Дипломная работа на тему: Компьютерные модели в школьном курсе физики

Введение

Важнейшей задачей школы, в том числе и преподавания физики, является формирование личности, способной ориентироваться в потоке информации в условиях непрерывного образования. Осознание общечеловеческих ценностей возможно только при соответствующем познавательном, нравственном, этическом и эстетическом воспитании личности. В связи с этим первую цепь можно конкретизировать более частными целями: воспитание у школьников в процессе деятельности положительного отношения к науке вообще и к физике в частности; развитие интереса к физическим знаниям, научно - популярным статьям, жизненным проблемам. Физика является основой естествознания и современного научно - технического прогресса, что определяет следующие конкретные цели обучения: осознание учащимися роли физики в науке и производстве, воспитание экологической культуры, понимание нравственных и этических проблем, связанных с физикой.

Квантовую физику изучают в конце школьного курса физики, причем изучают впервые. Нигде на протяжении всего школьного курса физики учащиеся не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с дискретностью энергии, со свойствами ядра атома, с элементарными частицами. Лишь о строении атома школьники получили самые первоначальные представления в курсе физики VIII класса и более полные-в курсе химии IX класса. Это обстоятельство требует от учителя так построить учебный процесс, чтобы при первичном изучении материала добиваться глубокого и прочного усвоения его учащимися. Необходима продуманная работа по закреплению и применению изучаемого материала при решении задач, выполнении лабораторных работ, работе с дидактическим материалом и т. д. Пониманию и усвоению раздела способствуют оценочные расчеты, например, волн де Бройля, связанных с различными объектами, размера ядра, его плотности, энергии связи и т. п.

Для повышения качества усвоения материала очень важно опираться на ранее полученные знания. Например, при изучении правил смещения при радиоактивном распаде и при изучении ядерных реакций необходимо широко опираться на законы сохранения массы и заряда. Перед изучением строения атома целесообразно повторить понятие центростремительного ускорения, законы Ньютона, закон Кулона, а также те сведения о строении атома, которые учащиеся получили в VIII классе на уроках физики и в IX классе при изучении химии.

Особенность содержания квантовой физики также накладывает отпечаток на методику ее изучения. В этом разделе учащихся знакомят со своеобразием свойств и закономерностей микромира, которые противоречат многим представлениям классической физики. От школьников для его усвоения требуется не просто высокий уровень абстрактного, но и диалектическое мышление. Противоречия волна-частица, дискретность-непрерывность рассматривают с позиций диалектического материализма. Поэтому при изучении этого раздела учителю важно опираться на те философские знания, которые получили учащиеся в курсе обществоведения, чаще напоминать им, что метафизическому противопоставлению (либо да, либо нет) диалектика противопоставляет утверждение: и да, и нет (в одних конкретных условиях-да, в других-нет). Поэтому нет ничего удивительного в том, что свет в одних условиях (интерференции, дифракции) ведет себя как волна, в других-как поток частиц.

Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Но число демонстрационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень невелико. Поэтому, кроме эксперимента, широко используют рисунки, чертежи, графики, фотографии треков, плакаты, диапозитивы и компьютерные модели. Прежде всего необходимо иллюстрировать фундаментальные опыты (опыт Резерфорда по рассеянию α-частиц, опыты Франка и Герца и др.), а также разъяснять принцип устройства приборов, регистрирующих частицы, ускорителей, атомного реактора, атомной электростанции и т. п. При изучении этого раздела широко используют учебные кинофильмы "Фотоэффект", "Фотоэлементы и их применение", "Давление света", "Радиоактивность и атомное ядро", "Ядерная энергетика в мирных целях", кинофрагменты "Дискретность энергетических уровней атома (опыт Франка - Герца)", "Природа линейчатых спектров атомов водорода", диафильмы "Трековые приборы в ядерной физике", "Ускорители заряженных частиц", "Этот мирный добрый атом", "Строение атома и атомного ядра", а также диапозитивы "Атомное ядро" и настенные таблицы ("Атомная электростанция" и др.).

Одним из наиболее перспективных направлений использования информационных технологий в физическом образовании является компьютерное моделирование физических явлений и процессов. Компьютерные модели легко вписываются в традиционный урок, позволяя учителю продемонстрировать на экране компьютера многие физические эффекты, а также позволяют организовывать новые, нетрадиционные виды учебной деятельности учащихся. В этой курсовой работе мы будим использовать как пример компьютерный курс "Открытая физика 1.0".

Компьютерный курс "Открытая физика 1.0" прошёл сертификацию в Институте информатизации образования Министерства образования России, он соответствует программе курса физики для общеобразовательных учреждений России и рекомендован Министерством образования России в качестве учебного пособия для средних школ.

Данный курс является мощным средством интенсификации занятий и повышения интереса учащихся к физике и рекомендуется учащимся средних школ, техникумов, лицеев, колледжей, студентам не физических специальностей, лицам, самостоятельно изучающим физику, а также абитуриентам и преподавателям. Учебный компьютерный курс "Открытая физика1.0, часть I" содержит в виде отдельных модулей огромное количество интерактивных компьютерных моделей, которые позволяют наблюдать на экране компьютера симуляции физических экспериментов, десятки видеозаписей натурных экспериментов и 1 час звуковых пояснений в виде фрагментов лекций, которые читает научный руководитель проекта С. М. Козел.

Компьютерные модели позволяют пользователю управлять поведением объектов на экране монитора, изменяя начальные условия экспериментов, и проводить разнообразные физические опыты. Некоторые модели позволяют наблюдать на экране монитора, одновременно с ходом эксперимента, построение графических зависимостей от времени ряда физических величин, описывающих эксперимент. Видеозаписи натурных экспериментов делают курс более привлекательным и позволяют сделать занятия живыми и интересными. Особо подчеркнём, что к каждой компьютерной модели и к каждому видеофрагменту даны пояснения физики наблюдаемых экспериментов и явлений. Эти пояснения можно не только прочитать на экране дисплея и при необходимости распечатать, но и прослушать, если ваш компьютер укомплектован звуковой картой.

Общий вид программы с открытой моделью "Лазер: двухуровневая модель", задачей на эту тему и теорией по теме.

Компьютерный курс назван "Открытой физикой", так как его модульный состав даёт большую свободу в выборе компьютерных моделей и соответствующих экспериментов. В дальнейшем предполагается разработка открытых версий на основе новейших компьютерных технологий. Это позволит создавать открытые образовательные продукты для сети Internet и дистанционного образования. В перспективе учитель сможет менять наполнение курса в зависимости от своих целей, создавать собственные пояснения и задания к компьютерным моделям, сохранять начальные условия запланированных экспериментов, вводить в курс новые задачи и вопросы.

Оглавление

- Введение 3

- Компьютерные модели в школьном курсе физики

- Методика применения компьютерных моделей в школьном курсе физики

- Как начинать работать с компьютерным курсом

- Как проводить первые уроки в компьютерном классе

- Компьютерные модели для курса Квантовая физика 11 класс

- План-конспект урока Фотоэффект. Применение фотоэффекта

- Заключение 37

- Список использованной литературы 39

Заключение

1) Тело теряет заряд только в том случае, если оно заряжено отрицательно.

2) Причиной ухода зарядов в цинковой пластине является свет, причём под действием квантов света выбиваются только электроны.

) Интенсивность выбивания электронов зависит от рода металла.

3. Выполнение заданий учащимися

А сейчас нам предстоит узнать, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества фотоэлектронов, какова зависимость количества электронов от интенсивности световой волны.

Я предлагаю провести компьютерный эксперимент и ответить на вопросы после его просмотра:

1. Как двигаются фотоэлектроны.

2. От чего зависит величина фототока.

3. Какие лучи вызывают фотоэффект.

4. От чего зависит кинетическая энергия фотоэлектронов.

5. Что называется красной границей фотоэффекта.

В результате фотоэффекта возникает ток, который называется фототоком. Фототок - движение вырванных светом из катода электронов. Силу фототока измеряют миллиампером или гальванометром; напряжение между электродами измеряется вольтметром. С помощью такой установки можно измерить число ежесекундно вырванных светом электронов, а так же максимальную кинетическую энергию вырванных электронов. Исследуя зависимость фототока от приложенного напряжения, А.Г. Столетов установил, что он не подчиняется закону Ома. Из графика видно, что фототок сначала растёт, а затем при сравнительно не большом напряжении перестаёт расти.

Максимальное значение фототока называют фототоком насыщения. Если изменить полярность источника напряжения, то сила тока уменьшится и при не котором задерживающем напряжении она станет равной нулю. В этом случае электрический ток тормозит фотоэлектроны до полной остановки, а затем возвращает их на катод. Фотоэлектрон - электрон, вырванный светом из вещества.

И еще одно очень важное замечание, на которое я хочу обратить ваше внимание. Если электроны, вырванные светом, покидают вещество, то такой фотоэффект называют внешним.

Выводы

Законы фотоэффекта

1. Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света , падающего на катод;

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна;

частоте света и не зависит от его интенсивности;

3. Для каждого вещества существует минимальная частота света, называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен.

Объяснение законов фотоэффекта дал в 1905 году Альберт Эйнштейн на основе гипотезы Планка.

1905 г. Эйнштейн - объяснил законы фотоэффекта

Исходя из закона сохранения и превращения энергии, Эйнштейн математически записал уравнение для энергетического баланса при внешнем фотоэффекте:

- энергия фотона, которая идет на работу выхода А электрона из металла и сообщение ему кинетической энергии. Работа выхода - минимальная работа, которую нужно совершить для выхода электрона из вещества. За уравнение для фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

Квантовая теория дает следующие объяснения законам фотоэффекта.

При увеличении интенсивности монохроматического излучения растет число поглощенных металлом квантов, а следовательно и число вылетающих из него электронов, поэтому фототок прямо пропорционален интенсивности излучения (1 закон).

Из уравнения Эйнштейна видно, что кинетическая энергия вылетающих электронов зависит только от рода металла, состояния его поверхности и частоты (или длины волны) излучения, то есть величины энергии квантов и не зависит от интенсивности излучения (2 закон). Если величина энергии квантов меньше работы выхода, то при любой интенсивности излучения электроны вылетать не будут (3 закон).

Красной границей фотоэффекта называют минимальную частоту света, ниже которой фотоэффект не наблюдается:

Эта граница для разных веществ различна, так как работа выхода зависит от рода вещества. При этом кинетическая энергия электронов равна нулю. А теперь вы выступите в роли А.Г.Столетова и самостоятельно исследуете законы фотоэффекта, использую компьютерную модель.

4. Первичный контроль знаний учащихся.

Тестовое задание: 10 задач различной сложности. Максимальное количество баллов за тест - 100.

5. Итог урока.

Вопросы: Что узнали?

Какую оценку можете себе поставить.

6. Домашнее задание.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ НА ДАННОМ УРОКЕ ЭОР

Таблица 2.

Название ресурса

Тип, вид ресурса

Форма предъявления информации (иллюстрация, презентация, видеофрагменты, тест, модель и т.д.)

Гиперссылка на ресурс, обеспечивающий доступ к ЭОР

Фотоэффект

И-тип

Интерактивная лекция

<http://school-collection.edu.ru/catalog/res/6fа82485-08е5-11dc-8314-0800200с9а66/view/>

Квантовая физика

К-тип

Интерактивная практическая работа

<http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669bс779-е921-11dc-95ff-0800200с9а66/index_listing.html> <http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/d7a7bd48-0191-423f-8f77-21b97е110148/kvant4.htm>

Тесты по квантовой физике. Фотон. Фотоэффект

Тестовое задание: 10 задач различной сложности. Максимальное количество баллов за тест - 100.

Заключение

Хочется выразить уверенность, что в следующих версиях курса "Открытая физика" количество компьютерных моделей будет расти, их функциональные возможности станут разнообразнее, а пределы изменения числовых значений параметров, описывающих эксперименты, будут расширены. Надеемся, что со временем появится задачник с вопросами и задачами, условие которых будет согласовано с функциональными возможностями моделей, а также рабочие тетради для учащихся с бланками компьютерных лабораторных работ. Вполне возможно, что через некоторое время появятся компьютерные обучающие задачники, в которых также будут использоваться компьютерные модели. Так что в перспективе учитель будет располагать компьютерной лабораторией, в рамках которой он сможет провести демонстрацию любого эксперимента из курса физики или проиллюстрировать любую задачу из школьного сборника задач.

Функциональные возможности моделей позволяют составить значительное число задач различных типов почти к каждой модели, но авторы ограничились лишь одной задачей в "Открытой физике". Надеемся, что со временем появится задачник с вопросами и задачами, условие которых будет согласовано с функциональными возможностями моделей, а также рабочие тетради для учащихся с бланками компьютерных лабораторных работ. Вполне возможно, что через некоторое время появятся компьютерные обучающие задачники, в которых также будут использоваться компьютерные модели. Так что в перспективе учитель будет располагать компьютерной лабораторией, в рамках которой он сможет провести демонстрацию любого эксперимента из курса физики или проиллюстрировать любую задачу из школьного сборника задач.

Тем не менее, даже на сегодняшний день, компьютерные курс "Открытая физика", безусловно, являются чрезвычайно полезными при изучении физики, как в классе, так и при индивидуальной работе. Итак, кратко подведем итоги. Можно ли изучать физику при помощи компьютерных моделей? Безусловно, да. Более того, роль компьютерного моделирования в учебном процессе будет повышаться по мере появления новых компьютерных программ. Однако, качественный скачок в этой области будет возможен тогда, когда разработчики осознают, что, для получения действительно эффективных обучающих программ, им необходим тесный контакт с учителями-педагогами, хорошо знакомыми с компьютерными технологиями и использующими эти технологии при работе с учащимися.

Список литературы

1. А. Ф. Кавтрев. Компьютерные программы по физике в средней школе. Журнал "Компьютерные инструменты в образовании", Санкт-Петербург: "Информатизация образования", №1, с. 42-47, 1998.

2. Е. И Бутиков. Лаборатория компьютерного моделирования. Журнал "Компьютерные инструменты в образовании", Санкт-Петербург: "Информатизация образования", №5, с.26, 1999.

. А. С. Чирцов. Информационные технологии в обучении физике. Журнал "Компьютерные инструменты в образовании", Санкт-Петербург: "Информатизация образования", №2, с.3, 1999.

. Е. И. Бутиков. Основы классической динамики и компьютерное моделирование. Материалы 7 научно-методической конференции, Академическая Гимназия, Санкт-Петербург - Старый Петергоф, с. 47, 1998.

. А. Ф. Кавтрев. "Компьютерные модели в школьном курсе физики". Журнал "Компьютерные инструменты в образовании", Санкт-Петербург: "Информатизация образования", №2, с. 41-47, 1998.

. М. И. Башмаков, С. Н. Поздняков, Н. А Резник "Информационная среда обучения", Санкт-Петербург: "Свет", с.121, 1997.

. А. Ф. Кавтрев. "Методика использования компьютерных моделей на уроках физики". Пятая международная конференция "Физика в системе современного образования" (ФССО-99), тезисы докладов, том 3, Санкт-Петербург: "Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена", с. 98-99, 1999.

. А. Ф. Кавтрев "Опыт использования компьютерных моделей на уроках физики в школе "Дипломат", Сборник РГПУ им. А. И. Герцена "Физика в школе и вузе", Санкт-Петербург: "Образование", с. 102-105, 1998.

. П. И. Белостоцкий, Г. Ю. Максимова, Н. Н. Гомулина "Компьютерные технологии: современный урок физики и астрономии". Газета "Физика" №20, с. 3, 1999.