Застосування комп'ютерних моделей в загальноосвітній школі на уроці фізики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Харківський національний педагогічний університет імені.Г.С.Сковороди

Фізико-математичний факультет

Кафедра інформатики

Курсова робота

На тему «Застосування комп`ютерних моделей в загальноосвітній школі на уроці фізики»

Виконав :

Студент 3 курсу

групи 3ІМ

Грудина О.О.

Керівник: доц. к.о.н

Пономарьова О.Н.

Харків - 2012 р.

Зміст

ВСТУП

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНІ ЗАСАДИ ВИКОРИСТАННЯ КОМП`ЮТЕРНИХ МОДЕЛЕЙ В ЗАГАЛЬНООСВІТНІЙ ШКОЛІ

1.1 Комп'ютерні моделі в шкільному курсі фізики

1.2 Методика застосування комп'ютерних моделей у шкільному курсі фізики

1.3 Як починати працювати з комп'ютерним курсом

1.4 Як проводити перші уроки в комп'ютерному класі

РОЗДІЛ 2.

2.1 Комп'ютерні моделі для курсу «Квантова фізика 11 клас»

2.1 Приклад розв`язування фізичної задачі з використанням комп`ютерного моделювання

Комп`ютерна модель задачі шкільного курсу фізики0

Висновоки

Список використаних джерел

комп'ютер курс фізика моделювання

Вступ

Найважливішим завданням школи, в тому числі і викладання фізики, є формування особистості, здатної орієнтуватися в потоці інформації в умовах безперервної освіти. Усвідомлення загальнолюдських цінностей можливо тільки при відповідному пізнавальному, моральному, етичному та естетичному вихованні особистості. У зв'язку з цим перший ланцюг можна конкретизувати більш приватними цілями: виховання у школярів в процесі діяльності позитивного ставлення до науки взагалі і до фізики зокрема, розвиток інтересу до фізичних знань, науково - популярним статтями, життєвим проблемам. Фізика є основою природознавства і сучасного науково - технічного прогресу, що визначає такі конкретні цілі навчання: усвідомлення учнями ролі фізики в науці та виробництві, виховання екологічної культури, розуміння моральних та етичних проблем, пов'язаних з фізикою.

Квантову фізику вивчають в кінці шкільного курсу фізики, причому вивчають вперше. Ніде протягом усього шкільного курсу фізики учні не зустрічалися з дуалізмом властивостей частиць, речовини і поля, з дискретністю енергії, з властивостями ядра атома, з елементарними частинками. Лише про будову атома школярі отримали самі початкові уявлення в курсі фізики 8 класу і більш повні -в курсі хімії 9 класу. Ця обставина вимагає від вчителя так побудувати навчальний процес, щоб при первинному вивченні матеріалу добиватися глибокого і міцного засвоєння його учнями. Необхідна продумаюча робота по закріпленню і застосуванню досліджуваного материала при вирішенні задач, виконання лабораторних робіт, роботі з дидактичним матеріалом і т. д. Розумінню і усвоення розділу сприяють оціночні розрахунки, наприклад, хвиль де Бройля, пов'язаних з різними об'єктами , розміру ядра, його щільності, енергії зв'язку і т. п.

Для підвищення якості засвоєння матеріалу дуже важливо спиратися на раніше отримані знання. Перед вивченням будови атома доцільно-образно повторити поняття доцентрового прискорення, закон Ньютона, закон Кулона, а також ті відомості про будову атома, які учні отримали в 8 класі на уроках фізики і в 9 класі при вивченні хімії.

Для полегшення засвоєння квантової фізики необхідно в навчальному процесі широко використовувати різні засоби наочності. Але число демонстраційних дослідів, які можна поставити при вивченні цього розділу, в середній школі дуже невелика. Тому, крім експерименту, широко використовують малюнки, чертежі, графіки, фотографії треків, плакати, діапозитиви і комп'ютерні моделі. Перед усім необхідно ілюструвати фундаментальні досліди (досвід Резерфорда з розсіювання а-частинок, досліди Франка і Герца та ін), а також роз'яснювати принцип пристрою приладів, прискорювачів, атомного реактора, атомної електростанції і т. п. При вивченні цього розділу широко застосовують навчальні кінофільми «Фотоефект», «Фотоелементи та їх застосування», «Тиск світла», «Радіоактивність і атомне ядро», «Ядерна енергетика в мирних цілях», кінофрагменти «Дискретність енергетичних рівнів атома (досвід Франка - Герца) »,« Природа лінійчатих спектрів атомів водню », діафільми« Трекові прилади в ядерній фізиці »,« Прискорювачі заряджених частинок »,« Цей мирний добрий атом »,« Будова атома і атомного ядра », а також діапозитиви «Атомне ядро» і настінного ¬ ні таблиці («Атомна електростанція» тощо).

Одним з найбільш перспективних напрямів використання інформаційних технологій у освіті є комп'ютерне моделювання фізичних явищ і процесів. Комп'ютерні моделі легко вписуються в традиційний урок, дозволяючи вчителеві продемонструвати на екрані комп'ютера багато фізичних ефектів, а також дозволяють організовувати нові, нетрадиційні види навчальної діяльності учнів. У цій роботі ми будемо використовувати як приклад комп'ютерний курс «Відкрита фізика 1.0».

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНІ ЗАСАДИ ВИКОРИСТАННЯ КОМП`ЮТЕРНИХ МОДЕЛЕЙ В ЗАГАЛЬНООСВІТНІЙ ШКОЛІ

1.1 Комп'ютерні моделі в шкільному курсі фізики

В даний час кількість комп'ютерних програм, призначених для вивчення фізики, обчислюється десятками. Тільки лазерних дисків випущено більше десяти. Ці програми вже можна класифікувати в залежності від виду їх використання на уроках:

- навчальні програми;

- демонстраційні програми;

- комп'ютерні моделі;

- комп'ютерні лабораторії;

- лабораторні роботи;

- пакети завдань;

- контролюючі програми;

- комп'ютерні дидактичні матеріали.

Зрозуміло, наведена класифікація є досить умовною, так як багато програм включають в себе елементи двох або більше видів програмних засобів, тим не менш, вона корисна тим, що допомагає вчителю зрозуміти, який вид діяльності учнів можна організувати, використовуючи ту чи іншу програму.

Коли ж слід використовувати комп'ютерні програми на уроках фізики? Перш за все, необхідно усвідомлювати, що застосування комп'ютерних технологій в освіті виправдано тільки в тих випадках, в яких виникає суттєва перевага в порівнянні з традиційними формами навчання. Одним з таких випадків є викладання фізики з використання комп'ютерних моделей. Слід зазначити, що під комп'ютерними моделями автор розуміє комп'ютерні програми, що імітують фізичні досліди, явища або ідеалізовані модельні ситуації, що зустрічаються у фізичних задачах. Комп'ютерні моделі дозволяють отримувати в динаміці наочні запам'ятовуються ілюстрації фізичних експериментів і явищ, відтворити їх тонкі деталі, які можуть вислизати при спостереженні реальних експериментів. Комп'ютерне моделювання дозволяє змінювати часовий масштаб, варіювати в широких межах параметри і умови експериментів, а також моделювати ситуації, недоступні в реальних експериментах. Деякі моделі дозволяють виводити на екран графіки тимчасової залежності величин, що описують експерименти, причому графіки виводяться на екран одночасно з відображенням самих експериментів, що надає їм особливу наочність і полегшує розуміння загальних закономірностей досліджуваних процесів. В цьому випадку графічний спосіб відображення результатів моделювання полегшує засвоєння великих обсягів одержуваної інформації.

При використанні моделей комп'ютер надає унікальну, не реалізовану в реальному фізичному експерименті, можливість візуалізації не реального явища природи, а його спрощеної теоретичної моделі з поетапним включенням в розгляд додаткових ускладнюючих факторів, поступово наближають цю модель до реального явища. Крім того, не секрет, що можливості організації масового виконання різноманітних лабораторних робіт, причому на сучасному рівні, в середній школі досить обмежені через слабку оснащеності кабінетів фізики. В цьому випадку робота учнів з комп'ютерними моделями також надзвичайно корисна, оскільки комп'ютерне моделювання дозволяє створити на екрані комп'ютера живу, запам'ятовується динамічну картину фізичних дослідів чи явищ.

У той же час використання комп'ютерного моделювання не повинно розглядатися як спроби підмінити реальні фізичні експерименти їх симуляціями, так як число досліджуваних у школі фізичних явищ, не охоплених реальними демонстраціями, навіть при блискучому оснащенні кабінету фізики, дуже велике. Кілька умовний характер відображення результатів комп'ютерного моделювання можна компенсувати демонстрацією відеозаписів натуральних експериментів, які дають адекватне уявлення про реальний світ фізичних явищ.

Значне число комп'ютерних моделей, досить повно охоплюють такі розділи фізики, як механіка, молекулярна фізика і термодинаміка, міститься в першій частині мультимедійного комп'ютерного курсу "Відкрита фізика 1.0". Деякі моделі курсу дозволяють одночасно з ходом експерименту спостерігати в динамічному режимі побудова графічних залежностей від часу ряду фізичних величин, що описують експеримент. Подібні моделі представляють особливу цінність, тому що учні, як правило, відчувають значні труднощі при побудові і читанні графіків.

Комп'ютерні моделі курсу "Відкрита фізика 1.0" легко вписуються в традиційний урок і дозволяють вчителю організовувати нові, нетрадиційні види навчальної діяльності учнів. Наведемо як приклади два види такої діяльності:

1. Урок - дослідження. Учням пропонується самостійно провести невелике дослідження, використовуючи комп'ютерну модель, і отримати необхідні результати. Тим більше, що багато моделей дозволяють буквально за лічені хвилини провести таке дослідження. В цьому випадку урок наближається до ідеалу, тому що учні отримують знання в процесі самостійної творчої роботи, бо знання необхідні їм для отримання конкретного, видимого на екрані комп'ютера, результату. Учитель у цьому випадку є лише помічником в творчому процесі оволодіння знаннями. Зрозуміло, такий урок можна провести тільки в комп'ютерному класі.

2 Урок вирішення завдань з наступною комп'ютерною перевіркою. Учитель пропонує учням для самостійного рішення в класі або в якості домашнього завдання завдання, правильність вирішення яких вони можуть перевірити, поставивши потім комп'ютерні експерименти. Можливість самостійної подальшої перевірки в комп'ютерному експерименті отриманих результатів посилює пізнавальний інтерес, робить роботу учнів творчої, а часто наближає її за характером до наукового дослідження. В результаті багато учнів починають придумувати свої завдання, вирішувати їх, а потім перевіряти правильність своїх міркувань, використовуючи комп'ютерні моделі. Учитель може свідомо спонукати учнів до подібної діяльності, не побоюючись, що йому доведеться вирішувати "купу" придуманих учнями завдань, на що зазвичай не вистачає часу. Адже для перевірки правильності отриманої відповіді досить провести комп'ютерний експеримент, що займає зазвичай менше однієї хвилини, до того ж такі експерименти проводять самі учні. Більш того, складені школярами завдання можна використовувати в класній роботі або запропонувати іншим учням для самостійного опрацювання у вигляді домашнього завдання. Автори задач при цьому можуть стати активними помічниками вчителя, допомагаючи однокласника вирішувати свої авторські завдання, а також перевіряючи роботи і виставляючи оцінки.

Необхідно відзначити, що сильно ускладнює роботу з комп'ютерним курсом "Відкрита фізика 1.0" обмежене число завдань і питань, якими автори супроводжують моделі. Досвід роботи показує, що кожна модель повинна супроводжуватися, по крайній мірі, десятком завдань різної складності, тоді робота з курсом дасть дійсно високий навчальний ефект. Було б ідеально, якби до комп'ютерного курсу додавався задачник з питаннями та завданнями, зміст яких було б погоджено з функціональними можливостями моделей. Наявність такого задачника істотно спростило б роботу вчителя з використання даного курсу на уроках фізики і дозволило б активно рекомендувати його учням для домашньої роботи.

Тим не менш, навіть на сьогоднішній день, комп'ютерний курс "Відкрита фізика 1.0", безумовно, є надзвичайно корисним при вивченні фізики як в класі, так і при індивідуальній роботі.

1.2 Методика застосування комп'ютерних моделей у шкільному курсі фізики

Насамперед надзвичайно зручно використовувати комп'ютерні моделі в якості демонстрацій при поясненні нового матеріалу або при вирішенні задач. Набагато простіше і наочніше показати як електрон відповідно до моделі Бора перескакує в атомі з орбіти на орбіту, що супроводжується поглинанням або випусканням кванта, використовуючи комп'ютерну модель, ніж пояснювати це за допомогою дошки та крейди. А якщо врахувати, що дана модель дозволяє одночасно з переходом електрона на іншу орбіту показати в динамічному режимі відповідний перехід на діаграмі електронних рівнів, а також вид відповідної спектральної лінії, то стає ясно, що дану демонстрацію неможливо забезпечити іншими засобами. Звичайно подібна демонстрація буде мати успіх, якщо вчитель працює з невеликою групою учнів, яких можна розсадити поблизу монітора, або в кабінеті є проекційна техніка, що дозволяє відобразити екран комп'ютера на стінний екран великого формату подібно кодослайду (зазначена техніка починає з'являтися в школах міста). В іншому випадку вчитель може запропонувати учням самостійно попрацювати з моделями в комп'ютерному класі (така можливість вже не є екзотикою) або в домашніх умовах, що іноді буває найбільш реально.

Зрозуміло діти з великим інтересом працюють з запропонованими моделями, випробують всі регулювання, як правило, не особливо вникаючи у фізичне утримання відбувається на екрані. Як показує практичний досвід звичайному школяру може бути цікава протягом 3-5 хвилин в залежності від барвистості і складності, а потім неминуче виникає питання: А що робити далі? На жаль автори програм не продумали методику використання моделей в процесі індивідуального навчання, завдання і питання, які додаються до моделей вкрай не численні й не завжди вдалі, тобто вибору практично немає. Що ж робити щоб урок в комп'ютерному класі був не тільки цікавий за формою а й дав максимальний навчальний ефект? Вчителю необхідно заздалегідь підготувати план роботи для учнів з обраної для вивчення комп'ютерної моделлю, сформулювати завдання, узгоджені з можливостями моделі, а також бажано попередити учнів, що їм буде необхідно відповісти на питання або написати невеликий звіт про виконану роботу. Ідеальним є варіант, при якому вчитель на початку уроку роздає учням зазначені матеріали в роздрукованому вигляді. Які ж види навчальної діяльності можна запропонувати учням при роботі з комп'ютерними моделями?

Перш за все це знайомство з моделлю, то є невелика дослідна робота - екскурс по влаштуванню моделі та її функціональним можливостям, в яку входить знайомство з основними регулюваннями моделі. В ході цієї роботи вчитель в комп'ютерному класі, переходячи від учня до учня допомагає освоїти модель, пояснюючи найбільш складні моменти і задаючи питання, відповідаючи на які учні глибше вникають у суть того, що відбувається на екрані.

Після того як комп'ютерна модель освоєна в першому наближенні, має сенс запропонувати учням виконати 1 - 3 комп'ютерних експерименту. Ці експерименти дозволять учням навчитися впевнено керувати відбувається на екрані і вникнути в сенс демонстрацій.

Далі, якщо модель дозволяє, можна запропонувати учням експериментальні завдання, тобто завдання для вирішення яких не обов'язково робити обчислення, а необхідно продумати і поставити відповідний комп'ютерний експеримент. Як правило учні з особливим ентузіазмом беруться за вирішення таких завдань.

На даному етапі, коли учні вже досить добре опанували моделлю і поглибили свої знання по досліджуваному явищу, має сенс запропонувати 2 - 3 завдання, що не вимагають тривалого рішення, і які необхідно вирішити без використання комп'ютера (деяких учнів навіть необхідно відсадити подалі від комп`ютера ) , а потім перевірити отриману відповідь, поставивши експеримент на комп'ютері. Завдання, правильність рішення яких можна перевірити, використовуючи комп'ютерну модель. При складанні таких завдань необхідно враховувати як функціональні можливості моделі, так і діапазони зміни числових параметрів закладені авторами моделі. Слід зазначити, що, якщо ці завдання вирішуються в комп'ютерному класі, то їхнє рішення не повинно перевищувати 5 -8 хвилин. В іншому випадку робота з комп'ютером стає мало ефективною. Задачі, що вимагають більш тривалого рішення має сенс пропонувати у вигляді домашнього завдання. Задачі, що вимагають більш тривалого рішення, має сенс пропонувати для попереднього опрацювання у вигляді домашнього завдання і тільки після цього використовувати їх в комп'ютерному класі.

Найбільш здатним учням можна запропонувати дослідницькі завдання, тобто завдання в ході вирішення яких учням необхідно спланувати і провести ряд комп'ютерних експериментів, які б дозволили підтвердити або спростувати певні закономірності. Самим просунутим учням можна запропонувати самостійно сформулювати такі закономірності.

Творчі завдання краще запропонувати учням у вигляді домашнього завдання. В рамках таких завдань учні самостійно придумують і вирішують завдання, а потім перевіряють свої результати в комп'ютерному класі.

1.3 Як починати працювати з комп'ютерним курсом

Ідеально починати працювати з комп'ютерним курсом "Відкрита фізика 1.0" в індивідуальному режимі з одним або двома учнями. Можна також спробувати використовувати курс при роботі з невеликою групою учнів в рамках факультативних занять. Це найбільш м'які режими, які дозволять вам добре освоїти комп'ютерний курс, а також зрозуміти основні складнощі, пов'язані з таким способом викладання і, можливо, розробити власні прийоми і методики використання курсу на уроках. Після того, як комп'ютерні моделі курсу опановані , можна починати демонструвати досліди з їх використанням при поясненні матеріалу в класі, якщо, звичайно, у вас є можливість використовувати монітор з екраном не менше 17 дюймів або мультимедійний проектор.

На жаль, в даній версії комп'ютерного курсу відсутня функція збереження числових значень параметрів експериментів, тому має можливості підготувати серію дослідів з обраними вами параметрами і заздалегідь записати їх в довгострокову пам'ять комп'ютера, щоб потім показати на уроці. Початкові умови дослідів має сенс підібрати заздалегідь і записати їх для себе на папері, щоб на уроці не виникало затримок або незрозумілих експериментів. На уроці ж вам доводиться заново встановлювати вибрані значення параметрів, що при роботі в класі не завжди зручно. Тому, якщо початкові умови не є важливими, то краще залишити їх такими, якими пропонують автори курсу. В цьому випадку, після відкриття вікна моделі для демонстрації експерименту достатньо натиснути кнопку "Старт".

При використанні моделей для демонстрації експериментів, постарайтеся привернути когось із учнів в якості помічника, так як, особливо на перших порах, вам буде досить складно маніпулювати мишею і одночасно давати необхідні пояснення класу. Звичайно, необхідно заздалегідь підготувати детальний план демонстрацій і пояснити помічнику, що і в який момент від нього буде потрібно. Краще за все дати йому список експериментів із зазначенням початкових умов, тоді він зможе підготувати черговий досвід, поки ви обговорюєте з класом результати попереднього експерименту або який-небудь інше питання. І тільки після того як комп'ютерний курс вами буде більш-менш освоєний, має сенс починати з ним працювати в комп'ютерному класі з великою групою учнів

1.4 Як проводити перші уроки в комп'ютерному класі

Слід особливо відзначити, що на перших уроках в комп'ютерному класі, бажано присутність, особливо протягом перших 10-15 хвилин, вчителі інформатики або колеги, знайомого зі специфікою класу, так як напевно будуть виникати технічні збої і неполадки, навіть якщо напередодні ви все перевірили і переконалися в повній справності обладнання та програмного забезпечення (випробувано не один раз, особливо на відкритих уроках).

У комп'ютерному класі з великою групою учнів краще починати з фрагмента уроку тривалістю не більше 10-15 хвилин, причому обов'язково слід врахувати, що всі правила роботи, а також завдання, які учні будуть повинні виконати, необхідно роз'яснити їм до того, як вони сіли за комп'ютери. Це навіть краще зробити не в комп'ютерному класі, а в кабінеті фізики. Після того, як ваші учні виявляться перед екранами комп'ютерів, спілкуватися з ними буде можливо тільки індивідуально. Багаторічний досвід показує, що хлопці так сильно захоплюються роботою (не обов'язково продуктивної), що вчителі вони просто не чують, як би голосно він до них не звертався.

Тільки після того, як проведено кілька фрагментів уроків і визначено основні переваги та труднощі такого викладання, має сенс спробувати провести цілий урок в комп'ютерному класі. Для цього краще розробити детальний план уроку, а також сформулювати питання і завдання до комп'ютерних моделей, які будуть запропоновані учням для вивчення, причому навряд чи доцільно пропонувати для вивчення на одному уроці більше двох-трьох моделей. Для того, щоб урок дав максимальний ефект, необхідно питання і завдання до моделей заздалегідь роздрукувати і роздати учням на початку уроку.

При розробці плану уроку слід врахувати, що тривалість роботи учнів за комп'ютерами не повинна перевищувати 30 хвилин, так як вони обов'язково повинні в кінці уроку оформити невеликий звіт (можна у вигляді відповідей на заготовлені вами питання) з осмисленням виконаної роботи. Можливо, варто обговорити всією групою основні труднощі і обмінятися думками про отримані результати. Комп'ютерні уроки без зазначеної кінцівки, як показує досвід, менш ефективні.

Зауважимо, що на перших уроках, можливо, слід виділяти учням час на не заплановані вами експерименти. Нехай вони познайомляться навіть з не відносяться до теми уроку моделями (адже на перших порах їм все цікаво), інакше вони обов'язково будуть намагатися робити це крадькома. Після цього варто обговорити з учнями такі питання:

Які моделі з їх точки зору найцікавіші?

Що вони дізналися нового, попрацювавши з тієї чи іншої моделлю?

Які досліди вони поставили і які отримали результати?

Мета обговорення - показати, що поставити осмислений досвід і отримати результат зовсім не просто і тут є чому повчитися. Можливо, навіть має сенс оголосити конкурс на самий цікавий досвід. Нехай учні досхочу поекспериментують і як слід освоять інтерфейс курсу. Це заощадить час на наступних уроках.

Розділ 2

2.1 Комп'ютерні моделі для курсу «Квантова фізика 11 клас»

1.Наведемо короткий опис моделей, приклади теорії і завдань входять в комп'ютерний курс «Квантова фізика»:

Фотоефект. Комп'ютерна програма призначена для вивчення законів фотоелектричного ефекту. Передбачена можливість вибору ряду параметрів: довжини хвилі і інтенсивності падаючого світла, величини і знака напруги між анодом і фотокатодом. Програма дозволяє виміряти затримує потенціал і визначити червону межу фотоефекту.

Фотоефектом називають виривання електронів з речовини під дією світла.Фотоефект був відкритий Г. Герцем (1887 р.). Теорія фотоефекту була розвинена А.Ейнштейном (1905 р.) на основі квантових уявлень. Класична хвильова теорія світла виявилася нездатною пояснити закономірності цього явища.

Згідно квантових уявлень світло випромінюється і поглинається окремими порціями (квантами), енергія Е яких пропорційна частоті

E = h , де h = 6.63 * 10-34Дж * с - постійна Планка.

Щоб вирвати електрон з речовини, потрібно повідомити йому енергію, перевищує роботу виходу А. Максимальна кінетична енергія фотоелектрона визначається згідно Ейнштейну рівнянням

Це рівняння пояснює основні закономірності фотоефекту:

1. Кількість електронів, що вириваються з поверхні металу в секунду, прямо пропорційно світловому потоку Р.

2. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає з частотою світла і не залежить від падаючого світлового потоку. Якщо між фотокатодом і анодом вакумного фотоелемента створити електричне поле, яке гальмує рух електронів до аноду, то при деякому значенні затримуючого напруги U0 анодний струм припиняється.

Якщо частота світла менше деякої визначеної для даної речовини мінімальної частоти min, то фотоефект не відбувається ("червона межа фотоефекту"), Або у лужних металів червона межа лежить в діапазоні видимого світла.

комптонівського розсіяння Програма дозволяє вивчити явище розсіювання g - квантів на вільних електронах і познайомитися з поняттям комптонівське довжини хвилі (постійна Комптона). Можлива зміна ряду параметрів комп'ютерного експерименту: довжини хвилі падаючого випромінювання і кута розсіяння фотона.На екран дисплея виводиться графік залежності інтенсивності розсіяного випромінювання від довжини хвилі фотона, розсіяного під заданим кутом.

2. Явище Комптона полягає у зміні довжини хвилі рентгенівських променів, що відбувається при їх розсіянні на електронах, що входять до складу легких атомів.Це явище було відкрито в 1923 р. комптонівського розсіяння пояснюється на основі подання про фотонах, які мають енергію і імпульс, де h = 6.63 * 10-34Дж * c - постійна Планка, - частота фотона. Процес розсіювання зводиться до зіткнення фотонів з електронами, які можна приблизно вважати вільними.

Розрахунок, виконаний на основі законів збереження енергії та імпульсу, призводить до наступного співвідношенню: де - довжина хвилі падаючого випромінювання, - довжина хвилі розсіяного випромінювання, m-маса електрона, з - швидкість світла, - кут розсіювання.

В спектрі розсіяного випромінювання поряд зі зміщеною спектральної лінією з довжиною хвилі спостерігається і незміщена спектральна лінія з довжиною хвилі . Наявність незміщеної лінії пояснюється тим, що частина фотонів розсіюється на електронах, сильно пов'язаних з атомами. Співвідношення інтенсивностей зміщеної і незміщене ліній залежить від роду матеріалу.

Явище Комптона є яскравим підтвердженням квантової теорії.

3. Постулати Бора. Програма призначена для вивчення квантових властивостей атомних систем. Вона дозволяє познайомитися з поняттям енергетичних рівнів атома водню з правилом квантування стаціонарних боровских орбіт, а також з квантовими переходами між рівнями.

4. Квантування електронних орбіт. Комп'ютерна програма призначена для ознайомлення з квантовими постулатами Бора і теорією де Бройля про подвійну природу мікрооб'єктів, тобто про наявність у них корпускулярних і хвильових властивостей. Програма ілюструє правило квантування кругових боровских орбіт в атомі водню, яке з точки зору де Бройля зводиться до твердження про існування стоячих електронних хвиль на стаціонарних орбітах.

5. Хвильові властивості частинок. Програма представляє комп'ютерний експеримент щодо проходження електронного пучка через одну або дві щілини.Вона дозволяє познайомитися з проявом подвійної природи мікрооб'єктів, тобто наявністю у них хвильових і корпускулярних властивостей. Ілюструється принцип невизначеності Гейзенберга.

6. Дифракція електронів. Програма ілюструє основну концепцію сучасної квантової фізики - поняття подвійної природи всіх матеріальних об'єктів. Вона моделює явище розсіяння електронів в кристалах за допомогою уявного експерименту по дифракції електронних хвиль на одномірної решітці. Показано, що дифракційна картина утворюється в результаті імовірнісного процесу. Передбачена можливість зміни періоду решітки і швидкості електронів.

На екран дисплея виводяться значення довжини хвилі електронів і графік розподілу інтенсивності в дифракційної картині.

7. Лазер; дворівнева модель Комп'ютерна програма являє модель різних процесів, що виникають при поширенні резонансного світлового пучка в квантовій системі з двома енергетичними рівнями: поглинання фотонів, спонтанне і стимульоване випромінювання. Програма дозволяє познайомитися з поняттями накачування, інверсної населеності рівнів і підсилювача світла.

8. Енергія зв'язку ядер Програма призначена для ознайомлення з поняттям енергії зв'язку ядер і дефекту маси. На екран виводяться графіки залежності числа нейтронів від числа протонів в стабільних ядрах і залежності питомої енергії зв'язку нуклонів в ядрі від масового числа. Програма дозволяє підбирати різні поєднання чисел нейтронів і протонів для утворення стабільного ядра і визначити для цього ядра формулу хімічного елемента і питому енергію зв'язку.

9. Відносність довжини. Програма дозволяє вивчити постулати спеціальної теорії відносності Ейнштейна - принцип відносності та принцип постійності швидкості світла. Програма моделює експеримент з вимірювання довжини твердого тіла двома спостерігачами, що знаходяться в різних інерційних системах відліку.Можлива зміна відносної швидкості систем відліку. Результат вимірювання довжини стрижня в рухомій системі відліку виводиться на екран дисплея.

10. Відносність часу. Програма дозволяє познайомитися з одним із важливих наслідків спеціальної теорії відносності Ейнштейна - відносністю проміжків часу.На екрані дисплея представлений експеримент з вимірювання інтервалу часу між двома подіями спостерігачами в різних системах відліку. Результати вимірювання власного часу і часу по годинах рухомого спостерігача виводяться на екран дисплея.

Перш за все, на основі для застосування наведених моделей, календарного плану визначтають, які комп'ютерні моделі можна використовувати при поясненні нового матеріалу і / або запропонувати учням для роботи в комп'ютерному класі. Далі має сенс до кожної обраної моделі скласти таблицю, в яку слід занести назви параметрів, які може змінювати користувач, ставлячи при цьому початкові умови експериментів, позначення цих параметрів, межі і крок їх зміни. У цю таблицю також слід занести аналогічну інформацію про параметри моделі, які розраховуються комп'ютером при виконанні експериментів, і виводяться на екран монітора. Для створення такої таблиці потрібно відкрити відповідну модель, визначити діапазони зміни регульованих параметрів, а потім провести декілька експериментів з крайніми значеннями цих параметрів, щоб визначити граничні значення і крок розрахунку розраховуються параметрів.

2.2 Приклад розв`язування фізичної задачі

Літак летить зі швидкістю u = 360 км / год на висоті 490 м. Коли літак пролітає над точкою А, з нього скидають снаряд (причому в цій точці він летить в горизонтальному положенні a = 0). Визначити, на якій відстані від точки А повинен знаходиться танк, в момент скидання снаряда, щоб снаряд потрапив в танк.Швидкість танка дорівнює 17,5 м / с.

Теоретичне рішення: Направим вісь X горизонтально, вісь Y вертикально, початок координат виберемо в точці B (точка, де снаряд влучає у танк), а за початок відліку часу момент скидання (див. рис. 1).

Рис 2.1 Схема руху літака

Запишемо рівняння руху снаряда щодо осей X і Y:

(1)

Т.к. (За умовою), то і

Тоді рівняння (1) приймуть вид:

(2),

(3)

Снаряд рухається вниз, а вісь Y направлена вгору, то рівняння (3) прийме вигляд:

Підставивши цей вираз в рівняння (2), отримуємо:

Тепер дізнаємося, яку відстань проїхав танк за час t руху снаряда:



Искомое відстань знайдемо, склавши відстані S1 та S2:

Відповідь: 1175м.

Комп'ютерна модель: Створивши модель ситуації:

* задаємо початкові координати танка (0,0) і літака (1175,490) (рис. 2);

* задаємо значення початкової швидкості танка (17,5 м / с) і снаряда (100 м / с);

* переконуємося в тому, що снаряд точно влучає в ціль.

Рис. 2.2 Комп'ютерна модель задачі в середовищі.

Висновки

1. Перспективою вчителя розвитку методики комп'ютерної лабораторії, в рамках якої він зможе провести демонстрацію будь-якого експерименту з курсу фізики або проілюструвати будь-яке завдання з шкільного збірника задач.

2. Роль комп'ютерного моделювання в навчальному процесі буде підвищуватися в міру появи нових комп'ютерних програм. Однак, якісний стрибок в цій галузі буде можливий тоді, коли розробники усвідомлюють, що, для отримання дійсно ефективних навчальних програм, їм необхідний тісний контакт з учителями-педагогами, добре знайомими з комп'ютерними технологіями і використовують ці технології при роботі з учнями.

3. Комп'ютерні моделі дозволяють користувачеві керувати поведінкою об'єктів на екрані монітора, змінюючи початкові умови експериментів, і проводити різноманітні фізичні досліди. Деякі моделі дозволяють спостерігати на екрані монітора, одночасно з ходом експерименту, побудова графічних залежностей від часу ряду фізичних величин, що описують експеримент. Відеозаписи натурних експериментів роблять курс більш привабливим і дозволяють зробити заняття живими і цікавими. Особливо підкреслимо, що до кожної комп'ютерної моделі і до кожного відеофрагменту дані пояснення фізики спостережуваних експериментів і явищ. Ці пояснення можна не тільки прочитати на екрані дисплея і при необхідності роздрукувати, але й прослухати, якщо ваш комп'ютер укомплектований звуковою картою.

Комп'ютерний курс названий "Відкритої фізикою", так як його модульний склад дає більшу свободу у виборі комп'ютерних моделей і відповідних експериментів. Надалі передбачається розробка відкритих версій на основі новітніх комп'ютерних технологій. Це дозволить створювати відкриті освітні продукти для мережі Internet та дистанційної освіти. У перспективі вчитель зможе змінювати наповнення курсу в залежності від своїх цілей, створювати власні пояснення і завдання до комп'ютерних моделей, зберігати початкові умови запланованих експериментів, вводити в курс нові завдання і питання.

Список використаних джерел:

1. А. Ф. Кавтрев. Комп'ютерні програми з фізики в середній школі. Журнал "Комп'ютерні інструменти в освіті", Санкт-Петербург: "Інформатизація освіти", ї1, с. 42-47, 1998.

2. Є. І Бутиков. Лабораторія комп'ютерного моделювання. Журнал "Комп'ютерні інструменти в освіті", Санкт-Петербург: "Інформатизація освіти", ї5, с.26, 1999.

3. А. С. Чірцов. Інформаційні технології в навчанні фізики. Журнал "Комп'ютерні інструменти в освіті", Санкт-Петербург: "Інформатизація освіти", ї2, с.3, 1999.

4. Е. І. Бутиков. Основи класичної динаміки і комп'ютерне моделювання. Матеріали 7 науково-методичної конференції, Академічна Гімназія, Санкт-Петербург - Старий Петергоф, с. 47, 1998.

5. А. Ф. Кавтрев. "Комп'ютерні моделі в шкільному курсі фізики". Журнал "Комп'ютерні інструменти в освіті", Санкт-Петербург: "Інформатизація освіти", ї2, с. 41-47, 1998.

6. М. І. Башмаков, С. Н. Поздняков, Н. А Резник "Інформаційна середу навчання", Санкт-Петербург: "Світло", с.121, 1997.

7. А. Ф. Кавтрев. "Методика використання комп'ютерних моделей на уроках фізики". П'ята міжнародна конференція "Фізика в системі сучасної освіти" (ФССО-99), тези доповідей, том 3, Санкт-Петербург: "Изд-во РГПУ ім. А. І. Герцена", с. 98-99, 1999.

8. А. Ф. Кавтрев "Досвід використання комп'ютерних моделей на уроках фізики в школі" Дипломат ", Збірник РГПУ ім. А. І. Герцена" Фізика в школі і вузі ", Санкт-Петербург:" Освіта ", с. 102-105, 1998.

9. П. І. Білостоцький, Г. Ю. Максимова, Н. Н. Гомулина "Комп'ютерні технології: сучасний урок фізики та астрономії". Газета "Фізика" ї20, с. 3, 1999.

Размещено на Allbest.ru