Успешное преподавание физики невозможно без проведения демонстрационных экспериментов и лабораторных работ. Используемые при этом технические средства во многом определяют наглядность и информативность физического опыта. Новые возможности на этом пути открывает использование цифровой лаборатории "Архимед", приобретенной петербургской школой 550 (адрес сайта школы http://school.ort.spb.ru) в начале прошлого учебного года. За истекший год нами было подготовлено и проведено около 20 различных опытов с использованием цифровой лаборатории "Архимед", подробное их описание можно найти на сайте автора http://ifilip.narod.ru.
В состав цифровой лаборатории "Архимед" входят:
- Датчики различных физических величин - устройства для измерения параметров опыта, преобразующие значение измеряемой физической величины в напряжение (диапазон от 0 до 5 В).
- Интерфейсный блок Trilink – устройство связи датчиков с компьютером, формирующее файлы данных. Настройки Trilink позволяют менять частоту опроса датчиков от 1 замера в час до 20000 замеров в секунду. В стандартном варианте к устройству Trilink одновременно можно подключить до 4 датчиков. Внешний вид устройства Trilink представлен на рисунке 1. <Рисунок 1>
- программное обеспечение – программа Multilab. Программа Multilab позволяет настраивать интерфейсное устройство Trilink, отображать полученные датчиками данные в виде таблиц и графиков, проводить математическую обработку полученных данных (сглаживание, дифференцирование, аппроксимацию многочленом и т.д.). При частоте сбора данных, не превышающей 10 замеров в секунду, измерения можно проводить без применения компьютера, т.к. данные высвечиваются на жидкокристаллическом экране устройства Trilink. При более высокой частоте регистрации данные доступны только после обработки программой Multilab на компьютере.
Демонстрационные эксперименты с применением лаборатории "Архимед"
Применение современных технических средств при проведении демонстрационного эксперимента способствуют повышению наглядности и информативности опыта, позволяет акцентировать детское внимание на деталях эксперимента. Показания датчиков отображаются на настенном экране с помощью мультимедийного проектора, т.е. одновременно с самим экспериментом дети наблюдают зависимость измеряемых величин от времени. В качестве примера приведем краткое описание двух демонстрационных экспериментов.
"Явление самоиндукции", 11 класс. Схема установки для опыта приведена на рисунке 2, фотографии установки в различные моменты протекания эксперимента – на рисунках 3 и 4. <Рисунок 2> <Рисунок 3> <Рисунок 4> Для проведения опыта использовались два датчика тока: первый был включен последовательно с катушкой (число витков 3600, катушка надета на замкнутый магнитопровод от универсального трансформатора), второй - последовательно с резистором (30 Ом). Параметры датчиков: частота опроса 25 замеров в секунду в течение 40 сек, пределы измерения датчиков тока ± 2.5 А. Подаваемое напряжение составляло около 12 В (стабилизированный блок питания). После замыкания ключа индикаторная лампочка, включенная последовательно с резистором, загорается сразу (см. рис.3). Лампочка, включенная последовательно с дроссельной катушкой, загорается с задержкой более 1/2 секунды (см. рис.4). Эта задержка во времени хорошо видна и на графиках тока (см. рис.5). <Рисунок 5> Особенно интересны данные, зарегистрированные датчиками при размыкании ключа. Видно, что после размыкания ключа ЭДС самоиндукции более 1 секунды поддерживает ток в замкнутой цепи, образованной катушкой и резистором, причем для резистора направление тока после выключения питания оказывается противоположным начальному.
"Исследование затухающих колебаний в контуре", 11 класс, схема установки приведена на рисунке 6. В установке использовалась дроссельная катушка, надетая на замкнутый магнитопровод от универсального трансформатора. <Рисунок 6> Напряжение на катушке измерялось датчиком напряжения с пределами ±25 В, измерения проводились с частотой 25 замеров в секунду в течение 40 с. Запись графиков велась в режиме "добавить", что позволяло накладывать график текущего эксперимента на графики предыдущих измерений, соответствующие другим параметрам колебательного контура.
При правом положении ключа конденсатор заряжался от блока питания с постоянным напряжением 20 В. После переброски ключа в левое положение конденсатор начинал разряжаться через катушку. Регистрация автоматически запускалась датчиком напряжения в тот момент, когда напряжение на катушке принимало заданное значение (12 В). Из рисунка 7 видно, <Рисунок 7> что в цепи возникают затухающие колебания. Линия 1 на графике соответствует числу витков катушки 3600 и емкости конденсатора 2500 мкФ. Линия 2 - та же катушка при емкости конденсатора 2000 мкФ. Линия 3 - катушка 2400 витков, емкость конденсатора 2000 мкФ.
Урок начинался с введения понятия колебательного контура. Прослеживалась аналогия колебаний электрического тока в контуре с механическими колебаниями. Затем проводился демонстрационный опыт. Из результатов опыта следовало, что период колебания тока зависит от емкости и индуктивности элементов контура. Урок завершался выводом формулы Томсона и констатацией качественного соответствия результатов демонстрационного опыта этой формуле.
Фронтальные лабораторные работы
В качестве примера приведем краткое описание лабораторной работы " Газовые законы", 10 класс. Используемое оборудование на группу (лабораторная работа обычно выполняется в парах): датчик давления, интерфейсное устройство Trilink, одноразовый шприц объемом 20 мл. Параметры регистрации: пределы измерения датчика давления от 0 до 700 кПа, частота опроса датчика – 10 замеров в секунду в течение 50 с. Проводится лабораторная работа в кабинете информатики. Последовательность измерений: поршень шприца выставляется на деление 10 мл, шприц присоединяется к датчику давления, запускается регистрация на компьютере, на котором запущена программа Multilab. Далее поршень отводится в позицию 15 мл и несколько секунд выдерживается, далее в позицию 20 мл, через несколько секунд следует возврат в позицию 15 мл, далее 10 мл, далее 5 мл. На рисунке 8 <Рисунок 8> приведен типичный график зависимости давления от времени, полученный при проведении измерений. С полученного графика считываются значения давления, соответствующие каждому положению поршня шприца. Полученные данные ученики переносят в электронные таблицы, и средствами программы Excel строят графики зависимости давления от объема. Образцы таких графиков приведены на рисунке 9. <Рисунок 9> Полученные результаты (графики, электронные таблицы, анализ результатов) по электронной почте отсылаются учителю для проверки.
Заключение
Приведенные примеры показывают, что использование цифровой лаборатории расширяет арсенал демонстрационных опытов, делает их более наглядными и понятными ученикам. Кроме того, с ее помощью можно проводить фронтальные лабораторные работы, т.к. оборудование обычно поставляется комплектами. Описания других лабораторных работ и демонстрационных опытов с применением лаборатории “Архимед” можно найти на страницах сайта автора http://ifilip.narod.ru.