Демонстраційний експеримент - одна з найважливіших складових частин викладання фізики. Досліди, проведені перед дитячою аудиторією учителем, переслідують декілька цілей.
По-перше, вони показують в більш-менш чистому вигляді суть фізичного явища, дозволяючи учням чіткіше уявити досліджуваний об'єкт.
По-друге, експеримент сприяє кращому запам'ятовуванню досліджуваної закономірності, так як викликає підвищену активність розумової діяльності учнів, які стають «співучасниками» експерименту.
По-третє, демонстраційний експеримент, кваліфіковано і наочно проводиться досвідченим учителем, лежить в основі ланцюга формування практичних умінь учнів. Наступними ланками такого ланцюга є виконання ними фронтальних класних і домашніх експериментів, лабораторних робіт і робіт завершальних фізичних практикумів.
Чи не торкаючись інших, не менш важливих аспектів питання, зупинимося докладніше саме на останній думки - експеримент як відправна точка роботи вчителя над прищепленням учням практичних умінь. Адже саме спостерігаючи кваліфіковані дії вчителя з приладами, встановленими на демонстраційному столі, учень отримує ту суму первинних знань, які необхідні йому для подальших самостійних дій при виконанні робіт, передбачених програмою. У зв'язку з цим учитель, задумуючи і готуючи експерименти, повинен творчо осмислити всі методичні та психологічні моменти, щоб не просто показати дане фізичне явище, а й дати учням знання і навички для майбутньої самостійної роботи. Які ж форми і методи реалізації поставленого завдання?
В першу чергу відзначимо необхідність такого проведення дослідів, при якому б кожен учень в найбільшій мірі був активним учасником того, що відбувається. Цей вираз про активну участь кожного не потрібно розуміти як обов'язкове фізичне участь в експерименті найбільшого числа учнів: при малопродуманний організації досвіду можна залучити весь клас обертати ручку розряджається насоса або доручити відразу декільком учням тримати різні частини установки, але це може виявитися лише активною присутністю, яке , вирішуючи інші завдання, в плані прищеплення навичок може майже нічого не дати. Головною умовою активної участі класу в проведеному демонстраційному експерименті є чітке розуміння всіма його членами вузлових моментів: з якою метою ставиться експеримент, який шлях обрано учителем для її досягнення і яке призначення кожної деталі (вузла) використовуваної установки. Говорячи коротше, ніколи не слід шкодувати часу на попереднє самому досвіду введення, в якому будуть висвітлені головні моменти: що, як і за допомогою чого ми збираємося вивчати в даному експерименті.
Наведемо в якості конкретного прикладу обов'язкову демонстрацію з курсу XI класу «Спостереження інтерференції хвиль на поверхні води». Приготувавши на демонстраційному столі загальновідому установку з ванною з дзеркальним дном, формулюємо суть поставленої проблеми: вивчити поширення хвиль, порушуваних двома вібраторами, і порівняти його з поширенням хвиль, порушуваних одним вібратором. Пояснюємо, що якщо на поверхні води порушити хвилю, то чергуються гребені і западини її будуть діяти на проходить світло як система переміщуються лінз (з ними учні вже знайомі з курсу VIII класу). Завдяки цьому ми побачимо на екрані біжить картину світлих ділянок (збирання світла) і ділянок темних (розсіювання світла).
Активної участі учнів в проведеному експерименті сприяє і продумане розчленування його на логічні частини, що дозволяє утримати в полі активного навчання найбільш повільних в мисленні учнів. Так, в описуваному досвіді спочатку порушуємо хвилю на поверхні води простим разовим «умочування» кінчика олівця або викрутки, щоб переконати аудиторію в справедливості наших міркувань щодо збирають і розсіюють лінз. Після цього порушуємо стійку хвилю, використовуючи штатний вібратор приладу з одиночним наконечником, і, повторивши досвід кілька разів, замальовує на дошці і в зошитах картину плоскою сферичної хвилі з негайним її обговоренням. В результаті акцентуємо, що в даній ситуації ймовірність поширення хвильової енергії однакова в усіх напрямках.
І тільки після цього приступаємо до основної частини експерименту - розгляду хвильової картини, створюваної двома узгоджено працюють вібраторами. Після її неодноразового повторення і порівняння з відповідним малюнком підручника виявляємо головну особливість явища: перерозподіл випромінюваної вібраторами хвильової енергії в просторі, виникнення «дозволених» напрямків (лінії максимумів), за якими енергія надходить, і «заборонених» напрямків (лінії мінімумів), за якими енергія не надходить. До речі, хотілося б відзначити, що як раз на цьому уроці необхідно переконати учнів, що суть інтерференції саме в просторовому перерозподілі енергії і що той прийом, який ми використовуємо для відшукання інтерференційних мінімумів - «в ці точки дві хвилі приходять, але в протилежних фазах, через що відбувається віднімання амплітуд », є умовним і штучним, так як в ці точки хвилі не приходять взагалі ні від одного з вібраторів і що саме це перерозподіл ймовірності поширення енергії і виявляє принци піальной відміну хвильового випромінювання від руху пучка корпускул.
Найважливішим способом дозволу поставленої проблеми прищеплення практичних навичок є активний пошук вчителя в стратегії проведення демонстраційного експерименту з метою максимального зближення його з фронтальним експериментом. Так, наприклад, можна продемонструвати восьмикласникам роботу електроскопа, застосовуючи спеціальне підсвічування шкали і навіть показує телекамеру, що значно поліпшить видимість картини навіть з останніх парт. Набагато більшу цінність має поєднання такої демонстрації з попередньої простий фронтальної роботою учнів. Кожен учень отримує по дві смужки газетного паперу розміром близько 3x20 см (їх обов'язково потрібно попередньо ретельно висушити біля батареї опалення, плитки або лампи!). Тримаючи в одній руці складені разом верхні кінці смужок, учень повинен трьома пальцями іншої руки потерти ці смужки, що викличе їх енергійне відштовхування, повністю пояснюючи ідею електроскопа. Точно так же при демонстрації дифракційної решітки проходить світла краще не проектувати на екран зображення вузької щілини за допомогою світла, що пройшло через встановлену поблизу проекційного апарату дифракційну решітку, як це рекомендовано практично у всій методичній літературі, а дати грати самим учням (кожному або одну на стіл ) і запропонувати їм подивитися через неї на встановлену на демонстраційному столі лампу з довгою і тонкою ниткою (типу КГМ), що максимально зближує дану демонстрацію з подальшою обов'язк ьной лабораторної роботою «Визначення довжини світлової хвилі за допомогою дифракційної решітки».
Важливим фактором, що сприяє вирішенню розглядуваної задачі, є постійне і наполегливе поширення на демонстраційний експеримент одного з найважливіших общеметодіческого принципів - створення проблемної ситуації, причому бажано такою, що виводила б учнів на новий, більш глибокий виток розумових дій, дозволяючи як ще раз переконатися в уже встановлених закономірностях явища, так і розкрити нові, більш глибинні. Продовжимо в зв'язку з цим розгляд уроку по інтерференції механічних хвиль. Після з'ясування суті явища і обговорення питання про когерентності учням пропонуємо самостійно зорієнтуватися в наступному досвіді: на столі на відстані 1-1,5 м один від одного встановлюються два однакових гучномовця, підключені до звукового генератора, що працює на частоті близько 1 кГц. Учням пропонуємо встати і, вийшовши з-за столу і повільно переміщаючись вперед-назад, слухати і оцінювати гучність сприйманого звуку. Практично відразу всі учасники досвіду вловлюють головну особливість досліджуваної картини: наявність зон, де звук чути голосніше, і зон, де звук тихіше, тобто класичну интерференционную картину звукових хвиль, з чого робиться висновок про універсальність досліджуваного явища інтерференції, так як хвилі в другому досвіді є поздовжніми, в той час як хвилі на поверхні води - поперечні. І тут же наступний крок: просимо ще раз уважніше «прослухати» звукове поле двох динаміків, заткнувши для збільшення дозволу одне вухо (бажано за допомогою носової хустки), і переконатися, що повних мінімумів, тобто зон, в які звук взагалі б не надходив, немає, в той час як в першому досвіді такі зони були. Далеко не всі учні відразу схоплюють причину такого розходження, і тоді ми повертаємося до першого досвіду і показуємо важливу деталь установки, на яку на початку уроку увагу навмисне не зверталося: смужки тканини, укладені по периметру ванни для поглинання хвиль. Роз'яснюємо, що в другому досвіді в кожну точку класу могли прийти не тільки хвилі, що поширюються «безпосередньо» від динаміків, чітко «перерозподілені» в просторі завдяки явищу інтерференції, а й хвилі, що пройшли відображення від стін, в тому числі і неодноразові.
Надзвичайно важливим методом, що сприяє прищеплювання учням практичних навичок при проведенні демонстраційного експерименту, є використання в них елементів, які можуть бути виконані самим учням в домашніх умовах як продовження експерименту і навіть його поглиблене самостійне дослідження. Вітчизняна методична література містить масу таких рекомендацій, ми ж обмежимося декількома прикладами в рамках уроків, розглянутих у цій статті.
Приклад 2. Після демонстрації інтерференції звукових хвиль (з двома гучномовцями) поставимо учням наступне питання: як зміниться інтерференційна картина, якщо змінити відстань між вібраторами? Для вирішення цього питання учні отримують домашнє графічне завдання. На аркуші паперу звичайного формату А4 їм потрібно зобразити за допомогою циркуля «моментальний знімок» інтерференційної картини від двох вібраторів; використовуючи для зображення гребенів (згущення) і западин (розрядження) олівці різного кольору, причому на одній і на іншій стороні аркуша слід вибрати різні відстані між вібраторами. Позначаючи ручкою або фломастером лінії максимумів і мінімумів (рис. 2, 3), вони отримують можливість особисто переконатися в тому, що чим ближче один до одного розташовані випромінювачі хвиль, тим більше відстань між лініями максимумів. Робота ця має дуже велике значення і для подальшого вивчення світлових хвиль при розгляді фундаментального досвіду Юнга з двома щілинами, тонкощі якого (необхідність використання дуже близько розташованих щілин і спостереження картини з великої відстані) дуже нелегко сприймаються учнями. Зауважимо принагідно, що накопичені в фізкабінеті листи з цими завданнями можуть бути використані вчителем як готовий роздатковий матеріал для наступних класів.
На завершення слід зазначити, що далеко не на кожному уроці і навіть не в кожній темі надаються можливості проведення роботи даного напрямку в ході демонстраційного експерименту, але робота ця вкрай бажана, щоб з наших навчальних закладів (середніх шкіл і ПТУ) виходило якомога більше людей , які, використовуючи відому притчу про видатного радянського фізика П.Л.Капица, не тільки б знали принципи роботи електромотора, а й знали б, куди потрібно вдарити кувалдою, щоб зупинився мотор заробив!