Физико-математический факультет
Кафедра общей физики
Курсовая работа.
«Методика применения ЦОР в процессе изучения темы: Электромагнитные колебания».
Выполнил:
студент 5 курса ФМФ гр. А
специальности «Физика»
Орехов В. Н
Научный руководитель:
кандидат педагогических наук,
доцент кафедры общей
физики Крахоткина В. К.
Ставрополь, 2007 г.
Содержание
Введение
Глава I. Обзор литературы
1.1. Информационные технологии обучения
1.2 Электронные пособия по физике (на примере «Физика 7-11 класс», "Открытая физика2.0
1.3. Использование компьютерных моделей на уроках физики
Глава II. Дидактические принципы изучения темы “Электромагнитные колебания” в курсе физики средней школы
2.1Методика изучения темы “Электромагнитные колебания” в курсе физики средней школы
Глава III. Компьютерное моделирование электромагнитных колебаний
3.1 Возможности применения графических пакетов, оболочек и электронных пособий при изучении электромагнитных колебаний в курсе физики средней школы
3.2 Возможности использования графической оболочки Corel и пакета PowerPoint
3.3 Повышение наглядности обучения при использовании компьютерных моделей на уроках физики
3.4 Разработка методики изучения темы «Электромагнитные колебания
1. Колебательный контур. Превращения энергии при электромагнитных колебаниях
2.Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями.35
3.Уравнение свободных гармонических колебаний в контуре
4.Методическая разработка трёх уроков
Заключение
Список литературы
Введение
Актуальность исследования. Демократизация общества, становление рыночных отношений выдвинули новые требования к обучению и воспитанию человека, гражданина, специалиста. В складывающихся социально-экономических отношениях востребованы профессионализм, ответственность, самостоятельность и инициатива, а не пассивное исполнительство. Эти социально значимые качества следует формировать у подрастающего поколения непосредственно в учебной деятельности. Учебное исследование является такой формой организации деятельности школьника, которая в существенной степени способствует их формированию и развитию.
Имеющее место все более тонкое структурирование общества, его информатизация, возрастание роли науки приводят к специализации и усложнению деятельности во всех сферах общественной жизни: производственной, технологической, правовой и т.д. В этих условиях все более актуальным становится требование самообразования в течение всей жизни, поскольку никакое накопление знаний «про запас» в институализированном обучении не может компенсировать необходимость их самостоятельного обновления и пополнения. Готовность к самообразованию может быть обеспечена, прежде всего, развитием познавательных способностей за счет овладения методологическим аппаратом приращения и применения знаний. Наиболее адекватный аппарат решения познавательных задач, а также развития творческих, коммуникативных, рефлексивных качеств личности заключает в себе отработанная веками методология научного поиска.
Сказанное свидетельствует о необходимости целенаправленного обучения школьников общим и специальным методам познания окружающего мира, логике и этапам научного познавательного процесса и, в конечном счете, целостной исследовательской деятельности.
В 21 веке любой образованный человек должен уметь использовать в работе современные информационные технологии. Таким образом, возникает необходимость в создании иной образовательной среды. В настоящее время актуальным является вопрос использования программно-педагогических и телекоммуникационных средств в учебном процессе школы и, в частности, при обучении физике и астрономии.
Для того, чтобы повысить эффективность развития познавательной и исследовательской деятельности и дать новые возможности для творческого роста учащихся, нужно использовать современные физические электронные лаборатории, мультимедийные компьютерные программы и телекоммуникационные технологии, открывающие учащимся доступ к нетрадиционным источникам информации - электронным гипертекстовым учебникам, образовательным сайтам, системам дистанционного обучения.
При правильном их использовании они обеспечивают целый ряд преимуществ перед обычным способом обучения:
1. индивидуализация учебного процесса по содержанию, объему и темпам усвоения учебного материала;
2. активизация учащихся при усвоении учебной информации;
3. повышение эффективности использования учебного времени;
4. положительная мотивация обучения за счет комфортных психологических условий работы учащегося, объективности оценки;
5. изменение характера труда преподавателя (сокращение рутинной работы и усиление творческой составляющей его деятельности).
Особую роль играет применение компьютерных технологий при обучении физике в средней и высшей школе. Как показывает педагогический опыт, наибольшее количество трудностей возникает при изучении тех разделов курса физики, которые связаны с электричеством и магнетизмом. Между тем методика изучения различных тем в этих разделах не разработана в должной мере. В связи с этим нами была сделана попытка обоснования целесообразности использования ИТО при изучении в частности темы “Электромагнитные колебания” и разработаны некоторые методические моменты, которые, в зависимости от принятой технологии учебного процесса, его целей и задач, а так же от компьютерной оснащенности школы, могут быть использованы преподавателями физики как для изучения всей темы целиком, так и для изучения ее отдельных вопросов.
Разработка нестандартного способа изложения темы говорит об актуальности исследования и заключает в себе элемент новизны и практической значимости.
Цель исследования – разработать методику изучения электроколебательных процессов с помощью компьютера.
Объектом исследования является организация учебного процесса на различных этапах урока физики.
Предметом является поиск содержания, форм и методов обучения, обеспечивающих достижение поставленной цели.
В основу работы была положена гипотеза: использование компьютерных технологий, а в частности некоторых прикладных пакетов, повышает эффективность учебного процесса и позволяет добиться более глубокого понимания данной темы учащимися.
Исходя из поставленной цели и сформулированной гипотезы, следуют задачи:
- разработать методику изложения темы “Электромагнитные колебания” с использованием ЭВМ.
- выяснить, с какими трудностями сталкиваются учащиеся в процессе изучения данной темы и, следовательно, каким вопросам и понятиям следует уделить особое внимание.
Для решения поставленных задач использованы следующие методы:
- изучение методической, психологической и справочной литературы по данной теме.
- знакомство с уже имеющимися разработками в области данной темы.
- проведение уроков по изучению электромагнитных колебаний в 11-х классах.
Глава I. Обзор литературы
1.1. Информационные технологии обучения
Информационная технология обучения (ИТО) - это педагогическая технология, использующая специальные способы, программные и технические средства (кино, аудио- и видеосредства, компьютеры, телекоммуникационные сети) для работы с информацией. Таким образом, ИТО следует понимать как приложение информационных технологий для создания новых возможностей передачи знаний (деятельности педагога), восприятия знаний (деятельности обучаемого), оценки качества обучения и, безусловно всестороннего развития личности обучаемого в ходе учебно -воспитательного процесса. Главная цель информатизации образования состоит в подготовке обучаемых к полноценному и эффективному участию в бытовой, общественной и профессиональной областях жизнедеятельности в условиях информационного общества. [6]
Для эффективного применения ИТО педагогу в первую очередь необходимо ориентироваться в соответствующем программном обеспечении. Программное обеспечение, использующееся в ИТО, можно разделить на несколько категорий:
1. Автоматизированные обучающие системы (АОС)
АОС включает в себя комплекс учебно-методических материалов (демонстрационных, теоретических, практических, контролирующих) и компьютерные программы, которые управляют процессом обучения. Комплекс программных продуктов, поддерживающих обучение информатике, дает возможность систематического использования информационных технологий при обучении физике. Программные продукты по физике представляют собой электронные варианты следующих учебно-методических материалов:
- электронные словари-справочники и учебники физики;
- лабораторные практикумы с возможностью моделирования реальных физических процессов;
- программы-тренажеры решения задач по физике;
- тестовые системы.
Применение АОС в обучении физике предоставляет возможность организации учебных занятий в соответствии со следующими этапами:
- учитель физики вводит разностороннюю информацию (теоретический и демонстрационный материал, практические задания, задачи, вопросы для тестового контроля) в базу данных и формирует сценарий для проведения урока;
- ученик в соответствии со сценарием (выбранным им самим или назначенным педагогом) работает с учебным материалом, предлагаемым программой;
- выполняется автоматизированный контроль усвоения знаний, который обеспечивает необходимую обратную связь, позволяя выбрать самому ученику (по результату самоконтроля) или назначать автоматически последовательность и темп изучения материала по физике;
- работа ученика протоколируется, информация по итогам тестирования, изучения темы и т.п. заносится в базу данных;
- учитель и ученик имеют возможность получать информацию о результатах изучения отдельных вопросов и тем физики в динамике.
2. Интеллектуальные обучающие системы (ИОС)
Возрастание возможностей компьютеров стимулировало развитие нового направления в информационных технологиях обучения - создание интеллектуальных обучающих систем. Этот подход базируется на работах в области искусственного интеллекта, в частности теории экспертных систем -сложных программ, манипулирующих специальными, экспертными знаниями в узких областях предмета. Как и настоящий человек - эксперт, эти системы решают задачи, используя логику и эмпирические правила, умеют пополнять свои знания. Экспертные системы соединили в себе возможности компьютера с богатством человеческого опыта. ИОС представляет качественно новую технологию обучения физике. В основе метода можно выделить: моделирование процесса обучения, использование динамически развивающейся базы знаний ИОС, автоматический подбор рациональной стратегии обучения для каждого обучающегося, автоматический учет в работе ИОС новой информации по физике, поступающей в базу знаний, то есть саморегулирование системы. Работы в области ИОС пока носят единичный характер и на уровень массовой технологии еще не вышли.
3. Электронный учебник физики
В последние годы получили распространение лазерные компакт-диски по физике. На этих носителях информации размещаются различные виды экранно-звуковых средств, приспособленных для использования с помощью компьютера. В них предлагаются демонстрации заданий для фронтальной и индивидуальной работы учеников на уроке, для домашней самостоятельной работы. Компакт диски по физике помогают обеспечить интерактивность взаимодействия ученика с учебным материалом, индивидуальную траекторию его усвоения, интенсифицировать обратную связь «учитель-ученик».
Новые возможности информатизации физического образования открыла в 90-е годы гипертекстовая технология. Основная её черта — это возможность переходов по гиперссылкам, которые представлены либо в виде специально оформленного текста, либо определенного графического изображения. Одновременно на экране компьютера может быть несколько гиперссылок, и каждая из них определяет свой маршрут «путешествия». В этой огромной среде легко находить нужную информацию, возвращаться к уже пройденному материалу и т. п. При проектировании гипертекстовой системы можно заложить гиперссылки, опираясь на способности человеческого мышления к интеграции информации и ассоциативному доступу к ней. Использование динамического гипертекста позволяет провести диагностику знаний, а затем автоматически выбрать один из возможных уровней изучения одной и той же темы курса физики. Эти системы представляют информацию так, что сам обучаемый, следуя графическим и текстовым ссылкам, может использовать различные схемы работы с материалом. Все это создает условия для реализации дифференцированного подхода к обучению физике.
4. Интернет технологии в физическом образовании
Новый импульс информатизации физического образования дает развитие информационных телекоммуникационных сетей. Интернет обеспечивает доступ к гигантским объемам информации, хранящимся в различных уголках нашей планеты. Многие эксперты рассматривают Интернет-технологии как революционный прорыв, превосходящий по своей значимости появление персонального компьютера. Средства телекоммуникации, включающие электронную почту, глобальную, региональные и локальные сети связи и обмена данными, представляют для обучения физике широчайшие возможности: оперативную передачу на разные расстояния информацию любого объема и вида, интерактивность и оперативную обратную связь, организацию совместных телекоммуникационных проектов, запрос информации по любому интересующему вопросу через систему электронных конференций. Образовательный web-сайт учебного заведения в сети Интернет - новое средство обучения. В связи с бурным развитием информационных технологий количество и роль образовательных сайтов в деятельности учебных заведений возрастает. От содержания, организационной структуры и функционирования образовательного сайта зависит не только успех взаимодействия учебного заведения с внешним миром, но и образовательные процессы внутри учебного заведения. [17]
В работе [6] подробно дан анализ, классификация и характеристика программных средств ИТО.
К техническим средствам ИТО относят:
1. Компьютер.
2. Периферийные устройства:
• Принтер;
• Сканер;
• Проектор;
• Цифровая фотокамера и видеокамера;
• Веб – камера.
3. Специализированное оборудование.
Специализированное аппаратное обеспечение бывает двух видов: научное и учебное. К научному можно отнести, например, специальную плату, с помощью которой ПК можно использовать в качестве высококачественного осциллографа. Устройства учебного назначения больше подходят именно для изучения физики; к ним относятся различные датчики и блоки, обеспечивающие их совместную работу с компьютером. Примером такого оборудования может служить комплект «Лаборатория L - микро», в который входят блок сопряжения с компьютером и наборы датчиков для измерения механических, термодинамических и других физических величин. А также измерительный комплекс нового поколения «Архимед», действующий на базе карманных компьютеров «Palm». [17].
1.2 Электронные пособия по физике (на примере «Физика 7-11 класс», "Открытая физика 2.0")
Электронное издание «Физика, 7–11 классы» предназначено для учащихся школ, лицеев, гимназий, колледжей, для абитуриентов, готовящихся к поступлению в вуз и для самостоятельного изучения физики. Его содержание соответствует программе курсов физики и астрономии для общеобразовательных учреждений России.
Электронное издание разработано при содействии НФПК – Национального фонда подготовки кадров.
Курс является победителем конкурса по разработке и созданию учебной литературы нового поколения на электронных носителях для общеобразовательной школы, проводимого НФПК – Национальным фондом подготовки кадров и Министерством образования Российской Федерации.
Курс выпускается на двух дисках и содержит:
· электронный иллюстрированный конспект;
· около 100 видеофрагментов (на диске № 2);
· около 250 виртуальных лабораторий и интерактивных моделей;
· вопросы и задачи для самоподготовки;
· справочные таблицы;
· предметный указатель;
· поисковую систему по ключевому слову;
· звуковое сопровождение;
· систему помощи;
· каталог Интернет-ресурсов по физике;
· методические пособия для учителей.
Для учебных учреждений разработана сетевая версия. Интерфейс курса «Физика, 7-11 классы» позволяет пользователю, имеющему доступ в Интернет, связаться с сервером компании ФИЗИКОН, на котором осуществляется поддержка пользователей курса.
Сетевая версия содержит:
· электронный иллюстрированный конспект теории;
· около 100 видеофрагментов (на диске № 2);
· около 250 виртуальных лабораторий и интерактивных моделей;
· вопросы и задачи для самоподготовки;
· сетевой тестирующий комплекс, включающий 3000 вопросов и задач;
· справочные таблицы;
· предметный указатель;
· поисковую систему по ключевому слову;
· звуковое сопровождение;
· систему помощи;
· каталог интернет-ресурсов по физике;
· методические пособия для учителей.
Курс «Физика, 7–11 классы» может быть использован в учебном процессе следующим образом.
· Самостоятельная подготовка учащихся (изучение конспектов, просмотр видеозаписей, проведение практических работ).
· Демонстрации учителем в классе (показ видеозаписей, интерактивных моделей и анимаций), в т. ч. с помощью мультимедиа-проектора на экране.
· Классные лабораторные работы (в компьютерном классе).
· Самостоятельные практические работы учеников (решение примеров из базы данных вопросов и задач).
· Проведение электронной аттестации учащихся (контрольная работа в компьютерном классе).
· Подготовка материалов для проведения контрольной работы в традиционном («бумажном») варианте в классе.
· Подготовка учителя к занятию или контрольной работе.
· Выполнение учащимися творческих работ под руководством учителя, а также самостоятельно.
Интерактивный курс позволит получить глубокие знания по различным разделам физики:
· механике,
· термодинамике и молекулярной физике,
· электростатике,
· оптике,
· атомной и ядерной физике,
· элементам теории относительности.
Также на диске изложены вопросы, касающиеся происхождения и развития Солнечной системы, нашей Галактики и Вселенной.
Формы предоставления учебного материала (графики, рисунки, таблицы, текст...)
Компьютерный курс «Физика, 7–11 классы» содержит интерактивные задания для проверки знаний учащихся. Расположены эти задания в конце каждого параграфа конспекта. Каждое задание представляет собой окно, в котором предлагается тот или иной способ ввода ответа. Там также содержатся кнопки, с помощью которых можно проверить ответ или посмотреть правильное решение.
Программа содержит сетевой тестирующий комплекс – новейший комплекс программ компании «Физикон», предназначенный для самостоятельного решения задач и аттестации в локальной сети и в Интернете. Сетевой тестирующий комплекс устанавливается вместе с сетевой версией программы «Физика, 7–11 классы» на сервер локальной сети, однако его можно установить и на компьютер, не подсоединенный к сети, используя одновременно как сервер и как терминал пользователя.
Сетевой тестирующий комплекс включает в себя следующие блоки:
· C:PhysiconPhysics7-11contenthchapter4sectionparagraph3theory.html: добавление новых пользователей, редактирование свойств уже имеющихся пользователей, установка паролей и ролевых ограничений;
· C:PhysiconPhysics7-11contenthchapter4sectionparagraph5theory.html: каталогизированное хранение задач, добавление новых и редактирование уже имеющихся задач (в т. ч. при помощи визуального редактора), экспорт задач из формата CourseML и импорт в этот формат;
· C:PhysiconPhysics7-11contenthchapter4sectionparagraph7theory.html: управление дополнительными таблицами базы данных (темы, ключевые слова, авторы и т. п.);
· C:PhysiconPhysics7-11contenthchapter4sectionparagraph11theory.html: составление шаблонов и вариантов контрольных работ, выбор задач для контрольных работ, просмотр и печать вариантов, назначение вариантов ученикам, текущий контроль выполнения контрольных работ, автоматическая и «ручная» проверка решений учеников;
· C:PhysiconPhysics7-11contenthchapter4sectionparagraph17theory.html: просмотр статистической информации по контрольным работам и ученикам с ролевым ограничением прав доступа.
Сетевой тестирующий комплекс компании «Физикон» предоставляет возможность управлять доступом пользователей к программе, предоставляя пользователям различные привилегии. Комплекс поддерживает три ролевые группы, обладающие различными правами:
· Администраторы. Имеют доступ ко всему спектру возможностей комплекса. Назначайте пользователя администратором только в том случае, если вы уверены в его благонадежности.
· Учителя. Обладают всем спектром возможностей комплекса за исключением управления пользователями. Назначайте эту роль всем пользователям, которым необходим активный доступ к C:PhysiconPhysics7-11contenthchapter4sectionparagraph5theory.html с возможностью редактирования базы данных и составления контрольных работ.
· Ученики. Не могут управлять пользователями, вносить изменения в базу данных вопросов и задач, составлять и назначать контрольные работы. Назначайте эту роль пользователям, которым необходимы возможности прохождения аттестации на заданиях комплекса.
Компьютерный курс «Физика, 7–11 классы» оформлен в виде набора веб-страниц, для просмотра которых используется обозреватель Internet Explorer. Подобные страницы вы могли видеть, путешествуя по Интернету. Однако для работы с данным курсом вам не обязательно иметь доступ в Интернет. Все страницы курса будут установлены на ваш компьютер при его инсталляции.
Подключение к Интернету предоставляет дополнительные возможности. Оно позволяет связаться с сервером компании ФИЗИКОН, на котором осуществляется поддержка пользователей курса. Кроме того, оно позволяет выйти за пределы данного курса, при помощи многочисленных ссылок на Интернет-ресурсы, представляющие интерес для учителя физики.
Программа «Открытая физика»
Мультимедиа-обучающая программа "Открытая физика 2.0", созданная компанией ФИЗИКОН, завоевала целый ряд призов и дипломов на национальных конкурсах учебных программ, признана лучшей образовательной программой по физике на ИТО-98, переведена и издана во многих странах (США, Англия, Франция, Германия, Италия, Греция, Австралия).
Курс "Открытая Физика 2.0" ориентирован на учащихся 7-11 классов общеобразовательных учреждений, на абитуриентов, самостоятельно готовящихся к поступлению в вузы, на слушателей подготовительных учреждений. Он также может быть полезен студентам педагогических вузов и школьным учителям физики.
В новой версии курса добавлен хорошо иллюстрированный учебник, который, по существу, по принятой в учебной литературе терминологии является подробным справочником по физике, предназначенным для того, чтобы напомнить пользователю основные физические понятия и закономерности изучаемых явлений, написание основных формул, значения важнейших физических констант и так далее. Содержание учебника полностью соответствует программе курса физики для общеобразовательных учреждений России. Учебник систематически излагает материал программы. Большинство из 44 параграфов учебника рассчитаны на учащихся основной школы; однако не- которые параграфы предназначены для классов с углубленным изучением физики (вращение твердого тела, механические автоколебания, второй закон термодинамики, энтропия и т.д.).
Каждая излагаемая в учебнике тема сопровождается подборкой задач. Часть задач снабжена решениями, или подробными указаниями, чтобы напомнить пользователю методику решений. Другая часть предназначена для самостоятельного решения и самопроверки. Самостоятельное решение задач есть лучший способ усвоения теоретического материала. В курс включены задачи различной трудности - от очень простых "одноходовых" задач, до весьма трудных задач, представляющих собой маленькие теоретические исследования для развития творческих способностей учащихся.
Самостоятельно решенные задачи могут быть сверены с "правильным решением"; при этом результат может быть занесен в журнал успеваемости данного учащегося. С помощью этого журнала школьные учителя, преподаватели подготовительных курсов или даже родители могут контролировать успехи учащегося при самостоятельной работе над курсом.
Наряду с обычным традиционными задачами в курс включено значительное количество тестовых задач, в которых предлагается выбрать правильный ответ из целой серии возможных ответов. Такой способ проверки знаний широко используется в зарубежной практике. Последние годы тестирование активно внедряется и в России, в том числе при приеме вступительных экзаменов в некоторые вузы.
Полноценное физическое образование невозможно без экспериментальной работы в лабораториях. К сожалению, в настоящее время в силу известных причин во многих общеобразовательных учреждениях кабинеты физики имеют недостаточное количество экспериментальных материалов. Курс "Открытая Физика 2.0" предлагает учащимся выполнить несколько лабораторных компьютерных экспериментов, которые в какой-то мере могут восполнить недостатки экспериментальной подготовки учащихся. Лабораторные задания в курсе формулируются так, что сначала учащийся должен дать ответ на поставленный вопрос, а затем проверить правильность полученного результата, выполнив компьютерный эксперимент.
Разумеется, компьютерная лаборатория не может полностью заменить настоящую физическую лабораторию. Однако выполнение компьютерных лабораторных работ требует определенных навыков, характерных и для реального эксперимента - выбор условий эксперимента, установка параметров опыта и т.д. В этом смысле лабораторные работы в электронном курсе физики будут, несомненно, полезны учащемуся.
1.3. Использование компьютерных моделей на уроках физики
Компьютерное моделирование позволяет наглядно иллюстрировать физические эксперименты и явления, воспроизводить их тонкие детали, которые могут быть незамечены наблюдателем при реальных экспериментах. Использование компьютерных моделей и виртуальных лабораторий предоставляет нам уникальную возможность визуализации упрощённой модели реального явления. При этом можно поэтапно включать в рассмотрение дополнительные факторы, которые постепенно усложняют модель и приближают ее к реальному физическому явлению. Кроме того, компьютер позволяет моделировать ситуации, нереализуемые экспериментально в школьном кабинете физики, например, работу ядерной установки.
Работа учащихся с компьютерными моделями и виртуальными лабораториями чрезвычайно полезна, так как они могут ставить многочисленные эксперименты и даже проводить небольшие исследования. Интерактивность открывает перед учащимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов.
Процесс компьютерного моделирования для учащихся увлекателен и поучителен, так как результат моделирования всегда интересен, а в ряде случаев может быть весьма неожиданным. Создавая модели и наблюдая их в действии, учащиеся могут познакомиться с рядом физических явлений, изучить их на качественном уровне, а также провести небольшие исследования.[13]
В таблице 1.1. показана общность логики развертывания исследования, состава и последовательности выполняемых субъектом действий в натурном и различного вида модельных экспериментах. [19]
| Этапы |
Натурный эксперимент |
Модельный эксперимент |
| Планирование Разработка метода исследования |
Разработка метода исследования (актуализация теории, получение расчетной формулы, определение состава контролируемых величин и способа их определения, прогноз точности и достоверности результатов, определение оптимальных методик проведения измерений и наблюдений, в т.ч., диапазона варьирования величин, способа фиксации результатов и т.п.), проектирование экспериментальной установки. |
Разработка метода исследования (актуализация теории, получение расчетной формулы, определение состава контролируемых величин и способа их определения, прогноз точности и достоверности результатов, определение оптимальных методик исследования модели, в т.ч., диапазона варьирования величин, способа фиксации результатов и т.п.), проектирование модели. |
| Выполнение действий по получению первичных данных |
Сборка, наладка и тестирование экспериментальной установки, подготовка образцов, выполнение измерений и наблюдений, фиксирование их результатов |
Реализация модели, проверка правильности ее функционирования (тестирование), выполнение исследовательских процедур, фиксирование их результатов. |
| Обработка и интерпретаци и полученных данных |
Обработка и интерпретация полученных данных в рамках используемой теории или гипотезы, изложение результатов и выводов. |
Обработка и интерпретация полученных данных в рамках используемой теории или гипотезы, перенос результатов исследования модели на подлинный объект исследования, изложение результатов и выводов. |
Табл. 1.1. Состав и последовательность действий, выполняемых в натурном и различного вида модельных экспериментах
Разумеется, компьютерная лаборатория не может заменить настоящую физическую лабораторию. Тем не менее, при выполнении компьютерных лабораторных работ у школьников формируются навыки, которые пригодятся им и для реальных экспериментов - выбор условий экспериментов, установка параметров опытов и т.д. Все это превращает выполнение многих заданий в микроисследования, стимулирует развитие творческого мышления учащихся, повышает их интерес к физике. [14]
Компьютерные модели, разработанные компанией «ФИЗИКОН», легко вписываются в урок и позволяют учителю организовать новые нетрадиционные виды учебной деятельности учащихся. В качестве примера приведём три вида уроков с использованием компьютерных моделей:
1.Урок решения задач с последующей компьютерной проверкой
Учитель предлагает учащимся для самостоятельного решения в классе или в качестве домашнего задания индивидуальные задачи, правильность решения которых они смогут проверить, поставив компьютерные эксперименты. Самостоятельная проверка полученных результатов при помощи компьютерного эксперимента усиливает познавательный интерес учащихся, делает их работу творческой, а в ряде случаев приближает её по характеру к научному исследованию. В результате многие учащиеся начинают придумывать свои задачи, решать их, а затем проверять правильность своих рассуждений, используя компьютерные модели. Учитель может сознательно побуждать учащихся к подобной деятельности, не опасаясь, что ему придётся решать «ворох» придуманных учащимися задач, на что обычно не хватает времени. Более того, составленные школьниками задачи можно использовать в классной работе или предложить остальным учащимся для самостоятельной проработки в виде домашнего задания.
2.
Урок-исследование
Учащимся предлагается самостоятельно провести небольшое исследование, используя компьютерную модель, и получить необходимые результаты. Тем более, что многие модели позволяют провести такое исследование буквально за считанные минуты, учитель формулирует темы исследований, а также помогает учащимся на этапах планирования и проведения экспериментов.
3.Урок - компьютерная лабораторная работа
Для проведения такого урока необходимо, прежде всего, разработать соответствующие раздаточные материалы, то есть бланки лабораторных работ. Задания в бланках работ следует расположить по мере возрастания их сложности. Вначале имеет смысл предложить простые задания ознакомительного характера и экспериментальные задачи, затем расчетные задачи и, наконец, задания творческого и исследовательского характера. При ответе на вопрос или при решении задачи учащийся может поставить необходимый компьютерный эксперимент и проверить свои соображения. Расчётные задачи учащимся рекомендуется вначале решить традиционным способом на бумаге, а затем поставить компьютерный эксперимент для проверки правильности полученного ответа.
Задания творческого и исследовательского характера существенно повышают заинтересованность учащихся в изучении физики и являются дополнительным мотивирующим фактором. По указанной причине уроки последних двух типов особенно эффективны, так как ученики получают знания в процессе самостоятельной творческой работы. Ведь эти знания необходимы им для получения конкретного, видимого на экране компьютера, результата. Учитель в таких случаях является лишь помощником в творческом процессе формирования знаний. [14]
В процессе работы с мультимедийными курсами ООО «ФИЗИКОН» были предложены следующие виды заданий к компьютерным моделям:
1. Ознакомительное задание;
2. Компьютерные эксперименты;
3. Экспериментальные задачи;
4. Расчётные задачи с последующей компьютерной проверкой;
5. Неоднозначные задачи;
6. Задачи с недостающими данными;
7. Творческие задания;
8. Исследовательские задания;
9. Проблемные задания;
10. Качественные задачи.
Образовательные результаты, которые достигаются при применении информационных технологий:
-учащимся предоставляется возможность индивидуальной исследовательской работы с компьютерными моделями, в ходе которой они могут самостоятельно ставить эксперименты, быстро проверять свои гипотезы, устанавливать закономерности;
-учащимся предоставляется индивидуальный темп обучения;
-учащимся предоставляется возможность выполнить компьютерную лабораторную работу;
-учащиеся приобретают навыки оптимального использования персонального компьютера как обучающего средства;
-учитель получает возможность провести быструю индивидуальную диагностику результативности процесса обучения;
-у учителя высвобождается время на индивидуальную работу с учащимися (особенно с отстающими), в ходе которой он может корректировать процесс познания.
Глава
II.Дидактические принципы изучения темы “Электромагнитные колебания” в курсе физики средней школы
2.1Методика изучения темы “Электромагнитные колебания” в курсе физики средней школы
При определении содержания и методов изучения данного раздела необходимо руководствоваться такими основными факторами, как научной значимостью отобранного для изучения материала и важностью его практических приложений.
Колебательные процессы – одни из самых распространенных процессов в природе. Изучение колебаний – это универсальный ключ ко многим тайнам мира.
Колебательные процессы, а именно электромагнитные колебания являются основой действия всех электро- и радиотехнических устройств.
В процессе изучения темы “Электромагнитные колебания” рассматриваются свободные электромагнитные колебания и автоколебания в колебательных контурах, а также вынужденные колебания в электрических цепях под действием синусоидальной ЭДС. Все эти вопросы имеют очень большое значение, так как на их основе затем изучаются электромагнитные волны с их научно-практическими приложениями.
При изложении данной темы в курсе физики средней школы учитель должен опираться на следующие основные положения:
- использование аналогий механических и электромагнитных колебаний;
- изучение и объяснение явлений и процессов на основе знаний об электрическом и магнитном полях и электромагнитной индукции, полученных в X классе;
- широкое применение физического эксперимента.
Содержание материала и последовательность его изложений отражены в ниже следующем примерном поурочном планировании[1]
:
1-й и 2-й уроки. Повторение материала об электромагнитной индукции. Свободные и вынужденные электрические колебания.
3-й урок. Колебательный контур. Превращение энергии при ЭМК.
4-й урок. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями.
5-й урок. Уравнения гармонических колебаний в контуре. Упражнения.
Первые пять уроков отводятся на изучение процессов в колебательном контуре. Центральными являются уроки, на которых рассматривается колебательный контур, раскрывается сущность происходящих в нем процессов и устанавливается, что свободные электромагнитные колебания в идеальном контуре гармонические. С колебательным контуром учащиеся знакомятся, наблюдая электромагнитные колебания низкой частоты, возникающие в цепи, состоящей из последовательного соединенных конденсатора и катушки индуктивности.
Электромагнитные колебания вначале представляются как периодическое (в идеале - гармоническое) изменение физических величин (заряда, тока, напряжения), характеризующих состояние системы проводников. Затем показывается, что при этом происходит периодическое изменение энергий электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки с током.
Очень важно при этом отметить, что эти изменения неразрывно связаны друг с другом, что выражается в сохранении полной энергии в идеальном колебательном контуре.
Необходимо показать, что колебательный контур – это система, у которой есть состояние устойчивого равновесия, характеризуемое состоянием с минимальной потенциальной энергией (конденсатор не заряжен), в которое система приходит сама собою (разрядка конденсатора) и через которое она может проходить “по инерции” (явление самоиндукции). Это следует подчеркнуть при количественном изучении процессов в контуре и получении формулы Томсона, так как только для колебательной системы имеет смысл понятие “собственная частота”.
Чтобы доказать, что в идеальном контуре происходят гармонические колебания, необходимо получить основное уравнение, описывающее процессы в контуре и показать его аналогичность уравнению гармонических механических колебаний.
Для получения основного уравнения, описывающего процессы в контуре, лучше использовать закон Ома для участка цепи, содержащего э.д.с. Это позволяет снять возможный вопрос о допустимости применения закона, установленного для постоянного тока, для описания процессов в колебательном контуре, кроме того, при этом отпадает необходимость оговаривать отсутствие гальванического элемента. В этом случае роль разности потенциалов играет напряжение на конденсаторе, равное Q/C. Записав
и считая сопротивление R контура очень малым, переходят к мгновенным значениям, что следует оговорить. В результате получают
Для раскрытия физической сущности электромагнитных колебаний используется метод векторных диаграмм. Построение ведется по четвертям периода и сопровождается объяснением того, как изменяется каждая из величин, представленных на диаграмме. Фазовые соотношения определяются исходя из того, что сила тока имеет смысл скорости изменения заряда, а э.д.с. самоиндукции (с учетом знака) – скорости изменения тока. При изучении механических колебаний было установлено, что фазы таких колебаний отличаются на p/2.
После рассмотрения явлений в колебательном контуре переходят к изучению переменного тока как вынужденных электромагнитных колебаний.
Изучение начинается с демонстрации осциллограммы сетевого напряжения, вид которой позволяет считать переменный ток гармоническими электромагнитными колебаниями.
Отмечают, что вообще переменный ток – это вынужденные электромагнитные колебания, форма которых определяется законом изменения приложенного напряжения. Затем выводят уравнения гармонических колебаний э.д.с. индукции в витке обмотки генератора и тока в сети. Подробно устройство генератора не рассматривают, речь идет лишь о получении переменной э.д.с. путем вращения рамки в постоянном магнитном поле.
Вывод уравнений опирается на изученные в Х классе закон электромагнитной индукции Фарадея и понятие магнитного потока.
Обращают внимание на то, что подобно тому, как при механических колебаниях возможен сдвиг фаз между вынуждающей силой и скоростью колеблющейся точки, так и в случае электромагнитных колебаний может быть сдвиг по фазе между током и напряжением. Более подробное рассмотрение фазовых соотношений тока и напряжения будет сделано при изучении реактивных сопротивлений и закона Ома для переменного тока.
В заключение рассматривается генератор на транзисторе как пример электромагнитной автоколебательной системы. В такой системе вырабатываются высокочастотные незатухающие колебания за счет дозированного периодического поступления энергии от источника постоянного напряжения, входящего в состав системы. Целесообразно сначала показать такой генератор в действии, а затем объяснить его устройство, используя саму установку и ее схему.
Учитывая исключительную важность повторения, обобщения и систематизации всего курса физики в ХI классе, следует особое внимание уделить задачам на повторение с использованием вновь изученного материала.
Глава
III.Компьютерное моделирование электромагнитных колебаний
3.1 Возможности применения графических пакетов, оболочек и электронных пособий при изучении электромагнитных колебаний в курсе физики средней школы
На сегодняшний день разработано множество графических пакетов, оболочек (Соrel, 3D-Studio, Power-Point, Micro-Cap и др.), электронных изданий(Физика 7-11класс(Физикон), Открытая физика, Кирилл и Мефодий и др.) позволяющих решать конкретные практические задачи с помощью ЭВМ без знания языков высокого уровня. По нашему мнению, наиболее приемлемыми для использования в школе являются оболочка PowerPoint и электронные пособия: Физика 7-11класс, Открытая физика, Кирилл и Мефодий и др. В своей работе я попытаюсь исследовать данные пособия и показать их применение на основе выбранной темы.
3.2 Возможности использования графической оболочки Corel и пакета PowerPoint
Графический редактор CorelMove и пакет для создания презентаций PowerPoint позволяет создавать различные статические и динамические модели, которые очень наглядно демонстрируют различные физические опыты и явления, переходные процессы. Просмотр этих моделей учащимися делает процесс изучения физики интересным и привлекательным, а так же во многом упрощает труд преподавателя. Применение компьютерных моделей на уроках вообще и физики – в частности, в конечном счете, должно способствовать развитию познавательного интереса, овладению школьниками возможностями информационных технологий, более гармоничному развитию интеллектуальных способностей учащихся.
3.3 Повышение наглядности обучения при использовании компьютерных моделей на уроках физики.
При изучении физики возможен пересмотр методики изучения школьниками некоторых разделов на основе эффективной графической иллюстрации сложных зависимостей, представляемых обычно в табличной или аналитической форме, улучшения техники и методики демонстрационного эксперимента, наглядного решения физических задач.
Чтобы сделать средство обучения наглядным, необходимо выделить основные свойства изучаемого явления, т. е. превратить его в модель, правильно отразить в модели эти свойства и обеспечить доступность этой модели для учащихся.
Особое внимание должно уделяться статическим и динамическим моделям. Динамическое компьютерное моделирование обладает большой достоверностью и убедительностью, прекрасно передает динамику различных физических процессов.
В настоящее время изменилось отношение к наглядности преподавания физики. Широкое распространение получили различные компьютерные модели, открывающие перед учителем много возможностей и перспектив в обучении физике. Их использование в комплексе с другими средствами наглядности повышают эффективность процесса обучения.
Показателем эффективности компьютерных моделей является интеллектуальное развитие учащихся. Для повышения этого показателя необходимо соответствие предметного содержания урока целевому назначению динамической компьютерной модели.
Использование компьютерных технологий позволяет в условиях школы надежно воспроизводить физические явления и процессы, быстро и точно производить расчеты времени, многократно повторять эксперимент с разными исходными данными.
Важным условием повышения эффективности наглядности обучения является активизация познавательной деятельности учащихся за счет увеличения объема самостоятельной работы при организации диалога ученика с компьютером.
Применение компьютерных моделей в демонстрационном эксперименте позволяет более полно реализовать на практике такие требования, как обеспечение видимости, создание специфического эмоционального настроя.
На основании соответствия содержания учебного материала целевому назначению динамических компьютерных моделей выделяют несколько вариантов использования динамических компьютерных моделей при объяснении нового материала:
1. в теории, основанной на явлениях, для которых важно знать их механизм;
2. в теории, основанной на исторических опытах;
3. в теории по материалу повышенной трудности;
4. для демонстрации применения изучаемого явления в жизни и технике;
5. для построения графиков, необходимых для изучения нового материала.
3.4 Разработка методики изучения темы «Электромагнитные колебания
»
1. Колебательный контур. Превращения энергии при электромагнитных колебаниях.
Эти вопросы, являющиеся одними из самых важных в данной теме, рассматриваются на третьем уроке.
Сначала вводится понятие колебательного контура, делается соответствующая запись в тетради.
Далее, для выяснения причины возникновения электромагнитных колебаний, демонстрируется фрагмент, где показан процесс зарядки конденсатора. Обращается внимание учащихся на знаки зарядов пластин конденсатора.
После этого рассматриваются энергии магнитного и электрического полей, ученикам рассказывают о том, как изменяются эти энергии и полная энергия в контуре, объясняется механизм возникновения электромагнитных колебаний с использованием модели, ведется запись основных уравнений.
Очень важно обратить внимание учащихся на то, что такое представление тока в цепи (поток заряженных частиц) является условным, так как скорость электронов в проводнике очень мала. Такой способ представления выбран для облегчения понимания сути электромагнитных колебаний.
Далее внимание учащихся акцентируется на том, что они наблюдают процессы превращения энергии электрического поля в энергию магнитного и наоборот, а так как колебательный контур является идеальным (отсутствует сопротивление), то полная энергия электромагнитного поля остается неизменной. После этого дается понятие электромагнитных колебаний и оговаривается, что эти колебания являются свободными. Затем подводятся итоги и дается домашнее задание.
2. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями.
Этот вопрос рассматривается на четвертом уроке изучения темы. Вначале для повторения и закрепления можно еще раз продемонстрировать динамическую модель идеального колебательного контура. Для объяснения сути и доказательства аналогии между электромагнитными колебаниями и колебаниями пружинного маятника используются динамическая колебательная модель ”Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями” и презентаций PowerPoint.
В качестве механической колебательной системы рассматривается пружинный маятник (колебания груза на пружине). Выявление связи между механическими и электрическими величинами при колебательных процессах ведется по традиционной методике.
Как это уже было сделано на прошлом занятии, необходимо еще раз напомнить учащимся об условности движения электронов по проводнику, после чего их внимание обращается на правый верхний угол экрана, где находится колебательная система “сообщающиеся сосуды”. Оговаривается, что каждая частица совершает колебания около положения равновесия, поэтому колебания жидкости в сообщающихся сосудах тоже могут служить аналогией электромагнитных колебаний.
Далее составляется таблица соответствия между механическими и электрическими величинами при колебательных процессах:
Таблица соответствия между механическими и электрическими величинами при колебательных процессах.
Если в конце урока осталось время, то можно более подробно остановиться на демонстрационной модели, разобрать все основные моменты с применением вновь изученного материала.
3. Уравнение свободных гармонических колебаний в контуре.
Вначале урока демонстрируются динамические модели колебательного контура и аналогии механических и электромагнитных колебаний, повторяются понятия электромагнитных колебаний, колебательного контура, соответствие механических и электромагнитных величин при колебательных процессах.
Новый материал необходимо начать с того, что если колебательный контур идеальный, то его полная энергия с течением времени остается постоянной
,
т.е. ее производная по времени постоянна, а значит и производные по времени от энергий магнитного и электрического полей тоже постоянны. Затем, после ряда математических преобразований приходят к выводу, что уравнение электромагнитных колебаний аналогично уравнению колебаний пружинного маятника.
Ссылаясь на динамическую модель, учащимся напоминают, что заряд в конденсаторе меняется периодически, после чего ставится задача – выяснить, как зависят от времени заряд, сила тока в цепи и напряжение на конденсаторе.
Данные зависимости находятся по традиционной методике. После того, как найдено уравнение колебаний заряда конденсатора, учащимся демонстрируется картинка, на которой изображены графики зависимости заряда конденсатора и смещения груза от времени, представляющие собой косинусоиды.
По ходу выяснения уравнения колебаний заряда конденсатора вводятся понятия периода колебаний, циклической и собственной частот колебаний. Затем выводится формула Томсона.
Далее получают уравнения колебаний силы тока в цепи и напряжения на конденсаторе, после чего демонстрируется картинка с графиками зависимости трех электрических величин от времени. Внимание учащихся обращается на сдвиг фаз между колебаниями силы тока и зарядами его отсутствием между колебаниями напряжения и заряда.
После того, как выведены все три уравнения, вводится понятие затухающих колебаний и демонстрируется картинка, на которой изображены эти колебания.
На следующем уроке подводятся краткие итоги с повторением основных понятий и решаются задачи на нахождение периода, циклической и собственной частот колебаний, исследуются зависимости q(t), U(t), I(t), а так же различные качественные и графические задачи.
4. Методическая разработка трёх уроков
Приведенные ниже уроки разработаны в виде лекций, так как эта форма, по моему мнению, является наиболее производительной и оставляет в данном случае достаточно времени для работы с динамическими демонстрационными моделями. При желании эта форма может быть легко трансформирована в любую другую форму проведения урока.
Урок № 1.
Тема урока: Колебательный контур. Превращения энергии в колебательном контуре.
Объяснение нового материала.
Цель урока: объяснение понятия колебательного контура и сути электромагнитных колебаний с использованием динамической модели “Идеальный колебательный контур”.
Колебания могут происходить в системе, которая называется колебательным контуром, состоящим из конденсатора емкостью С и катушки индуктивностью L. Колебательный контур называется идеальным, если в нем нет потерь энергии на нагревание соединительных проводов и проводов катушки, т. е. пренебрегают сопротивлением R.
Давайте сделаем в тетрадях чертеж схематичного изображения колебательного контура.
Чтобы возникли электрические колебания в этом контуре, ему необходимо сообщить некоторый запас энергии, т.е. зарядить конденсатор. Когда конденсатор зарядится, то электрическое поле будет сосредоточено между его пластинами.
(Давайте проследим процесс зарядки конденсатора и остановим процесс, когда зарядка будет завершена).
Итак, конденсатор заряжен, его энергия равна
, но ,
поэтому , следовательно,
.
Так как после зарядки конденсатор будет иметь максимальный заряд (обратите внимание на пластины конденсатора, на них расположены противоположные по знаку заряды), то при q=qmax
энергия электрического поля конденсатора будет максимальна и равна
.
В начальный момент времени вся энергия сосредоточена между пластинами конденсатора, сила тока в цепи равна нулю. (Давайте теперь замкнем на нашей модели конденсатор на катушку). При замыкании конденсатора на катушку он начинает разряжаться и в цепи возникнет ток, который, в свою очередь, создаст в катушке магнитное поле. Силовые линии этого магнитного поля направлены по правилу буравчика.
При разрядке конденсатора ток не сразу достигает своего максимального значения, а постепенно. Это происходит потому, что переменное магнитное поле порождает в катушке второе электрическое поле. Вследствие явления самоиндукции там возникает индукционный ток, который, согласно правилу Ленца, направлен в сторону, противоположную увеличению разрядного тока.
Когда разрядный ток достигает своего максимального значения энергия магнитного поля максимальна и равна:
,
а энергия конденсатора в этот момент равна нулю. Таким образом, через t=T/4 энергия электрического поля полностью перешла в энергию магнитного поля.
(Давайте понаблюдаем процесс разрядки конденсатора на динамической модели. Обращаю ваше внимание на то, что такой способ представления процессов зарядки и разрядки конденсатора в виде потока перебегающих частиц, является условным и выбран для удобства восприятия. Вы прекрасно знаете, что скорость движения электронов очень мала (порядка нескольких сантиметров в секунду). Итак, вы видите, как, при уменьшении заряда на конденсаторе изменяется сила тока в цепи, как изменяются энергии магнитного и электрического полей, какая между этими изменениями существует связь. Так как контур является идеальным, то потерь энергии нет, поэтому общая энергия контура остается постоянной).
С началом перезарядки конденсатора разрядный ток будет уменьшаться до нуля не сразу, а постепенно. Это происходит опять же из-за возникновения противо э. д. с. и индукционного тока противоположной направленности. Этот ток противодействует уменьшению разрядного тока, как ранее противодействовал его увеличению. Сейчас он будет поддерживать основной ток. Энергия магнитного поля будет уменьшаться, энергия электрического – увеличиваться, конденсатор будет перезаряжаться.
Таким образом, полная энергия колебательного контура в любой момент времени равна сумме энергий магнитного и электрического полей
Колебания, при которых происходит периодическое превращение энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки, называются ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ колебаниями. Так как эти колебания происходят за счет первоначального запаса энергии и без внешних воздействий, то они являются СВОБОДНЫМИ.
Урок №2.
Тема урока: Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями.
Объяснение нового материала.
Цель урока: объяснение сути и доказательство аналогии между электромагнитными колебаниями и колебаниями пружинного маятника с использованием динамической колебательной модели ”Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями” и презентаций PowerPoint.
Материал для повторения:
· понятие колебательного контура;
· понятие идеального колебательного контура;
· условия возникновения колебаний в к/к;
· понятия магнитного и электрического полей;
· колебания как процесс периодического изменения энергий;
· энергия контура в произвольный момент времени;
· понятие (свободных) электромагнитных колебаний.
(Для повторения и закрепления учащимся еще раз демонстрируется динамическая модель идеального колебательного контура).
На этом уроке мы рассмотрим аналогию между механическими и электромагнитными колебаниями. В качестве механической колебательной системы будем рассматривать пружинный маятник.
(На экране вы видите динамическую модель, которая демонстрирует аналогию между механическими и электромагнитными колебаниями. Она поможет нам разобраться в колебательных процессах, как в механической системе, так и в электромагнитной).
Итак, в пружинном маятнике упругодеформированная пружина сообщает скорость прикрепленному к ней грузу. Деформированная пружина обладает потенциальной энергией упругодеформированного тела
,
движущийся груз обладает кинетической энергией
.
Превращение потенциальной энергии пружины в кинетическую энергию колеблющегося тела является механической аналогией превращения энергии электрического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки. При этом аналогом механической потенциальной энергии пружины является энергия электрического поля конденсатора, а аналогом механической кинетической энергии груза является энергия магнитного поля, которая связана с движением зарядов. Зарядке конденсатора от батареи соответствует сообщение пружине потенциальной энергии (например, смещение рукой).
Давайте сопоставим формулы и выведем общие закономерности для электромагнитных и механических колебаний.
Из сопоставления формул следует, что аналогом индуктивности L является масса m, а аналогом смещения х служит заряд q, аналогом коэффициента k служит величина, обратная электроемкости, т. е. 1/С.
Моменту, кода конденсатор разрядится, а сила тока достигнет максимума, соответствует прохождение телом положения равновесия с максимальной скоростью (обратите внимание на экраны: там вы можете пронаблюдать это соответствие).
Далее при перезарядке конденсатора тело будет смещаться влево от положения равновесия. Через промежуток времени, равный t=T/2, конденсатор полностью перезарядится и сила тока в цепи станет равной нулю.
Как уже было сказано на прошлом занятии, движение электронов по проводнику является условным, ведь для них основным видом движения является колебательное движение около положения равновесия. Поэтому иногда еще электромагнитные колебания сравнивают с колебаниями воды в сообщающихся сосудах (посмотрите на экран, вы видите, что в правом верхнем углу находится именно такая колебательная система), где каждая частица совершает колебания около положения равновесия.
Итак, мы выяснили, что аналогией индуктивности является масса, а аналогией перемещения является заряд. Но вед вы прекрасно знаете, что изменение заряда в единицу времени – это не что иное, как сила тока, а изменение координаты в единицу времени – скорость, то есть q’
= I, а x’
= v. Таким образом, мы нашли еще одно соответствие между механическими и электрическими величинами.
Давайте составим таблицу, которая поможет нам систематизировать связи механических и электрических величин при колебательных процессах.
Таблица соответствия между механическими и электрическими величинами при колебательных процессах.
Урок №3.
Тема урока: Уравнение свободных гармонических колебаний в контуре.
Объяснение нового материала.
Цель урока: вывод основного уравнения электромагнитных колебаний, законов изменения заряда и силы тока, получения формулы Томсона и выражения для собственной частоты колебания контура с использованием презентаций PowerPoint.
Материал для повторения:
· понятие электромагнитных колебаний;
· понятие энергии колебательного контура;
· соответствие электрических величин механическим величинам при колебательных процессах.
(Для повторения и закрепления необходимо еще раз продемонстрировать модель аналогии механических и электромагнитных колебаний).
На прошлых уроках мы выяснили, что электромагнитные колебания, во-первых, являются свободными, во-вторых, представляют собой периодическое изменение энергий магнитного и электрического полей. Но кроме энергии при электромагнитных колебаниях меняется еще и заряд, а значит и сила тока в контуре и напряжение. На этом уроке мы должны выяснить законы, по которым меняются заряд, а значит сила тока и напряжение.
Итак, мы выяснили, что полная энергия колебательного контура в любой момент времени равна сумме энергий магнитного и электрического полей: . Считаем, энергия не меняется со временем, то есть контур – идеальный. Значит производная полной энергии по времени равна нулю, следовательно, равна нулю сумма производных по времени от энергий магнитного и электрического полей:
, то есть .
Знак минус в этом выражении означает, что когда энергия магнитного поля возрастает, энергия электрического поля убывает и наоборот. А физический смысл этого выражения таков, что скорость изменения энергии магнитного поля равна по модулю и противоположна по направлению скорости изменения электрического поля.
Вычисляя производные, получим
.
Но , поэтому и - мы получили уравнение, описывающее свободные электромагнитные колебания в контуре. Если теперь мы заменим q на x, х’’
=ах
на q’’
, k на 1/C, m на L, то получим уравнение
,
описывающее колебания груза на пружине. Таким образом, уравнение электромагнитных колебаний имеет такую же математическую форму, как уравнение колебаний пружинного маятника.
Как вы видели на демонстрационной модели, заряд на конденсаторе меняется периодически. Необходимо найти зависимость заряда от времени.
Из девятого класса вам знакомы периодические функции синус и косинус. Эти функции обладают следующим свойством: вторая производная синуса и косинуса пропорциональна самим функциям, взятым с противоположным знаком. Кроме этих двух, никакие другие функции этим свойством не обладают. А теперь вернемся к электрическому заряду. Можно смело утверждать, что электрический заряд, а значит и сила тока, при свободных колебаниях меняются с течением времени по закону косинуса или синуса, т.е. совершают гармонические колебания. Пружинный маятник также совершают гармонические колебания (ускорение пропорционально смещению, взятому со знаком минус).
Итак, чтобы найти явную зависимость заряда, силы тока и напряжения от времени, необходимо решить уравнение
,
учитывая гармонический характер изменения этих величин.
Если в качестве решения взять выражение типа q = qm
cos t , то, при подстановке этого решения в исходное уравнениe, получим q’’
=-qm
cos t=-q.
Поэтому, в качестве решения необходимо взять выражение вида
q=qm
cosщo
t,
где qm
– амплитуда колебаний заряда (модуль наибольшего значения колеблющейся величины),
щo
= - циклическая или круговая частота. Её физический смысл –
число колебаний за один период, т. е. за 2р с.
Период электромагнитных колебаний – промежуток времени, в течение которого ток в колебательном контуре и напряжение на пластинах конденсатора совершает одно полное колебание. Для гармонических колебаний Т=2р с (наименьший период косинуса).
Частота колебаний – число колебаний в единицу времени – определяется так: н = .
Частоту свободных колебаний называют собственной частотой колебательной системы.
Так как щo
= 2р н=2р/Т, то Т= .
Циклическую частоту мы определили как щo
= , значит для периода можно записать
Т= = - формула Томсона для периода электромагнитных колебаний.
Тогда выражение для собственной частоты колебаний примет вид
.
Нам осталось получить уравнения колебаний силы тока в цепи и напряжения на конденсаторе.
Так как , то при q = qm
cos щo
t получим U=Um
cosщo
t. Значит, напряжение тоже меняется по гармоническому закону. Найдем теперь закон, по которому меняется сила тока в цепи.
По определению , но q=qm
cosщt, поэтому
,
где р/2 – сдвиг фаз между силой тока и зарядом (напряжением). Итак, мы выяснили, что сила тока при электромагнитных колебаниях тоже меняется по гармоническому закону.
Мы рассматривали идеальный колебательный контур, в котором нет потерь энергии и свободные колебания могут продолжаться бесконечно долго за счет энергии, однажды полученной от внешнего источника. В реальном контуре часть энергии идет на нагревание соединительных проводов и нагревание катушки. Поэтому свободные колебания в колебательном контуре являются затухающими.
Заключение
В данной дипломной работе была разработана методика изучения электроколебательных процессов с помощью компьютера. Подводя итог можно сделать ряд выводов.
1.В процессе изучения темы “Электромагнитные колебания” рассматриваются свободные электромагнитные колебания и автоколебания в колебательных контурах, а также вынужденные колебания в электрических цепях под действием синусоидальной ЭДС. Все эти вопросы имеют очень большое значение, так как на их основе затем изучаются электромагнитные волны с их научно-практическими приложениями.
При изложении данной темы в курсе физики средней школы учитель должен опираться на следующие основные положения:
- использование аналогий механических и электромагнитных колебаний;
- изучение и объяснение явлений и процессов на основе знаний об электрическом и магнитном полях и электромагнитной индукции, полученных в X классе;
- широкое применение физического эксперимента.
2.Чтобы сделать средство обучения наглядным, необходимо выделить основные свойства изучаемого явления, т. е. превратить его в модель, правильно отразить в модели эти свойства и обеспечить доступность этой модели для учащихся. Особое внимание должно уделяться статическим и динамическим моделям. Динамическое компьютерное моделирование обладает большой достоверностью и убедительностью, прекрасно передает динамику различных физических процессов.
3.Разработанная нами методика изучения электроколебательных процессов с помощью компьютера позволяет: индивидуализировать учебный процесс по содержанию, объему и темпам усвоения учебного материала, активизировать учащихся при усвоении учебной информации, повысить эффективность использования учебного времени, изменить характер труда преподавателя.
Список литературы
1. Апатова Н.В. Информационные технологии в школьном образовании. // М., 1994.
2. Ю.А.Воронин, Р.М.Чудинский. Компьютеризированные системы средств обучения для проведения учебного физического эксперимента. // Физика в школе,2006, №4.
3. Гомулина Н. Н. Компьютерные обучающие и демонстрационные программы. // «Физика», 1999, № 12.
4. Гончарова С.В. Повышение эффективности наглядности обучения при использовании динамических компьютерных моделей на уроках физики.
5. Дунин СМ. Компьютеризация учебного процесса. // Физика в школе. - 2004. - №2.
6. Захарова И.Г. Информационные технологии в образовании. // М.: Академия, 2003.
7. Использование компьютерных моделей для развития творчества учащихся // Развитие творческой активности учащихся в процессе обучения и профессиональной подготовки студентов. – Екатеринбург. : УрГПУ, 1995. –78 с.
8. Костко О.К. Электромагнитные колебания и волны. Теория относительности.
9. Кудрявцев А.В. Методика использования ЭВМ для индивидуализации обучения физике.
10. Кулакова М.Я. Создание компьютерной обучающей среды для учебной исследовательской работы на занятиях по физике.
11. Мамедов Т.М.О. Использование современных достижений научнотехнического прогресса, как фактор повышения качества преподавания школьного курса физики (Автореферат)
12. .Машбиц Е.И. Психолого-педагогические проблемы компьютеризации обучения. // М.: Педагогика, 1988.
13. Методические материалы к компьютерной лаборатории «L - микро».
14. Методические указания к электронному изданию «Физика 7 - 11». // Физикон.
15. Повышение эффективности наглядности при использовании динамических компьютерных моделей // Теоретические проблемы физического образования. – С.-Петербург. : Образование, 1996. – 87с.
16. Роберт И.В. Современные информационные технологии в образовании: дидактические проблемы, перспективы использования. // М.: Школа-Пресс, 1994.
17. Салимова Л.Ч., Салимов B.C., Брегеда И.Д. Информационные технологии в обучении физики в школе. // Материалы X Всероссийской научно-методической конференции "Телематика'2003", 2003.
18. Стариченко Б.Е. Компьютерные технологии в образовании. Инструментальные системы педагогического назначения.
19. Старовиков М.И. Формирование учебной исследовательской деятельности школьников в условиях информатизации процесса обучения (на материале курса физики) // Автореферат дис. д-ра физ.-мат. Наук. - Челябинск 2007.
20. Степанова Г.Н. Сборник вопросов и задач по физике для 10‑11 классов общеобразовательной школы. – СПб.:”Специальная литература”, 1997. – 384с.
21. Теория и методика обучения физике в школе. Общие вопросы. Под ред. С.Е.Каменецкого, Н.С.Пурышевой. // М.: Академия, 2000.
22. Теория и методика обучения физике в школе. Частные вопросы. Под ред. С.Е.Каменецкого. //М.: Академия, 2000.
23. http://www.corbina.net/~snark/
24. http://l-micro.ru/
[1]
Данное поурочное планирование предложено Н.В. Усовой в ее пособии «Методика изучения физики в 9-10 классах».