Демонстрационный эксперимент с использованием с компьютера и цифрового оборудования «VERNIER» при изучении темы «Механические колебания».

 

Управление образования  города Пензы

муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

гимназия № 42 г. Пензы

Демонстрационный  эксперимент с использованием с компьютера и цифрового оборудования «VERNIER»  при изучении темы

 «Механические колебания».

Учитель физики МБОУ гимназия №42

Попова Елена Александровна.

Данная работа  представляет в некотором роде ориентиры для педагогов, которые осваивают  учебное оборудование нового поколения, позволяющее сочетать возможности персонального компьютера с выполнением точных измерений при проведении демонстрационного и лабораторного эксперимента в школе. 

Модернизация системы образования требует в частности от учителей физики внедрения в учебно-воспитательный процесс новых информационно-коммуникационных технологий. В школьном образовании при переходе на стандарты нового поколения большое внимание уделяется системно-деятельностному подходу к обучению. Эффективное решение этой задачи можно обеспечить путем вовлечения школьников в экспериментальную и проектную деятельность с использованием современного оборудования. Производственно-консультационная группа «Развитие образовательных систем» предлагает школе учебное оборудование нового поколения - демонстрационный экспериментальный комплект AFS™. Он представлен учебно-методическими материалами, датчиками физических величин, системой сбора данных, которая обеспечивает ввод данных с датчиков в компьютер, программным обеспечением, визуализирующим экспериментальные данные на экране компьютера.

Работа с компьютерами и цифровым оборудованием усиливает познавательный интерес учащихся, стимулирует их к творчеству, способствует объединению всех предметных знаний в единую картину мира и формирует потребности в дальнейшем профессиональном образовании, что полностью отвечает целям и задачам стандартов нового поколения.

Варианты включения демонстрационного эксперимента в программу по физике при изучении темы «Механические колебания».

№	Эксперимент	Тема урока	Учебно-методический комплект: тема, класс
			А.В. Перышкин, Е.М. Гутник	Г.Я.Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский
1	Демонстрация свободных колебаний груза на пружине	Колебательное движение. Свободные колебания. Колебательные системы. Маятник	Механические колебания и волны, 9	Механические колебания, 11
2	Демонстрация свободных колебаний груза на нити	Колебательное движение. Свободные колебания. Колебательные системы. Маятник	Механические колебания и волны, 9	Механические колебания, 11
3	Демонстрация перехода потенциальной энергии в кинетическую и обратно (нитяной маятник)	Превращения энергии при колебательном движении. Затухающие колебания.	Механические колебания и волны, 9	Энергия колебательного движения, 11
4	Демонстрация перехода потенциальной энергии в кинетическую и обратно (пружинный маятник)	Превращения энергии при колебательном движении. Затухающие колебания.	Механические колебания и волны, 9	Энергия колебательного движения, 11

Оборудование для проведения демонстрационных экспериментов AFS^ТМ .

Эксперимент	Датчики	Дополнительное оборудование для проведения эксперимента	ПО
Демонстрация свободных колебаний груза на пружине	·Датчик оптоэлектрический ·Датчик расстояния (0,15 -6 м) ·Система сбора данных AFSТМ ·Устройство измерения и обработки данных LabQuest	1. Штатив с крепежом: высота штатива не менее 100 см; длина горизонтально закрепленного стержня: 10–20 см. 2. Набор пружин: жесткость: 1–10 Н/м; длина: 10–20 см.  3. Набор грузов общей массой 200–500 г.	1.    AFS «Физика с компьютером в школе» 2.    Logger Pro
Демонстрация свободных колебаний груза на нити	·Датчик ускорения (акселерометр) трехкоординатный (± 50 м/с2 (± 5g) для каждой оси) ·Датчик расстояния (0,15 -6 м) ·Система сбора данных AFSТМ ·Устройство измерения и обработки данных LabQuest	1. Штатив с крепежом: высота штатива не менее 100 см; длина горизонтально закрепленного стержня: 10–20 см. 2. Груз массой 100–250 г с крючком. 3. Нить нерастяжимая невесомая длиной 1,2–1,5 м. 4. Липкая лента или двухсторонний скотч.
Демонстрация перехода потенциальной энергии в кинетическую и обратно (Нитяной маятник)	·Датчик расстояния (0,15 -6 м) ·Система сбора данных AFSТМ	1. Штатив с крепежом: высота штатива: 70—100 см; длина горизонтально закреплѐнного стержня: 10—20 см. 2. Набор грузов: общая масса: 200—300 г; диаметр груза: не менее 40 мм. 3. Весы с разновесом. 4. Нить лѐгкая тонкая нерастяжимая: длина: 1,5 м.
Демонстрация перехода потенциальной энергии в кинетическую и обратно (Пружинный маятник)	·Датчик силы (± 50 Н) ·Система сбора данных AFSТМ	1. Штатив с крепежом: высота штатива: 80—100 см; длина горизонтально закреплѐнного стержня: 10—15 см. 2. Груз с крючком: масса: 100—150 г. 3. Дополнительный груз: масса: 50 г. 4. Пружина: жѐсткость: 8—10 Н/м; длина: 8—12 см.

«ДЕМОНСТРАЦИЯ СВОБОДНЫХ

 КОЛЕБАНИЙ ГРУЗА НА ПРУЖИНЕ»

ЭКСПЕРИМЕНТ 1

Цель:

Исследование зависимости периода колебания пружинного маятника от массы груза и жесткости пружины.

Обеспечение наглядности результатов эксперимента.

 Для обеспечения наглядности демонстрации значения жесткости используемых пружин и значения масс грузов должны различаться на значительную величину (30–50%).

Монтаж и настройка.

1.     К штативу, установленному на столе, (высота штатива не менее 100 см; длина горизонтально закрепленного стержня: 10–20 см) прикрепляется пружина 1 с подвешенным на ней грузом известной массы 2 (рис. 1)

2.     На вертикальной штанге штатива на уровне груза, находящегося в положении равновесия, с помощью зажима закрепляется оптоэлектрический датчик 3.

3.    

(рис. 1)

Датчик должен располагаться так, чтобы груз находился примерно посередине створа датчика между светодиодом и фотоприемником (рис. 1а). Место подвеса груза при его смещении от положения равновесия вниз не должно перекрывать зону действия датчика.

1.     Запустите программу «Физика с компьютером в школе».

2.     Выберите эксперимент Демонстрация свободных колебаний груза на пружине в разделе «Механика».

3.     Подключите систему сбора данных AFS (4) к компьютеру с помощью USB-кабеля. Убедитесь, что сообщение Система сбора данных AFS не подключена в нижней части экрана отсутствует.

4.     Подключите датчик оптоэлектрический к цифровому входу системы сбора данных. Убедитесь, что сообщение Датчик оптоэлектрический не подключен в нижней части экрана отсутствует.

	рис.1а

 

 Методика выполнения эксперимента

 Проведение измерений

1.     Введите значение массы груза  (50 г) в поле Масса груза.

2.      В поле Текущая пружина отобразится порядковый номер используемой в опыте пружины.

2. Сместите груз вертикально вниз от положения равновесия на 3–5 см и отпустите его.

3. Нажмите кнопку Измерить. При этом программа начинает отсчет импульсов, поступающих с оптоэлектрического датчика, и определение периода колебаний груза. Полученное значение периода (в с) отображается в поле Период. На графике Период – Масса появляется точка, соответствующая текущим значениям периода колебаний груза и его массы.

Внимание! Правильное определение периода колебаний возможно только при выполнении следующих условий:

1) амплитуда колебаний груза превышает его вертикальный размер;

2) при движении груза вверх-вниз от положения равновесия инфракрасный луч, испускаемый светодиодом, не прерывается и беспрепятственно попадает на приемник инфракрасного излучения (фотодатчик).

4. Проведите не менее трех измерений по пунктам 1–3, используя грузы разной массы (100г, 150 г). Перед каждым новым измерением перемещайте оптоэлектрический датчик в положение, соответствующее новому положению равновесия груза. При каждом новом измерении на графике Период – Масса добавляются точки.

После проведения трех измерений по совокупности этих точек строится аппроксимирующая кривая вида , где a — коэффициент пропорциональности. Рассчитанная по этой зависимости жесткость пружины отображается в поле Жесткость (рис.2)

 Примечание. При необходимости аппроксимацию зависимости периода колебаний от массы груза можно уточнить, продолжая проводить измерения с текущей пружиной. При добавлении новых данных аппроксимирующая кривая на графике Период – Масса будет проводиться через все измеренные точки заново. В поле Жесткость будет выводиться уточненное значение жесткости текущей пружины.

Анализ результатов

Проанализируйте измеренную зависимость периода колебаний от массы груза. Предложите учащимся дать качественное объяснение этой зависимости.

Повторные измерения

Выберите для измерений новую пружину и подвесьте на ней один из грузов, использовавшихся в предыдущем опыте.

Переместите оптоэлектрический датчик в положение, соответствующее положению равновесия груза.

Нажмите на кнопку Новая пружина. При этом номер пружины в поле Текущая пружина увеличится на единицу. 2.

Повторите измерения по пунктам 1–4 раздела «Проведение измерений». Результаты измерений и аппроксимирующие зависимости для новой пружины будут отображаться на графике Период – Масса одновременно с уже имеющимися данными. В поле Жесткость будет занесена жесткость новой пружины.

Проведите измерения для двух-трех пружин.

Примечание. Если измерения, проведенные с какой-либо пружиной, окажутся неудачными, выберите номер этой пружины в поле Текущая пружи-на и нажмите кнопку Очистить. Соответствующая кривая на графике Период – Масса будет удалена, поле Жесткость также очистится.

Анализ результатов

Проанализируйте аппроксимирующие кривые на графике Период – Масса. Обратите внимание учащихся на то, что эти кривые соответствуют пружинам разной жесткости. Предложите учащимся сделать вывод о том, как зависит период колебаний груза от жесткости пружины.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2

Цель:

Построение графика зависимости координаты колеблющегося тела и скорости от времени.

\ Монтаж и настройка.

1.     К штативу, установленному на столе, прикрепляется пружина 1 с подвешенным на ней грузом известной массы 2.

2.     На уровне груза, находящегося в положении равновесия, на демонстрационном столе под грузом располагается датчик расстояния 5 (рис. 3).  Переключатель на датчике расстояния установите в положение Normal.

3.     Расположите датчик расстояния таким образом, чтобы расстояние между гирей и датчиком составило не менее 75 см.

4.     Подключите устройство измерения и обработки данных LabQuest (6) к компьютеру с помощью USB-кабеля.

5.     Подключите датчик расстояния 5  к цифровому входу устройства измерения и обработки данных LabQuest (6).

6.     Запустите программу Logger Pro.

Проведение эксперимента.

1.     Нажмите кнопку Эксперимент, выберите Обнулить.

2.     Сместите груз вертикально вниз от положения равновесия на 3–5 см и отпустите его.

3.     Нажмите кнопку Измерения. При этом программа начинает  строить график зависимости координаты от времени и график зависимости скорости от времени (рис. 4)

4.     Можно изменить масштаб графков (рис. 5). Для этого нажмите правую  кнопку мыши  и выберите Автомасштаб.

Анализ результатов.

Обращаем внимание учащихся, что график зависимости координаты от времени и график зависимости скорости от времени представляют собой  гармоническую функцию, синусоида или косинусоида

Используя графики можно определить характеристики колебательного движения: амплитуду, период, частоту колебаний.

ЭКСПЕРИМЕНТ «ДЕМОНСТРАЦИЯ ПЕРЕХОДА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ В КИНЕТИЧЕСКУЮ И ОБРАТНО (НИТЯНОЙ МАЯТНИК)»

Цель: Экспериментально проверить закон сохранения механической энергии и продемонстрировать переход потенциальной энергии в кинетиче-скую и обратно при свободных колебаниях нитяного маятника.

1.     Обратим внимание, что после нескольких периодов колебаний груза в полях Период, Длина нити и Амплитуда появляются рассчитанные значения перечисленных величин.

2.     На вкладке Диаграммы при перемещении курсора на графике «Смещение–Время» вдоль оси времени на столбчатых диаграммах отображаются значения потенциальной энергии Еп, кинетической энергии Ек и полной механической энергии Е груза в выбранный момент времени.

3.     На вкладке Графики на графике «Энергия–Время» разноцветными линиями отображаются зависимости потенциальной энергии Еп, кинетической энергии Ек и полной механической энергии Е груза от времени.

4.     При выборе на схематическом изображении маятника одного из трѐх фиксированных положений на столбчатых диаграммах отображаются значения потенциальной энергии Еп, кинетической энергии Ек и полной механической энергии Е груза, соответствующие этому положению маятника, которое также будет указано на графике «Смещение–Время» курсором.

5.     Во время проведения измерений все данные выводятся в виде графиков и столбчатых диаграмм. Никаких дополнительных действий для проведения анализа не требуется. Обратите внимание учащихся на зависимость от времени суммы потенциальной и кинетической энергий груза, особенно в крайних и центральном положениях маятника. Используя измеренные значения амплитуды колебаний маятника, длины нити и массы груза, рассчитайте максимальные значения кинетической и потенциальной энергий маятника и сравните со значениями на графике. Обсудите с учащимися результаты опытов и обобщите их.

 Работа с компьютерами и цифровым оборудованием –

Ø усиливает познавательный интерес учащихся,

Ø повышает  наглядность урока,

Ø стимулирует учащихся к творчеству,

Ø формирует универсальные умения и навыки,

Ø способствует объединению всех предметных знаний в единую картину мира и формирует потребности в дальнейшем профессиональном образовании, что полностью отвечает целям и задачам стандартов нового поколения.

Процесс внедрения цифрового оборудования в практику сопряжен с различными проблемами:

Ø  Отсутствие технического, методического и дидактического сопровождения для цифровых устройств.

Ø  Требуется больше дополнительно готовиться к уроку, недостаток времени.

Ø  Рекомендованные “руководством” эксперименты требуют адаптации к действующим учебным программам, упрощения техники их выполнения.

Ø  Нужна поддержка соответствующих технических специалистов, лаборантов.

Ø  Учет множества деталей и обстоятельств, способных повлиять на корректную работу приборов.