УМК по физике "Методы физико-технических исследований и измерений"
методическая разработка по физике (10 класс) по теме

Департамент образования  г.Москвы

Восточное окружное управление

Государственное образовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №351

Учебно-методическое пособие для учителей, работающих в 10-11 классах  естественно-математического направления

 «Методы физико-технических исследований и измерений»

Москва 2011 г.

Составитель: Кучербаева Ольга Геннадиевна -  учитель ГУ Средняя общеобразовательная школа №351

Квалификационная категория : 1

Педагогический стаж: 10 лет

         Учебно-методический комплекс по физике для 10-11 классов естественно-математического направления «Методы физико-технических исследований и измерений» предназначен для учителей и учащихся, состоит из методического руководства для учителя и рабочей тетради для учащихся.

     В теоретической части даются необходимые знания о методах и принципах экспериментальных физических исследований, а также сведения о физических принципах, лежащих в основе устройства приборов и их использования в эксперименте.

     Практическая часть включает в себя фронтальные лабораторные работы и работы практикума. Фронтальные лабораторные работы не только углубляют теоретический материал курса, но и обеспечивают формирование первоначальных умений, подготовку учащихся к практикуму.

     Практикум занимает центральное место курса, на него отводится 50% учебного времени. При его проведении отрабатываются общие вопросы физического экспериментального исследования.

    В работах практикума следует использовать наряду со стандартным оборудованием самодельные установки, а также комплекты компьютерных измерительных приборов, комплекты приборов по электричеству и радиотехнике. Обязательное использование таких установок – принципиально важная особенность практикума. Это позволит не только достичь наглядности используемых физических принципов, но и стимулировать интерес учащихся к техническому творчеству, развивать практические умения и навыки, полученные на уроках физики, связать прикладной курс с профессиональной подготовкой.

Содержание:

1.  Пояснительная записка……………………………………………………………….4 стр

2.  Программа курса………………………………………………………………………6 стр

3.  Тематическое и поурочное планирование………………….……………………..10 стр

4.  Методические рекомендации  по диагностике результатов работы………….. 23 стр

5. Литература для учащихся …………………………………………………………..24 стр

6. Литература для преподавателя……………………………………………………..25 стр

1. Пояснительная записка:

      Курс рассчитан на 34 часа в 10 классе и  34 часа в 11 классе.

      Данный  курс ставит целью:

Дать представление о методах физического экспериментального исследования как важнейшей части методологии физики и ряда других наук, развить интерес к исследовательской деятельности.

Углубить знания основного курса физики, повысить интерес к его изучению.

Сформировать целый ряд измерительных умений, необходимых при освоении в дальнейшем технической профессией.

      Таким образом, данные  курс решает следующие задачи:

реализация учеником интереса к предмету физики;

оценка готовности и способности осваивать предмет физики на повышенном уровне.

     Достижение обозначенных целей реализует данный курс своим содержанием.

    В ходе изучения данного прикладного курса особое внимание обращается на развитие умений учащихся:

проводить физический эксперимент, измерять физические величины прямыми и косвенными методами (особое внимание обращается на измерение неэлектрических величин электрическими методами).

использовать методы моделирования  физических явлений и процессов, выдвигать обоснованные гипотезы.

пользоваться электроизмерительными и электронными приборами, источниками питания, генераторами, усилителями, измерительными инструментами, комплектом компьютерных измерительных блоков (датчиков) для кабинета физики, комплектами по электричеству и радиотехнике, комплектом для изучения свойств полупроводников.

пользоваться технической документацией на приборы и оборудование.

Подбирать аппаратуру, конструировать, собирать и  налаживать установку, обрабатывать и анализировать результаты измерений.

     Курс условно можно разбить на теоретическую и практическую части.

     В теоретической части даются необходимые знания о методах и принципах экспериментальных физических исследований, а также сведения о физических принципах, лежащих в основе устройства приборов и их использования в эксперименте.

     Практическая часть включает в себя фронтальные лабораторные работы и работы практикума. Фронтальные лабораторные работы не только углубляют теоретический материал курса, но и обеспечивают формирование первоначальных умений, подготовку учащихся к практикуму.

     Практикум занимает центральное место курса, на него отводится 50% учебного времени. При его проведении отрабатываются общие вопросы физического экспериментального исследования.

    В работах практикума следует использовать наряду со стандартным оборудованием самодельные установки, а также комплекты компьютерных измерительных приборов, комплекты приборов по электричеству и радиотехнике. Обязательное использование таких установок – принципиально важная особенность практикума. Это позволит не только достичь наглядности используемых физических принципов, но и стимулировать интерес учащихся к техническому творчеству, развивать практические умения и навыки, полученные на уроках физики, связать прикладной курс с профессиональной подготовкой.

     При подготовке работ учащимся должна быть предоставлена максимальная самостоятельность в выборе методики проведения работ, подборе оборудования, составлении инструкций и т.д.

    Из числа часов, отведённых на каждый практикум, 1 час выделяется на ознакомительную беседу учителя по предлагаемым работам, 1 час – на обсуждение и защиту предлагаемых учащимися методов и принципов выполнения выработанной ими работы, подбор аппаратуры и т.д., 1 час – на  приём готовых работ и окончательную наладку установки, доработку  инструкций по их выполнению.

     Занятия по ознакомлению с предлагаемыми работами и их обсуждению проводятся уже при изучении теоретического материала. Занятия по приёмке работ, подготовленных учащимися, проводятся в начале каждого практикума. Основное время отводится на выполнение работ практикума.

     Прогнозируемые результаты:

более качественная подготовка учащихся к олимпиадам;

удовлетворение познавательного интереса учащихся;

развитие интереса к исследовательской деятельности;

углубление знаний и практических умений основного курса физики.

Программа  курса:

10 класс (34 часа)

Введение (1 час).

Роль экспериментальных исследований в науке и технике. Измерение как основа эксперимента, задачи курса. Организация рабочего места, техника безопасности при проведении электротехнических и радиотехнических работ.

Методика физических экспериментальных исследований (9 часов).

1) Структура физического эксперимента (5 часов)

     Этапы проведения физических исследований, роль гипотез и физических моделей (на конкретных примерах), требования к проведению эксперимента.  

      Прямые и косвенные измерения. Методы непосредственной оценки, сравнения и т.д. (на конкретных примерах). Оптические и электрические измерения неэлектрических величин.

      Термопара, термометр сопротивления, датчик измерения температуры компьютерный и другие средства измерения температуры.

Демонстрации:

Измерение малых перемещений с помощью оптического рычага

Датчики: поплавковый, мембранный, центробежный, реостатный, терморезистор, фотоэлемент, пьезоэлемент, тензодатчик

Измерение температуры пламени при помощи термопары и термометра сопротивления

Лабораторная работа №1: «Практическое знакомство с действием различных датчиков» (1 час)

2) Обработка результатов измерения (4 часа)

     Случайные и систематические погрешности, необходимость обработки результатов измерений. Приборные погрешности. Пути устранения систематических погрешностей.

     Методы проверки приборов. Определение доверительного интервала значений измеряемой величины. Представление результатов измерений в виде таблиц, графиков. Компьютерная обработка результатов измерений.

Демонстрации:

Обработка результатов измерений и вычислений с помощью компьютера

Лабораторная работа №2: «Обработка результатов измерений, получаемых с помощью компьютерных датчиков» (датчик измерения давления, температуры, фотодиодный датчик, датчик измерения малых перемещений, датчик магнитного поля, фотоэлемент, датчик силы тока, напряжения и т.д.)

Техника физических экспериментальных исследований (11 часов)

3) Правила пользования экспериментальными приборами (2 часа)

    Назначение экспериментальной аппаратуры, класс точности и приборные погрешности, пределы измерений, чувствительность, правила пользования приборами, чтение шкал приборов, подбор приборов для конкретных измерений, включение приборов в цепь, снятие показаний приборов.

Демонстрации:

Ознакомление с приборами различных типов и назначений

Правила включения приборов в электрическую цепь и снятие показаний

Лабораторная работа №3: «Чтение шкал приборов (на приборах и макетах)» (2 час)

2) Электронные приборы (6 часов)

        Источники питания. Усилители. Электронный осциллограф.

        Устройство осциллографа, назначение органов управления, правила пользования, получение осциллограмм.

Демонстрации:

Источники питания

Модели механических усилителей

Действие электронного усилителя

Устройство и принцип действия электронного осциллографа

Лабораторная работа №4: «Экспериментальное исследование звуковых колебаний с помощью осциллографа» (2 часа)

3) Составление и чтение простейших радиосхем (3 часа)

        Обозначение элементов радиосхем: резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, радиоламп, полупроводниковых приборов и транзисторов.

Лабораторная работа №5: «Нахождение блоков питания и усилительных блоков на схемах и приборах. Замена блоков под руководством учителя» (2 часа)

Лабораторный практикум №1: «Измерение механических величин и температуры» (7 часов)

Измерение ускорения свободного падения с помощью компьютерного датчика («фотоворота»)

Калибровка характеристик электрических импульсов с помощью электронного осциллографа

Измерение скорости с помощью вращающихся дисков

Градуировка термопары и получение температурной карты пламени

Градуировка самодельного стробоскопа, изучение скорости с его помощью

Определение ускорения, скорости и мгновенной скорости с использованием источника сжатого воздуха, а также фотоэлемента, входящего в комплект компьютерных измерительных приборов по физике

Получение вакуума, криогенная техника (3 часа)

        Понятие о низком, высоком и сверхвысоком вакууме. Вакуумные и форвакуумные насосы, правила их эксплуатации. Измерение низкого давления.

        Методы получения низких и сверхнизких температур: адиабатное расширение, дросселирование, кипение при низком давлении и другое. Свойства жидкого азота, кислорода, гелия.

        Хранение сжиженных газов, их транспортировка. Методы охлаждения образцов. Техника безопасности при работе со сжиженными газами.

 Демонстрации:

Схемы насосов, барометров ионных и магнитных

Работа металлического барометра

Получение низких температур при испарении

Опыты с жидким воздухом

Сосуд Дьюара

Схема гелиевых установок

Лабораторный практикум №2 (3 часа)

Измерение температуры тел термометром сопротивления

Снятие температурной характеристики терморезистора

Измерение теплопроводности сравнительным методом

11 класс (34 часа)

Применение электронных и ионных приборов в физических экспериментальных исследованиях (12 часов)

1) Полупроводниковые приборы и их использование в физических экспериментальных исследованиях (6 часов)

      Ознакомление с терморезисторами и фоторезисторами различных типов, полупроводниковыми диодами, транзисторами.

      Некоторые характеристики транзисторов. Применение транзисторов. Логические элементы и их применение.

      Особенности физического эксперимента при использовании полупроводников и микромодульной техники. Применение компьютера в физико-технических экспериментальных исследованиях.

Демонстрации:

Снятие характеристики стабилитрона

Действие логических элементов и их комбинаций

Лабораторная работа №6: «Сборка полупроводниковых усилителей (1 час)

2) Генераторы и усилители с обратной связью (5 часов)

       Роль обратной связи, коэффициент обратной связи, отрицательная обратная связь, самовозбуждение, генераторы.

Лабораторная работа №7: «Сборка (из готовых блоков) усилителя с обратной связью и его исследование» (1 час)

Лабораторная работа №8: «Сборка (из готовых блоков) генератора и его исследование» (1 час)

3) Ионные приборы и их применение в физических экспериментальных исследованиях (1 час)

      Тиратроны, неоновые лампы, газоразрядные счётчики

Демонстрации:

Действие тиратронов

Газоразрядный счётчик

Лабораторный практикум №3: «Измерение электрических величин. Исследование механических колебаний и волн» (5 часов)

Измерение электроёмкости конденсатора с помощью гальванометра

Расширение пределов измерения электроизмерительных приборов (ваттметра, подбора шунтов гальванометра, изготовление авометра)

Исследование зависимости силы фототока от поверхностной плотности потока излучения

Определение длины звуковой волны (фигуры Лиссажу)

Изучение ультразвука

Электроизмерительные приборы (2 часа)

        Устройство электроизмерительных приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, тепловой, термодинамической, индукционной, электростатической систем и их применение.

Лабораторная работа №9: «Изучение устройства приборов различных систем» (1 час)

Лабораторный практикум №4: «Исследование электромагнитных явлений» (4 часа)

Измерение индукции магнитного поля постоянного магнита

Измерение индуктивности катушки по её сопротивлению переменному току

Изучение отражения, преломления и поглощения радиоволн различными телами

Изучение скорости тел по эффекту Доплера (на примере звуковых волн)

Оптические методы исследования (4 часа)

      Рефрактометры. Устройство рефрактометра, основанного на явлении полного внутреннего отражения. Другие виды рефрактометров.

     Пирометры, их устройство и принцип работы.

     Болометры. Фотодатчики: фотоумножители, фотодиоды, светодиды.

     Поляриметры, их устройство и назначение.

     Интерференционные приборы. Различные виды дифракционных решёток. Оптические схемы спектрографа и спектроскопа. Трёхтрубный спектроскоп. Разрешающая способность спектральных приборов.

Демонстрации:

Трёхтрубный спектроскоп

Зависимость дисперсии дифракционной решётки от числа штрихов на единицу длины

Лабораторный практикум №5: «Оптические методы исследований» (6 часов)

Измерение показателя преломления газа или жидкости интерференционным методом

Измерение размеров тел малого диаметра оптическими методами

Измерение толщины полупрозрачной ленты с помощью фотоэлемента

Поляризационный метод изучения распределения механических напряжений в деформируемом теле.

 Тематическое и поурочное планирование.

 Методические рекомендации по проведению занятий

        Формируемая в настоящее время в школе система образования по физике охватывает достаточно большой объём знаний. При этом возможности специализированных кабинетов физики настолько широки, что  возникает необходимость создания учебно-методического комплекса, который обеспечивал бы эффективную помощь при профориентации учащихся, а именно:

Дать представление о методах физического экспериментального исследования как важнейшей части методологии физики и ряда других наук, развить интерес к исследовательской деятельности.

Углубить знания основного курса физики, повысить интерес к его изучению.

Сформировать целый ряд измерительных умений, необходимых при освоении в дальнейшем технической профессией.

      Объём данного курса рассчитан на часовую нагрузку в течение 10-11 классов, однако учебный материал, помещённый в нём, может обеспечить и большую нагрузку в неделю.      

10 класс (34 часа)

     В начале рекомендуется познакомить учащихся с целями и задачами курса. Провести беседу о роли экспериментальных исследований в науке и технике, а также о измерении как основе эксперимента. Провести необходимый инструктаж об организация рабочего места, технике безопасности при проведении электротехнических и радиотехнических работ. Особое внимание обратить на причины электротравматизма.  Ток силой 0,1 а, проходящий через организм человека, опасен для жизни. Электрическое сопротивление человеческого организма, находящегося в нормальном состоянии, равно нескольким десяткам тысяч ом. Оно зависит от физического состояния человека. В особо неблагоприятных случаях (болезненное состояние, .сильное потение и т. п.) электрическое сопротивление человека равно лишь 400 — 1000 ом. Пользуясь формулой закона Ома для участка цепи, нетрудно подсчитать, что напряжение 40 в уже опасно.

Поражение людей током случается чаще всего вследствие:    .

а) прикосновения к неизолированным токоведу-щим частям — оголенным проводам, контактам электрических машин, рубильников, ламповых патронов, предохранителей и других аппаратов и приборов, находящихся под напряжением;

б)        прикосновения    к   частям электроустановки,  обычно не находящимся под  напряжением, но в результате повреждения изоляции  оказывающимся   под  напря-
жением,    например,    к   корпусуэлектродвигателя;

в)        прикосновения к токопроводящим    частям,   не   являющимся  частями электроустановки, но случайно оказавшимся под напряжением, например, к сырым стенам, металлическим конструкциям здания;

г)        нахождения   вблизи   места соединения с землей оборванного провода электросети.

     Монтаж и ремонт электроустановок   производят   в   соответствии   с, рядом   требований:

а) все электроустановки должны быть смонтированы так, чтобы их токоведущие части были недоступны для случайного прикосновения: провода и кабели тщательно изолированы,   другие токоведущие

части закрыты защитными ограждениями в виде кожухов, ящиков, шкафов;

б)        металлические   части   электрооборудования,   непредназначенные для прохождения по ним тока, должны быть заземлены, т. е. соединены с землей с помощью медных проводов. Заземление уменьшает опасность поражения током людей, прикоснувшихся к нетоковедущим
частям, которые оказались под напряжением; сопротивление заземляющих проводов должно быть не более 4 ом;

в)        во избежание опасности поражения электрическимтоком ученикам и малоопытным рабочим не разрешается  производить монтаж или ремонт электроустановок, если они находятся под напряжением. Нужно перед началом работы с помощью контрольной лампы  или
указателя напряжении убедиться, что напряжение отсутствует.

Тема «Методика физических экспериментальных исследований» состоит из двух разделов:

1) «Структура физического эксперимента»  знакомит в течение 5 часов с этапами проведения физических исследований, ролью гипотез и физических моделей (на конкретных примерах), требованиями к проведению эксперимента.  Следует повторить  с учащимися понятие прямого и косвенного измерения, рассмотреть методы непосредственной оценки, сравнения и т.д. (на конкретных примерах), а также оптические и электрические измерения неэлектрических величин. Рассказать подробно о термопаре, термометре сопротивления, компьютерном датчике измерения температуры и другие средства измерения температуры. Необходимо занятия сопровождать демонстрациями:

Измерение малых перемещений с помощью оптического рычага

Датчики: поплавковый, мембранный, центробежный, реостатный, терморезистор, фотоэлемент, пьезоэлемент, тензодатчик

Измерение температуры пламени при помощи термопары и термометра сопротивления

Закрепить полученные знания рекомендуется с помощью лабораторной работы №1 «Практическое знакомство с действием различных датчиков».

2) «Обработка результатов измерения» - проводится в течение 8 часов.

     Рассматривается теоретический материал о случайных и систематических погрешностях, необходимости обработки результатов измерений, приборных погрешностях. А также пути устранения систематических погрешностей.

     Необходимо обратить внимание учащихся на методы проверки приборов, определение доверительного интервала значений измеряемой величины, представление результатов измерений в виде таблиц, графиков.  Завершить тему рекомендуется рассмотрением компьютерной обработки результатов измерений. Тема сопровождается демонстрациями:

Обработка результатов измерений и вычислений с помощью компьютера

В завершении выполняется лабораторная работа №2: «Обработка результатов измерений, получаемых с помощью компьютерных датчиков» (датчик измерения давления, температуры, фотодиодный датчик, датчик измерения малых перемещений, датчик магнитного поля, фотоэлемент, датчик силы тока, напряжения и т.д.)

Тема «Техника физических экспериментальных исследований» рассчитана на 11 часов и состоит из трёх разделов, каждый из которых завершается лабораторной работой:

1) Правила пользования экспериментальными приборами (2 часа) 

    Предлагается рассмотреть: назначение экспериментальной аппаратуры, класс точности и приборные погрешности, пределы измерений, чувствительность, правила пользования приборами, чтение шкал приборов, подбор приборов для конкретных измерений, включение приборов в цепь, снятие показаний приборов. Объяснение сопровождается демонстрациями:

Ознакомление с приборами различных типов и назначений

Правила включения приборов в электрическую цепь и снятие показаний

Лабораторная работа №3: «Чтение шкал приборов (на приборах и макетах)» (1 час)

2) Электронные приборы (6 часов)

        Происходит знакомство с источниками питания, усилителями. электронным осциллографом. Подробно рекомендуется ознакомить учащихся с устройством осциллографа, назначением органов управления, правилами пользования, получением осциллограмм. Используются демонстрации:

Источники питания

Модели механических усилителей

Действие электронного усилителя

Устройство и принцип действия электронного осциллографа

Лабораторная работа №4: «Экспериментальное исследование звуковых колебаний с помощью осциллографа» (2 часа)

3) Составление и чтение простейших радиосхем (3 часа)

        Обозначение элементов радиосхем: резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, радиоламп, полупроводниковых приборов и транзисторов.

Лабораторная работа №5: «Нахождение блоков питания и усилительных блоков на схемах и приборах. Замена блоков под руководством учителя» (2 часа)

Для закрепления полученных знаний на практике рекомендуется проведение лабораторного практикума в течение 7 часов, состав работ которого может варьироваться в зависимости от решения преподавателя

1) Определение диэлектрической проницаемости  различных материалов        

2) Зависимость емкости конденсатора от площади пластин и расстояния между ними

3) Определение емкости конденсатора баллистическим методом        

4) Электризация через влияние (электрическая индукция)

5) Электрическое поле в воде

6) Измерение энергии электрического поля заряженного конденсатора

Тема «Получение вакуума, криогенная техника» рассматривается в течение 3 часов.

 Учащимся предлагаются к рассмотрению:      понятие о низком, высоком и сверхвысоком вакууме, вакуумные и форвакуумные насосы, правила их эксплуатации, методы измерение низкого давления. После расширяются познания в области методов получения низких и сверхнизких температур: адиабатного расширение, дросселирования, кипения при низком давлении и другое. Обсуждаются свойства жидкого азота, кислорода, гелия.

 В завершение теоретической части полезно рассмотреть вопросы о       хранении сжиженных газов, их транспортировке, методах охлаждения образцов, а  также технике безопасности при работе со сжиженными газами. При обсуждении теоретической части используются демонстрации:

Схемы насосов, барометров ионных и магнитных

Работа металлического барометра

Получение низких температур при испарении

Опыты с жидким воздухом

Сосуд Дьюара

Схема гелиевых установок

Лабораторный практикум №2 (3 часов) завершает изучение курса в 10-м классе. Предлагаемые работы:

Измерение температуры тел термометром сопротивления

Снятие температурной характеристики терморезистора

Измерение теплопроводности сравнительным методом

11 класс (34 часа)

Курс продолжается с 12-часовой темы «Применение электронных и ионных приборов в физических экспериментальных исследованиях». Она состоит из трёх разделов и завершается лабораторным практикумом.

1) Полупроводниковые приборы и их использование в физических экспериментальных исследованиях (6 часов).

     Происходит ознакомление учащихся с терморезисторами и фоторезисторами различных типов, полупроводниковыми диодами, транзисторами. Рассматриваются некоторые характеристики транзисторов, применение транзисторов, а также логические элементы и их применение.

      Обращается внимание на особенности физического эксперимента при использовании полупроводников и микромодульной техники. Рассматривается возможность применения компьютера в физико-технических экспериментальных исследованиях. Возможно использование виртуальных лабораторных работ (по  желанию).

Демонстрации:

Снятие характеристики стабилитрона

Действие логических элементов и их комбинаций

Для закрепления навыков предлагается лабораторная работа №6: «Сборка полупроводниковых усилителей (1 часа)

2) Генераторы и усилители с обратной связью (5 часов)

      Рассматривается роль обратной связи, коэффициент обратной связи, отрицательная обратная связь, самовозбуждение, генераторы. Закрепляется материал в виде лабораторных работ:

Лабораторная работа №7: «Сборка (из готовых блоков) усилителя с обратной связью и его исследование» (1 час)

Лабораторная работа №8: «Сборка (из готовых блоков) генератора и его исследование» (1 час)

3) Ионные приборы и их применение в физических экспериментальных исследованиях (1 час)

     Рассматривается устройство  тиратронов, неоновых ламп, газоразрядных счётчиков.

Демонстрации:

Действие тиратронов

Газоразрядный счётчик

Завершается тема  выполнением лабораторного практикума №3: «Измерение электрических величин. Исследование механических колебаний и волн» (10 часов):

Измерение электроёмкости конденсатора с помощью гальванометра

Расширение пределов измерения электроизмерительных приборов (ваттметра, подбора шунтов гальванометра, изготовление авометра)

Исследование зависимости силы фототока от поверхностной плотности потока излучения

Определение длины звуковой волны (фигуры Лиссажу)

Изучение ультразвука

Тема «Электроизмерительные приборы»  изучается 2 часа. Теоретический материал включает в себя рассмотрениеустройства электроизмерительных приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, тепловой, термодинамической, индукционной, электростатической систем и их применение. Далее предлагается лабораторная работа №9: «Изучение устройства приборов различных систем» (1 час).

Закрепление темы происходит в виде лабораторного практикума №4: «Исследование электромагнитных явлений» (4 часа)

Измерение индукции магнитного поля постоянного магнита

Измерение индуктивности катушки по её сопротивлению переменному току

Изучение отражения, преломления и поглощения радиоволн различными телами

Изучение скорости тел по эффекту Доплера (на примере звуковых волн)

Тема «Оптические методы исследования» рассматривается 4 часа и включает в себя следующий материал:

      Рефрактометры. Устройство рефрактометра, основанного на явлении полного внутреннего отражения. Другие виды рефрактометров.

     Пирометры, их устройство и принцип работы.

     Болометры. Фотодатчики: фотоумножители, фотодиоды, светодиды.

     Поляриметры, их устройство и назначение.

     Интерференционные приборы. Различные виды дифракционных решёток. Оптические схемы спектрографа и спектроскопа. Трёхтрубный спектроскоп. Разрешающая способность спектральных приборов.

Демонстрации:

Трёхтрубный спектроскоп

Зависимость дисперсии дифракционной решётки от числа штрихов на единицу длины

Далее - лабораторный практикум №5: «Оптические методы исследований» (6 часов)

Измерение показателя преломления газа или жидкости интерференционным методом

Измерение размеров тел малого диаметра оптическими методами

Измерение толщины полупрозрачной ленты с помощью фотоэлемента

Поляризационный метод изучения распределения механических напряжений в деформируемом теле.

Методические рекомендации по диагностике результатов работы

    Предлагаемые лабораторные работы и работы лабораторных практикумов можно использовать и для индивидуальной работы учащихся, и в работе по группам, и для итогового контроля в завершении курса. Теоретический материал учащиеся могут подготовить как самостоятельно, так и при помощи преподавателя. Для диагностики  проводимых занятий, на мой взгляд, удобно пользоваться следующей таблицей. Эта таблица вычерчивается учащимся на первом листе рабочей тетради. В течение прохождения программы курса эта таблица заполняется:

Таблица контроля знаний:

     Взаимооценка и самооценка выставляется каждое занятие обязательно. В завершении курса планируется защита творческой научно исследовательской работы, конструкторских задач или задач на проекты (возможны варианты парных или индивидуальных работ). За эту работу ставится выходной контроль и после этого – итоговая оценка.

     Рекомендуется создать банк научно-исследовательских работ учащихся в электронном виде. Так например, в нашей школе-гимназии в банке имеется материал по следующим работам (накоплены в течение 3 лет):

Освещение в свете экономии

Исследование профиля поверхности вращающейся жидкости и определение ускорения свободного падения

Изучение механических свойств человеческого волоса

Исследование свойств постоянных магнитов и изучение влияния электромагнитных полей на организм человека

Определение плотности тела неправильной формы

Искусственная радуга как объект для определения длины световой волны

Исследование зависимости периода малых колебаний линейки от расстояния от точки подвеса до центра масс

Оценка размеров кристаллов и скорости их роста

Оптические явления в поэзии Серебряного века

Каустика цилиндрической линзы

Литература для учащихся:

Буров В.А. , Зворыкин Б.С. «Практикум по физике в средней школе».- М.: «Просвещение», 1993 г.

Горбунова О.И., Зайцева А.М. «Задачник-практикум по общей физике». М.: «Просвещение», 2007 г.

Джанколи Д. «Физика». / Пер. с англ. М.: «Мир», 1989 г.

Емельянов М.М. «Практикум по радиоэлектронике». – М..: «Просвещение», 1981 г.

Кабардин О.Ф. «Физика. Справочные материалы», М.: «Просвещение», 1989 г.

Лабораторный практикум по физике: учебное пособие для студентов ВУЗов/ Под ред. Ахматова А.С.- М.: «Высшая школа», 2003 г.

Ланге В.Н. «Экспериментальные физические задачи на смекалку». М.: «Наука», 1985 г.

Левинштейн М.е., Симин Г.С. «Знакомство с полупроводниками»/Под ред. Л.Г.Асламазова.-М.: «Наука»,1984 г.

Мнеян М.Н. «Новые профессии магнита».- М.: «Просвещение»,1985 г.

Околотин В.С. «Сверхзадача для сверхпроводников».- М.: «Знание»,1983 г.

Поляков А.М. «Разгаданный полупроводник».- М.: «Просвещение»,1985 г.

Поляков В.А. «Практикум по электронике». – М.: «Просвещение», 1997 г.

Патрунов Ф.Г. «Холод и техника».- М.: «Московский рабочий»,1989 г.

Рыдник В.И. «О современной акустике».-М.: «Просвещение»,2001 г

Хитун В.А., Скляревич В.В. «Практикум по физике для медицинских ВУЗов».- М.: «Высшая школа», 1982 г.

Эдельман В.С. «Вблизи абсолютного нуля. - М.: «Наука»,2004 г.

Электроника сверхвысоких частиц.- М.: «Радио и связь»,2001 г.

Литература для учителей:

Баймухамедов М.Ф., Демина Н.Ф., Ямпольский В.С. «Внеклассная работа по физике и электронике». Алма-Ата,1989 г.

Бродянский В.М., Семёнов А.М. «Теоретические основы криогенной техники.- М.: «Энергия»,1980 г.

Буров В.А. , Зворыкин Б.С. «Практикум по физике в средней школе».- М.: «Просвещение», 1993 г.

Гаркуша Ж.М. «Основы физики полупроводников».- М.: «Высшая школа»,2002 г.

Горбунова О.И., Зайцева А.М. «Задачник-практикум по общей физике». М.: «Просвещение», 2007 г.

Горошков Б.И. «Радиоэлектронные устройства» (Справочник).- М.: «Радио и связь», 2003 г.

Емельянов М.М. «Практикум по радиоэлектронике». – М..: «Просвещение», 1981 г.

Енохович А.С. «Справочник по физике и технике».- М.: «Просвещение»,1998 г.

Лабораторный практикум по физике: учебное пособие для студентов ВУЗов/ Под ред. Ахматова А.С.- М.: «Высшая школа», 2003 г.

Методика факультативных занятий по физике / Под ред. Кабардина О.Ф., Орлова В.А. – М.: «Просвещение»,1998 г.

Поляков В.А. «Практикум по электронике». – М.: «Просвещение», 1997 г.

Тульчинский М.Е. «Качественные задачи по физике.» – М.: «Просвещение»,1972 г.

Хорошавин С.А. «Физико-техническое моделирование».- М.: «Просвещение»,1983 г.

Хитун В.А., Скляревич В.В. «Практикум по физике для медицинских ВУЗов».- М.: «Высшая школа», 1982 г.

Электрические измерения: учебник для техникумов / Под ред. Маликовского В.Н.- М: «Энергоиздат», 2002 г.

Электрические измерения: учебник для техникумов / Под ред. Фремке А.В.- М: «Энергия», 2000 г.

Департамент образования  г.Москвы

Восточное окружное управление

Государственное образовательное учреждение

Средняя общеобразовательная школа №351

Программа  к  курсу

 «Методы физико-технических исследований и измерений в 10-11 классах естественно-математического направления»

                             Москва 2011 г.

Составитель: Кучербаева Ольга Геннадиевна -  учитель ГОУ Средняя общеобразовательная школа №351

Квалификационная категория : 1

Педагогический стаж: 11 лет

         Учебно-методический комплекс по физике для 10-11 классов естественно-математического направления «Методы физико-технических исследований и измерений» предназначен для учителей и учащихся, состоит из методического руководства для учителя и рабочей тетради для учащихся. Программа и поурочное планирование к данному курсу предлагаются в  работе.

Содержание:

1. Пояснительная записка ………………………………………………….4 стр

2. Программа курса ………………………………………………………………………6 стр

3. Тематическое поурочное планирование …………………………………………….. 10 стр

1. Пояснительная записка:

      Курс рассчитан на 34 часа в 10 классе и  34 часа в 11 классе.

      Данный элективный курс ставит целью:

Дать представление о методах физического экспериментального исследования как важнейшей части методологии физики и ряда других наук, развить интерес к исследовательской деятельности.

Углубить знания основного курса физики, повысить интерес к его изучению.

Сформировать целый ряд измерительных умений, необходимых при освоении в дальнейшем технической профессией.

      Таким образом, данные  курс решает следующие задачи:

реализация учеником интереса к предмету физики;

оценка готовности и способности осваивать предмет физики на повышенном уровне.

     Достижение обозначенных целей реализует данный курс своим содержанием.

    В ходе изучения данного прикладного курса особое внимание обращается на развитие умений учащихся:

проводить физический эксперимент, измерять физические величины прямыми и косвенными методами (особое внимание обращается на измерение неэлектрических величин электрическими методами).

использовать методы моделирования  физических явлений и процессов, выдвигать обоснованные гипотезы.

пользоваться электроизмерительными и электронными приборами, источниками питания, генераторами, усилителями, измерительными инструментами, комплектом компьютерных измерительных блоков (датчиков) для кабинета физики, комплектами по электричеству и радиотехнике, комплектом для изучения свойств полупроводников.

пользоваться технической документацией на приборы и оборудование.

Подбирать аппаратуру, конструировать, собирать и  налаживать установку, обрабатывать и анализировать результаты измерений.

     Курс условно можно разбить на теоретическую и практическую части.

     В теоретической части даются необходимые знания о методах и принципах экспериментальных физических исследований, а также сведения о физических принципах, лежащих в основе устройства приборов и их использования в эксперименте.

     Практическая часть включает в себя фронтальные лабораторные работы и работы практикума. Фронтальные лабораторные работы не только углубляют теоретический материал курса, но и обеспечивают формирование первоначальных умений, подготовку учащихся к практикуму.

     Практикум занимает центральное место курса, на него отводится 50% учебного времени. При его проведении отрабатываются общие вопросы физического экспериментального исследования.

    В работах практикума следует использовать наряду со стандартным оборудованием самодельные установки, а также комплекты компьютерных измерительных приборов, комплекты приборов по электричеству и радиотехнике. Обязательное использование таких установок – принципиально важная особенность практикума. Это позволит не только достичь наглядности используемых физических принципов, но и стимулировать интерес учащихся к техническому творчеству, развивать практические умения и навыки, полученные на уроках физики, связать прикладной курс с профессиональной подготовкой.

     При подготовке работ учащимся должна быть предоставлена максимальная самостоятельность в выборе методики проведения работ, подборе оборудования, составлении инструкций и т.д.

    Из числа часов, отведённых на каждый практикум, 1 час выделяется на ознакомительную беседу учителя по предлагаемым работам, 1 час – на обсуждение и защиту предлагаемых учащимися методов и принципов выполнения выработанной ими работы, подбор аппаратуры и т.д., 1 час – на  приём готовых работ и окончательную наладку установки, доработку  инструкций по их выполнению.

     Занятия по ознакомлению с предлагаемыми работами и их обсуждению проводятся уже при изучении теоретического материала. Занятия по приёмке работ, подготовленных учащимися, проводятся в начале каждого практикума. Основное время отводится на выполнение работ практикума.

     Прогнозируемые результаты:

более качественная подготовка учащихся к олимпиадам;

удовлетворение познавательного интереса учащихся;

развитие интереса к исследовательской деятельности;

углубление знаний и практических умений основного курса физики.

2. Программа курса:

10 класс (34 часа)

Введение (1 час).

Роль экспериментальных исследований в науке и технике. Измерение как основа эксперимента, задачи курса. Организация рабочего места, техника безопасности при проведении электротехнических и радиотехнических работ.

Методика физических экспериментальных исследований (9 часов).

1) Структура физического эксперимента (5 часов)

     Этапы проведения физических исследований, роль гипотез и физических моделей (на конкретных примерах), требования к проведению эксперимента.  

      Прямые и косвенные измерения. Методы непосредственной оценки, сравнения и т.д. (на конкретных примерах). Оптические и электрические измерения неэлектрических величин.

      Термопара, термометр сопротивления, датчик измерения температуры компьютерный и другие средства измерения температуры.

Демонстрации:

Измерение малых перемещений с помощью оптического рычага

Датчики: поплавковый, мембранный, центробежный, реостатный, терморезистор, фотоэлемент, пьезоэлемент, тензодатчик

Измерение температуры пламени при помощи термопары и термометра сопротивления

Лабораторная работа №1: «Практическое знакомство с действием различных датчиков» (1 час)

2) Обработка результатов измерения (4 часа)

     Случайные и систематические погрешности, необходимость обработки результатов измерений. Приборные погрешности. Пути устранения систематических погрешностей.

     Методы проверки приборов. Определение доверительного интервала значений измеряемой величины. Представление результатов измерений в виде таблиц, графиков. Компьютерная обработка результатов измерений.

Демонстрации:

Обработка результатов измерений и вычислений с помощью компьютера

Лабораторная работа №2: «Обработка результатов измерений, получаемых с помощью компьютерных датчиков» (датчик измерения давления, температуры, фотодиодный датчик, датчик измерения малых перемещений, датчик магнитного поля, фотоэлемент, датчик силы тока, напряжения и т.д.)

Техника физических экспериментальных исследований (11 часов)

3) Правила пользования экспериментальными приборами (2 часа)

    Назначение экспериментальной аппаратуры, класс точности и приборные погрешности, пределы измерений, чувствительность, правила пользования приборами, чтение шкал приборов, подбор приборов для конкретных измерений, включение приборов в цепь, снятие показаний приборов.

Демонстрации:

Ознакомление с приборами различных типов и назначений

Правила включения приборов в электрическую цепь и снятие показаний

Лабораторная работа №3: «Чтение шкал приборов (на приборах и макетах)» (2 час)

2) Электронные приборы (6 часов)

        Источники питания. Усилители. Электронный осциллограф.

        Устройство осциллографа, назначение органов управления, правила пользования, получение осциллограмм.

Демонстрации:

Источники питания

Модели механических усилителей

Действие электронного усилителя

Устройство и принцип действия электронного осциллографа

Лабораторная работа №4: «Экспериментальное исследование звуковых колебаний с помощью осциллографа» (2 часа)

3) Составление и чтение простейших радиосхем (3 часа)

        Обозначение элементов радиосхем: резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, радиоламп, полупроводниковых приборов и транзисторов.

Лабораторная работа №5: «Нахождение блоков питания и усилительных блоков на схемах и приборах. Замена блоков под руководством учителя» (2 часа)

Лабораторный практикум №1: «Измерение механических величин и температуры» (7 часов)

Измерение ускорения свободного падения с помощью компьютерного датчика («фотоворота»)

Калибровка характеристик электрических импульсов с помощью электронного осциллографа

Измерение скорости с помощью вращающихся дисков

Градуировка термопары и получение температурной карты пламени

Градуировка самодельного стробоскопа, изучение скорости с его помощью

Определение ускорения, скорости и мгновенной скорости с использованием источника сжатого воздуха, а также фотоэлемента, входящего в комплект компьютерных измерительных приборов по физике

Получение вакуума, криогенная техника (3 часа)

        Понятие о низком, высоком и сверхвысоком вакууме. Вакуумные и форвакуумные насосы, правила их эксплуатации. Измерение низкого давления.

        Методы получения низких и сверхнизких температур: адиабатное расширение, дросселирование, кипение при низком давлении и другое. Свойства жидкого азота, кислорода, гелия.

        Хранение сжиженных газов, их транспортировка. Методы охлаждения образцов. Техника безопасности при работе со сжиженными газами.

 Демонстрации:

Схемы насосов, барометров ионных и магнитных

Работа металлического барометра

Получение низких температур при испарении

Опыты с жидким воздухом

Сосуд Дьюара

Схема гелиевых установок

Лабораторный практикум №2 (3 часа)

Измерение температуры тел термометром сопротивления

Снятие температурной характеристики терморезистора

Измерение теплопроводности сравнительным методом

11 класс (34 часа)

Применение электронных и ионных приборов в физических экспериментальных исследованиях (12 часов)

1) Полупроводниковые приборы и их использование в физических экспериментальных исследованиях (6 часов)

      Ознакомление с терморезисторами и фоторезисторами различных типов, полупроводниковыми диодами, транзисторами.

      Некоторые характеристики транзисторов. Применение транзисторов. Логические элементы и их применение.

      Особенности физического эксперимента при использовании полупроводников и микромодульной техники. Применение компьютера в физико-технических экспериментальных исследованиях.

Демонстрации:

Снятие характеристики стабилитрона

Действие логических элементов и их комбинаций

Лабораторная работа №6: «Сборка полупроводниковых усилителей (1 час)

2) Генераторы и усилители с обратной связью (5 часов)

       Роль обратной связи, коэффициент обратной связи, отрицательная обратная связь, самовозбуждение, генераторы.

Лабораторная работа №7: «Сборка (из готовых блоков) усилителя с обратной связью и его исследование» (1 час)

Лабораторная работа №8: «Сборка (из готовых блоков) генератора и его исследование» (1 час)

3) Ионные приборы и их применение в физических экспериментальных исследованиях (1 час)

      Тиратроны, неоновые лампы, газоразрядные счётчики

Демонстрации:

Действие тиратронов

Газоразрядный счётчик

Лабораторный практикум №3: «Измерение электрических величин. Исследование механических колебаний и волн» (5 часов)

Измерение электроёмкости конденсатора с помощью гальванометра

Расширение пределов измерения электроизмерительных приборов (ваттметра, подбора шунтов гальванометра, изготовление авометра)

Исследование зависимости силы фототока от поверхностной плотности потока излучения

Определение длины звуковой волны (фигуры Лиссажу)

Изучение ультразвука

Электроизмерительные приборы (2 часа)

        Устройство электроизмерительных приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, тепловой, термодинамической, индукционной, электростатической систем и их применение.

Лабораторная работа №9: «Изучение устройства приборов различных систем» (1 час)

Лабораторный практикум №4: «Исследование электромагнитных явлений» (4 часа)

Измерение индукции магнитного поля постоянного магнита

Измерение индуктивности катушки по её сопротивлению переменному току

Изучение отражения, преломления и поглощения радиоволн различными телами

Изучение скорости тел по эффекту Доплера (на примере звуковых волн)

Оптические методы исследования (4 часа)

      Рефрактометры. Устройство рефрактометра, основанного на явлении полного внутреннего отражения. Другие виды рефрактометров.

     Пирометры, их устройство и принцип работы.

     Болометры. Фотодатчики: фотоумножители, фотодиоды, светодиды.

     Поляриметры, их устройство и назначение.

     Интерференционные приборы. Различные виды дифракционных решёток. Оптические схемы спектрографа и спектроскопа. Трёхтрубный спектроскоп. Разрешающая способность спектральных приборов.

Демонстрации:

Трёхтрубный спектроскоп

Зависимость дисперсии дифракционной решётки от числа штрихов на единицу длины

Лабораторный практикум №5: «Оптические методы исследований» (6 часов)

Измерение показателя преломления газа или жидкости интерференционным методом

Измерение размеров тел малого диаметра оптическими методами

Измерение толщины полупрозрачной ленты с помощью фотоэлемента

Поляризационный метод изучения распределения механических напряжений в деформируемом теле.

3. Тематическое и поурочное планирование.