Квантовая физика

Департамент образования города Москвы

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

Строительный техникум № 30

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

«МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРА

НА ПРИМЕРЕ КУРСА «КВАНТОВАЯ ФИЗИКА» В ГРУППАХ»

Составитель:

преподаватель физики

Строительного техникума №30

Свиридов Александр Александрович

Москва 2014 год

Данная методическая разработка может быть полезна учителям физики, преподающим в профильных классах и работающим по программе начального полного образования. Работа с компьютерными моделями открывает перед учащимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов. При использовании моделей компьютер предоставляет уникальную, не реализуемую в реальном физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощённой теоретической модели с поэтапным включением в рассмотрение дополнительных усложняющих факторов, постепенно приближающих эту модель к реальному явлению. Раскрываются вопросы применения компьютерных моделей в курсе физики средней школы (на примере курса «Квантовая физика. 11 класс»).

Аннотация 2

Содержание 3

ВВЕДЕНИЕ. 4

Цель и задачи методической разработки. 6

Компьютерные модели в школьном курсе физики 7

Анализ содержания электронных учебников по физике. Методические приёмы их использования в обучении физике 11

Методика применения компьютерных моделей в школьном курсе физики. 14

Компьютерные модели для курса «Квантовая физика. 11 класс». 17

Заключение 25

Литература: 27

ПРИЛОЖЕНИЯ 30

Важнейшей задачей школы, в том числе и преподавания физики, является формирование личности, способной ориентироваться в потоке информации в условиях непрерывного образования.

Квантовую физику изучают в конце школьного курса физики, причем изучают впервые. Лишь о строении атома школьники получили самые первоначальные представления в курсе физики VIII класса и более полные — в курсе химии IX класса. Это обстоятельство требует от учителя так построить учебный процесс, чтобы при первичном изучении материала добиваться глубокого и прочного усвоения его учащимися. Необходима продуманная работа по закреплению и применению изучаемого ма­териала при решении задач, выполнении лабораторных работ, работе с дидактическим материалом и т. д. Пониманию и усвоению раздела способствуют оценочные расчеты, например, волн де Бройля, связанных с различными объектами, размера ядра, его плотности, энергии связи и т. п.

Особенность содержания квантовой физики также накладывает отпечаток на методику ее изучения. В этом разделе учащихся знакомят со своеобразием свойств и закономерностей микромира, которые противоречат многим представлениям классической фи­зики. От школьников для его усвоения требуется не просто высокий уровень абстрактного, но и диалектическое мышление. Противоречия волна – частица, дискретность – непрерывность рассматривают с позиций диалектического материализма. Поэтому при изучении этого раздела учителю важно опираться на те философские знания, которые получили учащиеся в курсе общество­ведения, чаще напоминать им, что метафизическому противопоставлению (либо да, либо нет) диалектика противопоставляет утверждение: и да, и нет (в одних конкретных условиях – да, в других – нет). Поэтому нет ничего удивительного в том, что свет в одних условиях (интерференции, дифракции) ведет себя как волна, в других – как поток частиц.

Число демонстрационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень невелико. Поэтому, кроме эксперимента, широко используют рисунки, чертежи, графики, фотографии треков, плакаты, диапозитивы и компьютерные модели. Прежде всего необходимо иллюстрировать фундаментальные опыты (опыт Резерфорда по рассеянию α-частиц, опыты Франка и Герца и др.), а также разъяснять принцип устройства приборов, регистрирующих частицы, ускорителей, атомного реактора, атомной электростанции и т. п. При изучении этого раздела широко используют учебные кинофильмы «Фотоэффект», «Фотоэлементы и их применение», «Давление света», «Радиоактивность и атомное ядро», «Ядерная энергетика в мирных целях», кинофрагменты «Дискретность энергетических уровней атома (опыт Франка – Герца)», «Природа линейчатых спектров атомов водорода», диафильмы «Трековые приборы в ядерной физике», «Ускорители заряженных частиц», «Этот мирный добрый атом», «Строение атома и атомного ядра», а также диапозитивы «Атомное ядро» и настен­ные таблицы («Атомная электростанция» и др.).

Одним из наиболее перспективных направлений использования информационных технологий в физическом образовании является компьютерное моделирование физических явлений и процессов. Компьютерные модели легко вписываются в традиционный урок, позволяя учителю продемонстрировать на экране компьютера многие физические эффекты, а также позволяют организовывать новые, нетрадиционные виды учебной деятельности учащихся.

Компьютерные модели позволяют пользователю управлять поведением объектов на экране монитора, изменяя начальные условия экспериментов, и проводить разнообразные физические опыты. Видеозаписи натурных экспериментов делают курс более привлекательным и позволяют сделать занятия живыми и интересными.

Цель методической разработки:

Разработать методику использования компьютера и ЦОР на уроках физики (на примере курса квантовой физики в 11 классе).

Задачи:

1. Разработать пакет заданий для проверки усвоения раздела «Квантовая физика».

2. Повысить степень увлечённости учащихся в учебно-творческой деятельности, стимулировать изучение физики как предмета.

3. Разработать пакет заданий, способствующих, акцентировать внимание учащихся на межпредметной связи, таких как: биология-математика, математика-экономика, математика-физика и математика-химия.

4. Развивать логическое мышление, умение анализировать полученную информацию.

В настоящее время количество компьютерных программ, предназначенных для изучения физики, исчисляется десятками, только лазерных дисков выпущено более десяти. Эти программы уже можно классифицировать в зависимости от вида их использования на уроках:

• обучающие программы;

• демонстрационные программы;

• компьютерные модели;

• компьютерные лаборатории;

• лабораторные работы;

• пакеты задач;

• контролирующие программы;

• компьютерные дидактические материалы.

Приведённая классификация является достаточно условной, так как многие программы включают в себя элементы двух или более видов программных средств, тем не менее, она полезна тем, что помогает учителю понять, какой вид деятельности учащихся можно организовать, используя ту или иную программу.

Когда же следует использовать компьютерные программы на уроках физики? Прежде всего, необходимо осознавать, что применение компьютерных технологий в образовании оправдано только в тех случаях, в которых возникает существенное преимущество по сравнению с традиционными формами обучения. Одним из таких случаев является преподавание физики с использование компьютерных моделей. Следует отметить, что под компьютерными моделями понимают компьютерные программы, имитирующие физические опыты, явления или идеализированные модельные ситуации, встречающиеся в физических задачах. Компьютерные модели позволяют получать в динамике наглядные запоминающиеся иллюстрации физических экспериментов и явлений, воспроизвести их тонкие детали, которые могут ускользать при наблюдении реальных экспериментов. Компьютерное моделирование позволяет изменять временной масштаб, варьировать в широких пределах параметры и условия экспериментов, а также моделировать ситуации, недоступные в реальных экспериментах. Некоторые модели позволяют выводить на экран графики временной зависимости величин, описывающих эксперименты, причём графики выводятся на экран одновременно с отображением самих экспериментов, что придаёт им особую наглядность и облегчает понимание общих закономерностей изучаемых процессов. В этом случае графический способ отображения результатов моделирования облегчает усвоение больших объёмов получаемой информации.

При использовании моделей компьютер предоставляет уникальную, не реализуемую в реальном физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощённой теоретической модели с поэтапным включением в рассмотрение дополнительных усложняющих факторов, постепенно приближающих эту модель к реальному явлению. Кроме того, не секрет, что возможности организации массового выполнения разнообразных лабораторных работ, причём на современном уровне, в средней школе весьма ограничены по причине слабой оснащённости кабинетов физики. В этом случае работа учащихся с компьютерными моделями также чрезвычайно полезна, так как компьютерное моделирование позволяет создать на экране компьютера живую, запоминающуюся динамическую картину физических опытов или явлений.

В то же время использование компьютерного моделирования не должно рассматриваться в качестве попытки подменить реальные физические эксперименты их симуляциями, так как число изучаемых в школе физических явлений, не охваченных реальными демонстрациями, даже при блестящем оснащении кабинета физики, очень велико. Несколько условный характер отображения результатов компьютерного моделирования можно компенсировать демонстрацией видеозаписей натурных экспериментов, которые дают адекватное представление о реальном протекании физических явлений.

Значительное число компьютерных моделей, достаточно полно охватывающих такие разделы физики, как механика, молекулярная физика и термодинамика, содержится в первой части мультимедийного компьютерного курса "Открытая физика 2.5". Подобные модели представляют особую ценность, так как учащиеся, как правило, испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков.

Компьютерные модели курса "Открытая физика 2.5" легко вписываются в традиционный урок и позволяют учителю организовывать новые, нетрадиционные виды учебной деятельности учащихся. Приведём в качестве примеров два вида такой деятельности, опробованные нами на практике:

• Урок - исследование. Учащимся предлагается самостоятельно провести небольшое исследование, используя компьютерную модель, и получить необходимые результаты. В этом случае урок приближается к идеалу, так как ученики получают знания в процессе самостоятельной творческой работы, ибо знания необходимы им для получения конкретного, видимого на экране компьютера, результата. Учитель в этом случае является лишь помощником в творческом процессе овладевания знаниями. Такой урок можно провести только в компьютерном классе.

• Урок решения задач с последующей компьютерной проверкой. Учитель предлагает учащимся для самостоятельного решения в классе или в качестве домашнего задания задачи, правильность решения которых они могут проверить, поставив затем компьютерные эксперименты. Возможность самостоятельной последующей проверки в компьютерном эксперименте полученных результатов усиливает познавательный интерес, делает работу учащихся творческой, а зачастую 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. Ведь для проверки правильности полученного ответа достаточно провести компьютерный эксперимент, что занимает обычно меньше одной минуты, к тому же такие эксперименты проводят сами учащиеся. Опыт работы показывает, что каждая модель должна сопровождаться, по крайней мере, десятком задач различной сложности, тогда работа с курсом даст действительно высокий учебный эффект.

Итак, подведём итоги. Можно ли преподавать физику с использованием компьютерных моделей? Разумеется, да. Более того, роль компьютерного моделирования в учебном процессе будет повышаться по мере появления новых компьютерных программ. Однако качественный скачок в этой области будет возможен только тогда, когда разработчики компьютерных программ осознают, что для получения действительно эффективных программ им необходим тесный контакт с учителями, которые хорошо знакомы с компьютерными технологиями и активно используют эти технологии при работе с учащимися.

Инструментальное использование компьютера в учебной деятельности по различным школьным предметам успешно реализуется в «модели двух учителей», когда учитель технологии-информатики работает вместе с учителем предметником, помогая и ему, и ученикам работе в конкретной программной среде или сам владеет в совершенстве новыми информационными технологиями.

На рынке существует большое количество компьютерных программ, в аннотации которых есть слова «учебный», «образовательный» и т. п., ряд из них имеет рекомендации Министерства общего и профессионального образования РФ. Это вызывает большее доверие к ним, но не гарантирует адекватности учебной программе и стилю преподавания конкретного учителя. Приводимые в различных каталогах данные чаще всего не отражают наличие и содержание методических материалов.

Живая Физика

Компьютерная проектная среда, ориентированная на изучение движения в гравитационном, электростатическом, магнитном или в любых других полях, а также движения, вызванного всевозможными видами взаимодействия объектов. Работа программы основана на численном интегрировании уравнений движения.

В ней легко и быстро «создаются» схемы экспериментов, модели физических объектов, силовые поля. Способы представления результатов (мультипликация, график, таблица, диаграмма, вектор) задаются самим пользователем в удобном редакторе среды. Программа позволяет «оживить» эксперименты и иллюстрации к задачам курса физики, разработать новый методический материал, помогает ученикам лучше понять теорию, решить задачу, осмыслить лабораторную работу. Она может использоваться для сопровождения как школьного, так вузовского курса физики. Методическое сопровождение программы содержит несколько десятков готовых физических задач и моделей экспериментальных установок.

Репетитор Физика 1C

Мультимедийный электронный учебник для школьного курса физики, содержащий демонстрацию физических явлений методами компьютерной анимации, компьютерное моделирование физических закономерностей, видеоматериалы, демонстрирующие реальные физические опыты, набор тестов и задач для самоконтроля, справочные таблицы и формулы.

Физика для школьников и абитуриентов

Компьютерное пособие для поступающих в вузы. Может быть использовано для индивидуальной подготовки, для проведения групповых занятий в компьютерных классах гимназий, школ, лицеев, а также подготовки к вступительным экзаменам в вуз.

Серия электронных учебников фирмы «Физика»

Физика в картинках.

Содержат справочные сведения по физике, сопровождаемые изображениями интерактивных экспериментов, а также справочник формул, таблицы физических величин, калькулятор. В программу включены вопросы и задачи, предусмотрена возможность ввода ответов и их проверки.

Библиотеки ресурсов – иллюстрации, 3D-модели, анимации, аудиоресурсы, интерактивные сцены, таблицы, биографии ученых, подборки заданий. Ресурсы обеспечивают высокий уровень наглядности учебного процесса, их можно использовать при создании презентаций. Удобная рубрикация ресурсов в галереи, режим быстрого поиска и размещения на экране того или иного элемента, «скрытый режим», возможность делать пометки, подписи и рисунки поверх изображения ресурса.

Характерные особенности комплекта ПО «Умник»

• Оригинальные и увлекательные образовательные программы содержат богатый иллюстративный материал, могут использоваться на различных этапах урока: объяснение нового, актуализация знаний, обобщение и систематизация, контроль

• Интерактивные задания не только помогут систематизировать и проверить знания школьников, но и послужат развитию их аналитических способностей и креативного мышления, а необходимость предварительного обсуждения некоторых тем помогает строить предметный диалог учителя с классом и учеников между собой, характер заданий предполагает различные формы работы - фронтальные, групповые, индивидуальные

• Нестандартные формы контроля знаний: работа с графическим материалом, составление схем, таблиц и классификаций, подготовка докладов, ролевые игры и многое другое

• Удобная рубрикация ресурсов, возможность быстрого поиска и использования на экране того или иного объекта, наличие контекстной помощи, возможность делать подписи и рисунки поверх изображения ресурса, наличие методических рекомендаций – эти и другие возможности обеспечивают удобство использования данного продукта в образовательном процессе

Прежде всего, чрезвычайно удобно использовать компьютерные модели в качестве демонстраций при объяснении нового материала или при решении задач. Согласитесь, что гораздо проще и нагляднее показать, как электрон в соответствии с моделью Бора перескакивает в атоме с орбиты на орбиту, что сопровождается поглощением или испусканием кванта, используя компьютерную модель, чем объяснять это при помощи доски и мела. А если учесть, что данная модель позволяет одновременно с переходом электрона на другую орбиту показать в динамическом режиме соответствующий переход на диаграмме электронных уровней, а также вид соответствующей спектральной линии, то становится ясно, что данную демонстрацию невозможно обеспечить другими средствами. Конечно, подобная демонстрация будет иметь успех, если учитель работает с небольшой группой учащихся, которых можно рассадить вблизи монитора, или в кабинете имеется проекционная техника, позволяющая отобразить экран компьютера на стенной экран большого формата. В противном случае учитель может предложить учащимся самостоятельно поработать с моделями в компьютерном классе (такая возможность уже не является экзотикой) или в домашних условиях, что иногда бывает наиболее реально.

Разумеется, дети с большим интересом повозятся с предложенными моделями, испробуют все регулировки, как правило, не особенно вникая в физическое содержание происходящего на экране. Как показывает практический опыт обычному школьнику может быть интересна в течении 3-5 минут в зависимости от красочности и сложности, а затем неизбежно возникает вопрос: А что делать дальше?

К сожалению, авторы программ не продумали методику использования моделей в процессе индивидуального обучения, задачи и вопросы, которые прилагаются к моделям крайне не многочисленны и не всегда удачны, то есть выбора практически нет. Что же делать, чтобы урок в компьютерном классе был не только интересен по форме, но и дал максимальный учебный эффект? Учителю необходимо заранее подготовить план работы для учащихся с выбранной для изучения компьютерной моделью, сформулировать задачи, согласованные с возможностями модели, а также желательно предупредить учащихся, что им будет необходимо ответить на вопросы или написать небольшой отчёт о проделанной работе. Идеальным является вариант, при котором учитель в начале урока раздаёт учащимся указанные материалы в распечатанном виде. Какие же виды учебной деятельности можно предложить учащимся при работе с компьютерными моделями?

• Прежде всего, это знакомство с моделью, то есть небольшая исследовательская работа - экскурс по устройству модели и её функциональным возможностям, в которую входит знакомство с основными регулировками модели. В ходе этой работы учитель в компьютерном классе, переходя от ученика к ученику помогает освоить модель, поясняя наиболее сложные моменты и задавая вопросы, отвечая на которые учащиеся глубже вникают в суть происходящего на экране.

• После того как компьютерная модель освоена в первом приближении, имеет смысл предложить учащимся выполнить 1 - 3 компьютерных эксперимента. Эти эксперименты позволят учащимся научиться уверенно управлять происходящем на экране и вникнуть в смысл демонстраций.

• Далее, если модель позволяет, можно предложить учащимся экспериментальные задачи, то есть задачи, для решения которых не обязательно производить вычисления, а необходимо продумать и поставить соответствующий компьютерный эксперимент. Как правило, учащиеся с особым энтузиазмом берутся за решение таких задач. Цель подобных заданий...

• На данном этапе, когда учащиеся уже достаточно хорошо овладели моделью и углубили свои знания по изучаемому явлению, имеет смысл предложить 2 - 3 задачи не требующих длительного решения, которые необходимо решить без использования компьютера (некоторых учеников даже необходимо отсадить подальше от ...), а затем проверить полученный ответ, поставив эксперимент на компьютере. Задачи, правильность решения которых можно проверить, используя компьютерную модель. При составлении таких задач необходимо учитывать как функциональные возможности модели, так и диапазоны изменения числовых параметров заложенные авторами модели. Следует отметить, что, если эти задачи решаются в компьютерном классе, то их решение не должно превышать 5-8 минут. В противном случае работа с компьютером становится мало эффективной. Задачи, требующие более длительного решения имеет смысл предлагать в виде домашнего задания. Задачи, требующие более длительного решения, имеет смысл предлагать для предварительной проработки в виде домашнего задания и только после этого использовать их в компьютерном классе.

• Наиболее способным учащимся можно предложить исследовательские задачи, то есть задачи, в ходе решения которых учащимся необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, которые бы позволили подтвердить или опровергнуть определённые закономерности. Самым продвинутым ученикам можно предложить самостоятельно сформулировать такие закономерности.

• Творческие задания лучше предложить ученикам в виде домашнего задания. В рамках таких заданий учащиеся самостоятельно придумывают и решают задачи, а затем проверяют свои результаты в компьютерном классе.

Краткое описание моделей, примеры теории и задач входящих в компьютерный курс Квантовой физики:

• Фотоэффект Компьютерная программа предназначена для изучения законов фотоэлектрического эффекта. Предусмотрена возможность выбора ряда параметров: длины волны и интенсивности падающего света, величины и знака напряжения между анодом и фотокатодом. Программа позволяет измерить задерживающий потенциал и определить красную границу фотоэффекта.

Теория:

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Г. Герцем (1887 г.). Теория фотоэффекта была развита А.Эйнштейном (1905 г.) на основе квантовых представлений. Классическая волновая теория света оказалась неспособной объяснить закономерности этого явления.

Согласно квантовых представлений свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами), энергия Е которых пропорциональна частоте 

E=h где h=6.63*10^-34Дж*с - постоянная Планка.

Чтобы вырвать электрон из вещества, нужно сообщить ему энергию, превышающую работу выхода А. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона определяется согласно Эйнштейну уравнением

Это уравнение объясняет основные закономерности фотоэффекта:

1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально световому потоку Р.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света  и не зависит от падающего светового потока.

Если между фотокатодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения U₀ анодный ток прекращается. Величина Uз определяется соотношением

Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты _min, то фотоэффект не происходит ("красная граница фотоэффекта")

, или

У щелочных металлов красная граница лежит в диапазоне видимого света.

• Постулаты Бора Программа предназначена для изучения квантовых свойств атомных систем. Она позволяет познакомиться с понятием энергетических уровней атома водорода с правилом квантования стационарных боровских орбит, а также с квантовыми переходами между уровнями.

• Квантование электронных орбит Компьютерная программа предназначена для ознакомления с квантовыми постулатами Бора и теорией де Бройля о двойственной природе микрообъектов, то есть о наличии у них корпускулярных и волновых свойств. Программа иллюстрирует правило квантования круговых боровских орбит в атоме водорода, которое с точки зрения де Бройля сводится к утверждению о существовании стоячих электронных волн на стационарных орбитах.

• Волновые свойства частиц Программа представляет компьютерный эксперимент по прохождению электронного пучка через одну или две щели. Она позволяет познакомиться с проявлением двойственной природы микрообъектов, то есть наличием у них волновых и корпускулярных свойств. Иллюстрируется принцип неопределенности Гейзенберга.

• Дифракция электронов Программа иллюстрирует основную концепцию современной квантовой физики - понятие двойственной природы всех материальных объектов. Она моделирует явление рассеяния электронов в кристаллах с помощью мысленного эксперимента по дифракции электронных волн на одномерной решетке. Показано, что дифракционная картина образуется в результате вероятностного процесса. Предусмотрена возможность изменения периода решетки и скорости электронов.

На экран дисплея выводятся значение длины волны электронов и график

распределения интенсивности в дифракционной картине.

• Лазер; двухуровневая модель Компьютерная программа представляет модель различных процессов, возникающих при распространении резонансного светового пучка в квантовой системе с двумя энергетическими уровнями: поглощение фотонов, спонтанное и стимулированное излучение. Программа позволяет познакомиться с понятиями накачки, инверсной населенности уровней и усилителя света.

• Энергия связи ядер Программа предназначена для ознакомления с понятием энергии связи ядер и дефекта массы. На экран выводятся графики зависимости числа нейтронов от числа протонов в стабильных ядрах и зависимости удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа. Программа позволяет подбирать различные сочетания чисел нейтронов и протонов для образования стабильного ядра и определить для этого ядра формулу химического элемента и удельную энергию связи.

• Относительность длины. Программа позволяет изучить постулаты специальной теории относительности Эйнштейна - принцип относительности и принцип постоянства скорости света. Программа моделирует эксперимент по измерению длины твердого тела двумя наблюдателями, находящимися в различных инерциальных системах отсчета. Возможно изменение относительной скорости систем отсчета. Результат измерения длины стержня в движущейся системе отсчета выводится на экран дисплея.

• Относительность времени Программа позволяет познакомиться с одним из важных следствий специальной теории относительности Эйнштейна - относительностью промежутков времени. На экране дисплея представлен эксперимент по измерению интервала времени между двумя событиями наблюдателями в различных системах отсчета. Результаты измерения собственного времени и времени по часам движущегося наблюдателя выводятся на экран дисплея.

Так же в каждую модель входит по одной задаче а завершает курс две видеозаписи эксперимента с точным объяснением темы.

• Серия Бальмера водорода.

• Деление ядер.

Прежде всего, на основе вашего календарного плана определите, какие компьютерные модели вы сможете использовать при объяснении нового материала и/или предложить учащимся для работы в компьютерном классе. Далее имеет смысл к каждой выбранной модели составить таблицу, в которую следует занести названия параметров, которые может изменять пользователь, задавая при этом начальные условия экспериментов, обозначения этих параметров, пределы и шаг их изменения. В эту таблицу также следует занести аналогичную информацию о параметрах модели, которые рассчитываются компьютером при выполнении экспериментов, и выводятся на экран монитора. Для создания такой таблицы нужно открыть соответствующую модель, определить диапазоны изменения регулируемых параметров, а затем провести несколько экспериментов с крайними значениями этих параметров, чтобы определить предельные значения и шаг расчёта рассчитываемых параметров.

Хочется выразить уверенность, что в следующих версиях курса "Открытая физика" количество компьютерных моделей будет расти, их функциональные возможности станут разнообразнее, а пределы изменения числовых значений параметров, описывающих эксперименты, будут расширены. Возможно, что через некоторое время появятся компьютерные обучающие задачники, в которых также будут использоваться компьютерные модели. Так что в перспективе учитель будет располагать компьютерной лабораторией, в рамках которой он сможет провести демонстрацию любого эксперимента из курса физики или проиллюстрировать любую задачу из школьного сборника задач.

Функциональные возможности моделей позволяют составить значительное число задач различных типов почти к каждой модели, но авторы ограничились лишь одной задачей в "Открытой физике". Надеемся, что со временем появится задачник с вопросами и задачами, условие которых будет согласовано с функциональными возможностями моделей, а также рабочие тетради для учащихся с бланками компьютерных лабораторных работ. Вполне возможно, что через некоторое время появятся компьютерные обучающие задачники, в которых также будут использоваться компьютерные модели. Так что в перспективе учитель будет располагать компьютерной лабораторией, в рамках которой он сможет провести демонстрацию любого эксперимента из курса физики или проиллюстрировать любую задачу из школьного сборника задач.

Тем не менее, даже на сегодняшний день, компьютерные курс "Открытая физика", безусловно, являются чрезвычайно полезными при изучении физики, как в классе, так и при индивидуальной работе. Итак, кратко подведем итоги. Можно ли изучать физику при помощи компьютерных моделей? Безусловно, да. Более того, роль компьютерного моделирования в учебном процессе будет повышаться по мере появления новых компьютерных программ. Однако качественный скачок в этой области будет возможен тогда, когда разработчики осознают, что, для получения действительно эффективных обучающих программ, им необходим тесный контакт с учителями-педагогами, хорошо знакомыми с компьютерными технологиями и использующими эти технологии при работе с учащимися.

В последнее время появилось большое количество компьютерных курсов на CD и DVD дисках, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Учитель должен уметь ориентироваться в таком информационном потоке и вычленять необходимую информацию в соответствии с требованиями программы.

На уроках Информатики и информационных технологий также можно создавать компьютерные модели физических экспериментов в различных программных средах.

1. А. Ф. Кавтрев. «Лабораторные работы к компьютерному курсу «Открытая физика». Равномерное движение. Моделирование неупругих соударений». Газета «Физика», № 20, с. 5–8, 2001.

2. Белостоцкий П. И., Максимова Г. Ю., Гомулина Н. Н. «Компьютерные технологии: современный урок физики и астрономии». — Газета «Физика» №20, 1999. — с 3.

3. В.А. Буров «Демонстрационный эксперимент по физике в средней школе». Москва Просвещение 1979г

4. Гомулина Н. Н, Михайлов С. В. Методика использования интерактивных компьютерных курсов с элементами дистанционного образования. – Газета «Физика», 2000, № 39.

5. Гомулина Н. Н. Компьютерные обучающие и демонстрационные программы. – Газета «Физика», 1999, № 12.

6. П. И. Белостоцкий, Г. Ю. Максимова, Н. Н. Гомулина "Компьютерные технологии: современный урок физики и астрономии". Газета "Физика" №20, с. 3, 1999.

Интернет-ресурсы по методике использования

информационных технологий на уроках физики

1. http://www.ipo.spb.ru/journal/ Журнал «Компьютерные инструменты в образовании» На данной странице вы можете ознакомиться с оглавлениями всех вышедших журналов.

2. http://center.fio.ru/method/RESOURCES/KAVTREV/11/FIZ/OP_metod.htm Методика работы с компьютерными курсами «Открытая физика» и «Физика в картинках». А. Ф. Кавтрев.

3. http://top.izmiran.rssi.ru/lyceum/main/teachers/popov/pract.htm Практикумы по компьютерному моделированию: модельный компьютерный эксперимент в углубленном курсе физики. Попов М. В.

4. http://schools.techno.ru/sch1567/metodob/index.htm Использование персонального компьютера на уроках физики. Гололобов А. И., Гололобова Е. Л., Лингвистическая гимназия при ТГУ им. Державина, г. Тамбов.

5. Информационные технологии в преподавании физики: сайт И.Я. Филипповой http://ifilip.narod.ru

6. Мир физики: физический эксперимент http://demo.home.nov.ru

7. Физика в анимациях http://physics.nad.ru

8. Физика вокруг нас http://physics03.narod.ru

9. Эрудит: биографии ученых и изобретателей http://erudite.nm.ru

10. Ядерная физика в Интернете http://nuclphys.sinp.msu.ru

11. Сто великих научных открытий. – http://a-nomalia.narod.ru/100otkr/index.htm

12. История физики. – http://physhistory.narod.ru/default.htm

13. Изобретатели веков. – http://scientists.narod.ru/katalog.htm.

14. Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов http://www.edu.ru

15. Живая физика (http://www.curator.ru/e-books/p16.html). Здесь представлена подробная информация о виртуальной лаборатории «Живая физика». В этой виртуальной лаборатории существуют различные способы представления результатов (мультипликация, график, таблица, диаграмма, вектор), которые могут задаваться пользователем.

16. (http://nwcit.aanet.ru/chirtsov/txt1.html). Компьютерные модели в изучении физики. На сайте предложен вариант многоцелевого компьютерного учебника по физике. В его основе лежат некоторые конструкторы физических ситуаций, позволяющие «собирать» из объектов, представляемых программой, моделируемую физическую систему и определять способ ее визуализации во времени в соответствии со спецификой физической задачи, желанием пользователя и возможностями его компьютера.

17. Электронное обучение (http://www.omskelecom.ru/acad/fr_elect.htm). Перечень представленных на сайте разделов: «Механика» (автор разработки — А. Ф. Иванов, заведующий кафедрой физики ОМГАУ), «Колебания и волны» (И. М. Щеткин, доцент кафедры физики ОмГПУ), «Основы молекулярно-кинетической теории и тепловые явления» (Л. Ф. Луцкая, доцент ОмГТУ, кандидат физико-математических наук), «Электростатика и постоянный ток» (В. В. Горлач, доцент кафедры физики СибАДИ, кандидат физико-математических наук), «Электродинамика» (3. И. Клименко, декан физического факультета ОмГПУ кандидат педагогических наук), «Геометрическая и волновая оптика» (С. Н. Крохин, заведующий кафедрой физики и химии ОмГАПС, кандидат физико-математических наук, доцент), «Физика ядра и атома. Квантовая физика» (Т. В. Салаева, учитель школы № 145).

18. Единая коллекция ЦОР http://www.school-collection.edu.ru

Список ЦОР на CD

1. Каталог учебных таблиц

2. От плуга до лазера 2.0. Дэвид Маколи. "Новый диск", 1998

3. Открытая Физика 1.0 (Часть I). "Физикон"

4. Открытая Физика 1.0 (Часть II). "Физикон"

5. Открытая Физика 2.5 (2 CD)

6. Физика 11. Квантовая физика. Тесты.

7. Физика 7-11. Подготовка к ЕГЭ

8. Физика в картинках 6.2. "Физикон"

9. Физика. От плуга до лазера

10. Физика. Электродинамика. Оптика. Квантовая физика

Ниже приводятся примеры заданий по исследованию компьютерных моделей в «Открытая физика». В их основу положены условия задач различной трудности, от задачника А.П.Рымкевича до журнала «Квант» и олимпиад.

Механическая работа

В модели иллюстрируется понятие механической работы на примере движения бруска на плоскости с трением под действием внешней силы, направленной под некоторым углом к горизонту. Изменяя параметры модели (массу бруска m, коэффициент трения μ, модуль и направление действующей силы ), можно проследить за величиной работы, совершаемой при движении бруска, силой трения и внешней силой. Убедитесь в компьютерном эксперименте, что сумма этих работ равна кинетической энергии бруска. Обратите внимание, что работа силы трения A_тр всегда отрицательна.

Графики равноускоренного движения

Модель демонстрирует графики равноускоренного движения. График x(t), представляющий собой параболу, можно менять с помощью мыши. После команды «Старт» движущаяся точка на графике x(t) демонстрирует движение тела; при этом одновременно рисуются графики скорости υ(t) и ускорения a(t).

Движение спутников

Модель демонстрирует движение спутников в поле тяготения Земли. Можно изменять модуль и направление скорости спутника , а также расстояние r от точки старта спутника до поверхности Земли, и наблюдать различные орбиты движения спутника.

Определите в компьютерном эксперименте первую космическую скорость υ₁ спутника. Проследите, как изменяется скорость спутника на круговой орбите при изменении радиуса орбиты.

Определите минимальную скорость υ₂ спутника в момент старта вблизи поверхности Земли, при которой он навсегда покинет Землю (вторая космическая скорость).

Импульс тела

Модель предназначена для иллюстрации понятий импульса тела mυ и импульса силы FΔt. Демонстрируется изменение импульса тела при воздействии на него силы. Можно выбирать начальную скорость υ₀ бруска, его массу m, модуль и направление действующей силы F и время Δt ее действия. После прекращения действия силы брусок движется с другой скоростью. Количественно проверяется закон изменения импульса.

Кинетическая и потенциальная энергия

В модели демонстрируется изменение кинетической E_k и потенциальной E_p энергии мальчика, спускающегося на санках без трения с горы сложного профиля. Показывается диаграмма и выводятся численные значения кинетической и потенциальной энергии. Можно изменять массу мальчика m и профиль горы. Обратите внимание, что сумма потенциальной и кинетической энергии в процессе движения мальчика постоянна и равна первоначальной потенциальной энергии до старта с вершины горы.

33