Интегрированный урок по физике и информатике "Изучение колебаний пружинного маятника с помощью программы Microsoft Excel"

Разделы: Физика, Информатика

Задачи урока:

  1. Провести исследования физических закономерностей: силы упругости от деформации пружины; циклической частоты, периода и координаты колеблющегося пружинного маятника от массы груза.
  2. Закрепить умения выполнять вычисления и строить графики с помощью табличного процессора MS Excel.
  3. Совершенствовать умения сравнивать, анализировать, обобщать, делать выводы.
  4. Продолжить формирование навыков самостоятельной работы.

Оборудование: компьютерный класс, мультимедийный проектор, модель пружинного маятника, набор грузов.

План урока:

  1. Повторение.
  2. Выполнение практических индивидуальных заданий.
  3. Подведение итогов самостоятельной работы.
  4. Закрепление знаний.
  5. Домашнее задание.

ХОД УРОКА

1. Вопросы для повторения (фронтально):

Учитель физики:

  • Что называют математическим маятником?
  • Сформулируйте закон Гука.
  • Как определяется по формуле период свободных колебаний пружинного маятника?
  • Как рассчитать циклическую частоту свободных колебаний пружинного маятника?
  • Что называют уравнением свободных гармонических колебаний?

Учитель информатики:

  • Назовите основные структурные единицы электронных таблиц.
  • Как определяется адрес ячейки?
  • Перечислите основные типы данных в работе с электронными таблицами?
  • Какое выравнивание применяется по умолчанию к тексту? К числу?
  • Что необходимо помнить при вводе формул?
  • Что такое маркер заполнения? Какова его функция?

2. Выполнение практических индивидуальных заданий.

Учитель физики делит класс на группы и формулирует задания.

Группа № 1. Исследовать зависимость силы упругости, возникающей при растяжении пружины, от ее деформации.

Группа № 2. Исследовать зависимость циклической частоты колебаний груза на пружине от его массы.

Группа № 3. Исследовать зависимость периода колебаний груза на пружине от его массы.

Группа № 4. Исследовать зависимость координаты колеблющегося груза на пружине от его массы.

Учитель информатики обращает внимание на оформление задачи и выделяет следующие этапы:

  1. Формирование таблицы исходных данных задачи.
  2. Программирование необходимых расчетных формул с использованием правил ввода формул в ячейки.
  3. Получение итоговой таблицы расчетов.
  4. Построение графика и анализ результатов.

Группы выполняют задания в электронных таблицах Microsoft Excel.

3. Подведение итогов самостоятельной работы.

Учитель физики. Группа №1исследовала зависимость силы упругости, возникающей при деформации пружины.

Результат работы:

Зависимость силы упругости от деформации пружины выражает закон Гука F = kx, где k = 7,5 Н/м, растяжение пружины меняем от 0 до 6 см с шагом в 1 см.

X

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06
F1

0

0,075

0,15

0,225

0,3

0,375

0,45
F2

0

0,15

0,3

0,45

0,6

0,75

0,9

 

Контрольный вопрос. Как меняется возникающая в пружине сила упругости при увеличении деформации пружины в 3 раза? (Ответ: на построенном графике видно, что сила упругости увеличивается в 3 раза)

Наблюдаем подтверждение результатов исследования на простом опыте: сравним деформации пружины при подвешивании грузов 1 Н и 3 Н.

Учитель физики. Группа № 2 исследовала зависимость циклической частоты колебаний груза на пружине от его массы.

Результат работы:

Циклическая частота колебаний маятника определяется по формуле = ( k / m)1/2, где k = 7,5 Н/м. Массу груза будем менять от 0,1 кг до 1 кг с интервалом 0,1 кг

 

0,1

0,2

 0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1
w

8,6603

6,1237

5

4,33

3,873

3,54

3,2733

3,062

2,89

2,739

Контрольный вопрос. Как меняется циклическая частота колебаний маятника при увеличении массы груза в 4 раза? (Ответ: циклическая частота колебаний уменьшится в 2 раза).

Наблюдаем подтверждение результатов исследования на опыте: при увеличении количества грузов, подвешенных на пружине, циклическая частота уменьшается.

Учитель информатики: работая с электронными таблицами, вы можете не задумываться, как программа выполняет ту или иную операцию и сконцентрироваться на содержании задания.

 Учитель физики: исследованием зависимости периода колебаний груза на пружине от его массы занималась группа №3.

Результат работы: период колебаний груза на пружине рассчитывается по формуле T= 2 (m/ k)1/2 где k = 7,5 Н/м. Массу груза будем менять от 0 кг до 1 кг с интервалом 0,1 кг.

m

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0
T

6,28

6,395

6,443

6,48

6,511

6,5382

6,5628

6,5855

6,61

6,63

6,645

 

Контрольный вопрос. При увеличении массы груза в 4 раза как меняется период колебаний маятника? (Ответ: период колебаний маятника увеличится в 2 раза)

Наблюдаем подтверждение результатов исследования на опыте: при увеличении количества грузов, подвешенных на пружине, период колебаний увеличивается.

Учитель физики: рассмотрим более сложную задачу. Исследование зависимости координаты колеблющегося груза на пружине от его массы провела группа №4.

Результат работы:

Зависимость координаты колеблющегося на пружине груза выглядит так x = А cos t .

Для наглядности графика амплитуду колебаний возьмем 10 см, k = 7,5 Н/м.

Построим два графика в одной системе координат для массы 0,1 и 0,4 кг.

 

Контрольный вопрос: чем отличаются колебания? (Ответ: периодом и частотой)

Учитель информатики: Когда удобно использовать редактор “Электронные таблицы” для решения задач?

В процессе обсуждения делаем вывод: при решении задач на исследование зависимостей между физическими величинами редактор “Электронные таблицы” позволяют ускорить математические расчеты и наглядно показать зависимость с помощью диаграмм и графиков.

4. Закрепление знаний.

Учитель физики вызывает учащихся к доске и раздает индивидуальные задания. Класс получает эти задания на карточках. На выполнение отводится 15 мин, после чего начинается заслушивание ответов и их обсуждение.

А1. На рисунке представлена зависимость координаты центра шара, подвешенного на пружине, от времени. Период колебаний и амплитуда равны _____________.

А2. При гармонических колебаниях вдоль оси ОХ координата тела изменяется по закону x = 0,02 cos 20пt (м). Чему равна частота колебаний ускорения тела?

А3. Уравнение гармонических колебаний материальной точки, график зависимости смещения от времени которой представлен на рисунке к заданию А1, имеет следующий вид _______________.

А4. Скорость тела массой m = 2 кг изменяется с течением времени в соответствии с уравнением v x= 0,5 sin 5пt. Его импульс в момент времени 0,1с приблизительно равен _______________.

А5. Сколько раз за один период колебаний груза на пружине потенциальная энергия пружины оказывается равной кинетической энергии груза?

В1. Тело массой 0,2 кг колеблется так, что проекция ах ускорения его движения с течением времени изменяется в соответствии с уравнением
ах = 10 sin 0,2пt. Чему равна проекция на ось ОХ силы, действующей на тело в момент времени 5/3 с? Полученный ответ округлите до десятых.

5. Домашнее задание. Проанализировать решение задач, ликвидировать ошибки в решениях и выполнить задания до конца.

Итог урока:

Учащиеся закрепили умения выполнять вычисления и строить графики с помощью табличного процессора MS Excel;

Научились проводить исследования физических зависимостей: силы упругости от деформации пружины; циклической частоты, периода и координаты колеблющегося пружинного маятника от массы груза в программе MS Excel.

Литература

  1. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев “Физика–11”, “Просвещение” 2006 г.
  2. ЕГЭ. Физика. Сборник заданий. “Просвещение” 2006.
  3. ЕГЭ. Физика. Контрольные измерительные материалы 2006–2007. “Просвещение”.
  4. Н.В.Макарова “Информатика и ИКТ” 10–11-й класс, Питер 2007 г.