Проблема использования компьютерных демонстраций в обучении физике

Суббота, Январь 14, 2012

Физические эксперименты были и остаются неотъемлемой частью методики преподавания физики. Их образовательная и воспитательная ценность доказана временем. Едва ли не самой интересной частью занятия многие ученики считают именно показ какой-нибудь, пусть даже самой простой, демонстрации. Физические демонстрации настолько увлекательны, что уже давно используются во многих неучебных мероприятий.

Исследованием и разработкой демонстрационных опытов занимаются многие физики и методисты. Но при этом по-настоящему новых и оригинальных экспериментов с каждым годом становится все меньше. Чаще всего используются одни и те же идеи, незначительно измененные под те или иные цели. Наметившуюся в этой области стагнацию можно преодолеть, используя в обучении компьютерные демонстрации.

Вашему вниманию предлагается несколько авторских компьютерных демонстраций. Их можно использовать как на уроках в школе, так и в индивидуальном обучении с репетитором в качестве сопровождения при изучении сложных вопросов школьного курса физики. Для просмотра демонстраций на вашем компьютере должна быть установлена бесплатная программа Adobe Flash Player.

1. Демонстрация закона радиоактивного распада

Цель демонстрации: показать, что число ядер радиоактивного вещества уменьшается с течением времени по экспоненциальному закону.

Описание демонстрации: содержит два слайда.

На первом слайде содержится окно ввода необходимых для демонстрации данных (период полураспада, начальное количество ядер). При этом вводимый пользователем период полураспада не должен быть меньше 10 мин. и больше 40 мин., а начальное число не должно быть меньше 200 ед. и больше 400 ед. (1 ед. здесь соответствует 1010 ядер природного изотопа). В том случае, если пользователь вводит данные, не входящие в указанные интервалы, выводится слайд с ошибкой и ее описанием.

На втором слайде происходит показ самой демонстрации. Вначале в окне случайным образом располагаются ядра условного радиоактивного элемента. После этого начинается их условный распад: каждую 1/70 секунды каждому оставшемуся ядру ставится в соответствие случайно выбранное число, находящиеся в интервале [0; 1]. В том случае, если это число меньше вероятности распада, определяющейся по формуле: ln 2/T, где T – период полураспада, то соответствующее ядро исчезает (распадается). Текущее значение времени и числа ядер отображается на счетчике, а по этим значениям строится график.

Процесс распада искусственно ускорен в 70 раз (1/70 с реального времени равняется 1 с виртуального). Вертикальной линией на графике обозначен период полураспада, горизонтальной – половина начального числа ядер. В идеале график всегда должен проходить через точку их пересечения. Процесс продолжается до тех пор, пока время не станет равным 4T. После этого появляется кнопка, по нажатию которой экспериментатор может повторить всю демонстрацию сначала.

Особенности методики: используя эту демонстрацию на занятии, необходимо обратить внимание на следующие моменты:

  • Требуется кратко описать принцип работы демонстрации, разъяснив при этом то, каким образом определяются распадающиеся ядра. По современным представлениям наиболее адекватным является вероятностное описание квантовой механики. Работа данной демонстрации как раз и построена на использовании вероятностного принципа.
  • Получаемая кривая далека от идеальной экспоненты. Необходимо объяснить ученикам, что это происходит из-за того, что начальное число ядер мало. Чем больше ядер, тем лучше результат. В реальности ученые имеют дело с числом ядер порядка числа Авогадро (6·1024 моль-1), что значительно больше 400. По этой же причине экспериментальная кривая иногда не проходит через точку пересечения вертикальной и горизонтальной линий на графике.
  • Важно обратить внимание учеников на то, что эта демонстрация лишь моделирует реальность математическими и компьютерными средствами, а потому не может претендовать на полное всестороннее описание процесса. Она учитывает лишь самые существенные стороны, поэтому результат «правдив» лишь с определенной степенью точности. Задача демонстрации — наглядно проиллюстрировать механизм распада ядер. Это тем более полезно, что провести реальный опыт по наблюдению распада радиоактивных веществ в школьных условиях весьма проблематично.

2. Задача двух тел

Цель демонстрации: продемонстрировать движение двух материальных точек под действием только силы гравитационного притяжения при различных начальных условиях (начальных положениях и начальных скоростях). Известно, что это движение происходит в одной плоскости, положение которой не меняется в пространстве с течением времени, поэтому демонстрация носит двумерный характер.

Описание демонстрации: содержит три слайда.

На первом слайде содержится окно ввода необходимых данных (массы первого и второго тела в условных единицах). При этом их значения не должны быть меньше 10 ед. и больше 100 ед. Также в окне ввода имеется кнопка с изображенным на ней знаком бесконечности. При ее нажатии во втором текстовом поле вводится строка «много больше», и масса второго тела считается программой условно бесконечной. При ее повторном нажатии во второе текстовое поле вводится число 30.

На втором слайде пользователем вводятся начальные данные (начальные положения и начальные скорости тел). На этом слайде расположены два пронумерованных тела и два указателя. Перемещая указатели или сами тела при нажатой левой кнопке мыши, можно изменять начальное положение и начальную скорость этих тел. Числа на указателях показывают модули начальных скоростей тел в условных единицах. Для того, чтобы остановить одну из планет в начальный момент времени, можно воспользоваться кнопками, расположенными на нижней панели. С использованием этих инструментов демонстратор может задавать любые начальные условия наглядным, интуитивно понятным для учеников образом.

В случае, если масса второго тела во много раз превышает массу первого, изначальное расположение тел и скоростей на экране таково, что первое тело движется вокруг второго по идеальной окружности. Кроме того на экране появляется дополнительная панель, с помощью кнопок которой можно расположить тела и начальные скорости таким образом, что траектория движения малого тела станет эллипсом или гиперболой, или спутником.

На третьем слайде происходит демонстрация. Каждую 1/70 с численными методами на основании Второго закона Ньютона и Закона всемирного тяготения с использованием начальных условий вычисляется значение координат тел в следующий момент времени, и происходит перемещение тел в эти точки. Движение прекращается в том случае, если тела сталкиваются, или оба из них уходят за пределы экрана. После завершения демонстрацию можно повторить.

Особенности методики: используя эту демонстрацию на занятии, необходимо обратить внимание на следующие моменты:

  • Прежде всего, необходимо объяснить ученику в общих чертах принцип работы демонстрации. Также следует обратить внимание на то, что программа моделирует тела материальными точками. На экране размеры тел соизмеримы с расстояниями между ними, поэтому считать их материальными точками нельзя. Это допущение было сделано исключительно для удобства наблюдения.
  • Рекомендуемая последовательность проведения демонстрации: движение тел одинаковой массы (упомянуть, что по таким траекториям движутся, например, двойные звезды) – движение по окружности (траектория движения Земли вокруг Солнца) – движение по эллипсу (к примеру, движение планеты Меркурий вокруг Солнца) – движение по гиперболе (некоторые кометы) – движение спутника (здесь можно упомянуть об открытии Галилее спутников Юпитера) – произвольные начальные данные, вводимые вручную.
  • Как и в предыдущем эксперименте важно обратить внимание ученика на модельный характер демонстрации, а также указать условия, которые не учитываются в работе данной программы.

3. Механические колебания

Цель демонстрации: показать учащимся модель, реально изображающую все основные виды колебаний, которые изучаются на уроках физики в школе (свободные, затухающие и вынужденные). Математический аппарат, используемый в школе для описания механических колебаний, очень скуден. Это связано в первую очередь с тем, что данная тема изучается в курсе физики в 10-м классе еще до начала изучения производных в курсе математики. В таких условиях учителю трудно придумать такое объяснение материала, чтобы доступность изложения не шла вразрез с научностью. Приходится прибегать к искусственным, далеко не всегда понятным для школьников приемам и доказательствам. Данная демонстрация призвана помочь преподавателю «на пальцах» разъяснить ученику основные теоретические моменты, связанные с темой «Механические колебания», а также обратить внимание на суть явления, отбросив при рассмотрении все посторонние детали, что весьма сложно сделать при проведении реальных физических демонстрации.

Описание демонстрации: содержит два слайда.

На первом слайде приведено окно с входными данными (жесткость пружины, масса груза), а также окно выбора типа демонстрируемых колебаний (свободные, затухающие периодические, затухающие апериодические, биения или резонанс). Информация о том, какой тип демонстрации выбран отображается в правом нижнем углу слайда.

На втором слайде происходит сама демонстрация. Для того, чтобы колебания начались, необходимо отвести тележку от положения равновесия при нажатой на ней левой кнопке мыши и отпустить. Красной вертикальной линией обозначено положение равновесия, синими – начальное отклонение тележки от положения равновесия вправо и влево. В верхней части экрана по ходу колебательного процесса рисуется график зависимости амплитуды колебаний от времени. Демонстрация прекращается, когда заполняется вся область построения графика. В любой момент демонстрацию можно повторить, нажав на кнопку «повтор» или отклонив тележку от положения равновесия в новую точку. В зависимости от выбранного типа колебаний, возможны ситуации:

  • свободные колебания (на груз не действуют никакие внешние силы, он колеблется только под действием силы упругости пружины). В этом случае график представляют собой обыкновенную синусоиду. При проведении демонстрации рекомендуется не делать амплитуду колебаний слишком большой, чтобы график был больше похож на синусоиду, с которой ученики имеют дело на уроках алгебры.
  • затухающие периодические колебания (на груз помимо силы упругости пружины действует небольшая внешняя сила сопротивления среды, например воздуха). Начальную амплитуду следует взять наибольшей, чтобы затухание очень четко прослеживалось по ходу демонстрации.
  • затухающие апериодические колебания (колебания груза рассматриваются в вязкой среде). Начальное отклонение от положения равновесия также лучше взять максимальным.
  • биения (колебания груза в среде без сопротивления под действием силы упругости пружины и внешней гармонической силы, частота которой мало отличается от собственной частоты колебаний системы). Гармонически изменяющуюся внешнюю силу моделирует стрелка, которая меняет свою длину и направление по ходу демонстрации. Объяснить биения школьникам без привлечения дифференциального исчисления сложно. Данная демонстрация особенно удобна для качественного объяснения этого явления. Можно обратить внимание учеников на то, что частота вынуждающей силы не совпадает с собственной частотой колебательной системы. В результате в процессе колебаний возникают моменты, когда внешняя сила «мешает» нарастанию амплитуды (направлена в сторону, противоположную движению груза в данный момент), поэтому здесь амплитуда колебаний уменьшается. Наоборот, имеются моменты, когда внешняя сила «помогает» нарастанию амплитуды (сонаправлена со скоростью движения груза в данный момент). Все эти рассуждения следует проводить совместно с показом демонстрации, чтобы ученики могли увидеть все это «в живую». Начальную амплитуду рекомендуется брать небольшой.
  • резонанс (колебания груза в среде с сопротивлением под действием силы упругости пружины и внешней вынуждающей гармонической силы, частота которой совпадает с собственной частотой колебательной системы). Поскольку частота вынуждающей силы совпадает с собственной частотой колебаний груза, то эта сила постоянно «помогает» колебаниям (она в любой момент сонаправлена со скоростью движения груза, что очень хорошо видно на демонстрации). В результате амплитуда непрерывно возрастает, но не до бесконечности, а до какого-то определенного предела, поскольку на груз также действует сила вязкого трения среды. Начальную амплитуду колебаний рекомендуется брать небольшой.

В данной статье отражена лишь малая часть аспектов, связанных с проблемой использования компьютерных демонстраций в обучении физике. Эта область дидактики очень молода и быстро развивается. Общей методики использования компьютера в обучении физики не построено до сих пор. Изучение этой проблемы в настоящее время находится на стадии накопления опытного материала. Следующим этапом станет обобщение полученных данных в единую методику.

Данные компьютерные демонстрации и методика их использования в обучении физике были разработаны мной в рамках выпускной квалификационной работы в годы обучения в педагогическом университете, где я продолжаю работать по сей день. Материалы работы были использованы во время прохождения педагогической практики в школе, а также на ежегодном турнире им. М. В. Ломоносова, в проведении которого я принимал некогда активное участие. Основные тезисы работы были опубликованы в ежегодно издаваемом сборнике «Познание процессов обучения физике». Пользуясь случаем, хочу выразить глубочайшую признательность моему научному руководителю доктору педагогических наук, профессору Ю. Л. Дементьеву за неоценимую поддержку, без которой эта работа не была бы выполнена, а также моему школьному учителю по физике И. И. Раздорскому, всегда служившему мне примером во всем.

Профессиональный репетитор по физике
Сергей Валерьевич

Добавить комментарий