Interaktīvo datoru modeļu izpēte. Mūsdienu zinātnes un izglītības problēmas Interaktīvs eksperiments par fizikas modeļiem

Datormodeļu izmantošanas pieredze fizikas stundās

Aleksandrs Fedorovičs Kavtrevs , fizikas un matemātikas kandidāts Zinātnes, Sorosa skolotājs, Sanktpēterburgas Informācijas kultūras centra laboratorijas vadītājs

Pēdējā laikā bieži var dzirdēt jautājumus: "Vai fizikas stundās ir nepieciešams dators? Vai datorsimulācijas izstums reālus eksperimentus no izglītības process«Visbiežāk šādus jautājumus uzdod skolotāji, kuri nepārzina informācijas tehnoloģijas un īsti nesaprot, kā šīs tehnoloģijas var noderēt mācību darbā.

Mēģināsim atbildēt uz jautājumu: "Kad ir attaisnojama datorprogrammu izmantošana fizikas stundās?" Mēs uzskatām, ka, pirmkārt, tajos gadījumos, kad ir ievērojamas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajiem apmācības veidiem. Viens no šādiem gadījumiem ir datormodeļu izmantošana izglītības procesā. Jāpiebilst, ka pēc datormodeļiem autors saprot datorprogrammas, kas ļauj simulēt fizikālās parādības, eksperimentus vai idealizētas problēmas, ar kurām saskaras problēmsituācijas.

Kādas ir datormodelēšanas priekšrocības salīdzinājumā ar dabisko eksperimentu? Pirmkārt, datormodelēšana ļauj iegūt vizuālas dinamiskas ilustrācijas fiziski eksperimenti un parādības, lai reproducētu to smalkās detaļas, kas bieži vien pazūd, vērojot reālas parādības un eksperimentus. Izmantojot modeļus, dators sniedz unikālu, reālā fiziskā eksperimentā nesasniedzamu iespēju vizualizēt nevis reālu dabas parādību, bet gan tās vienkāršoto modeli. Šajā gadījumā apsvērumā var pakāpeniski iekļaut papildu faktorus, kas pakāpeniski sarežģī modeli un tuvina to reālai fiziskai parādībai. Turklāt datormodelēšana ļauj variēt notikumu laika skalu, kā arī simulēt situācijas, kas fiziskajos eksperimentos netiek realizētas.

Studentu darbs ar datormodeļiem ir ļoti noderīgs, jo datormodeļi ļauj plaši mainīt fizisko eksperimentu sākotnējos apstākļus, kas ļauj veikt daudzus virtuālus eksperimentus. Šāda interaktivitāte paver studentiem milzīgas izziņas iespējas, padarot viņus ne tikai par novērotājiem, bet arī aktīviem dalībniekiem veicamo eksperimentu veikšanā. Daži modeļi ļauj novērot atbilstošu grafisko atkarību konstrukciju vienlaikus ar eksperimentu gaitu, kas palielina to skaidrību. Šādi modeļi ir īpaši vērtīgi, jo studentiem parasti ir ievērojamas grūtības konstruēt un lasīt grafikus.

Protams, datoru laboratorija nevar aizstāt reālu fizisko laboratoriju. Taču, veicot datorlaboratorijas darbus, ir nepieciešamas noteiktas prasmes, kas raksturīgas arī reālam eksperimentam – sākuma nosacījumu izvēle, eksperimenta parametru iestatīšana u.c.

Liels skaits datoru modeļu visā skolas fizikas kursā ir iekļauti uzņēmuma izstrādātajos multivides kursos " Fizika ": "Physics in Pictures", "Open Physics 1.1", "Open Physics 2.0", "Open Astronomy 2.0" un "Open Chemistry 2.0". Šo datorkursu galvenā atšķirīgā iezīme ir daudzie datoru modeļi - unikālas un oriģinālas izstrādes. kurus lietotāji daudzās valstīs ir augstu novērtējuši (Ņemiet vērā, ka ievērojams skaits modeļu atrodas arī Open College tīmekļa vietnē: http://www.college.ru/).

Uzņēmuma Physikon izstrādātie datoru modeļi viegli iekļaujas stundā un ļauj skolotājam organizēt jaunus, netradicionālus veidus izglītojošas aktivitātes studenti. Šeit ir trīs šādu darbību piemēri:

• 1. Problēmu risināšanas nodarbība, kam seko datortests. Skolotājs piedāvā skolēniem stundā vai kā mājasdarbu patstāvīgi risināt individuālus uzdevumus, kuru pareizību var pārbaudīt, veicot datoreksperimentus. Pašpārbaude iegūtie rezultāti, izmantojot datoreksperimentu, vairo skolēnu izziņas interesi, kā arī padara viņu darbu radošu, un bieži vien to savā būtībā tuvina zinātniskiem pētījumiem. Rezultātā daudzi skolēni sāk nākt klajā ar savām problēmām, tās risināt un pēc tam, izmantojot datormodeļus, pārbauda savu argumentāciju pareizību. Skolotājs var apzināti mudināt skolēnus iesaistīties šādās aktivitātēs, nebaidoties, ka viņam būs jāatrisina kaudze skolēnu izdomātu problēmu, kurām parasti nepietiek laika. Turklāt skolēnu apkopotās problēmas var izmantot mācību stundās vai piedāvāt citiem studentiem patstāvīgai studijai mājasdarbu veidā.
• 2. Nodarbība - izpēte. Skolēni tiek aicināti patstāvīgi veikt nelielu pētījumu, izmantojot datormodeli un iegūt nepieciešamos rezultātus. Turklāt daudzi modeļi ļauj veikt šādu pētījumu burtiski dažu minūšu laikā. Protams, skolotājs palīdz skolēniem plānošanas un eksperimentu posmā.
• 3. Nodarbība - datoru laboratorijas darbs. Lai vadītu šādu nodarbību, ir jāizstrādā atbilstoši izdales materiāli. Uzdevumi laboratorijas darbu formās jāsakārto pieaugošā sarežģītības secībā. Sākumā ir jēga piedāvāt vienkāršus ievaduzdevumus un eksperimentālus uzdevumus, pēc tam skaitļošanas uzdevumus un visbeidzot radošus un pētnieciskus uzdevumus. Atbildot uz jautājumu vai risinot uzdevumu, skolēns var veikt nepieciešamo datoreksperimentu un pārbaudīt savas idejas. Aprēķinu uzdevumus ieteicams vispirms atrisināt tradicionālā veidā uz papīra un pēc tam veikt datoreksperimentu, lai pārbaudītu iegūtās atbildes pareizību. Atzīmēsim, ka radošie un pētnieciskie uzdevumi būtiski palielina skolēnu interesi par fizikas studijām un ir papildus motivējošs faktors. Šī iemesla dēļ pēdējo divu veidu nodarbības ir tuvākas ideālam, jo ​​skolēni zināšanas iegūst patstāvīgā radošā darba procesā, jo ir nepieciešamas zināšanas, lai iegūtu konkrētu rezultātu, kas redzams datora ekrānā. Skolotājs šajos gadījumos ir tikai palīgs radošajā zināšanu apguves procesā.

^^ 1 ELEKTRONISKI MĀCĪBU RESURSI:

>> ATTĪSTĪBA UN PIELIETOŠANAS METODES APMĀCĪBĀ

UDK 004,9 BBK 420,253

JĀ. Antonova

FIZISKĀ EKSPERIMENTA INTERAKTĪVO APMĀCĪBAS MODEĻU IZSTRĀDES PRINCIPI, IZMANTOJOT MAKSIMĀLI REĀLISTU INTERFESES TEHNOLOĢIJU

Apskatīts skolēnu projektu aktivitāšu saturs, lai izstrādātu skolas fiziskā eksperimenta interaktīvos modeļus, kas realizēti reālistiskākā saskarnes tehnoloģijā. Tiek noteikti šāda veida modeļu projektēšanas pamatprincipi: eksperimentālā uzstādījuma un tā funkcionalitātes reālistiska vizualizācija, darbību kvazireālisms ar uzstādījuma elementiem un pētāmajiem fiziskajiem objektiem, nodrošinot augstu modeļa interaktivitātes līmeni un tā scenāriju risinājumu atbilstība eksperimentālo pētījumu metodoloģijai, fokuss uz studentu vispārināto prasmju attīstīšanu darbā ar datormodeli. Ir pamatota metodoloģiskās un tehnoloģiskās pieejas attiecību nozīme izglītības interaktīvo modeļu izstrādē.

Atslēgvārdi: fizikas mācība, fiziskais eksperiments, eksperimentālās prasmes, interaktīvais modelis, fizikālā eksperimenta izglītojošo modeļu projektēšanas principi

Fizikas kursa apguvei vidusskolā jābalstās uz daudziem novērojumiem un eksperimentiem (gan demonstrācijām, gan laboratorijām). Eksperimentu veikšana ļauj studentiem uzkrāt sistematizēšanai un jēgpilnai vispārināšanai pietiekamu faktu materiāla apjomu un apgūt nepieciešamās praktiskās iemaņas. Empīriskās zināšanas, kas iegūtas novērojumos un eksperimentos, veido nepieciešamo pamatu turpmākai teorētiskai izpratnei par pētāmo dabas parādību būtību.

Diemžēl empīrisko zināšanu posms, kas saistīts ar eksperimentu veikšanu, vidusskolā ir ļoti ierobežots laikā. Neliels ir arī skolēnu veikto atbilstošo praktisko darbu apjoms (demonstrācijas fizikas eksperiments galvenokārt ir darbs “skolotāja rokās”, laboratorijas eksperimenti ir maz, un mājas eksperimentus skolotāji iekļauj mācību saturā reti). Šo situāciju negatīvi ietekmē arī mūsdienu tehnoloģiskā vide. Tas neveicina skolēnus vērot dabas parādības un pētīt to rašanās īpatnības. “Iemesls tam ir “iepakojums”

© Antonova D.A., 2017

šīs parādības par sarežģītām tehniskām ierīcēm, kas mūs rūpīgi ieskauj un nemanāmi apmierina mūsu vajadzības un intereses.

Virtuālās vides resursi uzskatāmi par nozīmīgu papildus instrumentu studentu apmācībai eksperimentālo pētījumu metodoloģijas jomā. Pirmkārt, uzmanība jāpievērš videomateriālu (hroniku, iestudēto) bāzes pilnveidošanai un paplašināšanai, kas saistīti ar pilna mēroga fiziskajiem eksperimentiem (novērojumiem un eksperimentiem). Reālistisks videomateriāls palīdz paplašināt studentu empīriskos redzeslokus, padara fiziskās zināšanas kontekstuālas un atbilstošas ​​praksē. Mācībā noderīgas ir fotogrāfijas un statiskās un interaktīvas datorgrafikas objekti, kas atklāj dažādu fizisko eksperimentu saturu un posmus. Nepieciešams izstrādāt izglītojošas animācijas, kas ilustrē pētāmo parādību īpatnības, kā arī dažādu tehnisko objektu, tajā skaitā fizisko ierīču, darbību.

Īpaši interesants objekts ir virtuālās vides objekti, kas simulē lietotāja izglītojošu fizisko pieredzi un praktiskas darbības ar instrumentiem un materiāliem tās īstenošanai. Šīs mācību vides unikālo funkciju komplekss (inteliģence, modelēšana, interaktivitāte, multivide, komunikācija, produktivitāte) ļauj izstrādātājiem izveidot šos objektus augstā kvalitātes līmenī. Izglītības tirgū ir ļoti pieprasīti fizisko eksperimentu interaktīvie izglītojošie modeļi, tāpēc tie ir jāveic pastāvīgs darbs aizpildīt priekšmetu vidi ar šāda veida modeļiem.

Fizisko eksperimentu virtuālo modeļu veidošanas pieejas un to pirmās ieviešanas iespējas aizsākās 2000. gadu sākumā. Šajā periodā šādi modeļi, kā likums, bija vienkārša animācija dabiski fizikāli procesi vai fizikāla eksperimenta veikšanas posmi to pētīšanai. Vēlāk parādījās modeļi ar pogu animētu interfeisu, kas ļauj lietotājam mainīt modeļa parametrus un novērot tā uzvedību. Drīz vien parādību ārējo pazīmju vizualizāciju sāka papildināt ar to rašanās mehānismu vizualizāciju, lai ilustrētu vienas vai otras fizikālās teorijas nosacījumus, kas šīs parādības izskaidro. Fizisko eksperimentu vizuālā attēlojuma iezīme virtuālajā vidē šajā periodā bija tā pietiekami shematiskais raksturs. Svarīgi atzīmēt, ka fiziskā eksperimenta shematisko modeļu analogu izmantošana mācībā ir pieņemama galvenokārt vidusskolēniem, jo ​​viņiem ir pietiekami attīstīta abstraktā domāšana un pieredze pilna mēroga eksperimentālo pētījumu veikšanā. Sākotnējā fizikas kursa apguves posmā darbs ar šādiem virtuālās vides objektiem lielākajai daļai studentu ir ļoti grūts un bieži noved pie nepareizu priekšstatu veidošanās par dabas parādību būtību, kā arī pie nepilnīgi adekvātas uztveres par dabas parādībām. to eksperimentālās izpētes metodes. Izglītības modeļu shematiskais raksturs un tradicionālais logu darbības veids, kā kontrolēt to uzvedību (dažādu veidu pogas, saraksti, ritjoslas utt.), noteikti var tikt attiecināta uz to pieprasījuma trūkuma un zemās lietošanas efektivitātes iemeslu grupu. masu izglītības praksē.

Jaunā gadsimta pirmās desmitgades vidū tika aktīvi uzlabota izglītības modeļu pogu animācijas saskarnes struktūra un funkcionalitāte. Modeļu datubāze ar stingri noteiktiem darba scenārijiem (sastāva un darbību secības ziņā) sāka papildināties ar jauniem modeļiem, kas ļauj studentiem patstāvīgi izvirzīt mērķus un noteikt rīcības plānu to sasniegšanai. Tomēr diezgan revolucionāras izmaiņas šāda veida izglītības modeļu izstrādes praksē vietējā izglītībā notika tikai 2000. gadu beigās. Pateicoties virtuālās modelēšanas tehnoloģiju attīstībai, radās iespēja reproducēt fiziskus objektus 3D formātā virtuālajā vidē un līdz ar “drag & dshp” procedūras iekļaušanu virtuālajā vidē radās idejas par studenta darbības modeli ar virtuālo. objekti sāka mainīties. Attīstība gāja tajā virzienā, lai nodrošinātu darbību kvazireālismu ar šiem objektiem. Šie atjauninājumi bija īpaši nozīmīgi izglītības fizikas eksperimentu interaktīvu modeļu izstrādei. Kļuva iespējams ieviest gandrīz dabisku veidu, kā kontrolēt virtuālās eksperimentālās iestatīšanas elementus, kā arī eksperimenta gaitu kopumā. Pateicoties “drag&dshp” tehnoloģijai, datora pele un tastatūra faktiski sāka pildīt eksperimentētāja “rokas” funkcijas. Interaktīvs 3D eksperiments ar kvazireālistisku eksperimenta vadības procesu (pārvietošana, rotēšana, rotēšana, presēšana, berze, formas maiņa utt.) tika noteikts kā jauns etalons uz objektu balstītu virtuālās vides objektu projektēšanā. Tās priekšrocības kā ievērojami augstākas kvalitātes izglītības programmai bija nenoliedzamas.

Ir svarīgi atzīmēt, ka ar nelielu nobīdi notiek datorgrafikas uzlabošanas process fizisko eksperimentu modeļu attēlošanā. Tas galvenokārt ir saistīts ar augstajām darbaspēka izmaksām, veicot šādu darbu. Zemais datorgrafikas līmenis, viena vai otra objektu attēlu un to reālo analogu neatbilstības pakāpe negatīvi ietekmē studentu procedūru vienā mācību vidē iegūtās zināšanas un prasmes pārnest uz objektiem citā vidē (no reālā uz virtuālo un vice). otrādi). Nevar noliegt, ka datora modeļa reālismam var būt un tam vajadzētu būt zināmā mērā ierobežotam. Tomēr ir nepieciešams virtuālajā vidē izveidot viegli “atpazīstamus attēlus” no reāliem izglītības objektiem, kas tiek izmantoti pilna mēroga fizisko eksperimentu veikšanā. Katru šādu objektu ir svarīgi attēlot, ņemot vērā tā nozīmīgās ārējās pazīmes un eksperimentā realizētās funkcijas. Laboratorijas uzstādīšanas reālistiskas vizualizācijas kombinācija ar gandrīz reālistiskām eksperimentētāja darbībām rada sava veida virtuālā realitāte eksperimentālo pētījumu un būtiski palielina studenta darba didaktisko efektu virtuālajā vidē.

Ir acīmredzams, ka, ņemot vērā pašreizējo IT rīku un aparatūras tehnoloģiju attīstības līmeni, virtuālās realitātes elementus izglītības eksperimentālajās studijās drīzumā nomainīs pati virtuālā realitāte kā tāda. Agri vai vēlu izglītības procesam skolā un augstskolā pietiekamā daudzumā tiks izveidoti interaktīvo fizisko eksperimentu 3D modeļi. Fizikālās laboratorijas 3D modelis, kas realizēts virtuālajā vidē ar reālistisku laboratorijas iekārtu vizualizāciju pētījumu veikšanai un spēju veikt gadījumam reālistiskas eksperimentālas darbības un operācijas ir efektīvs papildu līdzeklis zināšanu, prasmju un iemaņu attīstīšanai studentos attiecīgajā jomā. metodoloģiju

eksperimentālie pētījumi. Tomēr jāatceras, ka virtuālā realitāte ir piepildīta ar objektiem, kas nesadarbojas ar ārpasauli.

Jau tagad tiek mēģināts izstrādāt jaunas paaudzes modeļus izglītojošiem fiziskiem eksperimentiem. Interaktīvas fizisko eksperimentu laboratorijas izveide, kas realizēta virtuālās realitātes tehnoloģijā, programmatūras ziņā un Aparatūrašī procesa un faktiskā produkta ražošana ir ļoti darbietilpīga un dārga darbība. Tajā pašā laikā ir pilnīgi skaidrs, ka, attīstoties virtuālās vides objektu veidošanas tehnoloģijām un šīm tehnoloģijām kļūstot pieejamām plašam autoru un izstrādātāju lokam, šī problēma zaudēs savu aktualitāti.

Pašlaik, pateicoties rašanos atvērta piekļuve bezmaksas (lai gan ar ierobežotu funkcionalitāti) modernās versijas programmatūra Jau ir kļuvusi iespējama virtuālās vides objektu dinamiskā 3D modelēšana, kā arī izglītojošu objektu izveide, izmantojot paplašinātās realitātes un jauktās (hibrīdās) realitātes tehnoloģijas (jeb, citiem vārdiem sakot, paplašināto virtualitāti). Piemēram, pēdējā gadījumā uz reālas darbvirsmas tiek projicēti interaktīvi 2,5D modeļi (ar pseido-3D efektu) vai faktiskie izglītības objektu 3D modeļi. Šajā gadījumā ievērojami palielinās reālisma ilūzija studenta veiktajā virtuālajā darbā.

Nepieciešamība radīt jaunas paaudzes izglītības modeļus, ko raksturo augsts interaktivitātes līmenis un reālistiskākais interfeiss, nosaka to izstrādes un izstrādes metodisko aspektu apspriešanas nozīmi. Šai diskusijai jābalstās uz šo modeļu mērķi izglītības procesā, proti: 1) skolēni iegūst nepieciešamo izglītojošo informāciju par pētāmajiem fiziskajiem objektiem un procesiem virtuālajā vidē; 2) eksperimentālā pētījuma metodoloģijas elementu (tās posmu, darbību un individuālo darbību) apgūšana, metodisko zināšanu nostiprināšana un prasmju attīstīšana, veidojot nepieciešamo to vispārināšanas līmeni; 3) nodrošināt adekvātu iegūto zināšanu un prasmju pārnesi, pārejot no dabas vides dabas objektiem uz virtuālās vides modelēšanas objektiem (un otrādi); 4) sekmēt studentu priekšstatu veidošanos par datormodelēšanas lomu zinātniskajās zināšanās un vispārinātās prasmes darbā ar datormodeļiem.

Modeļa fiziskā eksperimenta īstenošana virtuālajā mācību vidē jāveic, ņemot vērā mūsdienu izglītības tehnoloģijas mācību priekšmeta un metapriekšmeta zināšanu, specifisko un vispārināto prasmju (gan priekšmeta, gan metapriekšmeta vispārināšanas līmeņu), universālo mācību aktivitāšu, kā arī IKT kompetenču veidošana. Lai sasniegtu šo mērķi, autoram-izstrādātājam vai fiziskā eksperimenta modeļu veidošanā iesaistīto speciālistu grupai ir jābūt atbilstošām metodiskajām zināšanām. Norādīsim šo zināšanu jomas:

Aprīkojums skolas fizikas kabinetam;

Prasības laboratorijas un demonstrācijas fizikālajiem eksperimentiem;

Ar fiziskā eksperimenta veikšanu saistīto izglītojošo darbību struktūra un saturs;

Studentu eksperimentālo prasmju attīstīšanas metodika;

IKT rīku izmantošanas virzieni un metodes, veicot eksperimentu;

Prasības fizisko eksperimentu interaktīvo izglītības modeļu izstrādei;

Metodika vispārināto prasmju un iemaņu attīstīšanai skolēnos strādāt ar datormodeļiem;

Izglītības eksperimentālo pētījumu organizēšana skolēniem virtuālajā vidē, pamatojoties uz datormodeļiem.

Pirmajā izstrādes posmā nepieciešams veikt modelējamā objekta pirmsprojektēšanas izpēti: izpētīt eksperimentā pētīto dabas parādību fiziskos pamatus; apsvērt līdzīga pilna mēroga eksperimenta (izglītojoša, zinātniska) izveides saturu un metodiku; noskaidrot aprīkojuma, instrumentu un materiālu sastāvu un īpašības tā ieviešanai; analizēt citu autoru radītās projektētās fiziskās pieredzes analogos modeļus (ja tādi ir), identificēt to priekšrocības un trūkumus, kā arī iespējamās pilnveidojamās jomas. Ir svarīgi galu galā noteikt eksperimentālo prasmju sastāvu, kas būtu jāattīsta studentiem, pamatojoties uz veidojamo modeli.

Tālāk tiek izstrādāts modeļa darba loga saskarnes projekts, kas nosaka visus statiskos un interaktīvos elementus, kā arī to funkcionalitāti. Interfeisa dizaina pamatā ir fizisko zināšanu un izglītojošo darbību metodiskie modeļi, kas pedagoģijas zinātnē tiek pārstāvēti ar vispārinātiem plāniem: fiziska parādība (objekts, process), eksperimentāla izpēte un tās atsevišķo posmu īstenošana, izglītības instrukciju izstrāde, darbs. ar datora modeli.

Izglītības eksperimenta modeļa faktiskā izstrāde tiek veikta, pamatojoties uz informācijas attēlošanas un apstrādes tehnoloģijām, vidi un programmēšanas valodām, kas izvēlētas katram atsevišķam gadījumam.

Pēc darba pabeigšanas modelis tiek pārbaudīts un pilnveidots. Svarīgs posms ir virtuālā modeļa pārbaude reālajā izglītības procesā, lai pārbaudītu tā didaktisko efektivitāti.

Formulēsim vispārīgākos principus fizisko eksperimentu interaktīvo izglītības modeļu izstrādei, izmantojot reālistiskākā saskarnes tehnoloģiju.

1. Reālistiska eksperimentālās iekārtas vizualizācija (pētāmais objekts, tehniskās ierīces, ierīces un instrumenti). Uz virtuālās laboratorijas galda tiek novietots pilna mēroga instalācijas vizuālais analogs modeļa eksperimenta veikšanai. Vairākos īpašos gadījumos var izveidot reālistisku eksperimenta lauka apstākļu modeli. Jebkuras vizualizācijas detalizācijas pakāpe ir jāpamato. Galvenie kritēriji šajā gadījumā ir tās ārējā tēla elementi un funkcionalitātes pamatelementi, kas ir būtiski instalācijas adekvātai uztverei. Lai iegūtu reālistisku attēlu, vēlams fotografēt eksperimentālo uzstādījumu un tās atsevišķas daļas, eksperimentā pētīto objektu, kā arī eksperimentam nepieciešamo instrumentu un materiālu fotogrāfijas. Aptaujas īpatnības nosaka izvēlētā tehnoloģija objektu modelēšanai virtuālajā vidē (2D vai 3D modelēšana). Dažos gadījumos var būt nepieciešams vizualizēt ierīces iekšējo struktūru. Pirms attēlu iekļaušanas modeļa saskarnē, kā likums, tie ir nepieciešami papildu apstrāde izmantojot dažādus redaktorus.

2. Eksperimentā pētāmās instalācijas funkcionalitātes un fizikālās parādības reālistiska modelēšana. Šīs prasības izpilde ir saistīta ar rūpīgu pilna mēroga eksperimenta gaitas analīzi, katra eksperimentālā iestatījuma elementa funkcionalitātes izpēti un tajā reproducētās fiziskās parādības procesa analīzi. Ir nepieciešamo attīstību eksperimentālā uzstādījuma funkcionālo komponentu fizikālie un matemātiskie modeļi, kā arī eksperimentā pētītie objekti un procesi.

3. Studenta darbību kvazireālisms ar eksperimentālā uzstādījuma elementiem un pētāmajiem fiziskajiem objektiem. Fiziskā eksperimenta modelim jāļauj studentiem izpētīt fiziskas parādības reālistiskās manipulācijās ar virtuālo aprīkojumu un noteikt to rašanās modeļus. Attēlā 1 parādīts šāda modeļa piemērs (“”, 7. klase).

Rīsi. 1. Interaktīvs modelis “Spēku līdzsvars uz sviras” (studentu projekts E.S. Timofejevs, PGGPU, Perma, 2016. g. klase)

Šī modeļa darba laukā ir demonstrācijas svira ar pakaramiem un balansēšanas uzgriežņiem, kā arī sešu atsvaru komplekts pa 100 g.. Students, kas izmanto “velk” tehnoloģiju un nomet", var: 1) līdzsvarot sviru, atskrūvējot vai pievelkot balansēšanas uzgriežņus ar bīdāmām kustībām gar to galiem (uz augšu, uz leju); 2) secīgi piekarināt kravas no pakaramajiem; 3) pārvietot balstiekārtas ar atsvariem, lai svira nonāktu līdzsvarā; 4) noņemiet atsvarus no sviras un atgrieziet tos konteinerā. Eksperimenta laikā skolēni aizpilda uz tāfeles uzrādīto tabulu “Spēku līdzsvars uz sviras” (skat. 1. att.). Ņemiet vērā, ka modelis atveido reālistisku sviras uzvedību, ja tiek traucēts līdzsvars. Katrā šādā gadījumā svira kustas ar pieaugošu ātrumu.

Attēlā 2. attēlā parādīts cits izglītības modelis (“Ķermeņu elektrifikācija”, 8. klase). Strādājot ar šo modeli, skolēns var veikt vienus un tos pašus uzdevumus, izmantojot drag&drop tehnoloģiju.

eksperimentālas darbības, tāpat kā pilna mēroga instalācijā. Modeļa darba laukā var izvēlēties jebkuru no elektrificētajiem kociņiem (ebonīts, stikls, organiskais stikls vai blīvējuma vasks, misiņš) un elektrificēt to ar berzi pret kādu no materiāliem, kas atrodas uz galda (kažokāda, gumija, papīrs vai zīds). Nūjas elektrifikācijas pakāpe berzes ilguma dēļ var būt atšķirīga. Pievelkot nūju pie elektrometra vadītāja, tā adata tiek novirzīta (elektrifikācija ietekmē). Adatas novirzes lielums ir atkarīgs no nūjas elektrifikācijas pakāpes un attāluma līdz elektrometram.

Rīsi. 2. Modelis “Virsbūvju elektrifikācija”. Modeļa eksperimenta iestatīšana:

a) demonstrācijas “makrolīmenis”; b) demonstrācijas “mikrolīmenis” (studentu projekts A.A. Vasiļčenko, PGGPU, Perma, 2013. gada klase)

Elektrometru var uzlādēt, pieskaroties nūjai. Kad to pašu elektrificēto nūju pēc tam nogādā no tā uzlādētā elektrometra, adatas novirze palielinās. Kad šim elektrometram tiek pievilkta kociņa ar citas zīmes lādiņu, adatas novirze samazinās.

Izmantojot šo modeli, varat parādīt, kā uzlādēt elektrometru, pieskaroties “virtuālajai rokai”. Lai to izdarītu, blakus vadītājam tiek novietota elektrificēta nūja, kas tiek noņemta pēc tam, kad vadītāja “roka” pieskaras elektrometram. Pēc tam ir iespējams noteikt šī elektrometra lādiņa zīmi, izmantojot elektrifikāciju, izmantojot ietekmi.

Interaktīvs ķermeņu elektrifikācijas (ietekmes, pieskāriena) demonstrācijas eksperimenta modelis ļauj reālistisku manipulāciju režīmā ar virtuālo aprīkojumu izpētīt elektrificēto ķermeņu mijiedarbību un izdarīt secinājumu par divu veidu lādiņu esamību ( i., par “stiklu” un “sveķu” elektrību vai, tāpat kā tērauds, runāsim vēlāk par pozitīvajiem un negatīvajiem elektriskajiem lādiņiem).

4. Parādības mehānisma vizualizācija. Šī principa īstenošana tiek veikta, kad rodas nepieciešamība izskaidrot studentiem pētāmās parādības teorijas pamatus. Parasti tās ir virtuālas idealizācijas. Ir svarīgi komentēt šādas idealizācijas nosacījumus modeļa palīdzībā. Jo īpaši iepriekš minētajā korpusu elektrifikācijas modelī

Tika uzsākta “mikrolīmeņa” demonstrācija (2.b att.). Uzsākšanas laikā šis līmenis tiek parādīta uzlādes zīme atsevišķi elementi elektrometrs un šī lādiņa nosacītā vērtība (jo uz katra elektrometra elementa ir lielāks vai mazāks “+” un “-” zīmju skaits). Darbs “mikrolīmeņa” režīmā ir vērsts uz to, lai, balstoties uz priekšstatiem par matērijas uzbūvi, palīdzētu studentam izskaidrot novērotās ķermeņu elektrifikācijas sekas.

5. Modeļu interaktivitātes augsta līmeņa nodrošināšana. Darbā aprakstīti iespējamie izglītības modeļu interaktivitātes līmeņi. Izstrādājot fiziskā eksperimenta modeļus ar reālistiskāko saskarni, ieteicams koncentrēties uz augstu interaktivitātes līmeni (trešais, ceturtais), nodrošinot studentiem pietiekamu darbības brīvības pakāpi. Modelim jāļauj gan vienkāršiem scenāriju risinājumiem (strādāt pēc instrukcijām), gan studentiem patstāvīgi plānot eksperimenta mērķi un gaitu. Darbības neatkarību nodrošina patvaļīga objektu un izpētes apstākļu izvēle piedāvātajā diapazonā, kā arī daudzveidīgas darbības ar modeļa elementiem. Jo plašāki šie diapazoni, jo studentiem kļūst neparedzamāks gan pētījuma process, gan tā rezultāti.

6. Izglītības pasākumu modeļu ieviešana. Novērošanas un eksperimentālās pētniecības darbības struktūra metodoloģiskajā zinātnē tiek attēlota ar vispārinātiem plāniem. Visi fiziskā eksperimenta reālistiskā modeļa saskarnes elementi un to funkcionalitāte ir jāizstrādā, ņemot vērā šos plānus. Tie ir vispārināti plāni fiziskā eksperimenta veikšanai un atsevišķām darbībām tā ietvaros (iekārtu izvēle, eksperimenta plānošana, mērījumi, dažāda veida tabulu projektēšana, funkcionālās atkarības grafiku konstruēšana un analīze, secinājumu formulēšana), kā arī vispārināti. fizikālo parādību un tehnisko objektu izpētes plāni. Šī modeļa izstrādes pieeja ļaus studentiem pilnībā un metodoloģiski kompetenti strādāt ar virtuālo eksperimentālo iestatījumu. Darbs ar modeli šajā gadījumā veicinās studentu vispārināto prasmju attīstību fizisko eksperimentu veikšanā.

Interaktīvie modeļi, kas izgatavoti visreālākā interfeisa tehnoloģijā, parasti ir paredzēti studentiem pilnvērtīgu laboratorijas darbu veikšanai. Modeļa kvazireālisms un tā funkcionalitātes atbilstība eksperimentālā pētījuma saturam un struktūrai galu galā nodrošina diezgan vieglu studentu virtuālajā vidē iegūto zināšanu un prasmju pārnesi uz reālu laboratorijas vidi. To nodrošina fakts, ka virtuālā eksperimenta laikā reālajai vizuāli un funkcionāli pietuvinātā vidē skolēni veic sev ierastās darbības: iepazīstas ar mācību aprīkojumu, atsevišķos gadījumos to izvēlas un saliek eksperimentālu uzstādījumu. (pilnīgs vai daļējs), veic eksperimentu (nodrošina nepieciešamo “ietekmi” uz pētāmo objektu, paņem instrumentu rādījumus, aizpilda datu tabulas un veic aprēķinus), un pēc eksperimenta pabeigšanas formulē secinājumus. Prakse rāda, ka skolēni pēc tam diezgan veiksmīgi skolas laboratorijā veic līdzīgus darbus ar tiem pašiem instrumentiem.

7. Modeļa izstrāde un izstrāde, ņemot vērā vispārināto plānu studentu darbam ar datormodeli. Darbos tiek prezentēts vispārējs plāns darbam ar datormodeli. No vienas puses, šāds plāns nosaka lietotāja galvenās darbības no jebkuras

modelis, to pētot, savukārt tajā izklāstītais darba posmu saturs modeļa izstrādātājam parāda, kādi interfeisa elementi ir jāveido, lai nodrošinātu tā interaktivitātes augstu līmeni un nepieciešamo didaktisko efektivitāti.

Izglītojošais darbs ar interaktīviem modeļiem, kas izstrādāti uz šī principa pamata, nodrošina atbilstošu vispārināto prasmju veidošanos skolēnos, ļaujot pilnībā novērtēt modelēšanas kā izziņas metodes skaidrojošo un paredzamo spēku.

Ņemiet vērā, ka šo vispārīgo plānu ieteicams izmantot, izstrādājot instrukcijas virtuālajam laboratorijas darbam. Darbā ir dota apmācības instrukciju sagatavošanas kārtība, pamatojoties uz šādu plānu.

8. Modulārais mācību materiālu veidošanas princips studentu patstāvīgā darba organizēšanai ar datormodeļiem. Ir ieteicams iekļaut interaktīvu fiziskā eksperimenta modeli kā daļu no apmācības moduļa, kas definē relatīvi pabeigtu mācību ciklu (3. att.) (prezentācija izglītojošs materiālsīsas teorētiskas un vēsturiskas informācijas veidā (4. att.); praktizēt studentu zināšanas un prasmes, pamatojoties uz modeli, grūtību gadījumā uzrādot darbību paraugus vai norādes uz darba laikā pieļautajām kļūdām (1. att.); mācību materiāla apguves rezultātu paškontrole, izmantojot interaktīvo testu (5. att.).

Izglītības un zinātnes ministrija Krievijas Federācija Permas Valsts humanitārās un pedagoģiskās universitātes Multimediju didaktikas katedra un informācijas tehnoloģijas Fizikas fakultāte

Sviras roka. Spēku līdzsvars uz sviras

Veselības ministrijas grupas students

Timofejevs Jevgeņijs Sergejevičs

uzraugs

Dr Led Neuk, profesors

Ospeņņikova Jeļena Vasiļjevna

Rīsi. 3. Interaktīvais apmācības modulis “Spēku līdzsvars uz sviras”: nosaukums un satura rādītājs (studentu projekts E.S. Timofejevs, PGGPU, Perma)

Sviras roka. Spēku līdzsvars uz sviras

Svira ir stingrs korpuss, kas var griezties ap fiksētu balstu.

1. attēlā parādīta svira, kuras griešanās ass O (balstpunkts) atrodas starp spēku A un B pielikšanas punktiem. 2. attēlā parādīta šīs sviras diagramma. Spēki p1 un, kas iedarbojas uz sviru, ir vērsti vienā virzienā.

Sviras roka. Spēku līdzsvars uz sviras

¡Svira ir līdzsvarā, kad uz to iedarbojas pretēji spēki; proporcionāls šo spēku bruņojumam.

Šo noteikumu var uzrakstīt formulas veidā:

I¡^ kur р1 un Рг ir spēki,

Darbojoties uz sviras, "2 b un \r ir šo spēku pleci.

Sviras līdzsvara likumu iedibināja sengrieķu zinātnieks Arhimēds - fiziķis, matemātiķis un izgudrotājs.

Rīsi. 4. Interaktīvs apmācības modulis “Spēku līdzsvars uz sviras”: teorētiskā informācija(studenta E.S. Timofejeva projekts, PGGPU, Perma)

Kurš no parādītajiem instrumentiem neizmanto sviru?

1) cilvēks pārvieto kravu #

3) skrūve un uzgrieznis

2) auto pedālis

4) šķēres

Rīsi. 5. Interaktīvs apmācības modulis “Spēku līdzsvars uz sviras”: paškontroles tests (studentu projekts E.S. Timofejevs, PGGPU, Perma)

Interaktīvais modelis ir moduļa galvenā daļa, pārējām tā daļām ir pavadošs raksturs.

Virtuālā eksperimenta īstenošanas laikā tiek veikta nepārtraukta studentu darba rezultātu uzraudzība. Nepareizām “eksperimentētāja” darbībām vajadzētu izraisīt pētāmā fiziskā objekta vai laboratorijas iekārtas reālu “reakciju”. Dažos gadījumos šo reakciju var aizstāt ar uznirstošo logu īsziņa, kā arī audio vai video signāliem. Vēlams pievērst studentu uzmanību aprēķinos un eksperimentālo datu tabulu aizpildīšanā pieļautajām kļūdām. Ir iespējams saskaitīt izpildītās kļūdainās darbības un uzrādīt studenta komentāru darba beigās, pamatojoties uz tā rezultātiem.

Modulī ir jāorganizē ērta navigācija, nodrošinot, ka lietotājs var ātri pārvietoties uz dažādiem tā komponentiem.

Iepriekš minētie fiziskā eksperimenta interaktīvo izglītības modeļu izstrādes principi ir pamatprincipi. Iespējams, attīstoties virtuālās vides objektu veidošanas tehnoloģijām un šo objektu pārvaldības metodēm, var tikt skaidrībā šo principu sastāvs un saturs.

Iepriekš formulēto principu ievērošana nodrošina augstas didaktiskās efektivitātes interaktīvu izglītības modeļu izveidi. Fiziskā eksperimenta modeļi, kas ieviesti visreālākā saskarnes tehnoloģijā, faktiski pilda simulatoru funkciju. Šādu simulāciju izveide ir ļoti darbietilpīga, taču šīs izmaksas ir diezgan pamatotas, jo rezultātā studentiem tiek nodrošināts plašs papildu eksperimentālās prakses lauks, kam nav nepieciešams īpašs loģistikas, organizatoriskais un metodiskais atbalsts. Eksperimentālā uzstādījuma vizualizācijas un funkcionalitātes reālisms, studentu darbību kvazireālisms ar tā elementiem veicina adekvātu priekšstatu veidošanos par empīriskā pētījuma reālo praksi. Izstrādājot šādus modeļus, zināmā mērā tiek ieviestas studentu izglītības darba vadīšanas tehnoloģijas (sistemātiska pieeja izglītības informācijas pasniegšanai un izglītojošo pasākumu organizēšanai, atbalsts patstāvīgam darbam ziņošanas par kļūdainām darbībām vai prezentācijas līmenī. (ja nepieciešams) izglītības instrukcijas, apstākļu radīšana sistemātiskai paškontrolei un izglītības materiāla apguves līmeņa pieejamības gala kontrolei).

Ir svarīgi atzīmēt, ka fiziskā eksperimenta interaktīvie modeļi nav paredzēti, lai aizstātu tā pilna mēroga versiju. Tā ir tikai vēl viena lieta didaktiskais instruments, kas izstrādāts, lai papildinātu līdzekļu un tehnoloģiju sistēmu studentu pieredzes veidošanai dabas parādību eksperimentālajā izpētē.

Bibliogrāfija

1. Antonova JĀ. Skolēnu projekta aktivitāšu organizēšana, lai izstrādātu interaktīvus izglītības modeļus fizikā vidusskolai // Dabaszinātņu, matemātikas un informātikas mācīšana augstskolās un skolās: krāj. materiāli X t.sk. zinātnisks - prakse. konf. (2017. gada 31. oktobris – 1. novembris). - Tomska: TSPU: 2017. - lpp. 77-82.

2. Antonova D.A., Ospeņņikova E.V. Pedagoģiskās universitātes studentu patstāvīgā darba organizācija produktīvas mācību tehnoloģijas pielietošanas apstākļos // Pedagoģiskā izglītība Krievijā. -2016. - Nr.10. - P. 43 - 52.

3. Bayandin D.V. Virtuālā mācību vide: sastāvs un funkcijas // Augstākā izglītība Krievijā. - 2011. - Nr.7. - lpp. 113-118.

4. Bajandins D.V., Muhins O.I. Modeļu darbnīca un interaktīvā problēmu grāmata fizikā, pamatojoties uz STRATUM-2000 sistēmu // Dators mācību programmas un inovācijas. - 2002. - Nr.3. - P. 28 - 37.

5. Ospeņņikovs N.A., Ospeņņikova E.V. Datoru modeļu veidi un izmantošanas virzieni fizikas mācīšanā // Tomskas Valsts pedagoģiskās universitātes biļetens. -2010. - Nr.4. - P. 118 - 124.

6. Ospeņņikovs N.A., Ospeņņikova E.V. Vispārēju pieeju veidošana darbam ar modeļiem studentu vidū // Dienvidu federālās universitātes ziņas. Pedagoģijas zinātnes. -2009. - Nr.12- lpp. 206-214.

7. Ospeņņikova E.V. IKT izmantošana fizikas mācīšanā vidusskolās: Rīku komplekts. - M.: Binoms. Zināšanu laboratorija. - 2011. - 655 lpp.

8. Ospeņņikova E.V. Virtuālās laboratorijas eksperimenta metodiskā funkcija // Informātika un izglītība. - 2002. - Nr.11. - 83.lpp.

9. Ospeņņikova E.V., Ospeņņikovs A.A. Datormodeļu izstrāde fizikā, izmantojot reālistiskākā saskarnes tehnoloģiju //Fizika sistēmā mūsdienu izglītība(FSSO - 2017): XIV starptautiskās konferences materiāli. konf. - Rostova n/d: DSTU, 2017. - lpp. 434-437.

10. Skvorcovs A.I., Fišmens A.I., Gendenšteins L.E. Multimediju mācību grāmata par fiziku vidusskolai // Fizika mūsdienu izglītības sistēmā (FSSO - 15): XIII starptautiskās mācību materiāli. konf. - Sanktpēterburga: Sanktpēterburgas izdevniecība. Valsts universitāte, 2015. - 159. - 160. lpp.

L. V. Pigaļicins,
, www.levpi.narod.ru, Pašvaldības izglītības iestādes 2. vidusskola, Dzeržinska, Ņižņijnovgorodas apgabals.

Datora fiziskais eksperiments

4. Skaitļošanas datoreksperiments

Skaitļošanas eksperimenta pagriezieni
neatkarīgā zinātnes jomā.
R.G.Efremovs, fizisko un matemātikas zinātņu doktors

Datora skaitļošanas eksperiments daudzējādā ziņā ir līdzīgs parastajam (pilna mēroga) eksperimentam. Tas ietver eksperimentu plānošanu, eksperimentālas sistēmas izveidi, kontroles testu veikšanu, eksperimentu sērijas veikšanu, eksperimentālo datu apstrādi, to interpretāciju utt. Tomēr tas tiek veikts nevis pār reālu objektu, bet gan uz tā matemātisko modeli; eksperimentālās iestatīšanas lomu spēlē aprīkots īpaša programma DATORS.

Arvien populārāka kļūst skaitļošanas eksperimentēšana. To praktizē daudzos institūtos un universitātēs, piemēram, Maskavas Valsts universitātē. M.V.Lomonosovs, MPGU, Citoloģijas un ģenētikas institūts SB RAS, Molekulārās bioloģijas institūts RAS uc Zinātnieki jau var iegūt svarīgus zinātniskus rezultātus bez reāla, “slapja” eksperimenta. Šim nolūkam ir ne tikai datora jauda, ​​bet arī nepieciešamie algoritmi un, pats galvenais, izpratne. Ja iepriekš viņi sadalīja - in vivo, in vitro, – tad tagad ir pievienots vairāk in silico. Faktiski skaitļošanas eksperiments kļūst par neatkarīgu zinātnes jomu.

Šāda eksperimenta priekšrocības ir acīmredzamas. Tas, kā likums, ir lētāks nekā dabīgs. To var viegli un droši iejaukties. To var atkārtot un pārtraukt jebkurā laikā. Šis eksperiments var simulēt apstākļus, kurus nevar izveidot laboratorijā. Tomēr ir svarīgi atcerēties, ka skaitļošanas eksperiments nevar pilnībā aizstāt pilna mēroga eksperimentu, un nākotne ir to saprātīgā kombinācijā. Skaitļošanas datoreksperiments kalpo kā tilts starp dabisko eksperimentu un teorētiskajiem modeļiem. Skaitliskās modelēšanas sākumpunkts ir aplūkojamās fiziskās sistēmas idealizēta modeļa izstrāde.

Apskatīsim vairākus skaitļošanas fizisko eksperimentu piemērus.

Inerces moments. Darbā “Atvērtā fizika” (2.6, 1. daļa) ir interesants skaitļošanas eksperiments, lai atrastu stingra ķermeņa inerces momentu, izmantojot sistēmas piemēru, kas sastāv no četrām bumbiņām, kas savērtas uz vienas adāmadatas. Jūs varat mainīt šo bumbiņu stāvokli uz adāmadatas, kā arī izvēlēties rotācijas ass pozīciju, izvelkot to gan caur adāmadatas centru, gan caur tās galiem. Katram lodīšu izvietojumam studenti aprēķina inerces momenta vērtību, izmantojot Šteinera teorēmu par griešanās ass paralēlo translāciju. Datus aprēķiniem nodrošina skolotājs. Pēc inerces momenta aprēķināšanas programmā tiek ievadīti dati un tiek pārbaudīti studentu iegūtie rezultāti.

"Melnā kaste". Lai īstenotu skaitļošanas eksperimentu, es un mani studenti izveidojām vairākas programmas elektriskās “melnās kastes” satura pētīšanai. Tajā var būt rezistori, kvēlspuldzes, diodes, kondensatori, spoles utt.

Izrādās, ka dažos gadījumos ir iespējams, neatverot “melno kasti”, noskaidrot tās saturu, pieslēdzot ieejai un izvadei dažādas ierīces. Protams, skolas līmenī to var izdarīt vienkāršam trīs vai četru termināļu tīklam. Šādi uzdevumi attīsta skolēnu iztēli, telpisko domāšanu un radošumu, nemaz nerunājot par to, ka to risināšana prasa dziļas un pamatīgas zināšanas. Tāpēc nav nejaušība, ka daudzās Vissavienības un starptautiskajās fizikas olimpiādēs kā eksperimentālas problēmas tiek piedāvāta “melno kastu” izpēte mehānikā, siltumā, elektrībā un optikā.

Speciālajos kursos es veicu trīs reālus laboratorijas darbus “melnajā kastē”:

– tikai rezistori;

– rezistori, kvēlspuldzes un diodes;

– rezistori, kondensatori, spoles, transformatori un svārstību ķēdes.

Strukturāli “melnās kastes” ir veidotas tukšās sērkociņu kastītēs. Kastes iekšpusē ir ievietots elektriskā shēma, un pati kastīte ir aizzīmogota ar lenti. Pētījumi tiek veikti, izmantojot instrumentus - avometrus, ģeneratorus, osciloskopus utt., jo Lai to izdarītu, jums ir jāizveido strāvas-sprieguma raksturlielums un frekvences reakcija. Studenti ievada instrumentu rādījumus datorā, kas apstrādā rezultātus un uzzīmē strāvas-sprieguma raksturlielumu un frekvences reakciju. Tas ļauj skolēniem noskaidrot, kuras daļas atrodas melnajā kastē, un noteikt to parametrus.

Veicot priekšējās līnijas laboratorijas darbu ar “melnajām kastēm”, grūtības rodas instrumentu un laboratorijas aprīkojuma trūkuma dēļ. Patiešām, lai veiktu pētījumus, ir nepieciešami, teiksim, 15 osciloskopi, 15 skaņas ģeneratori utt., t.i. 15 dārga aprīkojuma komplekti, kuru vairumam skolu nav. Un šeit palīgā nāk virtuālās “melnās kastes” - atbilstošās datorprogrammas.

Šo programmu priekšrocība ir tāda, ka pētījumus var veikt vienlaikus visa klase. Piemēram, apsveriet programmu, kas izmanto nejaušo skaitļu ģeneratoru, lai ieviestu “melnās kastes”, kurās ir tikai rezistori. Darbvirsmas kreisajā pusē ir “melnā kaste”. Tajā ir elektriskā ķēde, kas sastāv tikai no rezistoriem, kurus var novietot starp punktiem A, B, C Un D.

Studenta rīcībā ir trīs ierīces: barošanas avots (tā iekšējā pretestība tiek pieņemta vienāda ar nulli, lai vienkāršotu aprēķinus, un emf tiek nejauši ģenerēts programmā); voltmetrs (iekšējā pretestība ir bezgalība); ampērmetrs (iekšējā pretestība ir nulle).

Kad programma tiek palaista, “melnajā kastē” nejauši tiek ģenerēta elektriskā ķēde, kurā ir no 1 līdz 4 rezistoriem. Students var veikt četrus mēģinājumus. Pēc jebkura taustiņa nospiešanas viņam tiek lūgts jebkurā secībā savienot jebkuru no piedāvātajām ierīcēm ar “melnās kastes” spailēm. Piemēram, viņš pieslēdzās termināļiem AB strāvas avots ar EMF = 3 V (EMF vērtību programma ģenerēja nejauši, šajā gadījumā tā izrādījās 3 V). Uz termināļiem CD Pieslēdzu voltmetru, un tā rādījumi izrādījās 2,5 V. No tā jāsecina, ka “melnajā kastē” ir vismaz sprieguma dalītājs. Lai turpinātu eksperimentu, voltmetra vietā varat pievienot ampērmetru un nolasīt rādījumus. Šie dati acīmredzami nav pietiekami, lai atrisinātu noslēpumu. Tāpēc var veikt vēl divus eksperimentus: strāvas avots ir savienots ar spailēm CD, un voltmetrs un ampērmetrs - uz spailēm AB. Ar iegūtajiem datiem šajā gadījumā pietiks, lai atšķetinātu “melnās kastes” saturu. Skolēns uz papīra uzzīmē diagrammu, aprēķina rezistoru parametrus un rezultātus parāda skolotājam.

Skolotājs, pārbaudījis darbu, programmā ievada atbilstošo kodu, un uz darbvirsmas parādās ķēde, kas atrodas šajā “melnajā kastē”, un rezistoru parametri.

Programmu rakstīja mani studenti BASIC. Lai to palaistu Windows XP vai iekšā Windows Vista varat izmantot emulatora programmu DOS, Piemēram, DosBox. Varat to lejupielādēt no manas vietnes www.physics-computer.by.ru.

Ja “melnās kastes” iekšpusē ir nelineāri elementi (kvēlspuldzes, diodes utt.), Papildus tiešajiem mērījumiem būs jāveic strāvas-sprieguma raksturlielums. Šim nolūkam ir nepieciešams strāvas avots, spriegums, kura izejās var mainīt spriegumu no 0 uz noteiktu vērtību.

Lai pētītu induktivitātes un kapacitātes, ir nepieciešams noņemt frekvences reakciju, izmantojot virtuālo skaņas ģeneratoru un osciloskopu.

Ātruma selektors. Apskatīsim citu programmu no “Open Physics” (2.6, 2. daļa), kas ļauj veikt skaitļošanas eksperimentu ar ātruma selektoru masas spektrometrā. Lai noteiktu daļiņas masu, izmantojot masas spektrometru, ir jāveic iepriekšēja lādētu daļiņu atlase pēc ātruma. Šim nolūkam kalpo t.s ātruma selektori.

Vienkāršākajā ātruma selektorā lādētas daļiņas pārvietojas krustotos viendabīgos elektriskajos un magnētiskajos laukos. Starp plāksnēm tiek izveidots elektriskais lauks plakans kondensators, magnētiskais – elektromagnēta spraugā. sākuma ātrums υ lādētās daļiņas ir vērstas perpendikulāri vektoriem E Un IN .

Uzlādētu daļiņu iedarbojas divi spēki: elektriskais spēks q E un Lorenca magnētiskais spēks q υ × B . Noteiktos apstākļos šie spēki var precīzi līdzsvarot viens otru. Šajā gadījumā uzlādētā daļiņa pārvietosies vienmērīgi un taisni. Pēc izlidošanas caur kondensatoru daļiņa izies caur nelielu caurumu ekrānā.

Daļiņas taisnās trajektorijas stāvoklis nav atkarīgs no daļiņas lādiņa un masas, bet ir atkarīgs tikai no tās ātruma: qE = qυB→υ = E/B.

Datora modelī var mainīt elektriskā lauka intensitātes E, magnētiskā lauka indukcijas vērtības B un sākotnējais daļiņu ātrums υ . Ātruma atlases eksperimentus var veikt elektroniem, protoniem, alfa daļiņām un pilnībā jonizētiem urāna-235 un urāna-238 atomiem. Skaitļošanas eksperiments šajā datormodelī tiek veikts šādi: studenti tiek informēti par to, kura lādētā daļiņa ielido ātruma selektorā, elektriskā lauka intensitāti un daļiņas sākotnējo ātrumu. Studenti aprēķina magnētiskā lauka indukciju, izmantojot iepriekš minētās formulas. Pēc tam dati tiek ievadīti programmā un tiek novērots daļiņas lidojums. Ja daļiņa lido horizontāli ātruma selektora iekšpusē, tad aprēķini tiek veikti pareizi.

Sarežģītākus skaitļošanas eksperimentus var veikt, izmantojot bezmaksas pakotni "MODEL VISION for WINDOWS". Plastmasas maisiņš ModelVisionStudium (MVS) ir integrēts grafiskais apvalks ātra radīšana sarežģītu dinamisku sistēmu interaktīvi vizuālie modeļi un skaitļošanas eksperimentu veikšana ar tiem. Paketi izstrādāja Eksperimentālo objektu tehnoloģiju pētniecības grupa Izkliedētās skaitļošanas katedrā un datortīkli» Sanktpēterburgas Valsts tehniskās universitātes Tehniskās kibernētikas fakultāte. Brīvi izplatīts bezmaksas versija iepakojums MVS 3.0 ir pieejams vietnē www.expponenta.ru. Vides simulācijas tehnoloģija MVS ir balstīta uz virtuālās laboratorijas stenda koncepciju. Lietotājs uz stenda novieto simulētās sistēmas virtuālos blokus. Modeļa virtuālie bloki tiek atlasīti no bibliotēkas vai atkārtoti izveidoti lietotājam. Plastmasas maisiņš MVS ir paredzēts, lai automatizētu skaitļošanas eksperimenta galvenos posmus: pētāmā objekta matemātiskā modeļa konstruēšanu, ģenerēšanu programmatūras ieviešana modeļus, pētot modeļa īpašības un prezentējot rezultātus analīzei ērtā formā. Pētāmais objekts var piederēt nepārtrauktu, diskrētu vai hibrīdu sistēmu klasei. Pakete ir vislabāk piemērota sarežģītu fizisko un tehnisko sistēmu izpētei.

Kā piemērs Apskatīsim diezgan populāru problēmu. Ļaujiet materiālam punktam izmest noteiktā leņķī pret horizontālo plakni un absolūti elastīgi saskarties ar šo plakni. Šis modelis ir kļuvis gandrīz obligāts modelēšanas pakotņu demo komplektā. Patiešām, šī ir tipiska hibrīda sistēma ar nepārtrauktu uzvedību (lidojums gravitācijas laukā) un diskrētiem notikumiem (atlēcieniem). Šis piemērs ilustrē arī objektorientēto pieeju modelēšanai: atmosfērā lidojoša bumba ir bezgaisa telpā lidojošas bumbiņas pēctecis un automātiski pārmanto visas kopīgās iezīmes, vienlaikus pievienojot savas īpašības.

Pēdējais, pēdējais, no lietotāja viedokļa, modelēšanas posms ir skaitļošanas eksperimenta rezultātu prezentācijas formas aprakstīšanas posms. Tās var būt tabulas, grafiki, virsmas un pat animācijas, kas ilustrē rezultātus reāllaikā. Tādējādi lietotājs faktiski novēro sistēmas dinamiku. Punkti fāzu telpā, lietotāja zīmēti dizaina elementi var pārvietoties, krāsu shēma var mainīties, un lietotājs var uz ekrāna uzraudzīt, piemēram, apkures vai dzesēšanas procesus. Izveidotajās pakotnēs modeļa programmatūras ieviešanai ir iespējams nodrošināt īpašus logus, kas ļauj skaitļošanas eksperimenta gaitā mainīt parametru vērtības un uzreiz redzēt izmaiņu sekas.

Liels darbs pie fizisko procesu vizuālās modelēšanas MVS notika Maskavas Valsts pedagoģiskajā universitātē. Tur ir izstrādāti virkne virtuālu darbu vispārējās fizikas kursam, ko var saistīt ar reālām eksperimentālām instalācijām, kas ļauj vienlaicīgi uz displeja reāllaikā vērot gan reālā fiziskā procesa, gan reālā fiziskā procesa parametru izmaiņas. tā modeļa parametrus, skaidri parādot tā atbilstību. Kā piemēru es minu septiņus laboratorijas darbus par mehāniku no laboratorijas darbnīcas atvērtās izglītības interneta portālā, kas atbilst esošajiem valsts izglītības standartiem specialitātē “Fizikas skolotājs”: taisnās kustības izpēte, izmantojot Atwood mašīnu; lodes ātruma mērīšana; harmonisko vibrāciju pievienošana; velosipēda riteņa inerces momenta mērīšana; stingra ķermeņa rotācijas kustības izpēte; brīvā kritiena paātrinājuma noteikšana, izmantojot fizisko svārstu; fizikālā svārsta brīvo svārstību izpēte.

Pirmie seši ir virtuāli un tiek simulēti datorā ModelVisionStudiumFree, un pēdējam ir gan virtuālā versija, gan divas reālas. Vienā, kas veltīta tālmācības, skolēnam patstāvīgi jāizgatavo svārsts no liela papīra saspraudes un dzēšgumijas un jāpakar zem vārpstas Datorpele bez lodītes iegūst svārstu, kura novirzes leņķi nolasa speciāla programma un ko skolēnam vajadzētu izmantot, apstrādājot eksperimenta rezultātus. Šī pieeja ļauj dažas eksperimentālajam darbam nepieciešamās prasmes praktizēt tikai datorā, bet pārējās - strādājot ar pieejamām reālām ierīcēm un ar attālu piekļuvi iekārtām. Citā variantā, kas paredzēts pilna laika studentu mājas sagatavošanai laboratorijas darbu veikšanai Maskavas Valsts pedagoģiskās universitātes Fizikas fakultātes Vispārējās un eksperimentālās fizikas katedras darbnīcā, students praktizē iemaņas darbā ar eksperimentālo iekārtu virtuālo modeli, un laboratorijā vienlaikus veic eksperimentu ar konkrētu reālu iestatījumu un ar tā virtuālo modeli. Vienlaikus viņš izmanto gan tradicionālos mērinstrumentus optiskās skalas un hronometra veidā, gan precīzākus un ātrākas darbības līdzekļus - pārvietošanās sensoru uz optiskās peles bāzes un datora taimeri. Visu trīs vienas un tās pašas parādības atveidojumu (tradicionālo, ar datoru saistīto elektronisko sensoru palīdzību un modeli) vienlaicīga salīdzināšana ļauj izdarīt secinājumu par modeļa atbilstības robežām, kad pēc kāda laika sākas datormodelēšanas dati. arvien vairāk atšķirties no rādījumiem, kas filmēti uz īstas instalācijas.

Iepriekš minētais neizsmeļ datora izmantošanas iespējas fiziskās skaitļošanas eksperimentā. Tātad radošam skolotājam un viņa audzēkņiem vienmēr būs neizmantotas iespējas virtuālo un reālo fizisko eksperimentu jomā.

Ja jums ir kādi komentāri vai ieteikumi saistībā ar dažādi veidi fiziskais datora eksperiments, rakstiet man uz:

Pētījums fiziskie modeļi Sagatavoja: Kukleva Anastasija

Modelēšana ir sistēmas izpētes līdzeklis, aizstājot to ar pētniecībai ērtāku sistēmu (modeli), kas saglabā pētnieku interesējošās īpašības. Modelēšana ir modeļu konstruēšana (vai atlase) un izpēte, lai iegūtu jaunas zināšanas par objektiem. Modelis ir jebkuras dabas objekts, kas spēj aizstāt pētāmo objektu ar pētnieku interesējošām īpašībām (piemēram, globuss ir Zemes modelis). Objekta apraksts – informācijas kopums par pētāmo sistēmu un apstākļiem, kādos pētījums jāveic.

Klasifikācija (ierosināja V.A.Veņikovs) Loģiskie modeļi Loģiskie modeļi tiek veidoti uz argumentācijas pamata. Jebkura persona, pirms veic kādu darbību, izveido loģisku modeli. Loģiskā modeļa precizitāte parāda laiku. Mums zināmie šāda veida modeļi ne vienmēr ir apstiprināti. Loģisko modeļu priekšrocība ir to klātbūtne visos pārējos modeļos. Fiziskie modeļi Modeļi, kas ir fiziski līdzīgi reālajai sistēmai. Galvenā atšķirība starp fizikālajiem modeļiem ir svarīgāko pētāmo īpašību fiziskā līdzība. Visspilgtākie fizisko modeļu piemēri ir bērnu rotaļlietas. Vēl viens piemērs ir, projektējot automašīnu, dizaineri veido nākotnes produkta plastilīna fizisko modeli. Šāda veida modeļa priekšrocība ir rezultātu augstākā skaidrības pakāpe. Matemātiskie modeļi Matemātiskais modelis ir stingri formalizēts pētāmās sistēmas apraksts matemātikas valodā. Priekšrocība ir stingri formalizēti pierādījumi un iegūto rezultātu derīgums. (piemēram, lineāro vienādojumu sistēma - metode tās risināšanai). Šis tips modelēšana pašlaik ir izšķiroša sistēmu izpētē. Simulācijas (datormodelēšana) Simulācijas modelēšana ir skaitlisks eksperiments ar pētāmās sistēmas elementu matemātiskajiem modeļiem, kas apvienoti informācijas līmenis. Simulācijas modeļi var saturēt ne tikai pētāmās sistēmas elementu matemātiskos modeļus, bet arī fiziskos modeļus. (piemēram, simulators).

Fizisko modeļu izpēte. Kustība gravitācijas ietekmē ir labi zināma. Tas ir ķermeņa kritiens no noteikta augstuma un ķermeņa kustība leņķī pret horizontu utt. Ja šādās problēmās netiek ņemts vērā gaisa pretestības spēks, tad visus uzskaitītos kustības veidus apraksta ar labi zināmām formulām. Bet problēmas, kurās tiek ņemta vērā gaisa pretestība, ir ne mazāk interesantas.

Uzdevums Izpletņlēcēja kustība.

I posms. Problēmas izklāsts PROBLĒMAS APRAKSTS Krītot uz zemes, izpletņlēcējs piedzīvo gravitācijas un gaisa pretestības darbību. Eksperimentāli ir noskaidrots, ka pretestības spēks ir atkarīgs no kustības ātruma: jo lielāks ātrums, jo lielāks spēks. Kustoties gaisā, šis spēks ir proporcionāls ātruma kvadrātam ar noteiktu pretestības koeficientu k, kas ir atkarīgs no izpletņa konstrukcijas un cilvēka svara. Kādai jābūt šī koeficienta vērtībai, lai izpletņlēcējs nolaistos uz zemes ar ātrumu, kas nav lielāks par 8 m/s, kas nerada draudus veselībai? Noteikt modelēšanas mērķus un formalizēt problēmu.

II posms. Modeļa izstrāde INFORMĀCIJAS MODELIS Izveidojiet informācijas modeli pats. MATEMĀTISKAIS MODELIS Attēlā parādīti spēki, kas iedarbojas uz izpletņlēcēju. Saskaņā ar otro Ņūtona likumu kustību spēku ietekmē var rakstīt kā vienlīdzību.

Šo vienādību projicējam uz kustības asi, gaisa pretestības spēka izteiksmi aizstājam Iegūstam paātrinājuma aprēķināšanas formulu

Mēs aprēķināsim ātrumu un attālumu, ko desantnieks ir nolidojis ar vienādiem laika intervāliem Δt. Laika momentu aprēķināšanas formulai ir šāda forma: ti+1=ti+Δt Tāpat pieņemsim, ka katrā intervālā paātrinājums ir nemainīgs un vienāds ar ai. Paātrinājuma aprēķināšanas formula ir šāda: kur Vi ir ātrums intervāla sākumā (V0 ir sākotnējais ātrums).

Ātrumu intervāla beigās (un attiecīgi arī nākamā sākumā) aprēķina, izmantojot vienmērīgi paātrinātas kustības formulu.Attālums, ko izpletņlēcējs ir nolidojis, ir vienāds ar attāluma summu, ko nobraucis līdz gada sākumam. nākamo laika intervālu un šajā intervālā veikto attālumu.

DATORMODELIS Modelēšanai izvēlēsimies izklājlapu vidi. Šajā vidē informācija un matemātiskais modelis tiek apvienoti tabulā, kurā ir trīs apgabali: avota dati; starpaprēķini; rezultātus.

III posms. Datoreksperiments

Formālais modelis Modeļa formalizēšanai izmantojam no fizikas kursa zināmās vienmērīgas un vienmērīgi paātrinātas kustības formulas.

Paldies par jūsu uzmanību!!!

Krasnodaras apgabala Izglītības un zinātnes ministrija

Krasnodaras apgabala valsts profesionālā budžeta izglītības iestāde

"Paškovska lauksaimniecības koledža"

Metodiskā izstrāde

Fizikālo eksperimentu interaktīvo modeļu pielietojums fizikas izpētē

Krasnodara 2015

PIEKRĪTU

vietnieks MR direktors

GBPOU KK PSHK

VIŅI. Strotskaja

2015. gads

Centrālās komitejas sēdē tika izskatīta metodiskā izstrāde

matemātikas un dabaszinātņu disciplīnas

Centrālās komitejas priekšsēdētājs

_________________ (Puškareva N.Ya.)

IEVADS

Izglītības modernizācija izglītības procesa datorizācijas jomā paplašina audzēkņu pašrealizācijas iespējas, pieradina pie paškontroles, būtiski bagātina apmācību saturu, ļauj veikt individualizētu apmācību. Datorinovatīvās tehnoloģijas nodrošina informācijas orientāciju izglītības sistēmā, sagatavojot skolēnus jauniem darbības apstākļiem informācijas vidē.

Darbā sniegts piemērs matemātisko un fizisko svārstu, bloka plaknē un saistītu ķermeņu sistēmas virtuālo modeļu izmantošanai harmonisko svārstību un ķermeņa kustības izpētē vairāku spēku ietekmē. Autore sniedz metodiskus ieteikumus par to izmantošanu digitālo resursu efektīvai izmantošanai izglītības procesā. Īpaši svarīgi ir izmantot tādus inovatīva tehnoloģija specialitātēs tehniskais profils, ar uz praksi orientētu apmācību, ko paredz profesijas standarta prasības un nosaka topošo kvalificēto koledžas absolventu turpmākā darbība.

Šī darba mērķis ir nodrošināt metodiskos nosacījumus, lai atvieglotu fizikas sadaļu “Harmoniskās svārstības” un “Dinamika” apguvi un mācīšanu ar obligātu interaktīvās daļas izmantošanu.

– atlasīt un adaptēt teoriju par šo jautājumu atbilstoši federālo štata trešās paaudzes izglītības standartu (FSES SPO) prasībām disciplīnai “ODP 11. Fizika”;

Efektīvi izmantot piedāvātos metodiskos materiālus vispārējo un, galvenais, profesionālo kompetenču attīstīšanai;

– izstrādāt piemēru iespējamai modeļu izmantošanai darbam lekcijās, praktiskajās un laboratorijas nodarbībās;

– izstrādāt stundu plānus darbam ar interaktīviem modeļiem;

– ņem vērā esošās pieredzes izmantošanas specifiku darbam nodarbībās ar tehnisko specialitāšu studentiem:

08.02.01 “Ēku un būvju būvniecība un ekspluatācija”; 08.02.07 “Iekšējo santehnikas ierīču, gaisa kondicionēšanas un ventilācijas uzstādīšana un ekspluatācija”;

02/08/03 “Nemetāla būvizstrādājumu un konstrukciju ražošana”;

21.02.2004 “Zemes apsaimniekošana”.

Izstrādē izmantoti N.E.Bogdanova sagatavotie fizisko procesu datormodeļi. 2007. gadā. Tie ir virtuāls konstruktors, kura mērķis ir nodrošināt uz aktivitātēs balstītu pieeju mācībām, ko īpaši svarīgi izmantot vidēja līmeņa speciālistu profesionālajā apmācībā. Īpaši būvniecības jomā, kurai īpaši svarīgi ir spēt analizēt un izprast dažādu veidu konstrukciju fizikālo procesu būtību, līdzsvara apstākļus un stiprības robežas.

Šī metodiskā izstrāde atbilst galvenā profesionāļa apgūšanas rezultātu prasībām izglītības programma, saskaņā ar kuru tehniķim ir jābūt šādām vispārējām un profesionālajām kompetencēm:

OK 4. Meklēt un izmantot profesionālo uzdevumu veikšanai nepieciešamo informāciju.

OK 5. Izmantot informācijas un komunikācijas tehnoloģijas profesionālā darbība.

PC 1.4. Piedalīties projekta izstrādē darbu izgatavošanai, izmantojot informācijas tehnoloģijas.

1Datormodelēšana eksperiments

Pirmkārt, datormodelēšana ļauj iegūt vizuāli dinamiskas fizisku eksperimentu un parādību ilustrācijas, reproducēt to smalkās detaļas, kas nereti izplūst, vērojot reālas parādības izglītības procesā. Lietojot modeļus, dators nodrošina unikāla iespēja skolēns vizualizē nevis reālu dabas parādību, bet gan tās vienkāršotu modeli. Tajā pašā laikā skolotājam ir iespēja pakāpeniski iekļaut papildu faktorus, kas pakāpeniski sarežģī modeli un tuvina to reālai fiziskai parādībai. Turklāt datormodelēšana ļauj variēt notikumu laika skalu, apsvērt tos soli pa solim, kā arī simulēt situācijas, kuras nevar realizēt fiziskos eksperimentos.

Studentu darbs ar interaktīvajiem modeļiem ir noderīgs, jo datormodeļi ļauj plaši mainīt fizisko eksperimentu sākotnējos apstākļus un veikt daudzus virtuālus eksperimentus. Skolēniem paveras milzīgas izziņas iespējas, kas ļauj būt ne tikai novērotājiem, bet arī aktīviem dalībniekiem veicamo eksperimentu veikšanā. Daži modeļi ļauj novērot atbilstošu grafisko atkarību konstrukciju vienlaikus ar eksperimentu gaitu, kas palielina to skaidrību. Skolotājam jākoncentrējas uz šo grafisko atkarību parādīšanos, īpaši sadaļā “Mehāniskās vibrācijas”, kur ir ērti parādīt skolēniem enerģijas nezūdamības likuma būtību. Šajā metodiskā attīstībašis punkts ir atklāts 2.1.1. punktā. 2. sadaļā ir aprakstīta modeļu izmantošana pasniedzēja lekciju darbam klasē vai studenta patstāvīgajam darbam ar materiālu, kas ļauj “atdzīvināt” sauso teoriju. Modeļa ekrānuzņēmumi ļauj demonstrēt fizisko daudzumu izmaiņu dinamiku.

Vērojot un aprakstot ar datoru simulētu fizisko pieredzi, apmācāmajam vajadzētu:

noteikt, kādu fizisku parādību vai procesu pieredze ilustrē;

nosauciet galvenos instalācijas elementus;

īsi raksturo eksperimenta gaitu un tā rezultātus;

ieteikt, ko var mainīt instalācijā un kā tas ietekmēs eksperimenta rezultātus;

izdarīt secinājumus.

Lai stunda datorklasē būtu ne tikai interesanta pēc formas, bet arī sniegtu maksimālu izglītojošu efektu, skolotājam iepriekš jāsagatavo plāns darbam ar mācībām izvēlēto datora modeli, jāformulē jautājumi un uzdevumi, kas atbilst mācībām. modeļa funkcionalitāti, kā arī vēlams brīdināt skolēnus, ka nodarbības beigās būs jāatbild uz jautājumiem vai jāuzraksta īsa atskaite par paveikto. Autore šīs attīstības nodarbību pielikumos sniedz patstāvīgo mācību stundu un mājas darbu uzdevumus un zināšanu pārraudzības testu.

Viens no atsevišķu uzdevumu veidiem ir testa uzdevumi, kam seko datora pārbaude. Stundas sākumā skolotājs izdala skolēniem individuālus drukātus uzdevumus un aicina patstāvīgi risināt uzdevumus vai nu stundā, vai kā mājasdarbu. Studenti var pārbaudīt problēmu risināšanas pareizību, izmantojot datorprogramma. Iespēja patstāvīgi pēc tam pārbaudīt virtuālā eksperimentā iegūtos rezultātus vairo izziņas interesi, padara studentu darbu radošu un pēc būtības var tuvināt to zinātniskiem pētījumiem.

Ir vēl viens pozitīvs faktors par labu datoreksperimentu izmantošanai. Šī tehnoloģija mudina audzēkņus pašiem radīt problēmas un pēc tam pārbaudīt savu argumentāciju, izmantojot interaktīvos modeļus.

Skolotājs var aicināt skolēnus iesaistīties šādās aktivitātēs, nebaidoties, ka viņam pēc tam būs jāpārbauda virkne viņu izdomāto problēmu. Šādi uzdevumi ir noderīgi ar to, ka ļauj skolēniem saskatīt dzīvu saikni starp datoreksperimentu un pētāmo parādību fiziku. Turklāt studentu sastādītos uzdevumus var izmantot mācību stundās vai piedāvāt citiem studentiem patstāvīgai studijai mājasdarbu veidā.

1.1. Elektronisko plašsaziņas līdzekļu izmantošanas plusi un mīnusi

procesu redzamība, skaidru fizisko instalāciju un modeļu attēli, kas nav pārblīvēti ar sīkām detaļām;

fiziskos procesus un parādības var atkārtoties, apturēt, ritināt atpakaļ, kas ļauj skolotājam koncentrēt skolēnu uzmanību, dot detalizētus paskaidrojumus, veltot laiku eksperimentiem;

spēja pēc vēlēšanās mainīt sistēmas parametrus, veikt fizisko modelēšanu, izvirzīt hipotēzes un pārbaudīt to pamatotību;

iegūt un analizēt grafiskās atkarības, kas raksturo procesa sinhrono attīstību;

izmantot datus, lai formulētu savus mērķus;

atsaukties uz teorētisko materiālu, veidot vēsturiskas atsauces, strādāt ar definīcijām un likumiem, kas redzami uz projektora ekrāna;

Elektronisko mācību līdzekļu izmantošanas trūkumi:

blīva un dažādās formās kodēta informācijas plūsma, kuras apstrādei skolēniem ne vienmēr ir laiks;

ātri iestājas “pierašana” pie konkrēta programmatūras produkta, kā rezultātā zūd intereses intensitāte;

dators aizstāj dzīvu emocionālu saziņu ar skolotāju;

apmācāmajiem jāpārslēdzas no skolotāja parastās balss uz balsi, bieži ar sliktas kvalitātes audio;

kāda šova elementa klātbūtne praktikantiem, kad viņi spēlē ārēju novērotāju, nevis procesa dalībnieku lomu.

Var papildināt gan plusus, gan mīnusus, vai arī dažus datora lietošanas negatīvos aspektus pārvērst pozitīvos. Tā, piemēram, tulkot datormodelēšanas izmantošanas motivācijas aspektus izglītības aktivitātēs plaknē didaktiskās spēles.

2Virtuālo modeļu izmantošana fizikas izpētē

Nākamajās sadaļās ir izklāstīts matemātiskā un fizikālā svārsta virtuālā modeļa izmantošana, lai izprastu harmonisko svārstību teorijas būtību, kā arī savienotu ķermeņu un bloka modelis plaknē, pētot ķermeņu kustību iedarbībā. no vairākiem spēkiem. Tālāk sniegti uzdevumu piemēri, kurus var izmantot darbā ar vidējo specializēto izglītības iestāžu tehnisko specialitāšu studentiem.

2.1. Matemātiskais svārsts

2.1.1. Harmoniskās svārstības un to raksturlielumi

Svārstības ir kustības vai procesi, kam raksturīga noteikta atkārtojamība laika gaitā. Svārstības ir plaši izplatītas apkārtējā pasaulē, un tām var būt ļoti atšķirīgs raksturs. Tie var būt mehāniski (svārsts), elektromagnētiski ( svārstību ķēde) un cita veida vibrācijas. Brīvās jeb dabiskās svārstības ir svārstības, kas rodas sistēmā, kas atstāta sev pēc tam, kad ārēja ietekme to ir izvedusi no līdzsvara. Piemērs ir uz vītnes piekārtas lodītes svārstības, 1. attēls.

1. attēls — vienkāršākais piemērs oscilācijas process- lodītes svārstības uz vītnes

Ir īpaša loma svārstību procesos vienkāršākā forma vibrācijas - harmoniskas vibrācijas. Harmoniskās svārstības ir pamatā vienotai pieejai dažāda rakstura svārstību izpētē, jo dabā un tehnoloģijās sastopamās svārstības bieži vien ir tuvas harmoniskām, un dažādas formas periodiskus procesus var attēlot kā harmonisko svārstību superpozīcijas.

Harmoniskās svārstības ir tās svārstības, kurās svārstību lielums laika gaitā mainās saskaņā ar sinusa vai kosinusa likumu.
Harmonisko vibrāciju vienādojumam ir šāda forma:

kur A ir svārstību amplitūda (sistēmas lielākās novirzes lielums no līdzsvara stāvokļa); - apļveida (cikliskā) frekvence. Periodiski mainīgo kosinusa argumentu sauc par svārstību fāzi. Svārstību fāze nosaka svārstību lieluma nobīdi no līdzsvara stāvokļa noteiktā laikā t. Konstante φ apzīmē fāzes vērtību laikā t = 0, un to sauc par svārstību sākotnējo fāzi. Sākotnējās fāzes vērtību nosaka atskaites punkta izvēle. X vērtībai var būt vērtības no -A līdz +A.

Laika periodu T, kurā atkārtojas noteikti svārstību sistēmas stāvokļi, sauc par svārstību periodu. kosinuss - periodiska funkcija ar periodu 2π, tāpēc laika periodā T, pēc kura svārstību fāze saņems pieaugumu, kas vienāds ar 2π, atkārtosies sistēmas stāvoklis, kas veic harmoniskās svārstības. Šo laika periodu T sauc par harmonisko svārstību periodu.

Harmonisko svārstību periods ir vienāds ar: T = 2π/.

Svārstību skaitu laika vienībā sauc par svārstību frekvenci ν.

Harmonisko svārstību frekvence ir vienāda ar: ν = 1/T. Frekvences mērvienība ir herci (Hz) - viena svārstība sekundē.

Apļveida frekvence = 2π/T = 2πν parāda svārstību skaitu 2π sekundēs.

Grafiski harmoniskās svārstības var attēlot kā x atkarību no t, unrotācijas amplitūdas metode (vektordiagrammas metode), kas parādīts 1., 2. (A, B) attēlā.

2. attēls Grafiskais attēls svārstību kustība koordinātēs ( x,t ) (A) un vektoru diagrammas metodi (B).

Rotējošās amplitūdas metode ļauj vizualizēt visus harmonisko vibrāciju vienādojumā iekļautos parametrus. Patiešām, ja amplitūdas vektors A atrodas leņķī φ pret x asi (skat. 2. attēlu B), tad tā projekcija uz x asi būs vienāda ar: x = Acos(φ). Leņķis φ ir sākuma fāze. Ja vektors A tiek pagriezts ar leņķisko ātrumu, kas vienāds ar svārstību apļveida frekvenci, tad vektora gala projekcija pārvietosies pa x asi un iegūst vērtības no -A līdz +A, un koordināte no šīs prognozes laika gaitā mainīsies saskaņā ar likumu: . Tas ir detalizēti ilustrēts 3. attēlā (A-D).

Tādējādi vektora garums ir vienāds ar harmonisko svārstību amplitūdu, vektora virziens sākotnējā brīdī veido leņķi ar x asi, kas vienāds ar svārstību sākuma fāzi φ, un virziena leņķa izmaiņas ar laiku ir vienāds ar harmonisko svārstību fāzi. Laiks, kurā amplitūdas vektors veic vienu pilnu apgriezienu, ir vienāds ar harmonisko svārstību periodu T. Vektora apgriezienu skaits sekundē ir vienāds ar svārstību frekvenci ν.

3. attēls - Svārstību kustības grafiku ilustrācija atkarībā no svārstību fāzes: 0,5π (A), π (B), 1,5π (C), 2π (D).

2.1.2. Slāpētas harmoniskas svārstības

Jebkurā reālā svārstību sistēmā pastāv pretestības spēki, kuru darbība noved pie sistēmas enerģijas samazināšanās. Ja enerģijas zudums netiks papildināts ar ārējo spēku darbu, svārstības izmirs. Šādas svārstības sauc par slāpētām. Matemātiskā svārsta interaktīvajā modelī dotais svārstību kustības vienādojumu atvasinājums un to atrisinājums parādīts 4A, B attēlā. Apskatīsim tos sīkāk.

Vienkāršākajā un tajā pašā laikā visizplatītākajā gadījumā pretestības spēks ir proporcionāls ātrumam:
, kur r ir nemainīga vērtība, ko sauc par pretestības koeficientu. Mīnusa zīme ir saistīta ar to, ka spēkam un ātrumam ir pretēji virzieni; tāpēc to projekcijām uz X asi ir dažādas zīmes. Ņemot vērā atjaunojošā spēka lielumu
. Ņūtona otrā likuma vienādojumam pretestības spēku klātbūtnē ir šāda forma:
vai
, kas ir otrās kārtas diferenciālvienādojums.

A

B

4. attēls - Vibrāciju vienādojumu (A) atvasināšana un vibrāciju vienādojumu atrisināšana (B)

Tādējādi kustības vienādojums iegūst formu

.

Pārnesot terminus no labās puses uz kreiso, dalot vienādojumu ar m un apzīmējot,
mēs iegūstam vienādojumu formā

Kur - frekvence, ar kādu notiktu sistēmas brīvās svārstības, ja nebūtu vides pretestības (sistēmas dabiskā frekvence). Koeficients
, kas raksturo svārstību vājināšanās ātrumu, sauc par slāpēšanas koeficientu.

Interaktīvais modelis skaidri ilustrē vājinājuma koeficienta vērtību. 6. attēlā AB skaidri parādīts, kā izskatās matemātiskā svārsta ātruma un koordinātu grafiks atkarībā no tā parametriem (piekares garums un novirzes leņķis) un norādītās vērtības . Arī virtuālajā modelī var izsekot, kā tiek veidots fāzes portrets un tā būtība. Skaitļi skaidri parāda, ka, amortizācijas koeficientam palielinoties par n, svārstību skaits samazinās par koeficientu n.

5. attēls A, B — slāpētu svārstību piemēri

7. attēls A, B – Sistēmas galveno parametru aprēķini

2.1.3. Harmonisko vibrāciju enerģija

Svārstību sistēmas kopējā mehāniskā enerģija ir vienāda ar mehāniskās un potenciālās enerģijas summu.

Atšķirsim izteiksmi attiecībā uz laiku
, saņemam

= = -a grēks(t + ).

Slodzes kinētiskā enerģija ir vienāda ar

E =
.

Potenciālo enerģiju izsaka ar labi zināmo formulu
aizstājot x no
, saņemam

Jo
.

Kopējā enerģija
vērtība ir nemainīga. Svārstību procesā potenciālā enerģija pārvēršas kinētiskā enerģijā un otrādi, bet katra enerģija paliek nemainīga.

7. un 8. attēlā ir skaidri parādītas kinētiskās un potenciālās enerģijas izmaiņas matemātiskā svārsta svārstībām bez slāpēšanas koeficienta un slāpētām svārstībām.

7. attēls – harmonisko vibrāciju kinētiskās un potenciālās enerģijas izmaiņu grafiki

8. attēls – kinētiskās un potenciālās enerģijas izmaiņu grafiki slāpētām svārstībām.

2.2. Fiziskais svārsts

Fiziskais svārsts ir jebkurš stingrs ķermenis, kas gravitācijas ietekmē spēj svārstīties ap fiksētu horizontālu asi, kas neiet cauri masas centram.

9. attēls – fiziskais svārsts

Svārsts veic harmoniskas svārstības nelielos novirzes leņķos no līdzsvara stāvokļa.

Fizikālā svārsta harmonisko svārstību periodu nosaka sakarība

Kur

svārsta inerces moments attiecībā pret griešanās asi,

Svārsta masa,

Īsākais attālums no piekares punkta līdz masas centram,

Smaguma paātrinājums.

Svārsta rotācijas ass nešķērso tā smaguma centru, tāpēc inerces momentu nosaka Šteinera teorēma:

Kur

Ķermeņa inerces moments ap asi, kas iet caur masas centru un ir paralēla dotajam. Ņemot to vērā, mēs pārrakstām perioda formulu:

.

Fiziskā svārsta mazu svārstību periodu dažreiz raksta šādā formā:

Kur.

- samazināts fiziskā svārsta garums– lielums, kas skaitliski vienāds ar tāda matemātiskā svārsta garumu, kura svārstību periods sakrīt ar dotā fizikālā svārsta periodu.

P Šajā darbā izmantotajam fiziskajam svārstam ir tieva stieņa forma ar garumul . - smaguma centrs,- piekares punkts, caur kuru iet rotācijas ass, perpendikulāri zīmējumam.

Kad prizma ir fiksēta, stienis svārstās attiecībā pret horizontālo asi O, balstoties ar prizmas apakšējo malu uz fiksēta cieta statīva, ko notur statīvs.

10. attēls – Fiziskā diagramma

svārsts

Nostiprinot piekares punktu dažādos stieņa punktos, jūs varat mainīt attālumu.

Vienmērīga plāna stieņa inerces moments attiecībā pret asi, kas iet caur masas centru, ir vienāds ar

Kur ir stieņa masa, ir garums.

Aizvietojot inerces momenta izteiksmi perioda formulā, mēs iegūstam:

. Apzīmēsim tad .

Svārstību periodu var noteikt eksperimentāli, ar hronometru izmērot laiku, kurā stienis veic pilnīgas svārstības.

Izlīdzināsim to kvadrātā un iegūstam darba formulu gravitācijas paātrinājuma aprēķināšanai:

(10).

2.3 Bloķēt slīpā plaknē

Modelis īsteno virtuālu eksperimentu, kas paredzēts, lai izpētītu bloka kustību pa slīpu plakni sausas berzes un ārējā spēka klātbūtnē. Veicot eksperimentu, var izvēlēties berzes koeficientu μ, bloka masu m, plaknes slīpuma leņķis α. Dažādiem parametriem ir dots relatīvā ātruma un laika grafiks. Bloka slīdēšana pa slīpu plakni ir iespējama tikai tad, ja statiskās berzes spēks sasniedz maksimālo vērtību ( F tr)maks.:

Šos spēkus parasti sauc par slīdošās berzes spēku. Paātrinājums, ko bloks šādos apstākļos iegūst, slīdot pa slīpu plakni, tiek noteikts pēc Ņūtona otrā likuma

Plkst a < 0 брусок начинает двигаться вверх по наклонной плоскости (из-за наличия внешней силы). В этом случае сила трения скольжения изменяет знак на противоположный.

Ja ārēja spēka nav, tad plaknes maksimālo slīpuma leņķi α max, pie kura statiskās berzes spēks bloku joprojām notur nekustīgu, nosaka sakarība

Praksē šo attiecību izmanto sausās berzes koeficienta mērīšanai.

Apskatīsim bloka virtuālo modeli slīpā plaknē 11. attēlā. Tieši modeļa loga iekšpusē augšējā kreisajā daļā ir pogas “Sākt”, “Atiestatīt” un “Palīdzība”. Nospiežot pogu “Atiestatīt”, modelis atgriežas sākotnējā stāvoklī. Loga centrā ir modeļa darba lauks ar slīpas plaknes attēlu un pa to slīdošu bloku. Zem darba lauka ir displejs ar berzes spēka, zemes reakcijas spēka, ķermeņa paātrinājuma un gravitācijas projekcijas vērtībām. Virs ātruma diagrammas ir trīs vadīklas. Ar to palīdzību jūs varat mainīt ķermeņa berzes koeficientu plaknē, ķermeņa masu un plaknes slīpuma leņķi. Uzmanīgi apskatiet modeli un atrodiet visas vadības ierīces.

11. attēls – stienis plaknē

Šo modeli var izmantot kā mācību palīglīdzekli, mācot risināt problēmas par tēmu “Ķermeņa kustība slīpā plaknē”.

2.4 Divi ķermeņi slīpā plaknē

12. attēls. Savienoti korpusi slīpā plaknē

Uzzīmēsim attēlu un attēlosim uz tā aktīvie spēki. Mēs pieņemam, ka ķermeņi pārvietojas ar vienādu absolūtās vērtības paātrinājumu a un vītnes spriegums T ir nemainīgs visā tā garumā.

Pieņemsim, ka labais svars ir nolaists un kreisais ir pacelts pa slīpu plakni. Pareizais svars pārvietojas divu spēku ietekmē:

- gravitācijas un vītnes stiepes spēks T 2.

Kreisā slodze pārvietojas pa slīpu plakni trīs spēku ietekmē: gravitācijas m 1 g, atbalsta reakcijas spēka N un vītnes stiepes spēka T 1. Vektora formā kustības vienādojumi tiks uzrakstīti kā sistēma:

Projicēsim pirmo vienādojumu X virzienā pa slīpo plakni:

Projicēsim sistēmas otro vienādojumu vertikālā virzienā X":

Ņemiet vērā, ka mēs vienmēr varam projicēt jebkuru vektora vienādojumu divos neatkarīgos virzienos. Saskaitot šos divus vienādojumus (tie veido sistēmu), mēs iegūstam izteiksmi:

No tā mēs atrodam

Mēs redzam, ka, ja m 1 sin α vērtība būtu lielāka par m 2, tad paātrinājums a kļūtu par negatīvu vērtību. Tas ir, sistēma kustētos pretējā virzienā (stienis m 1 tika nolaists un slodze m 2 tika paaugstināta). Mēs atrodam vītnes spriegojuma spēku no pēdējā vienādojuma:

Tagad aplūkosim sistēmas virtuālo modeli, kas sastāv no diviem savienotiem stieņiem slīpā plaknē.

13. attēls. Savienoto ķermeņu virtuālais modelis

Darba lauka augšējā labajā daļā ir regulatori, ar kuriem var iestatīt sistēmas parametrus: slodžu masu, slīpuma leņķi, berzes koeficientu. Zemāk ir informācijas logi, kas parāda paātrinājuma, berzes spēka un vītnes spriegojuma aprēķinu rezultātus.Ir pogas "Sākt", "Atiestatīt" un "Palīdzība". Nospiežot pogu “Atiestatīt”, modelis atgriežas sākotnējā stāvoklī. Loga centrā ir modeļa darba lauks ar slīpas plaknes attēlu un pa to slīdošu bloku. Noklikšķinot uz pogas “Palīdzība”, skolēns redz vienādojumus, ar kuriem var patstāvīgi aprēķināt nezināmus lielumus (14. attēls).

14. attēls – pievienotā korpusa modeļa izvēlne “Palīdzība”.

Šo modeli var izmantot, mācot risināt problēmas, kas saistītas ar savienotu ķermeņu kustību pa slīpu plakni. Pielikumā sniegti problēmu piemēri, kuru risināšanā var izmantot šo virtuālo modeli.

3Praktiskie vingrinājumi

Šī darba 2. sadaļā tika apskatīti harmonisko vibrāciju teorijas pamati un divi izplatīti slīpu plakņu ķermeņu gadījumi ar interaktīvo modeļu ilustrācijām. 3. sadaļā analizēsim, kā šo modeli var izmantot kā virtuālo laboratoriju, strādājot ar vidējās profesionālās izglītības iestādes ar tehnisko profilu audzēkņiem praktiskajās nodarbībās. Mehānisko vibrāciju pētīšanai tiek atvēlētas 8 stundas, tajā skaitā 1 laboratorijas darbs brīvā kritiena paātrinājuma aprēķināšanai, izmantojot matemātisko svārstu (2 stundas).

Lai kontrolētu studentu asimilāciju un izpratni par tēmu “Mehāniskās vibrācijas”, iespējams izmantot matemātiskā svārsta virtuālo modeli. Studentiem šāds modelis tika prezentēts, lai uzskatāmi demonstrētu svārstību procesa principus, kā arī novērotu šāda procesa piemēru.

3.1.1. Laboratorijas uzdevums

Kā minēts iepriekš, tēmas “Mehāniskās vibrācijas” apgūšana ietver laboratorijas darbu veikšanu, kuru mācību un tehnoloģiskā karte dota 2.pielikumā. Praktiskajam darbam vai tā aizstāvēšanai tiek izmantots interaktīvs matemātiskā svārsta modelis. 3. pielikumā izklāstīts īsas instrukcijas tabulas aizpildīšanai, pamatojoties uz eksperimentāliem datiem, ko students ieguvis, strādājot ar modeli. Ir arī jautājumi paškontrolei, kas palīdzēs skolēnam aizstāvēt savu darbu. Šāda integrēta un visaptveroša pieeja ļaus skolotājam objektīvi novērtēt zināšanas un būtiski ietaupīt laiku, ko varēs efektīvāk izmantot individuālajam darbam un konsultācijām.

3.1.2. Matemātiskā svārsta modeļa uzdevums

Uzdevums satur rindkopas, kas apraksta modeļa pārvaldīšanas instrukcijas, galveno funkciju aprakstu un grafikus. Tas ir sniegts 4. pielikumā. Tas palīdz studentam saprast modeļa mērķi un apgūt tā pielāgojumus. Turklāt uzdevumā iekļauti testa jautājumi par tēmu “Mehāniskās vibrācijas” un vairāki datoreksperimenti.

Ievaduzdevumos iekļautie eksperimenti ļauj dziļāk iedziļināties ekrānā notiekošā nozīmē. Lai veiktu eksperimentus, pietiek zināt pētāmās tēmas pamatformulas. Neskatoties uz šķietamo vienkāršību, šādi uzdevumi ir ļoti noderīgi, jo ļauj skolēniem saskatīt dzīvu saikni starp datoreksperimentu un pētāmo parādību fiziku.

4. pielikumā sniegta arī atbildes forma katram iepazīšanās uzdevumam. Saņemto atbilžu ierakstīšana veidlapā var ievērojami samazināt laiku, kas pavadīts darbam ar datora modeli un atvieglos atbilžu pārbaudi.

3.1.3. Mehānisko vibrāciju pārbaude

Darba gaitā tika pielietots teorētiskais tests par tēmu “Mehāniskās vibrācijas” (5.pielikums).

Pārbaudes mērķis: pārbaudīt zināšanas, ko students ieguvis materiāla apguves laikā.

Pedagoģiskajā procesā ļoti svarīga ir ieskaites kontrole. Atkarībā no kontroles rezultātiem tiek pieņemts lēmums par papildu nodarbību un konsultāciju nepieciešamību un palīdzības sniegšanu tiem, kam neizdodas. Atbildes uz sagatavošanās testu var atrast 5. pielikumā.

Šis slēgtā tipa tests ir orientēts uz kritērijiem, tas ir, testēšana tiek veikta, lai noteiktu materiāla meistarības pakāpi un salīdzinātu rezultātus ar skaidri noteiktu sasniegumu jomu.

Tests sastāv no 35 dažādas grūtības pakāpes uzdevumiem. Atkarībā no kontroldarba mērķa skolotājs var izvēlēties noteiktus uzdevumus.

3.1.4. Nodarbību “Mehāniskās vibrācijas” un “Ķermeņu kustība vairāku spēku iedarbībā” izklāsts

1. un 6. pielikumā sniegti nodarbību pieraksti, kurus var izmantot lekciju nodarbībās.

3.1.5. Uz praksi orientēti uzdevumi

SECINĀJUMS

Līdzšinējā pieredze liecina, ka topošo tehnisko speciālistu profesionālās kompetences veidošanā šī metodiskā ieteikuma izmantošana un fizisko eksperimentu virtuālo modeļu izmantošana ir efektīva.

Mācībās izmantotie ģenerētie uzdevumu piemēri lekcijām un praktiskajām nodarbībām deva pozitīvus rezultātus. Tie palīdzēja nostiprināt skolēna uz darbību balstīto pieeju mācībām, motivēja viņu pašattīstībai, tostarp informācijas tehnoloģiju jomā, un padziļināja zināšanas par dabas un cilvēka radīto procesu fiziku. Tāpat tika pamanīts, ka, piemērojot datus metodiskie ieteikumi skolēni trenē savu loģiku, grūtības, kas rodas, viņus piespiež neatkarīgs lēmums uzdevumus, kas tieši veicina topošajam tehniķim nepieciešamo vispārējo un profesionālo kompetenču veidošanos.

Jautājumu kopums skolēnam, nodrošinot paškontroles nosacījumus, ļaus objektīvi novērtēt zināšanu starpposma un gala kontroli.

Nobeigumā vēlos vēlreiz uzsvērt inovatīvu izglītības modeļu un tehnoloģiju izmantošanas nozīmi un nepieciešamību darbā ar vidējo specializēto izglītības iestāžu audzēkņiem. Tā kā to piemērošanas procesā tika radīti labvēlīgi apstākļi mācību diferenciācijai un individualizācijai.

IZMANTOTO AVOTU SARAKSTS

Avanesovs V.S. Pārbaudes uzdevumu sastāvs / V.S. Avanesovs. – M.: Adept, 1998. – 191 lpp.

Boevs V.D., Sypčenko R.P., Datormodelēšana / V.D. Boevs, R.P. Sypčenko. – M.: Izdevniecība INTU IT.RU, 2010. – 349 lpp.

Bulavins L.A., Vigorņitskis N.V., Lebovka N.I. Datormodelēšana fiziskās sistēmas/ L.A. Bulavins, N.V. Vigorņickis – Dolgoprudnijs: Izdevniecība “Intelligence”, 2011. – 352 lpp.

Fizikas skolotājai. Datora izmantošana fizikas apguvē. – (krievu val.). - URL: http://www. uroki. tīkls/ docfiz/ docfiz27. htm

Mayorov A. N. Skolas sasniegumu testi: dizains, ieviešana, izmantošana. Izglītība un kultūra / A.N. Mayorovs. – Sanktpēterburga: 1996. – 304 lpp.

Mayorov A.N. Izglītības sistēmas testu veidošanas teorija un prakse / A.N. Mayorovs. – M.: “Izlūkošanas centrs”, 2001. – 296 lpp.

Minskin E.M. No spēles līdz zināšanām: rokasgrāmata skolotājiem / Minskin E.M. – M.: Izglītība, 1982. – 192 lpp.

Fizikas mācīšana, kas attīsta skolēnu. 1. grāmata. Pieejas, komponenti, nodarbības, uzdevumi / Red. E. M. Bravermans. – M.: Fizikas skolotāju asociācija, 2003. – 400 lpp..

Samoilenko P.I. Fizika sociālekonomiskā un humanitārā profila profesijām: mācību grāmata vidējā līmeņa speciālistiem. izglītība / P.I. Samoiļenko. – 6. izd., dzēsts. – M.: Izdevniecības centrs “Akadēmija”, 2014. – 469 lpp.

Firsovs A.V. Fizika tehnisko un dabaszinātņu profilu profesijām un specialitātēm: mācību grāmata / A.V. Firsovs; rediģēja T.I. Trofimova. – 6. izd., dzēsts. – M.: Izdevniecības centrs “Akadēmija”, 2014. – 352 lpp.

1. PIELIKUMS

Nodarbības plāns “Mehāniskās vibrācijas”

2. PIELIKUMS

Laboratorijas darbs Nr.5

Brīvā kritiena paātrinājuma noteikšana, izmantojot svārstu.

Darba mērķis: nosaka brīvā kritiena paātrinājumu, pamatojoties uz svārsta svārstību perioda atkarību no balstiekārtas no balstiekārtas garuma.

Iegūtās zināšanas un prasmes:

Standarta laiks: 2 stundas

Darba vietas aprīkojums: statīvs ar uzmavu un kāju, pinums ar cilpām galos, atsvaru komplekts, mērlente ar milimetru dalījumu, elektroniskais hronometrs

Īsa teorija

P Matemātiskā svārsta periodu var noteikt pēc formulas:

(1)

Lai palielinātu perioda mērīšanas precizitāti, jums jāizmēra laiks t atlikušais liels skaits N kopējās svārsta svārstības. Tad punkts

T=t/N (2)

Un gravitācijas paātrinājumu var aprēķināt, izmantojot formulu

Darba pabeigšana:

1. Pievienojiet mēlīti statīva stieņa augšējai malai. Novietojiet statīvu uz galda tā, lai pēdas gals izvirzītu ārpus galda virsmas malas. Piekariet vienu svaru no komplekta uz pēdu. Kravai vajadzētu pakārt 3-4 cm no grīdas.

2. Mērījumu un aprēķinu rezultātu fiksēšanai sagatavo tabulu:

Pieredze Nr.

L, m

t, s

t vid., s

T, s

g, m/s 2

3. Ar lenti izmēra svārsta garumu L.
4. Sagatavojiet laika mērītāju darbam hronometra režīmā.
5. Nolieciet svārstu par 5-10 cm un atlaidiet to.
6. Izmēriet laiku t, kurā tas pabeidz 40 pilnīgas svārstības.
7. Atkārtojiet eksperimentu 5-7 reizes, pēc tam aprēķiniet vidējo laiku, kurā svārsts veic 40 svārstības t vid.
8. Aprēķiniet svārstību periodu, izmantojot formulu (2).
9. Aprēķiniet brīvā kritiena paātrinājumu, izmantojot formulu (3).
10. Nosakiet iegūtā rezultāta relatīvo kļūdu:

* 100%, kur g mainīt – paātrinājuma lielums, kas aprēķināts veiktā darba rezultātā,g– vērtība, kas ņemta no atsauces grāmatas.

Secinājums:

3. PIELIKUMS

Matemātiskā svārsta modeļa uzdevums

Veicot uzdevumus, varat izmantot pogu “Palīdzība”.

Iestatiet maksimālo novirzes leņķi.

Iestatiet maksimālo svārsta garumu.

Noklikšķiniet uz pogas "Sākt".

Pēc četrām pilnīgām svārstībām nospiediet pogu Stop.

Lūdzu, ņemiet vērā, ka svārstību procesā potenciālā enerģija tiek pārvērsta kinētiskā enerģijā un otrādi. Šajā gadījumā kopējā enerģija paliek nemainīga.

Loga apakšējā kreisajā stūrī ir vibrāciju skaitītājs un hronometrs. Aprēķiniet svārstību periodu divos veidos. Lai aprēķinātu pirmo metodi, izmantojiet hronometrā norādīto vibrāciju skaitu un laiku. Otrajā gadījumā izmantojiet Tompsona formulu. Salīdziniet savus rezultātus.

Smaguma paātrinājums g šim un turpmākajiem uzdevumiem ir vienāds ar 10 m/s 2 . Noapaļojiet rezultātus līdz divām zīmēm aiz komata. Ierakstiet rezultātus atbildes veidlapā.

Kādos apstākļos var izmantot Tompsona formulu?

Zinot svārstību periodu, aprēķiniet leņķisko frekvenci ω 1.

Aprēķiniet leņķisko frekvenci ω 2 minimālajam svārsta garumam.

Aprēķiniet svārstību amplitūdu svārsta maksimālajam un minimālajam garumam.

Uzrakstiet svārsta maksimālā un minimālā garuma svārstību vienādojuma atrisinājumu.

Izslēdziet ātruma, kinētiskās un potenciālās enerģijas grafikus.

Salīdziniet maksimālā un minimālā svārsta garuma nobīdes un laika grafikus.

Pierakstiet, kādu pieaugumu saņem svārstību fāze laika gaitā, kas vienāds ar harmonisko svārstību periodu.

Aprēķiniet maksimālo ātrumu svārsta garumam, kas vienāds ar 2,5 m, un garumam, kas vienāds ar 1,25 m.

Pārbaudiet aprēķinus grafiski. Lai to izdarītu, izslēdziet nobīdes grafiku un aktivizējiet ātruma un laika grafiku. Salīdzināt maksimālie ātrumi dažādiem svārsta garumiem grafiski.

Aprēķiniet šūpošanās maksimālo paātrinājumu maksimālajam un minimālajam svārsta garumam. Salīdziniet savus rezultātus.

Aktivizējiet visas diagrammas. Iestatiet maksimālo svārsta garumu un maksimālo novirzes leņķi. Iestatiet arī maksimālo vājinājuma samazinājumu.

Noklikšķiniet uz pogas "Sākt".

Uzmanīgi izpētiet pārvietošanās, ātruma, kinētiskās un potenciālās enerģijas un laika un fāzes portreta grafikus.

Lūdzu, ņemiet vērā, ka svārstību procesā potenciālā enerģija tiek pārvērsta kinētiskā enerģijā un otrādi. Šajā gadījumā kopējā enerģija samazinās saskaņā ar eksponenciālu likumu.

Aprēķiniet svārstību periodu, izmantojot Tompsona formulu.

Salīdziniet iegūto svārstību periodu ar periodu, kas iegūts
7. punkts.

Zinot svārstību periodu, aprēķiniet leņķisko frekvenci ω.

Aprēķiniet svārstību maksimālo amplitūdu.

Vēlreiz noklikšķiniet uz pogas "Sākt". Pēc vienas pilnīgas šūpošanas nospiediet pogu Stop.

Aprēķiniet otrās svārstības maksimālo amplitūdu, zinot slāpēšanas koeficientu un laiku no taimera.

Pārbaudiet aprēķinus, noklikšķinot uz pogas "Aprēķināt".

Uzrakstiet svārsta maksimālā garuma svārstību vienādojuma atrisinājumu.

Aprēķināt maksimālās vērtībasātrumu un paātrinājumu laika momentam, ko rāda taimeris.

Matemātiskā svārsta modeļa uzdevuma atbildes forma
PILNAIS VĀRDS. students _______________________________________________________

1. Svārstību periods 1 gadījumā ir ______________________ sek.
   Svārstību periods 2. gadījumā ir _____________________ sek.

1. Tompsona formulu var izmantot, ja ___________________________________________________________________________________________________________________________________

   ω 1 = _______________ rad/sek.

   ω 2 = _______________ rad/sek.

   A 1 = _______________ m. A 2 = _______________ m.

   __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

   Palielinoties svārsta garumam____________________________________________________________________________________________________________________

   ______________________________________________________ ________________________________________________________________

   υ 1 = _______________ m/s. υ 2 = _______________ m/s.
   Palielinoties svārsta garumam, ātrums ____________________________________________________________________________________________________________

   A 1 = _______________ m/s 2 . A 2 = _______________ m/s 2 .
   Palielinoties svārsta garumam, _________________________________________________________________________________________________________________________

   T= _______________________ sek.

   Palielinoties amortizācijas koeficientam, matemātiskā svārsta periods ir ___________________________________________________________________________________________________________________

   ω = _______________________ rad/sek.

   A 1 = _______________ m.

   A 2 = _______________ m.

   ______________________________________________________________________________________________________________________

   υ = _______________ m/s. A= _______________ m/s 2 .

4. PIELIKUMS

Uzdevums patstāvīgam darbam

Aizpildītās tabulas skolēni iesniedz savās piezīmju grāmatiņās laboratorijas darbu veikšanai. Tā aizpildīšanai tiek izmantots interaktīvs matemātiskā svārsta modelis.

1 A) Iestatot slīdni 2-3 dažādās pozīcijās rindās “Izlieces leņķis” un “Svārsta garums”, aizpildiet tabulu. Tajā pašā laikā slīdni rindā “Vājinājuma koeficients” atstājiet uz nulli.

Izlieces leņķis

Svārsta garums

Periods

Leņķiskā frekvence

Ātrums mx

Paātrinājums maks

B) Atrodiet maksimālās kinētiskās un potenciālās enerģijas vērtības. Uzzīmējiet enerģijas un laika diagrammu.

B) Izdariet secinājumu par mehānisko vibrāciju veidu.

2 A) Iestatot slīdni uz 2-3 dažādām pozīcijām rindās “Novirzes leņķis”, “Svārsta garums” un “Vājinājuma koeficients”, aizpildiet tabulu.

Izlieces leņķis

Svārsta garums

Vājināšanās koeficients

Periods

Leņķiskā frekvence

Ātrums mx

Paātrinājums maks

B) Aprēķiniet norādītās vērtības pats un salīdziniet tās ar aprēķinos norādītajām vērtībām. Norādiet aprēķinus savā piezīmju grāmatiņā un uzzīmējiet fāzes portretu.

Jautājumi paškontrolei:

Kādas vibrācijas sauc par harmoniskām? Sniedziet harmonisko vibrāciju piemērus.

Definējiet šādus harmonisko svārstību raksturlielumus: amplitūda, fāze, sākuma fāze, periods, frekvence, cikliskā frekvence.

Atvasiniet harmonisko vibrāciju diferenciālvienādojumu un uzrakstiet tā atrisinājumu.

Kā laika gaitā mainās harmonisko vibrāciju kinētiskā un potenciālā enerģija? Kāpēc harmoniskās vibrācijas kopējā enerģija paliek nemainīga?

Atvasiniet diferenciālvienādojumu, kas apraksta slāpētās svārstības, un uzrakstiet tā risinājumu.

Kas ir logaritmiskā slāpēšanas samazināšana?

Kas ir rezonanse? Uzzīmējiet grafiku piespiedu svārstību amplitūdai attiecībā pret virzošā spēka frekvenci, ja šis spēks ir vienkārša harmoniska laika funkcija.

Kas ir pašsvārstības? Sniedziet pašsvārstību piemērus.

5. PIELIKUMS

tests par tēmu “Mehāniskās vibrācijas”

1. 1. Kas ir matemātiskais svārsts?

Stingrs korpuss, kas piekarināts ar atsperi

Materiāls punkts, kas piekārts uz bezsvara nestiepjama pavediena

Stingrs korpuss, kas piekārts uz bezsvara nepaplašināma pavediena

Jebkurš stingrs ķermenis, kas vibrē ap savu līdzsvara stāvokli

1. 1. Kas ir viļņu fronte?

Punktu ģeometriskais lokuss, kas svārstās tajā pašā fāzē

Punktu ģeometriskais lokuss, kas svārstās ar dažādām fāzēm

To punktu ģeometriskā atrašanās vieta, līdz kuriem svārstības sasniedz laikā t

Viļņu virsmas punktu ģeometriskais lokuss

1. 1. Kā sauc svārstību amplitūdu?

Maksimālā perioda vērtība

Maksimālā mainīgā daudzuma vērtība

Maksimālā frekvences vērtība, pie kuras notiek rezonanse

Svārstīgā daudzuma minimālā vērtība

1. 1. Kas ir brīvās svārstības?

Svārstības, kas rodas sākotnēji piegādātās enerģijas dēļ, kam seko ārējas ietekmes neesamība uz svārstību sistēmu

Svārstības, kas rodas ārējās ietekmes enerģijas dēļ uz svārstību sistēmu

4) Jebkādas vibrācijas, kas atrodamas dabā

1. 1. Ko sauc par harmoniskām svārstībām?

Jebkādas vibrācijas, kas atrodamas dabā

Procesi, kuriem raksturīga noteikta atkārtojamība laika gaitā

Svārstības, kurās mainīgais daudzums laika gaitā mainās saskaņā ar sinusa vai kosinusa likumu

Svārstības, kas rodas ārējās ietekmes kopējās enerģijas un sistēmas dabisko svārstību dēļ

1. 1. Kāda ir svārstību frekvence?

Laiks, kurā notiek viena pilnīga svārstība

Kopējais pilno svārstību skaits, kas veiktas laikā t

Laiks, kas nepieciešams, lai pabeigtu ceturkšņa svārstības

Pilnīgo svārstību skaits, kas veiktas laika vienībā

1. 1. Kāds ir svārstību periods?

Laiks, kurā svārstības pilnībā samazinās

Vienas pilnīgas svārstības laiks

Vērtība, kas vienāda ar apgriezto svārstību skaitu

Secīgo amplitūdu attiecības logaritms

1. 1. Kas ir svārstību fāze?

Daudzums zem sinusa vai kosinusa zīmes un kas nosaka svārstību perioda momentāno vērtību

Lielums zem sinusa vai kosinusa zīmes, kas nosaka pilnīgas svārstības ilgumu

Lielums, kas atrodas zem sinusa vai kosinusa zīmes un nosaka svārstību sistēmas momentāno stāvokli.

Daudzums zem sinusa vai kosinusa zīmes un nosaka maksimālo novirzi no līdzsvara stāvokļa

1. 1. Kādu pieaugumu saņem svārstību fāze laikā, kas vienāds ar harmonisko svārstību periodu?

1. 1. Pie kāda maksimālā novirzes leņķa var uzskatīt, ka matemātiskais svārsts joprojām veic harmoniskas svārstības?

Samazinās

Palielinās

Nemainās

Nedaudz mainās

1. 1. Kā salīdzina slāpēto un neslāpēto svārstību frekvences?

Frekvences ir vienādas

Neslāpētu svārstību biežums ir mazāks

Slāpēto svārstību biežums ir mazāks

Slāpēto svārstību biežums ir lielāks

1. 1. Pēc kāda likuma samazinās slāpēto svārstību amplitūda?

Lineārs

Saskaņā ar kosinusa likumu

Pēc kvadrāta

Eksponenciāls

1. 1. Kāds ir fiziskā svārsta samazinātais garums?

Visa svārsta garums

Matemātiskā svārsta garums, kura svārstību periods ir vienāds ar fiziskā svārsta svārstību periodu

Matemātiskā svārsta garums

1/2 matemātiskā svārsta garuma

1. 1. Ar kādu formulu var aprēķināt gravitācijas paātrinājumu, izmantojot matemātisko svārstu?

1. 1. Attēlā parādīti pārvietošanās, ātruma, potenciālās un kinētiskās enerģijas grafiki atkarībā no laika. Kādā krāsā ir kinētiskās enerģijas un laika grafiks?

3. violets

1. 1. Attēlā parādīti pārvietošanās, ātruma, potenciālās un kinētiskās enerģijas grafiki atkarībā no laika. Kādā krāsā ir nobīdes un laika grafiks?

3. violets

1. 1. Attēlā parādīti pārvietošanās, ātruma, potenciālās un kinētiskās enerģijas grafiki atkarībā no laika. Kuras attiecības ir parādītas dzeltenā krāsā?

Nobīdes atkarība no laika

Ātruma atkarība no laika

Kinētiskās enerģijas atkarība no laika

Potenciālās enerģijas atkarība no laika

1. 1. Kas ir fāzes portrets?

Nobīdes un laika grafiks

Ātruma un laika grafiks

Nobīdes un ātruma grafiks

Kopējās enerģijas un laika grafiks

1. 1. Attēlā parādīts svārstību fāzes portreta grafiks. Nosakiet, kāda veida vibrācija tā ir.

Harmoniskā slāpēšana

Harmoniska nepārtraukta

Neharmoniski slāpēts

Neharmonisks nepārtraukts

Atbildes uz testu “Mehāniskās vibrācijas”

Numurs
jautājums

Numurs
pareizā atbilde

Numurs
jautājums

Numurs
pareizā atbilde

Numurs
jautājums

Numurs
pareizā atbilde

3) Sauszemes reakcijas spēki _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4) N ​​= ____________________

5) Berzes koeficients - _________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6) µ=_________________________

7) Maksimālais slīpuma leņķis (maksimālais leņķis), α max __________________________________________________

8) Paātrinājums, a=_______________________________________________

1. Novietojiet vadīklas patvaļīgās pozīcijās un ierakstiet tabulā sākotnējos datus.

   Nospiediet pogu "Sākt" un vērojiet joslas kustību

   Pierakstiet berzes spēka, atbalsta reakcijas spēka, ķermeņa paātrinājuma vērtību, kas atrodas displejā modeļa darba laukā.

   Aprēķiniet berzes spēku, atbalsta reakcijas spēku, ķermeņa paātrinājumu, kā arī plaknes maksimālo slīpuma leņķi.

Slīpuma leņķis, α, grādi

Berzes koeficients,
µ

m, kg

Vērtības, kas aprēķinātas pēc modeļa

Studenta aprēķinātās vērtības

Robežleņķis, α maks

Berzes spēks, F tr, N

Paātrinājums, m/s 2

Zemes reakcijas spēks, N, N

Berzes spēks, F tr, N

Paātrinājums, m/s 2

Zemes reakcijas spēks, N, N

Uzzīmējiet ātruma un laika grafiku V (t):

Secinājums_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________