Виртуальный физический эксперимент

Компьютерный физический эксперимент.

Виртуальный физический эксперимент.

Возможно, что некоторые мои молодые коллеги находятся в творческом поиске, связанном с применением IT технологий в учебном процессе. В связи с этим, я решил опубликовать серию статей, в которых поделюсь своим опытом по применению на уроках различных видов компьютерного физического эксперимента.

Во время объяснения учебного материала учителю часто приходится рассказывать об устройстве различных физических приборов, делать графические иллюстрации различных зависимостей физических величин и т. д. Если использовать только «тряпочную» технологию, то уже после нескольких минут объяснения можно заметить, что у части ребят в классе глазки становятся тусклыми, интерес к изучению данной темы пропадает, а некоторых начинает тянуть на подвиги.

И вот тут учителя может выручить всем известная восточная мудрость : «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». И действительно, как только на уроке начинаешь демонстрировать опыты, видеофайлы, компьютерные презентации и т. д. мотивация учащихся к изучению данного предмета резко усиливается.

Большую помощь при этом могут оказать компьютерные программы, позволяющие оперативно продемонстрировать необходимый эксперимент на компьютере, смоделировать изучаемый процесс, построить графики изменяющихся величин во время компьютерного эксперимента и т. д. Это могут быть или самостоятельные программы, или фрагменты из других программ по  изучаемой теме.

Такие программы-помощники учителя я разделил на следующие типы :

1.  Демонстрационный компьютерный эксперимент,

2.  Моделирующий компьютерный эксперимент.

3.  Графический компьютерный эксперимент.

4.  Вычислительный компьютерный эксперимент.

5.  Экспериментальные видео-задачи.

1. Демонстрационный компьютерный эксперимент.

Начнем с программ для демонстрационного компьютерного эксперимента. Они 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. В демонстрационном компьютерном эксперименте ученику представляется впервые реальная возможность зрительно познакомиться с изучаемым физическим явлением.

Здесь еще нет элементов исследования, изменения параметров физических величин, моделирования различных ситуаций – это все будет потом в других видах физического компьютерного эксперимента. А сейчас надо увлечь ученика, или, говоря высоким стилем, усилить его мотивацию.

В связи с этим к демонстрационным программам предъявляются серьезные требования : они должны быть педагогически целесообразными, выразительными, интересными и доступными как для слабых, так и для сильных учащихся.

Когда я начинал заниматься компьютерным физическим экспериментом, а это было лет двадцать назад, никаких учебных, тем более моделирующих, программ еще не было. Поэтому пришлось создавать такие программы самому вместе с учениками. Сейчас даже трудно представить, как было можно, допустим, на черно-белом компьютере «Микроша», имеющей 32 кБ памяти ОЗУ с псевдографикой ( графики не было, а были прямоугольнички 4х5 пикселей) создавать программы, моделирующие различные процессы, а потом записывать их на магнитофоне на обычные кассеты ( кстати, если кому-либо 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 ими 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 программы, я использую на уроках или внеурочных занятиях.

В последнее время выпускается относительно много компьютерных физических энциклопедий, интерактивных курсов по физике и т. д., то 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, охватывающие 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 учеников правильно определять цену деления измерительного прибора. Как показывает опыт преподавания физики в младших ( 7 – 8) 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 учащимся научиться определять цену деления и значение измеряемой величины, в данном случае – цену деления и объема жидкости в мензурке.

На рисунке показан фрагмент этой демонстрационной программы. Запустить эту 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 программой по демонстрационному компьютерному эксперименту, на мой взгляд, является программа «Рычажные весы» из мультимедийного пособия «Вся физика» фирмы «Руссобит из серии «Руссобит-педагог».

Эта программа позволяет познакомить учащихся с устройством и принципом действия рычажных весов и правилами взвешивания.

С помощью этой программы можно познакомить учащихся с правилами взвешивания и 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 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? Отдельные учителя демонстрируют подобные достаточно трудоемкие 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 http://www. walter-fendt. de/ph14e/hydrostpr. htm «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 величина давления жидкости на этой глубине. Датчик вместе с манометром передвигается вверх и вниз с помощью мыши. Компьютерный эксперимент проводится со следующими жидкостями - вода, этанол, бензол, тетрахлорметан, ртуть. На первый взгляд может показаться непонятным такой набор жидкостей для эксперимента. Но, оказывается, авторы программы взяли такие жидкости 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 плотности воды ( 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, выставленные на этом сайте, то имейте в виду, что Ваш браузер должен иметь Java плагины ( программы ). Такие плагины есть в браузере «Opera 7.2». Его можно скачать бесплатно с сайта http://. 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 полетов и космических скоростей может быть полезной демонстрационная программа «Ньютонова гора» из сборника компьютерных лабораторных работ «Лабораторные работы 10 класс "Дрофа", Квазар-микро. *****@***ru».

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 правом верхнем углу расположено окно, в котором можно изменять начальную скорость тела. Она выражается и в км/с и в км/час. Выбор скорости определяется положением движка. После выбора скорости нажимаем на кнопку «Старт» и тело начинает двигаться. При движении тела вычерчивается и его траектория движения. Выбирая различные начальные скорости можно выяснить характер траектории движения тела в гравитационном поле Земли. Определив из данного компьютерного эксперимента начальную скорость, при которой движется по окружности, можно приступить к выводу формулы первой космической скорости.

5. Импульс тела. На диске «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия». Физика 10 класс» есть демонстрационная программа «Импульс тела», которая поможет учащимся 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» фирмы «Руссобит из серии «Руссобит-педагог» 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 энергии тела для данного движения. Так, на рисунке показано движение мяча вверх и, следовательно, комментарий выглядит так : «С увеличением высоты потенциальная энергия растет, а кинетическая уменьшается»

В таблице, расположенной ниже, синхронно с движением мяча показывается значения высоты мяча от поверхности Земли, и величины его потенциальной и кинетической энергии.

7. Механические волны. Мой ученик - Ушаков Антон создал на языке Дельфи демонстрационный пакет программ по механическим волнам. Он включает в себя демонстрационные программы по образованию продольных и поперечных волн, отражению, интерференции, дифракции, определению скорости механических волн и волновой локации.

Первая программа этого пакета ( см. рис.) позволяет демонстрировать образование поперечных и продольных волн, причем они могут двигаться как вправо, так и влево.

Для изменения параметров волны служит панель «Параметры волны». На этой панели можно 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. . ru/

8. Эффект Доплера. На немецком сайте http://www. walter-fendt. de/ph14e/hydrostpr. htm, о котором я Вам уже рассказывал, есть программа « Эффект Доплера» ( «Dopplereff»). Она может быть полезна при объяснении эффекта Доплера. 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 наблюдателю уменьшается, а когда машина отъезжает от наблюдателя длина волны увеличивается. Программа бесплатная и работает в браузере «Opera 7.2».

Тепловые явления.

1. Движение молекул в газах, жидкостях и твердых телах. В 7 классе школьники только начинают изучать физику и поэтому наряду с натурным физическим экспериментом компьютерные образовательные технологии помогут учителю повысить мотивацию учеников к изучению предмета. При изучении строения вещества наглядность имеет особенно важное значение, но посмотреть, 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 твердых телах», находящаяся на диске «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия». Физика 5-6 классы». При запуске программы на экране видны : шарик, наполненный газом, колба с жидкостью и металлический кубик, что соответствует трем 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 ее нагревании. Холодная вода, которая опускается сверху изображается темными ( в оригинале темно-синими ) стрелками, а теплая более светлыми.( голубыми) стрелками.

После прогревания воды, конвекция продолжается, но перепад температуры у нагретой и холодной воды становится меньше, и цвета стрелок изображающих потоки холодной и нагретой воды мало отличаются друг от друга.

Анимация выполнена красиво и вызывает неподдельный интерес у учащихся.

3. Тепловые двигатели. Паровоз. Это очень занимательная бесплатная демонстрационная программа находится на немецком сайте http://www. k­-wz. de. Называется она «Паровая машина». На рабочем столе изображена модель паровоза в разрезе. Учащиеся видят на экране котел и паровую машину с парораспределительным механизмом. После объяснения устройства и принципа действия паровой машины и всего паровоза в целом нажимаем на кнопку «Старт» и все детали паровой машины приходят в движение. В любой момент анимацию можно остановить, для того чтобы показать учащимся, что в этот момент происходит в паровой машине. При нажатии на кнопку «go» из кабины высовывается черномазый машинист и, паровоз, выбрасывая из трубы клубы дыма, начинает двигаться, вызывая восторг у учащихся как 8­х, так и 10­х классов.

Имейте в виду, что описанная программа будет работать только в тех браузерах, в которых есть поддержка пакетов Java. Лучше всего для этой цели подходит браузер «Opera7.2».

На этом же сайте находятся демонстрационные программы : «Двухтактный двигатель внутреннего сгорания», «Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания», «Газовые законы» и т. д.

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

Электродинамика.

1. «Плоский конденсатор». На диске «Виртуальная школа Кирилла и Мефодия» Физика 10 класс» есть демонстрационная программа позволяющая исследовать зависимость разности потенциалов на обкладках конденсатора от его параметров : расстояния между пластинами, диэлектрической проницаемости диэлектрика и площади перекрытия пластин.

Применяя формулы U = Ed и C = q/U можно выяснить зависимость емкости плоского конденсатора от его параметров.

После этого дают учащимся вывод формулы электроемкости плоского конденсатора, которая полностью соответствует проведенному виртуальному эксперименту.

2. Опыт Эрстеда. В мультимедийном пособии «Вся физика» фирмы «Руссобит из серии «Руссобит-педагог» имеется программа, позволяющая продемонстрировать опыт Эрстеда. Как известно, магнитное поле, создаваемое током, текущим по проводнику, впервые было обнаружено в 1820 году датским ученым Х. Эрстедом.

На экране изображена установка для демонстрации опыта Эрстеда. До замыкания ключа, магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, расположена параллельно проводнику. При замыкании ключа она поворачивается на некоторый угол. При размыкании цепи стрелка возвращается в исходное положение. Таким образом, опыт Эрстеда позволил сделать вывод о существовании магнитного поля в пространстве, окружающем проводник с током.

3. Устройство и принцип действия электромотора постоянного тока. На немецком сайте сайте http://www. walter-fendt. de/ph14e/hydrostpr. htm есть бесплатная программа «Электромотор» («Direct Current Electrical Motor»).

Слева на рисунке изображена рамка в магнитном поле, подключенная с помощью коллектора к источнику электрического тока.

Линии магнитной индукции направлены сверху вниз и при данной полярности включения источника тока рамка будет вращаться против часовой стрелки, что полностью согласуется с правилом левой руки. Горизонтальные стрелки изображают сила Ампера, действующие на проводники рамки в магнитном поле. В правой части рисунка находится панель управления программой. При нажатии на кнопку «Reset» рамка останавливается и располагается вертикально. Кнопка « Pause/Resume» служит для запуска вращения рамки и ее остановки в любом положении. Кнопка «Change direction» позволяет изменить полярность источника тока. Ниже находится бегунок, двигая движок которого вправо или влево можно изменять скорость вращения рамки. Убирая галочки в нижних окошках можно убрать с экрана стрелки, показывающие направление электрического тока в рамке, линии магнитной индукции и направление силы Ампера. Эта программа, позволяет не только продемонстрировать учащимся устройство и принцип действия электродвигателя постоянного тока, но и создавать на уроке интересные проблемные ситуации. Программа запускается без проблем в браузере «Opera 7.2». На этом же сайте имеется прекрасная программа, иллюстрирующая работу генератора постоянного и переменного тока (см. рис.).

4. Трехфазный генератор переменного тока. Бесплатная программа «Drehstromgenerator», иллюстрирующая работу генератор находится на немецком сайте http://www. k­-wz. de. Учащиеся видят на экране в разрезе устройство генератора – статор с тремя обмотками, расположенными под углом 1200 друг к другу и ротор, состоящий из постоянного магнита. Обмотки генератора соединены звездой. Сразу после запуска программы ротор генератора начинает вращаться

На панели справа можно включать ( spule) и выключать ( aus) фазы и изменять скорость вращения ротора, а следовательно и частоту переменного тока, вырабатываемую генератором.

Внизу находится трехканальный осциллограф, на экране которого видны осциллограммы напряжения каждой из трех фаз и движущиеся маркеры ( точки) синхронизированные с вращением ротора генератора.

Оптика.

1. Принцип Гюйгенса в оптике. На немецком сайте сайте http://www. walter-fendt. de/ph14e/hydrostpr. htm есть замечательная бесплатная программа «Accircuit», позволяющая проиллюстрировать принцип Гюйгенса на примере отражения и преломления световых волн. На рисунке представлена моментальная фотография работы этой программы. Вверху видно образование фронта отраженной волны, а внизу – преломленной. На правой панели можно изменять абсолютный показатель преломления верхней и нижней сред и угол падения падающей волны. С помощью этой программы можно продемонстрировать учащимся механизм отражения, преломления и полного внутреннего отражения световых волн и объяснить эти явления с точки зрения принципа Гюйгенса.

2. Кольца Ньютона. Мой ученик Игорь Квасов создал на языке программирования Delphi пакет программ по демонстрационному компьютерному эксперименту, в который входят программы : «Дисперсия света», «Интерференция света», «Зоны Френеля», «Кольца Ньютона» и «Поляризация света». В качестве примера приведу программу «Кольца Ньютона». Она позволяет демонстрировать учащимся кольца Ньютона для света с любой длиной световой волны в оптическом диапазоне. На правой панели имеются движки, с помощью которых можно изменять длину световой волны и радиус кривизны линзы. Изменение этих параметров позволяет создать для учащихся ряд интересных проблемных ситуаций. Скачать эти бесплатные программы можно будет с моего сайта www. . ru.

Даже эта небольшая подборка программ по демонстрационному компьютерному эксперименту свидетельствует о том, что подобные программы смогут помочь учителю повысить мотивацию школьников к изучению физики, поскольку такие программы наглядны, красочны и позволяют «…полу-шутя, полу-играя…» познакомиться школьникам со сложными физическими явлениями и их техническими применениями.

Различные программы по этой тематике можно найти практически в каждом компьютерном интерактивном курсе по физике, компьютерных физических энциклопедиях и на многочисленных сайтах в Интернете.

Уважаемые читатели! Предлагаю Вам начать создать библиотеку программ по демонстрационному компьютерному эксперименту. Разместить их можно на моем сайте www. . ru., который специально создан для размещения материалов по компьютерным образовательным технологиям по физике. Присылайте мне программы или ссылки на сайты, на которых они размещены, и я их опубликую на своем сайте.

Если у кого-либо из Вас возникнут проблемы чисто технические, связанные с запуском отдельных программ, или методические, связанные с наиболее рациональным использование подобных программ в учебном процессе, то напишите мне, и я Вам обязательно помогу.

В следующих статьях я познакомлю Вас с другими формами виртуального компьютерного эксперимента.

С уважением, . *****@***ru, www. lepi. narod. ru, www. . ru.