Методика викладання теми «Електромагнітні коливання» у неповній середній школу із використанням комп'ютерних технологий

МІНІСТЕРСТВО СПІЛЬНОГО І ПРОФЕССИОНАЛЬНОГООБРАЗОВАНИЯ.

РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦИИ.

УРАЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ.

УНИВЕРСИТЕТ.

Кафедра ОТД.

Методика викладання теми «Електромагнітні коливання» у неповній середній школу із використанням комп’ютерних технологий.

Виконавець: студентка 5 курса.

Хренова Є. В.

Науковий руководитель:

Професор, доктор тех-нических наук, зав. кафедрій ПТД Красноперов Г. В.

Екатеринбург.

1999 г.

Запровадження 3.

Глава 1 Дидактичні принципи вивчення теми «Електромагнітні коливання» в курсі фізики середньої школи 6.

1.1 Методика вивчення теми «Електромагнітні коливання» знає фізики середньої школи 6 1.2 Розвиток пізнавального інтересу до фізики під час використання комп’ютерних технологій 10.

Глава 2 Комп’ютерне моделювання електромагнітних коливань 11.

2.1 Можливості застосування графічних пакетів щодо електромагнітних коливань знає фізики середньої школи 11.

2.1.2 Можливості використання графічної оболонки Corel. 11 2.2 Розробка методики вивчення теми «Електромагнітні коливання» 12.

1. Коливальний контур. Перетворення енергії при електромагнітних коливаннях. 12.

2. Аналогія між механічними і електромагнітними коливаннями. 13 3.3 Методична розробка трьох уроків. 13.

Библиографический список 25.

Однією із визначальних аспектів виховання та розвитку підростаючого покоління в процесі навчання інтелектуальне розвиток школярів. У час об'єм і рівень складності інформації, запропонованої школярам для засвоєння, стає більше, тому процес інтелектуального розвитку учнів вимагає інтенсифікації. Однією з шляхів підвищення інтенсивності навчання використання комп’ютерних технологій обучения[1] (ІТО). При правильному використанні їх вони забезпечують низку переваг перед звичайним засобом навчання: 1. індивідуалізація процесу за змістом, обсягу і темпам засвоєння навчального матеріалу; 2. активізація учнів при засвоєнні навчальної інформації; 3. підвищення ефективність використання навчального часу; 4. позитивна мотивація навчання з допомогою комфортних психологічних умов праці учня, об'єктивності оцінки; 5. характер праці викладача (скорочення рутинної праці та посилення творчою складовою його деятельности).

Особливу роль грає застосування комп’ютерних технологій під час навчання фізиці у неповній середній й усієї вищої школі. Як свідчить педагогічний досвід, найбільше кількість труднощів виникає щодо тих розділів курсу фізики, пов’язані з електрикою, і магнетизмом. Тим більше що методика вивчення різних тим, у цих розділах не розроблено у належним чином. У зв’язку з цим нами була спроба обгрунтування доцільності використання ІТО щодо зокрема теми «Електромагнітні коливання» і розроблено деякі методичні моменти, які, залежно від прийнятої технології процесу, мети клієнта й завдань, а також комп’ютерної оснащеності школи, можна використовувати викладачами фізики як вивчення всієї теми повністю, так вивчення її окремих вопросов.

Розробка нестандартного способу викладу теми свідчить про актуальності дослідження та укладає у собі елемент новизни і з практичної значимости.

Мета дослідження — розробити методику вивчення электроколебательных процесів з допомогою компьютера.

Об'єктом дослідження є організація процесу в різних етапах уроку физики.

Предметом є пошук змісту, форм і методів навчання, що забезпечують досягнення поставленої цели.

У основу роботи було покладено гіпотеза: використання комп’ютерних технологій, зокрема деяких прикладних пакетів, підвищує ефективність процесу і дозволяє досягнути глибокого розуміння цієї теми учащимися.

З поставленої цілі й сформульованої гіпотези, йдуть завдання:. розробити методику викладу теми «Електромагнітні коливання» з допомогою ЕОМ.. з’ясувати, з якими труднощами зіштовхуються учні у процесі вивчення цієї теми і, отже, яким питань, і поняттям слід приділити особливе внимание.

Аби вирішити поставлених завдань використані такі методи:. вивчення методичної, психологічної та довідкової літератури з цієї темі.. ознайомлення з вже наявними розробками у сфері цієї теми.. проведення анкетування серед учнів 11-х класів та розмова з цікавої для проблеме.

. проведення уроків з вивчення електромагнітних коливань в 11-х классах.

. обговорення результатів експерименту з викладачами і психологами.

Експеримент проводився на середній загальноосвітній школі N 64 р. Єкатеринбурга з учнями 11-х класів щодо теми «Електромагнітні колебания».

Глава 1 Дидактичні принципи вивчення теми «Електромагнітні коливання» в курсі фізики середньої школы.

1 Методика вивчення теми «Електромагнітні коливання» знає фізики середньої школы.

При визначенні забезпечення і методів вивчення даного розділу необхідно керуватися такими основними чинниками, як наукової значимістю відібраного вивчення матеріалу й пихатістю його практичних приложений.

Коливальні процеси — одні з найпоширеніших процесів в природі. Вивчення коливань — це універсальний ключ до багатьох таємниць мира.

Коливальні процеси, саме електромагнітні коливання є основою дії всіх електро (і радіотехнічних устройств.

У процесі вивчення теми «Електромагнітні коливання» розглядаються вільні електромагнітні хитання й автоколебания в коливальних контурах, і навіть змушені коливання в електричних ланцюгах під впливом синусоидальной ЭДС. Всі ці питання мають дуже велике значення, оскільки з їхньої основі потім вивчаються електромагнітні хвилі зі своїми науковопрактичними приложениями.

При викладі цієї теми знає фізики середньої школи вчитель має спиратися ми такі основні тези:. використання аналогій механічних і електромагнітних коливань;. вивчення й докладне пояснення явищ і процесів з урахуванням знань про електричному і магнітному полях і електромагнітної індукції, отриманих в.

X класі;. широке застосування фізичного эксперимента.

Зміст матеріалу і послідовність його викладів відбито у нижче наступному примірному поурочном планировании[2]:

1-й і 2-ї уроки. Повторення матеріалу про електромагнітної індукції. Вільні і мусять електричні коливання. 3-й урок. Коливальний контур. Перетворення енергії при ЭМК. 4-й урок. Аналогія між механічними і електромагнітними коливаннями. 5-ї урок. Рівняння гармонійних коливань в контурі. Упражнения.

Перші п’ять уроків відводяться на вивчення процесів в коливальному контурі. Центральними є уроки, у яких розглядається коливальний контур, розкривається сутність які у ньому процесів і встановлюється, що вільні електромагнітні коливання в ідеальному контурі гармонійні. З колебательным контуром учні ознайомлюються, спостерігаючи електромагнітні коливання низькою частоти, що у ланцюга, що з послідовного з'єднаних конденсатора і котушки индуктивности.

Електромагнітні коливання спочатку видаються як періодичне (в ідеалі - гармонійне) зміна фізичних величин (заряду, струму, напруги), характеризуючих стан системи провідників. Потім показується, що заодно відбувається періодичне зміна енергій електричного поля конденсатора і магнітного поля котушки з током.

Конче важливо у своїй відзначити, що зміни нерозривно пов’язані друг з одним, виражену у збереженні повної енергії в ідеальному коливальному контуре.

Необхідно показати, що коливальний контур — це система, що має є стан стійкого рівноваги, характеризуемое становищем із мінімальної потенційної енергією (конденсатор не заряджений), у якому система приходить сама собою (розрядка конденсатора) і крізь що вона може проходити «за інерцією» (явище самоиндукции). Це слід підкреслити при кількісному вивченні процесів в контурі й одержанні формули Томсона, бо тільки для колебательной системи можна буде поняття «власна частота».

Щоб довести, що у ідеальному контурі відбуваються гармонійні коливання, необхідно одержати основне рівняння, яке описує процеси в контурі і обіцяв показати його аналогичность рівнянню гармонійних механічних колебаний.

Для отримання основного рівняння, описывающего процеси в контурі, краще використовувати закон Ома для ділянки ланцюга, що містить э.д.с. Це дозволяє зняти можливий питання допустимості застосування закону, встановленого для постійного струму, для описи процесів в коливальному контурі, ще, у своїй зайвими обмовляти відсутність гальванічного елемента. І тут роль різниці потенціалів грає напруга на конденсаторі, однакову Q/C. Записав.

[pic] і вважаючи опір R контуру дуже малим, переходять до миттєвим значенням, що можна обумовити. Через війну получают.

[pic].

Для розкриття фізичної сутності електромагнітних коливань використовується метод векторних діаграм. Побудова ведеться за чвертям періоду й супроводжується поясненням того, як змінюється кожна гілка величин, представлених з діаграми. Фазові співвідношення визначаються з те, що сила струму можна буде швидкості зміни заряду, а э.д.с. самоиндукции (з урахуванням знака) — швидкості зміни струму. При вивченні механічних коливань було встановлено, что.

Рис. 1.

фазы таких коливань відрізняються на (/2. Після розгляду явищ в коливальному контурі переходять до вивчення змінного струму як змушених електромагнітних колебаний.

Вивчення починається з демонстрації осциллограммы мережного напруги, вид якої дозволяє вважати перемінний струм гармонійними електромагнітними колебаниями.

Відзначають, що перемінний струм — це змушені електромагнітні коливання, форма яких визначається законом зміни докладеної напруги. Потім виводять рівняння гармонійних коливань э.д.с. індукції в витку обмотки генератора і струму у мережі. Докладно пристрій генератора не розглядають, йдеться лише про набуття перемінної э.д.с. шляхом обертання рамки у постійному магнітному поле.

Висновок рівнянь спирається на вивчені в Х класі закон електромагнітної індукції Фарадея і поняття магнітного потока.

Звертають увагу і те що, що аналогічно, як із механічних коливаннях може бути зрушення фаз між вынуждающей силою і швидкістю що хитається точки, і у разі електромагнітних коливань то, можливо зрушення за фазою між струмом і напругою. Докладніше розгляд фазових співвідношень струму і напруження буде щодо реактивних опорів і прийняття закону Ома для змінного тока.

На закінчення розглядається генератор на транзисторі як приклад електромагнітної автоколебательной системи. У такій системі виробляються високочастотні невщухаючі коливання з допомогою дозованого періодичного надходження енергії джерела постійної напруги, що до складу системи. Доцільно спочатку показати такий генератор діє, та був пояснити його пристрій, використовуючи установлює і його схему.

З огляду на виняткову важливість повторення, узагальнення і систематизації всього курсу фізики в ХI класі, слід особливу увагу приділити завданням на повторення з допомогою знову вивченого материала.

2 Розвиток пізнавального інтересу до фізики під час використання комп’ютерних технологий.

Глава 2 Комп’ютерне моделювання електромагнітних колебаний.

2.1 Можливості застосування графічних пакетів щодо електромагнітних коливань знає фізики середньої школы.

Сьогодні розроблено безліч графічних пакетів і оболонок (Соrel, 3D-Studio, Power-Point, Micro-Cap та інших.), дозволяють вирішувати конкретні практичні завдання з допомогою ЕОМ не повідомляючи мов високого рівня. На думку, найбільш прийнятними від використання в школі є оболонки PowerPoint і CorelMove.

2.1.2 Можливості використання графічної оболонки Corel і пакета PowerPoint.

Графічний редактор CorelMove і пакет до створення презентацій PowerPoint дозволяє створювати різні статичні і динамічні моделі, які дуже наочно демонструють різні фізичні досліди і явища, перехідні процеси. Перегляд цих моделей учнями робить процес вивчення фізики цікавим привабливим, а як і багато в чому спрощує працю викладача. Застосування комп’ютерних моделей під час уроків загалом і фізики — зокрема, зрештою, має розвитку пізнавального інтересу, оволодінню школярами можливостями інформаційних технологій, більш гармонійного розвитку інтелектуальних здібностей учащихся.

2.2 Підвищення наочності навчання під час використання комп’ютерних моделей під час уроків физики.

Під час вивчення фізики може бути перегляд методики вивчення школярами деяких розділів з урахуванням ефективної графічної ілюстрації складних залежностей, експонованих зазвичай, у табличній чи аналітичної формі, поліпшення техніки і методик демонстраційного експерименту, наочного рішення фізичних задач.

Аби зробити засіб навчання наочним, необхідно виділити основні властивості досліджуваного явища, т. е. перетворити їх у модель, правильно відбити в моделі ці якості й забезпечити доступність цієї моделі для учащихся.

Особливу увагу має приділятися статичним і динамічним моделям. Динамічний комп’ютерне моделювання має великий достовірністю і переконливістю, чудово передає динаміку різних фізичних процессов.

Нині змінилося ставлення до наочності викладання фізики. Широке торгівлі поширення набули різні комп’ютерні моделі, що відкривали перед учителем багато можливостей та перспектив у навчанні фізиці. Їх використання у комплексі з засобами наочності підвищують ефективність процесу обучения.

Показником ефективності комп’ютерних моделей є інтелектуальне розвиток учнів. На підвищення цей показник необхідно відповідність предметного змісту уроку цільовим призначенням динамічної комп’ютерної модели.

Використання комп’ютерних технологій дозволяє за умов школи надійно відтворювати фізичні явища і процеси, швидко і виконувати розрахунки часу, багаторазово повторювати проведений експеримент із різними вихідними данными.

Важливим умовою підвищення ефективності наочності навчання активізація пізнавальної діяльності учнів рахунок збільшення обсягу самостійної роботи за організації діалогу учня з компьютером.

Застосування комп’ютерних моделей в демонстраційному експерименті дозволяє повніше реалізувати практично такі вимоги, як забезпечення видимості, створення специфічного емоційного настроя.

З відповідності змісту навчального матеріалу цільовому призначенню динамічних комп’ютерних моделей виділяють кілька варіантів використання динамічних комп’ютерних моделей при поясненні нового материала:

1. теоретично, заснованої на явищах, котрим важливо знати їх механизм;

2. теоретично, заснованої на історичних опытах;

3. теоретично за матеріалом підвищеної трудности;

4. підтвердження застосування досліджуваного явища у житті й технике;

5. для побудови графіків, необхідні вивчення нового материала.

2.3 Розробка методики вивчення теми «Електромагнітні колебания».

Коливальний контур. Перетворення енергії при електромагнітних колебаниях.

Це питання, є серед найважливіших у цій темі, розглядаються третьому уроке.

Спочатку вводиться поняття коливального контуру, робиться відповідна запис в тетради.

Далі, для з’ясування причини виникнення електромагнітних коливань, демонструється той фрагмент динамічної моделі, де показаний процес зарядки конденсатора. Звертається увагу учнів на знаки зарядів пластин конденсатора.

Після цього розглядаються енергії магнітного і електричного полів, учням розповідають у тому, як змінюються ці енергії і повна енергія в контурі, пояснюється механізм виникнення електромагнітних коливань з використанням моделі, ведеться запис основних уравнений.

Конче важливо звернути увагу учнів те що, що таке уявлення струму у подальшому ланцюгу (потік заряджених частинок) є умовним, оскільки швидкість електронів в провіднику дуже мала. Такий спосіб подачі вибрано полегшення розуміння суті електромагнітних колебаний.

Далі увагу учнів акцентується у тому, що вони спостерігають процеси перетворення енергії електричного поля була в енергію магнітного і навпаки, а оскільки коливальний контур є ідеальним (відсутня опір), то повна енергія електромагнітного поля залишається незмінною. Після цього дається поняття електромагнітних коливань і обмовляється, що це коливання є вільними. Потім підбиваються результати і дається домашнє задание.

Аналогія між механічними і електромагнітними колебаниями.

Це питання розглядається на четвертому уроці вивчення теми. Спочатку для повторення і закріплення ще раз продемонструвати динамічну модель ідеального коливального контуру. Для пояснення суті й докази аналогії між електромагнітними коливаннями і коливаннями пружинного маятника використовуються динамічна коливальна модель «Аналогія між механічними і електромагнітними коливаннями» і презентацій PowerPoint.

Як механічної колебательной системи розглядається пружинний маятник (коливання вантажу на пружині). Виявлення зв’язок між механічними і електричними величинами при коливальних процесах ведеться за традиційної методике.

Динамічна модель використовується для спостереження відповідності максимальної сили струму у ланцюги і максимальною швидкості вантажу (рис N),.

а як і відповідності моментів зупинки вантажу і перезарядження конденсатора (рис N).

Як це вже зроблено на минулому занятті, потрібен ще раз нагадати учням про умовність руху електронів по провідника, після чег7о їх звернути увагу звертається на правий верхній кут екрана, де знаходиться коливальна система «сполучені судини». Обмовляється, кожна частка робить коливання близько становища рівноваги, тому коливання рідини в сполучених посудинах також можуть гідно служити аналогією електромагнітних колебаний.

Далі складається таблиця відповідності між механічними і електричними величинами при коливальних процессах:

Таблиця відповідності між механічними і електричними величинами при коливальних процессах.

|Механические величини |Електричні величини | |Координата x |Заряд q | |Швидкість vx |Сила струму і | |Маса m |Индуктивность L | |Потенційна енергія kx2/2 |Енергія електричного поля q2/2 | |Жорсткість пружини k |Розмір, зворотна ємності 1/C | |Кінетична енергія mv2/2 |Енергія магнітного поля Li2/2 |.

Коли наприкінці уроку залишилося час, можна докладніше зупинитися на демонстраційної моделі, розібрати все основні моменти з застосуванням знову вивченого материала.

Рівняння вільних гармонійних коливань в контуре.

Спочатку уроку демонструються динамічні моделі коливального контуру і аналогії механічних і електромагнітних коливань, повторюються поняття електромагнітних коливань, коливального контуру, відповідність механічних і електромагнітних величин при коливальних процессах.

Новий матеріал необхідно розпочати з те, що якщо коливальний контур ідеальний, його повна енергія з часом залишається постоянной.

[pic], тобто. її похідна за часом постійна, отже, і похідні за часом від енергій магнітного і електричного полів теж постоянны.

Потім, після низки математичних перетворень дійшли висновку, що рівняння електромагнітних коливань аналогічно рівнянню коливань пружинного маятника.

Посилаючись на динамічну модель, учням нагадують, що заряд в конденсаторі змінюється періодично, після чого поставлено завдання — з’ясувати, як залежить від часу заряд, сила струму у ланцюзі і непередбачуване напруження на конденсаторе.

Дані залежності перебувають по традиційної методиці. Потому, як знайдено рівняння коливань заряду конденсатора, учням демонструється картинка, де зображені графіки залежності заряду конденсатора і усунення вантажу від часу, які становлять косинусоиды.

Під час з’ясування рівняння коливань заряду конденсатора вводяться поняття періоду коливань, циклічною і власної частот колебаний.

Потім виводиться формула Томсона.

Далі отримують рівняння коливань сили струму у ланцюзі і напруження на конденсаторі, після чого демонструється картинка з графіками залежності трьох електричних величин від часу. Увага учнів звертається на зрушення фаз між коливаннями сили струму і напруження та її відсутністю між коливаннями напруження і заряда.

После того, як виведені все три рівняння, вводиться поняття затухали коливань і демонструється картинка, де зображені ці колебания.

На наступному уроці підбиваються стислі підсумки з повторенням основних понять і вирішуються завдання на перебування періоду, циклічною і власної частот коливань, досліджуються залежності q (t), U (t),.

I (t), а як і різні якісні і графічні задачи.

3.3 Методична розробка трьох уроков.

Наведені нижче уроки розроблено у вигляді лекцій, оскільки цій формі, по моєї думки, є найбільш продуктивної і у цьому випадку досить часу до роботи з динамічними демонстраційними моделями. За бажання цій формі то, можливо легко трансформована на будь-яку іншу форму проведення урока.

УРОК № 1.

Тема уроку: Коливальний контур. Перетворення енергії в коливальному контуре.

Объяснение нового материала.

Цель уроку: пояснення поняття коливального контуру і суті електромагнітних коливань з допомогою динамічної моделі «Ідеальний коливальний контур».

Колебания можуть відбуватися у системі, що називається колебательным контуром, що складається з конденсатора ємністю З повагою та котушки индуктивностью L. Коливальний контур називається ідеальним, якщо у неї немає втрат енергії на нагрівання з'єднувальних дротів і дротів котушки, т. е. нехтують опором R. (Саме такою ідеальний коливальний контур ви бачите екранами. Це — динамічна модель коливального процесу, яка допоможе нам розібратися з основними поняттями і чи законами електромагнітних коливальних процесів. Тут ви бачите джерело струму схематичні зображення конденсатора і котушки індуктивності). Давайте зробимо зошитах креслення схематичного зображення коливального контуру. Щоб виникли електричні коливання у тому контурі, він повинен повідомити певний запас енергії, тобто. зарядити конденсатор. Коли конденсатор зарядится, то електричне полі зосередиться між його пластинами. (Давайте простежимо процес зарядки конденсатора і зупинимо процес, коли зарядка буде завершена).

Итак, конденсатор заряджений, його енергія равна.

[pic], але [pic], тому [pic], следовательно,.

[pic]. Оскільки після зарядки конденсатор матиме максимальний заряд (зверніть увагу до пластини конденсатора, ними розташовані протилежні по знаку заряди), то, при q=qmax енергія електричного поля конденсатора буде максимальна і равна.

[pic]. У початковий час вся енергія зосереджена між пластинами конденсатора, сила струму у ланцюги дорівнює нулю. (Давайте тепер замкнемо на нашої моделі конденсатор на котушку). При замиканні конденсатора на котушку він починає розряджатися й у ланцюга виникне струм, який, своєю чергою, створить в котушці магнітне полі. Силові лінії цього магнітного поля спрямовані за правилом буравчика.

При розрядці конденсатора струм не відразу сягає свого максимального значення, а поступово. Це тому, що змінне магнітне полі породжує в котушці друге електричне полі. У результаті явища самоиндукции там виникає індукційний струм, який, відповідно до правилу Ленца, направлений у бік, протилежну збільшення разрядного тока.

Коли розрядний струм сягає свого максимального значення енергія магнітного поля максимальна і равна.

[pic], а енергія конденсатора на той час дорівнює нулю. Отже, через t=T/4 енергія електричного поля повністю перейшов у енергію магнітного поля. (Давайте поспостерігаємо процес розрядки конденсатора на динамічної моделі. Звертаю вашу увагу, що такий спосіб уявлення процесів зарядки і розрядки конденсатора як потоку перебегающих частинок, є умовним і тому вибрано для зручності сприйняття. Ви так чудово знаєте, що швидкість руху електронів дуже мала (порядку кількох сантиметрів в секунду). Отже, ви бачите, як, при зменшенні заряду на конденсаторі змінюється сила струму у ланцюзі, як змінюються енергії магнітного і електричного полів, яка між тими змінами існує зв’язок. Так як контур є ідеальним, то втрат енергії немає, тому загальна енергія контуру залишається постоянной).

Із початком перезарядження конденсатора розрядний струм зменшуватиметься до нуля не відразу, а поступово. Це відбувається знов-таки через виникнення противо е. буд. сек. і індукційного струму протилежної спрямованості. Цей струм протидіє зменшенню разрядного струму, як раніше протидіяв його збільшення. Тепер він підтримуватиме основний струм. Енергія магнітного поля зменшуватиметься, енергія електричного — збільшуватися, конденсатор буде перезаряжаться.

Отже, повна енергія коливального контуру будь-якої миті часу дорівнює сумі енергій магнітного і електричного полей.

[pic].

Коливання, у яких відбувається періодичне перетворення енергії електричного поля конденсатора в енергію магнітного поля котушки, називаються ЕЛЕКТРОМАГНІТНИМИ коливаннями. Оскільки ці коливання відбуваються з допомогою початкового запасу енергії і зовнішніх впливів, всі вони є СВОБОДНЫМИ.

Урок 2. Тема уроку: Аналогія між механічними і електромагнітними колебаниями.

Пояснення нового материала.

Цель уроку: пояснення суті й доказ аналогії між електромагнітними коливаннями і коливаннями пружинного маятника з використанням динамічної колебательной моделі «Аналогія між механічними і електромагнітними коливаннями» і презентацій PowerPoint.

Материал для повторення:. поняття коливального контуру;. поняття ідеального коливального контуру;. умови виникнення коливань в к/к;. поняття магнітного і електричного полів;. коливання як процес періодичного зміни енергій;. енергія контуру в довільний час;. поняття (вільних) електромагнітних колебаний.

(Для повторення і закріплення учням вкотре демонструється динамічна модель ідеального коливального контура).

У цьому уроці ми розглянемо аналогію між механічними і електромагнітними коливаннями. Як механічної колебательной системи розглядатимемо пружинний маятник.

(На екрані ви бачите динамічну модель, яка демонструє аналогію між механічними і електромагнітними коливаннями. Вона допоможе нам дати раду коливальних процесах, як і механічної системі, і у электромагнитной).

Итак, в пружинному маятник упругодеформированная пружина повідомляє швидкість прикріпленому до неї вантажу. Деформована пружина має потенційної енергією упругодеформированного тела.

[pic],.

движущийся вантаж має кінетичній энергией.

[pic]. Перетворення потенційної енергії пружини в кінетичну енергію коливного тіла є механічної аналогією перетворення енергії електричного поля конденсатора в енергію магнітного поля котушки. При цьому аналогом механічної потенційної енергії пружини є енергія електричного поля конденсатора, а аналогом механічної кінетичної енергії вантажу є енергія магнітного поля, що з рухом зарядів. Зарядку конденсатора від батареї відповідає повідомлення пружині потенційної енергії (наприклад, усунення рукою). Порівняймо ж формули і виведемо загальні закономірності для електромагнітних і механічних колебаний.

ПРУЖИНА КОНДЕНСАТОР.

[pic] [pic].

ВАНТАЖ КАТУШКА.

[pic] [pic].

Из зіставлення формул слід, що аналогом індуктивності L є маса m, а аналогом усунення x служить заряд q, аналогом коефіцієнта k служить величина, зворотна электроемкости, т. е. 1/С. Моменту, коду конденсатор розрядиться, а сила струму досягне максимуму, відповідає проходження тілом становища рівноваги з максимальною швидкістю (зверніть увагу до екрани: там ви можете підгледіти це соответствие).

Далі при перезарядженню конденсатора тіло зміщуватиметься ліворуч від становища рівноваги. Через проміжок часу, рівний t=T/2, конденсатор повністю перезарядится і сила струму у подальшому ланцюгу стане рівної нулю.

Як було сказано минулому занятті, рух електронів по провідника є умовним, адже їм основними видами руху є коливальне рух близько становища рівноваги. Тому іноді ще електромагнітні коливання порівнюють із коливаннями води в сполучених посудинах (подивіться на екран, ви бачите, що у правом верхньому розі перебуває саме така коливальна система), де кожна частка робить коливання близько становища равновесия.

Отже, ми з’ясували, що аналогією індуктивності є маса, а аналогією переміщення є заряд. Але вед ви чудово знаєте, що зміна заряду в одиницю часу — це що інше, як сила струму, а зміна координати в одиницю часу — швидкість, тобто q'= I, а x'= v. Отже, ми знайшли ще одне відповідність між механічними і електричними величинами.

Давайте складемо таблицю, яка допоможе нам систематизувати зв’язку механічних і електричних величин при коливальних процессах.

Таблиця відповідності між механічними і електричними величинами при коливальних процессах.

|Механические величини |Електричні величини | |Координата x |Заряд q | |Швидкість vx |Сила струму і | |Маса m |Индуктивность L | |Потенційна енергія kx2/2 |Енергія електричного поля q2/2 | |Жорсткість пружини k |Розмір, зворотна ємності 1/C | |Кінетична енергія mv2/2 |Енергія магнітного поля Li2/2 |.

Урок 2.

Тема уроку: Рівняння вільних гармонійних коливань в контуре.

Колебаний.

Пояснення нового материала.

Мета уроку: висновок основного рівняння електромагнітних коливань, законів зміни заряду і сили струму, отримання формули Томсона й точні висловлювання для власної частоти коливання контуру з допомогою презентацій PowerPoint.

Матеріал для повторення:. поняття електромагнітних коливань;. поняття енергії коливального контуру;. відповідність електричних величин механічним величинам при коливальних процессах.

(Для повторення і закріплення потрібен ще раз продемонструвати модель аналогії механічних і електромагнітних колебаний).

На уроки минулого ми з’ясували, що електромагнітні коливання, уперших, є вільними, по-друге, є періодичне зміна енергій магнітного і електричного полів. Але, крім енергії при електромагнітних коливаннях змінюється що й заряд, отже, і сила струму в контурі і непередбачуване напруження. У цьому уроці ми повинні з’ясувати закони, якими змінюються заряд, отже сила струму і напряжение.

Отже, ми з’ясували, що — повна енергія коливального контуру у будь-якій час дорівнює сумі енергій магнітного і електричного полів: [pic]. Вважаємо, енергія не змінюється згодом, тобто контур — ідеальний. Отже похідна повної енергії за часом дорівнює нулю, отже, дорівнює нулю сума похідних за часом від енергій магнітного і електричного полей:

[pic], тобто [pic].

Знак мінус у тому вираженні означає, що коли і енергія магнітного поля зростає, енергія електричного поля убуває і навпаки. А фізичний зміст цього висловлювання такий, що швидкість зміни енергії магнітного поля дорівнює по модулю і протилежна в напрямі швидкості зміни електричного поля.

Вираховуючи похідні, получим.

[pic].

Але [pic], тому [pic] і [pic]- ми маємо рівняння, яке описує вільні електромагнітні коливання в контурі. Якщо сьогодні ми замінимо q на x, х''=ах на q'', k на 1/C, m на L, одержимо уравнение.

[pic], яке описує коливання вантажу на пружині. Отже, рівняння електромагнітних коливань має ті ж самі математичну форму, як рівняння коливань пружинного маятника.

Як багато бачили на демонстраційної моделі, заряд на конденсаторі змінюється періодично. Необхідно відшукати залежність заряду від времени.

З дев’ятого класу вам знайомі періодичні функції синус і косинус. Ці функції мають наступним властивістю: друга похідна синуса і косинуса пропорційна самим функцій, узятих із протилежним знаком. Крім цих двох, ніякі інші функції цією властивістю що немає. А тепер повернімося до електричному заряду. Можна сміливо стверджувати, що електричний заряд, отже, і сила струму, при вільних коливаннях змінюються з часом згідно із законом косинуса чи синуса, т. е. роблять гармонійні коливання. Пружинний маятник також роблять гармонійні коливання (прискорення пропорційно зміщення, взятому зі знаком минус).

Отже, щоб знайти явну залежність заряду, сили струму і напруження від часу, вирішити уравнение.

[pic], враховуючи гармонійний характер зміни цих величин.

Якщо ролі рішення взяти вираз типу q = qm co t, то, при підстановці цього заходу у початковий уравнениe, одержимо q''=-qmcos t=-q.

Тому, як вирішення слід узяти вираз виду q=qmcos?ot, де qm — амплітуда коливань заряду (модуль найбільшого значення що хитається величини), ?o = [pic]- циклічна чи кругова частота. Її фізичний сенс — число коливань за період, т. е. за 2? с.

Період електромагнітних коливань — проміжок часу, протягом якого струм в коливальному контурі і непередбачуване напруження на пластинах конденсатора робить одне повне коливання. Для гармонійних коливань Т=2? з (найменший період косинуса).

Частота коливань — число коливань в одиницю часу — визначається так:? = [pic]. Частоту вільних коливань називають власної частотою колебательной системи. (Подивімося екран, перед вами графіки залежності заряду від часу й усунення від часу, які становлять косинусоиды).

Так як? o= 2? ?=2?/Т, то Т= [pic].

Циклічну частоту ми визначили як? o = [pic], отже для періоду можна записати Т= [pic] =[pic] - формула Томсона для періоду електромагнітних коливань. Тоді вираз для власної частоти коливань прийме вид.

[pic]. Нам залишилося отримати рівняння коливань сили струму у ланцюзі і напруження на конденсаторе.

Оскільки [pic], то, при q = qm co? o t одержимо U=Umcos?ot. Отже, напруга теж змінюється по гармонійного закону. Знайдемо тепер закон, по якому змінюється сила струму у ланцюги. За визначенням [pic], але q=qmcos?t, поэтому.

[pic], де ?/2 — зрушення фаз між силою струму і зарядом (напругою). Отже, ми з’ясували, що сила струму при електромагнітних коливаннях теж змінюється по гармонійного закону. (Подивимося на екрани, там ви бачите графіки залежності заряду і напруги на конденсаторі і сили струму у ланцюзі від часу. На графіках добре видно, що сила струму зрушена щодо заряду на ?/2). Ми розглядали ідеальний коливальний контур, у якому втрат енергії і вільні коливання можуть тривати вічно довго з допомогою енергії, якось отриманої від зовнішнього джерела. У реальному контурі частина енергії йде нагрівання з'єднувальних дротів і нагрівання котушки. Тому вільні коливання в коливальному контурі є затухающими.

Глава 3.

Психолого — педагогічний эксперимент.

Специфічною особливістю даного педагогічного експерименту є випадковості відбору, бо дуже складно відібрати учнів із різних класів та різних шкіл, щоб сформувати їх експериментальну і контрольну группы.

У відповідність до основними ідеями дослідження перед проведенням педагогічного експерименту нами поставлено мету: перевірити ефективність використання розробленої з допомогою комп’ютерних технологій методики ще глибокого розуміння учнями цієї теми і підвищення ефективності процесу підвищення ефективності процесу вообще.

Завдання педагогічного експерименту: 1. Провести у двох одинадцятих класах уроки на тему «Електромагнітні коливання» з допомогою розробленої методи і використовуючи традиційний метод. 2. Провести серед обох груп контрольні роботи з даній темі. 3. Провести аналіз отриманих результатів з наступною висновками. Проведення педагогічного експерименту з перевірки ефективності даної методики включає у собі такі моменти:. Визначення критеріїв ефективності даної методики.. Формування двох щодо рівних які є знань груп з допомогою тестування.. Безпосереднє проведення уроків з цієї методике.

Уроки проводилися відповідно до наступному поурочному планированию:

1-й урок. Повторення матеріалу про електромагнітної індукції. 2-ї урок. Коливальний контур. Перетворення енергії при ЭМК. 3-й урок. Аналогія між механічними і електромагнітними коливаннями. 4-й урок. Рівняння вільних гармонійних коливань в контурі. 5-ї урок. Повторення і рішення задач.

Обробка отриманих результатов.

Результати експерименту визначалися з аналізу контрольної роботи (див. додаток № 1) і спостережень за учнями експериментальної і контрольної груп, як яких було взято два одинадцятих класу школи № 64 г. Екатеринбурга. Під час перевірки результатів спиралися на (12).

Розрахунок середнього арифметичного бала зроблено по формуле:

[pic], де Хi — результат в балах, і - номер тестованого учня, Nкількість тестируемых. Результати тестування показали досить високий середній бал (10 з 12 возможных).

Нижче приведено таблиця результатів проведення контрольної роботи. |Прізвище |Балл (Х) |Х2 | |Іванов |11 |121 | |Петров |10 |100 | |Сидоров |8 |64 |.

Общие висновки. З результатів дослідження можна зробити такі висновки: 1. Доведена актуальність використання комп’ютерних моделей щодо електромагнетизму. 2. Запропонована методика забезпечує учневі активну роль дослідженні фізичного явища чи процесу. 3. У процесі дослідження доведено педагогічна доцільність запропонованої методики, основні рекомендації якої следующие:

. комп’ютерні моделі необхідно застосовувати як щодо нового матеріалу, а й за рішенні завдань, формуванні понять, демонстраційному эксперименте;

. комп’ютерні моделі дозволяють учням проводити хід эксперимента;

. комп’ютерні моделі слід застосовувати підтвердження учням явищ, вивчення що у лабораторних умовах недоступно чи ненаглядно;

. Комп’ютерні технології повинно поєднуватися з традиційними технологіями; Експериментальне навчання довело, що запропонована методика використання комп’ютерних моделей щодо електромагнітних коливань прийнятна і ефективна. Вона приводить до підвищення якості знань і умінь учнів на цю тему, сприяє розвитку пізнавального інтересу, приваблює більше учнів до вивчення фізики, робить навчання понад ефективним, а вивчення — більш доступным.

Библиографический список.

1. Мамедов Т.М. О. Використання сучасних досягнень науково-технічного прогресу, як головний чинник підвищення якості викладання шкільного курсу фізики (Автореферат).

2. Кулакова М. Я. Створення комп’ютерної навчальною середовища для навчальної дослідницької роботи з занять із физике.

3. Питання комп’ютеризації навчального процесса.

4. Гончарова С. В. Підвищення ефективності наочності навчання під час використання динамічних комп’ютерних моделей під час уроків физики.

5. Кудрявцев А. В. Методика використання ЕОМ для індивідуалізації навчання физике.

6. Стариченко Б. Е. Комп’ютерні технології освіти. Інструментальні системи педагогічного назначения.

7. Костко О. К. Електромагнітні хитання й хвилі. Теорія относительности.

8. Використання комп’ютерних моделей у розвиток творчості учнів //.

Розвиток творчу активність які у процесі навчання дітей і професіональною підготовкою студентів. — Єкатеринбург.: УрГПУ, 1995. -78 с.

9. Підвищення ефективності наочності під час використання динамічних комп’ютерних моделей // Теоретичні проблеми фізичного образования.

— Санкт-Петербург.: Освіта, 1996. — 87с.

10.Степанова Г. Н. Збірник запитань і завдань із фізиці для 10−11 класів загальноосвітньої школи. — СПб.:"Специальная література", 1997. -.

384с.

Приложение № 1.

Контрольна робота з темі «Електромагнітні коливання». 1. Якої ролі грають индуктивность і ємність в коливальному контурі? (1 бал). Чому в коливальному контурі коливання тривають на той час, коли конденсатор повністю розрядиться? (1 балл).

2. У яких випадках в коливальному контурі будуть виходити невщухаючі коливання? (1 балл).

3. Де зосереджуватиметься енергія коливального контуру в останній момент часу t=T/4, t=T/2, t=5T/4? (1 бала). Знайти ставлення енергії магнітного поля до енергійності електричного поля для моменту часу t=T/8, вважаючи, що згадані процеси відбуваються у ідеальному коливальному контурі. (1 бала). Дан ідеальний коливальний контур. Що у ньому визначає частоту і амплітуду коливань. (1 бал). Пластини плоского конденсатора, включеного в коливальний контур, зближують. Як змінюватися у своїй частота коливань контуру? (1 балла).

4. Як зміниться період, і частота коливань в контурі, якщо индуктивность збільшити 2 разу, а ємність — вчетверо? (1 балл).

5. Коливальний контур складається з конденсатора ємністю С=888 пФ і котушка индуктивностью L=2мГн. На яку частоту налаштований контур? (1 б). Обчислити частоту власних коливань в контурі, якщо його индуктивность дорівнює 12мГн, ємність — 0,88мкФ, а опір контуру одно нулю. (1 балл).

6. Коливальний контур складається з конденсатора ємністю С=25нФ і котушки индуктивностью L=1,014Гн. Обкладки конденсатора мають заряд q=2,5мкКл.

Написати рівняння зміни різниці потенціалів на обкладках конденсатора і струму у ланцюги з числовими коефіцієнтами. Знайти різницю потенціалів на обкладках конденсатора і струм у ланцюги в моменти часу Т/8,.

Т/4, Т/2. Побудувати графіки знайдених залежностей у межах періоду. (2 балла).

———————————- [1] Комп’ютерні (інформаційні) технології навчання — сукупність коштів, прийомів і методів застосування комп’ютерна техніка під час навчання. [2] Дане поурочне планування запропоновано Н. В. Усовой у її посібнику «Методика вивчення фізики в 9−10 классах».

———————————;

t.

Q ,і, E.

Io.

Eo.

Qo.

Q0.

I0.

E0.

[pic].