Комбинированный урок по информатике и физике

Разделы: Физика, Информатика

Цели урока:

  • Образовательная: познакомить с понятиями “моделирование”, “модель”, “компьютерное моделирование”;
  • Развивающая: научится работать с экспериментальной математические моделью электрического колебательного контура, используя знания, навыки и умения решения задач из курса физики;
  • Воспитательная: воспитывать интерес к творческий и исследовательский работе

Тип урока: урок формирования новых знаний, умений и навыков.

Метод проведения:

  • 1–2 уроки: объяснительно-иллюстративный
  • 3–4 урок: практическая работа по разработке математической модели

ТСО и наглядность:

  • ПО: ОС Windows, Microsoft Power Point, CD-диск курса “Открытая физика”, версии 1.1; фирмы 1С
  • Презентация “Моделирование объектов, процессов и явлений. Виды моделей”
  • Карточки-задания к работе “Исследования процессов” (Приложение 1)
  • Карточка-конспект учителя к работе “Исследования процессов” (Приложение 2)

Литература: “ИНФОРМАТИКА 7–9 класс”, ред. Макаровой, изд. Питер, 2002 г.

ПЛАН УРОКА

I. Организационный момент

Проверка списочного состава. Тема, цели и план урока

II. Объяснение новой темы

  1. Моделирование
  2. Прототипы моделей
  3. Классификация моделей:
  4. Признаки моделей
  5. Классификация по областям использования:
    • учебные модели
    • опытные модели
    • научно-технические модели
    • игровые модели
    • имитационные модели
  6. Классификация с учётом фактора времени и области использования
    • динамическая модель
    • статическая модель
  7. Классификация по способу представления
    • материальные и информационные модели
    • знаковые и вербальные модели
    • компьютерные и некомпьютерные

III. Повторение

На этом этапе урока целесообразно подключить к работе учителя физики и задавать учащимся вопросы, ответы на которые помогут им справиться с лабораторной работой.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВЫКЛАДКИ, НЕОБХОДИМЫЕ НА УРОКЕ

Расчёт заряда:

q  =  qmcos(wo t) или q  =  qmsin(wo t   +  П/2) (но при этом начальная фаза, т.е. значение фазы в момент времени t = 0, равна не 0, а П/2) . Но так как обычно колебания в контуре возбуждаются при зарядке конденсатора, т.е. когда заряд максимальный, то лучше использовать формулу с Cos

qm – амплитуда гармонических колебаний, в данном случае – заряда (это модуль наибольшего значения колеблющейся величины). Определяется начальными условиями

Расчёт периода колебаний:

T – период колебаний – минимальный промежуток времени Т, через который процесс полностью повторяется

Т = 2П (LC) – формула Томсона

– (ню) частота колебаний – число колебаний в единицу времени, например в секунду.

v  = 1/T (измеряется в Гц)

Циклическая (или круговая) частота

w o =  2П v ( – омега), где v – число колебаний за 2 сек

Фаза колебаний

– (фи) – фаза колебаний – величина, стоящая под знаком Sin или Cos.

  =  2П . t /T (при t = T/4, т.е. через четверть периода   =  П/2;
при t = T/2, т.е. через половину периода   =  П;
при t = 3T/4, т.е. через три четверти периода =   3П/2;

при t = T, т.е. через период   =  2П)

Определение силы тока в любой момент времени:

i  =  I m . Sin(wt +  с), где Im – амплитуда силы тока; c – разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения

IV. Закрепление новой темы

Работа с моделью колебательного контура, представленного на CD-диске курса “Открытая физика”, версии 1.1; фирмы 1С.

1) Объяснение как работать с программой:

  • запустить программу “Открытая физика”;
  • выбрать в содержании раздел “Электричество и магнетизм”;
  • в данном разделе выбрать подраздел “Свободные колебания в RLC контуре”;
  • все опыты по моделированию процессов в колебательном контуре проводить в открывшемся окне “Свободные колебания в RLC контуре”;
  • все опытные установки выполняются в режиме “Выбор” (надо просто нажать данную кнопку и установить значения параметров L, C, R Qo, необходимые для опытов, или сдвигая линейку относительно указателя, расположенного над ней, или щёлкая мышкой по соответствующим кнопкам со стрелками, или смещая бегунок на линейке относительно указателя);

2) Выполнение лабораторной работы.

Этапы работы:

1. Изменить параметры колебательного контура так, чтобы колебательный процесс был незатухающий. Какой параметр нужно изменить?
Ответ: установить сопротивление R = 0 (см. рис. 1)

2. Установить начальные параметры системы:
а) заряд конденсатора – 2,0*10 –6 Кл
б) ёмкость конденсатора – 2 мкФ
в) индуктивность катушки – 8 мГн

Рис. 1

Рис. 1

3. Определить циклическую частоту w o =  1/ (LC) (учитывая, что L измеряется в мкФ (МикроФарадах), а С в мГн (милиГенри)

Ход решения:

1/ (2.10-6.8.10-3) =  1/ (16.10-9) =  1/ (1,6.10-8) =  1/ (1,6) .10-4 = 104/O (1,6)

Воспользуйтесь программой Калькулятор (стартовое меню (кнопка Пуск) – Программы – Стандартные – Кальклятор), изменив его вид на Инженерный (меню Вид ––> Инженерный)

на калькуляторе:

о  = 7905,69 рад/сек

4. Рассчитайте по формуле q = qmcos(wo t) заряд:

а) при t = 0 мс
б) при t = 1 мс

Ход решения:

а) ot  =  7,905,69 x 0  =  0 2,0 * 10 –6 * Cos 0  = 2,0 *10 –6 * 1  =  2,0 * 10 –6 Кл (2,0 мкКл)

б) оt  =  7905,69 x 10-3  =   7905,69 x 1000 = 7,905 2,0 * 10 –6 * Cos 7,905 ~ – 0,102
                                                 милисек                 (при вычислении Сos выбрать радиокнопку Radians)

Используя полученный график модели процесса, сравните правильность расчёта.

5. Записать уравнение для определения заряда при исходной ёмкости конденсатора, равной 3 мкФ, индуктивности, равной 5 мГн и заряде конденсатора, равном 1,5*10 –6 Кл

q = ?cos?

Ответ: Q = 1,5.10-6cos(1/( (3.10-6.5.10-3)).t)

6. Установите заданные в пункте 5 параметры колебательного контура и найти величину заряда при t = 2 мс. Сравните её с расчётной, для чего решите уравнение, полученное выше.

Ответ:

о  = 1/ (3.10-6.5.10-3) =  1/ (15.10-9) =  1/ (1,5.10-8) =  1/ (1,5).10-4 = 104/1,5

о  = 8164,97 рад/сек

оt  =  7905,69 x 2 x 10-3   =  8164,97 x 2 x 1000 =  16329,93 *10 –3   =  16,329 q  =  1,5 x 10-6 x Cos 16,329 ~ –1,22 x 10-6 Кл
                                                                                                                                                                   (–0,81)

Рис. 2

Рис. 2

7. Путём подбора параметров добейтесь, чтобы период колебаний контура был равен 1 мс. Запишите полученные параметры контура.

Например: L  =  8,5 мГн С  =  3 мкФ Q  =   1,5 мкКл

Рис. 3

Рис. 3

8. Запишите уравнение для определения силы тока.

i  =  I m .Sin(wt +  с)

9. Получить график изменения силы тока.
(Надо просто поставить галочку напротив пункта Граф.I(t), а галочку напротив Q(t) – сбросить; см. рис. 4)

Рис. 4

Рис. 4

10. Установить параметры системы:
а) заряд конденсатора – 2,0*10 –6 Кл
б) ёмкость конденсатора – 6,7 мкФ
в) индуктивность катушки – 8,5 мГн (см. рис. 5)

Рис. 5

Рис. 5

11. Рассчитать значение силы тока при t = 1,5 мс. Сравните полученное значение со значением в данный момент времени на графике.

Данные для расчёта:

w  =  2 П v  =  2 П 1/T
T = 2П (L/C)  =  2.3,14(8,5.10-3.6,7.10-6) ~1,49867 . 10-4 сек ~1,5 мс
w  =  2 П 1/T

Вывод формулы для Im:

С = Q/U  = > U =  Q/С
I m =  Uo / (L/C)  =  (Q/С) / (L/C)  =   (Q/С). (C /L)  = Q/ ( L/C)
I m =  2,0*10–6/ (8,5 . 10-3 . 6,7 .10-6) =  2,0 * 10–6/ (56,95 . 10-9) =  2,0*10–6/ (5,695 . 10-8) =  2,0*10–6 . 104/ (5,695) ~ 0,838 . 10-2 А

Рис. 6

Рис. 6

Для нашей задачи t  =  T  = > с = 2П

Ответ: i  =  I m . Sin(wt +  ) =  I m . sin(2 П . 1/T . t +  2П) =  I m . sin(2П . 1/T . T +  2П) =  I m . sin(2П + 2П) =   0,838.10-2 . sin(4П) =  0,838 . 10-2 . 0 = 0 (см. рис. 6)

12. Рассчитать значение силы тока при = П . Сравните полученное значение со значением в данной фазе по графику.

Ответ: i  =  I m . Sin(wt + ) =  I m . sin(2П . 1/T . t + П) =  I m . sin(2П . 1/T . T + П) =  I m . sin(2П + П) = 0,838 . 10-2 . sin(3П) =  0,838 . 10-2.(–1) =  –0,838.10-2 A

13. Проследить изменение (динамику) заряда и силы тока. В какой фазе заряд максимальный, а значение тока равно 0?
При ответе на данный вопрос целесообразно включить и воспроизведение графика для заряда

Ответ: = 0

= 2П

14. По графику установить, где сконцентрирована энергия в момент, когда:

а) = 0 Ответ: на конденсаторе;
б) = П/2 Ответ: на катушке индуктивности;
в) = П Ответ: на конденсаторе.

15. Исследовать затухающие колебания. Что необходимо включить в контур, чтобы колебания были затухающими. Каковы причины затухания?

Ответ: В контур необходимо включить сопротивление, тогда часть энергии будет тратиться на него и колебания будут постепенно затухать.

16. Установите значение L = 10 мГн и C =  10 мкФ в идеальном колебательном контуре (R = 0). Рассчитайте период свободных колебаний и проверьте правильность расчётов с помощью компьютерного эксперимента.

Ответ: Т = 2П(LC) = 2 . 10-3c

17. Увеличивая величины L и C в 2, а в следующем эксперименте в 4 раза, установите, во сколько раз увеличивается период свободных колебаний.

Ответ: в 2 и в 4 раза соответственно.

18. Проведите качественное наблюдение зависимости времени затухания от величины активного сопротивления. Во сколько раз увеличивается время t затухания при замене R = 2 Ом на R = 1 Ом?

Ответ: время затухания увеличится в 2 раза.

19. Решите задачу:

Конденсатор ёмкости С = 2,0 мкФ, заряженный зарядом Q0 = 2,0* 10-2 Кл замыкается на катушку с индуктивностью L = 8,0* 10-3 Гн. Какой ток будет протекать в цепи через периода свободных колебаний?

Ответ: 1,58 * 10-2 А

V. Домашнее задание

Выучить теоретический материал по моделированию.

VI. Итог урока

а) обобщение урока;
б) выставление оценок.