РУП Лицея 31, курс Сбережение и преобраз. энергии

(2005 г.)

Управление по делам образования г.Челябинска
МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ЛИЦЕЙ № 31 Г.ЧЕЛЯБИНСКА

454080, Челябинск, ул. Володарского, д.18
тел. (3512) 263-00-65, 263-28-12,
e-mail: phys@lyc.schel.ac.ru

На III областной конкурс
«Бережём планету вместе»
в номинации 7: педагогические разработки по энергосбережению

Авторская образовательная программа
и приложение в составе:

1) учебное пособие «Теория шубы и тёплых стен, или Метод расчёта волокнистой теплоизоляции в условиях ветра» (в соавт.)
2) учебное пособие для старшеклассников и студентов
«Термоэлектрические явления» в 2-х ТТ. (в соавт.)
3) работы учащихся, созданные по итогам обучения по данной образовательной программе

профильно-ориентированного (естественнонаучного, физико-математического)
элективного курса

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПАССИВНЫХ И АКТИВНЫХ МЕТОДОВ СБЕРЕЖЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

Соавторы курса:
Сало Раиса Хантемировна, инженер-технолог, ассистент кафедры технологии
швейных изделий Омского государственного института сервиса,
Горшков Алексей Владимирович, инженер-физик, специальность "прикладная математика и физика", старш. преп. ЮУрГУ, учитель-исследователь МОУ Лицей №31.

Челябинск
2005

ПРОБЛЕМА ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ, РЕШАЕМАЯ ЭТИМ КУРСОМ

Эпиграф:
«Если голодному дать рыбу, он будет сыт один день.
Если его научить ловить рыбу, он будет сыт всю жизнь.»
(древние классики)

Чем дальше, тем острее стоит проблема нехватки, казалось бы, заурядной «вещи» – тепловой энергии. На дворе – трава, на траве – дрова … а на дворе-то маячит и размахивает всё тем же топором уже и ХХI-й век.

Нет ли у нас чего-нибудь более разумного в плане погреться, чем тупо сжигать, сжигать, сжигать… а когда всё сожгём, и дрова, и нефть с газом, и плутоний с торием и ураном, пока ещё не весь проданный за границу ведомством г-на Кириенко, пытаться подставить затянутому дымом Солнцу спину, кое-как прикрытую рваным тряпьём ?

Есть, и давно. Есть и хорошие теплоизоляторы, есть и тепловые насосы, есть и термоэлектрические преобразователи, – всё есть. Беда лишь в том, что люди об ЭТОМ не знают. Точнее сказать, знать-то «знают» в смысле слыхали. Но вот понять принцип действия и рассчитать требуемые параметры: ТЕПЛОИЗОЛЯТОРА, защищающего дом, тело человека, трубопровод, летательный аппарат или иное транспортное средство; ТЕПЛОВОГО НАСОСА, позволяющего ввести в жилище, теплицу, предприятие, транспортное средство тепла во много раз больше, чем затрачено энергии нами; ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ и также ТЕПЛОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ («тепловой машины») разности температур в электроэнергию; ТЕПЛООБМЕННИК для того, чтобы в доме всегда был воздух и свежий, и тёплый без лишних  затрат мощности – могут далеко не все.

Вот и чадят кочегарки, болеют шахтёры, нефтяные магнаты травят и крушат тундру, и всё в конечном итоге вылетает в трубу.

Уяснив проблему, становится очевидно, как её решить:  «Учиться, учиться и учиться!»
(В.И. Ульянов)

ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОБЛЕМА, РЕШАЕМАЯ ЭТИМ КУРСОМ

Невзирая на широкое практическое использование теплоизоляторов, выпускник средней школы обычно не способен правильно объяснить физический принцип действия даже простейших из известных способов теплоизоляции. Тем более рассчитать их параметры.

Более того, до сих пор в классической промышленно-инженерной литературе для лёгкой промышленности и строительства отмечается, что до сих пор практически отсутствует надёжная физическая модель теплопередачи в пористом теплоизоляторе в условиях проникающего в него ветра. Это сложно даже для специалиста. Можно ли понять явления эти и школьнику?

Ещё 200 лет тому назад предложено изобретение и доказаны теоремы о «тепловых насосах» и «противоточных теплообменниках», но встречаются они на практике (в быту, в промышленности) на удивление редко даже в странах с подходящим (мягким) климатом. Не знают и не умеют это школьники. «Это мы не проходили, это нам не задавали».

Испокон веков люди в России, Канаде, в горах и … Антарктиде, в конце концов, одеваются в тёплую одежду – но интуитивные «рецепты» мало годятся для ХХI века и экстремальных условий Крайнего Севера, высокогорья, Антарктиды, Космоса. Да и для «обычных» условий средней полосы России тоже.

Известно, что ещё в 30-е гг. ХХ века предложение советских физиков (А.Ф. Иоффе и др.) использовать полупроводники (а также плазму) в термоэлектрических генераторах, холодильниках и тепловых насосах породило «научный бум» в физике твёрдого тела, приборостроении и специальной энергетике. В начале ХХI века физика полупроводников (и физика плазмы) имеют необыкновенно широкие применения на практике.

В частности, термоэлектрические явления в полупроводниках (и плазме) давно вышли за пределы маломощных лабораторных демонстраций, мощность энергетических установок превышает мегаватты (например, в космических ядерных энергетических устройствах «Ромашка», «Топаз», в ЯЭУ для ЯПЛ и др.), есть проекты разнообразных термоэлектрических электростанций и их практическая реализация на мощности от МВт до ГВт, использующих «даровое» тепло Солнца, недр, океана, ветра, «тепловые отходы» промышленности и др.

Однако в школьном курсе этому направлению физики уделяется приблизительно ноль внимания, что, очевидно, не соответствует объективным потребностям общества даже ближайших десятилетий или даже, возможно, лет.

Распространённая ныне ориентация лишь на «спрос рынка сию минуту» привела бы к неготовности образования, науки и техники оперативно отреагировать не только на ожидаемый в ближайшем будущем «взрывной» рост потребности общества в специалистах по этому направлению, но даже к патологическому непониманию большинством узкопрофильно специализированных «менеджеров» от энергетики тематики, освещаемой настоящим курсом.

Итак, есть некоторый недостаток в одном из «ключевых, узловых» мест общеобразовательных государственных программ и соответствующем перечне обязательного демонстрационного и лабораторного оборудования для средних и высших образовательных учреждений.

НОВИЗНА КУРСА

«Лучше уж сочинять новый вздор, чем повторять старый.»
Д.И. Менделеев

Такой профильный курс для 10-11 классов, насколько известно его соавторам, до сих пор не проходят в школах (в т.ч. гимназиях, лицеях), нигде, за исключением ФМЛ№31 (с 1999 г., автор).

Тем более что, по словам лектора-методиста курсов повышения квалификации Челябинского ИДПОПР, до сих пор НЕТ признанной методики предпрофильного образования для 5-9 классов. Автор сих строк полагает, что этот курс по выбору будет способствовать появлению  в педагогике признанных составляющих частей такой методики.

АКТУАЛЬНОСТЬ

«…Наука сокращает
Нам опыты быстротекущей жизни…»
(А.С. Пушкин, вольный перевод из И.В. Гёте)

Прикладной аспект: во 2-й половине  ХХ-го века и начале XXI-го термоэлектрические явления применяются в приборостроении (явления Зеебека, Пельтье, Томсона, Бриджмена), энергетике и транспортном машиностроении (явления Зеебека), металлургии (явление Пельтье), быту (явления Зеебека и Пельтье). Можно сказать, что с термоэлектрическими явлениями связаны «прорывные» направления новой техники, промышленности, экономии энергоисточников и обеспечения экологической чистоты.

Теплоизоляторы – основной,  до сих пор, способ энергосбережения. Но высокопористые теплоизоляторы в условиях проникающего ветра до появления учебного пособия соавторов плохо поддавались физическому моделированию. Теперь это становится доступно старшекласснику и студенту.

Тепловые машины и теплообменники – считаются специалистами перспективными для энергосбережения. Известна хорошо соответствующая эксперименту теория. Её можно и нужно довести до сведения учащихся.

Фундаментальный аспект: термоэлектрические явления неразрывно связаны причинно-следственными связями с известными (даже в «экстрактивном» школьном курсе) явлениями, свойствами и закономерностями изо ВСЕХ традиционных «разделов, ветвей» не только физики (классическая и релятивистская механика, термодинамика и классическая статистическая физика, электромагнетизм и классическая электродинамика, «квантовая и волновая» механика и электродинамика, оптика, атомная и ядерная физика) и посему являются замечательной, в некотором смысле «ключевой», области на стыке традиционных «ветвей» физики. И не только физики, но и химфизики и биофизики. Термоэлектрические явления послужили мощным «толчком» к развитию физики твёрдого тела и физики плазмы; в частности, «квантовой» теории твёрдого тела в 30-е – 60-е гг. ХХ-го века и атомной и молекулярной физики в 50-е – 80-е гг.

Дидактико-педагогический аспект: термоэлектрические явления (во всяком случае, в твёрдом теле) возможно очень наглядно и безопасно воспроизводить в любой аудитории, от старших групп детского сада до лабораторий ВУЗа. Совокупность этих явлений с редкой красотой демонстрирует закономерности физических, физико-химических и биофизических явлений так называемых «динамически устойчивых открытых систем» в потоках энергии, в частности, соотношения симметрии кинетических коэффициентов Онсагера, теорему Пригожина, принцип Ле Шателье-Брауна и др. Термоэлектрические явления буквально «на ощупь, на пальцах» (как явление Пельтье) показывают учащимся достоверность квантовой теории твёрдого тела. Опыты с термоэлектрическими явлениями, как показывает 6-летняя практика автора курса, сильно  стимулируют прикладное научно-техническое творчество и интерес учащихся к изучению и пониманию не только физики в целом, но и смежных разделов математики, химии, биологии, экономики.

ВИД КУРСА

Настоящий курс по выбору является профильно-ориентированным: естественнонаучным, физико-математическим; а при увеличении соотношения часов «опытно-конструкторские работы»/«теория и научно-исследовательские работы» годится и для технологического и экономического профиля. Курс ориентировочно 2-х летний, 1-й год соответствует  предпрофильному образованию, 2-й год профильному.

Курс сочетает и фундаментальное обучение и учебное исследование, и прикладное учебно-научное и опытно-конструкторское исследование.
Курс является преимущественно физическим, однако имеются элементы межпредметных связей: с математикой (алгебра и начала математического анализа, основы теории вероятностей и математической статистики), с информатикой (пользование электронными таблицами , текстовыми и графическими редакторами, программирование на одном из алгоритмических языков), с обществоведением и экономикой (основы охраны прав авторов открытий, изобретений, литературных произведений, программ для ЭВМ; основы экономического анализа; общественная целесообразность НИР и ОКР).

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА

«Познание есть процесс выделения инвариантов Вселенной.»
С.В. Илларионов

1. Повысить степень понимания сущности и интерес учащихся предпрофильного образования 6-9 классов к физике и другим ветвям естественных наук на старшей ступени основного образования независимо от будущей специальности и вообще области деятельности (математической, естественно-научной, инженерно-технической и медицинской и сельскохозяйственной, материальной общественно-организаторской, психологической и нематериальной гуманитарной) молодого человека.

2. Повысить, расширить и углубить знания, умения, навыки в области, прежде всего, физики у учащихся профильного образования 10-11 классов на старшей ступени общего образования.

3. Не дать погибнуть без толку, а напротив того, развить, то есть повысить, расширить и углубить  у всех учащихся познавательный интерес, способность к естественно-научному исследованию и творчеству (как прикладному, практически-техническому, так и художественному).

4. Ознакомить старшеклассников физико-математического лицея №31 с основами современной физики твёрдого тела (и, хотя бы кратко, физики плазмы).

5. Ознакомить с философско-математическим принципом всеобщности в физике, методом поиска инвариантов и симметрий в естественных науках, а также соответствующей коллекцией пар очень интересных и полезных явлений.

6. В частности, ознакомить учащихся с термоэлектрическими явлениями Зеебека, Пельтье, Томсона, Бриджмена в металлах, полупроводниках, электролитах и плазме.

7. На лабораторных работах научить школьников простейшим необходимым способам экспериментальных исследований в областях физики: "электричество", "термодинамика и молекулярная физика", "физика твёрдого тела", «физика электролитов», «физика плазмы».

8. Дать возможность учащимся самостоятельно изобрести, разработать, изготовить и поисследовать "техническое устройство" заданного практического (прикладного) назначения.

9. Дать возможность учащимся самостоятельно изобрести, разработать, изготовить экспериментальную установку и поисследовать физическое явление по теме курса.

10. Поскольку федеральная экспериментальная площадка предназначена не только для местных нужд, но и для стратегически важных для России в целом, то необходимо дать возможность учащимся осознать возможности естественных наук, в частности, физики, в успешном решении так называемых «глобальных проблем» (в частности, энергетической, водной, здоровья и безопасности и др.); а именно, обоснованно, с количественными расчётами, убедиться (не только самим. Но и своими публикациями и выступлениями в СМИ просветить, исправить «общественное мнение») в том факте, что практически все они НЕ обусловлены какими-либо естественными объективными причинами, а имеют субъективную (вытекающую из хищно-животного эгоизма большинства «идивидуумов») природу и посему устранимы при существующем в мире уровне техники. Как говорил Маха-Атма Ганди, «мир достаточно велик для того, чтобы никто не страдал от какой бы то ни было нужды, но слишком мал для того, чтобы насытить чью-либо жадность».

ОСОБЕННОСТИ КОНТИНГЕНТА УЧАЩИХСЯ.
ВАРИАНТЫ. ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ.

«Лёгкий путь открывается лишь тому,
кто прошёл по трудному.»
(Корейская народная пословица)

В ФМЛ №31 проводится отбор учащихся в 5-й и более старшие классы на основании экзаменов или успехов в предметных олимпиадах, поэтому, с одной стороны, учителю легче (просто потому, что это можно и понятно учащимся) объяснять фундаментальные (основные) темы на более строгом уровне, но с другой стороны, учащиеся и сами ожидают и требуют от учителя бОльшей глубины разворачиваемой перед ними картины Вселенной.

Хотя основной контингент учащихся по этому курсу – 9-11 классы физического-и-естественнонаучного профиля, но практика моего преподавания 1999–2005 в ФМЛ №31 показала, что, во-первых, год от года контингент обучаемых непредсказуемо изменяется по возрасту и уровню подготовки, во-вторых, по причинам, связанным с плотной загруженностью учащихся дополнительной деятельностью (кружки, секции, соревнования и конкурсы и т.д., и т.п.) практически невозможно сформировать расписание ОДНОРОДНЫХ по возрасту групп, удовлетворяющее всех желающих без исключения. Бывают учебные группы с преобладанием 6-х классов, которые не проходили ещё ни законов Ома, ни законов Ньютона, не умеющие измерять ни тока, ни напряжения; 9-х классов, которым кажется, что они уже всё знают и умеют; 11-х классов; однако в каждой из них неизбежны учащиеся совершенно иного возраста. Кроме того, этот курс посещают учащиеся не только естественнонаучного и математического, но и экономического, информатического профилей; изредка даже с гуманитарными интересами. Неизбежны также непредусмотренные учебным планом персональные изменения расписания. Итак, группы не только РАЗНОРОДНЫ, но и динамически (по времени) ИЗМЕНЧИВЫ (в умеренных  пределах).

Поэтому программа учебного курса предусмотрена приспособляемой (адаптивной) к ситуации: ВАРИАТИВНОЙ и по возрасту (учебному классу), и по сложности (текущим способностям к усвоению), и по порядку прохождения курса, и по профилизации, однако представить здесь подробно ВСЕ бывшие практически и возможные в будущем сочетания возрастов, талантов и познавательных вкусов нереально. Выход из затруднения будет указан здесь далее.

Допустимо отдельных, опытных и дисциплинированных, учащихся 10-11 классов с персональными заданиями  на самостоятельную экспериментальную, вычислительную или учебно-теоретическую работу включать в расписание младших возрастов (это лишь слегка затрудняет их работу и отвлекает внимание младших).

Но категорически НЕ рекомендую учащихся младших, 6-8 кл., возрастов включать в расписание старших (это будет ЛИБО даже для самых wunder-kinder’ов очень трудно и малопонятно, если ориентироваться на старших, ЛИБО чрезмерно просто, развлекательно и малопознавательно для старшеклассников, если ориентироваться на младшего), за исключением экстренных, «одноразовых» ситуаций с возможностью «экскурсии, наблюдения за очень-очень красивым (наглядным, ясным, интересным и полезным) научным экспериментом старших».

УРОВЕНЬ ИЗУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛА

«Изучать что-либо
и не задумываться над изученным – бесполезно.
Задумываться над чем-либо,
не изучив предварительно предмет раздумий – опасно.»
(Кун Фу-цзы)

В зависимости от возраста, подготовки и познавательных интересов уровень изучения материала и уровень творчества должен им соответствовать. В почасовой таблице (см. далее) ориентировочно указаны приблизительные интервалы количества часов, отводимых на такую-то тему.

На «простые, но базисные необходимые для курса в целом» темы у НАЧИНАЮЩИХ (или младших, или также у менее успевающих, или также у «гуманитариев и экономистов») следует отводить больше часов, чем у ПРОДОЛЖАЮЩИХ (или старших, или опытных, уже состоявшихся отличников и олимпиадников, или «физиков») – в каждом наборе учащихся индивидуально.

На «сложные, специальные, требующие улучшенных математических и физических знаний учащегося» – у младших время понапрасну не отнимать (подождать до старших классов), а у старших – в зависимости от контингента.

На «экспериментально-исследовательские» задания к старшим предъявлять более жёсткие требования по методике, обработке и полноте анализа эксперимента.

На «изобретательские и творческие» задания – предпочитать сначала «домашнее обдумывание», а затем «коллективное обсуждение». В идеале вообще не следовало бы вмешиваться в процесс рождения творческих идей у учащегося. Но с гуманной целью своевременного избавления его от явных заблуждений, связанных с его недостаточной компетентностью, пожалуй, НЕОБХОДИМО регулярно вмешиваться с критикой. Для стимуляции временно заглохшего или недостаточно сильного творчества допустимо незаметно, ненавязчиво направлять (попросту, намекать, почти, – но только почти, потому что более 90% учащихся ФМЛ №31 теряют интерес к НЕ СВОЕМУ решению или творчеству, им интересен и захватывающ только плод своего собственного творчества; я полагаю это естественным свойством здорового честного молодого человека – подсказывать) учащихся к известному себе решению (в т.ч. новому, т.е. своему), но злоупотреблять этим не следует, т.к. грань между подсказкой и умственной проституцией весьма тонка. В ФМЛ №31 очень хорошо проходит метод Альтшуллера (ТРИЗ, АРИЗ), основанный, по существу, на логических и естественно-научных рассуждениях, обычных и  необычных мысленных образах, на первичной постановке «идеального конечного результата» и поиске наилучшего приближения к нему с учётом естественных ограничений. Ограниченно годятся и всякие прочие способы стимуляции воображения, «мозговой штурм» и прочие модные умственные образные аналитические-и-синтетические упражнения при условии поддержания приличной дисциплины в аудитории.

Итак, в зависимости от контингента УРОВЕНЬ изучения материала должен быть (жирным шрифтом указана основная составляющая очной учебной нагрузки) :
НАЧИНАЮЩИЕ предпрофильного обучения (младшие, 6-8 кл.) – расширенный (30% теории, остальное – лабораторные работы, решение задач, изобретательство, художественное творчество);

НАЧИНАЮЩИЕ физического профиля (старшие, 9-10 кл.) – повышенный (50% теории, остальное – лабораторные работы, решение задач, изготовление новых приборов и исследование их свойств, изобретательство);

НАЧИНАЮЩИЕ нефизического профиля (старшие, 9-10 кл.) – повышенный (50% теории, остальное – лабораторные работы, изобретательство, художественное творчество);

ПРОДОЛЖАЮЩИЕ любых профилей (старшие, 10-11 кл.) – снова расширенный (30% теории, остальное – изобретательство, создание новых приборов, исследование физических явлений и закономерностей с их помощью, разработка  практических применений изобретённых новшеств, создание письменной работы и тренировка доклада для конференции)

Активные и интерактивные ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (вариативно)

1. Лекции в малой аудитории, в т.ч. демонстрация и наблюдение явлений, с «обратной связью» (обсуждение, контрольные вопросы по ходу) – 6-11 кл.
2. Семинары (решение задач) – 6-11 кл.
3. Анализ ситуаций, изобретательское решение научно-технических и общественных проблем – 6-11 кл.
4. Выполнение лабораторных работ (учебный эксперимент) – 6-10 кл.
5. Изготовление новых приборов и лабораторных работ – 8–11 кл.
6. Научно-исследовательский эксперимент – 10-11 кл.
7. Моделирование явлений, свойств и закономерностей с помощью ЭВМ – 10-11.
8. Теоретический анализ и синтез – 11 кл.
9. Правила и обычаи оформления текстов научно-исследовательских и изобретательских (прикладных) работ – 9-11 кл.
10. Тренировка (как по существу, так и психологическая, «с пристрастием») публичного доклада о НИР или ОКР – 9-11 кл.

Активные и интерактивные ФОРМЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ УЧАЩИХСЯ (вариативно)
1. Чтение рекомендованной литературы, журналов, а также поиск в Internet – 6-11.
2. Решение домашних задач – 6-11 кл.
3. Художественное творчество по теме – 6-11 кл.
4. Изложение (реферат) – 7-9 кл.
5. Конструирование лабораторных устройств – 8-11 кл.
6. Составление отчётов об исследованиях, подготовка плакатов, докладов, написание текстов научно-исследовательских и изобретательских (прикладных) работ – 9-11 кл.
7. Моделирование явлений, свойств и закономерностей с помощью ЭВМ – 10-11 кл.
8. Диспуты и участие в научно-практических конференциях и выставках, публикации в специальных изданиях – 9-11 кл.

ФОРМЫ ПРОВЕРКИ УСВОЕНИЯ СПЕЦКУРСА (вариативно)

«Избегайте тех, кто старается подорвать вашу веру в себя.
Эта черта свойственна мелким людям.
Великий же человек – наоборот, внушает чувство, что и вы можете стать великим.»
Сэмюэль Л. Клеменс (Марк Твен)

1. Опросы учащихся, рассказы учащихся – 6-11 кл.
2. Очное решение задач – 6-11 кл.
3. Общие контрольные работы – 6-9 кл.
4. Проверка выполнения лабораторных заданий – 6-10 кл.
5. Пробная защита изложений (7-9 кл.), художественных работ (7-11 кл.), отчётов о проектах и выполненных конструкциях (ОКР) (8-11 кл.) и исследованиях (НИР) (10-11 кл.), вычислительных моделей (10-11 кл.), теорий (11 кл.).
6. Получение патента на изобретение (11 кл. и выпускники).
7. Участие в научно-практических конференциях и публикации в специальной литературе – 10-11 кл и выпускники.

КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА УСПЕШНОГО ОСВОЕНИЯ КУРСА УЧАЩИМИСЯ

«А ну поворотсь-ка, сынку ! Экий ты смешной!»
(Н.В. Гоголь)

1. Верно понимает сущность рассматриваемых явлений.
2. Знает свойства рассматриваемых объектов и закономерности.
3. Умеет правильно решать учебные задачи по курсу.
4. Соблюдает технику безопасности, обычаи правильного поведения и морали.
5. Знает, умеет и имеет значительный навык, не затрудняется пользоваться измерительными приборами, правильно записывает их показания и погрешности, правильно и наглядно представляет данные графически, умеет применять простейшие методы математической обработки экспериментальных данных и правильно записывает результат.
6. Проявляет самостоятельный интерес и активность в поиске информации по теме сверх полученной на очных занятиях, её освоению, применению.
7. Умеет достоверно изложить (устно, рисунками, графиками и др.) свои наблюдения и итоги эксперимента.
8. Сотворяет художественные произведения по теме (рисунки, рассказы и др.).
9. Осознаёт важность поставленной технической, научной или общественной сложной, многосторонней задачи (проблемы), положительные и отрицательные возможные общественные последствия её решения.
10. С интересом придумывает конструкции экспериментальных устройств, технико-экономические и бытовые проекты по теме.
11. Без отвращения изготовляет своими руками экспериментальное устройство или программу для ЭВМ.
12. Правильно описАл свою работу , как принято в науке. Правильно оформил это описание.
13. Подготовил доклад и наглядный материал к нему, как принято в науке. Способен понятно и правильно рассказать о своей работе без «шпаргалок».
14. Способен правильно отвечать на правильные вопросы учителя и аудитории по теме научного исследования или технико-экономического проекта.
15. Способен задавать правильные вопросы по теме иному автору или соавтору.
16. Натренирован психологически устойчиво и правильно отвечать на «неправильные», «злодейские» вопросы.
17. Компетентная комиссия присудила учащемуся призовое место на конкурсе или конференции (школа, город, область, Россия, международный-СНГ, международный-всемирный).
18. Учащийся оформил по заданным правилам и имеет публикацию по теме своей работы.
19. Учащийся оформил по заданным правилам и имеет патент по теме.
20. Учащийся создал описание новой лабораторной работы к своему новому устройству для специального физического практикума в школе.
21. Продолжается интерес к науке и новой технике: то есть участие студента ВУЗа (выпускника спецкурса) в НИОКР ВУЗа.
22. Появление у ученика (выпускника спецкурса) своих учеников (по теме спецкурса)… и т.д.
23. Отсутствует «звёздная болезнь», шовинизм, пренебрежение, высокомерие и т.п.
24. Способность самостоятельно ставить себе задачи (судя по фразе из телеящика «система образования не может сама себе ставить задачи», это умеют не все министры).

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ
ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ КОМПЕТЕНТНОСТИ ПЕДАГОГОВ

«А судьи кто ?!»
(А.Грибоедов)

Курс такой должен вести профессиональный физик или технолог, – исследователь, инженер или педагог, потому что «узловой» характер темы гарантирует появление у учащихся массы вопросов, относящихся не непосредственно к теме курса в узком смысле слова, а к смежным с ней областям физики, техники; а также других естественных наук, обществоведения и экономики, поэтому преподаватель должен быть достаточно взрослым и эрудированным человеком, – хотя бы для того, чтобы как минимум знать, к какому из специалистов направить домогающегося ; .

Чтобы учащиеся не тратили бы личное время на «изобретения велосипедов», преподаватель должен быть знаком с патентным фондом и узкоспециализированными учебниками и энциклопедиями хотя бы последних 15-25 лет. Тогда он сможет сразу указать учащимся на ИЗВЕСТНОСТЬ предложенных ими технических решений или обнаруженных ими явлений, свойств и закономерностей, и, соответственно, на возможную НОВИЗНУ, если таковая вдруг  ни с того, ни с сего возникнет.

СПОСОБЫ МОТИВАЦИИ УЧАЩИХСЯ

«Cogito ergo sum.– Я мыслю, следовательно – существую.»
Рене Декарт

Во-первых, если будущему (точнее, потенциальному) исследователю необходима какая-либо особая дополнительная мотивация кроме того, что он, в процессе обучения и самостоятельного исследования, удовлетворил свою высшую человеческую потребность в познании, творчестве, созидательному и охранительному служению своему народу и всему человечеству, то … это НЕ исследователь, не учёный, а бизнесмен около науки. Но «необходимая» мотивация не есть «достаточная».

Так что, во-вторых, если учесть существующую ныне в обществе «резко отрицательную мотивацию» к труду учёного, изобретателя, учителя, врача (связанную с, во-первых, НЕрыночной и даже АНТИрыночной сущностью этих профессий, во-вторых, со следующей из них оскорбительно низкой оплатой труда и иными материальными условиями 1991-2005 гг., в-третьих, вакханалией пренебрежения, презрения и ненависти к людям этих профессий в СМИ РФ), то понятно, что на неокрепшего молодого человека сей тяжкий груз валить будет для него чревато бедами. То есть впервые в истории России стало необходимо «анниглировать» эту отрицательную мотивацию ребёнка мотивацией положительной.

; Моральное одобрение местного общества (учители, одноклассники, родители).

; «Увековечение» имени учащихся, создавших своими руками новое учебно-лабораторное и научно-исследовательское оборудование, включённое в официальный школьный специальный физический практикум (непосредственно на этом устройстве и описании лабораторной работы).

; Участие в школьных, городских, областных, всероссийских, международных конкурсах с назначением мест первенства.

; Поездки вдаль от обычно-привычных мест на конференции, конкурсы (причём очень желательно НЕ за счёт средств небогатых родителей), которые обычно сопряжены с новыми неожиданными знакомствами, познанием нового, в т.ч. культуры, истории и этнографии.

; Материальные поощрения (ценные подарки, призы, льготные путёвки, стипендии, денежные премии, в т.ч. областного и Всероссийского официального уровня и др.)

; Автоцитата: «– Девушки любят победителей!» (2000 г., Обнинск) , то есть просто сам факт победы в конкурсе (неважно, на какую тему) достаточно высокого ранга повышает неофициальный моральный статус человека среди сверстников (юношам – девушки, девушкам – юноши), что в юношеском возрасте исключительно важно.

; Внимание СМИ к личности учащегося: газет, журналов, радио, телевидения.

; Льготы при поступлении абитуриента в ВУЗ (при прочих равных условиях, во избежание актов мошенничества и превращения НИОКР в криминальный бизнес).

; Издание творческих работ, научных работ, публикация как в печати, так и в Internet – признание неограниченного круга лиц.

; Возможность достичь идеальных целей: удовлетворение своей потребности в познании себя и остальной Вселенной, созидании и творчестве, осознание совершения пользы для своего народа и всего человечества.

КРИТИКА ОШИБОЧНЫХ МЕСТ

«Все знали это настолько твёрдо,
что понимать даже и не пытались.»
(А. и Б. Стругацкие)

Есть мнение, что якобы «…если курс содержит теоретические обобщения, то изложение следует вести от общего к частному… от абстрактного к конкретному…»  По-моему, тезис сей спорен. А именно, хотя он очень даже обоснован при ОБУЧЕНИИ ПРИКЛАДНЫМ наукам и практике, см. цитату из Пушкина, но при ОБУЧЕНИИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫМ наукам и методам исследования этот привычный учителям средней школы становится ДОГМАТОМ, КРЕНОМ В КРАЙНОСТЬ. Объясняю: хотя «и кесарю, и слесарю» можно втолковывать правила дорожного движения и русского языка исходя из аксиом (ибо и то, и другое создано человеком), то есть методом дедукции, хотя «и прикладного физика, и лирика» можно учить математике тоже дедуктивно (потому что математика также выдумана человеком; хотя есть и другое философское мнение на этот счёт), но при обучении математика – математике или физика-исследователя – физике просто НЕЛЬЗЯ ОБОЙТИСЬ лишь дедукцией, необходима и индукция. В ведущих физических ВУЗах мира – МФТИ, МГУ, НГУ – хотя курс теоретической физики (дедуктивный) хотя и начинают на 1-м – 2-м курсах (в отличие от ВУЗов Западной Европы и США, где из-за крайне слабого знания математики выпускниками тамошних школ теорфиз вынуждены начинать лишь на старших курсах, в магистратуре, в очень усечённом объёме), начиная с классической теоретической механики и далее по Ландау+Лифшицу, но параллельно продолжают до 3-го курса и курс общей физики (см. курс Д.В. Сивухина) (индуктивный). Это ничуть не мешает студенту, а, напротив, во-первых, помогает понять логику развития физики и вообще естественных наук, во-вторых, научает будущего исследователя «выделять инварианты» (см. цитату из Илларионова), обобщать, сначала с помощью преподавателя и учебника, затем самостоятельно, потому что нет и навряд ли может быть всеобъемлющей теории, «нельзя объять необъятное», см. Козьму Пруткова. Надо УЧИТЬ СТРОИТЬ ТЕОРИЮ. Если же сразу давать теорию – то это либо математика, либо … религия: при появлении факта, противоречащего устаревшей теории, учащийся окажется беспомощен.

Итак, мы настоятельно рекомендуем вести обучение будущих физиков-исследователей в области математического инструментария – на основе инжекции аксиом и дедукции, а в области физики – сначала ВВОДНАЯ часть на основе инжекции фактов и индукции, затем ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ часть на основе инжекции аксиом и дедукции, и, наконец, наиболее сложный этап – УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ часть на основе индукции, то есть, от частного к общему и сравнение с известной теорией, плавно переходящая в НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКУЮ часть – индукцию в отсутствие известной теории, т.е. построение своего эмпирического обобщения наблюдений и экспериментов и своей ТЕОРИИ. Физическая индукция есть оценивание параметров генеральной совокупности (не обязанной быть эргодической) по малой конечной выборке (которая, не исключено, рискует оказаться статистически недостаточно значимой). Очень уместно процитировать П.Л. Капицу : «Эксперимент–Теория–Практика».

НЕОБХОДИМЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПОСТУПАЮЩИМ НА КУРС

«Аut  viam  inveniam ,  aut  faciam»
Найду дорогу иль проложу (лат.)

Желание познавать новое, не только "теоретически", но и "экспериментально".
Курс планируется на учащихся 9–11 классов МОУ СОШ №31. Могут быть даже ещё младше, 7–8 класс. Поэтому руководитель курса будет стараться избегать применения "старшеклассных" тем математики, но понимать графики функций и уметь решать алгебраические уравнения учащимся обязательно придётся. Учащимся 11 классов полезно (хотя и не обязательно) уже сейчас уметь дифференцировать, а к концу учебного года – также интегрировать.

Также приветствуется умение пилить, сверлить, паять, не обжигая себе глаза и пальцы, и тыкать вольтметром и амперметром не куда попало, а куда надо. Однако если кто-либо этого ещё не умеет, то научим.

Также полезно (но не обязательно: научим всё равно… даже если кто-то воображает, будто он это уже умеет) хотя бы минимально уметь пользоваться ЭВМ (текстовые редакторы, электронные таблицы, графические редакторы, программирование на каком-либо из алгоритмических языков).

Дисциплина, мораль, отсутствие хронической лени.

Желание принести пользу не только себе, но и всему народу и человечеству.

ЧТО НОВОГО ПРИОБРЕТУТ УЧАЩИЕСЯ 6-9 класса

Развитие умственных, творческих и, частично, исследовательских способностей. Самоопределение в отношении приблизительного направления, профиля дальнейшей собственной учебно-познавательной или иной полезной для общества деятельности. Ориентацию среди тем физики, кажущихся разнородными, а на самом деле взаимосвязанными: электричество, тепловые явления, оптика. Начальное освоение методов познания через собственную деятельность, направляемую учителем.

ЧТО НОВОГО ПРИОБРЕТУТ УЧАЩИЕСЯ 10-11 класса

«Сколько светильников разума
закончили карьеру на фонарных столбах !»
Ю. Базылев.

Углубление, расширение, повышение знаний по естественно-научному профилю.

Очень-очень осторожно школьники будут ознакомлены с очень-очень маленькой частью основных понятий из области статистической физики, квантовой (волновой) физики, физической кинетики и физики твёрдого тела. Также будет рассказано о некоторых из разнообразных и интересных явлений, свойств, закономерностей физики твёрдого тела.

Опыт решения простейших задач из физики твёрдого тела.

Применение полученных так физических знаний в ходе экспериментов из области термодинамики, электричества, физики твёрдого тела.

Основные способы математической обработки экспериментальных данных, в т.ч. оценка погрешностей измерений и результатов, корреляционный анализ, регрессионный анализ; традиции ясного, наглядного представления результатов.

Практическое применение термоэлектрических явлений для изобретения решений технических, экономических и социальных задач (создание новых устройств, способов, применений; формирование благоприятного общественного мнения и правильных целей общества).

Опыт публичных выступлений, докладов без скидки на малый возраст.

МЕТОДЫ ОБУЧЕНИЯ

«Специалист подобен флюсу:
полнота его односторонняя.»
(Козьма Прутков)

Известно много «новых» методов обучения, как-то: «догматически-ортодоксальное», «поло-сегрегированное», «ценностное», «культурно-контекстное», «духовное», «развивающее», «проблемно-ориентированное», «трудовое-и-производственное», «технократическое», «педагогика сотрудничества», «личностное», «образно-ассоциативное», «гуманитарное», «экономическое», «профильное» и многие, многие др. Здесь я не открыл ничего «нового».

Развивающаяся педагогика развивается неравномерно. Не может она развиваться «равномерно». Потому что никому не известно достоверной меры равномерности развивающегося явления, не достигшего пока ещё совершенства; да и где оно, совершенство-то?! Поэтому педагогика и испытывает «крен» то в одну, то в другую сторону. … А совершенство-то везде во Вселенной, но надо его углядеть, а это непросто…

Принцип 1. Наследственность (преемственность), то есть и живое существо, и общество должно создавать таких преемников, которые обладают теми же существенными свойствами оригинала.

Принцип 2. Следовательно, образование должно быть всесторонним в смысле полезных способностей. В частности, обучение исследованиям в области физики и новой техники должно вести подобно «взрослым» исследованиям и изобретениям, не упуская ни одной существенной составляющей этого процесса. «В науке нет широкой столбовой дороги…»

Принцип 3. Следовательно отсюда и из факта ограниченного времени жизни и суток человек должен знать обо всём хотя бы кое-что. В частности, противопоставлять «физиков и лириков» неразумно: их надо воссоединять.

Принцип 4. Но чтобы быть не хуже других хотя бы в чём-либо, человек должен, к началу САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ жизни, знать почти всё, известное человечеству, хотя бы о чём-либо.

Принцип 5. Наследственность без изменчивости есть догма и неприспособленность к изменяющимся внешним условиям непреодолимой силы (которые человек не в силах преодолеть и приспособить по своему усмотрению). Поэтому – «подвергай всё сомнению», даже слова учителя, лишь «Вселенная сама с собой согласна».

Принцип 6. Обратная связь ученика и учителя. И положительная, и отрицательная. Взаимопроверка. Взаимообучение.

Принцип 7. Ученик должен превзойти своего учителя.

Принцип 8. Согласованность, гармоничность, симфоничность: человек не должен быть «однобоким».

Короче говоря, в обучении можно и нужно использовать, сочетать разные методы, по своему разуму, под свою ответственность, по обстоятельствам, индивидуально, в той мере, что нужна для воспитания гармоничной личности, стремящейся к совершенству – в мирное время... А узкая специализация (в том числе на одном лишь методе обучения) характерна лишь для экстренных, чрезвычайных ситуаций (война, разруха, bank-root, zeit-not) и кратковременна: либо человек погибает, либо общество погибает, либо человек впоследствии доразвивает свои остальные способности до гармоничного состояния.

СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ

«Человек должен учиться на чужих ошибках, чтобы не совершать свои,
и на чужих победах, чтобы себя совершенствовать.»
(Аристотель)

С учётом разнородности контингента и детского возраста в содержании обучения, как обычно, в настоящем курсе избран обычный принцип «от простого (точнее, кажущегося простым; основного) – к сложному (точнее, кажущемуся сложным)».

Обычно считается, что в развитии способностей путь идёт от научных знаний, умений, навыков – к миропониманию  и образовательным ценностям (…однако, насколько я себя помню в детстве, сия последовательность была иной: в раннем детстве привиты образовательные ценности как основа разумной жизни обществва, а миропонимание и научение шли параллельно, взаимосвязаны положительной обратной связью).

Что касается развития способов деятельности, то я совершенно согласен с тем, что сначала идёт первичное освоение методов познания, затем прикладные и научные исследования под руководством учителя, и лишь затем самостоятельная научно-познавательная деятельность.

Программа рассчитана в среднем на 2 учебных года, по 2 академических часа в неделю очных занятий с учениками физико-математического лицея. На домашние и самостоятельные задания отводится у учащихся 6-9 кл. по 2 часа в неделю, а у учащихся 10-11 классов по 4 часа в неделю. Если кто-либо желает использовать такую программу в обычной школе, то её следует применять либо лишь к отлично успевающим ученикам 10-11 классов, либо «растянуть» время прохождения до 3-4 лет с той целью, чтобы средне успевающие ученики были бы не перегружены.


1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ  СРЕДСТВА КУРСА
«Математика есть прообраз красоты мира.»
(Иоганн Кеплер)

«АЗБУКА»: (6-7 класс) Методы решения неособенных систем линейных алгебраических уравнений. Методы решения некоторых видов нелинейных алгебраических уравнений. Арифметическая и геометрическая прогрессии. Графики функций. События, частоты, понятие о вероятности события. (8-11 кл.) Особенные системы, невязка, критерий наименьших квадратов, энтропия, критерий максимума энтропии, обусловленность, жёсткость. Некоторые методы решения особенных систем уравнений. Простейшие задачи комбинаторики. (9-11 кл.) Пределы. Производная. Первообразная. Интеграл. "Замечательные пределы". Правило Лопиталя. Приближение функций их "асимптотами". Экстремумы. Основы вариационного исчисления.

«ТЕОРВЕР»: Основы теории вероятности. Понятие о распределении. Основные параметры функции распределения. Математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратическое отклонение, вариация. (10-11 кл.) Понятие о центральной предельной теореме Чебышёва–Ляпунова–Маркова. «Нормальное» распределение Гаусса-Лапласа и его свойства. (10-11 кл.)

«ДИФФУРЫ и ВЫЧМАТЫ»: Аналитическое решение простейших дифференциальных уравнений. Основы статистического анализа. Решение простейших интегральных и интегродифференциальных уравнений. Простейшие численные методы решения систем дифференциальных и интегральных уравнений. Невязка, аппроксимация, устойчивость; теорема Банаха и оценка погрешности вычислительной модели.

2. НЕКОТОРЫЕ НЕОБХОДИМЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

«В процессе объяснения лучше всего выявляется
своя собственная неполнота понимания.»
(П.Л. Капица)

«АЗБУКА»: (все классы) Принцип всеобщности в философии. Принцип сохранения материи Ломоносова–Лавуазье–Майера. О соотношении между экспериментом и теорией. (только для 6-7 кл.) Скорость. Ускорение. Масса. Сила. Электрический заряд. Эксперименты с заряженными телами. Закон Кулона. Законы Ньютона. Преобразования Галилея для случая одномерного движения. Работа. Энергия. Температура. Напряжение. Сила тока. Сопротивление. Закон Ома. (только для 6-8 кл.) Удельное сопротивление, проводимость, правила Кирхгофа. Измерение силы тока, напряжения, сопротивления, температуры. (только для 8-9 кл.) Масса, энергия, импульс, момент импульса, другие параметры.

«ТЕОРМЕХ, СТАТЫ и т.д.»: (для 10-11 кл.) Симметрия. О теореме Э.Нётер. "Степени свободы". Фазовое пространство, фазовый объём. О теореме Лиувилля, о теореме Пуанкаре–Цермело в "классической" механике. Статистические распределения. Понятие о "каноническом",  "микроканоническом" и др. распределениях Гиббса. Равновесие. "Нулевое начало термодинамики". Принцип сохранения энергии Ломоносова–Лавуазье–Майера–Джоуля–Гельмгольца–Эйнштейна. Температура. Распределение энергии по степеням свободы. Последовательность возбуждения степеней свободы, соответствующих различным уровням энергии. Теплоёмкость молекул различного строения. Гипотеза о детальном равновесии, принцип ослабления корреляций Колмогорова–Боголюбова. Энтропия (в математике и в физике). Энтальпия. Термодинамический потенциал. "Второе начало термодинамики" и аналогичные теоремы физической кинетики Способ "динамического отопления" В.Томсона. Правило Ленца; правило Вант-Гоффа; закон Ле Шателье – Брауна о равновесии. Теплоёмкость. Уравнение Майера. Адиабатический процесс. Уравнение адиабаты Пуассона. Политропа. Фазовые переходы первого и второго родов. Теплопроводность. "Температуропроводность". Уравнение переноса, решение Пуассона. Диффузия. Уравнение Фика. Формула Эйнштейна для диффузии. Термодиффузия. Диффузионный термоэффект. О "третьем начале термодинамики" – теореме Нёрнста. О "четвёртом начале термодинамики" – теореме Пригожина–Гленсдорфа. О теореме Струминского об энтропии единой Вселенной. Дискуссия о "геометрическом эффекте" для тепломассопереноса. Распределение Больцмана. Распределение Максвелла. Излучение "абсолютно чёрного тела". Теорема Кюри о кинетических тензорах. Теорема  Онсагера о симметрии кинетических коэффициентов перекрёстных процессов. 

«КВАНТЫ»: Гипотеза Де Бройля, уравнение Шрёдингера и его простейшие частные случаи. Соотношение неопределённостей Гайзенберга. Стационарный частный случай. Некоторые потенциальные ямы. Квантование. Энергетические уровни. Распределение Бозе–Эйнштейна. Принцип Паули. Распределение Ферми–Дирака. Особенности вырожденного ферми-газа.

3. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ И ЯВЛЕНИЯ ИЗ ФИЗИКИ ТВЁРДОГО ТЕЛА
И КОЛЛЕКЦИЯ СИММЕТРИЧНЫХ ЯВЛЕНИЙ. (только для 10-11 кл. )

«АЗБУКА» (10-11 кл.): Расщепление уровней энергии. Слияние атомов в тело с точек зрения классической и квантовой физики. Зонная модель твёрдого тела. Теорема Блоха. Проводники и полупроводники; их разновидности. Некоторые псевдочастицы в теории твёрдого тела. Уровень Ферми. Работа выхода. Электронное сродство. Теплоёмкость. Формула Дебая для теплоёмкости. Теплопроводность. Электропроводность.

«ЯВЛЕНИЯ, СВОЙСТВА, ЗАКОНОМЕРНОСТИ» (11 кл.): Скин-слой. Закон Видемана–Франца. Формула Блоха–Грюнайзена. Закон Грюнайзена. Закон Дюлонга и Пти. О взаимодействии с электромагнитным излучением – в "классическом" приближении. Приповерхностные эффекты и аналогия с плазменными явлениями. Коэффициент преломления электромагнитного излучения. Особенности рентгеновской оптики. Фотопроводимость Мея–Смита. Эффект Холла. О сверхтекучести. О сверхпроводимости. Внутренняя контактная разность потенциалов Вольта. Внешняя контактная разность потенциалов. Поверхностные уровни энергии Тамма и Шокли. Инверсия типа проводимости полупроводника. Внешний фотоэффект Столетова–Герца и формула Эйнштейна для фотоэффекта. Внутренний фотоэффект. Фотогальваническое явление. Многочастичные и многоступенчатые кинетические эффекты. Коллективные эффекты. Закон Вавилова. Люминесценция. Самопроизвольное (спонтанное) и вынужденное ("наведённое", индуцированное) излучение. Соотношение Эйнштейна для межуровневых переходов. Термолюминесценция. Переходное излучение. Излучение Черенкова–Вавилова. Сонолюминесценция. Термоэлектронная эмиссия. Туннельная ("автоэлектронная", "холодная") эмиссия. Автоионизация. "Туннельное охлаждение". Эффект Ноттингема. Эффект Франца–Келдыша. Магнитоупругий эффект Виллари. Магнитострикция.  Термомеханический и механокалорический эффекты. Гальваномагнитные явления: эффект Холла, магниторезистивный, эффекты размеров, эффекты формы, эффект Шубникова–ДеХааза. Фотомагнитоэлектрический эффект Кикоина–Носкова. Термомагнитный эффект Риги–ЛеДюка. Термогальваномагнитные явления. Эффект Барнетта. Эффект Видемана. Эффект Бурштейна–Мосса. Электрокинетические явления. Эффекты увлечения. Акустоэлектрический и электроакустический эффекты. Аномальное рассеяние. "Горячие" ("убегающие") носители. Эффект Тагера. Эффект Ганна. Энергетические барьеры в контактах. "Двойной"  электрический слой. Ширина барьера, высота барьера, характерные времена. Структуры с тонкой базой Лосева, Лилиенфельда, Бардина–Браттейна–Шокли, Шокли. Приборы с обеднённым слоем. Селективно-легированные структуры. Антизапирающий слой. Гетероструктуры. Двумерные и одномерные проводники. Эффект Дембера. Эффект Фарадея. Пироэлектрический эффект. Прямой и обратный пьезоэлектрический эффект. Эффект ДеХааза–ВанАльфвена. Термодиффузия Соре. Диффузионный термоэффект Дюфура. Эффект Эттингсхаузена. Эффект Нёрнста–Эттингсхаузена. Эффект Кондо.

«ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ»: Термоэлектрическое явление Зеебека. Электротермическое явление Пельтье. Явление Томсона. Соотношения Кельвина для термоэлектрических коэффициентов. Явление Бриджмена. Другие термоэлектромагнитные явления.

4. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ И ПРИМЕНЕНИЯ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ

«Чужими руками хорошую научную работу не сделаешь».
(П.Л. Капица)

• ЛАБОРАТОРНАЯ ТЕХНИКА И МЕТОДЫ (для 8-11 кл.). Обозначения на приборах. Биологические действия электрического тока, высоких и низких температур, лазерного излучения, ультразвука. Правила безопасного ведения работ. Вольт-амперная и другие стандартные характеристики объекта. Пользование генераторами и измерителями. Размах шкалы, цена деления, класс точности, стандартная погрешность. Представление данных и их погрешностей на графиках. Импеданс, закон Кирхгофа для электрических цепей. Измерение температуры. Калориметрирование. Измерение теплоёмкости. Измерение расхода жидкости. Измерение теплопроводности. Измерение внутреннего сопротивления "чёрного ящика". Оптическая, в т.ч. спектроскопическая, техника. Излучение. Преломление, отражение, поглощение. Закон Кирхгофа для излучения. Изготовление и использование лабораторного чёрного и серого тела. Рассеяние. Дифракция. Интерференция.

• ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ (для 8-11 кл. ФМЛ). Индикаторы (указатели) и измерители разности температур и потоков тепла. Преобразователь разности температур (потока тепла) в электроэнергию Зеебека. Электротермические холодильники Пельтье. "Динамическое отопление" В.Томсона. "Преобразователь жары в холод" Ленца (обращённое динамическое отопление) и «преобразователь мороза в тепло» . Преобразователь пространственной разности концентрации паров жидкости в газе (например, относительной влажности воздуха) в электроэнергию (автор). «Уральский кубик» – преобразователь колебаний температуры в пространственно-однородной окружающей среде в полезную работу. «Землероечный двигатель» – газовый уральский кубик. Другие применения.

• ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ (для 8-11 кл.ФМЛ). Внутренний фотоэффект. Фотодиод, фоторезистор. Фотоэлементы, солнечные батареи, энергетика. Вольт-амперные осветительные характеристики. Светоизлучающий диод. Полупроводниковый лазер. Газоразрядный лазер.

5. ОБЩЕСТВЕННЫЕ И ЮРИДИЧЕСКИЕ ОБСТОЯТЕЛЬСТВА (для 10-11 кл.)

Авторское право. Открытие, произведение искусства, промышленно применимые новшества. Дискуссия о целесообразности и мере собственности. Имущественное право. Промышленная собственность. Международное и отечественное законодательство. Автор, заявитель, патентовладелец. Авторское свидетельство, патент. Лицензия, лицензиар, лицензиат. Виды лицензий. Аналог, прототип. Новизна, первенство (приоритет), разновидности новизны. Охраноспособность. Полезность, промышленная применимость, патентоспособность. Открытие, алгоритм, произведение литературы или иного искусства, программа, база данных, топология микросхемы, изобретение, полезная модель, промышленный образец, вещество, биологический (генетический) объект, применение по новому назначению, товарный знак, знак обслуживания, виды секретов (тайн). Ответственность за нарушение прав автора.  Ответственность за нарушение прав патентовладельца. Некоторые понятия из гражданского и уголовного законодательства. Законодательная ответственность за нарушение общественных интересов. Управление. Введение в "теорию управления" («кибернетику») – методы математики и физических исследований в управлении обществом и любым другим объектом.

6. ДИСКУССИЯ О ПРАКТИКЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВА (для 9-11 кл.)

«Не радуйся свету в конце туннеля –
может быть, это встречный поезд.»
Ю. Базылев.

Математика как язык науки; физика и "другие естественные науки" как направления науки как единого целого. Искусства. Философия, язык, "протонаука", "преднаука", наука. Общественные "прото- и пред-науки" и искусства: история, экономика, психология, обществоведение (социология), юриспруденция, политика. Соотношение интересов биологического вида, общества, личности. Кратко о "теории познания" (по С.В.Илларионову и др.). Структура АРИЗ (ТРИЗ) Г.С.Альтшуллера. Патентный поиск. Основы финансового анализа. Поиск вложений (инвестиций). Патентование. Практика докладов, публикаций, выставок. Особенности международных выставок. О способах предупреждения организационных неувязок, дезинформации, озорства (хулиганства). О случаях шпионажа, саботажа и диверсий (вредительства), угроз и вымогательства (шантажа), о провокациях. Действующее мировое и отечественное законодательство и некоторая практика его применения. Договоры. Финансовый процесс. Разрешительный процесс. Организация изучения потребностей, производства и сбыта. Распределение видов вознаграждений и несение видов ответственности. Виды управления. Теории (точнее, гипотезы) о мотивации.  Цели деятельности человека и общества.

7. ПРАКТИКА ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВА И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ       (для 6-11 кл.).

Анализ ситуации. Время. Ресурсы материальные. Ресурсы нематериальные. Формальная задача. Идеальный конечный результат. Анализ противоречий. Физически возможные пути достижения. Положительные и отрицательные стороны достижения ИКР. Технические, экономические, моральные ограничения. Технические и организационные решения, их варианты. Обсуждение достоинств и недостатков. Формулирование решения. Физические оценки. Разработка проекта до технико-экономической оптимизации. Оформление работы. Тренировка доклада.

ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

Как я уже писал выше, нет смысла писать расчасовку на каждый возможный случай контингента учащихся. Возможны значительные вариации по часам в ту или иную сторону. Приведу лишь 2 «крайних» варианта для 1-го года обучения и некий «средне-типовой» вариант для 2-го года обучения (рассчитанный на «средних» по успеваемости учащихся).

Вариации часов см. выше.

ГОД ОБУЧЕНИЯ 1-й из 2-х, вариант: классы 6-8 (начинающие, предпрофильное) расширенный (30% теории, остальное – лабораторные работы, решение задач, изобретательство, художественное творчество);

№ Тема Лекционных часов Реше-ние задач Лабо-ратор-ных
изобретательских семинаров Само-стоя-тель-ное чтение, реше-ние и твор-чество

1 Математические средства курса и математические методы обработки экспериментальных данных (вразбивку по ходу изложения курса по мере необходимости; что очень наглядно покажет учащемуся потребность в математике) «АЗБУКА» 1 3 3
2 Некоторые сведения из общей физики «АЗБУКА» 10 6 6 7
3 Лабораторная техника и методы измерения: температура, теплоёмкость, мощность, плотность потока энергии, ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ, ТЕПЛООТДАЧА 1 10
4 Некоторые сведения и явления из физики твёрдого тела «ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ» 10 6 10 10
5 Исследование и применение термоэлектрических явлений 9 6 10 10
6 Изобретательский и художественно-творческий семинар 1 8 10
7 Исследование и применение фотоэлектрических явлений 1 1 4
8 Исследование и применение электролитов и плазмы 1 2 4
9 Изобретательский и художественно-творческий семинар 1 7 10
10 Подготовка и участие в школьной конференции НОУ 1 1 10
ВСЕГО 36 24 60 60

ГОД ОБУЧЕНИЯ 1-й из 2-х, вариант: классы 9-10, начинающие, повышенный (50% теории, остальное – решение задач, лабораторные работы, изготовление новых приборов и исследование их свойств, изобретательство);

№ Тема Лекционных часов Реше-ние задач Лабо-ратор-ных
и
изобретательство Само-стоя-тель-ное чтение, реше-ние и твор-чество

1 Математические средства курса и математические методы обработки экспериментальных данных (вразбивку по ходу изложения курса по мере необходимости; что очень наглядно покажет учащемуся потребность в математике) «АЗБУКА, ТЕОРВЕР, ДИФФУРЫ, ВЫЧМАТЫ» 10 3 20
2 Некоторые сведения из общей физики «ТЕОРМЕХ, СТАТЫ, КВАНТЫ» 6 3 20
3 Лабораторная техника и методы измерения 2 4
4 Некоторые сведения и явления из физики твёрдого тела и коллекция симметричных явлений «АЗБУКА», «ЯВЛЕНИЯ, СВОЙСТВА, ЗАКОНОМЕРНОСТИ», «ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ» 12 4 20
5 Изготовление новых приборов, измеряющих параметры: температура, теплоёмкость, мощность, плотность потока энергии, ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ, ТЕПЛООТДАЧА. Исследование и применение термоэлектрических явлений 2 14 10
6 Изобретательский и проблемный семинар 8 8 10
7 Исследование и применение фотоэлектрических явлений 2 2 5
8 Исследование и применение электролитов и плазмы 2 2 5
9 Изобретательский и проблемный семинар 8 10 10
10 Подготовка и участие в городской конференции НОУ 8 10 20
ВСЕГО 60 10 50 120

ГОД ОБУЧЕНИЯ 2-й из 2-х, вариант: классы 10-11 любых профилей, продолжающие, расширенный (30% теории, остальное – изобретательство, создание новых приборов, исследование физических явлений и закономерностей с их помощью, разработка  практических применений изобретённых новшеств, создание письменной работы и тренировка доклада)

№ Тема Лекционных часов Реше-ние задач Лабо-ратор-ных
и изобретательских Само-стоя-тель-ное чтение, реше-ние и твор-чество

1 Математические средства курса и математические методы обработки экспериментальных данных (вразбивку по ходу изложения курса по мере необходимости; что очень наглядно покажет учащемуся потребность в математике) «ТЕОРВЕР, ДИФФУРЫ, ВЫЧМАТЫ» 8 10 20
2 Некоторые сведения из общей физики «ТЕОРМЕХ, СТАТЫ, КВАНТЫ» 5 6 10
3 Лабораторная техника и методы измерения: температура, теплоёмкость, мощность, плотность потока энергии, ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ, ТЕПЛООТДАЧА 5 12
4 Некоторые сведения и явления из физики твёрдого тела и коллекция симметричных явлений «АЗБУКА», «ЯВЛЕНИЯ, СВОЙСТВА, ЗАКОНОМЕРНОСТИ», «ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ» 8 8 20
5 Изготовление новых приборов, измеряющих параметры: температура, теплоёмкость, мощность, плотность потока энергии, ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ, ТЕПЛООТДАЧА. Исследование и применение термоэлектрических явлений 14 20
6 Изобретательский и проблемный семинар 12 10
7 Изготовление новых приборов, Исследование и применение фотоэлектрических явлений 4 5
8 Изготовление новых приборов, Исследование и применение электролитов и плазмы 4 5
9 Изобретательский и проблемный семинар 14 10
10 Подготовка и участие в городской и т.д. конференции НОУ 10 2 20
ВСЕГО 36 24 60 120

ТРЕБОВАНИЯ К ВЫПУСКНИКАМ 2-летнего КУРСА (окончание 11 кл.)

• Знает, умеет и имеет значительный опыт правильного применения электроизмерительных приборов, в том числе осциллографа.

• Правильно отображает итоги измерений на графиках, оценивает величины абсолютных и относительных погрешностей измеренных данных и рассчитанного по формулам (не сложнее, чем произведение функций, для которых в школьном курсе математики возможно найти производную) результата.

• Понимает основные положения квантовой (волновой) теории отдельного атома, может объяснить отличие статистики Ферми-Дирака от статистики Бозе-Эйнштейна, понимает явление расщепления энергетических уровней и образование энергетических зон в макроскопическом теле, распределение электронов по уровням, по энергии и по импульсу в нормальных металлах и полупроводниках при низких температурах.

• Понимает изменение распределения электронов при повышении температуры и хотя бы качественно объясняет и может сделать простейшие количественные оценки таких макроскопических явлений, как проводимость, сопротивление, зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры, нагрев Джоуля-Ленца, излучение твёрдого тела, фотоэлектронная эмиссия, фотопроводимость, внешний фотоэффект Столетова, внутренняя фотоЭДС, термоэлектронная эмиссия, вторичная эмиссия, рентгеновское излучение, явление Оже, автоионизация, явление Холла, скин-эффект, экранирование проводником электромагнитного излучения. Знает и применяет соотношение Видемана-Франца.

• Понимает явления Зеебека, Бриджмена, Пельтье, Томсона. Может сделать количественные оценки их величин. Знает и может объяснить общефизическую сущность соотношений Кельвина, Онсагера. Знает хотя бы в общих чертах историю этих открытий.

• Может эскизно-физически спроектировать на заданные параметры термоэлектрический генератор, холодильник, тепловой насос, усилитель теплообмена, обратимый преобразователь тепло/холод.

• Может назвать многочисленные применения термоэлектрических явлений на практике.

• Способен грамотно, в соответствии с научными обычаями, изложить итоги своего исследования или конструирования в письменной форме, оформить свою работу в соответствии с правилами городских (или выше) научно-практических конференций учащихся.

• Способен хотя бы минимально участвовать в правильной научной дискуссии по теме курса (отвечать на правильно сформулированные произвольные вопросы, относящиеся к теме доклада, и сам правильно задавать вопросы иным докладчикам).

• Может объяснить даже гуманитарию, экономисту и всяким разным политиканам важность как термоэлектрических явлений, так и физики и естественных наук вообще для блага народа страны родной и человечества в целом.

СООТНОШЕНИЕ АКТИВНЫХ И ИНТЕРАКТИВНЫХ МЕТОДОВ

Выше автор курса подробно пытался объяснить уважаемому читателю, что суть курса – не столько в занятии ребёнка какой-то конкретной «профильной, специальной» темой (что было бы напраслиной в столь юном возрасте, см. статьи автора в педагогических изданиях), сколько в привитии ему ОБЩИХ ПРИНЦИПОВ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ, независимо от того, чем он занимается конкретно – прикладной физикой или социологией, экономикой или агрономией, историей или лингвистикой с психологией впридачу.

Боже упаси кого-либо СУЖАТЬ, «специализировать, профилизировать» ребёнка в ту пору, когда он сам в последний раз в жизни пытается узнать и попробовать ВСЕ области полезных явлений и методов, накопленных человечеством за тысячелетия.
Главное в этом курсе – принцип обучения в МФТИ: учить не только чему-то конкретному, но и УЧИТЬ УЧИТЬСЯ. В широком смысле этого слова. В том числе должен всю жизнь учиться ХОРОШЕМУ – в том числе у своих учеников – и сам учитель.
Если он умеет отличать хорошее от плохого…

О чём это я? Ах, да ! Требовалось указать «соотношение активных и интерактивных методов»… если я правильно понял хитросплетения педагогической терминологии, то такой способ развития высокого уровня мотивации, при котором объект и субъект взаимодействуют вследствие не внешнего воздействия («давления»), а внутреннего убеждения, призвания, и есть «интерактивные» … Привитие глубокого внутреннего интереса, самостоятельного узнавания, поиска решений и творчества – суть того, чего я пытаюсь достичь, занимаясь с учениками… Пожалуй, интерактивных методов («обратная связь», самостоятельный поиск информации в библиотеках и сети, анализ ситуаций и изобретательство, сотворение новых приборов и экспериментов, теоретическое творчество, художественное творчество, тренировка ясности и элементов артистизма при очном докладе) в курсе БОЛЬШЕ, чем «активных» (решение задач, лабораторные, изложение, моделирование на ЭВМ и оформление).

СПИСОК ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ (в т.ч. созданных учащимися)

1. Измерение напряжения и силы тока через графитовое сопротивление. Номинальная цель работы: измерение силы тока, падения напряжения. Оборудование: амперметр, вольтметр, провода, батарейка. Итоги работы: научились правильно снимать показания стрелочных приборов и записывать их, оценивать и записывать погрешности измерения.

2. Измерение удельного сопротивления графита. Цель работы: расчёт удельного сопротивления образца графитосодержащей смеси (карандашные стержни разных марок), измерение зависимости сопротивления от длины и ширины проводника, грубая оценка толщины слоя графита на бумаге. Оборудование: карандаш, цифровой омметр, штангенциркуль, бумага. Итоги работы: измерено удельное сопротивление материала образца (карандаш) и оценена погрешность, представлена на графике (с указанием погрешностей) и приближённо проверена линейная зависимость сопротивления от длины проводника – жирной прямоугольной черты на бумаге (повышенной трудности – гиперболическая зависимость от ширины проводника) , оценена толщина слоя и оценена погрешность.

3. Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления неизвестной батарейки. Цель работы: освоение 4-х разных способов измерения ЭДС и внутреннего сопротивления.  Оборудование: амперметр, вольтметр, провода, набор сопротивлений. Итоги работы: представлены на графиках (с указанием погрешностей) итоги измерений (по вариантам)  и найдены ЭДС и внутреннее сопротивление, оценены их погрешности.

4. Измерение силы Кулона методом маятника. Цель работы: проверка квадратичного убывания силы Кулона с расстоянием (точечный заряд), оценка величины силы и заряда и напряжения. Оборудование: штатив с ниткой и лёгкой гильзой, расчёска, линейка, весы. Итоги работы: построен график отклонения гильзы от расстояния до расчёски, график зависимости силы от расстояния, указаны погрешности, проверено в грубом приближении квадратичность  убывания силы, оценена ёмкость гильзы, рассчитан заряд и напряжение на расчёске, оценены погрешности.

5. Измерение теплоёмкости твёрдого тела и жидкости. Цель работы: см. заголовок. Оборудование: термометр, калориметр, вода, кипяток, снег. Итог работы: см. заголовок.

6. Измерение вольт-амперной характеристики электролита (авторы – Анна Семеняка и Анна Сёмкина). Цель работы: см. заголовок. Оборудование: ванночка, соль, весы, мензурка, штангенциркуль, распорки-изоляторы, 2 графитовых электрода, амперметр, вольтметр, провода, регулируемый автотрансформатор, понижающий трансформатор с выпрямителем и сглаживателем пульсаций, предохранители. Итог работы: измерены и представлены на графике с указанием погрешностей зависимость силы тока от напряжения для одной концентрации. Повышенной трудности: зависимости от расстояния между электродами.

7. Измерение зависимости электропроводности электролита от концентрации (авторы – Анна Семеняка и Анна Сёмкина). Цель работы: см. заголовок. Оборудование: ванночка, соль, весы, мензурка, штангенциркуль, распорки-изоляторы, 2 графитовых электрода, амперметр, вольтметр, провода, регулируемый автотрансформатор, понижающий трансформатор с выпрямителем и сглаживателем пульсаций, предохранители. Итог работы: измерены и представлены на графике с указанием погрешностей зависимость силы тока от напряжения для нескольких концентраций, представлен график зависимости сопротивления промежутка от концентрации и график проводимости от концентрации. Повышенной трудности: зависимости от расстояния между электродами.

8. Измерение коэффициента термоЭДС. Цель работы: см. заголовок. Оборудование: ТЭМ с известным количеством термопар, термометр, микроамперметр с известным внутренним сопротивлением. Итог работы: см. заголовок.

9. Измерение тепловых эффектов при испарении жидкости (автор – Сергей Кабанов). Цель работы: измерение разности температур при испарении жидкости в разных условиях обдува. Оборудование: ТЭМ, микроамперметр, набор жидкостей, вентилятор. Итог работы: измерена разность температур для каждой из жидкостей, оценен возможный КПД, оценена грубо энергия связи молекулы в жидкости, распознана «неизвестная» жидкость из исследованного набора.

10. Наблюдение явления Пельтье. Цель: см. заголовок. Оборудование: ТЭМ на радиаторе, тарелка с водой, регулируемый источник постоянного тока, амперметр, термометр. Итоги: наблюдается явление Пельтье, в том числе охлаждение стороны ТЭМ, замораживание капельки воды.

11. Доска Гальтона (автор – Никита Усманов). Цель: наблюдение нормального распределения случайной величины. Оборудование: самодельная доска Гальтона, пшено, линейка. Итоги: наблюдение распределения отклонения частицы, близкого к нормальному, оценка случайных разбросов средних величин и сравнение с теорией, наблюдение распределения суммы двух случайных величин.

12. Измерение зависимости сопротивления полупроводника от температуры. Цель: измерение экспоненциального роста проводимости с температурой. Оборудование: терморезистор полупроводниковый (набор), термометр, термос, кипятильник, снег, омметр. Итоги: представлен график зависимости сопротивления от температуры с указанием погрешностей, то же в логарифмических координатах, рассчитана ширина запрещённой зоны, оценена погрешность.

13. Измерение нелинейной зависимости термоЭДС от температуры (авторы – А.В. Горшков, Евгений Панов, Сергей Кабанов, Андрей Долгих). Цель: измерение зависимости термоЭДС от температур в приближении Авенариуса-Тэта. Оборудование: специальный (самодельный) стенд (описанный в книге упомянутых соавторов). Итоги: измерена зависимость термоЭДС от двух температур, сравнена с формулой Авенариуса-Тэта, найдены 1-й и 2-й коэффициенты термоЭДС.

14. Измерение коэффициента Пельтье (авторы – А.В. Горшков, Евгений Панов, Сергей Кабанов, Андрей Долгих). Цель: измерение зависимости мощности Пельтье от температур. Оборудование: специальный (самодельный) стенд (описанный в книге упомянутых соавторов). Итоги: измерена зависимость мощности Пельтье от силы тока и от двух температур, сравнено с помощью соотношения Кельвина с формулами Авенариуса-Тэта.

15. Опыт Ленца , преобразователь жары в холод, а мороза в тепло (авторы – Андрей Долгих, А.В.Горшков). Цель: наблюдать взаимообратимость явлений Зеебека и Пельтье. Оборудование: 2х(ТЭМ+радиатор+калориметр+водяная ёмкость+термометр)+миллиамперметр+провода+электродвигатель, кипяток, снег. Итоги: убедились в справедливости принципа Ле Шателье–Брауна, в обратимости явления Зеебека, в обратимости явления Пельтье, во взаимообратимости явлений Зеебека и Пельтье, проверено (грубо приближённо) соотношение Кельвина (как частный случай теоремы Онсагера).

16. Измерение коэффициента теплоотдачи на границе «твёрдое тело–воздух» при свободной конвекции (авторы – Денис Карипов, Антон Ковалёв). Цель: наблюдение перехода турбулентной конвекции в ламинарную, измерение коэффициента поверхностной теплоотдачи. Оборудование: калориметр, кипяток, термометр, секундомер. Итоги: представлены графики зависимости: температуры от времени, мощности теплоотдачи от времени, мощности от температуры, коэффициента теплоотдачи от разности температур на границе, с указанием оценок погрешностей.

17. Измерение коэффициента теплопроводности твёрдого тела или жидкости. Цель: см. заголовок. Оборудование: мензурка, кипятильник, термометр, стержень, вода, пенопластовая ванна с каналом специальной формы и крышкой, поролон. Итоги: см. заголовок.

18. Измерение теплопроводности воздуха (автор – Александр Каманцев). Цель: измерение теплопроводности воздуха при постоянном давлении. Оборудование: специальный (самодельный) стенд с исключённой возможностью конвекции (верхний нагреватель, нижний холодильник, термопары, тело сравнения и многое др.). Итоги: измерен коэффициент теплопроводности воздуха одним из двух способов. Повышенной трудности: измерена зависимость коэффициента теплопроводности от температуры.

19. Измерение полезной мощности конвекционной турбинки (авторы – Вадим Орлов, Денис Карипов). Цель: измерить полезную (механическую) мощность конвекционной турбинки. Оборудование: турбинка конструкции Орлова либо Карипова, труба, нагреватель, секундомер, линейка, весы. Итоги: измерена зависимость частоты вращения от времени, при разгоне и торможении, оценена полезная мощность, оценен КПД.

20. Измерение полезной мощности «Уральского кубика» (автор – Василий Устимчик). Цель: измерение зависимости полезной мощности преобразователя колебаний температуры атмосферного воздуха в полезную работу от времени. Оборудование: «уральский кубик» (варианты), вольтметр, термометр, секундомер, холодильник. Итоги: представлен график зависимости ЭДС, полезной мощности, КПД, уменьшающего (по сравнению с КПД идеальной тепловой машины) множителя от времени, с указанием погрешностей.

21. Измерение полезной мощности «землероечного двигателя» (автор – Антон Ковалёв). Цель: измерение зависимости полезной мощности преобразователя колебаний температуры атмосферного воздуха или солнечного излучения в полезную работу от времени. Оборудование: макет «землероечного двигателя», вольтметр, термометр, секундомер. Итоги: представлен график зависимости ЭДС, полезной мощности, КПД, уменьшающего (по сравнению с КПД идеальной тепловой машины) множителя от времени, с указанием погрешностей.

22. Измерение полезной мощности «солнечного термоэлемента» (автор – Илья Зотов). Цель: измерение полезной мощности преобразователя солнечного излучения в полезную работу. Оборудование: специальный (самодельный) стенд (чёрное тело, ТЭМ, охладитель, водяные ёмкости, вольтметр и многое др.) Итоги: измерена полезная мощность, оценен КПД.

23. Измерение внутреннего фотоэффекта в полупроводнике (фотосопротивление, фотоЭДС) (авторы – Никита Кузнецов, Александр Кривонос). Цель: измерение фотоЭДС, фототока, ВАХ, фотосопротивления в зависимости от освещённости. Оборудование: специальный (самодельный) стенд (мерный штатив, источник света, фотосопротивление, солнечный элемент, магазин сопротивлений, вольтметр, амперметр и др.). Итоги: измерена зависимость сопротивления от освещённости, фототока от освещённости, малая зависимость фотоЭДС от освещённости, ВАХ для одной из освещённостей.

24. Измерение полезной мощности «гибридного, каскадного» фототермоэлемента (авторы – Никита Кузнецов, Александр Кривонос). Цель: измерение ВАХ и полезной мощности фототермокаскада в зависимости от освещённости. Оборудование: специальный (самодельный) стенд (мерный штатив, источник света, солнечный элемент, термоэлектрический модуль, магазин сопротивлений, вольтметр, амперметр и др.). Итоги: измерена серия ВАХ фотоэлемента и термоэлемента для разных освещённостей, построены графики зависимости максимальной полезной мощности фотоэлемента, термоэлемента и их каскада от освещённости.

25. Конденсация воды из воздуха в термоэлектрическом холодильнике Пельтье (автор – Алексей Самокотин). Цель: наблюдение конденсации воды из атмосферы при охлаждении, измерение относительной влажности воздуха. Оборудование: специальный (самодельный) стенд (холодильник Пельтье, управляемый стабилизированный источник постоянного тока, термопарный микротермометр, лазер, насос, радиатор и многое др.). Итоги: наблюдается конденсация воды на зеркале, рассчитана влажность воздуха.

26. Наблюдение плазмы газового разряда и измерение профилей тока и напряжения (авторы – А.В. Горшков, Александр Кувшинов, Олег Украинцев, Иван Скалаух, Юрий Воробьёв). Цель: первичное знакомство с методами лабораторного получения холодной плазмы и измерения её свойств. Оборудование: ряд специальных (самодельных) стендов (генераторы высокого напряжения, устройства для наблюдения различных форм газовых разрядов, форвакуумный стенд, самодельный набор измерителей силы тока, высокого напряжения, осциллографы и др.) Итоги: наблюдены различные формы разрядов в газах атмосферного и низкого давления, в жидкостях и через металлы и диэлектрики, освоены способы получения и измерения форвакуума, зарисованы особенности разных форм разрядов, ощущён запах озона, наблюдено образование соединений азота с кислородом, образование ультрафиолетового излучения и их взаимодействие с различными химическими веществами, освоена работа с осциллографом, измерены профили тока и напряжения (в зависимости от времени).

27. Измерение эффекта Бриджмена (автор – Алексей Гарин). Цель: измерение температурной зависимости термоЭДС в химически однородной, но анизотропной цепи. Оборудование: специальный (самодельный) стенд (нагреватель, охладитель, термоэлектрическая батарея конструкции Горшкова и Гарина из микрослоистого ориентированного графитового материала, микровольтметр и многое др.) Итоги: убедились в справедливости факта существования малоизвестного неспециалистам (даже физикам) термоэлектрического явления Бриджмена, измерена его зависимость от температуры с оценкой погрешностей, оценен коэффициент термоЭДС Бриджмена.

ОБЕСПЕЧЕННОСТЬ ПРОГРАММЫ КУРСА РЕСУРСАМИ

ФМЛ №31 располагает штатом вполне компетентных учителей и администраторов, отобранными по интеллектуальному конкурсу учащимися, преимущественно сознательно и по своему желанию выбравшими естественно-научную специализацию лицея.

С 1999 по 2005 учебные годы под руководством одного из соавторов настоящей программы (А.В. Горшкова) учащиеся на базе школьных мастерских, воспользовавшись подарком руководства Миасского машиностроительного завода в виде нескольких десятков полупроводниковых термоэлектрических модулей ТЭМ, а также запасами материалов лаборатории физики, а также приобретением в магазинах хозтоваров, в аптеках и автомагазинах, изготовили около 30-ти лабораторных работ, учебно-научных исследовательских устройств и установок.

Они были продемонстрированы в работе на научно-практических и научно-методических конференциях и выставках не только городского и областного, но и всероссийского уровня; работы были опубликованы в сборниках конференций уровня всероссийского и международного.

В течение 2003–2005 учебных годов один из соавторов данной программы (Р.Х.Сало) построила физическую модель теплопередачи в пористом теплоизоляторе в условиях ветра, провела серию экспериментов и создала автоматизированное программное средство для оптимизации толщины теплоизолятора в заданных погодных условиях.
ФМЛ №31 располагает достаточным для данного курса аудиторией с доской, столами, стульями и т.д.; вычислительным центром; учебными мастерскими со слесарными инструментами; измерительными приборами в необходимом количестве и исправном состоянии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, РЕКОМЕНДУЕМОЙ ДЛЯ УЧИТЕЛЯ

А) ОСНОВНОЙ

1. Сало Р.Х., Горшков А.В. Теория шубы и тёплых стен, или Метод расчёта волокнистой теплоизоляции в условиях ветра. Учебное пособие. По материалам диссертации к.т.н. Р.Х. Сало. 2005. Челябинск, Омск. – 65 С.
2. Термоэлектрические явления.: Учебное пособие. В 2-х частях. Ч.1. Теоретическая. Ч.2. Описание лабораторных устройств и работ./ Горшков А.В., Бадзян Д., Долгих А., Кабанов С., Панов Е. – Челябинск. ФМЛ 31. 2000. – 320 с.
3. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. – Л.: 1958.
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество и магнетизм. – Изд.3.–М.:Наука.Физматлит. 1996. – Ч.1 320 с., Ч2 320 с.
5. Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в квантовую физику. – М.: Наука. 1988. – 328 с.

Б) ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ

1. Чудновский А.Ф. Теплопроводность пористых материалов. М., 1976. С.420.
2. Лабораторные занятия по физике.: Учебное пособие. / Гольдин Л.Л., Игошин Ф.Ф., Козел С.М. и др. – М.: Наука. 1983. – 704 с.
3. Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Советская энциклопедия. 1983. – 928 с.
4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика. – Изд.3.–М.:Наука.Физматлит. 1990. – 592 с.
5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Курс теоретической физики. Т.3. Квантовая механика (нерелятивистская теория). – Изд.4. – М.: Наука. 1989. – 768 с.
6. Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в атомную физику. – М.: Наука. 1969. – 304 с.
7. Ципенюк Ю.М. Физические основы сверхпроводимости.: Учебное пособие МФТИ. – М.: Издательство МФТИ. 1996. – 94 с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, РЕКОМЕНДУЕМОЙ ДЛЯ УЧЕНИКА

А) ОСНОВНОЙ

1. Сало Р.Х., Горшков А.В. Теория шубы и тёплых стен, или Метод расчёта волокнистой теплоизоляции в условиях ветра. Учебное пособие. По материалам диссертации к.т.н. Р.Х. Сало. 2005. Челябинск, Омск. – 65 С.
2. Термоэлектрические явления.: Учебное пособие. В 2-х частях. Ч.1. Теоретическая. Ч.2. Описание лабораторных устройств и работ./ Горшков А.В., Бадзян Д., Долгих А., Кабанов С., Панов Е. – Челябинск. ФМЛ 31. 2000. – 320 с.
3. Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Советская энциклопедия. 1983. – 928 с.

Б) ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ

4. Рыдник В.И. Что такое квантовая механика. – М.: Советская Россия. 1963. – 219с.
5. Петрусевич В.А. Волшебные кристаллы. / В сборнике новелл «За гранью ХХ века». С.78-99. Отв. ред. Н.К. Неуймина. – Л.: Детская литература. 1962. – 222 с.
6. Матвеев. Термодинамика и молекулярная физика.
7. Гнеденко, Хинчин. Элементарное введение в теорию вероятностей.
8. Мигдал А.Б. Квантовая физика для больших и маленьких. / Сер. "Библиотечка Квант", вып.75. – М.: Наука. 1989.
9. Компанеец А.С. Что такое квантовая механика ? – М.: Наука. 1964. – 132 с.
10. Гинзбург В.Л., Андрюшин Е.А. Сверхпроводимость. – М.:Педагогика. 1990. – 112 с.

Fecid  quod  potu.   
Feciant  meliora  potenta.
«Сделал, что смог. Кто сможет, пусть сделает лучше.» (лат.)

* * *

(2005 г.)