В настоящее время у многих школьников возникают сложности с освоением нового материала, который они изучают в школе. Именно по этой причине учителя очень часто проводят различные практические и лабораторные работы, потому как именно благодаря такого рода работам ученик сможет грамотно применить теоретические знания на практике.

В современных условиях одним из самых успешных методов практического освоения материала является проведение лабораторных работ с внедрением исследовательских мини-проектов, но при этом возникает много сложностей.

Исследовательский проект

Существует множество трактовок понятия «исследовательский проект». Например, Лазарев В. С. определяет «исследовательский проект как получение новых научных знаний» [2]. Яковлева Н. Ф. дала определение с точки зрения учащегося: «Исследовательский проект — это возможность делать самостоятельно что-то интересное в группе или одному; решить интересную проблему, сформулированную самими учащимися в виде цели и задач; максимально использовать свои возможности; проявить себя, попробовать свои силы, приложить свои знания; принести пользу; публично показать достигнутый результат и т. п». [7].

Теперь определимся с постановкой цели в исследовании. По мнению Новикова Н. С.: «Цель проекта — доказательство или опровержение какой-либо гипотезы» [4]. Другой точкой зрения придерживается Яковлева Н.Ф: «Целью данных проектов является получение научного знания, обладающего признаками новизны и теоретической и/или практической значимости» [7].

Рассмотрим структуру исследовательского проекта.

Лазарев В. С. отмечает:

«Компонентами всякого проекта являются:

– проблема;

– цели (цель) проекта;

– план действий по достижению целей;

– механизм контроля и регулирования хода выполнения планов (механизм управления реализацией плана);

– ресурсное обеспечение проекта;

– действия, обеспечивающие реализацию проекта;

– результаты реализации проекта;

– субъект проекта (один человек или команда).

Составляющие проекта разрабатываются, формируются и используются в ходе его выполнения (Рисунок 1)» [2].

Рис. 1. Структура проекта

В свою очередь, Новикова Н. С. выделяет: «Проект выполняется по аналогии с научным исследованием и имеет четкую структуру:

1. Введение (обоснование актуальности проблемы, выдвижение гипотезы, определение объекта и предмета)
2. Основная часть: 1–2 главы (анализ источников по теории вопроса, описание исследования)
3. Заключение (анализ, обобщение результатов)» [4].

Яковлева Н. Ф. составила таблицу под названием «Структура проекта» [7].

Рис. 2. Структура проекта

Таким образом, основываясь на рассмотренном, мы можем сказать, что исследовательские проекты способствуют развитию аналитических способностей, критического мышления, освоения логических способов восприятия и обработки информации у учеников. А самое главное, проекты вызывают неподдельный интерес у детей. Учащиеся представляют себя настоящими исследователями, открывающими нечто новое и ранее неизведанное.

Тема «Сила трения» и мини-проекты по теме

2.1 Понятие, природа и виды силы трения

Существует огромное количество трактовок понятия «сила трения». Перышкин А. В. дает следующее определение: «При соприкосновении одного тела с другим возникает взаимодействие, препятствующее их относительному движению, которое называют трением. А силу, характеризующую это взаимодействие, называют силой трения» [5].

Рассмотрим подробнее отдельные виды сил трения.

1. Трение покоя.

Мякишев Г. Я. в своем учебнике пишет: «Сила трения покоя — это сила, действующая на данное тело со стороны соприкасающегося с ним другого тела вдоль поверхности соприкосновения тел в случае, когда тела покоятся относительно друг друга.

Сила трения покоя равна по модулю и направлена противоположно силе, приложенной к телу параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом.

Рис. 3. Движение бруска при помощи динамометра

Сила трения покоя может изменяться от нуля до некоторого наибольшего значения. Максимальное значение модуля силы трения покоя прямо пропорционально модулю силы реакции опоры:

, (1)

где коэффициент трения,

сила реакции опоры.

Коэффициент трения зависит от материала, из которого изготовлены соприкасающиеся тела, качества обработки их поверхности.

2. Трение скольжения.

Когда тело скользит по поверхности другого тела, на него тоже действует сила трения — сила трения скольжения (Рисунок 2).

Сила трения скольжения, как и максимальная сила трения покоя, зависит от силы реакции опоры , от материала трущихся тел и состояния их поверхностей.

При малых относительных скоростях движения тел сила трения скольжения мало отличается от максимальной силы трения покоя. Поэтому приближенно можно считать ее постоянной и равной силе трения покоя: » [3].

Чижов Г. А. отмечает: «При относительно больших скоростях скольжения тела по шероховатой поверхности сила реакции препятствует скольжению. Сила реакции при таком движении составляет строго определенный угол φ с перпендикуляром к поверхности, который зависит только от материала взаимодействующих тел и степени их шероховатости.

Этот угол φ определяется величиной µ, называемой коэффициентом трения скольжения: tg φ = µ» [6].

Природу сил трения рассматривает Анциферов Л. И.: «Из практики мы знаем, что наждачной бумагой можно обрабатывать поверхность тел по-разному. Если переходить от крупнозернистой к мелкозернистой наждачной бумаге, то можно получать все более гладкую поверхность.

Рис. 4. Изображение неровностей

Однако при любой обработке на поверхности остаются неровности, которые можно наблюдать с помощью микроскопа (Рисунок 3).

При движении одного тела по поверхности другого неровности, цепляясь друг за друга, препятствуют движению тел. При смещении бугорков и их отрыве проявляются действия сил молекулярных связей, природой которых является электромагнитное взаимодействие.

Таким образом, силы трения определяются электромагнитным взаимодействием между молекулами» [1].

На основании вышерассмотренного материала, мы можем сделать вывод о том, что сила трения может играть двоякую роль. Например, благодаря наличию трения мы можем ходить и ездить, предметы не выскальзывают у нас из рук. Но трение играет и отрицательную роль. Именно из-за него нагреваются и изнашиваются движущиеся части различных механизмов. Также существуют и способы уменьшения или увеличения трения. Для уменьшения соприкосновения тел используют различные смазки, а для увеличения — рельефчатые подушки, увеличивающие площадь соприкосновения тел.

2.2 Мини-проекты по теме «Сила трения»

1. Исследование зависимости силы трения от массы и степени обработки поверхности (сила трения скольжения).

Проблема: выяснить зависит ли сила трения от массы и степени обработки поверхности.

Цель проекта: исследовать зависимость силы трения от массы и степени обработки поверхности.

План действий по достижению целей:

1) подобрать оборудования для исследований: брусок с гладкой поверхностью, массой 0,03 кг; динамометр (цена деления 0,01 Н); грузики разной массы; различные шероховатые поверхности; миллиметровая линейка;

2) Взять брусок и прикрепить к нему динамометр;

3) Заставить брусок двигаться равномерно и прямолинейно по различным горизонтальным поверхностям:

Рис. 5. Движение бруска по горизонтальной поверхности

4) Изменять массу бруска с помощью грузиков;

5) Фиксировать показатели динамометра;

6) Записать II закон Ньютона и вывести формулу для вычисления коэффициента трения:

II закон Ньютона:

Спроецировать данные силы на оси:

7) Вычислить коэффициент трения по формуле: ,

8) Заполнить таблицу:

Таблица 1

9) Построить график зависимости коэффициента трения от массы бруска и степени обработки поверхности;

10) Сделать вывод по полученным результатам.

Механизмы контроля и регулирования хода выполнения планов (механизм управления реализацией планов): промежуточная защита результатов проекта и корректировка при необходимости.

Ресурсное обеспечение проекта:

– брусок с гладкой поверхностью;

– миллиметровая линейка;

– различные шероховатые поверхности;

– динамометр;

– грузики различной массы.

Действия, обеспечивающие реализацию проекта: контроль со стороны учителя действий учащихся.

Результаты реализации проекта:

– таблица результатов:

Таблица 2

Результаты исследования зависимости силы трения от шероховатости поверхности

– график по результатам опыта:

Рис. 6. Зависимость коэффициента трения от массы груза и степени обработки поверхности

– Вывод по результатам опыта: по данным опыта мы построили график зависимости коэффициента трения от массы передвигаемого бруска. На основании результатов и графика зависимости мы можем сказать, что сила трения напрямую зависит лишь от степени обработки поверхности. Коэффициент трения движения тел с массами больше 0,130 кг представлен на графике в виде «плато». Таким образом, сила трения будет мала в случае передвижения бруска по гладкой поверхности, и велика при движении по шероховатой поверхности.

Субъект проекта (один человек или команда): учащиеся объединены в мини-группы по 4–5 человек.

2. Исследование зависимости силы трения от массы при взаимодействии гладкой поверхности бруска с разными поверхностями (сила трения покоя).

Проблема: выяснить зависит ли сила трения от массы.

Цель проекта: исследовать зависимость силы трения от массы.

План действий по достижению целей:

1. подобрать оборудования для исследований: брусок с гладкой поверхностью, массой 0,03 кг; грузики разной массы; различные шероховатые поверхности; миллиметровая линейка; миллиметровый транспортир;
2. Взять брусок и расположить его на шероховатой поверхности, которая закрепляется под различными углами на специальной установке:

Рис. 7. Движение бруска по наклонной поверхности

3. Фиксировать угол падения бруска;
4. Изменять массу бруска и наклонные поверхности;
5. Записать II закон Ньютона и вывести формулу для вычисления коэффициента трения:

II закон Ньютона:

Спроецировать данные силы на оси:

6. Вычислить коэффициент трения по формуле: ,

_______

7. Заполнить таблицу:

Таблица 3

8. Построить график зависимости коэффициента трения от массы бруска;
9. Сделать вывод по полученным результатам.

Механизмы контроля и регулирования хода выполнения планов (механизм управления реализацией планов): промежуточная защита результатов проекта и корректировка при необходимости.

Ресурсное обеспечение проекта:

– брусок с гладкой поверхностью;

– миллиметровая линейка;

– различные шероховатые поверхности;

– миллиметровый транспортир;

– грузики различной массы;

– лабораторная установка, предназначенная для закрепления поверхностей под различными углами.

Действия, обеспечивающие реализацию проекта: контроль со стороны учителя действий учащихся.

Результаты реализации проекта:

– таблица результатов:

Таблица 4

Взаимодействие гладкой поверхности бруска с различными поверхностями

– график по результатам опыта:

Рис. 8. Зависимость коэффициента трения от массы груза

– Вывод по результатам опыта: результаты данного опыта показали, что сила трения не зависит от веса тела, а зависит от шероховатости поверхности. То есть, движение бруска различной массы по наклонным плоскостям, отличных друг от друга, напрямую связано лишь с их поверхностями.

Таким образом, брусок будет сдвигаться с места при данных условиях под одним и тем же углом наклона, который меняется в зависимости от поверхности движения бруска.

Субъект проекта (один человек или команда): учащиеся объединены в мини-группы по 4–5 человек.

3. Исследование зависимости силы трения от массы при взаимодействии разных поверхностей бруска с различными шероховатыми поверхностями (сила трения покоя).

Проблема: выяснить зависит ли сила трения от массы.

Цель проекта: исследовать зависимость силы трения от массы.

План действий по достижению целей:

1. подобрать оборудования для исследований: брусок с разными поверхностями, массой 0,03 кг; грузики разной массы; различные шероховатые поверхности; миллиметровая линейка; миллиметровый транспортир;
2. Взять брусок и расположить его на шероховатой поверхности, которая закрепляется под различными углами на специальной установке:

Рис. 9. Движение бруска по наклонной поверхности

3. Фиксировать угол падения бруска;
4. Изменять массу бруска и взаимодействующие поверхности;
5. Записать II закон Ньютона и вывести формулу для вычисления коэффициента трения:

II закон Ньютона:

Спроецировать данные силы на оси:

6. Вычислить коэффициент трения по формуле: ,

_______

7. Заполнить таблицу:

Таблица 5

8. Сделать вывод по полученным результатам.

Механизмы контроля и регулирования хода выполнения планов (механизм управления реализацией планов): промежуточная защита результатов проекта и корректировка при необходимости.

Ресурсное обеспечение проекта:

– брусок с разными поверхностями;

– миллиметровая линейка;

– различные шероховатые поверхности;

– миллиметровый транспортир;

– грузики разной массы;

– лабораторная установка, предназначенная для закрепления поверхностей под различными углами.

Действия, обеспечивающие реализацию проекта: контроль со стороны учителя действий учащихся.

Результаты реализации проекта:

– таблица результатов:

Таблица 6

Взаимодействие различных поверхностей бруска с разными поверхностями

– Вывод по результатам опыта: результаты данного опыта показали, что сила трения будет велика, в том случае, когда взаимодействующие друг с другом тела будут иметь наиболее шероховатые поверхности, и мала, когда трущиеся тела имеют гладкие поверхности.

Субъект проекта (один человек или команда): учащиеся объединены в мини-группы по 4–5 человек.

4. Исследование зависимости силы трения от угла наклона шероховатой поверхности.

Проблема: выяснить зависит ли сила трения от угла наклона шероховатой поверхности.

Цель проекта: исследовать зависимость силы трения от угла наклона шероховатой поверхности.

План действий по достижению целей:

10. подобрать оборудования для исследований: брусок с гладкой поверхностью, массой 0,09 кг; различные шероховатые поверхности; миллиметровая линейка; миллиметровый транспортир; динамометр (цена деление 0,01 Н);
11. к бруску прикрепить динамометр, который должен располагаться параллельно шероховатой поверхности;
12. взять брусок и расположить его на шероховатой поверхности, которая закрепляется под различными углами на специальной установке:

Рис. 10. Удерживание бруска с помощью динамометра

13. фиксировать угол падения бруска и удерживающую силу (показания динамометра);
14. изменять угол наклона различных поверхностей;
15. Записать II закон Ньютона и вывести формулу для вычисления коэффициента трения:

II закон Ньютона:

Спроецировать данные силы на оси:

16. Вычислить коэффициент трения по формуле: ,
17. 
18. Заполнить таблицу:

Таблица 7

19. Построить график зависимости коэффициента трения от силы тяги;
20. Сделать вывод по полученным результатам.

Механизмы контроля и регулирования хода выполнения планов (механизм управления реализацией планов): промежуточная защита результатов проекта и корректировка при необходимости.

Ресурсное обеспечение проекта:

– брусок с гладкой поверхностью;

– миллиметровая линейка;

– различные шероховатые поверхности;

– миллиметровый транспортир;

– динамометр;

– лабораторная установка, предназначенная для закрепления поверхностей под различными углами.

Действия, обеспечивающие реализацию проекта: контроль со стороны учителя действий учащихся.

Результаты реализации проекта:

– таблица результатов:

Таблица 8

Результаты исследования зависимости силы трения от угла наклона шероховатой поверхности

– график по результатам опыта:

Рис. 11. Зависимость коэффициента трения от силы тяги

Вывод по результатам опыта: на основании результатов данного опыта, мы можем сказать о том, что сила трения не зависит от удерживающей силы.

Таким образом, сила трения зависит только от степени обработки поверхности.

Субъект проекта (один человек или команда): учащиеся объединены в мини-группы по 4–5 человек.

Заключение

Мы исследовали различные зависимости силы трения: от шероховатости поверхности, от угла наклона, от высоты прикладывания силы, от массы тела.

И теперь, на основании исследований мы можем ответить на многие вопросы. Благодаря трению мы можем писать на бумаге, водить компьютерной мышкой по специальному коврику. Благодаря трению покоя возможна игра на струнных музыкальных инструментах. Узнали, что с помощью силы трения можно как препятствовать, так и способствовать движениям различных тел, взаимодействующих друг с другом.

Но, не смотря на кажущуюся простоту, трение является одним из самых сложных, но, тем не менее, интересных вопросов физики.

Таким образом, при выполнении поставленных задач, мы пришли к следующим результатам:

1. проанализировали научно-методическую литературу по механике по теме «сила трения», которая показала, что есть хорошая основа для организации исследовательской деятельности по данной теме;
2. разработали четыре исследовательских мини-проекта с использованием доступного материала по теме «сила трения».

Подводя итоги можно сказать, что нами была успешно выполнена цель курсовой работы. В дальнейшем предполагается разработать методические рекомендации к выполнению данных исследовательских мини-проектов.

Литература:

1. Анциферов Л. И. Физика: Механика, термодинамика и молекулярная физика. 10кл. /Л. И. Анциферов–Москва, Мнемозина, 2004. — 415 c.
2. Лазарев В. С. Проектная деятельность в школе: учебное пособие для учащихся 7–11 кл. /В. С. Лазарев — Сургут, РИО Сур ГПУ, 2014. –135 с.
3. Мякишев Г. Я. Физика: Механика. 10 кл. Учебник для углубленного изучения физики. /М. М. Балашов, А. И. Гомонова, А. Б. Долицкий и др. — Москва, Дрофа, 2004. — 496с.
4. Новикова Н. С. Проектная деятельность: учебно-методический комплекс для студентов. /Н. С. Новикова–Губаха: УХТК, 2017. — 91 с.
5. Перышкин А. В. Физика.7кл: учебник для общеобразовательных учреждений /А. В. Перышкин–Москва, Дрофа, 2013. — 221 с.
6. Чижов Г. А. Физика. 7кл. Учебник для общеобразовательных учреждений. /А. Г. Чижов–Москва, Дрофа, 2013. — 221c.
7. Яковлева Н. Ф. Проектная деятельность в образовательном учреждении [Электронный ресурс]: учебное пособие./Н. Ф. Яковлева–Москва, ФЛИНТА, 2014. — 144с.