Система физического эксперимента при изучении механических колебаний и волн в основной школе

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение высшего образования Московской области

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБЛАСТНОЙ УНИВЕРСИТЕТ

(МГОУ)

Факультет физико-математический

Кафедра методики преподавания физики





ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА


на тему: «Система физического эксперимента при изучении механических колебаний и волн в основной школе»



Бросалина Ксения Геннадьевна







по направлению подготовки/
44.03.05 «Педагогическое образование»

специальность





Профиль / программа подготовки
«Физика и информатика»

Руководитель
Бабенко О. Ю., к. п. н., доцент кафедры

выпускной квалификационной
методики преподавания физике.

работы






(подпись, дата)


















Москва 2018

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ	3

1 ГЛАВА «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ

КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ»	5

1.1. Основные виды деятельности обучающихся на уроках физики с

использованием ИКТ	5

1.2. Натурный и виртуальный эксперименты по физике в основной школе	10

1.3. Научно-методический анализ содержания механических колебаний и волн в

разных учебно-методических комплектах	17

2 ГЛАВА «СИСТЕМА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ИЗУЧЕНИИ

МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ»	21

2.1 Содержательная схема изучения темы « Механические колебания и волны»	21

2.2. Система физического эксперимента при изучении механических колебаний и

волн в основной школе	23

2.2.1 Демонстрационный опыт	23

2.2.2. Фронтальная лабораторная работа	28

2.2.3. Домашняя лабораторная работа	32

2.2.4. Виртуальный эксперимент	34

2.2. Конспект урока по теме «Свободные колебания пружинного и

математического маятников»	37

2.3 Система полученных знаний при изучении темы	43

3 ГЛАВА «ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ»	45

3.1 Этапы педагогического эксперимента	45

3.2 Разработка дидактических материалов для контроля знаний обучающихся	46

3.3 Статистическая обработка результатов измерений	53

ЗАКЛЮЧЕНИЕ	55

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ	56



2

ВВЕДЕНИЕ



     Главная задача школы, включая и преподавание физики, заключается в формировании личности, которая способна ориентироваться в потоке информации в условиях непрерывного образования. Понимание общечеловеческих ценностей возможно только лишь при должном познавательном, нравственном, этическом и эстетическом воспитании школьников. Поэтому к основной цели обучения можно добавить частные цели, которые представлены: воспитанием у школьников в ходе деятельности положительного отношения к науке в общем и к физике в частности; развитием интереса к физическим знаниям, научно-популярным статьям, а также жизненным проблемам. Физика – это основа естествознания и современного научно-технического прогресса, которая определяет такие конкретные цели обучения как: осознание школьников роли физики в науке и производстве, воспитание экологической культуры, понимание нравственных и этических проблем, которые связаны с физикой.

     На сегодняшний день современным школам ставится задача преобразования существующей системы обучения в качественно новую систему образования, а именно задача воспитания грамотной, продуктивно мыслящей личности, адаптированной к современным условиям жизни в обществе. Это происходит в связи ежегодным обновлением стандартов системы образования. Естественная в учебно-воспитательном процессе является установка на самостоятельное получение знания учащимися, на их самообразование и на самопознание.

     По этой причине га современном этапе развития обращается внимание на индивидуальный (ориентированный на личность) подход при обучении школьников, создание условий с целью овладения ребёнком разнообразных способов самостоятельного получения и усвоения знаний, развития своего



3

творческого потенциала. Главным направлением, решающим данную задачу, является внедрение информационных средств в обучение.

     Цель: теоретически обосновать и экспериментально проверить пути и средства повышения эффективности обучения физике на основе методических систем изучения механических колебаний и волн.

В соответствии с целью исследования выдвигаются следующие задачи:

1. Изучение основ методики изучения механических колебаний и волн

в курсе физики основной школы;

     2. Структурирование материала и постановка целей изучения данной темы в курсе физики основной школы;

     3. Анализ методических особенностей изучения механических колебаний и волн, в том числе анализ содержания существующих программ

и учебников по физике для основной школы;

     4. Разработка интерактивных методов формирования знаний и умений учащихся по выбранной теме.

     Объектом настоящего исследования является процесс обучения физике обучающихся 9х классов основной школы.

     Предметом исследования является разработка системы физического эксперимента при изучении механических колебаний и волн в курсе физики основной школы.

     Научная новизна работы состоит в теоретическом обосновании необходимости использования в системе физического эксперимента на уроках физики при изучении темы «Механические колебания и волны» как натурного так и виртуального физического эксперимента.

     Практическая значимость работы заключается в том, что разработанная система физического эксперимента по физике при изучении темы «Механические колебания и волны» в основной школе, может быть использована учителем на уроках в предпрофильных классах.



4

1 ГЛАВА «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ»




1.1. Основные виды деятельности обучающихся на уроках физики с использованием ИКТ



     Физика представляет собой экспериментальную науку, которую всегда преподают с помощью демонстрационного эксперимента. Сегодня в кабинете физики должны применяться как разные установки и приборы для проведения экспериментов, так и вычислительная техника, включающая мультимедиа проектор или демонстрационный экран.

     С помощью разнообразного иллюстративного материала, мультимедийных и интерактивных моделей появляется возможность поднятия процесса обучения на более новый и качественный уровень. Но также нужно учитывать психологический фактор: современным школьникам лучше и интереснее получать информацию в такой именно форме, чем с помощью различных схем и таблиц. Используя компьютер на уроке физики, информацию следует представлять с помощью динамичного видео- и звукоряда, что улучшает эффективность усвоения материала школьниками.

     Благодаря интерактивным элементам обучающих программ можно перейти от пассивного усвоения материала к активному. Это связано с тем, что у учащих появляется возможность самостоятельно моделировать явления

и процессы, воспринимать информацию с возвратом, при любой возможности, к любому фрагменту, с повторением виртуального эксперимента с любыми начальными параметрами.

     Как одну из форм обучения, которая стимулируют обучающихся к творческой деятельности, можно представить создание одним учащимся или группой учащихся мультимедийной презентации, которая будет

5

сопровождать изучение любой темы курса физики. Здесь у каждого ученика есть возможность самостоятельно выбрать различные формы представления материала, компоновки и дизайна слайдов. Также учащиеся могут применять абсолютно все доступные средства мультимедийных средств с целью сделать материал наиболее ярким, зрелищным и хорошо запоминающимся.

     Способы использования информационно-коммуникационных технологий на уроках физики представлены:

- компьютерным моделированием;

- компьютерными демонстрациями;

- лабораторно-компьютерным практикумом;

- решением задач в электронной таблице Excel;

- компьютерным тестированием.

     Рассмотрим подробнее представленные информационно-коммуникационные технологии.

     Первая технология – это компьютерное моделирование, которое представляет собой мощное научное направление, разрабатывающееся уже несколько лет. Использование данной информационно-коммуникационной технологии в школе, в частности в специализированных классах, достаточно перспективно в будущем, так как данная технология – это мощный инструмент познания мира. Компьютерное моделирование можно применять

в качестве индивидуальной и групповой формы создания компьютерных моделей школьниками.

Следующая технология – это компьютерные демонстрации.

     Главное достоинство такой технологии проявляется в том, что с помощью неё можно провести абсолютно любой урок и при этом продуктивно помочь учителю и ученикам. Ещё одним преимуществом использования данной технологии является то, что есть физические процессы или явления, которые нельзя наблюдать визуально в лабораторных условиях,

например, движение спутника вокруг Земли. Поэтому в таком случае необходимо применять компьютерные демонстрации, так как с помощью них
6

можно «сжать» временные и пространственные рамки и получить выводы и следствия, которые адекватны реальности.
























Рис.1.1. Компьютерные демонстрации



     Главное достоинство такой технологии проявляется в том, что с помощью неё можно провести абсолютно любой урок и при этом продуктивно помочь учителю и ученикам. Ещё одним преимуществом использования данной технологии является то, что есть физические процессы или явления, которые нельзя наблюдать визуально в лабораторных условиях, например, движение спутника вокруг Земли. Поэтому в таком случае необходимо применять компьютерные демонстрации, так как с помощью них можно «сжать» временные и пространственные рамки и получить выводы и следствия, которые адекватны реальности.

     Также для применения данной информационно-коммуникационной технологии не нужно огромное количество компьютеров. Для этого нужен всего лишь один компьютер, видеопроектор, или комплекс — компьютер плюс телевизор.

Третья технология - компьютерное тестирование.

     Компьютерное тестирование в качестве информационно-коммуникационной технологии давно применяется в учебном процессе. Если

7

применять эту технологию в традиционной форме обучения, то это очень сложный процесс, требующий значительных временных вложений. Применение компьютеров делает процесс компьютерного тестирования намного технологичным, что в ближайшее время оно может стать главным элементом контроля уровня знаний школьников.





















Рис.1.2. Компьютерное тестирование



Следующая технология – это компьютерный практикум. Использование компьютерного практикума достаточно трудоемко для

учителя и от него требуется специальная подготовка. Также для проведения компьютерного практикума необходим специальный компьютерный класс и нужно разделить класс на подгруппы. По причине того, что в данной технологии с самого начала заложена активная роль учащихся, компьютерный практикум очень эффективен для творческого развития школьников. Здесь компьютер является средством для решения любых задач физики. Но, используя эту технологию, педагог недолжен отказываться и от традиционной формы проведения лабораторной работы. Лучший способ – это совместить эти формы на практических уроках. К примеру, одна подгруппа выполняет практикум с применением виртуальной лаборатории, а другая подгруппа в тоже время делает такой же практикум, но с



8

применением традиционного физического оборудования. После этого подгруппы меняются местами.























Рис1.3. Компьютерный практикум



     Ещё одной информационно-компьютерной технологией является решение задач в Microsoft Excel.

     Применение программы Microsoft Excel достаточно эффективно для экономии учебного времени из-за быстроты расчетов, а также удобно с целью графического представления физических процессов, для анализа и сравнения полученных графиков. С помощью программы Microsoft Excel можно повысить познавательный интерес школьников, так как, даже те дети, которые не любят решать задачи, захотят откликнуться на предложенные варианты применения Excel на уроках физики, что приведет к повышению результативности обучения.

     Безусловно, в школе компьютер не может решить всех проблем, так как это просто многофункциональное техническое средство обучения. Поэтому важны и современные педагогические технологии, а также инновации, позволяющие не просто «вложить» в каждого учащихся запас знаний, но и создать условия для проявления познавательной активности школьников.

Для	применения	вышеперечисленных	информационно-

коммуникационных  технологий  в  обучении  школьников  есть  все  нужные

9

условия. В кабинете физики есть 11 компьютеров для учащихся и автоматизированное место для учителя, которые объединены локальной сетью с выходом в Интернет, а также мультимедийный проектор, лазерный принтер и сканер.

     Использование в преподавании физики информационно-коммуникационных технологий дает мне возможность решить ряд задач, которые представлены:

     - развитием образного мышления учащихся с помощью применения широких возможностей представления визуальной информации;

     - развитием творческого мышления с помощью применения динамичных методов обработки и предъявления информации;

     - воспитанием коллективизма и коммуникативности в ходе обмена данными между школьниками при обсуждении или создании совместных видеопроектов;

     - воспитанием познавательного интереса с опорой на естественную тягу учащихся к компьютерной технике;

     - разработкой новых методов обучения, ориентированных на индивидуальные познавательные потребности личности.

     Решить эти задачи будет возможно в процессе использования вместе с видеокомпьютерными средствами следующих методов обработки информации: математического моделирования, компьютерной графики, мультимедиа, компьютерной обработки результатов лабораторных экспериментов.


1.2. Натурный и виртуальный эксперименты по физике в основной школе



     В самом определении физики в качестве науки заложена и теоретическая, и практическая части. Главное, чтобы во время обучения

физики	каждый	учитель	мог	намного	шире	продемонстрировать	своим

10

обучающимся взаимосвязь теоретической и практической частей, так как почувствовав данную взаимосвязь, ученики смогут большому количеству процессов, которые происходят вокруг них в быту, в природе, дать абсолютно верное теоретическое объяснение.

     Если нет демонстрационного эксперимента, то и нельзя говорить о рациональном обучении физике. Если использовать только словесное обучение, то это приведёт к формализму и механическому заучиванию. Первые мысли педагога должны быть иметь направленность на то, чтобы каждый учащийся увидев опыт, проделал его самостоятельно, увидев прибор в руках учителя, смог держать его в своих руках.

     Учебный эксперимент является средством обучения в качестве специально организованных и проводимых педагогом и учащимся опытов.

Цели учебного эксперимента представлены:

- Решением главных учебно-воспитательных задач.

     - Формированием и развитием познавательной и мыслительной деятельности учащихся.

- Политехнической подготовкой.

- Формированием мировоззрения школьников.

     Также можно предложить различные формы обучения практического характера в дополнение к рассказу учителя. Например, наблюдение учащимися за демонстрацией экспериментов, которые проводит учитель в классе во время объяснения нового или при повторении пройденного материала. Ещё одними из форм обучения являются опыты, которые проводят самими ученики в классе в ходе проведения фронтальной лабораторной работы, но под чётким наблюдением педагога.

Рассмотрим подробнее формы обучения.

     Первая форма – это демонстрационный эксперимент – одна из составляющих учебного физического эксперимента, которая представлена воспроизведением физических явлений педагогом на демонстрационном столе специальными приборами. Такую форму относят к иллюстративным
11

эмпирическим методам обучения. Роль демонстрационного эксперимента в обучении физике зависит от роли эксперимента в физике-науке в качестве источника знаний и критерия их истинности, а также его возможностей с

целью организации учебно-познавательного процесса обучения обучающихся.




















Рис.1.4. Формы обучения практического характера



     Демонстрационный физический эксперимент обладает преимуществами:

     - ученики изучают экспериментальный метод познания в физике, а также знакомятся с ролью эксперимента в физических исследованиях (на выходе у них развивается научное мировоззрение);

- у   учеников   развиваются   такие   экспериментальные   умения:

наблюдение явлений, выдвигание гипотезы, планирование эксперимента, анализ результатов, установление зависимости между величинами, и т.п.

     Демонстрационный эксперимент в качестве средства наглядности оказывает влияние на организацию восприятия школьниками учебного материала, его понимание и запоминание. Также с помощью него можно проводить политехническое обучение и повысить интерес к изучению физике

и формированию мотивации обучения. Но при проведении педагогом демонстрационного эксперимента основная деятельность остаётся за ним, а

при лучшем раскладе, за одним-двумя учениками, в то время другие ученики

12

только пассивно наблюдают за проведением опыта. В связи с этим, необходимо, чтобы ученики самостоятельно проводили эксперименты по физике.

     Следующей формой обучения являются лабораторные занятия. Во время обучения физике в средней школе экспериментальные умения формируются только тогда, когда они сами собирают установки, измеряют разные физические величины, проводят опыты. Лабораторные занятия достаточно интересны для учащихся, а это естественно, так как при этом ученик познаёт окружающий мир на основе собственного опыта и личных ощущений.

     Лабораторные занятия по физике достаточно эффективны, это проявляется в том, что у обучающихся развивается представление о роли и месте эксперимента в познании. Во время проведения опытов у школьников

развиваются экспериментальные умения, включающие в себя интеллектуальные и практические умения. В первую группу входят умения: определение цели эксперимента, выдвижение гипотезы, подбор приборов, планирование эксперимента, вычисление погрешностей, анализ результатов, оформление отчета о проделанной работе. Во вторую группу входят следующие умения: правильное собирание экспериментальной установки, наблюдение, измерение, экспериментирование.

     Также выполнение лабораторного эксперимента оказывает положительное влияние на выработку и развитие у учеников важных личностных качеств, которые представлены аккуратностью в работе с приборами; соблюдением чистоты и порядка на рабочем месте, в записях, делающихся в процессе эксперимента, организованностью, настойчивостью в получении нужного результата. У учащихся развивается конкретная культура умственного и физического труда.

Лабораторные занятия представлены:

- фронтальными лабораторными работами по физике;

- физическим практикумом;

13

- домашними экспериментальными работами по физике.

- выполнением самостоятельных лабораторных работ.

     Фронтальные лабораторные работы являются видом практических работ, в ходе которых все ученики класса в одно время проводят однотипный эксперимент с одинаковым оборудованием. Такие работы выполняют в основном группы учащихся, которые состоят из двух учеников, иногда можно выполнить индивидуальную работу. При проведении фронтальных лабораторных работ появляется некая сложность: не всегда в школьном кабинете физики есть в наличии достаточное количество комплектов приборов и оборудования для их проведения. Старое оборудование оказывается непригодным, при этом не все школы могут купить новое. Также ограничено время. Если у одной группы учеников что-то не получается или не хватает, то они обращаются к учителю за помощью, при этом отвлекают других учеников от выполнения фронтальной лабораторной работы.


План реализации эксперимента:

1. Формулировка,   выдвижение   и   обоснование   гипотезы,

которая может выступить базисом эксперимента.

2. Установление цели эксперимента.

     3. Определение условий, требуемых для достижения намеченной цели эксперимента.

4. Отбор требуемых приборов и материалов

5. Сбор установки.

6. Реализацияопыта,сопутствуемаянаблюдениями,

измерениями и записью их результатов

7. Математическая обработка результатов измерений

     8. Анализ результатов эксперимента, формулировка выводов Совокупную структуру физического эксперимента можно рассмотреть

в следующем виде:



14












Рис.1.5. Общая структура физического эксперимента



     В процессе реализации всякого эксперимента, требуется соблюдать требования, предъявляемые к данному эксперименту.

В первую очередь выделяют следующие требования к эксперименту:

- Безопасность;

- Кратковременность;

- Убедительность, доступность, достоверность;

- Наглядность.

     Компьютерный эксперимент как средство исследовательской деятельности обучающихся:

     На занятиях по физике компьютеры, в первую очередь, позволяют переместить на передний план экспериментальную, исследовательскую деятельность школьников. Примечательным средством для организации аналогичной деятельности выступают прежде всего компьютерные модели. Компьютерное моделирование дозволяет вывести на экран монитора живую, запоминающуюся динамическую картину физических опытов либо явлений и открывает для педагога широкий потенциал по совершенствованию занятий.

     Необходимо указать, что компьютерными моделями выступают прежде всего компьютерные программы, передающие физические опыты, явления либо идеализированные модельные ситуации, наблюдающиеся в физических задачах. Максимальную заинтересованность у школьников порождают компьютерные модели, в пределах которых можно управлять поведением



15

объектов на экране монитора, меняя величины числовых параметров, заложенных в основу соответственной математической модели.

     Определенные модели дозволяют синхронно с течением эксперимента отмечать в динамическом режиме построение графических зависимостей от времени ряда физических величин, описывающих эксперимент. Данные модели представляют особенную ценность, потому что школьники, зачастую, ощущают существенные трудности при построении и чтении графиков.

     Компьютерные модели свободно вписываются в общепринятое занятие, позволяя показать практически «на живую» множество физических эффектов, которые зачастую трудно и долговременно разъясняются «на пальцах». Помимо этого, компьютерные модели позволяют организовывать новые, нетрадиционные виды учебной деятельности.

Принципы использования компьютерной модели на занятиях:

     1. Модель явления требуется применять только тогда, когда нельзя провести эксперимент либо когда данное явление происходит крайне быстро

и за ним нельзя проследить досконально.

     2. Компьютерная модель предуготовлена помогать разбираться в тонкостях анализируемого явления либо выступать иллюстрацией условия решаемой задачи.

     3. В результате работы с моделью школьники должны определить как качественные, так и количественные зависимости между величинами,

характеризующими явление.

     Систематическая, компетентная реализация компьютерного эксперимента приводит к возникновению у учеников осмысленной потребности использования ПК для решения задач, включая и по физике.












16

1.3. Научно-методический анализ содержания механических колебаний и волн в разных учебно-методических комплектах





     Для реализации ФГОС основной школы уже существует ряд учебно-методических комплектов (далее – УМК), каждый из которых имеет свои особенности и предоставляет разнообразные возможности для развития универсальных учебных действий обучающихся. Так как ФГОС в основной школе проходит период апробации, то УМК по физике на сегодняшний день активно разрабатываются, и чтобы современному учителю сделать верный выбор, необходимо проанализировать существующие УМК как на предмет содержания, так и на соответствие современным государственным стандартам образования.

     Рассматривая учебно-методические комплекты для 9 классов основной школы, необходимо обращать особое внимание не только на содержательный элемент, но и на методы и способы подачи материала: ведь обязательно максимально учитывать психолого-возрастные особенности учащихся. Особенно это касается раздела «Механические колебания и волны», так как он изучается во всех рассмотренных УМК в первую очередь. Таким образом, одним из самых основных требований к содержанию учебного раздела «Механические колебания и волны» в учебнике физики основной школы является доступность изложения материала.

     Для того чтобы провести необходимый анализ в данной работе были выбраны три различных учебно-методических комплекта. Каждый из представленных комплектов соответствует требованиям ФГОС (УМК Грачева. А. В, УМК Хижнякова. Л. С, УМК Перышкина. А. В для 9х классов).







17

     Рассмотрим содержание раздела «Механические колебания и волны» в каждом имеющемся пособии.

Таблица 1

































































18






















     В учебнике Хижняковой Л. С. разделу «Механические колебания и волны» выделяется всего шесть параграфов, каждый из которых посвящен фундаментальным физическим величинам и явлениям: Периодические движения, Равномерное движение по окружности, Колебательные движения,

Свободные колебания пружинного и математического маятников, Вынужденные колебания, Резонанс, Механические и звуковые волны.

     Движение по окружности рассмотрено только равномерное, т. е. угловое ускорение и уравнение движения для равноускоренного движения по окружности не вводится, в отличие от учебника Грачева А. В., где отдельный параграф выделен для описания движения по окружности с тангенциальным ускорением. Также хочется отметить, что в пособии для учащихся под ред. Грачева А. В. присутствуют два параграфа, полностью посвященные подробному разбору решений задач по данной теме как графическим, так и аналитическим способом.

     В пособии Перышкина А. В. разделу «Механические колебания и волны» посвящены всего 11 параграфов. Также в этом учебном пособии в каждом параграфе присутствуют примечания «Это интересно», «Подумайте»

и т. п., что полностью отвечает требованиям федерального государственного образовательного стандарта. Другие рассмотренные учебники также



19

содержат практические упражнения после теоретического материала, но в более стандартной форме.

     В учебнике Грачева А. В. можно особенно отметить обилие иллюстраций к каждому из упомянутых в параграфе явлений, причем в большинстве своем эти иллюстрации приближены к жизни, несмотря на то,

что иллюстрируют достаточно сложные зависимости.

     В плане экспериментальных заданий на первое место выходит учебник Хижняковой Л. С. – в пособии приведены возможные эксперименты по данной теме и подробные инструкции к ним с иллюстрациями.

     Электронное приложение имеется в сопровождении к каждому учебнику, что упрощает учителю подготовку к уроку, позволяет учащимся изучать явления не только на лабораторном оборудовании, но и в интерактивной форме. Наличие электронного пособия является несомненным плюсом учебно-методического комплекта, и одна из важнейших задач методики преподавания физики – разработка интерактивного сопровождения к каждому УМК.

































20

2 ГЛАВА «СИСТЕМА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ИЗУЧЕНИИ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ»



2.1 Содержательная схема изучения темы « Механические колебания и волны»



























































21

Таблица 2






























































Вариант 1- 2 часа в неделю (70 часов),вариант 2- 3 часа в неделю (105 часов).







22

Таблица 3


























Таблица 4

















2.2. Система физического эксперимента при изучении механических колебаний и волн в основной школе



2.2.1 Демонстрационный опыт




     Обучающий физический эксперимент в качестве демонстрационных опытов и лабораторных работ выступает неотъемлемой, органической частью анализируемого курса в средней школе. Успешное совмещение теоретического материала и эксперимента обеспечивает, исходя из практики, наилучший педагогический результат.

23

     Демонстрационные опыты, разумеется, вырабатывают накопленные прежде предварительные суждения, которые к началу постижения физики совсем не у всех школьников находятся на одном уровне и являются безупречными. На протяжении всего курса физики данные опыты обогащают

и расширяют кругозор школьника. Они порождают верные первичные соображения касательно новых физических явлений и процессов, проявляют закономерности, знакомят с методами исследования, демонстрируют устройство и функционирование отдельных новых приборов и установок,

отображают техническое использование физических законов. Вышеуказанное конкретизирует, делает более ясными и вескими доводы преподавателя при изложении нового материала, порождает и поддерживает интерес к физике.

     Опыты, которые демонстрируются в рамках проведения темы "Механические колебания и волны":

1) Периодические движения.

2) Равномерное движения по окружности.

3) Механические колебания груза на пружине.

4) Механические колебания груза на нити.

5) Вынужденные колебания.

6) Резонанс в механических системах.

7) Образования и распространения поперечных и продольных волн.

8) Источники звука.

9) Условие распространения звука.

10) Громкость звука и высота тона.

Рассмотрим некоторые из них:

1. Механические колебания груза на пружине.

      Данный демонстрационный опыт проводится на уроке "Свободные колебания пружинного и математического маятников."

     Пружинный маятник подразумевает материальную точку массой m, прикрепленную к абсолютно упругой невесомой пружине с жесткостью k.
24

Рассматривают два наиболее простых случая: горизонтальный и вертикальный маятники.




















Рис.1.7.Вертикальный пружинный маятник.

     а) Вертикальный пружинный маятник. Положение равновесия в данном случае характеризуется следующим условием:


     где - величина упругой силы, воздействующей на груз при статическом растяжении пружины на под воздействием силы тяжести

груза	.

     Если растянуть пружину и отпустить груз, то он начнет совершать вертикальные колебания. Если смещение в определенный момент времени будет , то сила упругости запишется в данном случае как:

.



















Рис.1.8.Горизонтальный пружинный маятник.

25

б) Горизонтальный пружинный маятник. При смещении груза
из
положения    равновесия   на    величину
на
него
воздействует
в
горизонтальном  направлении  возвращающая  упругая  сила
(закон
Гука).   Полагается,   что   горизонтальная
опора,
по
которой
скользит
груз    при своих колебаниях, абсолютно гладкая (трения нет).



     В обоих приведенных случаях пружинный маятник осуществляет гармонические колебания с периодом



и циклической частотой





     На примере рассмотрения пружинного маятника можно сделать вывод о том, что гармонические колебания представляют собой прежде всего движение, вызванное силой, увеличивающейся пропорционально смещению. Следовательно, если возвращающая сила по виду напоминает закон Гука (она получила наименование квазиупругой силы), то система должна осуществлять гармонические колебания. В момент прохождения положения равновесия на тело не воздействует возвращающая сила, но, тело по инерции проскакивает положение равновесия и возвращающая сила изменяет направление на противоположное.

2. Источники звука


     Камертоны предназначены для демонстрации явления звукового резонанса, биений, интерференции звуковых волн и могут служить в качестве источника звука.

Пример проведения демонстрации:

     Камертон издает звук, который служит эталоном при настройке музыкальных инструментов. Потому что камертон точно воспроизводит звук одной частоты (например 440Гц).


26

     Возьмем три камертона, два из которых совпадают по частотам, а третий отличается от них.

     Для начала возьмем камертоны разных частот, ударим по камертону №1, мы слышим звук, но с камертоном № 3 ничего не происходит.


























Рис.1.9. Камертоны, используемые для проведения димонстрации.



     Проведем другой эксперимент, ставим два камертона одинаковой частоты рядом и бьем по одному из них - слышим звук. Рукой заглушаем, камертон, по которому был совершен удар, и наблюдаем, что звук продолжает идти из соседнего камертона. Как это происходит? Это происходит, потому что камертон №2, поймав частоту и звуковые волны камертона №1, "понимает", что это его резонансная частота и входит с ним в резонанс.

3. Звуковой генератор (учебный).


Школьные	звуковые	генераторы	предназначены	для	получения

(генерирования) синусоидальных либо гармонических колебаний напряжения. В звуковых генераторах напряжение может плавно меняться по частоте в так именуемом звуковом диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

27

Механические колебания с данными пределами изменения частоты воспринимаются человеческим ухом, данным истолковывается наименование диапазона частот. Данный генератор позволяет также плавно менять амплитуду напряжения.

     Звуковые генераторы применяются для проверки работы усилителей электрических колебаний низкой (звуковой) частоты, которые выступают составной частью множества электронных устройств, например, таких как электрофоны, радиоприемники либо магнитофоны и телевизоры.
























Рис.1.10. Звуковой генератор. Демонстрация зависимости громкости звука от частоты


2.2.2. Фронтальная лабораторная работа




     В средней школе при обучении физике экспериментальные умения вырабатываются, когда ученики самостоятельно собирают установки,

осуществляют измерения физических величин, реализуют опыты. Лабораторные занятия порождают у школьников довольно большой интерес, что совершенно понятно, потому что при этом имеет место познание школьником окружающего мира на основе собственного опыта и собственных ощущений.
28

     Смысл лабораторных занятий по физике состоит в том, что у школьников вырабатываются представления о значимости и месте эксперимента в познании. При реализации опытов у школьников вырабатываются экспериментальные умения, которые содержат в себе интеллектуальные умения вместе с практ.......................