Материалы к уроку "Моделирование физических явлений"

Моделирование физических явлений

Переверзева Елена Геннадьевна (e.pereverzeva@bk.ru)

Муниципальное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа №1 Курского муниципального района Ставропольского края (МОУ СОШ №1 ст. Курской)

Информатика, урок обучения умениям и навыкам, урок-практикум, урок-исследование.

Моделирование физических явлений

1 урок 45 минут, 9 класс

АРМ учителя, компьютерный класс, EduMandriva 2010, Windows, электронные таблицы:  Gnumeric,  Exsel

Наука начинается с тех пор, как начинают измерять.

Д. И. Менделеев

Аннотация к уроку

На уроке «Моделирование физических явлений» в 9 классе представлены идеи метапредмета «Задача» и «Знак, использована техника перевода проблем в задачи,  поиск  средств решения, анализ и прогнозирование результата.

Комментарии к уроку: ▲

Структура урока включает этапы: организационный, постановки цели, проверки домашнего задания и актуализации знаний, выполнение задач стандартного типа, затем реконструктивно-вариативного типа, творческого типа, контроля сформированности умений и навыков, определения домашнего задания.

Сначала ученики занимаются воспроизводящей деятельностью. Затем выполняют задания, требующие владения обобщенными умениями и элементами переноса знаний и способов деятельности в новые ситуации. На этом этапе применяется дифференцированно-групповая форма обучения. Далее - выполнение творческих задач, а в конце урока - творческая деятельность.

Цель - научить учащихся основам моделирования, переводя проблемы в задачи, используя в качестве инструмента обработки результатов электронные таблицы.

Задачи:

образовательные: выработать умение использовать функции и математические формулы для вычислений и построения графиков; научить владению приемами чтения и анализа построенных графиков; углубить знание о функциональных зависимостях, о процессах, происходящих на планете Земля.

воспитательные: показать роль человеческой деятельности в процессах, происходящих на нашей планете; вовлечь в активную практическую деятельность; способствовать воспитанию природоохранного и экологического сознания; создавать объективную основу для воспитания и любви к родному краю; совершенствовать навыки общения.

развивающие: продолжить формировать умения работать с дополнительной литературой; выступать перед аудиторией, формировать критическое мышление; умение анализировать, выделять главное, обобщать и делать выводы.

Ход урока:

I. Цель урока: на уроке мы создадим модели физических явлений в электронных таблицах.

Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Д. И. Менделеев

▲ Слайды 2, 3- на слайдах фото автора, лаборатории СГУ 2010г., современные исследования.

II. Проверка домашнего задания - тест «Основные свойства моделей и моделирования»:

▲ Слайд 4. учащиеся индивидуально  работают с тестом (Приложение 2)

1.     А и В модели некоторого объекта. Модель А лучше модели В, если…

a)     она более формальна, чем В

b)    больше соответствует цели моделирования

c)     ее разработка дешевле, чем В

2.     Моделирование — это: процесс...

a)     демонстрации моделей одежды в салоне мод;

b)    неформальной постановки конкретной задачи;

c)     замены реального объекта моделью, отражающей его существенные признаки

3.     Модель — это:

a)     фантастический образ реальной действительности;

b)    объект, отражающий существенные характеристики;

c)     информация о несущественных свойствах объекта

4.     Процесс построения модели, как правило, предполагает:

a)     выделение наиболее существенных с точки зрения решаемой задачи свойств объекта;

b)    описание всех свойств исследуемого объекта;

c)     выделение не более трех существенных признаков

5.     При изучении объекта реальной действительности можно создать:

a)     несколько различных видов моделей, каждая из которых отражает те или иные существенные признаки объекта;

b)    одну единственную модель;

c)     точную копию объекта во всех проявлениях его свойств и поведения.

III Анализ ответов теста

▲ Проверка работы осуществляется выведением на экран результата работы отдельных учеников. Вопросы  проблемные, поясняя свой выбор примерами, учащиеся анализируют, что такое модель, какими свойствами она должна обладать, как ее создать:

А и В модели некоторого объекта. Модель А лучше модели В, если…

Моделирование — это: процесс...

Модель — это:

Процесс построения модели, как правило, предполагает:

При изучении объекта реальной действительности можно создать:…

▲ Вывод, который могут  сделать учащиеся:

Для изучения явлений, физики строят модель, в которой выделяют главные и существенные свойства объекта. Исследуют явления, измеряя величины, находят между ними связь, которую можно выразить в виде формул. См. об этом [1]

IV. Построение и исследование моделей.

Чтобы понять, как физики устанавливают взаимосвязь величин при изучении явлений, рассмотрим движение тела по наклонной плоскости.

▲ Учащиеся смотрят видеозапись[2]  (Приложение 3А, 3), рассуждают, анализируют, делают выводы, отвечая на вопросы (слайд 5,6):

Отличаются ли эти два вида движения?

Что можно измерить при движении тела? Как? Какими приборами?

▲ Численные значения для построения модели взяты из видеозаписи опыта «Движение тела по наклонной плоскости». Учащиеся выполняют индивидуальное задание, анализируют  результаты эксперимента:

1. Открыть программу электронные таблицы (Gnumeric, Exsel и т.д.) для записи результатов опыта: значений времени (t, c) и перемещения (S, cм) (Таблица 1).

2. Для исследования движения построить графическую модель (Приложение 4), используя Мастер диаграмм.

▲Слайд 7. Данные эксперимента и  график зависимости  S(t) в программе Gnumeric,  Exsel.

3. Анализ модели:

▲ Слайд 8, 9. Графиком является парабола, значит квадратичная зависимость.

S ~k t²,  найдем коэффициент k, используя формулу в электронных таблицах: =B3/С3 и функцию автозаполнения, заполним столбец D, получаем различные значения k!       

▲ Учащиеся рассуждают, ищут причины, выдвигают гипотезы:

§  неправильно вычислили значение k;

§  неправильно измерили;

§  неверно̀ предположение о квадратичной зависимости и т. д.

Известно, что в результате любого измерения существует погрешность измерения, связанная с приборами, поэтому необходимо проанализировать результаты опыта и оценить, могут ли они входить в область, которой можно доверять.

Рассчитаем абсолютную погрешность измерения для  пути Δ= Sтеор- Sэкс (=E3-B3, разность экспериментального и теоретического значения);

Относительная погрешность измерения: δ= Δ/ S

Значения относительной погрешности позволяют считать коэффициент k = 7 с определенной степенью точности.

▲ Слайд 10 . Продолжаем исследовать движение тела по графику и уравнениям движения S(t)= v₀t +a t²/2, S(t)= 7 t². Необходимо определить начальную скорость, ускорение и сделать вывод о правильности результата.

▲ Слайд 11. По результатам модели проанализировать, где будет тело в следующую секунду, используя возможности электронных таблиц построить линию тренда и сравнить с теоретическими (расчетными значениями по уравнению движения).

▲ Слайд 12 Учащиеся выделяют основные этапы построения модели.

Этапы построения модели:

•         Исследовать результаты опыта (построили график, определили вид движения, равноускоренное)

•         Формализация модели (нашли зависимость S(t)= 7 t²)

•         Анализ модели движения тела

•         Прогнозирование. Рассчитали значение ПУТИ ДЛЯ 5-ой секунды, используя линию тренда в электронных таблицах и уравнение движения S(t)= 7 t²

V. Модель деградации Вечной Мерзлоты.

▲Слайд 13-29. Творческая работа учащихся. Учащиеся работают с материалом (Приложение5) «Проблема деградации Вечной Мерзлоты». Размеры Вечной Мерзлоты на территории РФ -11 млн.км² , площадь России – 17 млн.км ², (площадь Ставропольского края – 66 160 км²) в районах Вечной Мерзлоты построены города, которые были рассчитаны на то, что мерзлота будет ВЕЧНО, но глобальное потепление, происходящее сегодня, заставляет ученых строить различные модели деградации Вечной Мерзлоты.

▲ Как видно из исследований последних лет (3, 4, 5, 6)

▲ На слайдах 22 – 29, представлены основные этапы работа в группах и индивидуальной работы учащихся. (Приложение 6)

Первый этап – отвечая на вопросы:

§  Зачем ученые строят модели долгосрочных прогнозов изменения климата?

§  К каким результатам пришли ученые в результате моделирования?

§  Предложите, какую величину можно рассчитать, используя данную информацию,

учащиеся анализируют  задачи и цель моделирования.

▲ Второй этап: Определяется вид и форма представления информационной модели (компьютерная программа).

1. Построить график зависимости изменения площади ВМ в зависимости от года S(t), где млн км2/год

2. Дополнительно, определить скорость деградации ВМ.

▲ Информацию учащиеся представляют в виде отчета в текстовом документе, вычислений, графиков в электронной таблице.

Третий этап – анализ модели, определение согласно модели времени исчезновения ВМ. Уточнение границы применимости модели.

VI. Итог урока, выставление оценок

VII. Домашнее задание

•         Гл. 5.4 «Информатика» Угринович 9 класс

•         Информацию представить в виде:

•         Отчет «Модель деградации ВМ» в текстовом документе

•         Вычисления, графики в электронной таблице.

•         Презентация «модель Вечной мерзлоты»

•         Дополнительно: презентация «Линейные и квадратичные функции в математике и физике»

Просто анекдот:

Пригласили биолога, статиста и физика, чтобы каждый за 100 тыс. долларов придумал способ предсказания исхода скачек. Результаты:

Биолог:

- Я разработал таблицу, по которой, зная биологические данные коней, можно предсказать победителя.

Статистик:

- Я построил регрессию, по которой, зная предыдущие забеги, можно предсказать коня-победителя.

Физик:

- Мне нужно для работы еще два года и 1 млн. долларов, а к настоящему моменту я построил модель, позволяющую предсказать победу сферического коня в вакууме.

Литература

1. Угринович Н.Д. Информатика и ИКТ : учебник для 9 класса / Н. Угринович - Москва, БИНОМ, Лаборатория знаний 2011 г.

2. Физика и астрономия 7 - 9 класс [Электронный ресурс]: Комплект цифровых образовательных ресурсов к учебникам "Физика и астрономия"  А.А.Пинского и др.(ЗАО «Просвещение - МЕДИА»), 2007. - Физика 9 класс - «Законы Ньютона», эл. опт. диск (CD-ROM). – URL http://video.mail.ru/bk/e.pereverzeva/36/37.html Дата обращения: 01.09.2011

3.  Анисимов, О.А., Лавров, С.А., 2004. Глобальное потепление и таяние вечной мерзлоты: оценка рисков для производственных объектов ТЭК. Технологии ТЭК (3): 78-83. – URL http://permafrost.su/storage/files/articles/oil&c_f2.pdf Дата обращения: 01.09.2011

4. Болота вечной мерзлоты тают / «Вокруг света» Новости – URL http://www.vokrugsveta.ru/news/4804/ Дата обращения: 01.09.2011

5. В.П. Мелешко и др., Климат России в XXI веке: Часть 3: Будущие изменения климата, рассчитанные с помощью ансамбля моделей общей циркуляции атмосферы и океана CMIP3 // Метеорология и гидрология. –2008. – № 8. – С. 5–19.

 6. Шерстюков Б.Г. ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ECHAM4, HADCM3 И CGCM2 ПО ДАННЫМ НА ТЕРРИТОРИИ РОССИИ/ Общие сведения о физико-математических моделях климата и проблемы моделирования – URL

http://www.meteo.ru/publish_tr/trudy175/st1.pdf Дата обращения: 01.09.2011

Урок  «Моделирование физических явлений»/ Переверзева Е.Г. – URL https://docs.google.com/document/d/1_uJH6J9UB_lMqDMkDRQI6dx0jMaZrzDIHDG-hcR_KSQ/edit?hl=en_US

Приложение 1/ Презентация «Модель деградации Вечной Мерзлоты»/ к уроку  «Моделирование физических явлений» /Переверзева Е. Г– URL 

https://docs.google.com/present/edit?id=0AXzz8Up1mzEzZGM3ZGdmOG1fMGZqbnY0N2Zx&hl=en_US

Приложение 2/ Тест «Модель»/ к уроку  «Моделирование физических явлений» /Переверзева Е. Г. – URL1

https://docs.google.com/spreadsheet/ccc?key=0Anzz8Up1mzEzdG9HaWhYanVST2U5ZTBrOXREaEZNVEE&hl=en_US#gid=0

– URL 2

https://docs.google.com/spreadsheet/gform?key=0Anzz8Up1mzEzdG9oTU1ldmQ5MllRTWlTanE2alZCc3c&hl=en#style

Приложение 3/ Видеозапись «Равноускоренное движение по наклонной плоскости»/ к уроку  «Моделирование физических явлений» /Переверзева Е. Г. – URL

https://docs.google.com/leaf?id=0B3zz8Up1mzEzYjY3ODIzMzYtMDZhNC00M2E4LTg4ZTMtZGRkNzgyNzQzMWE5&hl=en_US

Приложение 3А/ Видеозапись «Плазменная лампа»/ к уроку  «Моделирование физических явлений» /Переверзева Е. Г. – URL

https://docs.google.com/leaf?id=0B3zz8Up1mzEzMDUwMTU4NmYtYzdjMC00ZjE0LThjMjctNThlMWFlZTRhOGI5&hl=en_US

Приложение 4/ Электронные таблицы «Модель равноускоренного движения» / к уроку  «Моделирование физических явлений» /Переверзева Е. Г. – URL

https://docs.google.com/spreadsheet/ccc?key=0Anzz8Up1mzEzdF9SdVd2UlpQRVpIb2J5YUtfR09ZVFE&hl=en_US#gid=0

Приложение 5/ Текст для самостоятельного изучения. Модель деградации Вечной Мерзлоты/ к уроку  «Моделирование физических явлений» /Переверзева Е. Г– URL  https://docs.google.com/document/d/1iTrHw102qTCo4Y7lgX5F2-J392TDADMAfExuwxuY5Pk/edit?hl=en_US

Приложение 6/ Электронные таблицы «Модель деградации Вечной Мерзлоты» / к уроку  «Моделирование физических явлений» /Переверзева Е. Г. – URL

https://docs.google.com/spreadsheet/ccc?key=0Anzz8Up1mzEzdGRzSkVTS0psbmlzY1JjaHUyblZSVEE&hl=en_US#gid=0

Приложение 5

к уроку  «Моделирование физических явлений» /Переверзева Е. Г. – URL https://docs.google.com/document/d/1_uJH6J9UB_lMqDMkDRQI6dx0jMaZrzDIHDG-hcR_KSQ/edit?hl=en_US

Модель деградации Вечной Мерзлоты.

Моделирование.

Первый этап – постановка задачи, цель моделирования.

Внимательно прочитайте предложенный материал о деградации Вечной Мерзлоты.

Площадь России – 17, 075 200 млн км ²

Площадь Сибири – 13, 1 млн км ²

Площадь Вечной Мерзлоты на территории РФ - 11 млн км ²

Площадь Ставропольского края – 66 160 км ²

В районах распространения вечной мерзлоты на территории РФ сосредоточено более 80% разведанных запасов нефти, около 70% - природного газа, огромные залежи каменного угля и торфа, создана разветвленная инфраструктура объектов ТЭК. Для расположенных в этих районах сооружений (дорог, нефте- и газопроводов, резервуаров, площадок нефтегазопромысловых объектов, зданий и др.) наибольшую опасность представляет таяние вечной мерзлоты. Многие из них построены на свайных фундаментах, используют многолетнемерзлый грунт в качестве оснований и рассчитаны на эксплуатацию в определенных температурных условиях. В результате таяния вечной мерзлоты возможны массовые деформации зданий и сооружений, построенных без учета климатического потепления

В XX столетии средняя годовая температура воздуха в среднем по Земле увеличилась приблизительно на 0,6°C. Такие изменения температуры не имели места на протяжении, по крайней мере, 1000 предыдущих лет.

Расчеты, проведенные с использованием пяти различных долгосрочных прогнозов изменения климата, дали следующие результаты. В ближайшие 25-30 лет площадь вечной мерзлоты может сократиться на 10%-18%, а к середине столетия на 15%-30%, при этом ее граница сместится к северо-востоку на 150-200 километров.

ТАБЛИЦА: Расчетные значения общей площади вечной мерзлоты и зоны

сплошного распространения (сомкнутость более 90%) многолетнемерзлых пород

(млн. км2 и % от современной) для 2030г. и 2050г. по пяти прогнозам климата.

Ответьте на вопросы:

Зачем ученые строят модели долгосрочных прогнозов изменения климата?

К каким результатам пришли ученые в результате моделирования?

Предложите, какую величину можно рассчитать, используя данную информацию.

Второй этап:

Определяется вид и форма представления информационной модели (компьютерная программа).

Информацию представить в виде:

Отчет в текстовом документе

Вычисления, графики в электронной таблице.

Третий этап – анализ модели, определение согласно модели времени исчезновения ВМ.

Уточнение границы применимости модели.

– URL  https://docs.google.com/document/d/1iTrHw102qTCo4Y7lgX5F2-J392TDADMAfExuwxuY5Pk/edit?hl=en_US