Методы решения задач на КПД в курсе физики основной школы

Автор: Потапенко Павел Сергеевич

Организация: МБОУ СОШ №2

Населенный пункт: г.Куйбышев

Одно из важнейших направлений при обучении физике – решение физических задач. Для того чтобы научить обучающихся решать физические задачи, необходима систематическая работа, причем на каждом уроке. Мы в данной статье не будем рассматривать задачи физических олимпиад и конкурсов, поскольку решение таких задач зачастую требует нестандартного подхода, проявления творчества. Мы будем говорить только о тех задачах, которую решают обучающиеся в процессе изучения курса физики основной школы. Каждый учитель физики при обучении решению задач соблюдает единый подход. Этот подход выражается в том, что решение каждой задачи предполагает выполнение определенного алгоритма. Обобщённо, применительно к задачам всех типов, этот алгоритм может выглядеть так:

• Чтение условия задачи и его анализ.
• Запись краткого условия задачи. Перевод единиц в систему СИ
• Построение чертежа или схемы.
• Выбор теоретической модели, описывающей процессы, указанные в задаче, запись законов и формул.
• Выполнение математических преобразований.
• Подстановка числовых значений физических величин в конечную формулу, получение ответа.
• Анализ полученного ответа.

Больше всего трудностей у учащихся возникает на этапах выбора модели и последующих математических преобразованиях. Здесь каждый учитель действует так, как умеет и мыслит сам. Однако, мышление каждого человека индивидуально, поэтому одну и ту же задачу каждый ребенок может решать по-разному, сами мыслительные операции при решении задачи у каждого ребенка могут быть также разными. С другой стороны, при решении определенного класса задач, есть возможность применить готовые схемы. Казалось бы, что в таком случае это должно существенно облегчить труд учащихся, но на деле это не всегда получается так. Даже если у ребенка есть примерный алгоритм, то все равно возникает проблема с его применением. Особенно это чувствуется при решении задач на коэффициент полезного действия (КПД). КПД – это универсальное понятие, которое встречается нам при изучении любого раздела физики. Исходя из опыта работы, я пришел к выводу, что основные затруднения при решении задач связаны с двумя моментами. Во-первых, мешает недостаточная математическая подготовка ученика. При решении задач на КПД необходимо четко понимать, что такое проценты, как находить процент от числа и т.д. Мы этот аспект рассматривать не будем, а коснемся лишь того, что касается непосредственно физики. Во-вторых, возникают сложности при составлении формулы расчета КПД, хотя при этом все учащиеся достаточно хорошо знают, что КПД находится как отношение полезной работы к затраченной. С этих двух понятий и начинаются проблемы. Какие критерии позволяю считать работу полезной, а какие затраченной? Чаще всего предлагается схема, при которой работает чисто механическая память. Учащимся предлагается запомнить варианты, которые могут встретиться им в задачах. Поэтому, если сформулировать задачу несколько иначе или вообще предложить ситуацию, с которой раньше обучающиеся не встречались, то они начинают теряться и не могут ее решить. Потому что нет главного – отсутствует понимание основных понятий.

Разберемся сначала с понятием коэффициента полезного действия. Большая советская энциклопедия трактует КПД как: «Коэффициент полезного действия (КПД) - характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой». Как мы видим, здесь вообще не встречается слово «работа», но зато встречается понятие «энергия». Любой учитель физики вам скажет, что эти два понятия не отделимы друг от друга и это действительно так. Только почему-то при изучении темы «Механическая работа и энергия» зачастую эти два понятия рассматриваются учителями на уроках оторвано друг от друга. Это не позволяет в полной мере сформировать представления учащихся о том, что такое энергия и как она связана с работой. Отсюда и проблемы с пониманием закона сохранения энергии и, как следствие, проблемы с решением задач на КПД. Например, в 7 классе при изучении темы «Простые механизмы» все еще прекрасно работает, КПД определяется через отношение работ и не возникает никаких вопросов. А вот в 8 классе при изучении тепловых явлений может возникнуть вопрос: «Почему за полезную работу мы берем количество теплоты, получаемое телом, если количество теплоты – это энергия, которые получает тело в отсутствии работы?». Опыт работы подсказывает что, если показать учащимся, что КПД можно рассчитать через энергию (при этом у них должна быть сформирована очевидная связь между работой и энергией), то им будет проще составить формулу для его расчета.

Как уже говорилось выше, стандартная модель решения задач на КПД предполагает ответы на вопросы типа «Какая работа (мощность, количество теплоты) полезная? Какая работа (мощность, количество теплоты) затраченная?». Самый легкий, но неэффективный путь – запомнить, как вычисляются указанные величины в рамках заданной модели, например, как находится полезная и затраченная работа при использовании неподвижного блока или электрического нагревателя. Существенным недостатком такого подхода является то, что он не учит обучающего думать, анализировать.

Куда эффективнее будет методика, построенная на подходе, который позволяет обучающимся анализировать процессы, происходящие в том или ином устройстве и понимать распределение энергии при работе механизма. Суть метода очень проста. Любой механизм создан для выполнения определенной работы, иначе говоря любой механизм имеет некоторое предназначение. Если вы при решении задачи зададите себе простой вопрос: «Для чего нужно это устройств?», то фактически вы отвечаете на вопрос: «Что такое полезная энергия (работа, мощность)?». Любой механизм работает за счет поступления в него энергии, которая затем расходуется на совершение той самой полезной работы. Если вы в процессе решения задачи спросите себя: «Благодаря чему механизм работает?», то вы без труда ответите на вопрос: «Что такое затраченная энергия (работа, мощность)?». Пользуясь этим простым приемом, учитель сможет научить обучающихся решать задачи на КПД и эти задачи перейдут для них из разряда сложных, тяжело решаемых в разряд задач, с которыми по силам справиться любому ученику. Рассмотрим некоторые теоретические модели, изучаемые в курсе физики основной школы, и при изучении которых могут возникнуть ситуации, связанные с нахождением КПД.

Физика 7 класс. Изучаемая модель: неподвижный блок.

Для чего нужен механизм: поднимать груз, преодолевая силу тяжести. Значит работа против силы тяжести – полезная.

Благодаря чему механизм работает: мы прикладываем силу к свободному концу веревки или нити, перекинутой через блок и поднимаем груз. Значит совершенная работа – работа, совершаемая силой, прикладываемой к свободному концу веревки.

Остается написать формулу нахождения КПД неподвижного блока.

Физика 8 класс. Изучаемая модель: нагреватель (спиртовка).

Для чего нужно устройство: для нагревания чего-либо (зависит от ситуации в задаче, но как правило воды). Энергия, которая идет на нагревание – полезная.

Благодаря чему устройство работает: в спиртовке сгорает спирт, выделяя энергию. Значит затраченная энергия – энергия топлива, выделяющаяся при его сгорании.

Физика 8 класс. Изучаемая модель: электрический нагреватель.

Для чего нужно устройство: для нагревания (а иногда еще и плавления) чего-либо (зависит также от ситуации в задаче). Энергия, которая идет на нагревание (или плавление) – полезная.

Благодаря чему устройство работает: при прохождении через проводник, электрический ток совершает работу. Значит, работа электрического тока - затраченная.

При достаточно частом использовании такого подхода к решению задач, у учащихся вырабатывается алгоритм решения задач на КПД, что в целом положительно сказывается на успешности решения таких задач, в том числе, на ОГЭ по физике.

Опубликовано: 15.10.2024