Использование компьютерных моделей при обучении физике

5. Использование компьютерных моделей при обучении физике

Сегодня преподаватели и учителя физики, сталкиваются со следующим рядом затруднений: постоянное сокращение часов на естественнонаучные дисциплины, снижение финансирования учебного процесса, износ и выход из строя имеющегося оборудования. В сочетании с повышенными требованиями к уровню знаний выпускников учебных заведений, и повышенной загруженностью обучающихся эти затруднения могут перерасти в неразрешимые проблемы, особенно в учебных заведениях небольших городов.

Решением подобных проблем может стать использование современных интенсивных форм, методов и средств обучения. Так использование метода проблемного обучения, метода модельных гипотез, а также использование в процессе обучения теле- и видеоаппаратуры позволит повысить качество знаний и снизить психологическую нагрузку на учащихся. Также в решении подобных проблем может помочь использование в процессе обучения компьютерных технологий.

Обучающие программы, которые могут быть использованы при преподавании физики, можно разделить на: моделирующие, вычислительные, проверочные и справочные. Моделирующие программы – это программы представляющие пользователю компьютерную модель физического явления или объекта. Они могут быть использованы, когда демонстрация самого явления или объекта невозможна в связи с его дороговизной, малой наглядностью или опасностью для жизни. Вычислительные программы разработаны для обработки и интерпретации результатов экспериментов. Подобные программы могут производить за учащихся сложные расчеты, строить графики и диаграммы, они особенно эффективны в сочетании с измерительными модулями, такими как L -микро. Проверочные программы обеспечивают проверку знаний путем тестирования или путем пошагового решения задач. Они отличаются объективностью и беспристрастностью. Справочные программы – это базы и банки данных, предоставляющие учащимся доступ к справочной учебной информации.

Рассмотрим компьютерные модели, как самые распространенные компьютерные обучающие программы. Появление персональных компьютеров четверть века назад позволило начать новую эру использования компьютера в обучении, с тех пор создано множество компьютерных моделей. Эти модели создавали профессиональные коллективы программистов, учителя и преподаватели, а также ученики и студенты. Подобные программы охватывают довольно большой ряд явлений и объектов, отличаются друг от друга полнотой, качеством, охватом, системностью и наглядностью.

Обратимся к модели созданной автором статьи: "Отражение и преломление света на границе двух сред", и размещенной в Интернете на сайте: http:// kmodels . narod . ru .

Для построения модели волны можно воспользоваться принципом Гюйгенса. Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны со скоростью распространения волны в среде.

Зная положение фронта волны в какой-либо момент времени можно найти положение фронта волны через промежуток времени Δt . Вторичные волны распространяются от каждой точки волнового фронта и представляют собой сферические поверхности радиуса v * Δt ( v – скорость распространения волны в среде), тогда касательная поверхность ко всем вторичным волнам будет новым фронтом волны в данный момент времени.

С помощью этой модели можно описать преломление и отражение света на границе двух сред. Программа, моделирующая эти явления, будет строить начальный фронт волны, на его поверхности выбирать пять точек, каждая из которых будет источником вторичных сферических волн, и строить касательную к этим волнам, которая и будет новым фронтом волны. Преломление света рассматривается при переходе света из среды с показателем преломления n =1 в среду с показателем преломления n =1,5 (например, преломление света на границе: воздух - стекло).

Программа также показывает границы применения модели световой волны, основанной на принципе Гюйгенса. Параллельные лучи света, от бесконечно удаленного источника падают на отверстие AB . Белым изображены полусферы, которые действительно могли иметь место, а красным изображены вторичные волны, которые предсказываются моделью (принципом Гюйгенса), но на практике не имеют места. Таким образом, программа наглядно демонстрирует, что принцип Гюйгенса позволяет найти волновую поверхность в произвольный момент времени, если известна волновая поверхность в предыдущий момент времени. Но он не позволяет определить границы распространения света, не объясняет прямолинейность распространения света.

Это имитационная программа, созданная специально для демонстрации, с предельно упрощенным интерфейсом и отсутствием возможности изменять какие-либо параметры. Ее можно использовать при объяснении таких тем, как: принцип Гюйгенса, закон отражения и преломления света.

6. Другие виды аналогий в школьном курсе физики. Использование аналогии при изучении транзистора

В настоящее время транзистор как полупроводниковый прибор нашел широкое применение во всех сферах человеческой деятельности. Популярность прибора повышает интерес учащихся к нему и его техническому приложению. Модель транзистора, как и всякая аналогия, является приближением прибора и имеет свои границы применимости (например, с ее помощью невозможно показать собственную и примесную проводимость; перемещение дырок и электронов и т. д.). Однако в главном модель и оригинал схожи: это тождественность включения их схем и аналогичность работы основных частей и, кроме того, равенство нулю тока коллектора при отсутствии тока в базе.

Рис.6

После ознакомления учащихся с основными элементами транзистора p-n-p-типа (эмиттером, базой и коллектором) и механизмами правого и левого p-n-переходов, учащимся предлагается пронаблюдать данные процессы на модели. Для этого собирается установка, показанная на рис. 6. (предложенная В.С. Данюшенковым и С.Е. Каменецким) Она состоит из аналога транзистора 1, двух центробежных водяных насосов с электродвигателями 2 и стеклянных переходников 3, соединенных между собой резиновыми трубками.

В качестве аналога берут модель водоструйного насоса, имеющаяся в арсенале кабинета физики.

Источником переменного "напряжения" для модели (см. рис.8) служит вход 4, который подключают к водопроводному крану. Меняя с помощью крана скорость течения жидкости в установке, регулируют давление (напор) в ней. В этой установке давление жидкости служит аналогом напряжения в электрической цепи транзистора. Насосы выполняют роль источников постоянного тока, трубки с водой — соединительных проводов, а стеклянная трубка 5 - постоянного резистора R, включенного в цепь, показанную на рис.7.

Рис. 7

Работу основных элементов модели необходимо показать учащимся.

Сначала объясняют роль токов в правом и левом p-n-переходах и их влияние на работу транзистора. Для этого открывают кран и создают постоянный напор воды в системе "эмиттер — база". Жидкость через "эмиттерный" вход поступает в полость аналога транзистора и сливается в отверстие "базы". Источник постоянного напряжения (насос) левого перехода включают в таком направлении, чтобы поток воды из "базового" отверстия всасывался в "эмиттерную" цепь и создавал прямой ток, который зависит только от источника напряжения. Показывают соответствующую демонстрацию, изменяя напор воды в системе с помощью крана и насоса (меняют число оборотов двигателя). При этом часть воды поступает в "коллектор". Это иллюстрирует диффундирование нерекомбинированных в базе дырок в коллектор.

Затем показывают значение базы в транзисторе. Включают правый и левый насосы аналога так, чтобы потоки жидкости в них циркулировали по часовой стрелке. Тогда по "базе" будут протекать два встречных потока жидкости. На языке аналогии это означает, что значения силы тока в цепях базы I_б, эмиттера I_э и коллектора I_к связаны соотношением: I_б=I_э-I_к. О соотношении значений силы тока в транзисторе учащиеся судят путем наблюдения за показаниями расходомеров жидкости, включенных в "эмиттерную" и "коллекторную" цепи модели. Расходомер представляет собой устройство для измерения скорости течения воды и аналогичен амперметру. Поскольку скорость движения жидкости в "эмиттере" приближенно равна скорости движения жидкости в "коллекторе", можно сделать вывод об отсутствии ее движения в "базе", т. е. о том, что I_б=0. Действительно, так как концентрация инжектируемых дырок с эмиттера много больше их концентрации на границе с базой (ширина базы очень мала), то дырки интенсивно диффундируют к коллектору. В то же время обратный ток коллекторного перехода много меньше тока, создаваемого дырками эмиттера. Поэтому силу тока в цепи коллектора можно считать равной силе тока в цепи эмиттера (I_кI_э). Это равенство лежит в основе усиливающего действия транзистора.

Затем рассматривается использование транзистора как усилителя мощности. При этом рассматривают два случая: включение транзистора по схеме с общей базой (рис. 3, а) и общим эмиттером (рис. 3, б). Схему с общим коллектором не рассматривают, поскольку она мало чем отличается по действию от схемы с общим эмиттером. Поясняют распределение силы тока между эмиттером, базой и коллектором.

Усиление мощности можно осуществлять двумя способами:

а) при постоянном напряжении увеличивать силу тока,

б) при постоянной силе тока увеличивать напряжение.

Сначала рассматривают усиление мощности транзистора по току в схеме с общей базой (рис.3,а). Механизм этого процесса обсуждался при изучении правого p-n-перехода и поэтому усилительное действие в данном случае основано на равенстве I_к=I_э. Затем переходят к изучению усиления по току в схеме с общим эмиттером, рис3,б (I_к=I_э+I_б). Сущность процесса состоит в усилении рекомбинации дырок в базе путем подачи напряжения на эмиттерный и базовый входы транзистора. Демонстрацию осуществляют следующим образом. Насос "эмиттерного перехода" переключают так, чтобы он перемещал жидкость против часовой стрелки. Тогда одна часть жидкости от крана поступит по каналу "эмиттера" в полость "транзистора", а другая часть начнет всасываться насосом и перемещаться к "базе". Далее включают насос "коллекторного перехода" (перемещают воду по часовой стрелке) так, чтобы токи в "базе" были направлены в сторону аналога транзистора. Таким образом, возникнет значительный поток воды на выходе из "базы", который будет воздействовать на струю жидкости, вытекающую из "эмиттера", направляя ее в "коллекторный переход".

Усиление мощности по напряжению основано на различии сопротивлений коллекторного и эмиттерного p-n-переходов, включенных в противоположных направлениях. Эмиттерный переход, на который подано прямое напряжение смещения, имеет малое сопротивление, и падение напряжения на нем Us мало. На коллекторный же переход подается обратное напряжение смещения, и сопротивление его значительно больше, поэтому в коллекторную цепь может быть включена высокоомная нагрузка, сопротивление которой R_н значительно больше сопротивления эмиттерного перехода. Поскольку I_к и I_э одинаковы, то падение напряжения на высокоомной коллекторной нагрузке U_н=I_кRI_эR_н окажется много больше падения напряжения на эмиттерном переходе.

Для демонстрации явления можно воспользоваться моделью, собранной так, чтобы насосы вращались в одну сторону. Поочередно беря трубки 5 разного диаметра, демонстрируют роль нагрузки в цепи коллектора для усиления мощности.

7. Заключение

Рассмотренные аналогии и модели позволяют более глубоко проникнуть в процесс обучения физики средней школы, что в свою очередь дает учащимся лучше понимать физические законы и процессы.

В данной работе рассмотрена лишь небольшая часть аналогий, которые можно использовать на уроках физики и на факультативных занятиях в средней школе.

Я считаю, что аналогии лучше всего рассматривать не только на уроках физики, но и придавать им также большое значение на факультативных занятиях, кружках, спецкурсах для учащихся, которым трудно поддается изучаемый материал и для учащихся, которые хотят более глубоко понять физические процессы, явления и понятия.

Таким образом, метод аналогии рассматривает новые вопросы, сопоставляемые с изученными ранее.

8. Литература

1. Хижнякова Л. С., Синявина А. А. Физика: Механика. Термодинамика и молекулярная физика: Учеб. для 7-8 кл. общеобразоват. учрежд.-М.: Вита Пресс.-2000

2. Хижнякова Л. С., Синявина А. А. Физика: Основы электродинамики. Элементы квантовой физики: Учеб. для 9 кл. общеобразоват. учрежд.-М.: Вита Пресс.-2001

3. Каменецкий С. Е., Солодухин Н. А. Модели и аналогии в курсе физики средней школы: пособие для учителей.-М.:Просвящение,1982.-96 с.

4.Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы: Учеб. Пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений/ С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева, Н. Е. 5.Важевский и др.; Под ред. С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышевой.-М.: Издательский центр "Академия",2000.-368 с.

6."Большой энциклопедический словарь Физика" глав. ред. Прохоров А.М.. – М. "Большая Российская энциклопедия". – 1998.

7. Веников В.А. Теория подобия и моделирования / М.: Высшая школа 1986

8. Ерохин Р. Я. "Выбор модели в процессе решения физических задач" Преподавание физики в высшей школе Научно-методический журнал № 23.- М. 2002

9. Каменецкий С. Е. Солодухин Н. А. "Модели и аналогии в курсе физики средней школы: пособие для учителей." -М., 1982

10. Карнильцев И. Н. "Значение моделирования при постоновке демонстрационного эксперимента по физике" Преподавание физики в высшей школе Научно-методический журнал № 23.- М. 2002

11. "Основы философии: Учебное пособие для вузов" ответ. Ред. Е. В. Попов.- М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1997

12. Хижнякова Л.С., Синявина А.А. "Физика: Основы электродинамики. Элементы квантовой физики: Учеб. для 9 кл. общеобразоват. учрежд."- М. Вита-Пресс.- 2001