Эксперимент

Компьютерный физический эксперимент

Продолжение. См. № 5, 7, 9, 11, 17, 19, 21/2008

3. Демонстрационный компьютерный эксперимент

Программы позволяют демонстрировать различные физические явления, выяснять устройство и принцип действия приборов, машин и различных устройств. Такие программы являются первым шагом для ученика, изучающего данное физическое явление, и предоставляют реальную возможность зрительно познакомиться с изучаемым физическим явлением. Здесь ещё нет элементов исследования, изменения параметров физических величин, моделирования различных ситуаций – это всё будет потом. А сейчас надо увлечь ученика, или, говоря высоким стилем, усилить его мотивацию. В связи с этим к демонстрационным программам предъявляются серьёзные требования: они должны быть педагогически целесообразными, выразительными, интересными и доступными как для сильных, так и для слабых учащихся.

Когда я начинал заниматься компьютерным физическим экспериментом, а это было лет двадцать назад, никаких учебных, тем более моделирующих, программ ещё не было. Поэтому пришлось создавать их самому вместе с учениками. Сейчас даже трудно представить, как можно было, допустим, на чёрно­белом компьютере «Микроша», имеющем 32 кБ памяти ОЗУ с псевдографикой (графики не было, а были прямоугольнички 4×5 пикселей) создавать программы, моделирующие различные процессы, а потом записывать их на магнитофоне на обычные кассеты (кстати, если кому­либо из читателей понадобятся такие программы, то пишите, и я вышлю). Но это было, и отдельные ученики делали очень хорошие программы. С некоторых из них мы сделали ремейки на современной компьютерной технике и пользуемся до сих пор. Надо сказать, что и сейчас учащиеся с удовольствием пишут самые разные несложные, в том числе и демонстрационные, программы на Бейсике, на Паскале или на Дельфи. Наиболее удачные я использую на уроках и вне.

В последнее время выпускается относительно много компьютерных физических энциклопедий, интерактивных курсов по физике и т.д., появилась возможность использовать различные типы компьютерных физических экспериментов из этих источников, тем более что многие из них выполнены на высоком графическом и методическом уровне. В связи с тем, что нельзя объять необъятное, я расскажу лишь о некоторых программах по демонстрационному компьютерному эксперименту, охватывающих разные разделы школьного курса физики.

Механика

1. Определение цены деления прибора. В любом эксперименте требуется производить измерения различных физических величин. От точности измерений, как известно, зависит конечный результат исследования физического процесса. В связи с этим очень важно научить правильно определять цену деления измерительного прибора. Как показывает опыт преподавания физики в 7—8-­х классах, учащиеся очень часто испытывают трудности в определении цены деления измерительного прибора. В результате измеряемая величина определяется неверно.

На диске «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия. Физика. 8 класс» есть демонстрационная программа, которая поможет научиться определять цену деления и значение измеряемой величины. На рисунке показан фрагмент этой демонстрационной программы – определение цены деления мензурки и объёма жидкости в ней. Запустить программу можно без установки Виртуальной школы, достаточно установить только вспомогательные плагины (программы) для воспроизведения анимаций, которые находятся на диске Виртуальной школы.

2. Рычажные весы. Весьма полезной является одгоимённая программа из мультимедийного пособия «Вся физика» фирмы «Руссобит» (серия «Руссобит­педагог»). Она позволяет познакомить учащихся с устройством и принципом дейст­вия рычажных весов и правилами взвешивания, а также провести компьютерный эксперимент по взвешиванию яблока, кольца и спички. Разновесы выбираются из ящика с помощью пинцета, которым управляют с помощью мыши.

3. Гидростатическое давление в жидкостях. При изучении в 7-­м классе темы «Давление жидкости» учителя, как правило, демонстрируют опыт по изменению давления внутри жидкости с глубиной погружения на примере воды. А что, если воду заменить другой жидкостью? Некоторые демонстрируют подобные достаточно трудоёмкие опыты. А как будет изменяться давление, если датчик погружать в ртуть? Здесь возникают две проблемы: первая – датчик в ртути не будет виден, и вторая – ртутью пользоваться в школе нельзя. И вот тут на помощь учителю приходит бесплатная программа с немецкого анимационного сайта по физике www.walter­­fendt.dewww.walter­­fendt.de/ «Гидростатическое давление в жидкостях» (Hydrostatic Pressure in Liquids). В верхней части правой панели выбирается исследуемая жидкость (Liquid). Ниже высвечиваются плотность жидкости, глубина погружения датчика и давление жидкости на этой глубине. Датчик вместе с манометром передвигают вверх и вниз с помощью мыши. Компьютерный эксперимент проводится с водой, этанолом, бензолом, тетрахлорметаном и ртутью. На первый взгляд, может показаться непонятным такой набор жидкостей для эксперимента. Но, оказывается, авторы взяли их не случайно. Дело в том, что плотности этанола и бензола меньше плотности воды (0,79 и 0,88 г/см³), а плотности тетра­хлорметана и ртути больше (1,59 и 13,6 г/см³). Таким образом, учитель может продемонстрировать не только зависимость гидростатического давления от глубины погружения в жидкость, но и его зависимость от плотности жидкости. Если вы решите использовать эту программу, да и другие на этом сайте, то имейте в виду, что ваш браузер должен иметь Java­плагины (программы). Такие плагины есть в браузере «Opera 7.2». Его можно скачать бесплатно с сайта http://opera.com. и после инсталляции на компьютер использовать только для запуска подобных программ, а основной браузер, например Internet Explorer 7, использовать для работы в сети.

4. Ньютонова гора. При изучении физики космических полётов и космических скоростей может быть полезной демонстрационная программа «Ньютонова гора» из сборника компьютерных лабораторных работ «Лабораторные работы. 10 класс. “Дрофа” (Квазар­микро. e­book@drofa.ru,/a>)». Как видно из рисунка, на рабочем столе компьютера изображена планета Земля, а на ней гора, которую физики назвали «Ньютоновой горой», поскольку впервые подобный рисунок был опубликован в книге Ньютона «Математические начала натуральной философии». В данной программе можно демонстрировать движения тел, бро­шенных горизонтально с разными скоростями. В левом верхнем углу расположено окно, в котором можно изменять начальную скорость тела (и в км/с, и в км/ч). Выбор скорости определяется положением движка. После выбора скорости нажимаем на кнопку «Старт», и тело начинает двигаться. При движении тела вычерчивается и траектория его движения. Выбирая различные начальные скорости, можно выяснить характер траектории движения тела в гравитационном поле Земли. Определив из данного компьютерного эксперимента начальную скорость, при которой тело движется по окружности, можно приступить к выводу формулы первой космической скорости.

5. Импульс тела. На диске «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия. Физика-­10» есть демонстрационная программа «Импульс тела», которая поможет зрительно представить данную физическую величину и понять действия, которые может произвести одно и то же тело, имея разные скорости. В первой части программы спортсмен бросает небольшое пушечное ядро в кирпичную стену – со стеной ничего не происходит. Во второй части таким же ядром стреляют из пушки, сообщая ей большую скорость, – стена разрушается. В третьей части делается вывод: чем больше скорость данного тела, тем больше у него количество движения (импульс) и тем более сильное действие оно может произвести.

6. Превращение механической энергии. В мультимедийном пособии «Вся физика» (фирма «Руссобит», серия «Руссобит­педагог») имеется программа, демонстрирующая движение мяча в безвоздушном пространстве. Сначала он падает вниз до поверхности Земли, затем, отскакивая от Земли без потери энергии, летит вверх, и т.д. При движении мяча на экране появляется комментарий по поводу изменения потенциальной и кинетической энергий тела для данного движения. Если на рисунке показано движение мяча вверх, комментарий такой: «С увеличением высоты потенциальная энергия растёт, а кинетическая уменьшается»

В таблице, расположенной ниже, синхронно с движением мяча показываются значения высоты мяча относительно поверхности Земли и его потенциальная и кинетическая энергии.

7. Механические волны. Мой ученик Ушаков Антон создал на языке Дельфи демонстрационный пакет программ по механическим волнам: образование продольных и поперечных волн, отражение, интерференция, дифракция, определение скорости механических волн и волновая локация. Первая программа этого пакета (см. рис.) позволяет демонстрировать образование поперечных и продольных волн, причём они могут двигаться как вправо, так и влево.

Для изменения параметров волны служит панель «Параметры волны», позволяющая изменять скорость волны, период колебания частиц в волне, амплитуду колебания частиц и размеры промежутков между ними.

Ниже расположена панель, в которой можно выбрать тип волны – продольную или поперечную. И, наконец, в самом низу находится панель, в которой можно изменить направление распространения волны (влево или вправо) или включить сразу две волны, распространяющиеся навстречу друг другу, в результате чего получится стоячая волна. Эта программа создана учеником по моему сценарию и поэтому вписывается в мою методику преподавания этой темы. Программу можно скачать бесплатно с моего сайта www.physics­­computer.by.ru.

8. Эффект Доплера. На немецком сайте www.walter­fendt.de , о котором я уже рассказывал, есть программа «Эффект Доплера» («Dopplereff»), полезная при объяснении этого эффекта. Дело в том, что при объяснении эффекта Доплера, необходимо убедить учащихся в том, что при приближении источника звукового сигнала к наблюдателю длина волны уменьшается и, наоборот, при удалении – увеличивается. На мой взгляд, данная программа прекрасно решает эту задачу.

В центре рисунка стоит наблюдатель. Слева движется машина «скорой помощи». Длина звуковой волны, излучаемая сиреной машины, при приближении к нему уменьшается, а когда машина отъезжает, длина волны увеличивается. Программа бесплатная и работает в браузере «Opera 7.2».

Тепловые явления

1. Движение молекул в газах, жидкостях и твёрдых телах. В 7-­м классе школьники только начинают изучать физику, и поэтому компьютерные образовательные технологии наряду с натурным физическим экспериментом помогут учителю повысить мотивацию к изучению предмета. При изучении строения вещества наглядность имеет особенно важное значение, но показать, например, как расположены молекулы в веществе и каков характер их движения, на опытах невозможно. И вот здесь учителю поможет компьютерная программа «Движение молекул в газах, жидкостях и твёрдых телах» на диске «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия. Физика­5–6». При запуске программы на экране видны шарик, наполненный газом, колба с жидкостью и металлический кубик, что соответствует трём состояниям вещества. При наведении курсора на одно из этих тел в окне, находящемся в правом верхнем углу, появляется молекулярное строение этого тела и движение молекул. На рисунке показано внутреннее строение жидкости.

2. Конвекция. На этом же диске есть демонстрационная программа «Конвекция». В ней представлена анимация процесса конвекции жидкости при её нагревании. Холодная вода, которая опускается сверху, изображается тёмными (в оригинале тёмно-­синими) стрелками, а тёплая – более светлыми (голубыми) стрелками. После прогревания воды конвекция продолжается, но перепад температур нагретой и холодной воды становится меньше, соответственно цвета стрелок, изображающих потоки холодной и нагретой воды, уже мало отличаются друг от друга.

Анимация выполнена красиво и вызывает неподдельный интерес у учащихся.

3. Тепловые двигатели. Паровоз. Эта очень занимательная бесплатная демонстрационная программа находится на немецком сайте http://www.k­­wz.de. Называется она «Паровая машина». На рабочем столе изображена модель паровоза в разрезе. Учащиеся видят на экране котёл и паровую машину с парораспределительным механизмом. После объяснения устройства и принципа действия паровой машины и всего паровоза в целом нажимаем на кнопку «Старт» – все детали паровой машины приходят в движение. В любой момент анимацию можно остановить, чтобы показать, что в этот момент происходит в паровой машине. При нажатии на кнопку «GO» из кабины высовывается чумазый машинист, и паровоз, выбрасывая из трубы клубы дыма, начинает двигаться, вызывая восторг у учащихся как 8-­х, так и 10-­х классов. Имейте в виду, что программа работает только в браузерах с поддержкой пакетов Java. Лучше всего для этой цели подходит «Opera 7.2».

На этом же сайте находятся демонстрационные программы «Двухтактный двигатель внутреннего сгорания», «Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания», «Газовые законы» и др.

Очень наглядные анимации практически всех тепловых двигателей находятся на сайте http://home.polarcom.ru: первые эксперименты по тепловым двигателям, паровые машины (Сэвери, Ньюкомена, Уатта), газовые двигатели, двигатели внешнего сгорания (Стирлинга, Стирлинга­альфа), двигатели внутреннего сгорания (От­то – 2-­тактный и 4-­тактный Дизеля, Ванкеля), паровая турбина, газовая турбина и ядерная энергетическая установка.

Продолжение следует