Представление и кодирование информации в физике

                                         ЯМАЛО-НЕНЕЦКИЙ АВТОНОМНЫЙ ОКРУГ

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 Г. НОЯБРЬСК

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

 «Средняя общеобразовательная школа № 6»

муниципального образования город Ноябрьск

(МБОУ СОШ № 6)

Автор: Машинцова Дарья

Руководитель: учитель физики

Иоха Т.И.

Ноябрьск, 2012

Содержание

 1.Введение……………………………………………………………………………….3

2. Представление и кодирование информации…………………………….…………..4

2.1 Язык как знаковая система………………………………………………………….4

2.2. Кодирование информации………………………………………………………….5

2.3. Двоичное кодирование информации в компьютере………………………………6

2.4. . Представление числовой информации с помощью систем счисления…………7

3. Представление информации в физике……………………………………………….8

3.1. Разработка и решение сюжетных задач……………………………………………9

4. Заключение………………………………………………………………………...…12

5. Библиография……………………………………………………………………...…13

Введение

Актуальность темы

В быстром потоке информации и постоянно меняющемся мире необходимо знать способы представления информации, которые используются  в различных формах в процессе восприятия окружающей среды живыми организмами и человеком. Впервые приступая  к изучению физики, объективную трудность восприятия вызывает не только большое количество новой информации, но и появление новых объектов, посредством которых эта информация доводится до ученика, а также сочетания этих объектов друг с другом.

Овладение умениями по работе с информацией физического содержания проверяется в тесте ЕГЭ при использовании различных способов представления информации в текстах заданий или дистракторах (графики, таблицы, схемы и схематические рисунки).

Целью исследования является формирование знаний о представлении информации в различных формах на основе теоретических исследований.

Поставленная цель определяет выполнение следующих задач:

1. изучить и проанализировать современные способы представления и кодирования информации;
2. выделить особенности представления информации в физике;
3. рассмотреть примеры решения задач, используя различные способы представления информации.

Объектом исследования являются процессы представления и обмена  информацией

Предмет исследования  - способы представления  информации в физике.

Метод исследования, примененный при написании работы, можно охарактеризовать как теоретический метод, основанный на  анализе литературных источников, сравнении, обобщении, классификации исследуемого материала.

Гипотеза: если знать способы представления информации, то ее обработка и представление в разных формах упростит решение физических задач.

                                                             3

2.1. Язык как знаковая система

Информация (от лат. informatio, разъяснение, изложение, осведомленность) — общенаучное понятие, связанное с объективными свойствами материи и их отражением в человеческом сознании.

Для обмена информацией с другими людьми человек использует естественные языки (русский, английский, китайский и др.), то есть информация представляется с помощью естественных языков. В основе языка лежит алфавит, то есть набор символов (знаков), которые человек различает по их начертанию. В основе русского языка лежит кириллица, содержащая 33 знака, английский язык использует латиницу (26 знаков), китайский язык использует алфавит из десятков тысяч знаков (иероглифов)  Последовательности символов алфавита в соответствии с правилами грамматики образуют основные объекты языка - слова. Правила, согласно которым образуются предложения из слов данного языка, называются синтаксисом. Необходимо отметить, что в естественных языках грамматика и синтаксис языка формулируются с помощью большого количества правил, из которых существуют исключения, так как такие правила складывались исторически.

 Наряду с естественными языками были разработаны формальные языки (системы счисления, язык алгебры, языки программирования и др.). Основное отличие формальных языков от естественных состоит в наличии строгих правил грамматики и синтаксиса. Например, системы счисления можно рассматривать как формальные языки, имеющие алфавит (цифры) и позволяющие не только именовать и записывать объекты (числа), но и выполнять над ними арифметические операции по строго определенным правилам. Некоторые языки используют в качестве знаков не буквы и цифры, а другие символы, например химические формулы, ноты, изображения элементов электрических или логических схем, дорожные знаки, точки и тире (код азбуки Морзе) и др. Представление информации может осуществляться с помощью языков, которые являются знаковыми системами. Каждая знаковая система строится на основе определенного алфавита и правил выполнения операций над знаками. Знаки могут иметь различную физическую природу. Например, для представления информации с использованием языка в письменной форме используются знаки, которые являются изображениями на бумаге или других носителях, в устной речи в качестве знаков языка используются различные звуки (фонемы), а при обработке текста на компьютере знаки представляются в форме последовательностей электрических импульсов (компьютерных кодов).

4

2.2. Кодирование информации

Представление информации происходит в различных формах в процессе восприятия окружающей среды живыми организмами и человеком, в процессах обмена информацией между человеком и человеком, человеком и компьютером, компьютером и компьютером и так далее. Преобразование информации из одной формы представления (знаковой системы) в другую называется кодированием. Средством кодирования служит таблица соответствия знаковых систем, которая устанавливает взаимно однозначное соответствие между знаками или группами знаков двух различных знаковых систем. В процессе обмена информацией часто приходится производить операции кодирования и декодирования информации. При вводе знака алфавита в компьютер путем нажатия соответствующей клавиши на клавиатуре происходит кодирование знака, то есть преобразование его в компьютерный код. При выводе знака на экран монитора или принтер происходит обратный процесс - декодирование, когда из компьютерного кода знак преобразуется в его графическое изображение.

Рассмотрим в качестве примера кодирования соответствие цифрового и штрихового кодов товара. Такие коды имеются на каждом товаре и позволяют полностью идентифицировать товар (страну и фирму производителя, тип товара и др.). Знакам цифрового кода (цифрам) соответствуют группы знаков штрихового кода (узкие и широкие штрихи, а также размеры промежутков между ними) - рис. 1 Для человека удобен цифровой код, а для автоматизированного учета -штриховой код, который считывается с помощью узкого светового луча и подвергается последующей обработке в компьютерных бухгалтерских системах учета.

.

5

2.3. Двоичное кодирование информации в компьютере

В компьютере для представления информации используется двоичное кодирование, так как удалось создать надежно работающие технические устройства, которые могут со стопроцентной надежностью сохранять и распознавать не более двух различных состояний (цифр):

1. электромагнитные реле (замкнуто/разомкнуто), широко использовались в конструкциях первых ЭВМ;
2. участок поверхности магнитного носителя информации (намагничен/размагничен);
3. участок поверхности лазерного диска (отражает/не отражает);
4. триггер, может устойчиво находиться в одном из двух состояний, широко используется в оперативной памяти компьютера.

Все виды информации в компьютере кодируются на машинном языке, в виде логических последовательностей нулей и единиц - рис. 2.

Информация в компьютере представлена в двоичном коде, алфавит которого состоит из двух цифр (0 и 1). Цифры двоичного кода можно рассматривать как два равновероятных состояния (события). При записи двоичной цифры реализуется выбор одного из двух возможных состояний (одной из двух цифр) и, следовательно, она несет количество информации, равное 1 биту. Даже сама единица измерения количества информации бит (bit) получила свое название от английского словосочетания Binary digiT (двоичная цифра). Важно, что каждая цифра машинного двоичного кода несет информацию в 1 бит. Таким образом, две цифры несут информацию в 2 бита, три цифры - в 3 бита и так далее. Количество информации в битах равно количеству цифр двоичного машинного кода.

6

2.4. Представление числовой информации с помощью систем счисления

Для записи информации о количестве объектов используются числа. Числа записываются с использованием особых знаковых систем, которые называются системами счисления. Алфавит систем счисления состоит из символов, которые называются цифрами. Например, в десятичной системе счисления числа записываются с помощью десяти всем хорошо известных цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Все системы счисления делятся на две большие группы: позиционные и непозиционные системы счисления. В позиционных системах счисления значение цифры зависит от ее положения в числе, а в непозиционных — не зависит.

Римская непозиционная система счисления. Самой распространенной из непозиционных систем счисления является римская. В качестве цифр в ней используются: I (1), V (5), X (10), L (50), С (100), D (500), М (1000).
Значение цифры не зависит от ее положения в числе. Например, в числе XXX (30) цифра X встречается трижды и в каждом случае обозначает одну и ту же величину - число 10, три числа по 10 в сумме дают 30.

Позиционные системы счисления. Первая позиционная система счисления была придумана еще в Древнем Вавилоне, причем вавилонская нумерация была шестидесятеричной, то есть в ней использовалось шестьдесят цифр! Интересно, что до сих пор при измерении времени мы используем основание, равное 60 (в 1 минуте содержится 60 секунд, а в 1 часе - 60 минут). В XIX веке довольно широкое распространение получила двенадцатеричная система счисления. До сих пор мы часто употребляем дюжину (число 12): в сутках две дюжины часов, круг содержит тридцать дюжин градусов и так далее. В позиционных системах счисления количественное значение цифры зависит от ее позиции в числе.
Наиболее распространенными в настоящее время позиционными системами счисления являются десятичная, двоичная, восьмеричная и шестнадцатеричная. Каждая позиционная система имеет определенный алфавит цифр и основание.

        7

3. Представление информации в физике

Знакомые из уроков математики уравнения превращаются в физические формулы, которые несут в себе не только математическую, но и физическую информацию. Графики и таблицы так же наполняются физическим содержанием. Появляются физические величины, физические приборы, единицы измерения физических величин, с которыми учащиеся еще не работали. Физическим содержанием могут быть наполнены дополнительные тексты, которые читают учащиеся, а так же рисунки, схемы и иллюстрации. Текст условия задачи так же можно рассматривать как объект, несущий определенную информацию. От того, насколько правильно и полно ученик эту информацию воспринимает, зависит успешность обучения решению задач.

Объекты-носители информации: текст учебника, дополнительный текст, текст условия задачи, вопросы к тексту, справочники, физические величины, единицы измерения физических величин, числа, формулы, таблицы, графики, схемы, физические приборы, шкала прибора, модели, определения, физические законы.  На уроках задействованы сразу несколько объектов, несущих информацию и используются разные виды заданий для работы с ними. При выполнении домашнего задания ученики используют разнообразные формы и способы представления информации: словесное описание, таблица, графические способы и т.д. При решении задач ученики преобразовывают один вид информации в другой: текстовую запись в запись с помощью условных обозначений.  Основные типы задач по физике: текстовые задачи -  качественные и количественные текстовые задачи, простые и комбинированные задачи, графические и экспериментальные задачи. Способы решения традиционных задач хорошо известны: логический, математический, экспериментальный.

При подготовке к ЕГЭ и ГИА следует обратить внимание, что представленная информация в тестовой форме, содержит материал, который необходимо систематизировать по схеме: "явление - модель – законы». В Кодификаторе перечислены элементы содержания, которые проверяются на экзамене. В каждом разделе курса физики эти элементы содержания разбиты на подразделы. Наиболее важным видом деятельности с точки зрения успешного продолжения образования в вузе является решение задач. Порядка 40% максимального первичного балла отводится на решение задач повышенного и

высокого уровней сложности. Каждый вариант включает в себя задачи по всем

разделам разного уровня сложности, позволяющие проверить умение применять физические законы и формулы, как в типовых учебных ситуациях, так и в нетрадиционных ситуациях, требующих проявления достаточно высокой степени самостоятельности при комбинировании известных алгоритмов действий или создании собственного плана выполнения задания. В части 1 для обеспечения более доступного восприятия информации задания А1–А19 группируются исходя из тематической принадлежности заданий: механика, молекулярная физика, электродинамика, квантовая физика. В частях 2 и 3 задания группируются в зависимости от формы представления заданий и в соответствии с тематической принадлежностью. 5 заданий части 3 являются заданиями высокого уровня сложности и проверяют умение использовать законы и теории физики в

измененной или новой ситуации. Выполнение таких заданий требует применения знаний сразу из двух-трех разделов физики, т. е. высокого уровня подготовки.

Задания базового уровня представляют собой вопросы, требующие воспроизведения того или иного элемента содержания, или задачи на применение различных элементов содержания в данной ситуации. Задачи могут быть разбиты на три группы.

1. Задачи на применение элемента содержания, который нельзя раскрыть в виде формулы (Пример:при снижении температуры газа в запаянном сосуде давление газа уменьшается. Это уменьшение давления объясняется тем, что 1) уменьшается энергия теплового движения молекул газа; 2) уменьшается энергия взаимодействия молекул газа друг с другом; 3) уменьшается хаотичность движения молекул газа; 4) уменьшаются размеры молекул газа при его охлаждении).

2. Задачи  на расчет по формуле: (Пример: автомобиль массой 103 кг движется со скоростью 10м/с. Чему равна кинетическая энергия автомобиля? 1) 10 5 Дж; 2) 104 Дж; 3) 5*10 4 Дж; 4) 5*10 3 Дж;).

3. Задачи на сравнение однородных величин по формуле. (Пример: Период колебаний пружинного маятника 1 с. Каким будет период колебаний, если массу груза маятника и жесткость пружины увеличить в 4 раза? 1) 1 с; 2) 2 с; 3) 4 с; 4) 0,5 с).

Задания такого уровня  требуют качественного и количественного анализа с подсчетом тех или иных числовых характеристик процесса. Для решения количественных задач могут быть применены разные способы: алгебраический, геометрический, графический. Алгебраический способ решения задач заключается в применении формул и уравнений. При геометрическом способе используют теоремы геометрии, а при графическом - графики. Используя различные темы школьного курса, необходимо учиться  решать задачи на применение различных элементов содержания в данной ситуации.

Решая задачи повышенного и высокого уровней, требуется систематизация знаний о явлениях, обоснование выбора метода решения задачи, использование  законов в новой ситуации.

3.1. Разработка и решение сюжетных задач

Использование сюжетных задач по физике на примерах детских произведений, позволяет преобразовать  информацию из одного вида в  другой, формируя познавательный интерес к изучению предмета, навыки по работе с информацией физического содержания.

Разрабатывая задачи, содержащие сюжет, каждый составитель использует свои способы и приемы. Обозначим основные из них: выбирается стандартная задача по физике из любого учебника или задачника, придумывается сюжет на основе какого-либо детского произведения и осуществляется синтез данных задачи и сюжета. Качественной задачей может стать цитата из литературного произведения, в частности из стихов. Нередко текстовые задачи строятся на фантастическом сюжете. Также задачи с сюжетом составляются на основе различных бытовых, технических ситуаций. Задача может быть составлена на основе действия какого-либо механизма и его справочных характеристик. В основе сюжета задачи может лежать какое-либо природное явление.

Решение сюжетных задач

1. Лунтик бросал в воду камешки. Один из них он бросил дальше других. Камешек начал двигаться со скоростью 40 м/с. Через 4,5 секунды камень со скоростью 30 м/с упал в воду. Определить ускорение камня, если он пролетел 80м.

Дано: v1=40м/c; v2=30м/с  t=4.5c  S=80м.

Найти: a.

Решение:

S=(v12-v22)/2a;

a=(v12-v22)/2S=(1600-300)/160=8.125(м/с2);

Ответ: а=8.125(м/с2);

2. Дядя Федор и кот Матроскин купили трактор с кпд 20%. Сколько им понадобится топлива, чтобы трактор совершил работу 50 МДж, если известно, что он работает на топливе с удельной теплотой сгорания 42МДж/кг?

Дано: λ=42МДж/кг A=50Мдж ŋ=20%

m-?

Решение:

ŋ=Aполез/Аполн.

Аполез=Аполн*ŋ=50000000*0,2=10000000Дж

А=Q= λ*m; m=Q/ λ=10000000/42000000=0.238кг

Ответ: m=0.238кг

3. В известном детском стихотворении Корнея Чуковского «Тараканище», есть такие строки: «Ехали медведи на велосипеде. А за ними кот задом наперед. А за ним комарики на воздушном шарике. А за ними раки на хромой собаке. Волки на кобыле, львы на автомобиле. Зайчики в трамвайчике, жаба на метле.  Определите сопротивление провода трамвая, на котором ехали зайчики. Известно, что длина провода 6,5 км и сечение 0,5 см2.

Дано: L=6.5км; S=0.5cм2;

Найти R.

Решение:

R=p*l/S=1.7*6500/50=221 Ом.

Ответ: R=221 Ом.

11

Заключение

         На основе проведённых  теоретических исследований  можно сделать вывод, что способы  представления и обмена информацией различны. Умение  работать с информацией физического содержания проверяется в тесте ЕГЭ при использовании различных способов представления информации в текстах заданий или дистракторах (графики, таблицы, схемы и схематические рисунки). Наиболее важным видом деятельности с точки зрения успешного продолжения образования в вузе является решение задач. Использование сюжетных задач по физике на примерах детских произведений, позволяет преобразовать  информацию из одного вида в  другой, формируя познавательный интерес к изучению предмета, навыки по работе с информацией физического содержания.

В работе рассмотрены различные способы представления информации, изучен один из способов использования компьютерного моделирования задач, составлены примеры  сюжетных задач, выделены особенности представленная информация в материалах ЕГЭ по физике, что может быть значимым для моих одноклассников, которые выбрали экзамен по физике.

По итогам исследования можно сделать вывод, что зная  способы представления информации, ее обработка и представление в разных формах упрощает решение физических задач.

12

Библиография

1. А.И.Никишов Большой справочник школьника «Дрофа»1999 год
2. А.Г.Кушниренко, А.Г.Леонов Большой справочник школьника «Дрофа»1999  год
3.  М.Д. Аксёнова Детская энциклопедия «Аванта+»1998год
4. Н.Д. Угринович Учебник Информатика и ИКТ 10 класс «БИНОМ. Лаборатория знаний 2009 год
5. С.А. Тихомирова Дидактический материал по физике: Физика в художественной литературе. 7-11кл. М.1996
6. А.П.Рымкевич Сборник задач по физике ,М. 1992г
7. В.И. Лукашик, Е.В.Иванова Сборник задач по физике,М.2006
8. С.М.Козел, В.П.Слободянин Физика Всероссийские олимпиады, М. 2008
9. http://fipi.ru/view/sections/222/docs/578.html

13