Эксперимент

Компьютерный физический эксперимент

Продолжение. См. № 1, 3, 5, 7, 9/2009

6. Виртуальные лабораторные работы (окончание)

• ВЛР «Измерение модуля упругости (модуля Юнга) резины» [3]. В правой части окна показано необходимое оборудование: штатив с муфтой и лапкой, резиновый шнур, грузы, линейка, штангенциркуль, динамометр. Приборы используют по очереди и каждый раз после применения возвращают в исходное положение, обозначенное пунктиром.

Сначала измеряют с помощью линейки расстояние между рисками на нерастянутом шнуре l₀. Результаты записывают в электронную таблицу, приложенную к работе. Затем выбирают грузы, определяют их вес и заносят в таблицу. После этого грузы подвешивают к нижнему концу шнура, измеряют расстояние между рисками на растянутом шнуре l_i, результаты заносят в таблицу. В заключение измеряют диаметр шнура D с помощью штангенциркуля, результаты заносят в таблицу. По формуле рассчитывают модуль Юнга. Опыт повторяют несколько раз, подвешивая к шнуру разные грузы, и вычисляют абсолютную и относительную ошибки.

• ВЛР «Изучение закона Ома» [6]. На рабочем столе находятся источник тока, два мультиметра, один из которых включён в режиме измерения напряжения, а другой – в режиме измерения силы тока, три резистора известного сопротивления, три – неизвестного, реостат, лампа накаливания и соединительные провода. Работа позволяет провести сборку электрической цепи, измерить напряжение источника тока и внутреннее сопротивление вольтметра, убедиться в справедливости закона Ома путём включения в цепь резисторов различного сопротивления последовательно и (или) параллельно. Можно исследовать работу лампы накаливания, изменяя силу тока реостатом, – при этом меняется цвет накала нити лампы, что вызывает восторг у младших школьников. Можно изучать законы последовательного и параллельного соединений проводников, определять неизвестные сопротивления резисторов R₁₁, R₁₂ и R₁₃ и решать задачи эвристического характера. Для учителя физики эта работа – настоящий клондайк экспериментальных задач на постоянный ток.

• ВЛР «Определение заряда электрона» [3]. Заряд электрона определяют электрохимическим способом. В правой части рабочего стола показано необходимое оборудование: источник тока, миллиамперметр (диапазон токов 0–1500 мА, точность 0,1%, при токе больше 2 А миллиампеметр выходит из строя, и надо приводить оборудование в начальное состояние), выключатель, реостат (0–100 Ом), медные электроды, банка с водным раствором сульфата меди (CuSO₄), электронные часы (верхняя кнопка обнуляет секундомер, левая – пуск/стоп), весы, провода.

Собирают электрическую цепь. Движком на источнике тока устанавливают выбранное напряжение. Взвешивают катод m₁, результаты заносят в таблицу. Опускают электроды в банку с раствором, замыкают выключатель и запускают секундомер. Затем устанавливают с помощью реостата силу тока в цепи не более 1 А. Показания амперметра заносят в таблицу. Процесс электролиза проводят в течение 20 мин, поддерживая с помощью реостата силу тока в цепи неизменной. По окончании опыта размыкают выключатель и останавливают секундомер. Показания секундомера заносят в таблицу. Вынимают катод и на весах определяют его новую массу m₂, результаты заносят в таблицу. После этого, используя законы Фарадея для электролиза, определяют заряд электрона. Опыты проводят несколько раз и определяют абсолютные и относительные погрешности.

• ВЛР «Исследование работы колебательного контура». Работа выполнена в среде графического программирования «LabVIEW», представляющей собой универсальную систему программирования, ориентированную на решение задач управления инструментальными средствами измерения, сбора, обработки и представления экспериментальных данных.

На рабочем столе собран колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L_k, конденсатора C_k и резистора активным сопротивлением R. Их номиналы можно изменять с помощью окон прокрутки: индуктивность – в пределах 20...100 мГн, ёмкость – в пределах 5...10 нФ, сопротивление – 0...100 Ом. Источником переменного тока является звуковой генератор, вырабатывающий синусоидальные колебания частотой 1–15 кГц и амплитудой 1–10 В.

Для наблюдения процессов, происходящих в колебательном контуре, на рабочем столе находятся два осциллографа: верхний – для демонстрации затухающих колебаний при работе генератора в воображаемом импульсном режиме; нижний – для демонстрации реальных колебаний в данном колебательном контуре.

Перед запуском программы с помощью окон прокрутки на НЧ-генераторе устанавливают произвольную амплитуду выходного напряжения, частоту, индуктивность L_k, ёмкость C_k, сопротивление R и запускают программу. Для этого нажимают кнопку со стрелкой в верхней левой части рабочего стола. В процессе работы можно изменять исходные параметры и наблюдать характер затухания при изменении активного сопротивления и электрический резонанс при изменении частоты переменного тока, индуктивности или ёмкости.

Учитель получает поистине безграничные возможности в смысле создания различных работ, а учащиеся – в смысле закрепления своих знаний по свободным и вынужденным электромагнитным колебаниям. Для остановки программы щёлкают на кнопке «STOP». Программу «LabDemo» можно бесплатно скачать с официального сайта СПбГТУ http://www.spbstu.ru.

В заключение предлагаю познакомиться с некоторыми виртуальными работами на диске [2].

• ВЛР «Зрительная труба Кеплера». Зрительные трубы (телескопы) предназначены для наблюдения удалённых предметов. Они состоят из двух линз – собирающей линзы с большим фокусным расстоянием (объектив) и линзы с малым фокусным расстоянием (окуляр), в качестве которого могут применяться как собирающая, так и рассеивающая линзы. Компьютерная программа моделирует работу зрительной трубы Кеплера из двух собирающих линз. Труба Кеплера предназначена для астрономических наблюдений, т.к. она даёт перевёрнутое изображение, что неудобно при земных наблюдениях. Предполагается, что глаз наблюдателя аккомодирован на бесконечность. Поэтому в трубе реализуется телескопический ход лучей – параллельный пучок от удалённого предмета входит в объектив под углом ψ, выходит из окуляра также параллельным пучком, но под другим углом φ по отношению к оптической оси. Отношение углов γ = φ/ψ называется угловым увеличением зрительной трубы. Его можно выразить через фокусное расстояние объектива F₁ и окуляра F₂: γ = –F₁/F₂. Отрицательные значения γ указывают на перевёрнутый характер изображения.

Один из вариантов выполнения работы: задают угол ψ и необходимое угловое увеличение. По формулам γ = φ/ψ и γ = –F₁/F₂ вычисляют φ и подбирают значения F₁ и F₂. Затем вычисленные значения F₁, F₂ и ψ вводят в окно прокрутки. Если вычисления проделаны правильно, то в левом нижнем окне будут выведены верные значения γ  и φ. К лабораторной работе прилагаются 8 вопросов и 6 задач.

• ВЛР «Волновая оптика». Простейшая дифракционная решётка представляет собой систему узких параллельных щелей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Если за решёткой поставить собирающую линзу, то в её фокальной плоскости будут наблюдаться дифракционные максимумы различных порядков. Эти максимумы называются главными.

Пучки света, образующие главные максимумы, располагаются после решётки в направлениях, определяемых формулой dsinθ_m = mλ. Здесь d – период решётки, λ – длина световой волны, m – целое число, называемое порядком дифракционного максимума. Расстояние от максимума нулевого порядка (m = 0) до максимума m-го порядка в фокальной плоскости линзы с фокусным расстоянием F при малых углах дифракции определяется формулой Так как положение максимумов (кроме нулевого!) зависит от длины волны, то решётка разлагает излучение в спектр, т.е. является спектральным прибором.

В работе можно изменять период решётки d и длину световой волны λ. Можно выбирать номер m, кликая мышкой на выбранный главный максимум. На дисплее высвечивается координата y_m выбранного максимума, расположенном в фокальной плоскости линзы. Обратите внимание на то, что масштабы по горизонтали и вертикали отличаются приблизительно в 5 раз. Поэтому отображаемые на экране углы θ_m сильно преувеличены. Эта работа хороша тем, что в ней можно изменять период дифракционной решётки и длину падающей на неё световой волны.

• ВЛР «Исследование фотоэффекта». Отметим, что реальную установку для изучения законов фотоэффекта в школьных условиях собрать невозможно, тем более в нескольких экземплярах.

На рабочем столе расположена схема экспериментальной установки, полностью совпадающей с описанием её в учебнике. Вольтметр показывает запирающее напряжение на приборе, а миллиамперметр – силу фототока. Величину запирающего напряжения можно изменять с помощью потенциометра, окно прокрутки которого находится в окне U. Длину световой волны и мощность светового потока, падающего на фотокатод, изменяют с помощью окон прокрутки λ и Р. В левой части рабочего стола изображена вольт-амперная характеристика прибора, а в нижней правой части – энергия фотонов падающего света в эВ и сила фототока в мА.

Учитель по своему усмотрению может предложить ученикам провести исследование с учётом уровня подготовки учащихся – определение работы выхода электронов для данного металла, красной границы фотоэффекта, постоянной Планка и т.д. Предлагаются также 5 проверочных вопросов и 5 задач.

Компьютерные (виртуальные) лаборатории являются учебным средством XXI в. Можно выполнять ВЛР дома и осваивать учебный материал намного быстрее. Никакое количество решённых задач не может заменить экспериментальных исследований. Немаловажно, что эксперименты на ВЛР намного дешевле реальных и абсолютно безопасны. В заключение хочу ещё раз подчеркнуть, что полная замена нерациональна, требуется разумное сочетание реальных и виртуальных ЛР. Читатель, вероятно, заметил, что более половины представленных работ связаны с оборудованием, использование которого во многих школах затруднено (стекло, разновесы и т.д.) или которого просто нет в достаточном количестве (генераторы, осциллографы, приборы для изучения фотоэффекта).

Со всеми вопросами и пожеланиями по данной теме обращайтесь ко мне, я обязательно отвечу. В следующих статьях я познакомлю читателей с виртуальными физическими конструкторами, которые позволяют моделировать и исследовать различные физические процессы и явления по всем темам курса физики.

 

Литература к главе 5

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.ru5.
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