Организация учебного процесса при изучении темы "Световые волны" в основной школе на различных этапах урока физики

К основным свойствам электромагнитных волн, а следовательно, и световых волн относятся: распространение в однородной среде, отражение и преломление света на границе двух сред,

Законы отражения и преломления света были открыты экспериментально задолго до создания электромагнитной теории. Так, закон отражения был сформулирован еще древнегреческим ученым Эвклидом в Ш в. до н.э. Закон преломления света был установлен в 1620 г. голландским математиком В. Снеллиусом (1580-1628).

В 1690 г. Х.Гюйгенс создал первую волновую теорию света и сформулировал принцип, описывающий распространение волн. Исходя из волновой теории, он объяснил явление отражения и преломления света на границе двух сред. Принцип Гюйгенса успешно применяется в теории электромагнитных волн. Об этом они узнают в курсе физики старшей средней школы.

Звезды являются точечными источниками электромагнитных волн. Такой источник излучает в вакууме электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью.

Рис 2. Сферические поверхности, через которые с течением времени проходит волна.

На рисунке 2 показаны сферические поверхности, через которые с течением времени проходит волна.

Амплитуда возмущения во всех точках сферического фронта волны, распространяющейся от точечного источника, одинакова. Такой подход к описанию сферической волны не противоречит принципу Гюйгенса. Этот принцип удобен для описания распространения как электромагнитных, так и механических волн.

Прямолинейное распространение света. Теоретическое обоснование прямолинейного распространения света (например, на основе принципа Ферма) в школьном курсе физики не изучается. Закон прямолинейного распространения света вводится на основе эксперимента. Для этого, например, можно провести опыт (рис. 3) со стержнем высотой АD и получить тень от него.



Рис.3. Установка для демонстрации прямолинейного распространения света.

Из рисунка следует, на некоторой высоте над стержнем АД в точке О расположен точечный источник света - маленькая лампочка. Мы увидим резко очерченную тень стержня DB. Проведем через точки O и В прямую линию. На ней также будет лежать и точка А. ОВ - это луч света, касающийся стержня в точке А. Если бы луч не был прямой линией, то тень DB была бы других размеров.

Рис.4. Установка для демонстрации прямолинейного распространения света - получения тени и полутени.

Если две маленькие лампочки расположить на некотором расстоянии от непрозрачного предмета, например цилиндра, то за ним образуется тень и полутень. Образование полутени не противоречит свойству света распространяться прямолинейно, а, наоборот, подтверждает его. В область тени не попадает свет ни от одной из двух лампочек. В область полутени попадает свет от какой-нибудь одной лампочки.

Образованием тени и полутени объясняются такие явления, как лунные и солнечные затмения. Земля и Луна, освещенные Солнцем, образуют конусы тени и полутени. Когда Луна попадает в тень Земли полностью, происходит полное затмение Луны. Солнечные затмения как полные видны в тех областях, где на Землю падает пятно лунной тени. В тех же областях, на которые падает полутень Луны, наблюдается частичное затмение Солнца, Земли, на которые падает полутень.

Волновая поверхность. Принцип Гюйгенса. При изучении этих вопросов формируются понятия волнового фронта и луча. Эти понятия требуют пояснения и уточнения с помощью схем и рисунков.

В курсах «Окружающий мир» и «Природоведение» используется понятия луча: «Луч - это линия, вдоль которой распространяется свет». С точки зрения физики формулировка этого понятия неточная. Требуется так построить содержание учебного материала, чтобы учащиеся пришли к выводу: «Луч в отличие от светового пучка, не материален. Он обозначает направление, вдоль которого волна переносит энергию».

Пусть в точке О (рис. 5) расположен точечный источник света. От источника света волны расходятся сферами в однородной и изотропной среде. Совокупность точек, образующих сферу, до которой дошел процесс распространения волны, называют волновой поверхностью или волновым фронтом.

Рис. 5. Распространение световых волн от точечного источника света.

Поместим на некотором расстоянии от источника экран с круглым отверстием. Прошедший через отверстие свет будет распространяться по прямой линии в виде пучка. Эта линия будет перпендикулярна волновому фронту и пройдет по оси симметрии пучка. Она называется лучом. Луч не материален и обозначает направление, вдоль которого волна переносит энергию. Если источник света расположен далеко, то лучи параллельны друг другу, а волна называется плоской.

Принцип Гюйгенса. Принцип Гюйгенса формулируется так:

Каждая точка среды, до которой дошло электромагнитное возмущение, сама становится источником вторичных волн.

Касательная поверхность ко всем вторичным волнам и дает положение поверхности, которой достигает волна через некоторый промежуток времени. Пусть источник света находится в точке О, волновой поверхностью в момент времени t является поверхность АВ (рис. 6). На рисунке 6,а показана часть сферической волны.

Рис.6,а. Часть сферической волны.

Рис 6,б. Волновая поверхность плоской волны.

Согласно принципу Гюйгенса каждая точка волновой поверхности АВ сама становится источником вторичных волн. За время t вторичные волны распространятся на расстояние r=t. Если провести касательную к вторичным волнам, то получим новую волновую поверхность СD.

На рисунке 6,б изображена волновая поверхность плоской волны.

Распространение волны можно рассматривать как движение волнового фронта.

Рис. 7. Распространение вторичной волны.

В классах с углубленным изучением физики целесообразно отметить, что теория Гюйгенса позволила теоретически вывести законы отражения и преломления света, но не смогла объяснить закон прямолинейного распространения света. Действительно, обратимся к работе Гюйгенса «Трактат о свете». В ней он приводит рисунок, подобный рисунку 7. Светящаяся точка А излучает волну, проходящую через отверстие BG. Точки B, b, b, b,b, G принадлежат волновой поверхности ВG. Эти точки становятся источниками вторичных волн. Так, точка В является точечным источником вторичной волны КL. Новой волновой поверхностью является поверхность DF, касающаяся точек С и Е.

Отверстие ВG ограничено непрозрачными телами ВН и GI. Волна света из точки А ограничивается лучами АС и АЕ. Части отдельных волн за пределами пространства АСЕ, как отмечает Гюйгенс, «слишком слабы, чтобы производить там свет». Лучи света можно принимать за прямые линии. Приведенное доказательство неубедительно.

Впоследствии метод Гюйгенса был усовершенствован, что позволило объяснить прямолинейное распространение света на основе волновой теории. Тем самым подчеркивается ограниченность модели (теории) Гюйгенса.

Принцип Гюйгенса позволяет с помощью простых геометрических построений находить волновую поверхность в любой момент времени по известной волновой поверхности в предшествующий момент.

Закрепление учебного материала проводится путем выполнения заданий или решения задач.

Солнечный свет, проникая через крону лиственного дерева, создает на земле солнечные блики в виде кругов и овалов (рис. 8). Круги образуются тогда, когда Солнце находится высоко над горизонтом. Если высота Солнца над горизонтом уменьшается, блики принимают форму овалов. Столь правильная форма световых бликов удивительна. Листья в кроне дерева расположены неупорядоченно, и форма щелей, образующихся в кроне между листьями, разнообразна. Положение щелей от порывов ветра случайным образом изменяется, создавая солнечные блики. Известно, что Аристотель использовал получающиеся солнечные блики на земле для наблюдения солнечного затмения. Изображение какого тела представляют собой световые блики?

Рис. 8. Солнечные блики в виде кругов и овалов

Данное явление будет более понятно, если учащиеся сами дома (или на кружке) изготовят камеру-обскура (от латинского слова obscura - тёмная). Камера-обскура (рис. 9) представляет собой темный ящик с небольшим отверстием в одной из стенок, перед которым помещают рассматриваемый предмет.

Свет от точки А пламени свечи проходит через отверстие и попадает в точку А_1. Отдельные световые лучи распространяются независимо друг от друга. Встречаясь или пересекаясь, лучи не оказывают никакого взаимного влияния. На экране камеры-обскура создается изображение каждой точки в виде пятнышка. Отдельные изображения точек создает вместе на экране достаточно четкое изображение.

Рис. 9. Камера-обскура

При изучении темы «Отражение света. Закон отражения света» ставятся цели:

1) образовательная - формирование понятия отражения света и знания о законе отражения света,

2) развивающая - развитие умений экспериментально подтверждать закон отражения света,

3) воспитательная - развитие умений формулировать выводы по своим наблюдениям.

На уроке 2, посвященному отражению света, применяется принцип Гюйгенса для теоретического вывода закона отражения света. Рассмотрим фрагмент урока, посвященный теоретическому выводу закона.

Плоская волна падает на границу АВ раздела двух однородных
изотропных сред. Прямые МА иNБ -- два параллельных луча падающей плоской волны (рис.10).Плоскость АD--волновая поверхность этой волны. Угол между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности в точке падения называют углом падения.

Падающая волна достигает точки поверхности раздела двух сред АВ в различные моменты времени. Возбуждение колебаний в точке А начнется раньше, чем в точке В, на время , где - скорость волны.

Рис. 10. Принцип Гюйгенса для теоретического вывода закона отражения света.

В момент, когда первичная волна достигла точки В, вторичная волна с центром в точке А будет представлять собой полусферу радиусом
r = АС = =ВD. Радиусы вторичных волн от источников, расположенных между точки А и В, в данный момент различны. Огибающей вторичных волн, т. е. волновой поверхностью отраженной волны, является плоскость СВ, касательная к сферическим поверхностям.

Отраженные лучи перпендикулярны волновой поверхности СВ. Угол («гамма» -- буква греческого алфавита) между перпендикуляром к отражающей поверхности и отраженным лучом называют углом отражения.

Из равенства катетов АС и DВ прямоугольных треугольников АСВ и АDВ с общей гипотенузой АВ следует, что эти прямоугольные треугольники равны. Равны также и углы: <DAB = <CBA. Но б = <DAB, а = <CBA, как углы с перпендикулярными сторонами. Следовательно, б и г равны между собой: б = г.

Мы получили закон отражения света:

При падении луча на границу раздела двух сред угол отражения равен углу падения; падающий и отраженный лучи и перпендикуляр, восстановленный к поверхности в точке падения, лежат в одной плоскости.

Экспериментальное подтверждение закона отражения. Закон отражения волн выведен из принципа Гюйгенса. Этот закон подтверждается экспериментом с помощью прибора, называемого оптическим диском (рис. 11).

Рис.11. Оптический диск.

В нем источником света является лампа, находящаяся внутри подвижного осветителя 1. Пучок света распространяется от осветителя по поверхности диска и падает на зеркало 2, расположенное в центре прибора. Свет отразится от зеркала, и на поверхности диска появится отраженный пучок света. Его появление свидетельствует о том, что он лежит в той же плоскости, что и луч падающий с перпендикуляром, восставленным в точку падения луча. Измерив угол падения и угол отражения, мы увидим, что они равны. Можно менять угол падения, передвигая источник света. При этом будет меняться и угол отражения, но так, что эти два угла по-прежнему будут равны.

При изучении темы «Преломление света. Закон преломления света» ставятся цели:

1) образовательная - формирование понятия о законе преломления света, об относительном и абсолютном показателях преломления

2) развивающая - развитие умений экспериментально подтверждать закон преломления из принципа Гюйгенса,

3) воспитательная - развитие умений формулировать выводы по своим наблюдениям. На уроке, посвященному преломлению света, применяется принцип Гюйгенса для теоретического вывода закона преломления света. Рассмотрим фрагмент урока, посвященный теоретическому выводу закона.

На границе раздела двух сред может происходить не только отражение волн, но и частичное их проникновение в другую среду. Изменение направления распространения света при его переходе через границу раздела двух прозрачных сред называется преломлением. Преломление света обусловлено тем, что скорости распространения света в разных средах различны.

Рис 12. Принцип Гюйгенса

Пусть на плоскую границу раздела двух сред, например воздух и вода, падает плоская световая волна (рис. 12). Скорость волны в первой среде х₁, а во второй х₂. Волновая поверхность АD перпендикулярна лучам МА и NB. Поверхность раздела двух сред сначала достигает луч MA. Луч NB достигает этой поверхности спустя время

.

В момент, когда в точке В только начинается возбуждение вторичной волны, вторичная волна от точки А уже имеет вид полусферы радиусом АС:

АС =₂t.

Плоскость СВ огибает вторичные волны во второй среде и является волновой поверхностью преломленной волны.

Угол падения луча равен углу DAB в треугольнике ADB (стороны одного из этих углов перпендикулярны сторонам другого). Следовательно,

DB = ₁t=АВ sin (1)

Преломленный луч - это продолжение выделенного луча от точки излома на поверхности раздела сред.

Угол между преломленным лучом и нормалью KL к поверхности называется углом преломления в («бета» - буква греческого алфавита).

Угол преломления в равен углу AВC треугольника АСВ. Поэтому

АС = ₂t =АВ sinв (2)

Разделив почленно равенства (1) и (2) получим:

, (3)

где - постоянная величина, не зависящая от угла падения луча.

Соотношение (3) выражает закон преломления света:

Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред; падающий и преломленный луч и перпендикуляр, восстановленный к поверхности в точке падения, лежит в одной плоскости.

Экспериментальное подтверждение закона преломления. Закрепим на оптическом диске стеклянный полуцилиндр так, чтобы его центр совпадал с центром диска (рис. 13).

Рис. 13. Экспериментальное подтверждение закона преломления

На него направлен световой пучок АО от осветителя. Мы видим отраженный луч ОВ и преломленный луч ОЕ. Измерение углов падения - б и преломления - в покажет, что отношение их синусов при различных углах падения остается неизменным и равно n_2,1.

Относительный и абсолютный показатели преломления. Величина , входящая в закон преломления света, называется относительным показателем преломления или показателем преломления второй среды относительно первой. С помощью принципа Гюйгенса раскрывается физический смысл относительного показателя преломления. Относительный показатель преломления равен отношению скоростей света в средах, на границе которого происходит преломление:

,

где n₂₁ - постоянная величина, не зависящая от падения луча.

Если скорость света во второй среде меньше, чем в первой, то угол преломления в меньше угла падения.

Показатель преломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателем преломления этой среды. Он равен отношению синуса угла падения к синусу угла преломления при переходе светового луча из вакуума в данную среду, а также отношению скорости света в вакууме с к скорости света в среде х:

,

где n - абсолютный показатель преломления.

Чаще всего приходится рассматривать переход света через границу воздух - твердое тело или воздух - жидкость, а не через границу вакуум - среда. Однако абсолютный показатель преломления твердого тела или жидкого вещества незначительно отличается от показателя преломления того же вещества относительно воздуха.

Относительный показатель преломления n_2,1 можно выразить через абсолютный показатель преломления n₁ и n₂ первой и второй сред.
Так как n₁ и n₂ , то

n_2,1 =.

Из двух сред та, в которой скорость меньше, называется оптически более плотной, а та, в которой скорость света больше, - оптически менее плотной. Например, стекло является оптически более плотной средой, чем воздух, а лед - оптически менее плотной, чем вода.

При изучении темы «Решение задач» ставятся цели:

1) образовательная - формирование навыка применения законов отражения и преломления света при решении задач,

2) развивающая - развитие умений практически подтверждать законы отражения и преломления света при решении задач,

3) воспитательная - развитие умений правильно оформлять решение задач.

При изучении темы «Дисперсия света. Лабораторная работа «Наблюдение дисперсии света»» ставятся цели:

1) образовательная - формирование понятия дисперсии света, убедиться в сложном составе белого света,

2) развивающая - развитие умений практически подтверждать наблюдения при выполнении лабораторной работы,

3) воспитательная - развитие умений правильно оформлять отчет по лабораторной работе.

Дисперсия света. Явление разложения белого света в спектр с помощью стеклянной призмы впервые изучил И. Ньютон. Поставив на пути узкого пучка солнечного света призму, он получил на стене радужную полоску, которую назвал спектром (рис. 14 а, б).

а б

Рис 14. Опыт И.Ньютона.

В спектре белого света И.Ньютон выделил семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

Объясняя результаты этого опыта, Ньютон пришел к выводу, что белый свет имеет сложный состав, световые пучки разного цвета преломляются веществом неодинаково. Сильнее преломляются лучи фиолетового цвета, а менее других -- красного цвета (рис. 14, б). Благодаря тому, что угол преломления в призме различен для лучей разного цвета, из нее они выходят разделенными.

И. Ньютон на опыте также показал, что из определенных спектральных цветов можно получить белый свет.

Известно, что свет представляет электромагнитные волны. Цвет, видимый глазом, определяется частотой волны. Например, излучению красного цвета соответствует волна с частотой 4 * 10¹⁴ Гц, а фиолетового --
8·* 10¹⁴ Гц. Следовательно, образование с помощью призмы спектра свидетельствует о существовании зависимости абсолютного показателя преломления п стекла от частоты н света: n =f(). Это явление получило название дисперсии света (от латинского dispergo - рассеивать, развеивать).

Скорость света в вакууме равна примерно 300 000 000 м/с. Скорость в вакууме для света любой частоты одна и та же. Абсолютный показатель преломления среды п = . Выразим из этой формулы скорость света в веществе: . Значит, красный свет распространяется в веществе с большей скоростью, чем фиолетовый, так как показатель преломления для него меньше, чем для фиолетового.

Дисперсия - это явление зависимости показателя преломления или скорости света от частоты.

При изучении темы «Интерференция света. Лабораторная работа «Наблюдение интерференции света» ставятся цели:

1) образовательная - формирование понятия интерференции света,

2) развивающая - развитие умений практически подтверждать наблюдения при выполнении лабораторной работы,

3) воспитательная - развитие умений правильно оформлять отчет по лабораторной работе.

При изучении темы «Решение задач» ставятся цели:

1) образовательная - формирование навыка решения задач на применение законов прямолинейного распространения, отражения и преломления света,

2) развивающая - развитие умений практически подтверждать законы прямолинейного распространения, отражения и преломления света при решении задач,

3) воспитательная - развитие умений правильно оформлять решение задач.

Таким образом, выбор определенных приемов, использование элементов технологий позволит так сконструировать учебный процесс, чтобы урок отвечал современным требованиям и вызывал интерес у учащихся.

2.2 Физический эксперимент при изучении темы «Световые волны»

Проведение демонстрационных и лабораторных экспериментов при изучении темы «Световые волны» позволяет сформировать у школьников навыки, которые пригодятся им в жизни. Например, пускание солнечного зайчика, воспламеняющего или нагревающего какой-либо объект позволяет осознать, что световые волны несут энергию. А рассматривание объектов через линзу или стекло, на которое нанесен слой вазелина приводит учащихся к пониманию прямолинейности распространения света в однородной среде.

Компьтеризация современной школы позволяет использовать компьютерные лабораторные и демонстративные эксперименты. Все это превращает выполнение многих заданий в микроисследования, стимулирует развитие творческого мышления учащихся, повышает их интерес к физике.

Например, компьютерные модели, разработанные компанией «ФИЗИКОН», найденные в просторах сети, на отдельных учебных сайтах или сайтах преподавателей легко вписываются в урок и позволяют учителю организовать новые нетрадиционные виды учебной деятельности учащихся.

С использованием моделей, предложенных в этих программах можно провести урок-исследование. При изучении темы «Световые волны» можно представить иллюстрации с различными зрительными иллюзиями.

Рис. 15. Зрительные иллюзии

К экспериментальным задачам по теме «Световые волны» можно отнести такие физические задачи, постановка и решение которых органически связаны с экспериментом с различными измерениями, воспроизведением физических явлений, наблюдениями за физическими процессами.

Большинство таких задач строится так, чтобы в ходе решения учащиеся сначала высказывают предложения, обосновывают умозрительные выводы, а потом проверяют их опытом. Такое построение вызывает у учащихся большой интерес к задачам и при правильном решении большое удовлетворение своими знаниями.

Экспериментальные задачи в отличие от текстовых, как правило, требуют больше времени на подготовку и решение, а также наличия у учителя и учащихся навыков в постановке эксперимента. Однако решение таких задач положительно влияет на качество преподавания физики.

Например, при изучении явления дифракции можно предложить эксперимент по исследованию размера тени в зависимости от размера объекта и его удаленности.

Из числа основных достоинств экспериментальных задач можно отметить следующие:

1) они способствуют повышению активности учащихся на уроках, развитию логического мышления, учат анализировать явления, заставляют ученика напряженно думать, привлекая все свои теоретические знания и практические навыки, полученные на уроках,

2) решение задач воспитывает у учащихся стремление активно, собственными силами добывать знания, стремиться к активному познанию мира,

3) экспериментальные задачи помогают в борьбе с формализмом в знаниях учащихся. Разбирая задачи, учащиеся убеждаются на конкретных примерах, что их школьные знания вполне применимы к решению практических вопросов, что с помощью этих знаний легко увидеть физическое явление, уточнить его закономерности и даже управлять этим явлением. Таким образом, теоретические, книжные положения приобретают реальный смысл,

4) использование экспериментальных задач способствует получению учащимися прочных, осмысленных знаний, умению пользоваться этими знаниями на практике, в жизни,

5) систематическое применение экспериментальных задач в процессе обучения убеждаются в достоверности знаний, в объективности физических законов, в том, что практика, опыт являются критерием теоретических знаний, что ценность для человека представляют только те знания, которые проверены практикой,

6) при решении почти каждой экспериментальной задачи учащиеся видят реальные, конкретные связи и зависимости между явлениями, между физическими величинами и убеждаются, что эксперимент имеет огромное значение в познании окружающих явлений, в решении трудных практических задач,

7) самостоятельное решение учащимися экспериментальных задач способствует активному приобретению умений и навыков исследовательского характера, развитию творческих способностей. Здесь им приходится не только составлять план решения задачи, но и определять способы получения некоторых данных, самостоятельно собирать установки, отбирать и даже «конструировать» нужные приборы для воспроизведения того или иного явления,

8) разбор экспериментальных задач воспитывает у учащихся критический подход к результатам измерений, привычку обращать внимание на условия, при которых производится эксперимент. На практике они убеждаются, что результаты измерений всегда приближенны, что на их точность влияют различные причины. И потому, производя эксперимент, необходимо устранять все побочные вредные влияния,

9) экспериментальные задачи помогают учащимся лучше решать расчетные задачи, решение которых часто сводится к подстановке чисел, данных в условии, в формулы без уяснения физического смысла задачи. Экспериментальные задачи обычно не имеют всех данных, необходимых для решения. Поэтому учащимся приходится сначала осмыслить физическое явление или закономерность, о которой говорится в задаче, выявить, какие данные ему нужны, продумать способы и возможности их определения, найти и только на заключительном этапе подставить в формулу, что учащиеся делают уже вполне осмысленно.

Экспериментальные задачи делятся на качественные и количественные. В решении качественных задач отсутствуют числовые данные и математические расчеты. В этих задачах от учащихся требуется или предвидеть явление, которое должно совершиться в результате опыта, или самому воспроизвести физическое явление с помощью данных приборов. К такого типам задач относится такого типа задача: на рисунке 1 изображены источник света S, непрозрачное тело В и экран. Какая точка экрана лежит на границе области света и тени?

При решении количественных задач сначала производят необходимые измерения, а затем, используя полученные данные, вычисляют с помощью математических формул ответ задачи. Например, задача по определению оптической силы собирающей линзы, фокусное расстояние которой измеряется или задается.

Рис. 16. Иллюстрация для задач качественного характера.

По месту эксперимента, по степени его участия в решении экспериментальные задачи можно разделить на несколько групп:

1) задачи, в которых для получения ответа приходится либо измерять необходимые физические величины, либо экспериментально проверять данные,

2) задачи, в которых самостоятельно устанавливают зависимость и взаимосвязь между конкретными физическими величинами,

3) задачи, в условии которых дано описание опыта и нужно предсказать его результат. Такие задачи способствуют воспитанию у учащихся критического подхода к своим умозрительным выводам, например, исследование поведения светового луча, проходящего через воду или линзу,

4) задачи, в которых с помощью данных приборов и принадлежностей необходимо показать конкретное физическое явление без указаний на то, как это сделать, в соответствии с условиями задачи Решение таких задач требует от учащихся творческого мышления, смекалки, например, исследование прохождения световых волн через фильтры разного цвета и рассматривание слов, написанных разным цветом через фильтры разного цвета,

5) задачи на глазомерное определение физических величин с последующей экспериментальной проверкой правильности ответа. Такие задачи помогают предварительно оценивать результаты измерений и тем самым правильно выбирать нужные для опыта приборы и инструменты,

6) задачи с производственным содержанием, в которых решаются конкретные практичёские вопросы. Такие задачи можно разбирать во время экскурсий, работы в учебных мастерских, а также на уроках, используя для этого различные инструменты, приборы и технические модели, например, соорудить прибор для наблюдения из окопа.

Приведенная здесь классификация условна, так как резких границ между отдельными группами нет. Тем не менее, она поможет учителю более целенаправленно подбирать задачи для урока.

Такие задачи могут быть использованы в любой части урока. Но при этом цели применения, методика, а соответственно и содержание задач будут несколько различны.

1. Если содержание экспериментальной задачи является темой урока, то в ходе ее решения происходит усвоение новых понятий, закономерностей и зависимостей. Например, размер изображения, полученного от линзы можно объяснить, решая задачу: Проверить, зависит ли (и если да, то как) размер изображения от расстояние от линзы до экрана?».

В этом случае необходимо, чтобы постановка вопроса вызвала у учащихся желание познать новые закономерности. Одним из средств создания стимула к восприятию нового материала является постановка проблемы, в качестве которой может быть подобрана подходящая экспериментальная задача. Условие задачи должно удовлетворять таким требованиям:

а. все устройства, приборы, применяемые в задаче, знакомы ученикам, все сопутствующие явления им понятны. Они затрудняются решить задачу только из-за незнания какого-то одного понятия или явления, которое и является целью или темой данного урока;

б. содержание задачи не должно подсказывать решение проблемы, которую ученики разрешат в ходе урока;

в. постановка вопроса должна вызывать у учащихся некоторое удивление, возбудить желание решить его. Например, перед введением понятия «спектр» можно поставить такую задачу: «Рассмотрите предметы через треугольную призму. Что вы наблюдаете?» После обсуждения преподаватель делает акцент на цветных полосках, получаемых в результате исследования. А объяснить, почему они наблюдают это явление, которое они могут назвать «радугой», ученики пока не могут, хотя и очень стараются - ведь явление протекало у них на глазах. Тогда учитель и вводит новое понятие, которое объясняет опыт.

2. Применение задач для проверки степени понимания учениками изучаемого на уроке материала, для его закрепления. Решение задач в этом случае способствует углублению и уточнению нового материала. Например, наблюдение образования тени и полутени от собственной руки в результате освещения несколькими источниками света в классе позволит повторить понятие дифракции света.

3. Использование экспериментальных задач при опросе дает возможность выяснить, насколько правильно, глубоко и сознательно ученик усвоил ранее пройденный материал. Вызванному ученику дается карточка с текстом задачи и все необходимые приборы. Иногда полезно (если позволяет время) выдавать ученику не все приборы, нужные для решения задачи, или давать их больше, чем требует решение или предоставлять право выбора всех приборов, необходимых для проведения эксперимента.

4. Весьма полезны 15--20 минутные классные упражнения учащихся по решению экспериментальных задач с последующим разбором и выяснением причин допущенных ошибок. Их можно давать как перед изучением новых понятий, так и при закреплении материала. Например, предоставив набор красок подвести учащихся к пониманию образования разных цветов в результате смешивания красок. Далее можно повторить значения частот световых волн.

5. Один-два раза в учебном году можно проводить контрольные работы по решению экспериментальных задач. Их содержание, количество, число вариантов однотипных задач подбирает учитель в зависимости от наличия лабораторного оборудования в физическом кабинете.

В отличие от упражнений контрольные работы по решению экспериментальных задач проводятся при полной самостоятельности учащихся.

6. Особый интерес у учеников вызывает решение экспериментальных задач в качестве домашнего задания, которые могут быть как общими, одинаковыми для всех, так и индивидуальными. В любом случае учитель должен быть уверен, что для домашних опытов ученики найдут нужные приборы и предметы. Например, в каждом доме есть простейшие оптические приборы - очки. Необходимо установить как световые волны проходят через этот прибор. Или другой тип задач.

7. Наиболее сложные экспериментальные задачи можно широко использовать в работе физического кружка и на факультативных занятиях.

Для каких глаз можно сделать очки из линз, показанных на рисунке?

А. 1 -- для близоруких, 2 -- для дальнозорких.

Б. 1 -- для дальнозорких, 2 -- для близоруких.

В. 1 и 2 -- для близоруких.

Г. 1 и 2 -- для дальнозорких.

8. Экспериментальные задачи занимательного характера могут быть использованы на физических вечерах, олимпиадах и т.д.

Таким образом, проведение демонстрационных и лабораторных экспериментов, решение экспериментальных задач при изучении темы «Световые волны» способствует формированию интереса не только к этой теме, но и к самому предмету у школьников.

2.3 Система заданий для учащихся при изучении темы «Световые волны»

Задания для учащихся классифицируют по-разному. Наибольшее распространение получили два типа заданий. Одна из них принята за основу при разработке заданий Единого Государственного экзамена и имеет три уровня А, В и С, другая - ориентирована на так называемую таксономию Блюма. Термин «таксономия» означает систематизацию, классификацию объектов познания (способов деятельности) по определенным критериям.

Систематизирующим фактором первой классификации являются этапы усвоения знаний и умений, следующие из теории развивающего обучения. Соответственно этим этапам можно провести следующую классификацию:

1) задания на воспроизведение изучаемых единиц учебного материала (фактов, понятий, величин, законов);

2) задания на применение знаний в знакомой ситуации;

3) задания творческого характера (исследовательские, конструкторские).

Первый уровень заданий (А) ориентирован на проверку результатов усвоения основных понятий, овладения умениями проводить несложные преобразования с физическими величинами. Как правило, эти задания представляют собой тесты с выбором одного верного из предложенных четырех вариантов ответа.

Второй уровень (В) предполагает выполнение заданий как с выбором ответов, так и решение задач. С их помощью выявляют умения использовать несколько (два и более) физических законов, связей между величинами (формулы), относящихся к одной и той же теме. Выполнение этих заданий требует от учащихся применения различных способов деятельности в знакомой ситуации.

На более высоком уровне (С) учащиеся применяют знания и умения законов и теорий физики в незнакомых и творческих ситуациях. Подобные задания требуют полного и обоснованного ответа.

В начале 50-х годов прошлого столетии группой американских психологов и педагогов под руководством Б.Блюма была разработана таксономия целей, получившая название таксономии Блюма. Она построена на следующих принципах: практической направленности, психологическом, логическом и объективности. Они базируются на теории целеполагание, достижениях психологической науки, а также законах логики.

Б.Блюмом выделено шесть основных категорий целей, представленных в виде иерархии (последовательности, очередности в определенной структуре), включающей знание, понимание, применение, анализ, синтез, оценку. В таблице 3 приведен один из вариантов таксономии Б. Блюма, адаптированный к преподаванию физики. Каждая из категорий предполагает достижение учебных целей по всем предшествующим категориям.

Таблица 3. Вариант таксономии Б. Блюма, адаптированный к преподаванию физики

Основные категории учебных целей	Примеры обобщенных типов учебных целей
1. Знание	Ученик
Данная категория обозначает запоминание и воспроизведение изученного материала, начиная от конкретных фактов до теорий.	Воспроизводит конкретные факты, методы, процедуры, правила, определения.
2. Понимание	Ученик
Показателем понимания изученного служит преобразование, трансляция знаний из одной формы в другую, интерпретация материала, предположение о возможных последствиях	Преобразует формулы, интерпретирует наблюдаемые факты, законы и теории, а также схемы, графики, диаграммы
3. Применение	Ученик
Применение изученного материала в конкретных и новых ситуациях	Применяет понятия, законы, правила, методы, принципы, теории в конкретных условиях
4. Анализ	Ученик
Вычленение частей целого, выявление взаимосвязей между ними, понимание принципов организации целого	Выделяет главное в содержании. Выявляет и устраняет свои ошибки при изучении материала, проводит различия между фактами, законами и следствиями.
5.Синтез	Ученик
Получение целого из отдельных элементов, обладающее новизной в форме сообщения, плана действия, совокупности обобщенных связей	Выполняет действия творческого характера, применяя новые схемы и структуры, предлагает план проведения эксперимента
6. Оценка	Ученик
Оценка значения учебного материала на основании четких критериев: структурно-логических (внутренних), соответствовать определенным целям. Критерии могут определяться самим учеником или задаваться ему извне.	Определяет соответствие выводов имеющимся данным по определенным критериям, значимость результата деятельности исхода из внешних критериев, оценивает логику изложения материала

Задания по теме «Световые волны», используемые на уроках решения задач, ориентированы на различные уровни достижений. По содержанию задания условно можно разделить на следующие виды: построение изображения светящейся точки в плоском зеркале;

-построение изображения отрезка;

-построение изображения точки в системе, состоящей из двух зеркал,

-отражение от сферической поверхности;

Термин «изображение в плоском зеркале» требует пояснения. Он означает изображение предмета в зеркале. В начале рассматривается точечный предмет, т.е. геометрическую точку. В геометрии она определяется как пересечение прямых линий. Изображение точки в зеркале является точка, полученная при пересечении лучей или их продолжений, отраженных от зеркала. Ниже предлагаются примеры решения задач.

Задача 1. (уровень А; критерий учебных целей по таксономии Блюма «знание»). Построить изображение светящейся точки А в плоском зеркале.

Решение. Через предметную точку А (рис. 18) проведем две произвольные прямые. Вдоль них направляем два луча 1 и 2. По закону отражения строим отраженные лучи . Для этого в точке падения каждого луча восстанавливаем перпендикуляр и проводим отраженный луч таким образом, чтобы он составил с перпендикуляром угол, равный углу падения.

Рис. 18. Иллюстрация к задаче по построению мнимого изображения в зеркале.

Отраженные лучи 1 и 2 - расходящиеся, то есть после отражения от зеркала они не пересекаются. Проводим продолжения отраженных лучей. Они пересекаются в точке А за зеркалом. Полученное изображение точки является мнимым.

Мнимое изображение точки образуется при пересечении не лучей, прошедших оптическую систему (зеркала, линзы, призмы и т.п.), а их продолжений.

Задача 2 (Б; «понимание»). Построить изображение отрезка АВ (рис. 19) в плоском зеркале.

Решение. Отрезок АВ является совокупностью предметных точек. Изображение этого отрезка является совокупностью изображений каждой точки в плоском зеркале. Для построения изображения достаточно получить изображение крайних точек и соединить. При построении удобнее один из лучей ВВм провести перпендикулярно плоскости зеркала. В этом случае отраженный луч расположен на одной прямой с падающим лучом.

Изображение в плоском зеркале мнимое, симметрично относительно зеркальной плоскости, не увеличенное, а равное предмету.

Рис. 19. Иллюстрация к задаче по построению изображения отрезка АВ в плоском зеркале.

Задача 3 (Б; «применение»). Какой минимальный размер должно иметь зеркало, чтобы в нем можно было увидеть лицо целиком?

Решение. Лучи, идущие от макушки и подбородка, после отражения от зеркала должны проходить через глаз (рис. 20).

Рис. 20. Иллюстрация к задаче по определению размеров предмета

Минимальный размер зеркала равен половине расстояния от макушки до нижней точки подбородка.

Задача 4 (С; «анализ, синтез». Два плоских зеркала расположены под углом б. Найдите и получите построением максимально возможное количество изображений для данного угла (рис. 21).

Решение. При решении задачи воспользуемся свойством симметрии изображений светящейся точки S в данной системе, состоящей из двух зеркал.

Рис. 21. Иллюстрация к задаче по построению изображений в зеркалах.

Изображение в первом зеркале S_{1 -} дает вторичное изображение S₁ во втором зеркале и затем еще одно S₁в первом. Аналогично рассуждения по созданию изображений точки S₂. В итоге и S₁ и S₂ оказываются не над отражающей поверхностью и процесс создания изображений прекращается.

Таким образом, получено путем построений максимально возможное количество изображений для данного угла - 5.

Подводя итог занятия «Решение задач» при изучении темы «Световые волны» необходимо подвести итог для формирования понятия «Световые волны»:

- свет имеет волновую природу, световые волны - это электромагнитные волны;

- скорость электромагнитных волн в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета (независимо от скорости источника волн);

- скорость электромагнитных волн в вакууме равна 3 * 10⁸ м/с.

По окончании изучения темы или для промежуточного контроля можно провести тест по данной теме. Пример теста приведен в
Приложении 1.

Таким образом, можно разработать для изучения темы «Световые волны» серию заданий для наилучшего контроля знаний учащихся.

2.4 Методика проведения фронтальных лабораторных работ на примере лабораторной работы «Определение оптической силы и фокусного расстояния собирающей линзы»

Среди разнообразных форм обучения особое место занимают фронтальные лабораторные работы. Фронтальный метод проведения лабораторных занятий имеет ряд весьма важных положительных сторон. Прежде всего, он дает возможность связать лабораторные занятия учащихся с изучаемым курсом, демонстрационные опыты учителя и самостоятельно выполняемые учащимися лабораторные работы. Благодаря фронтальному методу, лабораторные занятия могут быть поставлены как введение к той или иной теме курса, как иллюстрация к объяснению учителя, как повторение и обобщение пройденного материала, как контроль приобретенных знаний и умений. Таким образом, лабораторный эксперимент становится необходимым звеном в процессе обучения, значительно помогающим углубленному усвоению материала.

Метод фронтальных лабораторных работ на практике реализуется через различные методические приемы, которые по характеру деятельности учителя и учащихся разделяют на репродуктивные, иллюстративные, частично-поисковые, или эвристические.

Репродуктивный прием предусматривает воспроизводящую деятельность учащихся по образцу действий учителя, которому принадлежит основная роль. Он организует и направляет всю работу учащихся: проводит подготовку оборудования, объясняет и показывает способ выполнения работы, дает четкие и ясные задания и пояснения, своевременно оказывает помощь слабым учащимся, обобщает полученные результаты работы, контролирует и оценивает их знания и умения. Репродуктивный прием выполнения лабораторных работ особенно эффективен при отработке экспериментальных умений, так как их формирование требует многократных действий по образцу, а также в тех случаях, когда содержание лабораторных работ носит преимущественно информационный характер, представляет собой описание способов практических действий, является весьма сложным или совершенно новым для учащихся. Репродуктивный прием не способствует развитию мышления учащихся. И частое его применение приводит к формализму их знаний и умений. Все это требует применения и других приемов, обеспечивающих активную поисковую деятельность учащихся.

Иллюстративный прием выполнения лабораторных работ - это такой прием, когда работа сопровождает объяснение учителя, иллюстрирует его. При этом приеме значительную роль играет воспроизводящая деятельность учащихся. Деятельность учителя же сводится к устному руководству выполнения работ, показу отдельных образцов действий учащихся. Иллюстративным приемом часто выполняют такие работы, на которых отдельные элементы фронтального оборудования применяются в качестве раздаточного материала, т. е. выдаются учащимся на руки и служат наглядным пособием для каждого звена во время объяснения преподавателя. Иллюстративно выполняют лабораторные работы и после изучения учебного материала с целью проверки, подтверждения, иллюстрации уже известных учащимся явлений и закономерностей. В этом случае учащимся известны не только тема и цель работы, но и ее конечный результат. При этом их деятельность сводится к наблюдению физических явлений, измерению физических величин, проверке различных закономерностей в ходе которых они совершенствуют свои знания и экспериментальные умения, а деятельность учителя - к руководству познавательным процессом: проверке готовности класса. указанию цели работы и способа ее выполнения, выдаче дополнительных заданий для более сильных учащихся, различному инструктажу учащихся и оказанию им необходимой помощи. Устное руководство может быть заменено письменной инструкцией. Эффективность такого приема в значительной степени определяется предварительной подготовкой учащихся. В практике школ иллюстративный прием выполнения лабораторных работ получил наиболее широкое распространение. Это можно объяснить тем, что такой прием позволяет в сжатые сроки, рациональным способом сформировать у учащихся необходимые знания и экспериментальные умения. Однако в этом случае лабораторный эксперимент не является источником новых знаний для учащихся, а служит иллюстрацией к уже известным явлениям и закономерностям. Выполнение работ по подробным инструкциям приводит к формированию знаний и экспериментальных умений на уровне воспроизведения.

Частично поисковый (эвристический) прием выполнения лабораторных работ характеризуется более активной познавательной деятельностью учащихся, когда им дается только тема работы и план ее выполнения, а результат ее не известен: они должны получить его самостоятельно. При этом учитель руководит практическими действиями учащихся, направляет их мыслительную деятельность на анализ полученных из опыта результатов и на формирование нового, ранее неизвестного знания. Эвристический прием позволяет органически включать лабораторные работы в процесс изложения нового учебного материала учителем как источник новых знаний, полученных учащимися в результате самостоятельного эксперимента. Эвристическим приемом могут выполняться работы по наблюдению явлений, измерению величин, выяснению количественных зависимостей между величинами. Урок с лабораторной работой, выполняемой эвристическим приемом, можно строить по - разному, в зависимости от цели урока и содержания работы. Наиболее распространенная схема такого урока содержит четыре этапа:

1. Изложение нового материала, когда вводятся новые понятия, величины, демонстрируется изучаемое явление

2. Эвристическая беседа, в процессе которой определяется тема и цель работы и намечаются пути ее выполнения

3. Выполнение работы (наблюдений, измерений, опытов), на основе которой учащиеся устанавливают новые взаимосвязи и закономерности

4. Заключительная беседа. посвященная анализу полученных результатов

При выполнении лабораторной работы по письменному руководству этапы работы определяются пунктами инструкции. Эвристическим приемом можно выполнять лабораторные работы лишь в тех случаях, когда у учащихся уже сформированы необходимые экспериментальные умения. Например, при выполнении лабораторных работ по электричеству учащиеся должны уметь собирать электрические цепи, обращаться с измерительными приборами и т. д.

Исследовательский прием выполнения лабораторных работ характеризуется наибольшей познавательной самостоятельностью учащихся, когда они получают от учителя только тему работы, а пути ее выполнения разрабатывают сами и самостоятельно проводят измерения, обрабатывают результаты и делают выводы. Функция учителя в этом случае заключается лишь в контроле за действиями учащихся. При этом возможен коллективный поиск поставленной задачи. Например, при выполнении в XI классе лабораторной работы "Наблюдение и интерференции и дифракции света" учитель вначале предлагает учащимся высказать свои соображения о возможных способах наблюдений указанных явлений. Учащиеся обычно предлагают несколько вариантов выполнения работы, которые коллективно выполняются. Исследовательский прием применяют с целью развития у учащихся творческой познавательной деятельности в приобретении знаний. Такой прием обычно эффективен в тех случаях, когда содержание лабораторных работ направлено на формирование понятий, законов или основных положений теории, а не на сообщение фактических знаний; когда содержание работ не слишком легкое, не слишком трудное, а логически продолжает ранее изученное; когда работы требуют от учащихся таких действий, которые лишь немного превосходят по трудности уже сформированные умения.

Лабораторные работы, выполняемые исследовательским приемом, вначале дают учащимся в виде небольших экспериментальных задач-проблем. После приобретения определенных умений выполнять такие работы ученикам предлагают последовательно усложняющиеся задания. Иногда предлагают одно общее, обязательное для всех учеников задание и два-три дополнительных. Некоторые задания (обычно первые по порядку) могут быть и не творческими. Они имеют цель закрепить и отработать ранее изученный материал.

В тех случаях, когда нужно охватить исследованием возможно больший объем материала в сравнительно короткое время, лабораторные работы можно проводить в форме дифференцированных заданий. При этом класс делят на две или три группы (например, по рядам столов в классе) и каждая группа выполняет только одно задание. По окончании работы поочередно обсуждают результаты, полученные каждой из групп, подводят общий итог.

Исследовательским приемом можно выполнить работы до изучения, во время изучения и после изучения нового материала.