Некоторые методические приемы обучения решению физических задач повышенного уровня сложности

Человек, знающий физику, в первую очередь, способен видеть физические явления вокруг себя и объяснять их основываясь на физические закономерности. При обучении физики учащихся профильных классов перед учителем стоит задача не только показать многообразие физических явления и законов, научить использовать их для объяснения окружающих нас явлений, но и количественно описывать эти процессы и достаточно точно прогнозировать их поведение. Все эти требования диктуются современными технологиями, требующими достаточно точных расчетов.

Рассматривая задачи, стоящие перед учителем физики, можно выделить две основных: формирование определенного уровня теоретических знаний у учащихся и развитие умения их практического использования при решении теоретических и экспериментальных задач.  При этом, следует отметить, что решение второй задачи является более сложной и многогранной. Работая с учащимися старших классов, часто приходится наблюдать, как ученики, владея необходимым набором теоретических знаний не могут решить задачу, которая при дальнейшем объяснении кажется им несложной. Зачастую это проблема является чисто психологической: если решение не видно сразу – задача нерешаема. К сожалению, к такому типу мышления приводит сама методика преподавания физики в средней школе, где большинство задач решается в одно-два действия и идея решения задач «лежит на поверхности» и не требует системного анализа. Поэтому при обучении физике в старшем звене приходится искать приемы, ломающие стиль мышления учащихся и помогающие преодолеть страх перед задачей.

Один их таких приемов – это вычленение более простых задач в сложной. Важно показать детям, что любая сложная задач состоит из нескольких простых, с которыми он уже умеет справляться. С этой целью целесообразно проводить уроки решения задач, в которой каждая отдельная задача является в дальнейшем частью одной более сложной задачи.

Например: рассмотрим набор таких задач, предлагаемых на одном из уроков по разделу «Динамика».

1. На поверхности стола стоит груз массой М. Какую горизонтальную силу нужно приложить к телу, чтобы сдвинуть его с места, двигать тело с ускорением а? Коэффициент трения между телом и столом µ.

2. Какой массы m₁ нужно подвесить тело, чтобы оно могло сдвинуть с места груз массой m₂, если коэффициент трения между телом m₂ и столом µ? Какой должна быть масса m₁, чтобы система двигалась с ускорением а?

3. Тело, висящее на нити длиной L, отвели на угол 60⁰ и отпустили. По какой траектории будет двигаться тело? Какую скорость будет иметь тело в самой нижней точке своей траектории? Какое центростремительное ускорение будет иметь тело в самой нижней точки своей траектории? Какова сила натяжения нити в момент прохождения телом нижней точки траектории?

4. В установке, изображенной на рисунке, грузик А соединен перекинутой через блок нитью с бруском В, лежащим на горизонтальной поверхности трибометра, закрепленного на столе. Грузик отводят в сторону, приподнимая его на высоту h, и отпускают. Длина свисающей части нити равна L.Какую величину должна превзойти масса грузика, чтобы брусок сдвинулся с места в момент прохождения грузиком нижней точки траектории? Масса бруска M, коэффициент трения между бруском и поверхностью µ. Трением в блоке, а также размерами блока пренебречь.

Урок начинаем с решения простых задач №1-2, при решении 1 задачи ребенок анализирует и находит силу, которую нужно приложить к телу, Эта задача является простейшей и может быть рассмотрена устно. Вторая задача включает в себя уже решенную первую задачу, однако показывает, что в искомая сила является мерой взаимодействия второго тела и ее решение требует уже использования третьего закона Ньютона. В третьей задаче мы показываем, что ускорение, с которым движется тело может быть центростремительным, но основной принцип решения, основанный на применении законов динамики остается прежним. И наконец переходим к 4 задаче высоко уровня сложности, которая включает в себя элементы всех, ранее решенных задач.

Как показывает практика, такой принцип построения урока и подбора задач оказывается более эффективным, чем уроки, когда построение строится на применении алгоритмов решения типовых задач.

Снизить психологическое напряжение над решением могут и ситуационные задачи. В таких задачах школьнику предлагается лишь физическая ситуация. Учащиеся должны сами определить физические явления, наблюдаемые в данной ситуации, описать их с помощью уравнений и найти все возможные величины.

Как показывает опыт, наиболее эффективно такие уроки проходят в форме игры. Для этого класс делится на микрогруппы по 3-4 человека, каждой группе выдается условие задачи с заданием «найти все, что можно». Удобно такое занятие проводить на сдвоенных уроках, тогда на первом уроке идет работа внутри групп, на втором уроке происходит обсуждение и выявление победителя – учащихся сумевших поставить наибольшее число вопросов к ситуации и дать на них правильные ответы, еще одним победителем можно выдвинуть учащегося, давшего ответ на самый сложный вопрос или самый необычный вопрос.

Рассмотрим пример такой задачи, которая предлагалась в досрочном варианте ЕГЭ 2016 года, дополнив ее числовыми данными.

Пластилиновый шарик в момент времени t=0 бросают с горизонтальной поверхности Земли с начальной скоростью V₀=20 м/с под углом 60⁰ к горизонту. Одновременно с некоторой высоты над поверхностью Земли начинает падать из состояния покоя другой такой же шарик. Шарики абсолютно неупруго сталкиваются в воздухе. Сразу после столкновения скорость шариков направлена горизонтально. Найти все, что можно.

В ходе обсуждения учащиеся могут сформулировать и найти ответы на следующие вопросы.

1. Найти проекцию вектора скорости на ось x.

2. Найти проекцию вектора скорости на ось y.

3. В каком случае слипшиеся шарики полетят горизонтально?

4. В какой момент времени произойдет столкновение?

5. На какой высоте произойдет столкновение?

6. С какой высоты падал второй шарик?

7. Какую скорость имел первый шарик к моменту столкновения?

8. Какую скорость имел второй шарик к моменту столкновения?

9. Какое расстояние по горизонтали пролетит первый шарик до столкновения?

10.  Через какое время слипшиеся шарики упадут на землю?

11. В какой момент времени шарики упадут на землю.

12. Какое расстояние по горизонтали пролетят слипшиеся шарики?

13. Под каким углом к горизонту упадут слипшиеся шарики?

14. Под каким углом к горизонту летел первый шарик за мгновение до столкновения?

15. Найти относительную скорость шариков перед столкновением.

В заключении урока следует сделать вывод, что многие вопросы задачи ставились на основании ранее полученных результатов решения. Поэтому если, перед учащимися встает задача, решение которой вызывает у них затруднения, то решать ее нужно анализируя предложенную ситуацию со всех сторон и находя все возможные значения.

Используя предложенные приемы, можно решать не только проблему обучения учащихся решению задач, но и проблему преодоления неуспешности в обучении, снимать психологическую напряженность перед экзаменами.