Обмен опытом

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ ПО ФИЗИКЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАТЧИКОВ VERNIER И LEGO-РОБОТОВ. Автор: Л.В.Безбородова

Автор: Л.В. Безбородова, учитель физики, высшей квалификационной категории

Жизнь в эпоху научно-технического прогресса становится разнообразнее и сложнее. И она требует от человека гибкости мышления, быстрой адаптации к новым условиям, творческого подхода к решению проблем. А значит, одной из важнейших задач, стоящей перед школой, является вооружение учащихся умениями работать самостоятельно и добывать знания не только в процессе обучения в школе, но и за ее порогом. Этого можно достичь, развивая творческие способности детей. Модернизация системы образования требует в частности от учителей физики внедрения в учебно-воспитательный процесс новых информационно-коммуникационных технологий. В школьном образовании при переходе на стандарты нового поколения большое внимание уделяется системно-деятельностному подходу к обучению. Эффективное решение этой задачи можно обеспечить путем вовлечения школьников в экспериментальную и проектную деятельность с использованием современного оборудования. Выполняя практические работы, учащиеся не только и не столько закрепляют уже изученный материал, сколько изучают новый, а значит, добывают новые знания самостоятельно.

Что же дает использование AFSТМ для учителя и ученика?

Программно-аппаратный комплекс AFSТМ и LabQuest на основе цифровых средств обработки данных позволяет учителю:

  • качественно изменить методы и организационные формы обучения;
  • внедрять современные достижения теории и методики обучения;
  • создавать реальные условия для максимальной интенсификации (уменьшается время, необходимое на организацию и проведение учебных экспериментов, повышается их точность и наглядность) и индивидуализации процесса обучения;
  • разрабатывать новые педагогические технологии, основанные на применении современных средств ИКТ;
  • комплекс дает возможность  внедрить в практику преподавания новые демонстрационные и лабораторные работы.
  • вести учащегося по пути субъективного открытия, управлять проблемно - поисковой и исследовательской деятельностью учащегося.

Программно-аппаратный комплекс для ученика:

  • знакомит учеников с современными методами научных исследований;
  • школьники получают представление о системах автоматизированного сбора данных;
  • освобождаются в ряде случаев от выполнения вспомогательных действий по обработке результатов измерений и оформлению отчета;
  • развивает познавательный интерес;
  • формирует разносторонние экспериментальные умения и практические навыки школьников;
  • предоставляет широкие возможности для проектной деятельности учащихся;
  • обучение идет через открытие;
  • развивает творческие способности учащихся.

Постановка экспериментальных задач

Показ большого количества опытов на уроках физики сам по себе не обеспечивает в нужной степени осуществления основных этапов процесса познания и тем самым недостаточно способствует приобретению осознанных и прочных знаний, которые могли бы быть самостоятельно использованы учениками для решения практических вопросов.

Чтобы наблюдение явлений, воспроизводимых в стенах школы было целеустремленным, направленным к осуществлению познания нового, необходимо при планировании урока: во-первых, показать новое явление, во-вторых, исследовать его с тем, чтобы установить закономерность данного явления, в-третьих, проверить результаты теоретических выводов практикой. На мой взгляд, осуществление последовательности этапа процесса познания очень важно и в воспитательных отношениях.

Постановка экспериментальных задач показывает обучающимся физические законы в действии, выявляет объективность законов природы, их обязательное выполнение. В преподавании физики особо ценными являются такие экспериментальные задачи, для решения которых данные берутся из опыта, протекающего на глазах обучающихся, а правильность решения проверяется опытом или контрольным прибором. В этом случае теоретические положения, изучаемые в курсе физики, приобретают особую значимость для ученика. Постановка экспериментальных задач помогает вскрывать ошибочно представляемое обучающимися явление, причем задача может быть простой, но, заставляющей ученика выявить их внутреннее понимание вопроса, а не формальное знание его.

Например, как показывает практика, обучающиеся быстро и без труда усваивают положение, что действие одного тела на другое всегда вызывает равное и противоположно направленное противодействие, т.е. идею третьего закона Ньютона, но стоит поставить вопрос о противодействующей силе на конкретной установке, как это усвоение оказывается в значительной мере формальным.

На столе собирается установка, состоящая из двух кусков шнура, привязанных к противоположным крючкам датчика силы и перекинутых через два неподвижных блока. Свободный конец одного из шнуров прикрепляется к основанию прибора, а к концу другого шнура подвешивается груз, например, гиря массой в 200г. Гиря через нить действует на подставку прибора с силой 2Н. Собрав установку, спрашиваем у обучающихся, что показывает динамометр, и всегда получаем единодушный ответ, что датчик силы показывает 2Н. Опираясь на третий закон Ньютона, мы утверждаем, что и основание прибора действует на нить с силой 2Н. Это утверждение можно проверить опытом, отцепив конец шнура от основания прибора, и, вместо этого, подвесив к нему гирю в 200 г. Но прежде чем делать это, показания датчика силы закрываем, чтоб обучающимся не было видна шкала прибора. Подвесив к концу шнура гирю в 200г, убеждаемся, что её действие на нить вполне заменяет действие основания прибора, что и подтверждает справедливость третьего закона Ньютона.

После этого вновь ставим вопрос перед классом о величине показания датчика силы, и оказывается, что уже нет прежнего единодушия в его решении. Теперь часть обучающихся колеблется, а некоторые убеждены, что показания датчика силы равны 4Н. Данная экспериментально поставленная задача, где истина проявляет себя зримо, очень много дает обучающимся для понимания третьего закона Ньютона.

При постановке экспериментальных задач играет большую роль то обстоятельство, что ожидаемое явление должно вот сейчас, вот здесь произойти и надо немедленно решить: что будет? Это возбуждает интерес к задаче, вызывает чувство ответственности за её решение и на первых шагах даже чувство беспокойства и тревоги за свои возможности принимать решения, связанные с реальными событиями. Всё это заставляет ученика мыслить, стараться использовать свои теоретические знания и тем самым, невольно  преодолевать имеющиеся в них элементы незнания.

Воспитание у обучающихся активного отношения к своим знаниям объективных законов природы в области физики способствует распространению такого отношения и на законы природы, являющиеся объектами изучения других дисциплин средней школы: биологии, географии, химии и др. Навыки использования знаний по физике для решения практических вопросов помогает обучающимся осуществлять аналогичные действия и по отношению ко всей сумме имеющихся у них знаний законов природы, чем и устанавливается глубокая связь между различными учебными предметами.

Основным признаком экспериментальной задачи является не просто наличие эксперимента, проделанного в связи с её решением, а невозможность постановки задачи или осуществления её решения без эксперимента. Экспериментальной задачей следует называть такую задачу, «данные» для решения которой получаются экспериментально, непосредственно на глазах учеников или самими учениками.


Примеры  экспериментальных задач с использованием датчика силы

Датчик силы

Датчик предназначен для прямого измерения прилагаемой к его крючку силы. Используя его в ручном варианте, закреплённым в вертикальном положении, а так же установленным на тележке динамической рельсовой скамьи или LEGO-конструктора можно провести множество демонстрационных и лабораторных работ, различных экспериментов по изучению действия физических сил. При этом могут быть измерена сила и в 0,01Н, и в 50Н. Датчик силы можно использовать при проведении работ по изучению:

  • закона сохранения импульса,
  • сил и импульсов во время столкновений,
  • простых гармонических колебаний, включая колебания пружинного маятника,
  • закона Гука и третьего закона Ньютона,
  • движения тела по окружности под действием сил тяжести и упругости,
  • силы скольжения,
  • эффективности работы простых механизмов с возможностью вычисления их КПД и др.

1. Определение глубины погружения «корабля» в воду

При проектировании и постройке корабля, т.е. еще до запуска на воду, строителям точно известна глубина его осадки.

Постановка задачи. Определить глубину погружения в воду «корабля» (корабль заменяет банка цилиндрической или прямоугольной формы). Чтобы «корабль» был достаточно устойчив и не опрокидывался в воде, насыплем на дно банки немного песку или мелких гвоздей. (для простоты расчетов целесообразно в 7 классе взять банку прямоугольного сечения – параллелепипеда).

Задача поставлена. Решение начинается с продумывания физической сущности задачи, с представления того физического процесса, о котором речь идет в задаче. Когда мы опускаем банку-«корабль» в воду, она будет погружаться в неё до тех пор, пока её вес не будет уравновешен выталкивающей силой воды, действующей на банку снизу, т.е. Р = Fa . Но, выталкивающая сила Fa  = ρgV, где V – объем погруженной части банки, ρ - плотность жидкости (воды). Объем погруженной части банки равен произведению площади основания s на глубину погружения в воду h: V = Sh; Р = mg или Р = ρShg; h = PSg.

Таким образом, для решения задачи мы должны знать вес банки-«корабля», площадь её основания и плотность воды. Датчиком силы измеряем вес банки, измерим длину и ширину дна банки. Рассчитав искомую глубину погружения h, отмечаем ей на банке цветной чертой или тесьмой и, опустив наш корабль» на воду, мы осуществили реально процесс, о котором шла речь в задаче. Исходя из темы задачи, можно сообщить обучающимся некоторые дополнительные сведения, увеличивающие практическую направленность задачи. В нашем случае, благодаря простоте формы подводной части банки-«корабля», все расчеты были очень просты. У настоящих кораблей подводная часть имеет сложную форму, и, следовательно, расчеты там будут значительно сложнее. Но оказывается, что для каждого класса кораблей может быть вычислен средний коэффициент полноты водоизмещения, показывающий, какую часть прямоугольного параллелепипеда, образованного длиной, наибольшей шириной и глубиной осадки корабля, составляет его подводная часть. Коэффициент полноты погружения для тяжелых грузовых судов порядка 0,75, для крейсеров 0,5–0,55, для гоночных парусных яхт 0,12–0,17.

На материале данной задачи можно поставить вторую, предложив обучающимся определить, какой наибольший груз может выдержать наша банка-«корабль», погрузившись в воду вровень с краями. Результаты теоретического подсчета вновь проверяются опытом.

2. Определение веса пробирки

Постановка задачи. Пользуясь пробиркой, определите вес данной пробирки. Полученный ответ проверьте с помощью датчика силы.

Решение задачи: Измерив уровень воды в мензурке, опускают в неё пробирку. Пробирка плавает (опрокинуться ей мешают стенки мензурки), вытесняя некоторое количество воды, в результате чего уровень воды в мензурке поднимается. Так как плотность воды равна 1000кг/м3 , и следовательно, объем вытесненной воды численно равен (V2 V1), вес плавающего тела равен P = ρg(V2 V1), объем выражаем в м3 . Полученный ответ проверяем с помощью датчика силы, измерив вес пробирки в воздухе. Результаты измерений совпадают.

3. Определить плотность фарфора

Постановка задачи. На столе датчик силы, мензурка и кусок однородного вещества произвольной формы – фарфорового ролика(тела должно иметь такую форму, чтобы его объем не мог быть определен путем измерений линейных размеров тела).

Решение задачи. Объем тела измеряется при помощи мензурки, вес – при помощи датчика силы. Так как вес Р = ρgV, где ρ – плотность фарфора, V – объем фарфорового ролика, измеренный с помощью мензурки (разность уровней воды после погружения фарфорового ролика в мензурку и до погружения ). Определяем ρ, ρ = Р/gV. Правильность решения проверяется по таблице « Плотности некоторых веществ».

4. Определить вес данного шарика не пользуясь датчиком силы

Постановка задачи. На столе стоит мензурка с водой(если шарик крупной можно взять отливной сосуд), шарик, вес которого нам нужно узнать.

Решение задачи. Объем шарика измеряется мензуркой. (если мензурка узкая, то лучше взять отливной сосуд, но работать с крупным шариком.) Из таблицы берется плотность вещества, из которого изготовлен шарик. Если шарик стальной, берётся плотность стали. Рассчитывается вес шарика по формуле Р = ρg(V2 V1). Правильность решения проверяется с помощью датчика силы.

5. Определить объем шарика

Постановка задачи. На столе стоит мензурка с , водой (если шарик крупной можно взять отливной сосуд), шарик, объём которого нам нужно узнать, датчик силы.

Решение задачи. Вес шарика определяется с помощью датчика силы. Из таблицы берется плотность вещества, из которого изготовлен шарик. Если шарик стальной, берётся плотность стали. Из формулы  Р = ρgV, определяем объём шарика V = Pg. Правильность решения проверяется при помощи мензурки.


Примеры решения задач с помощью датчика расстояния, датчика времени (секундомера)

Датчик расстояния         

Датчик предназначен для измерения местоположения, скорости и ускорения движущихся объектов на расстоянии от 15 см до 6 м. С помощью датчика расстояния можно провести более 60 работ. Датчик расстояния позволяет наблюдать различные процессы, фиксировать их и видеть, что многие математические функции имеют физический смысл, будь то равномерное движение или движение с ускорением, колебания маятника или подпрыгивание мячика при ударе об пол; показать, что во многих примерах из жизни можно видеть "работу" законов физики, будь то определение скорости в гонках, движения машин в гору и под уклон, падения различных лёгких объектов и т.п. Используя дополнительное оборудование (динамическую рельсовую скамью и зажим для датчика движения, LEGO-роботы), можно использовать датчик расстояния для еще большего количества интересных исследовательских и экспериментальных работ. Принцип действия датчика расстояния основан на излучении последовательности ультразвуковых импульсов и измерении временной задержки между моментом начала излучения импульсов и моментом начала регистрации импульсов, отраженных от объекта измерения. Основой датчика служит специальный преобразователь. Датчик работает в несколько этапов. Сначала преобразователь излучает короткий ультразвуковой импульс, одновременно в датчике включается внутренний таймер. Затем отраженный от объекта импульс возвращается обратно в датчик, при этом таймер останавливается. Время t, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс возвратился в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта L=ct, где c – скорость распространения ультразвука в воздухе (343 м/с). Контроль процесса измерения производится с помощью микропроцессора. Программа начинает корректное измерение расстояния до тележки с того момента, когда тележка окажется на расстоянии 18 см от датчика. Результаты измерений отображаются на графике зависимости координаты от времени.

1. Определить скорость движения ученика, идущего шагом

Постановка задачи. На столе секундомер, датчик расстояния.

Решение задачи. Одному из обучающихся предлагается пройти своей обычной походкой вдоль класса. Время движения измеряется секундомером, пройденный путь – датчиком расстояния. По результатам измерений производятся вычисления: V = S/t. Полученный ответ выражается в км/ч и предлагается ученикам обсудить результат, используя таблицу значений скоростей некоторых объектов.

2. Найти наибольшую скорость, развиваемую шариком при движении по жёлобу

Постановка задачи. На столе прямой жёлоб длиной около двух метров, шарик, датчик расстояния, секундомер. Жёлоб устанавливается с небольшим наклоном, но так, что движение шарика было равноускоренным. При скатывании с жёлоба скорость движения шарика все время увеличивается. Найти наибольшую скорость, развиваемую шариком при движении по жёлобу.

Решение задачи. Наибольшая скорость движения достигается шариком в конце жёлоба и, следовательно, представляет собой конечную скорость vt  для равноускоренного движения шарика по жёлобу.      vcp =( vcp + vt ) / 2

Поскольку начальная скорость движения шарика v0 = 0, то vcp  = vt / 2, откуда vt = 2S/t, так как vcp = S/t.

Для отсчета времени движения шарика используется секундомер (датчик времени).

3. Найти среднюю скорость движения шарика, свободно падающего вдоль доски

Постановка задачи. На столе шарик и датчик расстояния, метровая линейка. На классной доске, от её верхнего края и до нижнего, проводится вертикальная линия. Вдоль этой линии будет падать шарик, если его поместить у верхнего края доски и отпустить.

С какой средней скоростью движется шарик, свободно падая вдоль доски?

Решение задачи. Поскольку шарик начинает падать из состояния относительного покоя, то его средняя скорость равна половине конечной скорости, то есть половине скорости шарика в момент прохождения им нижнего края доски

Vcp = v/2 = квадратный корень из 2gH/2. Высота доски измеряется датчиком расстояния и величина средней скорости рассчитывается.

Указать на доске точку, проходя которую шарик имеет эту скорость.

Решение задачи. Vcp  = квадратный корень из 2gh/2, где h – расстояние от верхнего края доски до интересующей нас точки, но Vcp  = квадратный корень из 2gH/2, следовательно, квадратный корень из 2gh = квадратный корень из 2gH/2, откуда h = H/4. Получив численное значение h и отметив на доске положение искомой точки, предлагается обучающимся объяснить, почему эта точка оказалась не на половине высоты H, а выше.


Датчик звука (микрофон)

Датчик предназначен для исследования звуковых волн различного происхождения и проведения с ними экспериментов. Подходит для построения и сравнения волновых картин различных источников звука.

Микрофон – датчик, который позволяет не просто записывать звук, а анализировать его самые важные характеристики: амплитуду и частоту (или спектр частот). При проведении лабораторных и исследовательских работ с помощью микрофона можно не только изучать звук различных музыкальных инструментов и камертона, но и "проверить алгеброй гармонию" – подобрать уравнения соответствующих звуковых волн!

1. Получить звук от различных источников

Постановка задачи. На столе стоит звуковой генератор, громкоговоритель, датчик звука, камертон на резонирующем ящике, колокол стеклянный от воздушного насоса, струна, натянутая на металлическом стержне, резиновый молоточек для  возбуждения  камертонов.

Рассмотреть источники, в которых звук возникает в результате свободных колебаний.

Решение задачи. Известно, что такие колебания появляются в результате некоторого начального толчка, частота колебаний определяется свойствами самой колебательной системы. Демонстрируем звучание камертона. Его берут в руки за ножку и возбуждают ударом резинового молоточка. Камертон издаёт чистый звук, но негромкий звук. Звуковые волны, возникающие от ветвей камертона, интерферируют между собой и в значительной степени гасят друг друга. Затем камертон ставят ножкой на крышку стола и, наконец, помещают в резонаторный ящик. Обучающиеся отчетливо замечают разницу в громкости звучания во всех трёх случаях и видят эту разницу по картине нам компьютере.

Повертывая камертон резонаторным ящиком от обучающихся, а затем к ним, показывают, что ящик, кроме того, действует подобно рупору, направляя звуковые волны в одну сторону.

Демонстрируем звучание стеклянного колокола от воздушного насоса. Приподнимем его за головку левой рукой, а правой ударяют по краю резиновым молоточком. Благодаря большой поверхности колокол издаёт громкий довольно чистый звук.

Демонстрируем звучание струны гитары. Её натягиваем между двумя зажимами на длинном металлическом стержне от универсального штатива.

Указанные источники обладают сравнительно малым затухание, и создаваемые ими звуки имеют периодический характер. Такие звуки называют музыкальными.

Если скорость затухания источника велика, то звуки почти теряют свою музыкальность и приобретают характер щелчка или удара (звук деревянных ложек).

2. Получить график колебаний источника звука

Постановка задачи. Для получения графика колебаний любого источника звука удобно воспользоваться датчиком звука и устройством измерения и обработки данных LabQuest. Перед датчиком звука устанавливают звучащий камертон на резонаторном ящике.

Решение задачи. Свободные колебания камертона и резонирующего столба воздуха в ящике через некоторое время затухают вследствие потери энергии на трение и излучение звука. Тогда камертон возбуждают снова ударом резинового молоточка и продолжают наблюдение. Затем к датчику звука подносят поочерёдно на некоторое время другие источники звука: возбужденную струну, воздушный  колокол. Для каждого источника звука получают  график колебательного движения.В качестве примера сложных колебаний показывают отдельные гласные и шипящие звуки, и наблюдают графики быстро затухающих колебаний, а также шумы. Далее перед датчиком стучат деревянными ложками и наблюдают картину быстро затухающих колебаний. Ухо эти  звуки воспринимают как удары почти лишенные тонального характера.

3. Установить зависимость высоты тона звука от частоты колебаний

Постановка задачи. На столе расположить звуковой генератор, датчик звука, громкоговоритель. Связь высоты тона звука более выразительно можно показать с помощью датчика звука и устройством измерения и обработки данных LabQuest.

Решение задачи. Собирают установку. К выходным зажимам звукового генератора (5 Ом) подключают звуковую катушку динамика. Заставляют негромко звучать динамик на частоте 300–500 Гц. На экране компьютера получилось устойчивое изображение нескольких синусоид. Затем, повертывая ручку звукового генератора, медленно изменяют частоту звучания динамика, начиная от низких частот (20Гц) и кончая самыми высокими (20000 Гц). По мере повышения частоты обучающиеся слышат повышение тона звука. Одновременно видят на экране компьютера увеличение числа синусоид без изменения величин их амплитуды. При высоких частотах число синусоид увеличивается настолько, что рассмотреть каждую из них становится трудно: издали они сливаются в светящий треугольник. Такая постановка опыта наглядно убеждает обучающихся в том, что высота тона характеризуется частотой колебаний звучащего тела. Чем больше частота колебаний, тем выше тон звука.

На данном опыте можно определить граничные частоты слуха. Для этого снова проходят весь диапазон звукового генератора и просят обучающихся заметить для себя момент появления, а затем момент исчезновения звука. Около границ слухового диапазона частоту звука генератора изменяют медленно, а её числовые значения каждый раз сообщают обучающимся. Очень низкие и очень высокие частоты обучающиеся не слышат. Они только видят синусоидальные кривые на экране. Таким образом, устанавливают, что ухо человека реагирует на механические колебания в широком интервале частот – примерно от 20 до 20000 Гц, причем границы этого интервала у разных обучающихся различны.


Датчик давления газа

Датчик предназначен для измерения давления во время физических и химических экспериментов с газами. Также можно измерять давление пара различных жидкостей и растворов. В биологии с помощью датчика можно наблюдать за производством или потреблением кислорода и углекислого газа в закрытом пространстве.

Датчик давления газа – один из самых востребованных в различных естественнонаучных лабораторных и экспериментальных работах. Ученики с помощью датчика смогут узнать: почему лопается слишком сильно надутый воздушный шарик; как вулканы выкидывают в воздух на многие километры газ и пепел; почему прыгает баскетбольный мяч; почему поднимается дрожжевое тесто, и какие условия для этого необходимы; как происходит обмен веществ, в том числе транспирация и дыхание, у растений; как дышит человек; что при этом происходит; Используя этот датчик, ученики на практике убедятся в справедливости законов Гей-Люссака и Бойля–Мариотта, в существовании линейной зависимости между давлением жидкости и глубиной погружения в неё различных тел, в том, что есть зависимость между объёмом и давлением воздуха и,  что она на самом деле выражается с помощью известных формул.

1. Обнаружить давления жидкости на дно стенки и сосуда

Постановка задачи. На столе устанавливается  двухлитровая бутылка, налитая доверху водой, коробочка, одно из оснований которой затянуто упругой резиновой тонкой пленкой, а в другом основании сделано отверстие, которое с помощью резиновой трубки соединено с датчиком давления.

Решение задачи. Помещают коробочку на некоторую глубину в широкую банку, наполненную  доверху водой. Отмечают с помощью датчика давления наличие давления в жидкости. Будем поворачивать коробочку резиновой пленкой вниз, затем вверх параллельно свободной поверхности воды, затем перпендикулярно ей. При проведении эксперимента важно, чтобы пленка лежала на одном уровне. В первом и во втором случаях показания датчика газа одинаковы, значит , вода давит вниз и вверх на одном уровне одинаково.Будем перемещать коробочку параллельно боковой стенке банки так, чтобы показания датчика давления стало равным тому, что было получено в предыдущих случаях. Такое значение получается, когда центр плёнки находится точно на выделенном уровне. Значит, жидкость в сосуде на Земле давит во все стороны: на дно и стенки сосуда, на вышележащие слои жидкости, причем на одном уровне давление в жидкости одинаково во всех направлениях. Погружаем коробочку на разную глубину, отмечаем высоту столба жидкости и одновременно измеряем давление. Очевидно, что при увеличении высоты столба жидкости давление увеличивается. График зависимости представляет прямую пропорциональную зависимость между величиной высоты столба жидкости и величиной давления на этом уровне.


 Датчик магнитного поля

Датчик предназначен для измерения индукции магнитного поля при проведении лабораторных и демонстрационных экспериментальных работ. Имеет гнущийся наконечник для измерения магнитного поля между полюсами подковообразного магнита.Использование датчика магнитного поля позволит :

  • исследовать магнитное поле различных магнитов, электропроводов, соленоидов,
  • исследовать магнитное поле Земли,
  • изучать постоянные магниты,
  • создать карту магнитного поля вдоль магнита в форме стержня
  • и даже сделать свой собственный магнит и изучить его свойства!

Датчик магнитного поля можно использовать даже в начальной школе для изучения свойств окружающих ребёнка магнитов (например, шахмат, головоломок, магнитов на холодильник). Проектные и исследовательские работы в средней и старшей школе расширят знания школьников в области магнетизма и помогут в формировании целостной естественнонаучной картины мира.

1.Исследовать магнитное поле проводника с током.

Постановка задачи:  Для решения данной задачи используется датчик магнитного поля, гальванометр, виток проволочный, соленоид проволочный, провода соединительные, штатив универсальный,  источник питания.

Исследование магнитного поля удобно проводить при помощи датчика магнитного поля.

Решение задачи. 1) Приступая к проведению исследования, датчик магнитного поля закрепляют в поворотном приспособлении универсального штатива и придвигают к нему вертикальный провод, натянутый между муфтами изолирующих стержней, на расстоянии около 7 см. Затем включают в провод ток и, следя за показаниями гальванометра. Измеряем расстояние от датчика  до провода. Далее отодвигают провод так, чтобы показания датчика уменьшилось в 2 раза и показывают, что расстояние увеличилось во столько же раз. Таким образом, обучающиеся убеждаются, что магнитная индукция в поле длинного прямого проводника с током обратно пропорционально расстоянию от проводника.Затем уменьшают расстояние до прежней величины и уменьшают силу тока в проводнике. При этом во столько же раз уменьшается показание датчика магнитного поля. Таким образом, с увеличением силы тока в проводнике, увеличивается индукция магнитного поля.

2) Заменим в установке предыдущего опыта прямой провод проволочным витком диаметром 220 мм, свернутым из медной или алюминиевой проволоки толщиной 1,2–2 мм, устанавливают виток так, чтобы датчик магнитного поля  оказался расположенным в центре витка. Включая ток, определяют показания датчика. Затем двигают виток, приближая датчик к проводу витка, и устанавливают, что магнитная индукция в плоскости витка имеет наименьшую величину в центре. Двигая виток так, чтобы датчик магнитного поля перемещался вдоль оси витка, показывают, что магнитная индукция с удалением от центра витка вдоль его оси в обе стороны уменьшается.

3) Для исследования магнитного поля соленоида применяют соленоид из 10 витков диаметром 7 см, свернутый из латунной или достаточно упругой медной проволоки толщиной 1,5–2мм. Штативы соединяют внизу коротким стержнем. Этот стержень, лежащий свободно в муфтах, удерживает изолирующие штативы в нужном положении. Раздвигают штативы на расстоянии 20 см, включают ток и измеряют магнитное поле вокруг соленоида. Затем вводят датчик внутрь соленоида и перемещают его перпендикулярно оси соленоида. После этого вводят зонд в промежутки между витками в разных местах. Такое измерение позволяет установить, что во всем внутреннем объеме соленоида индукция одинакова и поле можно считать однородным, у концов же соленоида индукция вдвое меньше, чем внутри.Если, удерживая датчик внутри соленоида, сблизить штативы и уменьшить длину соленоида вдвое, то по показаниям датчика магнитного поля, обучающиеся увидят, что индукция в соленоиде увеличивается вдвое. Из этого можно сделать заключение, что магнитная индукция внутри соленоида пропорциональна числу витков, приходящихся на единицу его длины.

2. Пронаблюдать усиление магнитного поля соленоида введением железа

Постановка задачи. С целью наблюдения усиления магнитного поля введением сердечника в соленоид  необходимо использовать датчик магнитного поля, соленоид проволочный на изолирующих штативах, штатив универсальный, ярмо от универсального трансформатора, провода соединительные, источник тока. В этом опыте применяется демонстрационная установка для исследования магнитного поля соленоида, описанная ранее в предыдущем опыте. Однако датчик магнитного поля установлен в ней неподвижно перед соленоидом (зажат в штативе) и расположен вдоль его оси, а изолирующие штативы сдвинуты так, чтобы длина соленоида стала минимальной .

Решение задачи. Приступая к опыту, включают датчик магнитного поля и пропускают через соленоид постоянный ток около 5 А. Приближая и удаляя датчик, проверяют его действие. Затем устанавливают датчик так, чтобы он показал наибольшее значение магнитного поля. После этого вводят внутрь соленоида стальное ярмо от универсального трансформатора. Датчик показывает значительное увеличение магнитного поля вокруг соленоида. Далее показывают, что при удалении ярма магнитное поле вновь ослабевает.


Датчик температуры

Датчик температуры предназначен для использования в любой демонстрационной и лабораторной работе по измерению температуры.

Температура – одна из самых важных характеристик исследуемых объектов. Физические процессы, химические реакции, жизнедеятельность живых организмов, природные явления – все сопровождается температурными изменениями. А значит датчик температуры – самый востребованный из датчиков! Более 130 работ для учащихся с 1 по 11 класс можно провести, используя этот датчик, а идей по его использованию можно придумать великое множество!

1. Исследовать и изучить  принципа действия термоса

Постановка задачи. Провести опыт, иллюстрирующий зависимость утечки теплоты со временем через стенки термоса. Получить  график этой зависимости.

Оборудование: Датчик температуры, устройство  измерения и обработки данных LabQuest, термос, банка такого же объема, горячая вода (кипяток).

Решение задачи. Выполнение работы: В термос заливают кипяток (соблюдайте осторожность). Измеряют температуру жидкости через 10 мин, 15 мин, 30 мин.и строят график зависимости температуры от времени. Затем в банку заливают такой же массы и начальной температуры воду. Повторяют измерения температуры воды через те же промежутки времени. Вычерчивают новый график той же зависимости и сопоставляют ход графиков, объясняют их различие. Таким образом, используя новейшие  информационные  технологии позволяют напрямую продемонстрировать законы и процессы, которые раньше были уделом косвенного подтверждения ввиду очень малого или слишком быстрого изменения измеряемого параметра. Для измерения параметров используются датчики производства фирмы Vernier с функцией автоидентификации (AutoID), которая позволяет программно определить тип датчика по сопротивлению встроенного в датчик резистора. Для каждого опыта  предоставляется справочный материал, помогающий при подготовке эксперимента к демонстрации с подробными инструкциями по сборке и настройке измерительного стенда и проведению эксперимента. Наиболее показательные результаты можно сохранить для последующего анализа. В каждом опыте предоставляются такие инструменты, как секундомер, калькулятор и средство создания и редактирования текстовых заметок к эксперименту. Таким образом, организация преподавания с применением АПК способствует повышению эффективности обучения и развитию творческих способностей учащихся.


Скачать подробное описание проекта                                

Facebook YouTube Вконтакт Flickr