Физика собственной персоной - Новое содержание образования. Педагогическая техника. ТРИЗ-педагогика. Развитие креативности детей

(развивающий учебник для 7-го класса)

— Что толку в книге, — подумала Алиса, — если в ней нет ни картинок, ни разговоров?

Л. Кэрролл. «Алиса в стране чудес»

В нашей книжке физика представлена как игра человека с природой. Законы физики — правила этой игры, а задачи — ее захватывающие эпизоды.

Кому она НУЖНА, такая книга?
Ребятам, которым любопытно знать, как устроена природа.
Родителям и учителям, которые хотят, чтобы дети учились с интересом, освоили предмет и при этом нарастили творческие мускулы.
Руководителям хороших школ, лицеев, гимназий (в том числе частных), особенно тем, которые интересуются учебными проектами на стыке нескольких дисциплин.

Эта книга НЕ НУЖНА:
взрослым и детям, которые и так все знают;
учителям, у которых сложилась непоколебимая «своя система»;
героям, которые верят, что физику можно и нужно выучить наизусть, а потом сдать и забыть.

В Греции все есть

ИСТОРИЯ 1

Когда легендарный греческий царь Эдип разгадал знаменитую загадку чудовища по имени Сфинкс, чудовище тут же придумало новую:

«Можно ли наполнить амфору три раза, ни разу ее не опорожнив?»

Наполним для начала амфору яблоками. Можно ли наполнить ее еще раз, не высыпая яблок?
Что бы вы ответили чудовищу по имени Сфинкс?

Чаепитие на Бейкер-стрит

ИСТОРИЯ 2

Однажды мистер Шерлок Холмс и доктор Ватсон после очередного дела пили чай.

Холмс несколько минут не мигая глядел на стакан, как бы пытаясь разглядеть нечто, недоступное глазу простого смертного, и вдруг произнес:

— Держу пари, Ватсон, Вы ни за что не догадаетесь, сколько сахару можно насыпать в стакан чая, полный до краев. При этом, заметьте, не проливая из стакана ни капли.

А как вы думаете — сколько? Попробуйте проверить ваше предположение.
Что вы наблюдали? Что происходит с плотностью чая в стакане? Увеличивается она, уменьшается или остается неизменной?

Доктор Ватсон попросил Холмса объяснить нелогичное поведение чая. Мистер Холмс оказался в затруднении, но
все-таки нашел объяснение.

Что бы вы ответили доктору Ватсону?

Опыт можно объяснить, если предположить, что и вода, и сахар состоят из мельчайших частичек, между которыми есть пустые промежутки. Эти мельчайшие частицы вещества называются молекулами.

ПРОДОЛЖЕНИЕ ИСТОРИИ 2

Как только Ватсон услышал, что вещество состоит из мельчайших частиц, он сказал:
— Конечно, Холмс, то, что Вы говорите, крайне любопытно, но почему тогда любое вещество выглядит сплошным?

Как, по-вашему, что мог бы ответить Холмс?

Холмс ответил:
— Посмотрите, доктор, на страницу этой книги из дальнего угла комнаты. Как она выглядит? Как сплошной серый лист с белыми краями. Теперь подойдите поближе. Вы видите не сплошной серый лист, а темные полоски с белыми промежутками. Подойдите еще ближе. Теперь, когда Вы стоите рядом, Вы видите отдельные буквы и пробелы между ними.
Если я Вас еще не убедил, вспомните, как выглядит альпийский луг с горной вершины. Правильно, как сплошная изумрудная масса. А как выглядел тот же луг, когда мы спустились пониже? Как множество травинок, между которыми ничего не растет.
И, наконец, Ватсон, если Вам случалось видеть рой пчел или облачко комаров-толкунчиков — вспомните, как они выглядят издалека и вблизи.
Не согласитесь ли Вы, мой недоверчивый друг, что книга природы, в конечном счете, состоит из букв — мельчайших частиц, которые и называются молекулами. Да Вы вспомните, доктор, ваши собратья-медики стали намного больше понимать в болезнях, когда усвоили, что болезни вызываются мельчайшими живыми существами.

— Но, дорогой мистер Холмс, когда медики говорят о микробах, они могут указать их размеры. Можете ли вы указать размеры молекул?

Шерлок Холмс не смог ответить на этот вопрос. Что бы на него смогли ответить вы?

В плену у крокодилов

ИСТОРИЯ 3

(невыдуманная)

Во время Второй мировой войны наши летчики перегоняли гидросамолеты. Экипаж одного гидроплана, плененный красотой африканского озера, совершил посадку в незапланированном месте. Самолет удачно приводнился, и тут летчики заметили, что озеро кишит крокодилами.

«Взлетаем!» — решили летчики, но прямо по курсу — крокодил... А кто гарантирует, что рядом не всплывет еще один?

Трагизм положения в том, что стоит одному из поплавков гидроплана попасть в животное — и аварии не избежать. Подстрелить крокодила? Но тогда «сбегутся» его кровожадные сородичи, и будет еще хуже... Как быть?

Как сделать, чтобы крокодилы сами убрались со «взлетной полосы?
Располагают ли летчики веществом, которое будет не по вкусу крокодилам?
Сколько этого вещества нужно плеснуть в озеро, чтобы самолет мог взлететь? Для разбега самолету нужно 100 м воды без препятствий.

Чтобы ответить на последний вопрос, создадим «настольное озеро» — тарелку с водой — и капнем на воду немного бензина из пипетки.

Что происходит?
Почему пятно не расплывается дальше?
Каковы размеры бензинового пятна на поверхности воды?
Может быть, вам поможет ответить на последний вопрос воображаемый опыт: представьте себе, что на поверхность озера высыпали ящик теннисных шариков. Какой будет площадь пятна на поверхности озера?

Скорее всего, вы догадались, что шарики расплывутся по воде так, что образуется слой толщиной в один шарик. Точно так же капля бензина будет расплываться, пока не образуется слой толщиной в одну молекулу.

Объем бензина и площадь пятна связаны соотношением: , где — объем бензина, где — площадь пятна
(), а — диаметр молекулы.

Размер молекулы найдем из нашего опыта:.

Теперь можно узнать, сколько бензина пришлось вылить летчикам, чтобы крокодилы убрались со «взлетной полосы»: радиус пятна — длина разбега, R = 100 м; диаметр молекулы .
Тогда 30 см³ (примерно три столовых ложки).

Определите (примерно) объем и массу молекулы. Для простоты можете считать, что молекулы имеют форму кубика.
Сколько молекул в капле бензина? В микробе? В пылинке? В человеке?
Потерпел аварию танкер, вмещавший миллион тонн нефти. Какая площадь моря загрязнится при такой аварии? Как бы вы могли очистить море?
Сколько нефти должно вылиться, чтобы загрязнить весь Мировой океан? За сколько лет человечество способно добыть столько нефти?

Молекулу нефти можно себе представить как шарик, имеющий диаметр

, объем

, и массу

кг.

Вагончик тронется — перрон останется

Величайший детектив Шерлок Холмс и величайший преступник профессор Мориарти смотрят друг на друга из окон соседних поездов, стоящих на вокзале Ватерлоо. Шерлок Холмс увидел, что профессор вместе с окном своего вагона поплыл назад. «Ну, наконец, тронулись», — подумал Холмс. «Ну, наконец, тронулись», — подумал Мориарти, глядя как Холмс вместе с окном своего вагона поплыл назад.

Могут ли детектив и преступник, глядя только друг на друга, определить, кто из них на самом деле тронулся, то есть, кто находится в движении, а кто покоится?

Не имеет смысла говорить о движении и покое какого-нибудь тела, если не сказано, какие тела при этом считаются неподвижными.

В нашем случае Шерлок Холмс движется по отношению к Мориарти, Мориарти движется по отношению к Холмсу, а слова «кто из них движется на самом деле?» означают «кто из них движется по отношению к Земле?».

Вопрос «Движение или покой?» чем-то похож на вопрос «Справа или слева?». Соседка по парте, сидящая справа от вас, для учителя, стоящего лицом к классу, располагается левее вас. Правый фланг шеренги находится по левую руку от командира, стоящего к шеренге лицом.

В таких случаях, чтобы не возникло путаницы, надо четко указывать, с какой точки зрения (то есть по отношению к кому) будет рассматриваться ситуация. Этот «кто-то» в физике называется «наблюдатель».

В нашем примере Шерлок Холмс — наблюдатель, связанный с одним поездом, профессор Мориарти — наблюдатель, связанный с другим поездом, а начальник станции — наблюдатель, связанный с Землей.

Можно сказать и по-другому: движение и покой, правое и левое, верх и низ — относительны.

Путешествие в Царьград

Известно, что однажды киевская княгиня Ольга предприняла путешествие в Царьград. Представьте, что вы — советник великой княгини. Какой вид транспорта вы бы ей предложили? На какую продолжительность путешествия следует рассчитывать? Учтите, что за неудачный совет в те времена можно было заплатить не только положением, но и жизнью. Как бы вы действовали, прежде чем давать совет княгине?

Продавец воздуха

Остап Бендер продает марсианам натуральный воздух черноморского побережья в запечатанных литровых бутылках. За килограмм воздуха марсиане дают 100 г золота. Отправка одной бутылки на Марс обходится в 1 мг золота. Помогите Остапу Бендеру подсчитать прибыль. Марсианам требуется тонна воздуха.