Информационные технологии в физике. Учебно-методическое пособие

деления молекул по скоростям, что следовало из наблюдений, в частности броуновского движения [12]. Затем Максвелл теоретически получил закон распределения молекул по скоростям, который носит название распределения Максвелла. Этот закон впоследствии был экспериментально подтвержден опытами Штерна. Опыт Штерна относится к числу фундаментальных физических экспериментов как опыт, который подтвердил справедливость основных положений молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения вещества.

2. Исследовать модели «Броуновское движение» (из курса «Открытая физика»), «Распределение Максвелла», «Опыт Штерна». Представить полученные результаты в виде таблицы и гистограммы.

Интервал скоростей, м/с Относительное число молекул, имеющих

скорости в определенном интервале, %

Меньше 100

От 100 до 300

От 300 до 500

От 500 до 700

От 700 до 900

Свыше 900

3. Сформулировать выводы.

Ответить на вопросы

1.Какие параметры используются для описания броуновского движения?

2.Каким закономерностям подчиняется движение броуновских частиц?

3.Какая скорость называется наиболее вероятной?

4.Почему распределение молекул по скоростям является статистическим законом?

5.Чему соответствует площадь под графиком кривой распределения молекул по скоростям?

6.Изменится ли значение наиболее вероятной скорости при понижении температуры газа, при ее повышении?

7.Отвечают ли полученные вами результаты в эксперименте с моделью «Опыт Штерна» теоретическим предсказаниям Максвелла?

8.Какие фундаментальные опыты в механике и молекулярной физике вам известны?

Домашнее задание. 1. Представьте, что вам предложили поздравить жителей нашего города с Новым годом. Какой бы вы произнесли ново-

41

годний тост? Что бы вы пожелали конкретно? Оформите ваше новогоднее поздравление в виде электронной открытки.

Прочитайте новогодний тост лауреата Нобелевской премии Жореса Ивановича Алферова [18].

Новогодний тост Жореса Алферова

Накануне встречи Нового 2001 г. русский физик, лауреат Нобелевской премии 2000 г. Жорес Алферов на вопрос журналиста, какой тост он произнес бы на Новый год, ответил так: «У меня есть замечательное дело. Оно преображает мир, и я хочу, чтобы оно преображало нашу страну. И мне хотелось бы поднять тост за то, чтобы все открытия, которые делают наши ученые, были нужны здесь, в России, а не перекупались Западом. Чтобы они использовались предприятиями «Рубин», «Светлана», а уж только потом «Сименсом» и «Сони». И чтоб иностранцы в очереди за нашими открытиями стояли!»

Ответить на вопросы

1.Понравился ли вам тост ученого? Чем?

2.Какие нравственные качества Ж. Алферова проявились в его новогоднем поздравлении жителей России? Почему?

3.О каком своем деле говорил Ж. Алферов?

4.Какова главная мысль высказывания ученого?

5.Какова главная мысль поздравления в вашей электронной открытке? Почему?

4. Войти в сеть Интернет и открыть страницу любой поисковой службы, например www.yandex.ru. Набрать в поисковом окне слова «занимательные опыты + физика». 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. Проанализируйте более детально собранные вами материалы о занимательных физических опытах, будьте готовы поделиться интересной информацией с товарищами и учителем.

Семестр II

ЗАНЯТИЕ 9. Проектирование. Погружение в проект

42

Цели занятия:

–приобрести знания по основам проектной деятельности;

–выбрать тему учебного проекта;

–сформулировать проблемный вопрос.

Ход работы

1. Лекция «Проектирование» [10].

Что такое учебный проект? Учебный проект – это возможность делать что-то интересное самостоятельно, в группе или самому, максимально используя свои возможности; это деятельность, позволяющая проявить себя, попробовать свои силы, приложить свои знания, принести пользу и показать публично достигнутый результат; это деятельность, направленная на решение интересной проблемы, сформулированной самими учащимися в виде цели и задачи, когда результат этой деятельности – найденный способ решения проблемы – носит практический характер, имеет важное прикладное значение и интересен и значим для самих открывателей.

Этапы работы над проектом:

погружение в проект;

организация деятельности;

осуществление деятельности;

презентация результатов.

Суть учебного проекта в рамках курса «ИТ в физике» состоит в проведении учащимися самостоятельного или в составе группы (2–3 чел.) исследования в области физики, техники или смежных с физикой наук. Этимология слова «исследование» обозначает «извлечь нечто из следа», т. е. восстановить некоторый порядок вещей по косвенным признакам, случайным предметам. Здесь заложено понятие о способности личности сопоставлять, анализировать факты и прогнозировать ситуацию. Исследовательская деятельность предполагает сопоставление данных первоисточников, выделение проблемы, творческий анализ имеющихся и полученных в ходе самостоятельно проведенного эксперимента данных, а также получение на его основании новых выводов. Начинается исследование с составления разработкой плана работы по проекту, заканчивается исследование написанием реферата и защитой проекта.

Например, тема исследования – «Грязные брызги» [18]. Почему брызги при ходьбе попадают на нас? Можно ли ходить так, чтобы

43

наименьшее количество капелек грязи попадало на одежду? С какой формой подошвы и размером каблука надо носить обувь, чтобы остаться «чистым»? Для решения этого противоречия предлагаем провести исследование.

1.Сформулируйте рабочую гипотезу, в которой сделайте свое предположение о причинах возникновения брызг при ходьбе человека

иособенностях данного явления.

2.Предложите свою теоретическую модель изучения образования брызг при ходьбе человека:

а) опишите физические явления и процессы, которые происходят при ходьбе человека по влажной поверхности асфальта;

б) теоретически определите, какие причины заставляют капли грязи отрываться от подошвы обуви во время ходьбы;

в) установите факторы, которые необходимы для того, чтобы грязная капля попала на нижние части одежды человека.

3.Проведите экспериментальное исследование:

а) опишите оборудование, которое вы будете использовать при проведении опытов;

б) проведите серию опытов (не менее 3–4), в ходе которых установите закономерности в попадании брызг грязи на одежду человека при его ходьбе;

в) экспериментально выясните, какие параметры человека (например, размер ступни ног, его рост, скорость, с которой он движется, и др.) определяют степень «испачканности» на нем одежды;

г) проанализируйте результаты, которые вам удалось установить в ходе опытов.

4. Сформулируйте выводы, к которым вы пришли при проведении данного исследования.

Умение проводить исследование означает:

умение формулировать объект, предмет, цель и задачи исследования, выдвигать гипотезу (см. Глоссарий);

находить и анализировать информацию о том, что известно в исследуемом явлении;

обосновывать выбор методики исследования;

проводить многочисленные опыты и эксперименты;

анализировать результаты экспериментов;

формулировать выводы;

44

находить возможное практическое применение практических результатов (расширение возможностей дальнейших исследований в познании мира).

2.Обсуждение, выбор темы и участников проекта.

3.По указанию учителя выполнить тест или исследование модели из электронных ресурсов библиотеки.

Домашнее задание. Уточнить проблемный вопрос и разработать план работы по проекту с распределением ответственности между участниками.

ЗАНЯТИЕ 10. Поиск информации для выполнения проекта

Цели занятия:

–расширить представления об информационной культуре и информационной безопасности личности, познакомиться с Законом РФ «Об информации, информатизации и защите информации»;

–найти информацию в виде мультимедийных объектов по теме проекта в сети Интернет.

Ход работы

1. Беседа по вопросам.

1.Какие опасности подстерегают пользователя в сети?

2.Какие меры нужно принимать для организации информационной безопасности при работе в сети?

3.Что такое спам?

4.Что принято понимать под компьютерным пиратством?

Правила безопасного поведения в киберпространстве [9]

Необходимо проводить больше времени с реальными друзьями, чем с виртуальными.

Необходимо сразу прекращать контакт с любым, кто пытается давить для получения информации о ребенке (имени, возрасте, росте и размере, фотографии, адресе, информации о семье).

Следует обязательно сообщить взрослому, если кто-то в сети надоедает.

Следует быть очень осторожным с незнакомцами, которые пытаются настроить против семьи, обещая быть другом.

45

Нельзя обмениваться с незнакомцами фотографиями через Интернет.

Нельзя открывать электронные сообщения от незнакомых людей

изагружать вложенные в них файлы.

Не следует сообщать информацию о себе для того, чтобы получить, что-нибудь бесплатно.

Нельзя соглашаться на встречу с теми, кого не знаешь в реальности.

В ресурсах Интернет найти и ознакомиться с Законом РФ «Об информации, информатизации и защите информации».

2. Предъявить учителю и защитить разработанный план работы над проектом.

3. Изучить, как освещена данная тема на страницах Интернета и в ресурсах библиотеки.

Домашнее задание. Сделать обзор литературы по проблеме проекта. Приготовить источники информации в электронном (ссылки на электронные адреса) и печатном виде (учебная, научно-популярная литература).

ЗАНЯТИЕ 11. Сканирование источников. Описание экспери-

мента

Цели занятия:

–отсканировать печатные источники, необходимые для выполнения проекта, сохранить их в электронном виде;

–составить описание эксперимента по проекту.

Ход работы

1.Предъявить учителю первоисточники в электронном (электронные адреса) и печатном виде (учебная, научно-популярная литература

ипр.) для проекта.

2.Отсканировать необходимые материалы (индивидуально).

3.Чтобы научиться добывать знания в ходе наблюдений, познакомьтесь с информацией о первых научных наблюдениях великого физика Роберта Вуда [18].

Наблюдения за электрическими явлениями на заводе

46

Знаменитый профессионал физического эксперимента Роберт Вуд вспоминал, как он впервые познакомился в детстве с электричеством на заводе, где он часто бывал: «Первая действительно интересная вещь, которую я запомнил на заводе, была началом моих занятий электричеством. Я заметил, что когда я спускался вниз по длинному темному проходу, который соединял огромный приводной ремень, передававший энергию от маховика к воздуходувной машине доменной печи, у меня всегда вставали дыбом волосы. Сначала я решил, что это происходит из-за страха… Потом я заинтересовался – не дует ли откуда-нибудь ветер. Я протянул руку к шуршащему ремню – посмотреть, не от него ли дует. Сразу же из концов моих пальцев потекли фиолетовые огненные струйки… Я еще раз приблизил руку к ремню, и к моей руке проскочила длинная искра.

… Я понял, что этот ремень – мощная электростатическая машина. Впоследствии я изготовил себе лейденские банки и другие аппараты, которые действуют только при наличии источника электричества большой силы…»

Ответить на вопросы

1.Почему, на ваш взгляд, посещение (экскурсия) завода было весьма полезным для будущего ученого?

2.Чем отличаются случайные и целенаправленные наблюдения за производственными процессами?

Вместо пистонов и хлопушек

С раннего детства Роберт Вуд полюбил всяческие химические фокусы, которым он научился по старым книгам из шкафов отца. Он очень любил огонь – эта любовь у него осталась на всю жизнь, – и находил особенное удовольствие во взрывах и громких выстрелах. Впоследствии он стал авторитетом по части взрывчатых веществ.

Когда ему было около 15 лет, он узнал, что если бертолетову соль и серу смешать, завернуть в бумагу и ударить молотком, то получается грохот больше, чем от любых пистонов и хлопушек. Он решил устроить сюрприз к празднику Четвертого июля. Для этого он приготовил 20 фунтов состава и с помощью своего кузена Брэдли Девиса и соседского мальчика врыл в землю несколько столбов и устроил копер высотой в 10 футов, в котором тяжелая железная гиря, срывавшаяся с задержки при помощи длинного шнура, падала на старую наковальню. Когда они в первый раз испробовали это приспособление, были жалобы, что «лошади в соседней конюшне чуть не разбежались от испуга и во всех домах вокруг дребезжали стекла». Кроме этого, взрывной волной сорвало листья с малиновых кустов его матери.

Впоследствии все трое были серьезно наказаны родителями.

47

Ответить на вопросы

1.Как вы относитесь к поступку Роберта и его товарищей? Почему?

2.Повлияли ли опыты Роберта в детстве на развитие впоследствии его экспериментаторских умений? Почему?

4.Подготовить описание эксперимента для выполнения проекта

[3,16].

Домашнее задание. Исследовать модели по электростатике (по указанию учителя).

ЗАНЯТИЕ 12. Безопасность эксперимента. Видеосъемка

Цели занятия:

–усвоить меры по безопасности эксперимента с электрическими приборами;

–ознакомиться с методами измерения электрических величин, научиться определять погрешность измерений электроизмерительных приборов;

–провести видеосъемку эксперимента для последующего анализа (в рамках своего проекта).

Ход работы

1. Внимательно прочитать текст [4].

Обеспечение безопасности эксперимента для человека

Обязательным условием при выполнении любого физического эксперимента является его безопасность для здоровья и жизни человека, выполняющего эксперимент, и других окружающих его людей. Условие безопасности должно соблюдаться не только в исследовательских лабораториях, но не менее строго и в школьной физической лаборатории, и в домашних условиях при выполнении любых опытов или физических измерений. Одна из наиболее реальных опасностей при проведении опытов по физике связана с возможностью поражения человека электрическим током.

Каждый человек не раз ощущал на себе действие электрического тока. Легкие или довольно болезненные удары электрическим током мы ощущаем при снимании меховой, шелковой или синтетической одежды в сухую погоду, иногда электрический удар мы получаем от другого человека при прикосновении к нему. Такие электрические удары объясняются электризацией одежды – разделением электрических зарядов при соприкосновении разнородных материалов. Во влажном воздухе поверхности всех материалов становятся·проводящими и электрические заряды не накапливаются.

48

При электризации соприкасающихся тел из диэлектриков может возникать разность потенциалов в десятки тысяч вольт, но электрические удары при снимании одежды не представляют никакой опасности для жизни и здоровья человека. Дело в том, что электрический удар может принести вред здоровью человека только при достижении некоторых кр и- тических значений силы электрического тока и времени протекания тока через тело человека.

! Опасность для жизни наступает в том случае, если сила электрического тока через тело человека больше 20–100 мА.

Критическое значение силы тока зависит от места приложения электрических контактов, особенностей организма человека и времени действия тока. Кратковременные импульсы тока организм человека переносит легче, чем длительное действие тока. Смерть человека при ударе электрическим током часто наступает в результате того, что под действием тока происходит судорожное сокращение всех мышц, в том числе и мышц сердца. Сердце останавливается.

Для определения опасного для жизни электрического напряжения нужно знать электрическое сопротивление тела человека. Простого ответа на этот вопрос нет. Очевидно, что ответ, во-первых, зависит от того, между какими точками тела человека прикладывается напряжение. Во-вторых, какова площадь соприкосновения контактов с телом человека.

Наиболее часто поражение человека электрическим током происходит при его прохождении от одной руки к другой, или от руки через ноги в землю. Если измерить электрическое сопротивление между левой и правой рукой, взяв пальцами щупы омметра, то можно получить значение электрического сопротивления от сотен килом до нескольких десятков мегаом. Воспользовавшись для вычисления опасного напряжения минимальным критическим значением силы тока 20 мА и намеренным значением электрического сопротивления между руками 1 МОм, мы получим значение опасного напряжения порядка 20000 В. Однако вывод о безопасности напряжений ниже 2000 В был бы в корне ошибочным. Дело в том, что при измерении сопротивления между руками фактически измеряется электрическое сопротивление верхнего ороговевшего слоя кожи, особенно грубого именно на пальцах рук и потому обладающего большим сопротивлением. Этот слой «изолятора» пробивается электрическим напряжением около 100 В. А внутренние ткани человеческого организма являются хорошими проводниками электрического тока (кровь соленая!). Электрическое сопротивление тканей после пробоя кожи составляет лишь около 1 кОм. Следовательно, при поврежденной коже или при большой поверхности соприкосновения мокрой, потной кожи с электродами электрическое сопротивление между руками может составлять около 1 кОм. При таком сопротивлении смертельно опас-

49

ное значение силы тока через тело человека может быть достигнуто при напряжении значительно меньшем 100 В!

Следовательно, потенциально опасными для жизни человека являются любые бытовые электроприборы, подключенные к электрической сети с напряжением 127 или 220 В. Каким же образом следует избегать опасности поражения электрическим током в физической лаборатории и при использовании бытовых электроприборов?

! Правило первое. Никогда не прикасаться ни к каким элементам электрической цепи, подключенной к источнику постоянного тока с напряжением выше примерно 40 В или переменного тока с напряжением выше примерно 30 В!

Это правило следует выполнять и при работе с безопасными источниками низкого напряжения 1,5…4,5 В, так как важно выработать общую правильную привычку работы с любыми электрическими цепями. Любая электрическая цепь должна собираться и проверяться в отключенном от источника тока состоянии. Цепь подключается к источнику тока только после полного завершения сборки. Если необходимо что-то изменить в способе соединения элементов цепи или в их расположении на рабочем столе, сначала нужно отключить цепь от источника тока.

! Правило второе. Если вы оборудуете свою домашнюю лабораторию источником постоянного или переменного тока с напряжением более 20 В на выходе, включите внутри источника последовательно с одной из клемм его выхода резистор, ограничивающий максимальное значение силы тока на выходе безопасным значением 10 мА.

При включении такого ограничивающего резистора при любой оплошности в работе вы можете получить электрический удар только силой тока менее

10 мА.

Опасность для экспериментатора могут представлять не только опыты с использованием источников электрического тока. При работе с нагревательными приборами необходимо помнить об опасности ожога при соприкосновении с телами, нагретыми до температуры выше примерно 55 С.

Обеспечение безопасности эксперимента для измерительных приборов и оборудования

Для успешного выполнения запланированного эксперимента необходимо обеспечить не только безопасность человека, выполняющего опыт, но и безопасность оборудования, с которым проводится эксперимент. Измерительные прибо-

50