Движение молекул (двенадцать версий)

Движение молекул (двенадцать версий)

Предлагается среда «возможного мира», которая реализует разные замыслы пользователя и позволяет обсуждать их реалистичность. Основная модальность обсуждения: если бы мир молекул был устроен аналогично нашей модели, в чем бы это проявилось (как это проверить). В процессе апробации будет оценена целесообразность дальнейшего развития модели: изменение свойств самой среды (торможение или ускорение шариков), программирование неупругого или частично упругого удара шариков и др. Рассматривается также возможность построения более сложной версии программы, реализующей вероятностную модель.

Содержание работы фокусируется вокруг создания технического задания для программиста и работы с «получившимися» программами. Сначала учащимся демонстрируется явление диффузии в газе (распространение запаха от пахучего вещества в классе) и предлагается изобразить «молекулярные картинки». Учителю важно в ходе обсуждения опровергнуть картинки, в которых частицы «притягиваются к носу» (доказывается, что в отсутствие «носов», вентиляторов и прочего запах все же распространяется). Таким образом возникают изображения движущихся частиц пахучего вещества, а на некоторых рисунках и частицы воздуха. При наличии компьютерной сети целесообразно осуществить обмен рисунками (например, все рисунки могут быть выложены на «корпоративный сайт»; возможно одновременное проведение данного урока в различных школах сети – тогда картинки выкладываются на общий сайт поддержки курса физики или на сайт подростковой школы в СЭД).

После проведения этой работы перед учащимися ставится задача изучения диффузии на микроуровне. Невыполнимость этой задачи очевидна, поэтому ученики приходят к выводу о необходимости построения действующей компьютерной модели. Описать последующие события в виде линейной схемы разворачивания содержания невозможно, т. к. конкретная последовательность шагов в каждом классе будет разная.

Ученикам предлагается сначала создать упрощенную модель – диффузия пахучего вещества в пустоту. Используется методический прием, связанный с созданием письменного текста для другого человека (этот прием активно используется уже в начальной школе). Особенно важно, что этот «другой человек» (в нашем случае «программист») плохо понимает «закрытые» тексты и рисунки. Так возникает особая задача - передать информацию понятным образом, в результате оказывается недостаточным сказать или даже нарисовать про распространяющиеся в комнате частицы пахучего вещества. Методический прием, связанный с оформлением образов в виде сценария, или технического задания, делает явным абстрактность (формальность) представляемых картин и выводит учеников на содержательный уровень работы.

На уроках обсуждается поведение частиц при взаимодействии со стенкой: проходят насквозь, прилипают, отражаются; скорость уменьшается, увеличивается, сохраняется; как меняется направление движения (соотношение угла падения и угла отражения).

Ниже описано две основные версии:

1)  распространение запаха в пустоте (все шарики синего цвета);

2)  распространение запаха в воздухе (шарики синие и зеленые).

Все последующие примеры построены на первой версии. На экране 1 можно включить/выключить столкновения (плоскостная или объемная модель), установить параметры движения каждого шарика, задать рисование траектории (следует иметь в виду, что большое число траекторий сильно замедляет демонстрацию).

На экране 2 можно установить свойства среды: начальное положение молекул-шариков, выбор объемной или плоскостной модели. Впоследствии планируется добавить ускоряющее/замедляющее свойство среды.

На экранах 3 и 4 показано, как можно менять свойства каждой стенки: она может быть отражающей, останавливающей, проницаемой; скорость после отражения может увеличиваться/уменьшаться; угол отражения может быть больше или меньше угла падения.

«Сказочная» модель, связанная с систематическим увеличением (экран 5) или уменьшением (экран 6) угла отражения, явно противоречит реальности: молекулы-шарики прекращают хаотическое движение и начинают двигаться упорядоченно.

Кроме этого реализовано еще несколько версий, которые удобнее методически для организации первых этапов работы с «созданием» компьютерной модели. Ниже дается краткая характеристика остальных версий:

№3. Шарики улетают за экран (стенки проницаемые)

№4. Шарики прилипают к стенкам

№5. Шарики разгоняются при ударе о стенки

№6. Шарики тормозятся при ударе о стенки

№7. Скорость при ударе не меняется, угол уменьшается

№8. Скорость при ударе не меняется, угол увеличивается

№9. Шарики тормозятся в среде, при ударе о стенку скорость и угол сохраняются

№10. Шарики ускоряются в среде, при ударе о стенку скорость и угол сохраняются

№11. Шарики разлетаются из центра без столкновений, скорости не меняются

№12. Шарики летят «строем» от стенки без столкновений.

ЦОР может использоваться в 7 классе при изучении второго и четвертого учебных блоков.