лід на початку березня витримує тиск 9кПа, а маса рибалки із спорядженням та без улову 100 кг? Сліди від зимового взуття зображено на малюнку.

13.1 . Людина провалилася під лід. Як врятувати її?

Список використаних джерел

1. Конопака А.О. Формування практичної компетентності школярів на уроках фізики та астрономії // Фізика в школах України. – 2008. – №4(104). – С. 2-4.
2. Овчарук О. Компетентності як ключ до оновлення змісту освіти // Стратегія реформування освіти в Україні.— К.: К.І.С., 2003. — 295 с.
3. Сафонова І.Я. Формування предметної компетентності учнів старшої школи у процесі вивчення предметів фізико-математичного циклу. [Електронний носій] Режим доступу http://www.tnpu.edu.ua/naukova-robota/docaments-download/aref_Safonova_I_Ya_1.pdf
4. PISA 2009 Assessment Framework  Key competencies in reading, mathematics and sci [Електронний носій] Режим доступу https://www.oecd.org/pisa/pisaproducts/44455820.pdf
5. TIMSS 2015 International Database and User Guide 2017. Foy, P.
6. TIMSS 2011 International Database and User Guide 2013. Foy, P., Arora, A., & Stanco, G.M. (Eds.).