Программа элективного курса «Виртуальные эксперименты в курсе физики 11 класса»
элективный курс по физике (11 класс) по теме

Муниципальное общеобразовательное учреждение
«Лицей г.Козьмодемьянска»

Программа элективного курса
«Виртуальные эксперименты
в курсе физики 11 класса»

(34 ч)

Яшина Евгения Владимировна,
учитель физики и информатики
МОУ «Лицей г.Козьмодемьянска»

Козьмодемьянск
2014

Пояснительная записка

Данный курс предназначен для учащихся 11 классов общеобразовательных учреждений как гуманитарного, так и физико-математического профиля. Он является логическим продолжением курса «Виртуальные эксперименты в курсе физики 10 класса». Данный курс предназначен для учащихся, желающих приобрести опыт самостоятельного применения знаний по физике на практике при проведении экспериментов, т.е. носит предметно-ориентированный характер. В курсе даются сведения о методах физических измерений, полезные не только будущим физикам или инженерам, но и каждому человеку в его повседневной практической жизни. Курс построен с опорой на знания и умения учащихся, приобретенные на уроках, дает возможность более глубоко познакомиться с методами моделирования физических процессов, приобрести навыки обработки и анализа полученных результатов. Применение компьютерного моделирования позволит учащимся выполнять исследования с помощью компьютера, значительно расширив их представления о возможностях и границах компьютерного эксперимента.

Физика, как никакой другой школьный предмет, позволяет использовать исследовательские методы, как на уроке, так и во внеурочной деятельности ребят. И, хотя физика – наука экспериментальная, некоторые из экспериментов невозможно провести по следующим причинам:

• слабая оснащенность школы приборами;
• пассивность наблюдений (невозможность вмешаться в ход физического процесса);
• явления микромира;
• быстрота протекания процесса;
• некоторые проводимые эксперименты не обеспечивают достаточной точности результата или их вообще невозможно провести в режиме реального времени

Выходом из сложившегося противоречия является использование готовых электронных учебных изданий. Особый интерес в них представляют интерактивные модели, позволяющие провести изучение явлений, которые не могут демонстрироваться в условиях физического эксперимента. Кроме того, на компьютере можно менять условия протекания процессов (хотя и по ограниченному ряду параметров). Компьютерное моделирование позволяет получать наглядные динамические иллюстрации физических экспериментов и явлений, воспроизводить их детали, которые часто ускользают при наблюдении реальных явлений и экспериментов. При использовании моделей компьютер предоставляет уникальную возможность увидеть не реальное явление природы, а его упрощённую модель. При этом можно поэтапно включать в рассмотрение дополнительные факторы, которые постепенно усложняют модель и приближают ее к реальному физическому явлению. Кроме того, компьютерное моделирование позволяет варьировать временной масштаб событий, а также моделировать ситуации, нереализуемые в физических экспериментах.

Естественно, использование компьютера на уроках оправдано лишь в тех случаях, когда он обеспечивает существенное преимущество по сравнению с традиционными фронтальными опытами или лабораторными работами. Поэтому для данного элективного курса отобраны только такие виртуальные эксперименты.

В работе использовалось электронное издание «Физика, 7-11 классы», разработанное компанией ФИЗИКОН при содействии НФПК.

Целью курса является предоставление учащимся возможности удовлетворить индивидуальный интерес к изучению практических приложений физики в процессе познавательной и творческой деятельности при проведении самостоятельных экспериментов и исследований.

Основные задачи курса: дать представление о месте эксперимента в рамках научного познания мира, соотношении теории и эксперимента; научить планировать и выполнять эксперимент; сформировать у учащихся научное мировоззрение; способствовать их нравственному и эстетическому воспитанию.

При этом основными формами обучения должны стать практические занятия по выполнению лабораторных работ и решению задач.

При выполнении лабораторных работ с компьютерными моделями организуется исследовательская деятельность по экспериментальному установлению зависимостей между величинами. Учащиеся осуществляют все этапы этой деятельности: от постановки задачи, выдвижения гипотезы или гипотез, планирования эксперимента, наблюдений и измерений, фиксации результатов эксперимента до анализа результатов эксперимента и выводов. При этом в зависимости от владения учащимися исследовательским методом степень самостоятельности при ее осуществлении и характер помощи со стороны учителя могут быть различными.

Ожидаемые результаты

После изучения курса учащиеся должны:

знать (на уровне воспроизведения) имена ученых, поставивших изученные фундаментальные опыты, основные научные достижения;

понимать роль экспериментов в развитии физики; их место в структуре физического знания; цель, схему, результат и значение конкретных выполненных опытов;

уметь выполнять определенные программой исследования с использованием компьютерных моделей; работать со средствами информации (осуществлять поиск и отбор информации, конспектировать ее, осуществлять ее реферирование); выступать с сообщениями и докладами; участвовать в дискуссии.

Элективные занятия по данной программе проводятся для удовлетворения индивидуального интереса учащихся к изучению практических приложений. Поэтому нет нужды систематически контролировать и оценивать знания учащихся. Однако следует отмечать их достижения и тем самым поощрять к дальнейшим занятиям. Кроме того, желание понять, разобраться в сущности явлений неминуемо потребует дополнительных знаний, подтолкнет к самообразованию и станет весомым стимулирующим фактором. Особенностям элективных занятий наиболее соответствует зачетная форма оценки достижений учащихся. Зачет по выполненной лабораторной работе целесообразно выставлять по письменному отчету, в котором кратко описаны условия эксперимента, в систематизированном виде представлены результаты измерений и сделаны выводы.

Содержание курса

1. Виртуальные эксперименты в электродинамике (10 часов)

1. Теоретические основы электродинамики.
2. Построение силовых линий (работа 3.4). Данная модель позволяет построить силовые линии электростатического поля двух точечных зарядов, варьируя не только абсолютные значения зарядов, но и их знаки.
3. Движение в электрическом поле (работа 3.5). Предлагается подобрать характеристики однородного электростатического поля таким образом, чтобы получить траекторию движения заряженной частицы заданной формы.
4. Взаимодействие параллельных токов (работа 3.9).Компьютерная модель является иллюстрацией эксперимента по магнитному взаимодействию параллельных токов. Этот эксперимент положен в основу определения ампера (A) – единицы силы тока в системе СИ. Можно изменять силы токов, текущих в параллельных проводниках, а также расстояние между ними. На дисплее высвечиваются значения индукции магнитного поля и сил Ампера, действующих на единицу длины каждого из проводников.
5. Магнитное поле кругового витка с током (работа 3.10).Магнитное поле кругового тока имеет сложную структуру. Сравнительно просто оно рассчитывается с помощью закона Био–Савара только для точек, лежащих на оси витка. Компьютерная модель иллюстрирует структуру магнитного поля кругового тока и позволяет количественно измерять магнитное поле на оси, в зависимости от силы тока и расстояния до плоскости витка.
6. Магнитное поле соленоида (работа 3.11).Компьютерная модель демонстрирует структуру магнитного поля соленоида и позволяет производить измерения индукции магнитного поля в различных точках на оси катушки, изменяя силу тока в катушке, число витков и её диаметр.
7. Электроны в магнитном поле (работа 3.12). Модель позволяет построить траектории движения электронов в однородном магнитном поле в зависимости от их скоростей. Таким образом можно исследовать способ сортировки электронов по их кинетическим энергиям.
8. Генератор переменного тока (работа 3.13).В компьютерной модели можно изменять индукцию магнитного поля B, частоту вращения рамки f и ее площадь S. На экране дисплея можно наблюдать периодические изменения магнитного потока Φ и ЭДС индукции инд(t).
9. Свободные колебания в RLC контуре (работа 3.16).Модель предназначена для изучения свободных колебаний в последовательном RLC-контуре при различных значениях параметров. В идеальном контуре без потерь (R=0) свободные незатухающие колебания происходят c постоянной частотой. При наличии потерь (R≠0) в контуре свободные колебания становятся затухающими. Амплитуда колебаний уменьшается во времени по экспоненциальному закону. Время, за которое амплитуда колебаний уменьшается в e=2,7 раза, называется временем затухания. Оно равно τ=2L/R. В компьютерной модели можно изменять величины R, L и C, а также первоначальный заряд конденсатора Q0. На дисплее высвечиваются графики Q(t) и тока I(t).
10. Вынужденные колебания в RLC контуре (работа 3.17). Вынужденные колебания всегда происходят на частоте ω внешнего источника. Если внешнее переменное напряжение включено в RLC контур, то амплитуда вынужденных колебаний тока или напряжения на элементах цепи сильно зависит от соотношения между частотой ω генератора и собственной частотой ω0. При ω=ω0 наступает резонанс. При резонансе амплитуды напряжений на конденсаторе (UC) и катушке индуктивности (UL) становятся максимальными. График зависимости отношения (UC/U) или (UL/U) называется резонансной кривой. «Острота» резонансной кривой сильно зависит от энергетических потерь в контуре. При увеличении активного сопротивления контура резонансная кривая становится менее «острой». В компьютерной модели можно изменять параметры RLC контура, а также частоту ω внешнего источника. При изменении параметров на дисплее высвечивается новая резонансная кривая, на которой точкой отмечается результат компьютерного эксперимента. Одновременно высвечивается векторная диаграмма, на которой с помощью векторов изображаются колебания тока и напряжений на элементах цепи.

2. Виртуальные эксперименты в оптике (13 часов)

1. Теоретические основы оптики геометрической и волновой.
2. Полное внутреннее отражение (работа 4.5). В работе предлагается исследовать зависимость картины распространения светового пучка через границу раздела сред при изменении показателя преломления верхней среды: воды (n=1,33), стекла (n=1,52), алмаза (n=2,42).
3. Построение хода лучей в собирающей линзе (работа 4.12). В модели используется тонкая линза, фокусное расстояние которой можно изменять в пределах 50-300мм. Предлагается построить изображения при различных положениях предмета относительно линзы, ответить на вопросы и сформулировать выводы.
4. Демонстрация побочных фокусов в фокальной плоскости (работа 4.13). В данной работе предлагается использовать модель тонкой линзы из предыдущей работы.
5. Построение хода лучей в рассеивающей линзе (работа 4.14). Предлагается провести исследование и ответить на вопросы: как влияет на ход лучей изменение фокусного расстояния линзы; как изменяется величина угла преломления лучей при увеличении (уменьшении) фокусного расстояния линзы; какими свойствами обладают лучи, испытавшие преломление в рассеивающей линзе.
6. Построение изображения протяженного источника света в рассеивающей линзе (работа 4.15). Строится изображение протяженного источника света в рассеивающей линзе при различных значения фокусного расстояния. Выполнив исследование, необходимо ответить на вопросы: как влияет на ход лучей изменение фокусного расстояния линзы; как изменяется величина угла преломления лучей при увеличении (уменьшении) фокусного расстояния линзы; как изменяются размеры изображения протяженного источника света.
7. Система из двух линз (работа 4.17). Во многих оптических приборах свет последовательно проходит через две или несколько линз. Изображение предмета, даваемое первой линзой, служит предметом (действительным или мнимым) для второй линзы, которая строит второе изображение и т.д. В компьютерной модели можно изменять положение обеих линз относительно предмета либо с помощью соответствующих датчиков, либо непосредственно с помощью мыши. В широких пределах можно изменять оптические силы обеих линз. Компьютер вычисляет положения первого и второго изображений и определяет линейные увеличения системы из двух линз и каждой линзы в отдельности. Точечный предмет располагается на общей оптической оси линз. На дисплее высвечивается ход двух произвольных лучей от предмета, испытывающих преломление в обеих линзах.
8. Кольца Ньютона (работа 4.19). 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. Компьютерный эксперимент является аналогом интерференционного опята Ньютона. Можно изменять длину волны λ света и радиус кривизны R поверхности линзы. На экране возникает в увеличенном масштабе картина колец Ньютона и высвечивается значение радиуса r1 первого темного кольца.
9. Интерференционный опыт Юнга (работа 4.20). В опыте Юнга свет от источника проходит через две близко расположенные щели. Световые пучки, расширяясь из-за дифракции, падают на удаленный экран. В области перекрытия световых пучков возникают интерференционные полосы. Компьютерная модель является аналогом интерференционного опыта Юнга. Можно изменять длину световой волны λ и расстояние между щелями d. На дисплее возникает в увеличенном масштабе интерференционная картина и распределение интенсивности на экране. В нижнем окне высвечиваются значения угла ψ сходимости лучей на экране и ширина интерференционных полос.
10. Дифракция света (работа 4.21). Модель является компьютерным экспериментом, позволяющим продемонстрировать качественный характер дифракционных картин, возникающих на удаленном экране при дифракции света на круглых (шарик, круглое отверстие в непрозрачном экране), а так же на линейных препятствиях (щель, длинная нить). Можно изменять длину волны λ (цвет) падающего света и размер препятствия – радиус R шарика или круглого отверстия, ширину d щели или толщину нити.
11. Дифракционный предел разрешения (работа 4.22). Если свет от удаленного точечного источника проходит через отверстие в непрозрачном экране, то вследствие дифракции пучок испытывает дифракционное расширение. В фокальной плоскости линзы, поставленной за экраном, изображение источника окажется размытым из-за дифракции. Дифракционный характер изображений ограничивает возможности оптических инструментов. Компьютерная программа предназначена для изучения влияния дифракции на предел разрешения объектива зрительной трубы (телескопа). Модель является компьютерным аналогом опыта по наблюдению двух близких точечных источников с помощью небольшой зрительной трубы. Можно изменять длину волны λ, диаметр D открытой части объектива (диафрагментирование) и угловое расстояние ψ между двумя источниками света. Компьютер воспроизводит на экране наблюдаемые дифракционные изображения источников и распределение интенсивности света в дифракционных изображениях.
12. Дифракционная решетка (работа 4.23). В компьютерной модели можно изменять период решетки d и длину световой волны λ (цвет). Можно выбирать номер m с помощью кликанья мышью на выбранный главный максимум. На дисплее высвечивается координата ym выбранного максимума на экране, расположенном в фокальной плоскости линзы.
13. Поляризация света (работа 4.24). Компьютерная модель является кинематическим аналогом эллиптически поляризованного света. На экране дисплея воспроизводится сложение двух взаимно перпендикулярно поляризованных волн Ex и Ey одной и той же длины волны и образование эллиптически поляризованной волны. Можно изменять соотношения амплитуд Ex/Ey, длину волны λ и фазовый сдвиг δφ между колебаниями Ex и Ey.

3. Виртуальные эксперименты, иллюстрирующие следствия из постулатов СТО (3 часа)

1. Постулаты теории относительности. Некоторые следствия из постулатов.
2. Относительность промежутков времени (работа 6.1). Компьютерная модель 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. В левой части экрана воспроизводится эксперимент по измерению времени распространения светового импульса туда и обратно на неподвижной базе l=1км. Событие 1 – (световая вспышка) и событие 2 – (возвращение светового импульса) происходят в одной точке системы отсчета. Поэтому часы измеряют собственное время τ0=2l/c. В правой части этот эксперимент рассматривается с точки зрения наблюдателя, который движется с некоторой скоростью υ перпендикулярно базе. События 1 и 2 в системе отсчета этого наблюдателя происходят в пространственно разобщенных точках. Время τ=2L/c, измеренное по синхронизованным часам этой системы, окажется больше собственного времени τ0. В компьютерной модели можно изменять величину γ, которая связана со скоростью υ соотношением:
3. Относительность расстояний (работа 6.2). Компьютерная программа моделирует эксперимент по измерению длины твердого стержня двумя наблюдателями, находящимися в различных инерциальных системах. Один из наблюдателей неподвижен по отношению к стержню, другой движется с некоторой скоростью υ вдоль стержня. Эксперимент состоит в измерении времени распространения светового импульса от одного конца стержня до другого и обратно. Событие 1 – короткая световая вспышка на одном конце стержня событие 2 – возвращение светового импульса к лампе. В собственной системе отсчета интервал времени между этими событиями равен τ0. В движущейся системе отсчета интервал времени между этими событиями равен τ. В компьютерном эксперименте можно изменять относительную скорость систем отсчета. В верхней части экрана воспроизводится эксперимент по измерению собственного времени τ0 между событиями в системе, в которой стержень неподвижен. В нижней части экрана этот же эксперимент выполняет наблюдатель в движущейся по отношению к стержню системе отсчета. Результаты измерений промежутков времени τ0 и τ высвечиваются на часах в обеих системах отсчета.

4. Виртуальные эксперименты в квантовой и ядерной физике (3 часа)

1. Теоретические основы квантовой и ядерной физики.
2. Фотоэффект (работа 5.2). Модель является компьютерным экспериментом по исследованию закономерностей внешнего фотоэффекта. Можно изменять значение напряжения U между анодом и катодом фотоэлемента и его знак, длину волны λ в диапазоне видимого света и мощность светового потока P (Приложение). В эксперименте ученики могут: определить:  красную границу фотоэффекта и рассчитать работу выхода материала фотокатода; выяснить, от каких параметров зависит сила тока насыщения; измерить запирающий потенциал Uз для различных длин волн.
3. Комптоновское рассеяние (работа 5.3). Явление Комптона состоит в изменении длины волны рентгеновских лучей при их рассеянии на электронах, входящих в состав легких атомов. В спектре рассеянного излучения наряду со смещенной спектральной линией с длиной волны λ наблюдается и несмещенная спектральная линия с длиной волны λ0. Наличие несмещенной линии объясняется тем, что часть фотонов рассеивается на электронах, сильно связанных с атомами. Явление Комптона является ярким подтверждением квантовой теории. При выполнении компьютерного эксперимента можно изменять длину волны λ0 падающего излучения и угол θ рассеяния фотона. На экран дисплея выводится график зависимости интенсивности I рассеянного излучения от длины волны при заданном угле рассеяния. На дисплее высвечиваются также значения длины волны λ центра смещенной линии и импульс отдачи электрона pe. В правом верхнем окне строится диаграмма импульсов.
4. Циклотрон (работа 5.5). В работе используется модель циклотрона, которая демонстрирует механизм ускорения заряженных частиц. Строится график зависимости кинетической энергии частиц от времени, который позволяет оценить скорость, приобретенную частицей.
5. Масс-спектрометр (работа 5.6). Модель позволяет продемонстрировать работу масс-спектрометра. При заданных значения напряженности ускоряющего электрического поля и индукции магнитного поля можно изменять массу частицы, ее скорость и заряд. Также имеется возможность измерить радиус криволинейной траектории и проверить на опыте соотношение .
6. Дифракция электронов (работа 5.7). В компьютерной модели можно изменять период решетки d и скорость электронов υ, которая определяет длину волны λ де Бройля. В правой части экрана возникает усредненное за длительное время распределение числа электронов, попадающих в разные точки фотопластинки. Это распределение совпадает с кривой распределения интенсивности света при дифракции на одномерной решетке. В центре экрана моделируется вероятностный процесс попадания отдельных электронов на фотопластинку.
7. Постулаты Бора (работа 5.9). Компьютерная модель является иллюстрацией постулатов Бора в применении к круговым орбитам атома водорода. Модель позволяет исследовать переходы между несколькими низшими орбитами атома водорода, сопровождающиеся излучением или поглощением фотона определенной частоты или длины волны. Указываются длины волн соответствующих переходов. Некоторые спектральные линии, расположенные в диапазоне видимого света, изображены цветными полосками. Ультрафиолетовые линии условно изображены синими полосками, линии инфракрасной части спектра – красными полосками. В правом верхнем углу экрана изображена схема энергетических уровней атома водорода, на которой стрелками изображаются переходы между уровнями энергии, то есть переходы между стационарными орбитами.
8. Энергия связи ядер (работа 5.12). Компьютерная модель позволяет воссоздавать ядра изотопов любых химических элементов с различными массовыми числами. При команде «Старт» ядра стабильных изотопов остаются на экране в виде некоторых компактных образований, а нестабильные ядра распадаются. Таким путем можно определить число стабильных изотопов любого химического элемента. Ядра стабильных изотопов изображаются точкой с координатами Z, N в полосе стабильных изотопов. Кроме того высвечивается точка на графике зависимости удельной энергии связи (Eсв)уд от массового числа A.

Некоторые из предложенных моделей уже снабжены подробным описанием работы с перечисленными вопросами и заданиями, но не все. Целесообразно снабдить все лабораторные работы специальным раздаточным материалом. Образец представлен в приложении.

В заключение хочется отметить, что разумеется, компьютерная лаборатория не может заменить настоящую физическую лабораторию. Тем не менее, при выполнении компьютерных лабораторных работ у школьников формируются навыки, которые пригодятся им и для реальных экспериментов – выбор условий экспериментов, установка параметров опытов и т.д. Все это стимулирует развитие творческого мышления учащихся, повышает их интерес к физике.

Приложение

Лабораторная работа 5.2

«Изучение законов внешнего фотоэффекта»

1. Изучите рабочее окно компьютерной модели:

2. Проведите компьютерный эксперимент и определите красную границу (λкр) вещества катода, используемого в модели :
3. Изменится ли её значение при увеличении мощности светового потока P?
4. Выясните, от каких параметров зависит сила тока насыщения (горизонтальный участок ВАХ):

1. установите начальное значение λ=400 нм
2. увеличивая, а затем, уменьшая  λ, наблюдайте за значением Iнас
3. увеличивая, а затем, уменьшая  мощность светового потока P, наблюдайте за значением Iнас
4. сделайте вывод, от чего зависит или не зависит Iнас

5. О величине максимальной кинетической энергии фотоэлектронов можно судить по величине запирающего напряжения. Проведите компьютерный эксперимент и определите запирающее напряжение при облучении светом различной длины волны (постепенно уменьшайте напряжение до тех пор, пока сила тока не станет равной 0), результаты внесите в таблицу и сделайте вывод:

6. Используя формулу Эйнштейна и полученные при измерениях данные, проверьте точность эксперимента:

, где  ; ;