Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии и методики демонстраций колебаний и волн различной природы. Учебно-методическое пособие
.pdf
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО
«Волгоградский государственный педагогический университет»
Кафедра теории и методики обучения физике и информатике
Е. В. Донскова, Т. В. Клеветова
ТЕХНОЛОГИИ И МЕТОДИКИ
ДЕМОНСТРАЦИЙ КОЛЕБАНИЙ
И ВОЛН РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
Волгоград
Издательство ВГПУ
«Перемена»
2009
ББК 22.3я73
Д 676
Рекомендовано к печати на заседании кафедры ТиМОФИ
25.02.2009 г., протокол № 8.
Р е це нз е н т
С. А. Ходыкин, канд. физ.-мат. наук, доц.
Донскова Е. В., Клеветова Т. В.
Д 676
Технологии и методики демонстраций колебаний и волн различной природы : учеб.-метод. пособие / Е. В. Донскова,
Т. В. Клеветова. — Волгоград : Изд-во ВГПУ «Перемена», 2009. —
47 с.
ISBN 978-5-9935-0104-8
Рассмотрены технологии и методики демонстрации колебаний и волн
различной природы в соответствии с программами «Теория и методика
обучения физике» и «Технологии и методики обучения физике» ГОУ
ВПО «ВГПУ».
Предназначено для студентов педагогических вузов и преподавателей физики средних учебных заведений.
ISBN 978-5-9935-0104-8
© Донскова Е. В., Клеветова Т. В., 2009
ББК 22.3я7 3
ВВЕДЕНИЕ
Экспериментальный метод является одним из основных методов обучения физике, т.к. дает возможность ученику познать физические явления,
познакомиться с научными методами изучения природы, сформировать
опыт работы с физическим оборудованием, развить наблюдательность и
любознательность. В системе школьного физического эксперимента центральное место занимает демонстрационный эксперимент, который характеризуется высокой степенью наглядности, убедительности и педагогической эффективности.
Деятельность будущих учителей физики по овладению технологиями и
методиками демонстраций колебаний и волн наиболее эффективна в том
случае, когда проводятся аналогии между явлениями механической и
электромагнитной природы. Это дает возможность сформировать у выпускников целостную физическую картину мира и научить их применять
физические знания в профессиональной и исследовательской деятельности.
Дидактический потенциал демонстрационного эксперимента связан, в
частности, с возможностью управления когнитивными процессами. Восприятие учебного материала, предъявляемого в виде формулировок явлений, законов и выводов формул, значительно облегчается, если рассказ
учителя сопровождается натурным экспериментом. При подготовке будущих учителей физики важно овладение экспериментальной ситуацией,
которая включает постановку проблемы, вытекающей из понимания соответствия между физическими явлениями, процессами и законами и способами их реализации в демонстрационном эксперименте; выбор методических средств и технологий описания результатов эксперимента с целью
установления дедуктивных следствий для наблюдаемых величин; оценку
соответствия результатов эксперимента и теории. В результате освоения
методики проведения демонстрационного эксперимента в рамках изучения дисциплины «Технологии и методики обучения физике» у студентов
должны сформироваться следующие компетенции:
— базовые профессиональные — уметь строить образовательный про-
цесс в соответствии с целями школьного физического образования базового и профильного уровней; устанавливать взаимодействие с субъектами образовательного процесса при изучении физики; создавать и использовать в педагогических целях образовательную среду посредством организации демонстрационного эксперимента;
32
— специальные профессиональные — владеть опытом подготовки к
работе демонстрационных установок и приборов школьного физического
кабинета; уметь анализировать технические характеристики электротехнических приборов и устройств в объеме, обеспечивающем проведение демонстрационных опытов в рамках школьной программы курса физики;
уметь устранять простейшие технические неисправности демонстрационных установок и приборов школьного физического кабинета, применять
методы анализа, синтеза, моделирования, наблюдения и использовать теоретические положения для объяснения результатов опытов в соответствии
с методологией научного эксперимента; владеть опытом проектирования
уроков физики с использованием технологий проведения демонстрационного эксперимента в соответствии с государственным образовательным
стандартом и программой.
Процесс освоения компетентностного опыта при подготовке будущих
учителей физики к проведению школьного демонстрационного эксперимента основан на имитационно-моделирующих технологиях лабораторнопрактических занятий, в ходе которых студенты приобретают опыт преподавательской деятельности. С этой целью студентам предлагается спроектировать и провести фрагменты уроков, для чего необходимо «...умение
увидеть изучаемый предмет в его инструментальной функции, его место в
будущей деятельности». Такие занятия стимулируют «развитие собственной системы и стиля работы, рефлексию и систематизацию собственного
опыта, отбор и фиксацию наиболее удачных вариантов работы» [6]. Примеры заданий по проектированию фрагментов уроков на различные темы
с реализацией технологий проведения занятий даны в разделе «Задания для
самостоятельной работы студентов».
В пособии рассмотрены технологии демонстрационных опытов по разделам «Механические колебания», «Механические волны», «Электромагнитные волны», «Волновые свойства света», представлены задания по изучению принципа действия и комплектации демонстрационных установок
по изучению волновых явлений на поверхности воды (ФПВ-02), электромагнитных волн (ПЭВ-1), волновых свойств света (L-микро).
Пособие является частью учебно-методического комплекса по дисциплинам «Теория и методика обучения физике» (для специальности «Физика с дополнительной специальностью», квалификация «Учитель физики») и «Технологии и методики обучения физике» (для направления «Физико-математическое образование», профессионально-образовательный
профиль подготовки бакалавров «Физика»), а также может быть полезно
преподавателям физики образовательных учебных заведений.
Тема 1. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
Цель лабораторной работы по данной теме — овладеть методикой демонстраций механических колебаний и введения на их основе понятий и
законов. Данная работа позволяет в строгой логической последовательности на базе физического демонстрационного эксперимента сформировать основные понятия и положения учения о колебаниях. Для первоначального ознакомления с колебательным движением можно ограничиться демонстрацией колебания тела под действием силы тяжести и силы упругости (см. ниже задание 1).
При исследовании законов гармонического колебательного движения
наибольшую ценность представляет собой простейший прибор — груз,
колеблющийся на пружине, пружинный маятник. Исследованию гармонического колебательного движения на пружине посвящено задание 2.
Гармоническое колебательное движение и равномерное вращательное движение тела по окружности являются двумя видами периодического движения, поэтому любое из них может быть выбрано исходным, однако методически целесообразно начинать изучение периодических движений с равномерного вращательного движения. В задании 3 приведена демонстрация, позволяющая установить связь гармонического колебания с
равномерным движением тела по окружности.
Доступные и выразительные демонстрации позволяют рассмотреть
виды маятников — математический, пружинный, физический. Вводится
понятие приведенной длины маятника. При демонстрации явления резонанса и действия резонансного тахометра необходимо обратить внимание
на их применение и влияние. Так, принцип действия резонансного тахометра положен в основу язычкового частотомера, которым измеряют частоту переменного тока. Физический демонстрационный эксперимент по
данной теме дает богатый материал для проектирования индивидуальных и
групповых экспериментальных заданий.
Задание 1. Продемонстрируйте колебания тела под действием силы
тяжести и силы упругости.
Оборудование: математический маятник, пружины спиральные с крючками (2 шт.), набор грузов, штатив универсальный, сирена дисковая с
укрепленным на краю диска металлическим стержнем с шариком.
Демонстрируются колебания математического, горизонтального пружинного, вертикального пружинного маятников, крутильные колебания.
Задание 2. Продемонстрируйте гармоническое колебательное движение.
54
Оборудование: пружина спиральная с крючками, штатив универсальный с муфтой и лапкой, набор грузов, секундомер, метр демонстрационный.
Собирают установку с вертикальным пружинным маятником. На свободный конец пружины подвешивают гирю и укрепляют шкалу (метровую линейку) так, чтобы ее нулевое деление было расположено на одном
уровне с серединой неподвижной гири. Измеряют частоту, период, амплитуду колебаний.
Задание 3. Установите связь гармонического колебания тела на пружине с равномерным движением тела по окружности.
Оборудование: пружина спиральная с крючками, набор грузов, штатив универсальный с муфтой и лапкой, машина центробежная, сирена дисковая с укрепленным на краю диска металлическим стержнем с шариком,
осветитель на стойке для теневого проецирования, экран настольный.
На центробежной машине закрепляют дисковую сирену, а на краю
диска в одном из отверстий — металлический стержень с шариком. Ось
вращения диска располагают горизонтально. На расстоянии 1—1,5 м от
машины ставят осветитель для теневого проецирования, а за машиной —
настольный экран. Приборы устанавливают так, чтобы на экране получилась четкая тень только от шарика и при вращении машины эта тень колебалась бы строго по вертикальной линии. В процессе демонстрации опыта
выясняют, что за время одного оборота шарика его тень на экране совершает одно полное колебание.
На столе рядом с шариком устанавливают вертикальный пружинный
маятник, который приводят в колебание, а шарик — в равномерное вращение с такой скоростью, что обе тени на экране (от шарика и гири) в течение
некоторого времени колебались с одинаковыми периодами, амплитудами, фазами. Чтобы выяснить характер изменения скорости и ускорения, на
центробежной машине прикрепляют небольшую картонную или металлическую стрелку. Шарик поворачивают вокруг стержня до тех пор, пока
стрелка не расположится по касательной к окружности, которую описывает шарик при своем вращении. В этом случае стрелка характеризует величину и направление скорости шарика, а тень — величину и направление
скорости тела, совершающего колебание.
Шарик приводят в медленное равномерное вращение и наблюдают на
экране за изменением тени от стрелки. Когда тень от шарика проходит
положение равновесия, тень от стрелки достигает наибольшей длины. По
мере удаления стрелки от среднего положения длина тени от нее постепенно убывает. В крайних положениях она исчезает за тенью шарика и изменяет свое направление.
После этого шарик на стержне устанавливают так, чтобы стрелка расположилась вдоль радиуса, а ее острие было направлено к центру диска.
Снова приводят шарик в медленное вращение и внимательно наблюдают
за движением тени на экране. В этом случае стрелка отражает величину и
направление центростремительного ускорения шарика, а ее тень — величину и направление ускорения тела, совершающего гармоническое колебание.
Теперь тень от стрелки достигает максимальной величины в крайних
положениях и скрывается за тенью шарика по мере приближения к положению равновесия. В момент прохождения точки равновесия стрелка-тень
изменяет свое направление на противоположное и благодаря этому всегда
стремится к положению равновесия.
Задание 4. Продемонстрируйте запись колебательного движения.
Оборудование: воронка, подвешенная на штативе, доска на колесиках,
песок, осветитель (или лазер), линза, вращающаяся зеркальная призма, экран, вибратор с плоским зеркалом.
Механическая запись колебаний. Приводят одновременно в колебательное движение воронку с песком и поступательное — доску на колесиках. В результате сложения двух движений получается синусоида из песка.
Оптический способ записи колебаний. Собирают установку по схеме,
изображенной на рис. 1. Для этого плоское зеркало оставляют неподвижным, а зеркальную призму приводят во вращение по часовой стрелке. С
увеличением скорости вращения световой «зайчик» на экране «растягивается» в светлую горизонтальную линию. Затем призму останавливают, а
зеркалу сообщают колебательное движение и наблюдают вертикальные
колебания светового пучка. Наконец, одновременно с колебаниями плоского зеркала приводят во вращение зеркальную призму. В этом случае
вертикальные колебания светового пятна на экране растягиваются в правильную синусоиду.
Рис. 1. Схема оптической записи колебаний: 1 — осветитель; 2 — линза (вместо
осветителя и линзы можно использовать лазер); 3 — вибратор с плоским
зеркалом; 4 — вращающаяся зеркальная призма; 5 — экран
76
Делают вывод о зависимости вида синусоиды от частоты, амплитуды
колебаний зеркала и скорости вращения зеркальной призмы.
Задание 5. Продемонстрируйте законы колебания математического
маятника.
Оборудование: стержень с тремя маятниками, секундомер, метр демонстрационный, штатив универсальный, электромагнит, выпрямитель
ВС-4-12; провода соединительные.
Показывают:
— независимость периода колебаний от массы, используя алюминиевый и свинцовый маятники;
— независимость периода от амплитуды колебаний, используя два
маятника одинаковой длины, отклоненные на разные, но малые углы;
— зависимость периода колебаний маятника от длины (уменьшая длину маятника в 4 раза, наблюдают уменьшение периода в 2 раза).
Моделируют зависимость периода колебаний от ускорения свободного падения. Для этого стальной маятник располагают над электромагнитом, подключенным к выпрямителю ВС-4-12, и приводят в движение с малой амплитудой колебаний.
Задание 6. Продемонстрируйте законы колебания пружинного маятника.
Оборудование: пружина спиральная, набор грузов, секундомер, штатив универсальный, метр демонстрационный.
Показывают зависимость периода колебаний от массы, подвешивая
вначале один, а затем четыре груза к вертикально расположенной пружине. Исследуют качественно зависимость периода колебаний от жесткости
пружины, для чего зажимают пружину, чтобы растягивалась 1/4 ее первоначальной длины. Сравнивают периоды колебаний груза на полной пружине и в том случае, когда используется 1/4 ее длины.
Задание 7. Продемонстрируйте зависимость периода колебания физического маятника от расстояния между центром тяжести и осью.
Оборудование: метр демонстрационный, нитяной маятник, штатив
универсальный, спица стальная.
Используют демонстрационную метровую линейку с отверстиями. Ось
вращения располагают вначале в крайнем отверстии, а затем ближе к центру линейки. Чтобы дать понятие о приведенной длине маятника, надевают
на горизонтальную ось линейку, используя крайнее отверстие, на этой же
оси укрепляют математический маятник. Изменяя длину последнего, добиваются совпадения фаз колебаний физического и математического маятников.
Задание 8. Продемонстрируйте сложение двух взаимно перпендику-
лярных колебаний.
Оборудование: осветитель для теневой проекции (или лазер), линза на
подставке, вибратор с плоским зеркалом (2 шт.), экран.
Рис. 2. Схема сложения двух взаимно перпендикулярных колебаний:
1 — осветитель; 2 — линза (вместо осветителя и линзы можно использовать
лазер); 3 и 4 — вибраторы с зеркалами; 5 — экран
При сборке установки по схеме, изображенной на рис. 2, производят
сложение двух взаимно перпендикулярных колебаний оптическим способом. Приборы регулируют так, чтобы слабо расходящийся от осветителя
пучок света проходил линзу и, отразившись от зеркал, попадал на середину
экрана. Перемещая линзу, добиваются четкого изображения на экране нити
лампочки осветителя. Опыт начинают со сложения колебаний одинаковой
частоты. Чтобы подогнать собственные частоты вибраторов друг к другу,
одно из зеркал перемещают относительно нитей, на которых они укреплены. После этого демонстрируют колебание одного из зеркал. На экране
получают светлую полоску, расположенную, например, горизонтально.
Останавливают первое зеркало и приводят в колебание второе. Теперь
на экране получается светлая вертикальная полоска. Это свидетельствует о
том, что колебания зеркал взаимно перпендикулярны. Затем демонстрируют одновременное колебание обоих зеркал и наблюдают на экране картину результирующего колебания — фигуру Лиссажу.
Задание 9. Продемонстрируйте ре-
зонанс колебаний маятников.
Оборудование: рамка деревянная
на подставке, математические маятники (4 шт.), метр демонстрационный.
Для проведения опыта используют установку, изображенную на
рис. 3.
Маятники 2, 3, 4 в данном опыте
используют как вибраторы, а маятник 1 применяют в качестве резонато-
Рис. 3. Установка для демонстрации
резонанса колебаний маятников
98
ра. Выводя поочередно маятники 2, 3, 4 из положения равновесия, добиваются явления резонанса для одного из них. Следует обратить внимание на
разность фаз между колебаниями вибратора и резонатора. В момент резонанса она равна 90°, что очень хорошо наблюдается в результате медленных колебаний маятников.
В постановке описанных опытов большое значение имеет величина
связи между маятниками. Нить между ними должна быть натянута очень
слабо. При сильной связи происходит обмен энергией между маятниками
и явление резонанса осложняется биениями.
Задание 10. Продемонстрируйте принцип действия резонансного та-
хометра.
Оборудование: модель резонансного тахометра, центробежная машина.
Модель резонансного тахометра представляет собой железную скобу,
с одной стороны которой имеется зажимный винт, а с другой между двумя
брусочками прикреплены четыре упругие пластинки различной длины.
На концах пластинок имеются жестяные прямоугольники — флажки, покрытые белой краской. Пластинки могут совершать упругие колебания,
причем собственная частота пластинок различна.
При постепенном увеличении скорости вращения пластинки вступают
в резонанс поочередно, начиная с самой длинной. После наблюдения резонанса на последней (короткой) пластинке скорость машины немного
увеличивают, затем, отпустив рукоятку, предоставляют машине возможность вращаться по инерции. По мере уменьшения скорости вращения
машины колебания пластинок повторяются в обратном порядке.
Контрольные вопросы и задания
1. Каким образом можно теоретически и экспериментально доказать,
что свободные колебания груза на пружине являются гармоническими?
2. Экспериментально и теоретически покажите, от каких величин зависят частота и период колебаний математического и пружинного маятников.
3. Каково должно быть соотношение частот при сложении взаимно
перпендикулярных колебаний для получения эллипса и восьмерки?
4. Введите понятие резонанса механических колебаний и продемонстрируйте данное явление.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]