Содержание личностно ориентированной деятельности учащихся и методика ее организации
Виды личностно ориентированной деятельности учащихся. Реализация принципа личностно ориентированного обучения на практике в основной школе становится возможной при условии предоставления учащимся возможности выбора разнообразных видов самостоятельной деятельности на уроках физики и во внеурочное время. Рассмотрим особенности наиболее перспективных для этих целей видов деятельности учащихся. Решение теоретических задач повышенной трудности. Теоретические задачи повышенной трудности можно предлагать всем учащимся после того, как усвоен весь основной материал данной темы. Но спрашивать по дополнительным заданиям повышенной трудности целесообразно только тех учащихся, кто желает рассказать о своих результатах. За выполнение таких заданий оценки могут быть только «4» и «5». Если на выполнение дополнительных заданий со всеми учащимися в классе не остается времени, то их можно предлагать для самостоятельного домашнего выполнения. Экспериментальные задания повышенной трудности. Экспериментальные задания повышенной трудности, как и теоретические задачи, можно предлагать всем учащимся, но спрашивать отчеты об их выполнении целесообразно только тех учащихся, кто желает рассказать о своих результатах. Эти задания следует предлагать без описания хода работы, без наводящих подсказок, так как основное их назначение заключается не в выполнении заданной последовательности действий, а в самостоятельном поиске решения поставленной проблемы, в отыскании оригинального метода решения. Поставив перед учащимися проблему повышенной трудности, не нужно оставлять их без внимания. Даже сравнительно простые экспериментальные задания трудны для большинства школьников, не имеющих никакого опыта работы с измерительными приборами, самостоятельного планирования экспериментальной работы. Тем более сложны для них задания, требующие применения знаний в незнакомой ситуации. Поэтому нужно предоставить учащимся 5—10 мин на самостоятельные попытки решения проблемы, а после этого тому из них, кому не удается ничего придумать, нужно сделать небольшие подсказки, задать наводящие вопросы в такой форме, чтобы у школьника складывалось впечатление, что он почти все придумал сам. Для тех учащихся, кому не удастся помочь намеками и наводящими вопросами, нужно заранее подготовить краткие инструкции к выполнению заданий. Однако не следует заранее делить учащихся класса на способных и неспособных. Неспособный сегодня может проявить себя способным завтра или через год. Поэтому на каждом уроке всем нужно сначала давать задание в одинаковой форме, а затем лишь по мере необходимости оказывать индивидуальную помощь. Рассмотрим пример экспериментального задания повышенной трудности. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 17.2. Измерение плотности вещества. Оборудование: стеклянный стакан с водой, пробирка, измерительная линейка, неизвестное вещество в виде небольших кусочков. Определите плотность неизвестного вещества в твердом состоянии. Примечание: Плотность воды равна 1000 кг/м3. Особенность этого задания заключается в том, что в перечень используемого оборудования не включены весы и измерительный цилиндр. Поэтому нельзя его выполнить путем прямых измерений массы и объема некоторого количества неизвестного вещества. В качестве вещества неизвестной плотности можно использовать, например, металлический алюминий или цинк в гранулах, кусочки мрамора или разбитого камня. Количество вещества должно быть достаточным для заполнения пробирки. Возможный вариант выполнения экспериментального задания 17.2. Для определения плотности ρ x неизвестного вещества нужно знать массу m x и объем V x некоторого его количества: ρ x = m x V x . По условию задачи нет весов для измерений массы тела и измерительного цилиндра, с помощью которого можно было бы измерить объем тела. Следовательно, нужно искать такой метод измерений, в котором не требовалось бы знание абсолютных значений объема и массы тела. Подсказка содержится в примечании, указывающем, что плотность воды следует считать известной. Значит, задача сводится к сравнению плотности неизвестного вещества с плотностью воды. Можно сравнить объемы неизвестного вещества и воды при одинаковых значениях их масс, а одинаковые значения масс исследуемого вещества и воды можно получить экспериментально без помощи весов на основе использования закона Архимеда. Нальем в стакан столько воды, чтобы уровень ее был примерно на 1 см ниже края. Будем нагружать пробирку неизвестным веществом малыми порциями до тех пор, пока пробирка погрузится в воду и расположится вертикально. Для измерений удобно, если край пробирки будет находиться на уровне верхнего края сосуда. Это положение пробирки можно определить с большой точностью с помощью линейки, помещенной сверху стакана (рис. 4).
Рис. 4
Затем заменим неизвестное вещество водой и, постепенно доливая воду, добьемся точно такой же глубины погружения пробирки (рис. 5). При выполнении этого условия масса налитой воды равна массе неизвестного вещества.
Рис. 5
Измерим высоту h1 уровня воды в пробирке (рис. 6).
Рис. 6
Объем Vв воды в пробирке равен Vв = Sh1, где S — площадь поперечного сечения пробирки. Опустим использованное ранее неизвестное вещество в пробирку с водой и измерим высоту h2 уровня воды в ней (рис. 7).
Рис. 7
Объем Vx неизвестного вещества выразим через площадь S внутреннего поперечного сечения пробирки и изменение высоты h2 – h1 уровня воды в пробирке при опускании вещества в воду:
Vx = S (h2 – h1).
Плотность ρХ неизвестного вещества равна:
ρ x = m x V x = m в V x = ρ в V в V x = ρ в S h 1 S( h 2 − h 1 ) , ρ x = ρ в h 1 ( h 2 − h 1 ) . Таким образом, для нахождения плотности ρx неизвестного вещества в условиях эксперимента достаточно измерить лишь высоты h1 и h2 уровней воды в пробирке. Подготовка демонстрационных опытов. Одним из возможных вариантов вовлечения учащихся в активную практическую деятельность, связанную с изучением физики, является их участие в подготовке и выполнении демонстрационных опытов. Этот вид деятельности для одних учащихся привлекателен тем, что они в определенной мере выполняют работу учителя и повышают свой статус относительно своих товарищей. Другим школьникам просто нравится все делать самим, а не смотреть, как кто-то делает что-то интересное. Участие школьников в подготовке и выполнении демонстрационных опытов во многих случаях полезно и для учителя. Участие школьников в экспериментах изменяет атмосферу урока, раскрепощает учащихся. Их позиция наблюдателей за действиями учителя заменяется в определенной мере на позицию «болельщиков» за свою «команду». Это невольно повышает интерес к происходящему у демонстрационного стола. Примерами опытов такого типа могут служить многочисленные опыты по обнаружению явления инерции, атмосферного давления. Например, при переворачивании бутылки с водой под действием силы тяжести вода вытекает из бутылки. Опустим горлышко бутылки в сосуд с водой. Почему теперь вода не вытекает из бутылки? Подобные опыты могут с успехом выполнять учащиеся. Действенным средством для привлечения внимания учащихся является эффектность, яркость эксперимента. Примером эффектного опыта при ознакомлении с явлением инерции, подготовку которого можно поручить группе учащихся, может служить опыт с переламыванием палки, подвешенной на бумажных кольцах. Для опыта нужно подготовить из сухих веток дерева несколько палок диаметром 1—1,5 см и длиной около 1 м и еще одну палку примерно в 2 раза большего диаметра. Из бумажных полос шириной 2—3 см и длиной 10—15 см нужно склеить 4—5 колец. Палки и кольца обязательно нужно испытать в предварительных опытах, а также они должны быть в запасе для повторения опыта другими учащимися. Опыт нужно проводить в следующем порядке. Показав палку и бумажное кольцо, учитель спрашивает: «Как вы думаете, что прочнее — палка или бумажное кольцо?» После высказывания предположений учащимися нужно взять палку на расстоянии 20—30 см от конца, продеть конец палки в кольцо и, удерживая кольцо на стержне от штатива, разорвать бумажное кольцо нажимом палки. Предположение о том, что палка прочнее бумажного кольца, подтверждено экспериментом. Теперь можно подвесить эту палку за концы на двух бумажных кольцах, удерживаемых двумя учениками с помощью стержней от штативов, и задать вопрос: «А если резко ударить посередине палки, порвутся бумажные кольца или переломится палка?» После этого выполняется основной опыт по обнаружению свойства инертности палки. При резком ударе посередине палки бумажные кольца остаются целыми, а палка переламывается. Домашние экспериментальные задания. В домашних условиях могут быть выполнены экспериментальные задания, например, по наблюдению явления диффузии при растворении кристаллов марганцовки в воде, по выращиванию кристаллов соли. Для учащихся, желающих вырастить самостоятельно кристаллы соли, можно дать краткую инструкцию. При изучении способов измерения скорости учащимся можно предложить определить скорость автомобиля с помощью цифрового фотоаппарата, который может производить съемку быстро движущихся тел при обычном солнечном освещении в режиме «непрерывная съемка» и давать серию последовательно выполненных фотографий. Интервал времени между последовательно выполненными снимками можно определить, отсняв 10—20 кадров циферблата часов с секундной стрелкой. Интервал времени находится делением разности между показаниями часов на первом и последнем кадрах на число интервалов времени. После проверки одинаковости интервалов времени между последовательными кадрами и определения интервала времени между последовательно выполненными снимками можно производить исследования движения различных тел и определять скорости их движения. Опыты с «картезианским водолазом». При изучении закона Архимеда можно предложить учащимся занимательное домашнее экспериментальное задание по изготовлению игрушки, известной под названием «картезианский водолаз». Для этого понадобятся пипетка для отмеривания жидкости по каплям и пластиковая бутылка. В пипетку нужно набрать столько воды, чтобы она при опускании в воду плавала в вертикальном положении, но над водой оставалась лишь очень малая часть ее резинового колпачка, не более 2—3 мм. Затем пипетку перенести в пластиковую бутылку, наполненную почти доверху водой, и завинтить бутылку крышкой. При сжатии бутылки с боков пипетка опускается вниз до дна. С прекращением сжатия «картезианский водолаз» всплывает. Такую игрушку учащиеся могут продемонстрировать в классе и объяснить наблюдаемые явления. Подготовка рефератов о практическом применении знаний по физике в повседневной жизни. Примерами рефератов могут быть сообщения об особенностях кровеносной системы человека и способах измерения кровяного давления. Подготовку рефератов можно поручить 5—6 учащимся по их желанию. Темы сообщений могут быть примерно такими: 1. Система кровообращения человека. 2. Кровяное давление. 3. Когда и зачем нужно измерять артериальное давление? 4. Сфигмоманометр — прибор для измерения артериального давления крови. 5. Измерение артериального кровяного давления. Самой интересной и полезной для учащихся будет практическая часть занятия, во время которой они поочередно выполнят измерения кровяного давления друг у друга. Чтобы эта часть занятия прошла успешно, нужно объяснить принцип действия фонендоскопа и тонометра, продемонстрировать способ их применения, дать возможность учащимся самостоятельно выполнить измерения артериального давления. Подготовка рефератов об истории научных открытий и технических изобретений, о достижениях техники. Возможных тем для подготовки таких рефератов очень много. Процесс компьютеризации школ и подключения их к глобальным информационным сетям существенно расширяет возможности учащихся при выполнении подобных работ. Учащимся, которые не имеют опыта работы в Сети, учитель должен показать путь входа в Интернет, рекомендовать поисковые системы, объяснить, как делается запрос на поиск нужной информации в Сети, как эта информация сохраняется и как ее можно подготовить для представления с помощью компьютера. При выборе тем рефератов нет нужды ограничиваться только обсуждением проблем науки физики и ее технических применений. Детям интересно узнать что-то новое, например об автомобилях. Поэтому их может заинтересовать реферат на тему «Рекорды скорости». Задача учителя состоит в том, чтобы перед учащимися поставить один-два вопроса, связанные с физикой. Например, при подготовке реферата на тему «Рекорды скорости» может быть поставлен вопрос о том, почему при достижении скорости около 600 км/ч изобретателям и конструкторам гоночных автомобилей долгие годы не удавалось улучшить достигнутые результаты, а затем вдруг рекордные значения скорости значительно увеличились. При обсуждении вопросов научно-технического прогресса имеет смысл иногда обсуждать и вопросы, выходящие за рамки учебного предмета. Например, возможной темой реферата может быть «Как добиться успеха в жизни?». Героем такого реферата может быть, например, Эдисон. Выполнение индивидуальных заданий с применением компьютера. Для учащихся, проявляющих повышенный интерес к работе с компьютером, могут оказаться привлекательными такие индивидуальные задания, как, например, построение графиков. Учащийся, выбравший эту тему, после ее завершения может продемонстрировать остальным учащимся, как по табличным данным наносят экспериментальные точки на координатную плоскость и строят по ним график. Диспуты. Участие в диспутах является одной из форм активной самостоятельной познавательной деятельности, развивающей общие способности логического мышления, умения кратко, логично, доступно и убедительно излагать свои мысли и доводы, выслушивать собеседника и понимать его точку зрения. Большинство учащихся не могут без специальной предварительной подготовки с пользой для себя и своих товарищей принимать участие в диспуте по одной из изученных тем курса физики. Например, для проведения диспута на тему «Существует ли пустота? Существует ли атмосферное давление?» учащихся, желающих принять участие в диспуте, можно разбить на две группы. Одна группа будет выполнять роль сторонников учения Аристотеля, другая будет экспериментами и логическими доводами пытаться опровергнуть учение Аристотеля. Это будут сторонники Торричелли. Возможный набор демонстрируемых опытов и их объяснений по Аристотелю (А) и по Торричелли (Т) представлен ниже. Опыты по обнаружению атмосферного давления Опыт 1. Нальем в стакан воду до краев. Накроем его сверху листом бумаги, прижмем сверху ладонью и перевернем вверх дном. Теперь удалим ладонь. Вода не выливается из стакана. Объяснение А. Вода не может вылиться, так как в стакане образовалась бы пустота, а природа не терпит пустоты. Объяснение Т. Воздух давит на лист бумаги снизу вверх силой, превышающей вес воды. Опыт 2. Опустим конец стеклянной трубки пипетки в воду, сожмем резиновый колпачок, затем отпустим его. Вода поднимается вверх по стеклянной трубке. Объяснение А. После отпускания резинового колпачка его объем увеличивается. Так как природа не терпит пустоты, в трубку входит столько воды, на сколько увеличился объем колпачка. Объяснение Т. При отпускании сжатого резинового колпачка объем находящегося в нем воздуха увеличивается, давление уменьшается. Так как давление воздуха над водой в трубке становится меньше атмосферного давления, вода под действием атмосферного давления поднимается вверх. Опыт 3. Возьмем пакет с соком, аккуратно проколем пластмассовой трубочкой (соломинкой) отверстие в металлической крышке и начнем всасывать сок через трубку. При этом пакет сжимается с боков. Объяснение А. При всасывании сока объем оставшейся жидкости уменьшается. Так как природа не терпит пустоты, стенки коробки втягиваются внутрь, занимая освободившееся место. Объяснение Т. При всасывании сока давление внутри пакета понижается и становится меньше атмосферного, под действием атмосферного давления снаружи пакет сжимается. Опыт 4. Нальем в пластмассовую бутылку с плотно завинчивающейся пробкой объемом 1,5—2,5 л горячую воду, затем выльем ее и сразу закроем плотно пробкой. По мере остывания бутылка сжимается, коробится. Объяснение А. При охлаждении объем воздуха в бутылке уменьшается, стенки бутылки втягиваются внутрь, занимая освободившееся пространство, так как природа не терпит пустоты. Объяснение Т. Газы всегда занимают весь предоставленный им объем и не сжимаются при охлаждении. При охлаждении бутылки давление воздуха в ней уменьшается. Кроме того, происходит конденсация водяного пара, и из-за этого давление еще более уменьшается. Внешнее атмосферное давление сжимает бутылку до такого объема, при котором давление воздуха внутри бутылки становится равным атмосферному давлению. Опыт 5. В пластмассовую бутылку вставим резиновую пробку со стеклянной трубкой. Соединим трубку резиновым шлангом с воздушным насосом. При откачивании воздуха бутылка сминается. Объяснение А. Стенки бутылки втягиваются внутрь на место откачанного воздуха, так как природа не терпит пустоты. Объяснение Т. При откачивании воздуха в бутылке не образуется пустота, так как оставшийся воздух заполняет весь объем. Давление воздуха в бутылке уменьшается ниже атмосферного, избыточное атмосферное давление снаружи сминает бутылку. Опыт 6. В стеклянную бутылку вставим резиновую пробку со стеклянной трубкой, конец стеклянной трубки, помещенный внутрь бутылки, должен быть суженным. Соединим трубку резиновым шлангом с воздушным насосом и откачаем воздух. Перекроем резиновую трубку зажимом, отсоединим от насоса и опустим конец трубки в стакан с водой. Бутылку поставим вертикально и отпустим зажим. Внутри бутылки возникает водяной фонтан. Объяснение А. Вода втягивается внутрь бутылки на место откачанного воздуха, так как природа не терпит пустоты. Объяснение Т. При откачивании части воздуха в бутылке не образуется пустота, так как оставшийся воздух заполняет весь объем. В бутылке давление воздуха уменьшается ниже атмосферного, избыточное атмосферное давление снаружи вдавливает воду внутрь бутылки. Опыт 7. Возьмем две воздушные тарелки (уменьшенный вариант магдебургских полушарий), сложим их вместе и соединим кран на одной из тарелок резиновым шлангом с насосом. Откачаем воздух из тарелок и закроем кран. Теперь тарелки не удается разъединить до тех пор, пока открыванием крана внутрь не будет впущен атмосферный воздух. Объяснение А. Так как из пространства между тарелками удален почти весь воздух, при разъединении тарелок могла бы образоваться пустота. Но природа не терпит пустоты, поэтому раздвинуть тарелки не удается. Объяснение Т. После откачивания воздуха из пространства между тарелками давление изнутри приближается к нулю. Сил человека оказывается недостаточно для преодоления сил атмосферного давления, сжимающего тарелки. Примеры объяснений опытов показывают, что убедить сторонников Аристотеля в том, что существует атмосферное давление, не так просто. Гипотеза Торричелли о существовании атмосферного давления не только дает качественное объяснение наблюдаемых явлений, но и позволяет правильно рассчитать максимальную высоту подъема столба любой жидкости в трубке, из которой выкачивается воздух, рассчитать силу, необходимую для разрыва магдебургских полушарий. В физике гипотезе, способной предсказать новые экспериментально подтверждаемые факты, отдается безусловное предпочтение. КОНСТРУКТОРСКИЕ ЗАДАНИЯ. Измерение атмосферного давления. Задание по изготовлению водяного барометра можно выполнить, если здание школы имеет более трех этажей и водяной барометр можно установить на лестничной клетке. Для изготовления водяного барометра потребуются пластмассовая трубка длиной 10,5—11 м, пластмассовая бутылка и стеклянная трубка длиной 0,5 м с одним запаянным концом. Сначала нужно заполнить пластмассовую и стеклянную трубки водой и соединить их, надев конец пластмассовой трубки на открытый конец стеклянной трубки. Все воздушные пузырьки из воды необходимо постепенно выпустить из трубки, после этого долить воду в трубку, чтобы в ней не было воздуха. Затем нужно налить воду в пластмассовую бутылку до самого верха и ввести в нее открытый конец трубки с водой. Опустив конец трубки до дна бутылки, нужно соединить трубку с бутылкой скотчем так, чтобы воздух свободно мог входить в бутылку. Теперь из бутылки осторожно нужно вылить примерно 1/3 воды так, чтобы при этом воздух не попал в трубку. Чтобы из трубки, заполненной водой, получился водяной барометр, нужно закрепить бутылку на полу на лестничной клетке, а трубку с водой, постепенно разматывая, поднять на четвертый этаж (рис. 8).
Рис. 8
Когда запаянный конец стеклянной трубки удалится от уровня воды в бутылке более чем на 10,3 м, в стеклянной трубке над водой образуется «торричеллиева пустота». Измерив высоту h водяного столба в барометре, можно вычислить атмосферное давление: p = ρgh. Стеклянная трубка на конце пластмассовой трубки нужна потому, что при образовании торричеллиевой пустоты пластмассовая трубка сжимается атмосферным давлением и трудно заметить, где находится уровень воды. Самостоятельные исследовательские проекты школьников. Разговор о самостоятельных исследованиях школьников по физике обычно вызывает у многих учителей недоумение или удивление. О каких научных исследованиях по физике может идти речь в условиях обычной школы? И что могут «открыть» в физике дети, не освоившие школьный курс физики? Действительно, в физике нет возможности приступить к самостоятельному творчеству после кратковременной интенсивной подготовки в виде прочтения нескольких умных книжек. Не нужно и поддерживать попытки некоторых учащихся, направленные на теоретическое опровержение существующих физических теорий или на разработку собственных физических теорий, объясняющих все на свете. С развитием Интернета резко выросла опасность вовлечения учащихся в пустые словесные упражнения, близкие по своему характеру и научной ценности к средневековым «ученым диспутам», так как школьники не могут отличить изложенные в Сети действительные новости науки от совершенно пустых словесных упражнений. Какие же темы исследовательских проектов по физике могут быть предложены учащимся для самостоятельного выполнения и какая от них может быть польза? Главное назначение исследовательских проектов по физике для учащихся — овладение методами научного исследования физических явлений. Для достижения этой цели не требуется обязательное использование совершенных современных измерительных приборов. Нужно понять, что Галилей, Ньютон, Гальвани, Вольта, Фарадей, Ампер и многие другие ученые свои замечательные открытия сделали с использованием примитивных приборов. Поэтому учащиеся имеют реальные возможности самостоятельно пройти путь экспериментального открытия замечательных физических явлений. Первым этапом подготовки к предложению исследовательского проекта по физике для учителя является выбор такой проблемы, которая требует для своего решения проведения экспериментального исследования. Обязательным условием является предварительное проведение предполагаемого исследования учителем. Только после получения вполне убедительных воспроизводимых результатов он может предлагать проблему учащимся. С учащимися, проявившими интерес к поставленной проблеме, можно обсудить возможные способы проведения экспериментального исследования, затем выбрать место проведения экспериментов, определить состав участников исследования, подобрать необходимые приборы и материалы. Нужно внимательно приглядеться к потенциальным участникам исследовательского проекта с целью выяснения оптимального варианта распределения выполняемых элементов проекта. Одни учащиеся склонны к полной самостоятельности и имеют возможности для проведения исследований в домашних условиях. Им достаточно предложить проблему и затем регулярно интересоваться полученными результатами. Другие не склонны к индивидуальной работе. Им интересно непрерывно общаться между собой в небольшой группе, спорить, пробовать разные варианты. При организации работы в группе важна не только психологическая совместимость участников, но и подбор такой команды, в которой были бы экспериментаторы, способные работать руками, и теоретики, способные к выдвижению гипотез, формулировке полученных результатов. Важно и наличие явного лидера в группе, без которого трудно организовать совместную работу нескольких учащихся. Предлагаемая проблема должна казаться учащимся довольно простой, имеющей почти очевидное решение. И лишь в ходе проведения экспериментов выясняется высокая сложность исследуемой проблемы. Рассмотрим в качестве примера одно простое экспериментальное задание. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ 29.3. Исследование зависимости показаний термометра от внешних условий. Какая температура воздуха в комнате и на улице, интересует людей каждый день. Термометр для измерения температуры воздуха есть практически в каждом доме, но далеко не всякий человек умеет правильно им пользоваться. Многие не понимают самой задачи измерения температуры воздуха. Это непонимание особенно обнаруживается в жаркие летние дни. Когда метеорологи сообщают, что температура воздуха в тени достигала 32 °С, то многие люди уточняют примерно так: «А на солнце столбик термометра уходил за отметку 50 °С!» Имеют ли смысл такие уточнения? Для ответа на этот вопрос выполните следующее экспериментальное исследование и сделайте свои выводы. Оборудование: настольная лампа, термометр, листы белой и черной бумаги. Исследуйте зависимость показаний термометра от внешних условий. 1) Освещен термометр или он находится в тени? 2) На какой подложке лежит термометр? 3) Какого цвета экран закрывает термометр от солнечных лучей? Это задание учащиеся могут выполнить по своему плану без каких-либо указаний и инструкций со стороны учителя. Тем учащимся, которые хотят выполнить это исследование, но не могут самостоятельно спланировать его, можно предложить следующий план действий: Опыт 1. Измерьте температуру воздуха «на солнце» и «в тени». В качестве «солнца» используйте настольную лампу. Первый раз расположите термометр на расстоянии 15—20 см от лампы на столе (рис. 9), второй раз, не изменяя положения лампы относительно термометра, создайте «тень» листом бумаги, поместив его вблизи лампы (рис. 10). Запишите показания термометра.
Рис. 9 Рис. 10
Опыт 2. Выполните измерения температуры «на солнце» с использованием сначала темной, затем светлой подложки под термометром. Для этого первый раз положите термометр на лист белой бумаги (рис. 11), второй раз — на лист черной бумаги (рис. 12). Запишите показания термометра.
Рис. 11 Рис. 12
Опыт 3. Выполните измерения «в тени», закройте свет от лампы листом белой бумаги, положив его прямо на термометр (рис. 13). Запишите показания термометра. Повторите опыт, заменив белую бумагу черной (рис. 14).
Рис. 13 Рис. 14
Обдумайте результаты выполненных опытов и сделайте выводы, где и как за окном нужно укрепить термометр для измерения температуры воздуха на улице. Серия опытов при правильном выполнении дает следующие результаты. Из опыта 1 следует, что показания термометра «на солнце» заметно выше его показаний «в тени». Этот факт должен получить следующее объяснение. При отсутствии солнечного освещения температуры воздуха и стола одинаковы. В результате теплообмена со столом и воздухом термометр приходит в тепловое равновесие с ними и показывает температуру воздуха. Когда «солнце» не закрыто листом бумаги, то под действием поглощаемого излучения температура стола повышается, а прозрачный воздух этим излучением почти не нагревается. Термометр, с одной стороны, осуществляет теплообмен с поверхностью стола, а с другой стороны — с воздухом. В результате температура оказывается выше температуры воздуха, но ниже температуры поверхности стола. Каков же тогда смысл показаний термометра «на солнце»? Упорный любитель измерений температуры воздуха «на солнце» может на это возразить, что его не интересует температура воздуха «в тени», когда сам он находится «на солнце». Пусть это будет не температура воздуха, просто показания термометра «на солнце», но именно они его и интересуют. В этом случае ему пригодятся результаты опыта 2. Из опыта 2 следует, что на белой бумаге, хорошо отражающей свет, показания термометра значительно меньше, чем на черной, хорошо поглощающей световое излучение и сильнее нагревающейся. Следовательно, на вопрос о показаниях термометра «на солнце» нет однозначного ответа. Результат будет сильно зависеть от цвета подложки под термометром, цвета и структуры поверхности баллона термометра, наличия или отсутствия ветра. Температура воздуха на улице при измерениях вдали от нагретых солнечным излучением предметов и при исключении прямого воздействия излучения на термометр одинакова «на солнце» и «в тени», это просто температура воздуха. Но измерять ее следует действительно только «в тени». Но создание «тени» для термометра в солнечный день тоже непростая задача. В этом убеждают результаты опыта 3. Они показывают, что при близком расположении экрана от термометра нагревание экрана солнечным излучением будет приводить к существенным ошибкам при измерении температуры воздуха в солнечный день. Повышение температуры будет особенно большим при темной окраске экрана, так как такой экран поглощает почти всю энергию падающего на него солнечного излучения. При белой окраске экрана повышение температуры значительно меньше, так как такой экран отражает почти всю энергию падающего на него солнечного излучения. После выполнения такого экспериментального исследования нужно обсудить важный вопрос: как же нужно измерять температуру воздуха на улице? Ответ на этот вопрос может быть примерно таким. Если в квартире есть окно, выходящее на север, то именно за этим окном и нужно укрепить уличный термометр. Если же такого окна в квартире нет, термометр должен быть укреплен возможно дальше от нагреваемых солнцем стен, напротив слабонагреваемых оконных стекол. Баллон термометра должен быть защищен от нагревания солнечным излучением. Результаты опыта 3 показывают, что при попытке защиты термометра от солнечного излучения экран сам нагревается и нагревает термометр. Так как белый экран нагревается меньше, защитный экран должен быть светлым, располагать его следует достаточно далеко от термометра. Аналогичное задание можно дать для выяснения зависимости показаний комнатного термометра от места его расположения. Результатом выполнения домашнего задания должно быть установление того факта, что показания комнатного термометра зависят от места его расположения в комнате. Если нас интересует температура воздуха в комнате, то нужно исключить влияние на него нагретых тел и солнечного излучения. На термометр не должен падать прямой солнечный свет, нельзя располагать термометр вблизи нагревательных и осветительных приборов. Не следует вешать термометр на внешнюю стену комнаты, которая летом имеет повышенную, а зимой — пониженную температуру относительно температуры воздуха в комнате.
