Информационные технологии в физике. Учебно-методическое пособие

ский физик Р. Фейнман: «…Экспериментаторы усерднее всего ведут поиск там, где вероятнее всего найти опровержение наших теорий. Другими словами, мы стараемся как можно скорее опровергнуть самих себя, ибо это единственный путь прогресса».

Итак, физический эксперимент лежит в основе появления и развития всех физических идей и теорий, а следовательно, и всего физического мировоззрения, всей современной картины мира.

Но этим роль эксперимента далеко не исчерпывается. Он не только «двигатель» развития физической науки, но и важнейший рычаг научнотехнического прогресса. В основе почти любой области техники лежат физические явления, открытые физиками-экспериментаторами. Так, развитие теплотехники началось после опытного установления газовых законов и законов термодинамики, электротехники – с открытия теплового, химического и магнитного действий тока, движения проводника с током в магнитном поле и электромагнитной индукции; развитие оптики – с экспериментального установления законов отражения и преломления света, явлений интерференции, дифракции, поляризации света, фотоэлектрического эффекта и т.д.

И, наконец, физический эксперимент служит средством решения абсолютного большинства конкретных технических проблем на производстве, в научных лабораториях, быту. Назовем лишь некоторые: электрическая очистка воздуха от дыма («электрический фильтр»), электрическое зажигание в двигателях внутреннего сгорания, электроискровая обработка металлов, молниеотвод, газосветные трубки и люминесцентные лампы. В основе этих и многих других технических решений лежат опытные факты, установленные в разное время при изучении сравнительно небольшого раздела физики – газовых разрядов.

Практически любое из бесчисленного множества явлений, открытых фи- зиками-экспериментаторами, рано или поздно находит техническое применение. Владение навыками физического эксперимента делает более плодотворным и творческим труд современного рабочего, техника, инженера, поскольку почти любое усовершенствование процесса производства, любое изобретение прямо или косвенно связано с использованием знаний и практических умений в области физики. Не менее важны эти знания и для специалистов сельского хозяйства. Скажем, одна из главных и всегда актуальных проблем – повышение урожайности культурных растений. Физические способы воздействия на семена (обработка их магнитным и электрическими полями, ультрафиолетовым и лазерным излучениями, механическим «встряхиванием» и т.д.) непосредственным образом влияют на всхожесть семян и урожайность растений. Но для того чтобы выяснить условия эффективности этого влияния, необходимы исследования, т.е. физический эксперимент.

Отметим еще, что значение физических и экспериментальных умений непрерывно возрастает по мере развития бытовой техники. Для того чтобы исправить какой-либо домашний прибор (электроплитку, электроутюг, пылесос,

31

звонок, соковыжималку и т.д.), усовершенствовать электропроводку, повысить КПД тепловой установки и т.п., надо знать основы физики и, конечно, владеть элементарными практическими умениями и навыками».

2. Лекция «Правила построения графиков по экспериментальным точкам без учета и с учетом погрешности измерений».

При построении графиков по экспериментальным точкам без учета погрешности измерений получают 5–10 значений искомой величины. Данные заносят в таблицу, которую используют для выбора масштаба и построения точек. График строят так, чтобы число точек по разные стороны от плавной кривой было одинаковым.

Правила построения графиков по экспериментальным точкам с учетом погрешностей измерений

1.Выяснить значения погрешностей измерений физических величин, которые будут изображены на графике.

2.На графике вокруг каждой экспериментальной точки построить так называемый прямоугольник ошибок – область, в которой с высокой вероятностью находится истинное значение измеряемой величины. Ширина и высота прямоугольника равны удвоенной погрешности измерения соответствующей физической величины. Центр прямоугольника совпадает с экспериментальной точкой.

3.Сначала необходимо проверить, можно ли провести простейшую плавную линию – прямую, которая хотя бы касалась всех прямоугольников. Если это удается, то графиком искомой зависимости и считается найденная прямая линия. Иначе провести плавную кривую через все прямоугольники с наименьшим числом перегибов.

Чем больше погрешности измерений, тем больше размер прямоугольников и тем больше появляется возможностей для проведения разного рода кривых, аппроксимирующих экспериментальные точки.

Инаоборот: уменьшение погрешностей приводит к сужению класса аппроксимирующих кривых. Продолжение этих кривых за область расположения точек называется экстраполяцией экспериментальных данных. Существует и интерполяция данных. Этим термином обозначается отыскание промежуточных значений функции.

С помощью ИТ значительно упрощаются построение графиков и нахождение математической формулы, описывающей эксперимен-

32

тальную зависимость. Для этого необходимо научиться использовать опцию «Тренд» («Добавить линию тренда»).

3. Решить задачу с экспериментальными данными [13] при помощи графика (задания 1–8), документ сохранить под именем «Иванов График 1».

Задание 1. В эксперименте по измерению средней толщины листа бумаги учащийся измеряет толщину t определенного числа листов n и получает следующие результаты.

Составьте график зависимости толщины листов t от числа листов n и таким образом подсчитайте среднюю толщину одного листа бумаги. На основе графика определите толщину 80 листов бумаги.

Задание 2. Чтобы определить среднюю массу монеты в 1 фунт стерлингов, девочка находит массу m некоторого числа монет n. Ее результаты показаны в таблице.

Постройте график зависимости массы m от числа монет n и определите массу 38 однофунтовых монет.

Задание 3. Мальчик измеряет длину окружности с и диаметр d различных кругов. Его результаты показаны в таблице.

Постройте график зависимости длины окружности с от диаметра d и определите число π.

Задание 4. Масса m материала различных объемов V измерена и записана в следующей таблице.

Изобразите график зависимости m от объема V и определите плотность данного материала.

Задание 5. Постройте график зависимости скорости v от времени t для значений, указанных в таблице.

По наклону прямой линии определите ускорение тела.

Задание 6. Моток проволоки имеет сопротивление R, которое меняется под воздействием температуры t, как показано в таблице ниже. Постройте график зависимости сопротивления R от температуры t. Каково сопротивление мотка при 0°С? При какой температуре моток имеет сопротивление 7 Ом?

Задание 7. В таблице ниже приведено семь пар значений скорости v и времени t. Одна пара значений не ложится на прямую линию, которая проходит через остальные шесть точек. Постройте график зависимости скорости v от времени t и определите: а) точку, которую не следует использовать при построении прямолинейного графика; б) скорость при t = 0; в) момент времени t, в который скорость равна

25 м/с.

Задание 8. Тело падает на землю без начальной скорости с высоты 100 м. Определена высота h, на которой находилось тело в различные моменты времени t после начала падения. Полученные данные записаны в таблице.

Постройте точки зависимости высоты h, на которой находится тело, от времени и проведите плавную кривую, проходящую через соответствующие точки. Определите время падения тела на землю. Постройте касательную к точке 2,80 и определите тангенс угла наклона кривой в этой точке.

4. Начните на уроке выполнять экспериментальное задание 9–11, используя лабораторное оборудование.

Задание 9. Получите в эксперименте зависимость растяжения x упругого шнура от модуля силы F, действующей на него.

Сила F, Н

Растяжение x, м

Постройте график зависимости силы от растяжения и с его помощью определите: а) диапазон силы, в котором справедлив закон Гука; б) дополнительную силу, которую нужно приложить, чтобы растянуть шнур от 0,3 до 0,5 м.

Задание 10. Получите в эксперименте зависимость растяжения пружины от веса груза и определите вес, при котором закон Гука перестает соблюдаться.

Задание 11. Пружина находится в покое с прикрепленным к ее нижнему концу грузом массой 0,2 кг. Затем она растягивается под действием вертикально направленной силы 0,5 Н, исходящей от пальца. Изобразите на рисунке силы, действующие на груз в этом положении, и определите значения этих сил. Опишите движение груза, когда палец убран. Сделайте ваше описание как можно более точным, указав величину отклонений груза от первоначального состояния. Установите положение, в котором кинетическая энергия груза будет наибольшей.

Домашнее задание. Приготовьте отчет по выполнению заданий 9–11.

ЗАНЯТИЕ 6. Методы научного познания. Гипотеза

Цели занятия:

–расширить представление о методах научного познания;

–разработать структуру научного познания и оформить ее в виде рисунка SmartArt MS Word.

35

Ход работы

1. Внимательно прочитать текст [18].

Физика как наука о природе решает три важные задачи: 1) обнаружить явления; 2) исследовать явления; 3) объяснить их природу, а также установить определенные закономерности в их протекании и указать пути их практического использования. Как решаются в физике эти задачи? Какие методы используются при этом? Известны два метода физических открытий: экспериментальный и теоретический.

Методы физических открытий

Кроме экспериментального и теоретического методов научных открытий в физике широко используются так называемые всеобщие методы. Это – анализ, синтез, абстрагирование, обобщение, индукция, дедукция, аналогия, моделирование, классификация. При помощи анализа исследователь может разделить целостный предмет на составные части (признаки, свойства) с целью их всестороннего изучения. Метод синтеза позволяет ученому соединить ранее выделенные им части предмета в единое целое.

Использование метода моделирования позволяет изучить физический объект на основе его идеальной копии (модели), замещающей оригинал с определенных сторон, которые интересуют исследователя в первую очередь. Большую помощь оказывает физикам и метод аналогий, поскольку позволяет на основе сходства объектов по одним признакам делать выводы об их сходстве по другим признакам. При помощи абстрагирования исследователь может отвлечься от ряда несущественных для исследования свойств физического явления, что, безусловно, упрощает задачу.

В физической науке на современном этапе большое значение приобрели так называемые статистические методы. Они позволяют определить средние значения, характеризующие всю совокупность изучаемых физических объектов.

Что такое научные знания? За тысячелетия своего существования человечество накопило громадные знания об окружающем нас материальном мире.

36

Приведем примеры научного знания: Земля – одна из планет Солнечной системы, свет в однородной среде распространяется прямолинейно, способен отражаться и преломляться; тела падают на землю и др. Эти знания появились у нас в результате многократных наблюдений физических явлений в течение столетий.

Накопленные факты позволяли высказать предположения о некоторых закономерностях. Правильны они или нет, это еще было не известно и требовало дальнейшей проверки. Такие предположения называются гипотезой. В качестве основы для выдвижения научных гипотез выступает метод аналогий. Под аналогией понимают умозаключение, в котором из подобия предмета по одним признакам говорят о подобии предмета по другим признакам. Аналогией источника тока может выступать гидравлический насос и др.

Для проверки гипотез ученые продолжали накапливать факты, проводя наблюдения и делая опыты. Наблюдения и опыты – источник физических знаний. Если гипотеза подтверждалась многократным повторением, то она становилась физическим законом, на основе которого «рождалась» новая физическая теория (пока не появятся факты, ее опровергающие). История науки показывает, что гипотеза может существовать десятки лет и оказаться ложной.

Под законом в физической науке обычно понимают внутреннюю, при- чинно-устойчивую связь между явлениями и свойствами различных объектов, отражающую отношения между ними. Если изменение одних явлений (причина) вызывает определенное изменение других (следствие), то это и означает проявление действия закона. Например, согласно закону преломления света, предполагается, что при переходе светового луча из одной среды в другую (причина) происходит изменение его направления (следствие).

Итак, закон устанавливает устойчивое и повторяющееся отношение между явлениями, их необходимую и существенную связь. Теоретическая и практическая значимость закона очевидна. Он лежит в основе научных объяснений и предсказаний и тем самым составляет фундамент понимания окружающего мира и его целенаправленного преобразования.

Физическая теория объясняет результаты наблюдений и опытов, а также дает ответ на вопрос: почему явление происходит так, а не иначе? Теория ценна также тем, что не только объясняет явления, но и дает возможность предсказать, как они будут протекать в других условиях.

Некоторые ученики считают, что для понимания физики не обязательно изучать теоретический материал параграфов из школьного учебника, нужно лишь уметь проводить опыты и решать задачи. И в этом они глубоко заблуждаются – физику без теорий изучать практически невозможно! Академик Л. И. Мандельштам говорил: «Физика без теории не есть наука, а лишь довольно малоценный конгломерат отдельных фактов, разобраться в которых невозможно».

37

Ответить на вопросы

1.Каковы основные формы научных знаний?

2.Какие методы научного познания используются для решения физических задач?

3.Когда гипотеза становится теорией?

4.Чем модель явления отличается от реального явления?

2.Разработать и создать в MS Word иллюстрацию (рисунок SmartArt)

оструктуре научного познания. Сохранить как «Иванов Структура.doc».

3.Войти в сеть Интернет и открыть страницу любой поисковой службы, например www.yandex.ru. Набрать в поисковом окне слова «научно-фантастическая гипотеза». Нажать «Поиск» и посмотреть полученные результаты. Изучить краткое содержание ближайших 10–20 ссылок и посетить заинтересовавшие вас сайты (если таковые имеются). Скопировать наиболее полезную, на ваш взгляд, информацию на носитель.

Домашнее задание. Проанализировать более детально собранные вами материалы о научно-фантастических гипотезах.

ЗАНЯТИЕ 7. Моделирование физических процессов на примере

темы «Исследование баллистического движения тел». Лабораторная работа

Цели занятия:

–сформировать научные представления о роли компьютерного моделирования явлений и процессов в современном научном познании; изучить движение тела, брошенного под углом к горизонту;

–получить результаты в виртуальном эксперименте с компьютерной моделью и сравнить их с результатами реального эксперимента.

1. Лекция «Моделирование физических процессов на примере темы «Исследование баллистического движения тел» (Модуль 4, [14, 15]).

В научных исследованиях очень часто любой реальный физический объект замещается различными моделями. Так, например, в мо- лекулярно-кинетической теории молекула рассматривается как упругий шарик и др.

При конструировании моделей исследователями осуществляются следующие этапы мыслительной деятельности:

1) выделение предмета идеализации;

38

2)выделение в объекте исследования существенных аспектов (свойств, закономерностей и пр.), пренебрежение второстепенными свойствами объекта;

3)доведение выделенных в объекте свойств до предельного значе-

ния;

4)включение идеального объекта в физический закон, теорию;

5)использование в научных целях полученной идеализации (модели). 2. Выполнить виртуальный эксперимент, используя компьютерную

модель (инструкция у учителя).

3. Сравнить результаты реального (в ходе лабораторной работы на уроке физики была выполнена лабораторная работа «Исследование зависимости дальности полета от угла вылета снаряда», «Определение высоты подъема снаряда при выстреле под углом 45º») и виртуального экспериментов. Сформулируйте общие выводы.

Ответить на вопросы

1.Применимы ли формулы равноускоренного движения к баллистическому движению?

2.В чем проявляется влияние среды, в которой движется тело? Как его учитывать в модели?

3.Соответствует ли исследованная вами модель реальному эксперименту?

4.Какие новые сведения в сравнении с экспериментом вы получили? Домашнее задание. Исследовать физические модели (по указанию

учителя), размещенные в сети Интернет на образовательных сайтах

(Приложение 2).

ЗАНЯТИЕ 8. Фундаментальные физические эксперименты. Опы-

ты в молекулярной физике

Цели занятия:

–выяснить роль фундаментальных опытов в науке; изучить модель броуновского движения;

–построить распределение Максвелла, спланировать и провести эксперименты.

Ход работы

1. Внимательно прочитать текст [18].

39

Слово «эксперимент» происходит от лат. experimentum, что означает «проба», «опыт», «испытание». По-настоящему опыт стал основой научного познания, т.е. и источником и критерием истинности знаний, лишь в результате работ Галилео Галилея, и именно поэтому его считают основоположником физики как науки, поскольку до него все теоретические выводы в науке делались учеными умозрительно, без экспериментального подтверждения. Ученые средневековья выдвигали гипотезы исходя из своих умозрительных заключений, не стремясь критически взглянуть на считавшиеся незыблемыми научные положения и подвергнуть их экспериментальной проверке. Широкое использование эксперимента позволило Галилею опровергнуть выводы, господствовавшие в науке еще со времен Аристотеля (например, такие, как «нет движения без силы», «тяжелые тела падают быстрее легких» и др.). Галилео Галилей был первым ученым, который понял, что только при экспериментальной проверке научных положений можно убедиться в их достоверности и научной значимости.

Эксперименты, сыгравшие ключевую роль в развитии научного знания, называют в физике фундаментальными или решающими. Именно благодаря им ученым не только удалось проверить теоретические гипотезы, имевшие принципиальное значение для науки, но и с помощью экспериментальных данных построить новые научные теории. Фундаментальные эксперименты обычно разделяют на четыре группы.

Фундаментальные физические эксперименты

При изучении вопроса о скоростях движения молекул сначала была высказана гипотеза о том, что молекулы движутся с разными скоростями, эти скорости связаны с температурой и существует определенный закон распре-

40