Интернет страница учителя физики и астрономии Пигалицына Льва Васильевича
Компьютеры на уроках физики и астрономии
-
Вычислительный компьютерный эксперимент.
Вычислительный компьютерный эксперимент служит мостом между лабораторным экспериментом и теоретическими моделями. Отправным пунктом численного моделирования является разработка идеализированной модели рассматриваемой физической системы. Затем определяется алгоритм для реализации данной модели на компьютере.
Некоторые аналогии между вычислительным и лабораторным экспериментами :
|
Лабораторный эксперимент |
|
|
Образец Физический прибор Калибровка Измерение Анализ данных |
|
Отправным пунктом численного моделирования является разработка идеализированной модели рассматриваемой физической системы. Затем определяется алгоритм для реализации данной модели на компьютере.
Численное моделирование, как и лабораторные эксперименты, не заменяют размышление, а является инструментом, который можно использовать для постижения сложных явлений.
Нам это представляется так :
-
с помощью измерительных приборов снимаются параметры физических процессов, вводятся в компьютер , который их обрабатывает с помощью определенной программы.
-
в компьютер загружается программа-симулятор какого либо физического процесса с возможностью вмешательства в этот процесс исследователем, который сидит у компьютера. После соответствующих операций компьютер обрабатывает данные, получившиеся в результате проведенного процесса и выдает их на экран монитора.
Для реализации вычислительного эксперимента мы с учениками создали несколько программ посвященных разгадке содержимого электрического "Черного ящика". В нем могут находиться резисторы, лампочки накаливания, диоды, конденсаторы, катушки и т. д.
ИССЛЕДОВАНИЕ "ЧЕРНЫХ" ЯЩИКОВ.
На практике и в быту мы очень часто встречаемся с приборами и устройствами имеющими вход и выход. Например, радиоприемник, телевизор, стабилизатор напряжения, выпрямитель и т.д. Мы знаем, как включать эти приборы в электрическую сеть и что будет на выходе ( звук, изображение, напряжение и т.д.). Но что находится внутри этого прибора - мы не знаем. Это и есть "черный ящик". Оказывается в некоторых случаях можно не вскрывая "черного ящика" узнать его содержимое, подключая к входу и выходу различные устройства. Разумеется, на школьном уровне, это можно сделать для несложного трех или четырех-полюсника. Такие задачи развивают воображение учащихся, пространственное мышление и творческие способности, не говоря о том, что они должны иметь глубокие и прочные знание по тому разделу физики к которому относится "черный ящик". Поэтому, совсем не случайно, на многих Всесоюзных и международных олимпиадах по физики в качестве задач предлагалось исследование "черных ящиков".
В Авторском классе я провожу 3 реальных лабораторных работы по "черным ящикам" :
1. Резисторы и лампы накаливания ( у ламп нелинейная вольт-амперная характеристика) - при изучении темы "Законы постоянного тока" в 10 классе.
2. Резисторы, лампы накаливания и диоды - при изучении темы "Полупроводники и их применение" в 10 классе..
3. Резисторы, конденсаторы, катушки, трансформаторы и колебательные контуры - при изучении темы "Переменный ток" в 11 классе.
Содержимое "черных ящиков" я помещаю в спичечные коробки и заклеиваю их скотчем.
Н фото Вы видите 2 вскрытых ящика. В левом находятся диод и три резистора, а правый - "крутой" - в нем находятся диод, стабилитрон и катушка от малогабаритного реле.Оба ящика имеют по 4 вывода.
После их исследования "Черных ящиков" учениками с помощью приборов - авометров, генераторов, осциллографов и т.д. - ученики представляют мне схему, которая по их мнению находится в "ящике" и номиналы деталей, которые там находятся. Обработку данных, полученных в результате исследований, построение ВАХ и АЧХ ребята делают на компьютере.
Потом открываем "ящик" и анализируем результаты работы ребят.
При нехватке генераторов и осциллографов для снятия частотных характеристик используем компьютерные виртуальные приборы. ( см. на странице Компьютер - физическая лаборатория.)
Кроме этого мы исследуем и виртуальные "Черные ящики". Для этого мы с учениками написали несколько компьютерных программ по исследованию "Черных ящиков".
Достоинством этих программ является то, что исследования можно проводить одновременно всем классом, тогда как проведение исследований реальных "черных ящиков" с диодами, конденсаторами и катушками это невозможно, так как для этого необходимо 15 осциллографов, 15 звуковых генераторов и т.д., т.е. 15 комплектов дорогостоящего оборудования, которым большинство школ не располагает.
В настоящее время разрабатываются программы пакета "BOX" по механике и оптике.
Если у Вас возникнет интерес к этой программе, то можете скачать один из вариантов программы "Черный ящик" на резисторах, написанной на qbasic (qb45) - blackbox.zip !.
Виртуальные "черные ящики" я использую или на допусках к лабораторным работам, или в качестве тренажеров или на зачетных занятиях.
PS. "Черные ящики" периодически предлагаются на экспериментальных турах областных, региональных , Российских и Международных олимпиад.
На последней Международной олимпиаде в Индонезии на экспериментальном туре был предложен
"Черный ящик" по оптике, содержащий две дифракционные решетки, расположенные под углом друг к другу
и плоскопараллельную пластинку.
Если Вы не знакомы с методикой разгадывания "черных ящиков", то посмотрите задачу № 18.19 из книги В.И.Лукашика "Физическая олимпиада" и пункт 4 в параграфе 8 из книги - О.Ф.Кабардин, В.А.Орлов, Н.И.Шефер "Факультативный курс физики" для 10 класса..
Уважаемые коллеги ! В плане компьютерного вычислительного эксперимента очень рекомендую книгу
"Компьютерное моделирование в физике" Х.Гулд, Я.Тобочник в 2-х частях. Москва. "Мир" 1990.
