Проведем следующий эксперимент. Поставим на стол прозрачную трубу, поместим в нее пружину, а на пружину поставим ИДЕАЛЬНЫЙ стакан, который будет скользить вдоль стенок плотно, но без трения. Уровень, на котором остановится стакан на какой-то отметке, примем за «0».
Нальем в стакан какое-то количество воды. Под ее весом стакан будет опускаться и сжимать пружину до тех пор, пока не остановится — давление сжатой пружины уравновесит вес налитой жидкости. Это давление через дно стакана передается на столб жидкости и не позволяет ему падать ниже. Иными словами, на дно стакана действуют две равные по величине, но противоположно направленные силы: вес столба воды (действие) и реакция пружины (противодействие). Это хорошо видно, если изменять уровень воды в стакане — отбирать воду или добавлять ее, положение стакана при этом тоже меняется.
Еще эксперимент. Возьмем большую емкость с водой и мысленно выделим в ней столбик воды от поверхности на некоторую глубину, например 5 см. Почему этот столбик не проваливается глубже? Какие силы здесь действуют?
Рассмотрим дно столбика как очень тонкое дно стакана. Сверху на него давит вес столбика воды, и если дно не проваливается, то очевидно, что снизу на него должна действовать такая же по величине, но направленная вверх сила. Такой силой, выполняющей роль пружины, которую наш верхний столбик стремится сжать, будет противодействие (реакция) лежащего под ним столбика жидкости.
(Вариант: нальем в узкий длинный полиэтиленовый кулек 5 см воды и будем опускать этот кулек в емкость с водой. На какую глубину опустится кулек? Очевидно, тоже на 5 см. Почему кулек не проваливается глубже? Его дно давит на столб воды, лежащий под ним, и тот будет мешать — противодействовать возможности опуститься глубже.)
Еще эксперименты: будем ставить стакан с водой в воду и убирать дно стакана, при этом попробуем три варианта:
А) верхний уровень воды в стакане выше уровня воды в емкости.
Б) верхний уровень воды в стакане — на уровне воды в емкости.
В) верхний уровень воды в стакане — ниже уровня воды в емкости.
Будет ли изменяться уровень воды в стакане? Как? Почему? Кто или что выполняет функцию ДНА стакана?
(Вариант: вместо стакана с убирающимся дном можно использовать стеклянную трубку, в которой функцию дна будет выполнять скользящий в ней без трения поршень. А в простейшем случае вместо сосуда можно использовать длинный шарик «Уйди-уйди» или просто прозрачную трубку — стеклянную или полиэтиленовую, а вместо дна — палец. Жидкость для наглядности можно подкрасить чернилами или марганцовкой.)
Проделаем эти эксперименты еще раз, только вместо воды в стакан нальем (разумеется, мысленно!) РТУТЬ. На каком уровне по отношению к уровню воды будут верхние уровни ртути в каждом эксперименте после того, как мы уберем дно? Вспомним, что плотность ртути — 13,55 г/см3. («Ртуть упадет на дно!» — тут же вскочил один студент. «Согласен! — ответил докладчик. — Если сосуд неглубокий. Как быть?» Договорились вместо стакана ставить трубу, и дно не убирать, а сделать скользящим, как поршень. Еще один студент предложил использовать схему первого эксперимента — ставить в воду трубу, в трубу — стакан, а уже в стакан наливать ртуть.) Как объяснить полученные результаты? Можно ли выявить здесь какую-то закономерность?
Проделаем этот эксперимент в третий раз, но опять с новыми условиями: в стакан нальем воду, но ставить его будем в емкость со ртутью. На каком уровне — по отношению к уровню ртути — будут находиться верхние уровни воды после того, как мы уберем дно? Как объяснить результаты? Можно ли и здесь выявить какую-то закономерность? Она такая же, как в предыдущем эксперименте?
А теперь вместо воды или ртути посадим в емкость АРХИМЕДА и получим его закон, так как он вытесняет (заменяет) собой верхнюю часть жидкости в емкости.
И на основе полученных представлений о действии и противодействии — вернемся к определению объекта «СТУЛ» и сформулируем его с точки зрения физики: какую функцию выполняют ножки стула? Спинка?
Проделаем еще несколько экспериментов.
Поставим на стол высокий цилиндрический сосуд, в стенке которого на разных уровнях проделаны небольшие отверстия одинакового диаметра. Закроем их и нальем в сосуд воду. Вода не выливается. Откроем одновременно все отверстия. Из них струями польется вода. Отсюда можно определить ОФ стенок сосуда — создавать противодействие давлению воды на стенки.
Обратим внимание — чем дырочка ниже, тем струя сильнее. О том, что давление вниз зависит от высоты столба — мы уже знаем. Но здесь сила «давит» вбок... Какова ее величина? Как ее измерить?
Вставим в каждое отверстие гибкую трубочку с открытым вторым концом и изогнем все трубочки вверх. Во всех трубочках уровень воды установится на уровне воды в сосуде — получаем закон СООБЩАЮЩИХСЯ СОСУДОВ.
Но одинаковые уровни означают равенство давлений в сосуде и в трубке, и величина этого давления определяется высотой столба (расположением отверстия). Следовательно, давление в жидкости направлено не только вниз, а во все стороны с одинаковой силой — получаем закон ПАСКАЛЯ. Действие этого закона можно проверить, если заталкивать в воду пустой сосуд с твердым дном и мягкими стенками и наблюдать, как эти стенки будут сминаться на разной высоте.
Какова ОФ стенок стакана? С учетом результатов этих экспериментов — дать определение объекту «СТАКАН» с точки зрения физики.
Обратим внимание, что в последних экспериментах диаметр трубочек во много раз меньше диаметра сосуда, но уровень — одинаков. Отсюда недалеко до вывода, что давление не зависит от площади сосуда, а только от высоты столба (глубины).
А теперь посмотрим, что общего есть у всех трех законов? Во всех трех законах есть давление, определяемое весом жидкости, и противодавление. Очень напоминает третий закон Ньютона в механике... Не являются ли законы гидравлики просто проявлением законов механики, но в других средах? Может быть, и другие законы — тоже «родственники»?
Проведем еще несколько экспериментов — реальных или мысленных.
Поставим стакан на стол или заменим дно стакана поверхностью стола. Уберем — мысленно! — стенки стакана. Как описать процесс растекания воды с точки зрения физики?
Будем уменьшать высоту столба воды — в конце концов останется такой столбик, который при убранных стенках не будет растекаться! Почему? Что заставляет капельки воды собираться в «кучку»?
Вернемся к сосуду с отверстием сбоку. Вставим в него трубочку с ЗАКРЫТЫМ вторым концом и изогнем ее вверх. Уровень воды в трубочке будет зависеть от того, как высоко мы поднимем закрытый конец. Почему?
И еще один аспект, может быть, самый важный: где и как можно на практике применить изученные законы?
Положим поршень на поверхность воды в сосуде с отверстием сбоку и поставим на поршень груз. Что будет с уровнем воды в трубочке? От чего зависит точность гидровесов? Какое противоречие здесь возникает? Отличная изобретательская задача — как его устранить?
Нальем в трубочку, закрытую с одной стороны, воду, перевернем ее и поставим в емкость с водой. Что произойдет? Почему не выльется вся вода? (Попробуем с помощью ряда последовательных вопросов выйти на идею барометра.)
А если абстрагироваться от веществ «вода» и «ртуть» и перейти на понятия «вещества с различной плотностью», то эти же законы можно применить и для атмосферы...
ПРИМЕЧАНИЕ
Так как целью встречи было не выявление законов, а только демонстрация методических возможностей ТРИЗ-педагогики при изложении конкретного раздела физики для развития мышления учащихся и результаты всех экспериментов были всем известны, диалог проходил в быстром темпе, и чем дальше, тем активнее включались в него участники. Попутно рассматривались возможности проведения других экспериментов и включения мышления и воображения в учебный процесс. Эта совместная работа лучше всяких выводов и заключительных слов конференции показала, что может дать ТРИЗ-педагогика системе образования... Но для того чтобы учитель мог так — творчески! — работать, нужно, во-первых, изменить его подготовку, во-вторых, содержание предметов, а в-третьих, учебные программы... Нужно, по существу, менять всю систему образования — от детского сада до вузов. Только тогда современная экономика и социум получат того работника и члена общества, который соответствует их требованиям быть творческой и социально активной личностью.
Но сделать это «революционным» путем невозможно. Поэтому в Лаборатории «ТРИЗ-педагогика Украины» разработан проект «мягкого» внедрения инновационной технологии «Опережающая педагогика» (на базе ТРИЗ), в основе которой — поступенчатая подготовка педагогических кадров и постепенная (рассчитанная на 10–12 лет) замена старой системы на новую.
Законы развития искусственных систем (а система образования — тоже искусственная система!) неумолимо утверждают, что существующие методы репродуктивного образования исчерпали свои возможности и им на смену должны прийти технологии, в основе которых — обучение мышлению.
