авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГАОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБЛАСТНОЙ СОЦИАЛЬНО- ГУМАНИТАРНЫЙ ИНСТИТУТ» ...»

-- [ Страница 4 ] --

Таблица 0,3 0,5 0,7 0,8 0,9 1 1,15 1,25 1,42 1,63 1,85 1, r,, T 10,1 18,3 30,4 39,7 62,3 84,3 105,2 106,1 81,1 47,8 26,2 19, Краткие теоретические сведения В настоящее время образовательный процесс стал значительно эффектив нее благодаря применению информационных технологий. Расчёт оптимальных технологических параметров оборудования, например, может быть выполнен в ходе решения оптимизационных задач. Одной из них является задача поиска энергетической светимости, определения значений рабочей температуры обо рудования для сушки.

Алгоритм решения задачи следующий:

– по экспериментальным данным построить график, получить тренд зави симости;

– для полученного тренда определить коэффициент аппроксимации и ана литическое выражение;

– провести оптимизацию и поиск длины волны (m), при которой излуча тельная способность r T максимальна;

– из закона смещения Вина рассчитать температуру спирали, когда излучение мак 150 Физика. Методика обучения физике симально;

– провести проверку расчёта излучательной способности лампы с использованием закона Вина.

Порядок выполнения задания.

1-й этап: по экспериментальной зависимости r,T от (см. таблицу), построить гра фик («точечная») в MS Excel (рис. 3) с помощью «Мастера диаграмм».

2-й этап: построить тренд для экспериментальной зависимости (рис. 3) и провести анализ его адекватности по величине коэффициента аппроксимации.

3-й этап: получить аналитическое уравнение тренда (рис. 3) и разместить текущее значение и уравнение в рабочих ячейках (В6 и С6 соответственно).

4-й этап: сделать С6 целевой ячейкой и применить функцию – оптимиза тор для определения m (через транспарант «Сервис»).

5-й этап: сформировать «Отчёт по результатам» и применить значение m для расчёта температуры (Т) спирали лампы накаливания (рис. 4).

6-й этап: использовать закон смещения Вина для расчёта температуры 2,9 10 С лампы накаливания: Т = = = 2420К.

m 1,2 10 7-й этап: рассчитаем величину максимальной излучательной способности:

( ) r,m = C2 T 5 = 1,29 105 24205 = 108 1010 Вт / м Размещение текущего значения и уравнения оптимизации (С6).

Рис. 3.

Физика. Методика обучения физике Отчёт по результатам (оптимальное значение m = 1, 23 мкм).

Рис. 4.

8-й этап: определим значение энергетической способности Rэ лампы, применив закон Стефана-Больцмана:

RЭ = Т 4 = 5,67 108 (2420) 4 = 8,3 1016 5,67 108 = 4,7 109 Вт / м W, а значит: P = RЭ dS ;

таким образом, зная размеры 9-й этап: RЭ = dS dt спирали накаливания (dS) можно рассчитать оптимальную мощность лампы для сушки краски. В нашем случае dS = 100 мм2. Следовательно, Р=4,7·109.100·10-6 = 4,7·105 Вт = 470 кВт.

Предлагаемый подход изучения закономерностей теплового излучения продемонстрировал высокий коэффициент эффективности, превышающий уровень стандартного образовательного процесса более чем на 20%.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ СТУДЕНТОВ ПРИ ИЗУЧЕНИИ КУРСА «ФИЗИКА» С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИКТ Муравьева С. Б.

Брянск, Брянский государственный университет им. акад. И. Г. Петровского Отличительной чертой современного общества является увеличение объ емов информации, ее форм и видов, повсеместное применение коммуникаци онных и информационных технологий. Система образования не остается в сто роне, в ней происходит качественное изменение методов и форм обучения. Се 152 Физика. Методика обучения физике годня в системе высшего профессионального образования вводятся государст венные образовательные стандарты третьего поколения, которые делают ак цент на компетентностный подход в обучении. В общих требованиях к уровню образованности отмечается, что выпускник должен быть способным к само стоятельным действиям в условиях неопределенности и обладать стремлением к самосовершенствованию, стремиться к творческой самореализации. К сожа лению, стандарты не содержат механизмов формирования качеств творческой деятельности.

Для реализации этой цели необходимо создать условия, при которых студенты начнут охотно пользоваться приобретенными знаниями для решения познавательных и практических задач, работая самостоятельно или в группах.

Исследовательская работа, встроенная в учебный процесс, направлена на акти визацию процесса обучения. Она обеспечивается выполнением учебных иссле довательских работ, лабораторных и практических заданий с элементами ис следовательской деятельности.

Исследовательская работа может и дополнять учебный процесс. Одной из форм организации научно-исследовательской деятельности студентов явля ется участие в работе инновационного научно-образовательного центра (ИНОЦ) компьютерных технологий и автоматизированного конструкторско технологического проектирования, созданного на факультете технологии и ди зайна Брянского государственного университета им. акад. И. Г. Петровского.

Эта деятельность предполагает самостоятельную работу вне рамок непо средственного процесса обучения. Она включает в себя выполнение студента ми индивидуальных научных исследований под руководством преподавателя, подготовку докладов по результатам исследований на студенческих научных конференциях, а также публикацию результатов их исследовательской работы.

В период с 2010 по 2013 годы в работе ИНОЦ приняли участие студенты и аспиранты различных вузов г. Брянска: студенты специальностей «Профес сиональное обучение. Вычислительная техника и компьютерные технологии», Физика. Методика обучения физике «

Защита в чрезвычайных ситуациях» факультета технологии и дизайна Брян ского государственного университета, специальности «Энергетическое маши ностроение» факультета энергетики и электроники Брянского государственно го технического университета.

Итогом работы явилось создание комплекта электронных плакатов и ин терактивное учебное пособие для решения задач по дисциплине «Физика»

(раздел «Электромагнитные явления»).

Выбор темы исследования был обусловлен тем, что изучение электро магнитных явлений является важной составляющей в изучении курса физики.

Трудность изучения электромагнитных полей заключается в том, что поля не воспринимаются органами чувств человека, их невозможно увидеть и осязать.

Как электромагнитные поля расположены в пространстве, как действуют на различные объекты представить трудно. С целью наглядного представления электромагнитных полей использовались компьютерные средства для разра ботки интерактивных моделей.

В результате разработки студентами электронных плакатов и интерак тивных моделей появилась возможность создания интерактивного методиче ского пособия по теме «Электромагнитные явления». Оно включает в себя ме тодические указания к проведению лекций и семинарских занятий, а также ви зуализацию информации по данной теме.

Например, при изучении темы «Конденсаторы. Соединение конденсато ров в цепи» раздела «Основные законы электростатики» наибольшую труд ность вызывает решение задач на смешанное соединение конденсаторов в це пи, которое предполагает построение эквивалентных схем, упрощающих ис ходную. С помощью анимационных моделей можно значительно упростить ход решения задачи.

В данном разделе сначала представлена исходная схема смешанного со единения конденсаторов. Далее строится цепочка эквивалентных схем, что значительно упрощает исходную схему. Для закрепления материала предлага 154 Физика. Методика обучения физике ется задача на смешанное соединение конденсаторов известной электроемко сти отработанным методом.

При изучении темы «Магнитное поле» важно пространственное пред ставление его силовых линий и основной характеристики – вектора магнитной индукции. Основными источниками магнитного поля являются постоянные магниты и проводники с током. Т. к. вектор магнитной индукции расположен в плоскости, перпендикулярной проводнику, то графическое изображение его всегда вызывает трудности у студентов.

В разделе «Магнитное поле и его характеристики» сначала дается изо бражение линий магнитного поля на примере прямого проводника с током. За тем изображается зависимость направления магнитной индукции от направле ния тока в проводнике. Для определения направления магнитных линий ис пользуется правило «правой руки». Если магнитное поле создано двумя про водниками, то результирующее магнитное поле находится по принципу супер позиции, т. е. складываются вектора магнитной индукции каждого из провод ников.

Для количественного расчета магнитной индукции используется форму ла для нахождения индукции магнитного поля прямого тока и иллюстрируется пример решения задачи. Задача подобрана таким образом, чтобы показать, что проводники с различными токами могут нейтрализовать созданные ими маг нитные поля. Решением показывается, что результирующая магнитная индук ция может равняться нулю в некоторой точке пространства между ними.

Каждый раздел пособия содержит задачи с подробным решением и кон трольные вопросы. Интерактивное пособие использовалось на лекционных и семинарских занятиях по физике в качестве дидактического материала, что по зволило увеличить качество знаний по изучаемым темам.

Участие студентов в работе инновационного научно-образовательного центра формирует особый стиль умственной деятельности, творческую актив ность и самостоятельность студентов, что способствует подготовке компетент Физика. Методика обучения физике ного специалиста, востребованного на рынке труда.

Литература 1. Гасов, В. М., Цыганенко, А. М. Методы и средства подготовки электронных изданий: учебное пособие. – М. :МГУП, 2001. – 375 с. http://www.hi-edu.ru/x books/xbooks081/ 2. Кечиев, Л. Н., Путилов, Г. П., Тумковский С. Р. Информационно образовательная среда технического вуза. // http://rtuis.miem.edu.ru ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТУННЕЛЬНОГО ЭФФЕКТА С ПО МОЩЬЮ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТУННЕЛЬНОГО ДИОДА Официн С. И., Шапошников А. В.

Рязань, «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П. А. Костычева»

Практическим воплощением теоретических основ наноэлектроники можно считать туннельный эффект в работе туннельного диода, в котором при высокой концентрации носителей заряда ширина р-п – перехода достигает примерно 10-8 м.

В работе описано лабораторное исследование туннельного эффекта в по лупроводниковом туннельном диоде. Целью данной работы является ознаком ление с туннельным эффектом при работе туннельного диода.

Достижению поставленной цели способствует решение следующих ис следовательских задач:

1. Изучение физических основ туннельного эффекта и принципа работы туннельного диода.

2. Снятие вольт-амперной характеристики туннельного диода, включенного в прямом направлении.

3. Снятие вольт-амперной характеристики туннельного диода, включенного в обратном направлении.

4. Построение графика зависимости I(U) и определение с его помощью диф ференциального сопротивления р-п – перехода на выбранном участке «падаю 156 Физика. Методика обучения физике щей» кривой.

5. Оформление отчета о проведенном исследовании с ответами на контроль ные вопросы.

Рассмотрим экспериментальную часть работы.

Для проведения исследования требуется следующее оборудование и ма териалы: полупроводниковый туннельный диод 3И306К, источник постоянно го тока напряжением 1,5 В (элемент АА 2015), 2 мультиметра М890G (милли амперметр и милливольтметр), ключ, переменный резистор сопротивлением 1,5 кОм, соединительные провода, лист миллиметровой бумаги формата А4.

Предложим следующий порядок выполнения работы и обработки ре зультатов измерений.

1. Для получения прямой ветви вольт-амперной характеристики туннель ного диода соберем электрическую цепь по схеме, изображенной на рис. 1.

Рис. 1. Схема включения туннельного диода в прямом направлении.

Включим установку и произведем измерения силы тока, плавно изменяя с помощью потенциометра напряжение на туннельном диоде, с интервалом 5 мВ. Такой интервал напряжения приемлем до значений Imax и Umax, после ко торых наблюдается резкое уменьшение силы тока при увеличении напряжения.

Данные измерений физических величин приведены в табл. 1.

Продолжим измерения силы тока с интервалом 30 мВ. Данный интервал напряжения целесообразен до значения Umin, за границей которого вольт амперная характеристика туннельного диода соответствует режиму работы обыкновенного полупроводникового диода.

Физика. Методика обучения физике Таблица 1. Результаты эксперимента Номер опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 U, 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 мВ I, 0, 1, 1, 1, 2, 3, 3, 3, 4, 4, 4, 4, 5, 5, 5, 1, 2, 4, мА 2. Для снятия обратной ветви вольт-амперной характеристики туннель ного диода соберем электрическую цепь по схеме, представленной на рис. 2.

Рис. 2. Схема включения туннельного диода в обратном направлении.

Включим установку и произведем измерения силы тока, плавно изменяя с помощью потенциометра напряжение на туннельном диоде, с интервалом 5 мВ до значения 50 мВ. Данные измерений физических величин приведены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты эксперимента Номер 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 опыта U, мВ 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 I, мА 0 0,55 1,13 1,62 2,31 2,82 3,52 4,2 4,89 5,75 6, Построим на миллиметровой бумаге вольт-амперную характеристику туннельного диода, используя данные табл. 1 и 2. По графику (рис. 3) опреде лим характерные параметры туннельного диода: Imax, Imin, Umax, Umin.

158 Физика. Методика обучения физике Рис. 3. Вольт-амперная характеристика туннельного диода 3И306К.

Итоговые значения физических величин занесем в табл. 3.

Таблица 3. Основные параметры туннельного диода.

Imax, Imin, Umax, Umin, мА мА мВ мВ 5,26 1,14 85 Произведем расчет дифференциального сопротивления «падающего»

участка кривой (рис. 3), используя формулу:

Rd=.

Rd= =1,21 (Ом) Сделаем вывод по результатам проведенного исследования с ответами на следующие контрольные вопросы:

1. Объясните, в чем заключается физическая сущность туннельного эф фекта.

2. Расскажите, каков физико-технический принцип работы туннельного диода.

3. Обоснуйте, выполняется ли закон Ома для полупроводникового тун нельного диода.

4. Назовите существенные отличия туннельного диода от обыкновенного полупроводникового диода.

Физика. Методика обучения физике 5. Изобразите и поясните вольт-амперную характеристику туннельного диода.

6. Укажите основные положения статистики электронов в полупроводни ках.

7. Назовите ключевые параметры туннельного диода.

8. Приведите примеры использования туннельного диода в электронных устройствах, например, систем электроснабжения.

9. Рассчитайте дифференциальное сопротивление р-п – перехода туннель ного диода, используя график зависимости I(U), на участке от 20 мВ до 25 мВ.

10. Назовите дополнительную литературу, которая способствовала успеш ному решению поставленной цели и предложенных задач лабораторного ис следования.

Литература 1. Игнатов А. Н. Микросхемотехника и наноэлектроника : Учебное пособие. – СПб. : Издательство «Лань», 2011. – 528 с.

СОВРЕМЕННЫЕ СРЕДСТВА ИКТ И ИНТЕРЕС К ИЗУЧЕНИЮ ФИЗИКИ Петрова Е. Б.

Московский педагогический государственный университет В последнее время стало ясно, что первоначальная эйфория по поводу внедрения средств ИКТ начинает проходить, а, следовательно, пора заняться серьезным анализом результатов их использования в образовании.

Современный человек не мыслит себя без мобильных средств связи, компьютера, сенсорных систем управления бытовыми устройствами и пр.

Удобства, которые привнесены этими устройствами в нашу жизнь, неоспори мы. Но так ли хороша столь интенсивная информатизация для человека? Ведь как у всякого явления, наверное, имеется и отрицательная сторона. Рассмотрим некоторые соображения по этому поводу, связанные с образованием, опираясь 160 Физика. Методика обучения физике на исследования психологов.

В настоящее время психологи интенсивно исследуют процессы, проис ходящие в психике человека, который постоянно работает с компьютером. По чему именно теперь? Очевидно, потому что выросло уже целое поколение с начала активного использования ИКТ, и теперь можно подвести некоторые итоги. Проблема имеет два аспекта: исследование людей, работающих с ком пьютером в процессе формального обучения, и тех, кто погружен в мир ком пьютерных игр. Нас будет интересовать только образовательный аспект, кото рому посвящено уже немало работ, обзор которых дан в [1]. Кратко изложим основные выводы этих работ. В процессе развития когнитивных умений про исходит перераспределение нагрузки между различными участками мозга. Так, в процессе общения с электронными средствами информации у человека улучшается способность выполнять работу, связанную с отслеживанием мно жества одновременных сигналов, и растет скорость ответных реакций на них.

Однако это сопровождается торможением когнитивных процессов, связанных со способностью концентрировать внимание, развитием критического мышле ния и воображения, и т. п.

Прежде всего, настораживает вывод, который сделали психологи: у че ловека, интенсивно работающего с компьютером, изменяется тип мышления.

Раньше, читая книги, человек имел возможность обдумывать прочитанное, на основе анализа текста делать какие-то выводы. Темп жизни был совсем иным и располагал к вдумчивой работе. По мнению психологов, при этом была задей ствована область мозга, ответственная за глубинное мышление. Деятельность многих современных людей сводится к перелистыванию страниц Интернета и поиску на них нужной информации. За эту деятельность ответственна другая область мозга. Видимо поэтому постепенно могут быть утрачены некоторые мыслительные способности.

Умение концертировать внимание на конкретной проблеме чрезвычайно важно для решения сложных мыслительных задач. Здесь можно выделить оп Физика. Методика обучения физике ределенную последовательность действий, описанную различными авторами, специализирующими в области когнитивной психологии [2–4]. Информация из окружающего мира поступает посредством органов чувств в кратковременную память. Процесс восприятия является достаточно пассивным, так как видеть и слышать мы можем даже помимо нашего желания. Процессы, происходящие в кратковременной памяти, однозначно требуют активности познающего субъек та, в противном случае происходит очень быстрое забывание полученной ин формации. Для того чтобы сохранить информацию, т. е. организовать ее дли тельное хранение, необходима многократная дополнительная деятельность по ее повторению. Только такая информация может быть отправлена в долговре менную память и в дальнейшем активно использоваться субъектом познания для того, чтобы ассоциировать новую информацию с уже имеющимися у нас знаниями. Для овладения сложными концепциями совершенно необходимо ус тановление таких ассоциаций.   Обратим внимание на еще один важный элемент описанной нами схемы – сенсорные системы или органы чувств. Как известно, реальность познается человеком в ощущениях. Используя биотические сенсорные системы, мы мо жем исследовать свойства изучаемого объекта: ощупывая – оценить его темпе ратуру и качество поверхности;

с помощью зрения – определить форму и цвет и т. д.

Как известно, свойства привычных нам объектов окружающего мира оп ределяются теми эталонами для каждой из этих систем, которые заложены мозгом в раннем детстве. Организм же человека является чрезвычайно чувст вительной к внешним воздействиям системой и довольно скоро адаптируется к новым реалиям. Такие прецеденты уже существуют, например, из-за появления ярких искусственных источников света в несколько раз изменилась чувстви тельность глаза человека (и это примерно за последние сто-двести лет!!!).

Возможно, именно этим объясняется не очень высокий интерес совре менных детей к природе как таковой – эталоны, заложенные им, оказываются 162 Физика. Методика обучения физике много «ярче», чем реальность. Может быть по этой причине окружающие при родные явления не вызывают у учащихся интереса, так же как и, скажем, про смотр черно-белого фильма? Виртуальный мир, с которым дети взаимодейст вуют ежедневно, оказывается и ярче, и объемней, и звонче, чем то, что они ви дят за окном.

В сложившейся ситуации роль традиционного демонстрационного и ла бораторного эксперимента существенно возрастает, так как он может быть противопоставлен компьютерному экспериментированию. А средства ИКТ хо рошо бы использовать только в тех случаях, когда это необходимо и без этого невозможно обойтись. Продуманное и обоснованное сочетание реального и компьютерного эксперимента также дает массу методических возможностей.

Например, в результате их сравнения можно показать границы применимости компьютерного эксперимента или продемонстрировать ситуацию, когда ком пьютерный эксперимент может оказаться недостоверным, так как он есть не что иное, как математическое моделирование, т. е. набор математических уравнений, которые определены человеком. А если автор компьютерной моде ли совершил ошибку или сделал чрезмерное упрощение реального процесса или явления? Это означает, что учащийся, исследовавший такую модель, нико гда не узнает, как же этот процесс протекает в реальности, и на этой некор ректной модели будет выстраиваться здание его естественнонаучных знаний.

Роль учителя, на наш взгляд, в этой ситуации чрезвычайно важна. Учи тель должен противопоставить и предъявить учащимся такой демонстрацион ный эксперимент, который, с одной стороны, показывал бы суть изучаемого явления, а, с другой – помогал бы увидеть схожесть его с моделью или его от личие, определить границы ее применимости. И только учитель может найти такие методики, которые помогут устранить «побочные эффекты» новых ин формационных технологий.

Литература 1. Greenfield P. M., Calvert S. L. Electronic media and human development: The legacy of Rodney R. Coocking// Applied Developmental Psychology. – 2004. – V.

Физика. Методика обучения физике 24. – P. 627–630.

2. Найссер У. Познание и реальность. – М. : Прогресс, 1981.

3. Солсо Р. Л. Когнитивная психология. – СПб. : Питер, 2006.

4. Линдсей П., Норман Д. Переработка информации у человека: Введение в психологию. – М. : Мир, 1974.

ПРИМЕНЕНИЕ ИКТ ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ МЕЖПРЕДМЕТНОЙ СВЯЗИ ФИЗИКИ И ХИМИИ В СРЕДНЕЙ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ Утенышев А. Н., Коновалихин С. В.

А. Н. Утенышев – к. х. н., научный сотрудник ИПХФ РАН, доцент РУДН, С. В. Коновалихин – к. х. н., учитель физики и ОБЖ, МОУ СОШ № 75, Черно головка, Одной из положительных сторон системы образования в СССР была от лаженная система межпредметных связей. Единая программа предусматривала согласование тем, изучаемых по разным предметам. Например, изучение темы по физике «Движение тела, брошенного под углом к горизонту» изучалась только после того, как в курсе математики были изучены темы вектора, проек ции векторов, понятия синуса и косинуса угла и пр. Современная реформа об разования разрушает межпредметные связи. В настоящее время взаимосвязь между изучением разных предметов, даже одного цикла, например естествен нонаучного цикла, на 90% зависит от личностей учителей и от их взаимоотно шений. Это приводит к тому, что ученики не умеют применять знания, полу ченные при изучении одной науки для поиска ответа на вопрос по другому предмету. Создается ощущения, что переходя из кабинета химии в кабинет фи зики ученики отключают ячейки памяти, ответственные за знания по химии.

Хорошо, если преподаватель обладает запасом знаний, чтобы продемонстриро вать связь между его наукой и другими предметами, изучаемыми учениками (студентами). А если нет? С чем выйдут выпускники из стен учебного заведе ния? В качестве примера приведем вопрос из курса физики: Почему люди сна чала научились обрабатывать золото, медь, а уж потом железо? [1]. Поиск от 164 Физика. Методика обучения физике вета на этот вопрос требует знаний истории и физики и вызывает затруднение как у учеников старшей школы так и студентов ВУЗов.

Ранее [2], мы сообщали о том, как использование современных компью терных программ позволяет наглядно объяснить ученикам (студентам) наличие невалентных связей, стабилизирующих молекулярные кристаллы. В данной работе приведены примеры осуществления межпредметной связи физики и химии при преподавании в общеобразовательной школе с применением ИКТ.

Пример 1. Электрохимия. В курсе средней и высшей школы на занятиях по физике и химии изучается электрохимические реакции. Мы проводим это следующим образом. На занятиях по физики демонстрируется процесс прохо ждения электрического тока через водный раствор NaCl [3]. Используются медные электроды. Вода и соль смешиваются в соотношении 10:1. В процессе прохождения тока на уроке физики обращается внимание на изменение цвета раствора: в начале процесса раствор бесцветный, рис. 1 а, а в конце (желтый, рис. 1б) и уменьшении силы тока со временем (рис. 2). График строится с по мощью компьютерного измерительного блока (КИБ).

а б Рис. 1.

Наличие тока в растворе, объясняется на занятиях по физике, исходя из условий существования электрического тока. Изменение цвета раствора, появ ление запаха, вид зависимости силы тока от времени анализируются на уроках химии. Для этого все данные, фотографии (в идеале видеозапись процесса) пе ресылаются по внутренней сети в кабинет химии. На этих уроках объясняется Физика. Методика обучения физике отсутствие падения тока до нуля, участок 3 на рис. 2.

При прохождении постоянного тока через раствор катионы натрия дви жутся к катоду, а анионы хлора – к аноду. Чтобы осуществить восстановление ионов натрия к катоду надо приложить потенциал, равный -2.70 В, а для вос становления молекул воды -0.82 В. Поэтому на катоде будет идти процесс раз ряжения молекул воды, а не ионов натрия:

2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН На аноде при этом идет процесс окисления хлорид-ионов: 2Cl- – 2e = Cl2.

Желтый цвет раствора и обусловлен образованием в растворе молеку лярного хлора. В итоге электролиза водного раствора хлорида натрия на катоде выделяется водород, на аноде – хлор, а в катодном пространстве накапливается гидроксид натрия:

2Н2О + 2NaCl = Н2 + 2NaОН + Cl Почему же ток не падает до нуля? Если же раствор становится разбав ленным, то на аноде, вместо окисления хлорид ионов, будут окисляться моле кулы воды: 2Н2О – 4е = 4Н+ + О2.

и суммарное уравнение электролиза в этом случае будет: 2Н2О = 2Н2 + О2.

Значит, электролиз разбавленного раствора хлорида натрия сводится к разложению воды постоянным электрическим током. Смесь газов, выделяю щихся в ходе реакции (Н2, О2, Cl2) является причиной появления неприятного запаха над кюветой.

Таким образом, проводя физический эксперимент, мы ставим задачи, ре шение которых требует синтеза знаний не только физики, но и химии. А как показывает наш совместный педагогический опыт, использование элементов и методов проблемного обучения [4-6] существенного повышает эффективность учебного процесса, как в средней, так и в высшей школе.

Пример 2. Применение электрохимии. В этой практической работе речь о топливных элементах (ТЭ). ТЭ похожи на батарейки, но с той разницей, что реагенты непрерывно подаются на электроды. Реагентами как правило являют ся водород и кислород. Принцип работы ТЭ был открыт Вильямом Гроувом в 166 Физика. Методика обучения физике 1839 г. Проводя электролиз воды, он обнаружил, что при отключении источни ка питания в системе появляется ток, который течет в ОБРАТНОМ направле нии. Этот ток генерируется за счет электродных реакций между образовавши мися при первичном электролизе водородом и кислородом. Собирается (или заранее готовится) цепь, показанная на рис. 3.

Рис. 2. Рис. 3.

Обе пробирки наполняют раствором гидроксида калия и помещают в них графитовые электроды. Далее замыкают цепь и проводят электролиз, пока обе пробирки не заполнятся газами. После этого отсоединяем источник питания и подсоединяем графитовые электроды к резистору 1 МОм, соединенному по следовательно с амперметром. В этот момент сообщаем ученикам, что ячейка сейчас действует как топливный элемент и дает электричество, что видно по показаниям амперметра. С помощью КИБ строим график зависимости силы тока от времени (рис. 4). Учитель показывает, что с 350-й секунды источник тока отключен. А ток в цепи продолжает течь. Опять мы нарушаемый закон сохранения энергии. Перед учениками ставится задача спасти этот закон.

Решение проблемы перемещается в кабинет химии. Вначале учитель хи мии предлагает высказаться по этому поводу всем ученикам. Затем, анализи руя, гипотезы учащихся постепенно подводит их к решению проблемы:

- во время электролиза на катоде образуется водород (заряжен отрица тельно), а на аноде – кислород (заряжен положительно) 2Н2О + 2е = Н2 + 2ОН 2Н2О – 4е = 4Н+ + О Физика. Методика обучения физике - во время работы ТЭ процессы окисления – восстановления меняются с точностью до наоборот – на катоде протекает процесс окисления, а на аноде – процесс восстановления. Направление тока меняет свое направление:

2Н2(г.) + 4ОН-(водн.) – 4е = 4Н2О (ж.) О2 (г.) + 2Н2О (ж.) + 4е = 4ОН-(водн.) Суммарная реакция работы ТЭ описывается уравнением:

2Н2(г.) + О2 (г.) = 2Н2О (ж.) Рис. 4. Рис. 5.

Рассмотренный ТЭ не может быть использован практически. Однако в 1959 г Ф. Бэкон создал ТЭ с мощностью, достаточной для работы автопогруз чика. Позднее в NASA были разработаны эффективные ТЭ для космического корабля многоразового использования «Шатл». Каждый ТЭ способен выраба тывать пиковую мощность 12 кВт при средней мощности 7 кВт [7].

Так как ТЭ не являются первичными источниками энергии, то они нуж даются в подводке энергии от другого источника. Однако, благодаря своей вы сокой эффективности, они могут позволить сократить потребление ископаемо го топлива. В самых лучших случаях ТЭ могут превращать химическую энер гию в электрическую с КПД 60-90%. Большим достоинством ТЭ является то, что они практически не вызывают загрязнения окружающей среды.

Пример 3. Растворение тиосульфата натрия (Na2S2O3, закрепитель в фото графии, обладает очень высокой растворимостью в воде [8]). Приборы: термо датчик и компьютерный измерительный комплекс L-Micro. Принцип работы 168 Физика. Методика обучения физике термодатчика (термопары) учащимся сообщен в 8-м классе. Но, поскольку со став классов за два года может существенно измениться, да и память у нынеш них учеников неважная, приходится «освежить» знания о термодатчике, на пример, демонстрируя изменения его показаний при соприкосновении его с кожей ученика. В лабораторный стакан наливается 50 – 70 мл воды. В стакан опускается термодатчик. На экране демонстрируется равенство температур во ды и воздуха в классе. Здесь напрашивается вопрос о том, как называется такое состояние? Затем в стакан высыпается около 20 г тиосульфата натрия. Термо датчик можно использовать для размешивания раствора, т. е. для ускорения процесса растворения. Через 1 – 2 секунды датчик фиксирует понижение тем пературы (рис. 5). На рис. 1, 2 вертикальной пунктирной линией отмечены мо менты начала растворения твердого вещества в воде, точечной пунктирной ли нией – конечная температура. В конце процесса температура раствора тио сульфата натрия падает очень сильно, поэтому я предлагаю нескольким учени кам прикоснуться к стакану, чтобы они подтвердили, что преподаватель и тер модатчик их не обманывают.

Для сравнения демонстрируются аналогичные эксперименты с растворе нием соли (рис. 6) и сахара (рис. 7). Проведение всех экспериментов требует не более 7 минут урока. Во время проведения экспериментов ученики заняты ре шением качественных задач и ответами на вопросы учителя, например, не про тиворечат ли эти явления закону сохранения энергии? Выполняются ли в дан ном эксперименте законы термодинамики? В итоге мы находим ответ: энергия тратится на разрушение связей в кристаллах. Но почему у трех исследованных веществ падение температуры так сильно различается, 11°С для тиосульфата натрия, 1,3°С для поваренной соли и 0,9°С у сахара?

А ответ на этот вопрос переносится в кабинет химии. На занятиях по хи мии рассказывается о природе химических связей. Вспоминаем, что темпера тура является мерой измерения внутренней энергии. Полученная информация позволяет показать, не только качественно, но и количественно, что энергия Физика. Методика обучения физике Ван-дер-Ваальсовых связей в молекулярном кристалле сахара, меньше энергии ионной связи. Но они, по эффективности уступают суммарному эффекту коор динационной и ионной связей в тиосульфате натрия.

Рис. 6. Рис. 7.

Вывод. Применение ИКТ позволяет преподавателям химии и физики оперативно обмениваться информацией и решать на уроке химии проблемы, поставленные на уроке физики, и наоборот. Это позволяет сформировать у обучаемых устойчивые навыки применения знаний, полученных при изучении разных предметов для решения конкретных проблем. Способствует упрочне нию межпредметной связи между физикой и химией в учебном процессе сред ней и высшей школы.

Литература 1. Коновалихин, С. В., Качественные задачи по физики, М. : Бюро Квантум, 2010, с 30.

2. Утенышев, А. Н., Коновалихин, С. В. // Визуализация электронных свойств химической связи, как пример демонстрации межпредметной связи курсов фи зики и химии. Всероссийская конференция «ИКТ технологии учителя физики и учителя технологии», Коломна, 2012, С. 126.

3. Коновалихин, С. В. // Оригинальные демонстрационные эксперименты по физике с применением ИКТ. Всероссийская конференция «ИКТ технологии учителя физики и учителя технологии», Коломна, 2013, (в данном сборнике).

4. Лернер, И. Я. Проблемное обучение. М. : Знание, 1974. 274 с.

5. Кудрявцев, Т. В. Проблемное обучение: истоки, сущность, перспективы. М. :

Знание, 1991, 138 с.

170 Физика. Методика обучения физике 6. Оконь, В. Основы проблемного обучения. М. : Просвещение, 1968. 208 с.

7. Фримантл, М. Химия в действии // Издательство «Мир», т. 1, с. 512.

8. Химическая энциклопедия. М. : Большая Российская Энциклопедия, т. 3, с. 186;

с. 446.

Научное издание Информационно-коммуникационные технологии учителя физики и учителя технологии Сборник материалов пятой Всероссийской научно-практической конференции 3 - 5 апреля 2013 г.

Ответственный редактор Заслуженный работник высшей школы РФ, профессор, к.ф.-м.н Богуславский Александр Абрамович Компьютерная верстка Богуславского А. А., Щегловой И. Ю.

Технический редактор Капырина Т. А.

Формат 60х84х1/16 Подписано в печать Усл. печ. л. 7 Тираж Бумага офсетная Заказ № Отпечатано с готового оригинал-макета в копировально-множительном центре ГАОУ ВПО «МГОСГИ»

140410, г. Коломна, ул. Зеленая, д. 30. «Московский государственный областной социально-гуманитарный институт»



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||
 



 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.