Использование программ электронного моделирования на уроках физики.
статья по физике (10, 11 класс)

Использование программ электронного моделирования на уроках физики.

Преподавание физики, в первую очередь электродинамики, связано с изучением вычислительной техники и современных технологий сбора, хранения, обработки и передачи информации. Это обусловлено объективными причинами: развитие компьютерной техники и средств телекоммуникации стало возможным благодаря достижениям микроэлектроники, развитие которой опирается на физические законы. На примере этих устройств может быть показано значение физики для развития современной техники, ее роль в практической деятельности человека.

Физика – наука экспериментальная. Современные информационные технологии позволяют создавать модели различных физических объектов, явлений и процессов и отображать их на экране ПК с возможностью варьировать параметры. С помощью интерфейсных блоков и датчиков физических величин можно выполнять и реальный эксперимент, а также дистанционно управлять реальными объектами, осуществлять автоматизированный контроль, обрабатывать результаты исследований и т.д. В связи с этим под учебным физическим экспериментом сейчас понимается не только традиционный натурный (демонстрационный и лабораторный) эксперимент, но и чисто компьютерный, виртуальный. Особенно эффективен последний в случае невозможности проведения натурного эксперимента изза отсутствия оборудования, опасности для здоровья, продолжительности выполнения, сложности математического обсчета результатов и т.д. Кроме того, компьютерный эксперимент, как уже было сказано, предоставляет широкие возможности варьирования параметров процесса, что просто невозможно сделать в натуре. Компьютерные виртуальные лабораторные работы являются современными учебными пособиями. Физика, электроника, электротехника, автоматика и электропривод принадлежат к тем наукам, изучение которых, должно сопровождаться экспериментальными исследованиями. Виртуальные эксперименты значительно ускоряют процесс освоения изучаемого материала. Никакое количество решенных задач по физике или электротехнике не может заменить опыта, приобретаемого при проведении экспериментальных исследований. Компьютер можно рассматривать как универсальный лабораторный стенд. Виртуальные эксперименты на компьютере намного дешевле, чем эксперименты с реальными элементами, приборами и оборудованием и абсолютно безопасны. 8 Виртуальные лабораторные работы являются своеобразной аналогией, но только не заменой, лабораторного оборудования школьных предметных кабинетов, т.е. физическое и виртуальное лаборатории должны сосуществовать вместе и дополнять друг друга.

Методологическая и дидактическая составляющие виртуального эксперимента

Уникальные особенности виртуальной информационной среды (мультимедиа, интеллектуальность, моделинг, интерактив, коммуникативность, производительность) определяют бесспорную эффективность ее применения в любой сфере познавательной деятельности, в том числе и в проведении лабораторных физических экспериментов. Отметим достоинства виртуального физического эксперимента. Такой эксперимент позволяет:

· изучать сложные физические явления на уровне, доступном пониманию, исключая обращение к их нередко громоздкому математическому описанию;

· «исследовать» явление даже в тех случаях, когда проведение реального эксперимента затруднено или нецелесообразно (например, движение космических объектов, изучение поведения тел при больших давлениях, исследование микроскопических объектов, работа ядерного реактора и т.д.);

 · останавливать и возобновлять эксперимент с целью анализа промежуточных результатов и возможного изменения его хода;

· изучать явление в динамике (т.е. наблюдать его развитие в пространстве и времени);

· осуществить операцию, невозможную в натурном эксперименте – изменять пространственно-временные масштабы протекания явления;

· задавать необходимые условия проведения эксперимента и параметры исследуемой системы объектов, не опасаясь за ее состояние, а также безопасность и сохранность компонентов экспериментальной установки;

 · сопровождать модельный эксперимент визуальной интерпретацией закономерных связей между параметрами исследуемой системы (в форме динамичных графиков, диаграмм, схем и пр.);

 · исследовать явление в «чистом» виде, точно воспроизводя требуемые условия его протекания;

· акцентировать, благодаря эффектам мультимедиа, внимание учащихся на главном в изучаемом явлении и способствовать тем самым более глубокому пониманию его сущности.

При использовании интерактива как функции новой среды обучения к ранее указанным преимуществам виртуального эксперимента добавляются новые:

 · обеспечение деятельностного подхода к обучению, ориентированного на развитие ключевых компонентов учебной активности школьников: ее мотивационно- потребностной сферы (в частности интереса к учению), умения планировать свои действия, выполнять и контролировать качество их исполнения;

· развитие познавательной самостоятельности учащихся, определяющей успех в реализации их учебной активности;

· создание условий для творческой деятельности учащихся.

Однако использование виртуальной лаборатории на базе программ Electronics Workbench и Multisim не ограничивается только проведением лабораторных работ — компьютер будет полезен учащимся и при решении задач. Возможность моделировать на ПЭВМ схемы любой степени сложности позволяют построить урок физики, посвященный решению задач, следующим образом: ученики, получив задание, самостоятельно проводят расчеты, после чего моделируют заданную схему на экране компьютера. Показания приборов, установленных в схеме позволят судить: правильно или нет, рассчитана схема.

В школьном курсе физики электронная система моделирования Electronics Workbench или Multisim может использоваться для:

∙ демонстрации принципиальных электрических схем

 ∙ условных обозначений электронных компонентов

 ∙ объяснения принципа действия, как отдельных электрических компонентов, так и сложных схем

∙ анализа полученных измерений

 ∙ тренировки навыков и умений по построению электрических схем

 ∙ контроля знаний

 ∙ проведения лабораторных работ

 ∙ проведения практикумов

 ∙ проведения игровых занятий и конкурсов

Примерный перечень тем по физике в которых можно применить программу Electronics Workbench и Multisim

№ Название темы                                            Классы

1 Электрическая цепь.                                             8

2 Сила тока. Амперметр.                                         8

3 Электрическое напряжение. Вольтметр.             8

4 Электрическое сопротивление.                             8

5 Закон Ома для участка цепи.                                8,10

6 Удельное сопротивление. Реостаты.                      8

7 Виды соединений проводников.                           8,10

8 Работа электрического тока. Мощность тока.     8,10

9 Короткое замыкание. Предохранители                  8

10 Электрическая ёмкость.                                          10

11 Закон Ома для полной цепи                                    10

12 Полупроводники. Собственная и примесная проводимость

Полупроводников                                                         11

13 Полупроводниковые диоды                                    10

14 Полупроводниковые транзисторы                          10

15 Колебательный контур                                              11

16 Активное и реактивное сопротивление                   11

17 Мощность переменного тока                                    11

18 Автогенератор на транзисторе                                   11

19 Амплитудная и частотная модуляция                       11

20 Детекторный приемник                                               11

21 Переменный ток                                                         9,11

22 Мгновенное, действующее, амплитудное значения силы тока и

напряжения.

                                                                                            11

23 Трансформатор переменного тока                              11

24 Фотоэлектрический эффект                                          11

Лабораторная работа.

Последовательное соединение проводников.

Цель работы: исследовать последовательное соединение проводников.

Виртуальные компоненты: источник постоянного тока, ключ, два

резистора сопротивлениями 2 и 4 Ом, три вольтметра, три амперметра,

соединительные провода.

Ход работы:

1. Запустите программу Electronics Workbench.

2. На панели инструментов найдите условные обозначения

источника тока, резистора, ключа, вольтметра, амперметра и

разместите их на рабочем поле программы.

3. Соедините компоненты с помощью мыши, как показано на

рисунке.

4. Включите питание схемы.

5. Замкните ключ и произведите измерения.

6. Запишите результаты измерений в таблицу 1.

7. Используя полученные результаты измерения силы тока и

напряжения, определите значения сопротивлений R1 и R2

8. Определите общее сопротивление цепи.

9. Сделайте выводы

Список источников:

1. Карлащук В.И.Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение.- М.: Солон-Р, 1999,507 с.

8. А. С. Серебряков. Электротехника и электроника. Лабораторный практикум на Electronics Workbench и Multisim.-М.: Высшая школа, 2009,336 с.

 9. Уваров А. С. Программа P-CAD. Электронное моделирование.-М.: Диалог-МИФИ, 2008,192 с.