Лейденская банка и ёмкость

Перед первой встречей

Результат: ученик отвечает на вопрос «Как площадь пластин и расстояние влияют на ёмкость конденсатора?», показывает записи и называет ограничение вывода.

Предпосылки: Заряд Q, напряжение U, ёмкость C=Q/U; прямая и обратная пропорциональность; энергия CU²/2.

Ориентир: 9–11 классы; это внеурочная работа, не утверждение о соответствии конкретной национальной программе.

Материалы на группу из трёх: симуляция PhET «Конденсатор: основы»; бумага; калькулятор. Для одновременной практики 24 учащихся нужно восемь комплектов. При трёх комплектах разделите восемь групп на три очереди и выделите отдельную встречу для практики каждой очереди; остальные работают с планом, источниками и записями. Это увеличивает число встреч.

Подготовка: 20–30 минут на чтение, пробу одного комплекта и проверку шкал/креплений; сложную сборку и ожидание выполняйте до занятия. Если метод не работает в ваших условиях, выберите другой маршрут до раздачи задания.

Условия: Лейденскую банку и высоковольтные цепи не собирать. Без компьютера используй относительную модель C/C₀=(S/S₀)/(d/d₀).

Печать: тетрадь ученика на каждого; четыре раздела начинаются с новой страницы, фактическое число страниц проверьте в PDF. Руководство — один экземпляр учителю. Без принтера нужен общий экран или один экземпляр с полным методом и условиями; вопрос и таблицу ученики переносят в тетрадь. Заранее выделите время на запись инструкции.

Встреча 1 (45 мин): 5 — вопрос; 8 — предположение и условия; 7 — план и согласование; 15 — проба; 7 — обсуждение; 3 — личная запись. При большом числе групп согласуйте оборудование заранее.

Встреча 2 (45 мин): 5 — сверка плана; 25 — основная серия/модель; 5 — уборка; 7 — таблица; 3 — индивидуальный вывод. Ожидание роста, охлаждения или замерзания переносится между встречами.

Встреча 3 (45 мин): 10 — анализ; 10 — проверка объяснения; 15 — мини-защиты внутри пар групп; 7 — доработка; 3 — личный итог.

Ключи, диагностика и оценка

Предметная опора: Ёмкость определяется геометрией и диэлектриком; заряд при данном напряжении Q=CU. Конденсатор способен сохранять заряд после отключения питания.

Проверочный ключ: При неизменных диэлектрике и напряжении C/C₀=(S/S₀)/(d/d₀), Q/Q₀=C/C₀. Пример бумажной серии при неизменном d: S/S₀=0,5;1;2 даёт C/C₀=0,5;1;2. При неизменном S расстояния d/d₀=0,5;1;2 дают C/C₀=2;1;0,5. Другие три значения допустимы при правильных отношениях. Углубление: при неизменной C энергия E=CU²/2, поэтому удвоение U увеличивает E вчетверо. В этой задаче нельзя одновременно менять C и приписывать весь эффект напряжению.

Корректный план выделяет: площадь пластин, затем расстояние в отдельной серии; результат: ёмкость и заряд при постоянном напряжении; условия: одно напряжение, одна среда между пластинами.

Ключ самопроверки ученика: Б. Одновременное изменение двух условий не выделяет вклад каждого. Допустим общий вывод о двух вариантах целиком; для отдельной причины нужна серия с одним изменением. После ошибки попросите назвать конкретные два смешанных фактора и переписать план.

Реальные численные результаты заранее не заданы. Не требуйте совпадения с «красивым» результатом и не подставляйте демонстрационные числа вместо данных. Проверочные числа относятся только к явно заданным моделям. Ошибка в расчёте: сначала сверить единицы и один шаг подстановки, затем повторить его самостоятельно.

Затруднение: не понимает, что записывать → вместе выполните одну строку без заполнения остальных за ученика. Меняет несколько факторов → верните один вариант к исходным условиям. Не видит эффекта → проверьте чувствительность метода и протокол; отсутствие эффекта допускается. Обобщает слишком широко → попросите добавить «при наших условиях» и назвать границу.

Быстро справившимся: Вычисли, как изменится энергия CU²/2 при удвоении напряжения. Это отдельная серия после основного вывода, примерно 20–45 минут или дополнительная встреча; сначала согласуйте план.

Без оснащения: используйте явно указанный в карточке расчётный/аналитический вариант. Если его нет, выберите доступный проект из каталога с той же учебной задачей; не имитируйте измерения рассказом о предполагаемом результате.

Рубрика 0–2 по четырём критериям: вопрос; метод; свидетельства; вывод с ограничением. 0 — отсутствует; 1 — есть, но не позволяет проверить; 2 — конкретно, согласованно и проверяемо. Это обратная связь, не автоматически выставляемая школьная отметка.

Индивидуальный итог: каждый называет свой вклад, одно свидетельство и следующую проверку. Перед конкурсом нужна отдельная проверка действующего положения и самостоятельности работы.

Science Buddies: переменные и условия сравнения: https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/science-fair/variables. Опора для планирования исследования; конкретные задания курса написаны заново.

Science Buddies: инженерный процесс: https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/engineering-design-process/engineering-design-process-steps. Различаем проверку гипотезы и улучшение конструкции по критериям.

PhET: конденсатор — основы: https://phet.colorado.edu/en/simulations/capacitor-lab-basics. Внешняя модель ёмкости; без интернета используйте относительный расчёт из карточки.