Курсовая работа: Аналогии и модели - один из методов обучения физики средней школы

Рассмотрим, каким требованиям должна удовлетворять качественная компьютерная модель, отражающая тему "электрический ток в металле". Модель должна показывать хаотическое движение свободных электронов в отсутствии внешнего электрического поля, отражать наличие дрейфовой скорости под действием внешнего электрического поля, и изменение скорости дрейфа при изменении внешнего поля.

На основании выше приведенных требований была разработана демонстрационная компьютерная модель, которая дает возможность продемонстрировать движение электронов проводимости во внешнем электрическом поле.

При запуске программы на экране компьютера появляется окно в котором изображены ионы кристаллической решетки и электроны проводимости, которые хаотически двигаются и обладают дрейфовой скоростью, зависящей от наличия и величины внешнего электрического поля. Программа позволяет увеличивать, уменьшать и обнулять величину электрического поля, а так же изменять его направление. В процессе хаотического движения электроны не испытывают взаимодействия с другими электронами, а изменяют направление лишь при "соударении" с ионами кристаллической решетки. Модель изображает среднюю мгновенную скорость движения электронов и скорость дрейфа электронов. К ограничениям модели можно отнести то, что взято заведомо малое количество электронов проводимости: на 45 ионов кристаллической решетки изображено всего 15 свободных электронов, искаженно изображены размеры частиц и расстояния между ними, не отражено тепловое движение ионов, и т.д. Эти ограничения были намеренно заложены в модель, для ее упрощения и большей наглядности.

5. Использование компьютерных моделей при обучении физике

Сегодня преподаватели и учителя физики, сталкиваются со следующим рядом затруднений: постоянное сокращение часов на естественнонаучные дисциплины, снижение финансирования учебного процесса, износ и выход из строя имеющегося оборудования. В сочетании с повышенными требованиями к уровню знаний выпускников учебных заведений, и повышенной загруженностью обучающихся эти затруднения могут перерасти в неразрешимые проблемы, особенно в учебных заведениях небольших городов.

Решением подобных проблем может стать использование современных интенсивных форм, методов и средств обучения. Так использование метода проблемного обучения, метода модельных гипотез, а также использование в процессе обучения теле- и видеоаппаратуры позволит повысить качество знаний и снизить психологическую нагрузку на учащихся. Также в решении подобных проблем может помочь использование в процессе обучения компьютерных технологий.

Обучающие программы, которые могут быть использованы при преподавании физики, можно разделить на: моделирующие, вычислительные, проверочные и справочные. Моделирующие программы – это программы представляющие пользователю компьютерную модель физического явления или объекта. Они могут быть использованы, когда демонстрация самого явления или объекта невозможна в связи с его дороговизной, малой наглядностью или опасностью для жизни. Вычислительные программы разработаны для обработки и интерпретации результатов экспериментов. Подобные программы могут производить за учащихся сложные расчеты, строить графики и диаграммы, они особенно эффективны в сочетании с измерительными модулями, такими как L -микро. Проверочные программы обеспечивают проверку знаний путем тестирования или путем пошагового решения задач. Они отличаются объективностью и беспристрастностью. Справочные программы – это базы и банки данных, предоставляющие учащимся доступ к справочной учебной информации.

Рассмотрим компьютерные модели, как самые распространенные компьютерные обучающие программы. Появление персональных компьютеров четверть века назад позволило начать новую эру использования компьютера в обучении, с тех пор создано множество компьютерных моделей. Эти модели создавали профессиональные коллективы программистов, учителя и преподаватели, а также ученики и студенты. Подобные программы охватывают довольно большой ряд явлений и объектов, отличаются друг от друга полнотой, качеством, охватом, системностью и наглядностью.

Обратимся к модели созданной автором статьи: "Отражение и преломление света на границе двух сред", и размещенной в Интернете на сайте: http:// kmodels . narod . ru .

Для построения модели волны можно воспользоваться принципом Гюйгенса. Каждая точка фронта волны является источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны со скоростью распространения волны в среде.

Зная положение фронта волны в какой-либо момент времени можно найти положение фронта волны через промежуток времени Δt . Вторичные волны распространяются от каждой точки волнового фронта и представляют собой сферические поверхности радиуса v * Δt ( v – скорость распространения волны в среде), тогда касательная поверхность ко всем вторичным волнам будет новым фронтом волны в данный момент времени.

С помощью этой модели можно описать преломление и отражение света на границе двух сред. Программа, моделирующая эти явления, будет строить начальный фронт волны, на его поверхности выбирать пять точек, каждая из которых будет источником вторичных сферических волн, и строить касательную к этим волнам, которая и будет новым фронтом волны. Преломление света рассматривается при переходе света из среды с показателем преломления n =1 в среду с показателем преломления n =1,5 (например, преломление света на границе: воздух - стекло).

Программа также показывает границы применения модели световой волны, основанной на принципе Гюйгенса. Параллельные лучи света, от бесконечно удаленного источника падают на отверстие AB . Белым изображены полусферы, которые действительно могли иметь место, а красным изображены вторичные волны, которые предсказываются моделью (принципом Гюйгенса), но на практике не имеют места. Таким образом, программа наглядно демонстрирует, что принцип Гюйгенса позволяет найти волновую поверхность в произвольный момент времени, если известна волновая поверхность в предыдущий момент времени. Но он не позволяет определить границы распространения света, не объясняет прямолинейность распространения света.

Это имитационная программа, созданная специально для демонстрации, с предельно упрощенным интерфейсом и отсутствием возможности изменять какие-либо параметры. Ее можно использовать при объяснении таких тем, как: принцип Гюйгенса, закон отражения и преломления света.

6. Другие виды аналогий в школьном курсе физики. Использование аналогии при изучении транзистора

В настоящее время транзистор как полупроводниковый прибор нашел широкое применение во всех сферах человеческой деятельности. Популярность прибора повышает интерес учащихся к нему и его техническому приложению. Модель транзистора, как и всякая аналогия, является приближением прибора и имеет свои границы применимости (например, с ее помощью невозможно показать собственную и примесную проводимость; перемещение дырок и электронов и т. д.). Однако в главном модель и оригинал схожи: это тождественность включения их схем и аналогичность работы основных частей и, кроме того, равенство нулю тока коллектора при отсутствии тока в базе.

Рис.6

После ознакомления учащихся с основными элементами транзистора p-n-p-типа (эмиттером, базой и коллектором) и механизмами правого и левого p-n-переходов, учащимся предлагается пронаблюдать данные процессы на модели. Для этого собирается установка, показанная на рис. 6. (предложенная В.С. Данюшенковым и С.Е. Каменецким) Она состоит из аналога транзистора 1, двух центробежных водяных насосов с электродвигателями 2 и стеклянных переходников 3, соединенных между собой резиновыми трубками.

В качестве аналога берут модель водоструйного насоса, имеющаяся в арсенале кабинета физики.

Источником переменного "напряжения" для модели (см. рис.8) служит вход 4, который подключают к водопроводному крану. Меняя с помощью крана скорость течения жидкости в установке, регулируют давление (напор) в ней. В этой установке давление жидкости служит аналогом напряжения в электрической цепи транзистора. Насосы выполняют роль источников постоянного тока, трубки с водой — соединительных проводов, а стеклянная трубка 5 - постоянного резистора R, включенного в цепь, показанную на рис.7.

Рис. 7

Работу основных элементов модели необходимо показать учащимся.

Сначала объясняют роль токов в правом и левом p-n-переходах и их влияние на работу транзистора. Для этого открывают кран и создают постоянный напор воды в системе "эмиттер — база". Жидкость через "эмиттерный" вход поступает в полость аналога транзистора и сливается в отверстие "базы". Источник постоянного напряжения (насос) левого перехода включают в таком направлении, чтобы поток воды из "базового" отверстия всасывался в "эмиттерную" цепь и создавал прямой ток, который зависит только от источника напряжения. Показывают соответствующую демонстрацию, изменяя напор воды в системе с помощью крана и насоса (меняют число оборотов двигателя). При этом часть воды поступает в "коллектор". Это иллюстрирует диффундирование нерекомбинированных в базе дырок в коллектор.

Затем показывают значение базы в транзисторе. Включают правый и левый насосы аналога так, чтобы потоки жидкости в них циркулировали по часовой стрелке. Тогда по "базе" будут протекать два встречных потока жидкости. На языке аналогии это означает, что значения силы тока в цепях базы I_б , эмиттера I_э и коллектора I_к связаны соотношением: I_б =I_э -I_к . О соотношении значений силы тока в транзисторе учащиеся судят путем наблюдения за показаниями расходомеров жидкости, включенных в "эмиттерную" и "коллекторную" цепи модели. Расходомер представляет собой устройство для измерения скорости течения воды и аналогичен амперметру. Поскольку скорость движения жидкости в "эмиттере" приближенно равна скорости движения жидкости в "коллекторе", можно сделать вывод об отсутствии ее движения в "базе", т. е. о том, что I_б =0. Действительно, так как концентрация инжектируемых дырок с эмиттера много больше их концентрации на границе с базой (ширина базы очень мала), то дырки интенсивно диффундируют к коллектору. В то же время обратный ток коллекторного перехода много меньше тока, создаваемого дырками эмиттера. Поэтому силу тока в цепи коллектора можно считать равной силе тока в цепи эмиттера (I_к I_э ). Это равенство лежит в основе усиливающего действия транзистора.

Затем рассматривается использование транзистора как усилителя мощности. При этом рассматривают два случая: включение транзистора по схеме с общей базой (рис. 3, а) и общим эмиттером (рис. 3, б). Схему с общим коллектором не рассматривают, поскольку она мало чем отличается по действию от схемы с общим эмиттером. Поясняют распределение силы тока между эмиттером, базой и коллектором.

Усиление мощности можно осуществлять двумя способами:

а) при постоянном напряжении увеличивать силу тока,