Эксперимент

Компьютерный физический эксперимент

Продолжение. См. № 1, 3, 5, 7/2009

6. Виртуальные лабораторные работы

Важным этапом эффективного образовательного процесса является физический эксперимент, стимулирующий активную познавательную деятельность и творческий подход к получению знаний. При традиционных формах этого процесса такая возможность реализуется в ходе выполнения необходимого комплекса лабораторных работ или практических занятий.

Однако часто ограничивается возможность доступа обучающихся к наиболее интересному и уникальному оборудованию (его попросту нет), техническим объектам, научным и технологическим экспериментам. Вот здесь-то и нужны виртуальные лабораторные работы (ВЛР).

Составной частью понятия «ВЛР» является распространённое техническое понятие виртуального инструмента – набора аппаратных и программных средств, добавленных к обычному компьютеру таким образом, что пользователь получает возможность взаимодействовать с компьютером как со специально разработанным для него обычным электронным прибором. Работая с виртуальным  прибором через графический интерфейс, пользователь на экране монитора видит привычную переднюю панель, имитирующую реальную панель управления нужного прибора.

Важной задачей обучения является развитие самостоятельности учащихся в выполнении физического эксперимента. В этом плане заслуживает всяческого одобрения проект «Один ученик – один компьютер», рассчитанный на современные ноутбуки, нетбуки и специально разработанные ученические компьютеры «ХО» (см. рисунок слева). Отметим, что ВЛР можно проводить и на уроках информатики, т.к. в программы этого предмета заложены часы на изучение моделей самых разнообразных процессов, в том числе и физических.

Благодаря использованию апплетов (компьютерных моделей) и анимаций учащимся при выполнении ВЛР предоставляется уникальная возможность визуализации упрощённой модели реального явления. При этом можно поэтапно включать в рассмотрение дополнительные факторы, которые постепенно усложняют модель и приближают её к реальному физическому процессу. Кроме того, можно моделировать ситуации, не реализуемые в физических экспериментах.

Работа учащихся с апплетами чрезвычайно полезна, т.к. они могут ставить многочисленные виртуальные опыты и даже проводить небольшие исследования. Интерактивность открывает огромные познавательные возможности, делая ученика не только наблюдателем, но и активным экспериментатором. Хотя ВЛР не может заменить настоящую лабораторную работу с реальными физическими приборами, её выполнение формирует навыки, необходимые и для реального эксперимента. ВЛР позволяет также мгновенно провести обработку полученных результатов. Таким образом, ВЛР могут сыграть роль аналога реальных ЛР, а порой и заменить их в случае отсутствия соответствующего лабораторного оборудования. Их место в учебном процессе ещё предстоит определить, а пока я стараюсь разумно сочетать реальные и виртуальные ЛР.

Виртуальные практикумы можно найти в образовательных программных продуктах «Физика-7, 8», разработанных департаментом «КМ Софт» [1], «Открытая физика 2.5» ООО ФИЗИКОН [2], на интернет-порталах и в интернет-магазинах. На рисунке изображена главная страница виртуальной лаборатории «Физика», созданной в СПбУ под руководством В.В.Монахова и и Л.А.Евстигнеева [3 http://barsic.spbu.ru].

Методика проведения виртуальных работ хорошо описана у Александра Кавтрева на сайте Учитель.ру, www.teacher.fio.ru [4], поэтому подробно останавливаться на ней я не буду, а приступлю к рассмотрению некоторых виртуальных лабораторных работ для 7–11-го кл., созданных разными производителями.

Расчёт погрешностей при выполнении ВЛР. Отец кибернетики Норберт Винер говорил, что уровень развития цивилизации определяется точностью, с которой она измеряет различные величины. Но даже с достаточно точными приборами можно допускать ошибки. Существуют различные методы вычисления ошибок. Одним из простейших является метод усреднения результатов измерений и вычисления средней абсолютной и относительной ошибок. Предлагаю вашему вниманию программу «Погрешности», созданную моим учеником Евгением Широковым для расчёта среднего значения измеряемой величины и вычисления ошибок. Ею можно пользоваться при выполнении как реальных, так и виртуальных работ. Программу можно скачать с моего сайта [5].

Для проведения ВЛР в 7-м классе я рекомендую учителям CD-диск «Виртуальные лабораторные работы по физике. 7–9 классы» [6]. Это серьёзное учебное пособие с высококачественной реалистичной графикой и высоким уровнем интерактивности. Включённые в него экспериментальные задачи помогут не только глубже понять физические процессы и закономерности, но и научиться применять полученные знания на практике. Работая с диском, ребёнок убедится в том, что исследовательская и творческая деятельность – это действительно интересно! ВЛР полезны при подготовке к лабораторным занятиям с реальным оборудованием и окажутся незаменимыми при его отсутствии. В комплект входят: «Измерение размеров малых тел», «Измерение массы тела на рычажных весах», «Измерение объёма твёрдого тела», «Определение плотности вещества», «Измерение выталкивающей силы», «Изучение колебаний нитяного маятника», «Выяснение условий равновесия рычага», «Изучение равноускоренного движения». Перед началом каждой работы программа предлагает повторить теорию, предложить свой метод измерения данной величины. Потом ученик делает ВЛР, проверяет себя и оформляет отчёт. Отчёт можно распечатать на принтере или отослать на учительский компьютер по локальной сети.

• ВЛР «Определение плотности вещества». Перед вами – рабочий стол. Учащимся необходимо определить плотность вещества свечи, болта и игрушечной машинки. Масса тел определяется с помощью рычажных весов, а объём – с помощью мензурки с водой. Эксперименты проходят очень реалистично. Создаётся полная иллюзия выполнения реальной ЛР. В работе заложена и проблемная ситуация: полученной в эксперименте плотности вещества, из которого сделана металлическая машинка, нет в таблицах, и ученикам приходится самим решать эту головоломку.

• ВЛР «Выяснение условий равновесия рычага». В этой работе можно провести гораздо больше экспериментов, чем предлагается, т.к. в оборудование входят восемь грузов. Учащиеся смогут проверить условие равенства моментов сил на большом количестве разнообразных опытов.

Кроме того, учитель может предложить ученикам несколько проблемных ситуаций, которые, как правило, воспринимаются с большим интересом. Например: сможет ли один груз уравновесить семь грузов? Если сможет, то как? Сколько может быть вариантов?

• ВЛР «Исследование равноускоренного прямолинейного движения» [1]. На рабочем столе – наклонная плоскость с шариком на вершине. Перед началом эксперимента можно установить высоту наклонной плоскости. Для этого курсор наводят на муфту её крепления на вертикальном стержне и, нажав на левую кнопку мышки, перемещают верхний конец наклонной плоскости вверх или вниз. Расстояние, которое проходит шарик, можно изменять, перемещая по наклонно плоскости упорный цилиндр. После нажатия на кнопку «Пуск» включается секундомер, и шарик начинает двигаться. Виртуальное оборудование и методика проведения эксперимента полностью соответствует описанию стандартных ЛР в учебниках по физике для 9-го класса. Но преимущество в том, что время движения шарика измеряется компьютером автоматически, и, естественно, точность увеличивается. Кроме этого у работы хороший дизайн, отличная 3D-графика. Установку можно рассматривать с различных ракурсов – приближать, удалять и поворачивать в вертикальной плоскости.

• ВЛР «Изучение явления теплообмена» [6]. Реальная ЛР, как показывает мой многолетний опыт, даёт очень неправдоподобные результаты в связи с отдачей тепла калориметру, термометру и окружающей среде. Ошибка иногда превышает 25–30%, что позволяет учащимся сомневаться в правильности уравнения теплового баланса. Данная работа благодаря идеализации тепловых процессов практически лишена этих недостатков, и учащиеся убеждаются в справедливости закона сохранения энергии.

• ВЛР «Изучение движения тела, брошенного под углом к горизонту» [7]. Работа представлена в виде игры «Артиллерийский полигон». На мой взгляд, это очень удачная работа, требующая от учащихся серьёзных знаний как по кинематике, так и по динамике. В нижней части рабочего стола находится артиллерийский полигон для стрельбы по движущейся мишени-танку. В верхней части – две панели для ввода данных для танка и пушки. Для танка вводят координату х (5000–10 000 м), координату y (500–1000 м), скорость (40–80 км/ч) и угол направления движения (0–25°); для пушки вводят начальную скорость вылета снаряда (400–800 м/с). После этого решают задачу на определение угла наклона пушки, время движения танка до его поражения снарядом и время задержки выстрела из пушки после начала движения танка. Затем вводят в компьютер вычисленное значение угла наклона пушки и нажимают кнопку «Старт». При правильном вводе данных пушка поражает цель. Эту работу я предлагаю ученикам на физическом практикуме или на факультативе. Оценка «5» – за попадание с первой попытки, «4» – со второй и «3» – с третьей.

Поскольку в этой работе есть игровые элементы, работа интересна для всех учащихся.

• ВЛР «Изучение закона Бойля–Мариотта» [8]. Проведение лабораторных работ по газовым законам вызывает определённые трудности, связанные в основном с отсутствием оборудования. Как тут не вспомнить знаменитые трубки Мельде со ртутью! Как замечательно ставилась эта работа, даже можно было измерять температуру воздуха! Жаль, что их запретили. Я работал с ними почти 20 лет, и ни со мной, ни с моими учениками до сих пор ничего на случилось! Но вернёмся к работе. На рабочем столе находятся сообщающиеся сосуды, верхний конец левого сосуда запаян, правый отрыт. Жидкость в сосудах находится на одном уровне. Понятно, что давление воздуха в левом сосуде равно атмосферному. С помощью линейки, находящейся около правого сосуда, определяют объём воздуха в левом сосуде V₁ = h₁S (h₁ – высота столба воздуха, S – площадь поперечного сечения сосуда). Двигать линейку по вертикали можно мышкой, наведя на линейку курсор и нажав левую кнопку мышки. Затем, нажимая на вертикальные стрелки, расположенные в правой части рабочего стола, перемещают правую трубку вверх или вниз, изменяя таким образом давление воздуха, запертого в левой трубке. Для измерения новой высоты воздуха в левой трубке нужно увеличить изображение и перемещать мышкой линейку. Потом определяют новое значение объёма воздуха в левом сосуде и давление воздуха в нём. Проведя несколько экспериментов, учащиеся приходят к выводу, что p₁V₁ = p₂V₂ = … = p_nV_n и убеждаются в справедливости закона Бойля–Мариотта.

• ВЛР «Опытная проверка закона Гей-Люссака» [3]. На рабочем столе – оборудование и средства измерения: стеклянная трубка, запаянная с одного конца, цилиндрический сосуд (слева), стакан с водой комнатной температуры (справа), пластилин, термометр, линейка, спиртовка. Термометр в исходном состоянии показывает температуру окружающего воздуха. Записывают его показания и заносят в таблицу (на рисунке не показана).

Помещают термометр в цилиндрический сосуд для измерения температуры воды t₁. Затем подогревают до нужной температуры цилиндрический сосуд, поместив его над спиртовкой, после чего спиртовку возвращают на место.

Результаты измерения заносят в таблицу, а термометр возвращают на место. Измеряют с помощью линейки длину l₁ стеклянной трубки, заносят результат в таблицу, помещают трубку открытым концом вверх в цилиндрический сосуд с горячей водой и закрывают пластилином верхний открытый конец трубки. Затем вынимают трубку из сосуда и замазанным пластилином концом помещают её в стакан с водой комнатной температуры. После этого снимают под водой пластилин и ждут, пока воздух в трубке охладится до комнатной температуры. Когда уровни воды в трубке и стакане выровняются, измеряют длину l₂ воздушного столба в трубке и результаты заносят в таблицу. Проведя несколько экспериментов, учащиеся приходят к выводу, что V₁/T₁ = V₂/T₂= … = V_n/Т_n, т.е. убеждаются в справедливости закона Гей-Люссака. Эта работа, так же как и предыдущая, очень хорошо имитирует работу с реальными приборами.

• ВЛР «Определение коэффициента поверхностного натяжения методом отрыва кольца» [3]. На рабочем столе с помощью мыши вы можете перемещать гири, штангенциркуль и ёмкость с водой. Для этого курсор мыши подводят к перемещаемому предмету, нажимают на левую кнопку мыши и перетаскивают его в нужное место, после чего отпускают кнопку. Гири можно ставить на чашу весов либо убирать с неё. При перемещении гири за пределы чаши она автоматически возвращается на своё место на столе.

В положении, когда правая чаша перевешивает или уравновешивает набор колец, ставят ёмкость с водой под кольца, либо убирают её оттуда. Когда ёмкость находится в стороне от весов, измеряют диаметр составного кольца штангенциркулем: внешний, поместив штангенциркуль на кольцо верхними губками, или внутренний – нижними.

Порядок проведения эксперимента следующий.

Уравновешивают кольца гирями и записывают значение массы m₁ в соответствующее поле ввода под окном с установкой.

Устанавливают ёмкость с водой под кольца, после чего поднимают с чаши весов самую большую гирю и опускают её снова на весы. Если кольца были уравновешены правильно, они прилипнут к поверхности воды.

Добавляют оставшиеся гири на чашу весов до тех пор, пока кольца не оторвутся от воды. Записывают значение массы m₂ в соответствующее поле ввода. Учтите, что это – полная масса всех гирь, стоящих на чаше весов! Записывают значение массы m₃ – последней поставленной гири в соответствующее поле ввода. Опыт повторяют 3–5 раз. Затем измеряют внешний и внутренний диаметры составного кольца, убрав предварительно ёмкость с водой. После этого вычисляют коэффициент поверхностного натяжения по известным формулам.

 

Литература к главе 6

1. CD Лабораторные работы по физике. 9 класс. – ООО «Дрофа», Квазар-микро.
2. CD Открытая физика 2.5. – Долгопрудный: ООО ФИЗИКОН, 2005.
3. barsic.spbu.ru Виртуальная лаборатория «Физика». – СПб: В.В.Монахов, Л.А.Евстигнеев.
4. www.teacher.fio.ru А.Кавтрев.
5. Пигалицын Л.В. www.levpi.narod.ru; www.physics-computer.by.ru.
6. CD Виртуальные лабораторные работы по физике. 7–9 классы. – «НОВЫЙ ДИСК», www.nd.ru
7. CD Лабораторные работы по физике. 10 класс. – ООО «Дрофа», Квазар-микро.
8. CD Лабораторные работы по физике. 8 класс. – ООО «Дрофа», Квазар-микро.

Продолжение следует