Архив Галактики

Реализация проекта «1 ученик -1 компьютер» в преподавании физики и астрономии

lev39's blog / 09.11.2012

продолжение, начало здесь
Пигалицын Л.В., Народный учитель РФ, учитель физики и астрономии МОУ СОШ № 2 г.Дзержинска Нижегородской области

Конструктор виртуальных экспериментов «Крокодил»

Это всемирно известный и, пожалуй, наиболее совершенный физический конструктор «Крокодил». Данный конструктор является универсальным. С помощью него можно моделировать практически все явления, изучаемые в школьном курсе физики.

Работая с темами «Движение и силы», «Электричество», «Волновые явления» и «Оптика», можно в деталях изучить все основные физические процессы. Легкая компоновка виртуальных моделей из готовых наборов, создание анимированных графиков в режиме реального времени, индивидуальная и гибкая система построения экспериментов – все это делает данный конструктор настоящей виртуальной физической лабораторией.

Компьютерное моделирование позволит школьникам самостоятельно обнаруживать связи между разными характеристиками явлений, представлять их в графическом виде с последующим объяснением причин полученных закономерностей. Живая визуализация материала способствует лучшему усвоению информации, а возможность самостоятельной работы развивает исследовательские навыки учащихся.
Программа может быть использована не только в школьном курсе физики (7–11 классы), но и в средних специальных учебных заведениях, а также в вузах при прохождении курса «Общая физика».
Особенности программы:
• Возможность варьирования условий эксперимента вплоть до практически нереальных случаев.
• Мощный инструментарий, позволяющий управлять значениями физических величин.
• Автоматическое построение графиков.
• Возможность сохранения и печати созданных моделей.

Несомненным достоинством программы является хорошо проработанный обучающий блок с пошаговыми инструкциями по обучению работы с программой, что является полезным для начинающих пользователей. В этом блоке объясняется, как работать с разделами, с элементами (выбор элементов, вращение, изменение размеров), как собрать простейшую электрическую цепь, создать графики, иллюстрирующие изменение физических величин в ходе того или иного эксперимента, рассказывается, как построить изображения предметов, как исследовать волновые явления и многое другое.

Для начала, в качестве иллюстрации возможностей данного конструктора, я рассмотрю несколько примеров из разных разделов физики, имеющихся в библиотеке демонстрационных программ конструктора, а затем расскажу, как создавать собственные физические модели.

Механика

Пример 1. Зависимость силы тяжести от ускорения свободного падения на планетах

При изучении ускорения силы тяжести и изменения силы тяжести от массы и размеров планеты, полезно провести исследования, связанные с изменением этих величин на разных планетах. Познакомимся с тем, как это реализовано в «Крокодиле».

На рабочем столе изображены фрагменты поверхности Земли, Луны и Марса. Внизу написаны значения ускорений свободного падения на этих планетах. В папке элементов (слева вверху) находятся шары разной массы. Помещая их на разные планеты, получаем значения величины силы тяжести, действующей на каждый шар, помещенный на разные планеты.

Данный пример я использую так: предлагаю учащимся вычислить значение силы тяжести, действующий на один из шаров, находящийся в папке элементов на изображенных планетах, а потом провести эксперимент, подтверждающий или опровергающий их вычисления (бывает и такое!).

Пример 2. Моделирование движения шара, брошенного вертикально вверх

На земле покоится шар. Для начала движения шара нажимают на кнопку Старт. Шар начинает двигаться вертикально вверх со скоростью 5 м/с. Сопротивления воздуха нет. Во время движения шара строится график скорости. На графике видно, что независимо от того, движется шар вверх или вниз, его ускорение остается постоянным, так как угол наклона графика скорости к оси времени не изменяется.


Пример 3. Механическая работа

В данной модели рассматриваются вопросы, связанные с работой силы тяжести. На рисунке изображена ракета в вертикальном положении, находящаяся на старте. На ракету действует сила тяжести и сила реакции опоры. Они равны, поэтому ракета покоится. Перед учащимися ставится вопрос : «Какую работу совершит сила тяжести, действующая на ракету, при перемещении ее в горизонтальном направлении?». Из формулы А = F•S•cos α следует, что А = 0, так как α = 90^о. Проверяем наш ответ на модели. Подводим к модели ракеты курсор и перемещаем модель вправо (см. левую часть рисунка). Внизу появляется сообщение : «Совершенная работа в (Дж) равна 0». Наше решение оказалось верным.
Проведем второй эксперимент. Пусть на ракету подействует вверх сила, равная силе тяжести. Тогда ракета будет двигаться равномерно вертикально вверх. Если движущая сила будет равна 9,81 Н, а ракета поднимется на высоту 51 м, то работа, совершенная этой силой, будет порядка 500 Дж, а работа, совершенная сила тяжести будет такая же, но со знаком минус, так как направление движения и направление силы тяжести противоположны по направлению.


Пример 4. Моделирование колебаний шара на пружине

Данная модель позволяет не только исследовать колебания шара на пружине, но и наблюдать график смещения шара от положения равновесия и график скорости. Из рисунка видно, что эти графики находятся в противофазе, т.е. если смещение шара от положения равновесия равно нулю, то скорость шара максимальна и наоборот. График смещения или график скорости можно заменить графиком ускорения и проследить, как изменяются эти величины со временем. Кроме этого в данной модели можно изменять массу шара и жесткость пружины.
В связи с этим учащимся можно задать вопрос «Как изменятся графики смещения, скорости и ускорения груза колеблющегося на пружине, если изменить массу шара?, жесткость пружины?». После обсуждения ответов учащихся можно запустить модель и, тем самым, проверить правильность ответов учащихся.


Пример 5. «Эффект Доплера»

Эффект Доплера многие учителя физики зачастую игнорируют. А зря. Ведь именно благодаря эффекту Доплера было обнаружено красное смещение у звезд и галактик. Благодаря красному смещению у объектов Вселенной было установленного, что наша Вселенная расширяется и, возможно, действительно когда-то был Большой взрыв. В конструкторе «Крокодил» есть замечательная модель «Эффекта Доплера». В верхней части рисунка видно, что автомобиль с включенным сигналом приближается к человеку и длина волны, излучаемая источником сигнала, уменьшается, следовательно, высота звука, который слышит наблюдатель, увеличивается – частота равна 1,53 кГц ( для световых волн это будет фиолетовое смещение). В нижней части рисунка видно, что автомобиль с включенным сигналом удаляется от человека и длина волны, излучаемая источником сигнала, увеличивается, следовательно, высота звука, который слышит наблюдатель, уменьшается – частота равна 743,17 Гц (для световых волн это будет красное смещение). В данной модели весьма полезным является то, что можно изменять частоту колебаний источника звука и скорость движения автомобиля.


Электродинамика.

Пример 1. Исследования подключения источников тока разными способами

На рисунке изображены две цепи. В левой цепи источники тока соединены последовательно, т.е. плюс одного источника тока соединяется с минусом другого источника тока. При замыкании электрической цепи выключателем лампа загорается. На правой части рисунка источники тока соединяются неправильно, и при замыкании этой электрической цепи лампа не горит. Небольшой опыт, которые приобретут учащиеся при работе с этим примером, поможет им правильно подключать к нагрузке несколько источников тока. Полученные знания учащиеся смогут применить при замене «севших» источников тока или аккумуляторов в пультах управления телевизоров, видеомагнитофонов, в фотоаппаратах, игровых приставках и т.д.


Пример 2. Исследование закона Ома

При изучении закона Ома важную роль играет вольт-амперная характеристика тока в металлах. По вольтамперной характеристике можно легко сделать вывод о величине сопротивления участка цепи. Модель, предлагаемая в конструкторе «Крокодил», позволяет это сделать.
На рабочем столе (см. рис.) собрана схема электрической цепи, состоящей из источника постоянного тока с регулируемым напряжением (от 0 до 10 В), амперметра и вольтметра. Вверху слева находится папка элементов с различными сопротивлениями. Выберем из папки элементов резистор с сопротивлением 75 Ом и поместим его в схему. Затем будем плавно увеличивать напряжение источника тока. На графике будет строиться вольтамперная характеристика для этого резистора. Затем можно помещать в схему другие резисторы и снова снимать вольт-амперные характеристики. Сравнивая полученные вольтамперные характеристики, можно сделать вывод, что чем меньше сопротивление резистора, тем под большим углом будет располагаться график зависимости тока от напряжения и наоборот.


Пример 3. Исследование параллельного соединения проводников

На рабочем столе собрана электрическая цепь, состоящая из четырех ламп с выключателями. Для измерения напряжения на лампах и силы тока в них, к ним подключены амперметры и вольтметры. Перед началом эксперимента учащимся задают три вопроса А, В и С.
Какое утверждение соответствует происходящему с силой тока в цепи ?
А. При подключении дополнительных ламп полная сила тока не изменяется.
В. При подключении дополнительных ламп полная сила тока уменьшается.
С. При подключении дополнительных ламп полная сила тока увеличивается.
После выбора ответа учащиеся начинают по очереди подключать лампочки и убеждаются в правильности третьего ответа.


Пример 4. Биения

При сложении двух колебаний, происходящих в одном направлении с близкими частотами, возникают колебания с частотой, равной разности частот складываемых колебаний. Эти колебания называются биениями. Биения лежат в основе принципа работы супергетеродинного радиоприёмника, где сигнал принимаемой радиостанции складывается с сигналом гетеродина и возникают биения, колебания промежуточной частоты. Модель «Биения» позволяет смоделировать сложение двух колебаний с близкими частотами. В верхней части рисунка расположена схема, состоящая из двух источников переменного тока (генераторов), у которых можно изменять частоту. Сигналы с обоих генераторов подаются на громкоговоритель, и в нем можно услышать биения. Кроме того, на графике рисуется результирующее колебание, амплитудная огибающая которого и является частотой биений. На основе биений можно сделать электромузыкальный инструмент – терменвокс. Его изобрёл Лев Сергеевич Термен. При движении руки около антенны, соединённой с колебательным контуром, собственная частота контура изменяется, что влияет на частоту биений, а их можно преобразовать в звук и при определенном навыке на такой установке можно исполнять музыкальные произведения.


В библиотеке демонстрационных программ конструктора имеется много разных моделей, но из-за ограниченного размера статьи их все рассмотреть просто невозможно, поэтому когда вы приобретете эту программу, то познакомитесь со всеми моделями.

Реальный физический компьютерный эксперимент с применением микроконтроллеров для ПК

При автоматизации физического эксперимента, например, по механике, с помощью электронного секундомера, очень часто приходится создавать схемы по замыканию и размыканию контактов, а при измерении различных физических величин с использованием датчиков - очень удобно использовать микроконтроллеры. У нас нет цифровой лаборатории «Архимед» и других подобных лабораторий, поэтому мы используем микроконтроллеры «KE-USB24A» и «Freeduino». Они хороши тем, что у них много бинарных входов/выходов и есть аналоговые порты для подключения датчиков физических величин, с помощью которых к компьютеру можно подключить абсолютно все физические приборы – от деревянной линейки до адронного коллайдера. Датчики для измерения физических величин делаем самостоятельно, которые, кстати, не уступают промышленным датчикам лаборатории «Архимед».

Модуль Ke-USB24A предназначен для сопряжения внешних цифровых и аналоговых устройств, датчиков и исполнительных механизмов с компьютером через шину USB. KE-USB24А определяется ОС Windows/Linux как виртуальный COM порт, не требует дополнительных схемных элементов, сразу готов к работе. Он имеет 24 дискретные линии ввода/вывода с возможностью независимой настройки направления передачи данных (вход/выход) и сохранения настроек в энергонезависимой памяти модуля, встроенный 10-ти разрядный АЦП, рассчитанный на вход аналогового сигнала для АЦП от 0 до 5 В. Питание модуля возможно как от шины USB, так и от внешнего источника питания, дающего напряжение 5 В (режим выбирается переключателем на плате модуля).



Более универсальным устройством является маленькое итальянское компьютерное чудо – Arduino, на базе которого российские умельцы создали микроЭВМ «Freeduino». Основой «Freeduino» является микроконтроллер Atmega фирмы Atmel. Она содержит 14 цифровых портов ввода/вывоода, 6 преобразователей цифрового сигнала в аналоговый (ШИМ) и 6 аналоговых портов АЦП. На плате есть небольшая память, что позволяет при необходимости использовать ее без ПК в роботизированных устройствах.

Оба этих устройства можно с успехом применять в школьном физическом эксперименте. Вместе с разработанными вами датчиками для измерения физических величин на их базе создается школьная цифровая физическая лаборатория, специально для проекта «1 – 1». Более того, практически все мои ученики с помощью микроконтроллеров проводят учебно-исследовательские работы по физике и астрономии.




Использование интернет-ресурсов для проведения астрофизических экспериментов в проекте «1 – 1»

Для проведения астрофизических экспериментов нетбуки подключаются к сети Интернет и мы используем следующие ресурсы:.

• Очень интересный сайт с несколькими сотнями страниц создал астрофизик, профессор МГУ Владимир Липунов. Он называется «Pereplet». Это один из немногих высоконравственных сайтов.
• Наиболее популярным физическим сайтом для моих учеников является сайт Научная Сеть - «Nature.ru». Этот сайт создан при МГУ. С него есть непосредственный выход на очень многие физические и астрономические сайты, как отечественные, так и зарубежные.
• AstroNet - портал для научных статей как для широкого круга читателей, так и для профессионалов. На сайте AstroNet есть уникальная рубрика «Астрокартинка дня». В ней помещаются уникальные фотографии астрономических объектов, сделанные различными обсерваториями. Мы регулярно скачиваем эти картинки с аннотациями, показываем их на уроках астрономии, включаем в презентации, в рефераты и помещаем на стенд КЮФ.
• Сайт NASA. Под эгидой этого сайта работает масса проектов, как для первого знакомства с астрономией, так и для профессионалов. Причем, в связи с созданием мощного переводчика PROMT XT, появилась возможность у учителей и учеников, не знающим английского языка, пользоваться информацией с англоязычных сайтов.