Виртуальные лабораторные работы по физике

На первый план в современном процессе обучения выходит формирование умения ориентироваться растущем потоке информации, умение рационально отбирать необходимое, самостоятельно выстраивать индивидуальную траекторию обучения. В рамках школы это возможно только в результате создания единого информационного пространства и максимальной компьютеризации учебного процесса.

Одной из форм работы в рамках новых информационных технологий является работа с электронными учебными пособиями, в том числе использование на уроках компьютерных моделей физических экспериментов.

Модели можно использовать для объяснения нового материала, домашней работы, решения экспериментальных задач, а также для проведения виртуальных лабораторных работ. Для разработок виртуальных работ мы используем пакет программ «Открытая физика – 2. 5» ООО «Физикон». Авторы электронного пособия предлагают решение ряда экспериментальных задач, сравнивая теоретический расчет с результатом, представленным на модели эксперимента.

Работы, которые мы предлагаем учащимся и педагогам, по своей структуре близки к традиционным школьным лабораторным работам: выполнение эксперимента (в нашем случае – с помощью модели), теоретический расчет, построение графиков, оценка погрешностей, вывод о совпадении с физической теорией»

Создание лабораторных работ возможно на любой модели, где на шкалах или таблично представляются численные значения физических величин, изменяющихся в модели.

Виртуальные лабораторные работы имеют целый ряд преимуществ: существует возможность непосредственно наблюдать, исследовать, экспериментально проверять правильность теоретических предположений, что значительно увеличивает эффективность урока. Можно осуществить эксперимент, который в обычных условиях невозможен (например, если процесс долговременный или требующий специальных установок), можно попробовать экспериментировать и с «эффектом Доплера», и проводить космические эксперименты. Предлагается широкий диапазон для варьирования физических величин, зависимости которых изучаются в данной модели. При этом каждый ученик может быть свободен в выборе значений физических величин, что в реальной лабораторной работе трудно достичь.

Результаты измерений получаются «идеальными», и их подстановка в теоретические законы позволяет получать точные закономерности. Однако мы нашли способ оценки и расчета погрешностей компьютерного эксперимента, построения графиков зависимости физических величин с учетом этих погрешностей. За погрешность компьютерного эксперимента можно взять либо половину цены деления шкалы, представленной на модели, либо половину от последней значащей цифры в переменной величине. Дальнейший расчет ведется по всем знакомым правилам: считаем относительную погрешность (если у нас косвенное измерение), затем абсолютную, представляем результат в виде интервала и т. д. Пример учета погрешностей при построении графиков приведен в лабораторной работе «Изучение закона Ома для участка цепи».

Виртуальные работы имеют один существенный недостаток: они не дают возможности развивать практические навыки учащихся по измерению физических величин, использованию измерительных инструментов, не обучают методике проведения физических опытов и экспериментов. Поэтому нецелесообразно полностью отказываться от реальных работ в пользу виртуальных. На начальном этапе обучения физике (7-9 классы) большую пользу имеют реальные работы, т. к. у подростков более развита предметная деятельность, чем наглядно-образное мышление. А вот в старших классах (10-11), когда обучение учащихся основано на теоретическом уровне обобщения, можно использовать компьютерные модели, развивающие логику и мышление учащихся.

Данная коллективная работа уже была успешно апробирована учащимися физико-математического класса нашей школы и может быть использована для домашних, демонстрационных (с использованием мультимедийного проектора) и фронтальных лабораторных работ (если позволяет техника).

Мы представляем лабораторные работы по разным темам физики в качестве примера моделирования таких работ, а также прилагаем список моделей, при помощи которых можно предложить учащимся самостоятельно сформулировать задание и проделать виртуальную лабораторную работу. Звездочкой «*» отмечены работы повышенной сложности.

Описание лабораторных работ.

Изучение закона Ома для участка цепи

В соответствии с законом Ома сила тока через металлический проводник (резистор) прямо пропорциональна напряжению между его концами. При экспериментальном изучении зависимостей между величинами целесообразно пользоваться построением графиков.

При графической иллюстрации результат совместных измерений двух величин x и y изображается не просто точкой, а прямоугольниками, включающими погрешность измерений. Именно численные значения xoyo измеряемых величин являются координатами центра этого прямоугольника, а длина его сторон в 2 раза больше погрешности измерений.

Отсюда следует правило построения графика по точкам, координаты которых получены в результате эксперимента: линия проводится так, что одинаковое число точек оказываются по разные стороны от нее. На рисунке показан пример такого графика.

Цель работы: виртуально-экспериментальная проверка закона Ома для участка цепи.

Приборы и материалы: «Открытая физика 2. 5 часть 2», модель «Цепи постоянного тока».

Задание 1. Построение графика зависимости силы тока от напряжения

1. Соберите электрическую цепь в соответствии со схемой, изображенной на рисунке.

2. Регулирование силы тока и сопротивления в цепи производится одним щелчком с помощью функции.

3. Проведите совместные измерения силы тока и напряжения при постепенном увеличении этих величин.

4. Результаты измерений занесите в таблицу.

Номер Сила тока Погрешность Напряжение Погрешность измерения I, А I, А ∆U, В ∆U, В

5. По результатам измерений постройте график зависимости силы тока от напряжения.

6. Сделайте вывод о характере этой функции.

Задание 2. Вычисление сопротивления резистора

Пользуясь одним из результатов измерений, рассчитайте погрешность сопротивления резистора, учитывая то, что относительная погрешность равна сумме относительных погрешностей силы тока и напряжения:

εR = εI + εU или ∆R = ∆I + ∆U

*Изучение зависимости полезной мощности цепи от сопротивления нагрузки

При передаче электрической энергии важно доставить потребителю максимальную мощность и снизить потери в подводящих проводах.

Цель работы: выяснение зависимости максимальной мощности от сопротивления проводов и источника тока.

Приборы и материалы: «Открытая физика 2. 5 часть 2», модель «Цепи постоянного тока».

Задание. Построение графика зависимости полезной мощности от сопротивления нагрузки

1. Соберите электрическую цепь в соответствии со схемой, изображенной на рисунке

(R - сопротивление нагрузки, r - сопротивление источника тока и подводящих проводов,

ξ – ЭДС источника тока).

2. Регулирование ЭДС и сопротивлений в цепи производится одним щелчком с помощью функции.

3. Проведите измерения силы тока на нагрузке и при постепенном увеличении её сопротивления.

4. Результаты измерений занесите в таблицу и произведите расчёт полезной мощности:

Номер Сопротивление R,Сопротивление r,Погрешность Сила тока Погрешность ЭДС Погрешность Мощность измеренОм Ом R, r, Ом I, А I, А ξ, В ξ, В P, Вт ия

3. Построить график

4. Рассчитать погрешности с учетом цены деления.

4. Сделать вывод.

Кольца Ньютона

Цель работы: выяснение зависимости радиуса первого кольца от радиуса кривизны выпуклой поверхности линзы.

Теория : Интерференционная картина, возникающая при отражении света от двух поверхностей воздушного зазора между плоской стеклянной пластинкой и наложенной на нее плоско-выпуклой линзой большого радиуса кривизны, называется кольцами Ньютона. Радиусы колец Ньютона зависят от длины волны λ падающего света и радиуса кривизны R выпуклой поверхности линзы. В центре картины всегда наблюдается темное пятно. Радиус rm m-го темного кольца равен где r1 – радиус первого темного кольца. Измеряя на опыте радиусы темных колец можно определить радиус кривизны R поверхности линзы по известному значению длины волны λ.

Расчетные формулы: ;.

Приборы и материалы: диск «Открытая физика 2. 5 часть 2», модель № 3. 9;

Задание: 1. откройте модель «Кольца Ньютона».

2. Выясните радиус первого темного пятна для желтого цвета (λ=600) и для разной кривизны выпуклой поверхности линзы.

Затем заполните данную таблицу:

№ опыта Радиус кривизны выпуклой поверхности Радиус темного 1-ого кольца

3. Рассчитайте абсолютную и относительную погрешности измерений и постройте график зависимости радиуса первого темного кольца от радиуса кривизны выпуклой поверхности линзы с учетом полученных погрешностей.

4. Для проверки точности измерений компьютера вы можете найти значение радиуса первого темного кольца по расчетным формулам, найти погрешность и сделать вывод: попадает или нет значение в полученный мной интервал.

Сравнение действующей силы с изменением импульса тела

Цель работы: Сравнение изменения импульса тела с импульсом силы.

Формулы :

Пусть на тело массой m в течение некоторого малого промежутка времени действовала сила. Под действием этой силы скорость тела изменилась на. Следовательно, в течение времени тело двигалось с ускорением

Из основного закона динамики (второго закона Ньютона) следует:

,откуда

Ход работы:

1. Модель предназначена для иллюстрации понятий импульса тела mv 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.

Модель № 1 Модель № 2

2. Из модели выбрать необходимые данные: F,v, m, t

№ модели F(H) v() m(кг) t(с)

3. Сделать вывод.

*Изучение фотоэффекта.

Цель работы: теоретическое изучение законов фотоэффекта.

Приборы и материалы:

Данная модель представлена из программы «открытая физика 2. 5 часть 2

Ход работы:

1. Изучить зависимости скорости фотоэлектронов(или их кинетической энергии) от длины световой волны в диапазоне видимого света. Вывести математическую зависимость и построить график для железа и натрия (или общий случай).

2. Вычислить кинетическую энергию фотоэлектронов натрия, при синем свете с длиной волны 0,44 мкм.

*Эффект Доплера

Если источник звука и наблюдатель движутся относительно друг друга, частота звука, воспринятого наблюдателем, не совпадает c частотой источника звука. Это явление носит название эффекта Доплера.

В простейшем случае скорости источника (vs[1]) и наблюдателя (vL) относительно воздуха направлены вдоль прямой, которая их соединяет. За положительное направление для vs и vL можно принять направление от наблюдателя к источнику. Скорость звука v всегда считается положительной.

1. Случай движущегося наблюдателя:(=; fL==fs

2. Случай движущегося источника:(=; fL= = fs

3. Общий случай:fL=fs

Это соотношение выражает связь между fL и fs[2]. Скорости vL и vs всегда измеряются относительно воздуха или другой среды, в которой распространяются звуковые волны. Это так называемый нерелятивистский Доплер-эффект.

В случае электромагнитных волн в пустоте, например, световых или радиоволн, среда распространения отсутствует и можно рассматривать только относительную скорость v источника и наблюдателя. Выражение для релятивистского Доплер - эффекта имеет вид: fL=,где c - скорость света в пустоте.

Изучение Эффекта Доплера.

Приборы: Модель из открытой физики 2. 5, часть 2 «Доплер эффект».

Цель данной работы заключается в том, чтобы экспериментально и при помощи своего воображения понять, что же такое Доплер Эффект, а также проследить изменение частоты звука, воспринятого наблюдателем от различных величин.

Задание №1.

Изучение зависимости частота звука, воспринятого наблюдателем от скорости наблюдателя.

Для выполнения задания нам нужно построить график зависимости, ось «Х» возьмём скорость наблюдателя, а ось «У» частоту звука, воспринятого наблюдателем, для удобства 0 на оси У будет равен 10000,0 Гц. fs будет равно 10000,0 Гц, а Vs будет равно 2. 0 м/с и эти величины будут постоянны.

Затем построить график и оформить вывод.

Задание №2.

Нахождение частоты звука, воспринятого наблюдателем.

Данные берём из задания №1 , кроме скорости наблюдателя, допустим она равна 3. 0 м/с. Оформить и описать решение.

Выполнение лабораторных работ

Изучение закона Ома для участка цепи.

1. Цель работы: экспериментальная проверка закона Ома для участка цепи.

2. Приборы и материалы: «Открытая физика 2. 5 часть 2», модель «Цепи постоянного тока».

Номер измерения Сила тока Погрешность Напряжение Погрешность

I, А I, А U, B U, B

1 4,99 0,01 4,99 0,01

2 5,49 0,01 5,49 0,01

3 5,99 0,01 5,99 0,01

4 6,49 0,01 6,49 0,01

3. График:

I 4,99 5,49 5,99 6,49

U 4,99 5,49 5,99 6,49

4. Вывод: сила тока прямо пропорциональна напряжению.

5. Погрешность:

R = (1,00 ± 0,01) Ом

*Изучение зависимости полезной мощности цепи от сопротивления нагрузки

1. Цель работы: выяснение зависимости максимальной мощности от сопротивления проводов и источника тока.

2. Приборы и материалы: «Открытая физика 2. 5 часть 2», модель «Цепи постоянного тока».

Номер СопротивлениеСопротивлениеПогрешность Сила тока Погрешность ЭДС Погрешность измерения R, Ом r, Ом R, r, Ом I, А I, А ξ, В ξ, В

P 2,56 3,54 3,90 4,00 3,96 3,84 3,73

4. Вывод: потребителю передаётся максимальная мощность, если сопротивление нагрузки равно суммарному сопротивлению источника тока и подводящих проводов.

Работа газа

1) Работа, совершенная газом, численно равна площади под графиком, значит в первом случае равна площади трапеции:, где и основания трапеции, высота трапеции(кв. ед).

2) Расчет погрешности:

3) , то есть изменение внутренней энергии зависит только от начальных и конечных параметров системы и не зависит от процессов, происходящих между этими состояниями.

Изучение явления полного внутреннего отражения

Приборы и материалы: «Открытая физика 1. 1».

Цель работы: исследовать зависимость предельного угла полного внутреннего отражения от относительного показателя преломления второй среды относительно первой(n).

Ход работы:

1)Таблица.

n 1. 1 1. 2

№1 50 0. 55

№2 60 0. 6

№3 70 0. 65

№4 80 0. 69

№5 90 0. 73

№6 100 0. 77

Погрешности: ∆r:r=∆R:R=0,1; ∆r=0,1*0,55=0,055=5,5%;

Сравнение действующей силы с изменением импульса тела

1) Полученные данные заносим в таблицу:

№ модели F(H) v() m(кг) t(с)

№1 3,0 3,0 3,0 3,0

№2 4,0 3,5 3,5 3,5

2) Рассчитаем импульс силы и изменение импульса тела

3) Рассчитаем погрешности

Погрешности:

К модели №1

1). (==+ == 0,07

( × p=8,70,07=0,6 p = (8,7(0,6)

2). ( = ==

( × p=8,70,07=0,6 p = (8,70,6)

К модели №2

1). ( = =+ =

( p=10,60,06=0,6 p = (10,6(0,6)

2). ( = = =

( p=10,60,06=0,6 p = (10,6(0,6)

Вывод: импульс силы равен изменению импульса тела с учетом погрешностей.

*Изучение фотоэффекта.

1. В силу того, что мы можем считать данную систему замкнутой и однородной для фотоэлектронов, мы записываем закон сохранения энергии:

от сюда выражаем.

, но так как , значит

Графиком такой функции является гипербола, но так как имеется корень и коэффициент то она прижата к своим асимптотам, и смещённая по оси Ох на. (Смещение по Оси Oy отсутствует)

2. В силу того, что мы можем считать данную систему замкнутой и однородной для фотоэлектронов, мы записываем закон сохранения энергии