Виртуальный эксперимент в системе преподавания физике

Уникальные особенности виртуальной информационной среды определяют бесспорную эффективность ее применения в любой сфере познавательной деятельности, в том числе и в проведении лабораторных физических экспериментов[9].

Отметим достоинства виртуального физического эксперимента и его содержание. Такой эксперимент позволяет:

· изучать сложные физические явления на уровне, доступном пониманию, исключая обращение к их нередко громоздкому математическому описанию;

· «исследовать» явление даже в тех случаях, когда проведение реального эксперимента затруднено или нецелесообразно (например, движение космических объектов, изучение поведения тел при больших давлениях, исследование микроскопических объектов, работа ядерного реактора и т.д.);

· останавливать и возобновлять эксперимент с целью анализа промежуточных результатов и возможного изменения его хода;

· ·изучать явление в динамике (т.е. наблюдать его развитие
в пространстве и времени);

· осуществить операцию, невозможную в натурном эксперименте – изменять пространственно-временные масштабы протекания явления;

· задавать необходимые условия проведения эксперимента и параметры исследуемой системы объектов, не опасаясь за ее состояние, а также безопасность и сохранность компонентов экспериментальной установки;

· сопровождать модельный эксперимент визуальной интерпретацией закономерных связей между параметрами исследуемой системы
(в форме динамичных графиков, диаграмм, схем и пр.) [10];

· исследовать явление в «чистом» виде, точно воспроизводя требуемые условия его протекания;

· акцентировать, благодаря эффектам мультимедиа, внимание учащихся на главном в изучаемом явлении и способствовать тем самым более глубокому пониманию его сущности.

Выделяют следующие виды виртуального физического эксперимента:

· Виртуальный эксперимент, который проводит учитель

· Фронтальные лабораторные работы, выполняемые учащимися на компьютере

· Внеклассные физические опыты (на кружках, конференциях) и домашние экспериментальные виртуальные работы

· Компьютерные эксперименты. После того как компьютерная модель освоена, имеет смысл предложить учащимся 1-2 эксперимента. Такие эксперименты позволяют учащимся глубже вникнуть в смысл происходящего на экране

· Экспериментальные задачи. Можно предложить учащимся экспериментальные задачи, то есть задачи, для решения которых необходимо продумать и поставить соответствующий компьютерный эксперимент. Как правило, учащиеся с особым энтузиазмом берутся за решение таких задач. Несмотря на кажущуюся простоту, такие задачи очень полезны, так как позволяют учащимся увидеть живую связь компьютерного эксперимента и физики изучаемых явлений

Требования применения компьютерной модели на уроке:

· Компьютерный эксперимент должен помогать разбираться в деталях изучаемого явления или служить иллюстрацией условия решаемой задачи [9].

· В результате работы с моделью ученики должны выявлять как качественные, так и количественные зависимости между величинами, характеризующими явление.

· Модель явления должна быть использована лишь в том случае, когда невозможно провести эксперимент или когда это явление протекает очень быстро и за ним невозможно проследить детально.

 

Приведем примеры использования виртуальных лабораторий

 

Рис. 2. Модель: цилиндр на рельсе

Содержание: изучаемое тело (тележка, брусок или металлический цилиндр) можно установить на наклонный рельс, при этом оно обладает нулевой начальной скоростью. Если тело поставить вблизи края рельса, оно автоматически закрепляется электромагнитом. Щелчок мыши по красной кнопке включает или выключает электромагнит, при выключении электромагнита индикаторы сбрасываются в ноль [6].

Распределение массы внутри цилиндра радиально симметрично, но неизвестно. Тележка скатывается по рельсу без трения.

Если закрепить цилиндр в верхней части рельса и отключить электромагнит, цилиндр скатывается вниз по рельсу, при этом проскальзывание и потери энергии из-за трения качения отсутствуют.

Задание: определитепуть S, который пройдёт центр цилиндра запервые 0.89 секунд, и полную кинетическую энергию Т (поступательного и вращательного движения) цилиндра в этот момент времени. Отошлите результаты на сервер.

Величины необходимо вводить с точностью до сотых. В промежуточных вычислениях сохраняйте не менее 4 значащих цифр.

Оптические датчики срабатывают при пересечении тележкой их светового луча - в момент прохождения координаты оптических ворот маркером-стрелочкой [6]. Положение оптических ворот можно изменять при помощи мыши, оно отмечается красным маркером. Линейку можно вращать, взявшись за помеченный цветом край. Массы гирь указаны в граммах. Ускорение свободного падения считайте равным 9.8 м/с²

«Колебания заряженных шариков в конденсаторе»

Рис.3. Модель: колебания заряженных шариков в конденсаторе

Содержание: на столе лежат непроводящие равномерно заряженные шарики одинаковой плотности. Их можно вешать на нить, подвешенную внутри конденсатора к верхней пластине, и снимать с этой нити. Заряд шарика №1 составляет 1 микрокулон. Снимать шарики можно непосредственно "мышью", но удобнее это делать с помощью сачка. Часть нити скрыта от наблюдателя верхней пластиной.

Также на столе имеется прибор для измерения расстояний с подсоединённым к нему ультразвуковым датчиком - диском. Диск можно закреплять сбоку от обкладок конденсатора [6].

Задание: определите расстояние между обкладками конденсатора, период малых колебаний первого шарика при отсутствии внешнего поля, длину нити, массы шариков и заряд вто­рого шарика. Расстояние и заряд вводить с точностью до сотых, период - с точностью до тысячных, длину нити и массы шариков - с точностью до десятых.

Считайте, что величина ускорения свободного падения g=9.8 м/с², длину нити счи­тать до нижней части петельки на конце нити.

Увеличительное стекло позволяет просматривать в увеличенном масштабе любой вы­бранный участок экрана, а также перемещать в этом состоянии линейки. Щелчок мышью в любом другом месте экрана возвращает первоначальный масштаб. Развёртка по времени у прибора включается щелчком по зелёной кнопке "старт" и выклю­чается щелчком по красной кнопке "стоп".

«Длина трассы»

Содержание: трасса, по которой движется автомобиль, состоит из двух линейных участков и двух дуг окружностей, большой и малой. В момент старта автомобиль находится в начале одного из линейных участков. Имеется модель трассы, которая показывает с уменьшением в 500

раз движение радиоуправляемого автомобиля по трассе. Положение автомобиля на мо­дельной трассе помечается светящейся точкой (её центром). Движение автомобиля можно начинать запуском таймера и останавливать остановкой таймера. При движении автомо­биль сохраняет одно и то же значение скорости [6].

Рис. 4.Модель: длина трассы

Задание: определите с точностью до десятыхскорость движения автомобиля, и с точностью до целых длинуS всей трассы и длинуS_H нелинейной части трассы.

Линейку с окрашенными концами можно вращать, взявшись за окрашенный конец.

Увеличительное стекло позволяет просматривать в увеличенном масштабе любой вы­бранный участок экрана, а также перемещать в этом состоянии линейки. Щелчок мышью в любом другом месте экрана возвращает первоначальный масштаб [6].

 

«Объём, масса и плотность куба, плотность жидкости»

Содержание: в отливном стакане находится вода. Определите объём, массу и плотность куба, а также плотность жидкости, текущей из-под крана. Занесите результаты в отчёт и отошлите его на сервер. Вводить значение объёма и массы необходимо с точностью до целых, плотностей - с точностью до сотых.

Учтите, что стаканы имеют массу. Масса гири указана в граммах. Жидкость из стакана можно выливать в пустую раковину или наливать из крана. Кран включается (выключается) щелчком по ручке крана. Плотность воды 1 г/см³.

Увеличительное стекло позволяет просматривать в увеличенном масштабе любой вы­бранный участок экрана, после чего щелчок мышью в любом месте экрана возвращает первоначальный масштаб. Задание, возможно, переделывать, но за повторные попытки на­числяется до 4 штрафных баллов [6].

Рис. 5. Модель: объем, масса и плотность куба, плотность жидкости

«Максимальное количество выделившегося
тепла и угол наклона рельса»

Содержание: Тележка может быть установлена на наклонный рельс, при этом она обладает нулевой начальной скоростью. Если тележку поставить вблизи края рельса, она автоматически закрепляется электромагнитом. Щелчок мыши по красной кнопке включает или выключает электромагнит, при выключении электромагнита индикаторы сбрасываются в ноль [6].

Определите массу тележки, максимальное количество тепла, которое может выделиться при столкновении тележки со стенкой, и синус угла наклона рельса. Отошлите результаты на сервер.

Энергию необходимо определить с точностью до десятых, массу - с точностью до сотых, угол - с точностью до тысячных. В промежуточных вычислениях сохраняйте не менее 4 значащих цифр. Оптические датчики срабатывают при пересечении тележкой их светового луча - в момент прохождения координаты оптических ворот маркером- стрелочкой. Положение оптических ворот можно изменять при помощи мыши, оно отмечается красным маркером. Массы гирь указаны в граммах. Ускорение свободного падения считайте равным 9.8 м/с²

Рис. 6. Модель: у индикатора стерлись надписи о том, какие величины измеряются