МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГООБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ОТД

Методика преподавания темы “Электромагнитные колебания” в средней школе с использованием компьютерных технологий

Исполнитель:

студентка 5 курса

Хренова Е. В.

Научный руководитель:

Профессор, доктор тех-нических наук, зав. кафед-

рой ОТД Красноперов Г.В.

Екатеринбург

1999г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

Глава 1 Дидактические принципы изучения темы “Электромагнитные колебания” в курсе физики средней школы 6

1.1 Методика изучения темы “Электромагнитные колебания” в курсе физики средней школы 6

1.2 Развитие познавательного интереса к физике при использовании компьютерных технологий 10

Глава 2 Компьютерное моделирование электромагнитных колебаний 11

2.1 Возможности применения графических пакетов при изучении электромагнитных колебаний в курсе физики средней школы 11

2.1.2 Возможности использования графической оболочки Corel. 11

2.2 Разработка методики изучения темы “Электромагнитные колебания” 12

1. Колебательный контур. Превращения энергии при электромагнитных колебаниях. 12

2. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями. 13

3.3 Методическая разработка трех уроков. 13

Библиографический список 25

Введение

Одним из главных аспектов воспитания и развития подрастающего поколения в процессе обучения является интеллектуальное развитие школьников. В настоящее время объем и уровень сложности информации, предлагаемой школьникам для усвоения, постоянно увеличивается, поэтому процесс интеллектуального развития учащихся требует интенсификации. Одним из путей повышения интенсивности обучения является использование компьютерных технологий обучения¹ (ИТО). При правильном их использовании они обеспечивают целый ряд преимуществ перед обычным способом обучения:

1. индивидуализация учебного процесса по содержанию, объему и темпам усвоения учебного материала;

2. активизация учащихся при усвоении учебной информации;

3. повышение эффективности использования учебного времени;

4. положительная мотивация обучения за счет комфортных психологических условий работы учащегося, объективности оценки;

5. изменение характера труда преподавателя (сокращение рутинной работы и усиление творческой составляющей его деятельности).

Особую роль играет применение компьютерных технологий при обучении физике в средней и высшей школе. Как показывает педагогический опыт, наибольшее количество трудностей возникает при изучении тех разделов курса физики, которые связаны с электричеством и магнетизмом. Между тем методика изучения различных тем в этих разделах не разработана в должной мере. В связи с этим нами была сделана попытка обоснования целесообразности использования ИТО при изучении в частности темы “Электромагнитные колебания” и разработаны некоторые методические моменты, которые, в зависимости от принятой технологии учебного процесса, его целей и задач, а так же от компьютерной оснащенности школы, могут быть использованы преподавателями физики как для изучения всей темы целиком, так и для изучения ее отдельных вопросов.

Разработка нестандартного способа изложения темы говорит об актуальности исследования и заключает в себе элемент новизны и практической значимости.

Цель исследования – разработать методику изучения электроколебательных процессов с помощью компьютера.

Объектом исследования является организация учебного процесса на различных этапах урока физики.

Предметом является поиск содержания, форм и методов обучения, обеспечивающих достижение поставленной цели.

В основу работы была положена гипотеза: использование компьютерных технологий, а в частности некоторых прикладных пакетов, повышает эффективность учебного процесса и позволяет добиться более глубокого понимания данной темы учащимися.

Исходя из поставленной цели и сформулированной гипотезы, следуют задачи:

• разработать методику изложения темы “Электромагнитные колебания” с использованием ЭВМ.

• выяснить, с какими трудностями сталкиваются учащиеся в процессе изучения данной темы и, следовательно, каким вопросам и понятиям следует уделить особое внимание.

Для решения поставленных задач использованы следующие методы:

• изучение методической, психологической и справочной литературы по данной теме.

• знакомство с уже имеющимися разработками в области данной темы.

• проведение анкетирования среди учащихся 11-х классов и беседа по интересующей проблеме.

• проведение уроков по изучению электромагнитных колебаний в 11-х классах.

• обсуждение результатов эксперимента с преподавателями и психологами.

Эксперимент проводился в средней общеобразовательной школе N 64 г. Екатеринбурга с учащимися 11-х классов при изучении темы “Электро­магнитные колебания”.

Глава 1 Дидактические принципы изучения темы “Электромагнитные колебания” в курсе физики средней школы

1. Методика изучения темы “Электромагнитные колебания” в курсе физики средней школы

При определении содержания и методов изучения данного раздела необходимо руководствоваться такими основными факторами, как научной значимостью отобранного для изучения материала и важностью его практических приложений.

Колебательные процессы – одни из самых распространенных процессов в природе. Изучение колебаний – это универсальный ключ ко многим тайнам мира.

Колебательные процессы, а именно электромагнитные колебания являются основой действия всех электро и радиотехнических устройств.

В процессе изучения темы “Электромагнитные колебания” рассматриваются свободные электромагнитные колебания и автоколебания в колебательных контурах, а также вынужденные колебания в электрических цепях под действием синусоидальной ЭДС. Все эти вопросы имеют очень большое значение, так как на их основе затем изучаются электромагнитные волны с их научно-практическими приложениями.

При изложении данной темы в курсе физики средней школы учитель должен опираться на следующие основные положения:

• использование аналогий механических и электромагнитных колебаний;

• изучение и объяснение явлений и процессов на основе знаний об электрическом и магнитном полях и электромагнитной индукции, полученных в X классе;

• широкое применение физического эксперимента.

Содержание материала и последовательность его изложений отражены в ниже следующем примерном поурочном планировании²:

1-й и 2-й уроки. Повторение материала об электромагнитной индукции. Свободные и вынужденные электрические колебания.

3-й урок. Колебательный контур. Превращение энергии при ЭМК.

4-й урок. Аналогия между механическими и электромагнитными колебаниями.

5-й урок. Уравнения гармонических колебаний в контуре. Упражнения.

Первые пять уроков отводятся на изучение процессов в колебательном контуре. Центральными являются уроки, на которых рассматривается колебательный контур, раскрывается сущность происходящих в нем процессов и устанавливается, что свободные электромагнитные колебания в идеальном контуре гармонические. С колебательным контуром учащиеся знакомятся, наблюдая электромагнитные колебания низкой частоты, возникающие в цепи, состоящей из последовательного соединенных конденсатора и катушки индуктивности.

Электромагнитные колебания вначале представляются как периодическое (в идеале - гармоническое) изменение физических величин (заряда, тока, напряжения), характеризующих состояние системы проводников. Затем показывается, что при этом происходит периодическое изменение энергий электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки с током.

Очень важно при этом отметить, что эти изменения неразрывно связаны друг с другом, что выражается в сохранении полной энергии в идеальном колебательном контуре.

Необходимо показать, что колебательный контур – это система, у которой есть состояние устойчивого равновесия, характеризуемое состоянием с минимальной потенциальной энергией (конденсатор не заряжен), в которое система приходит сама собою (разрядка конденсатора) и через которое она может проходить “по инерции” (явление самоиндукции). Это следует подчеркнуть при количественном изучении процессов в контуре и получении формулы Томсона, так как только для колебательной системы имеет смысл понятие “собственная частота”.

Чтобы доказать, что в идеальном контуре происходят гармонические колебания, необходимо получить основное уравнение, описывающее процессы в контуре и показать его аналогичность уравнению гармонических механических колебаний.

Для получения основного уравнения, описывающего процессы в контуре, лучше использовать закон Ома для участка цепи, содержащего э.д.с. Это позволяет снять возможный вопрос о допустимости применения закона, установленного для постоянного тока, для описания процессов в колебательном контуре, кроме того, при этом отпадает необходимость оговаривать отсутствие гальванического элемента. В этом случае роль разности потенциалов играет напряжение на конденсаторе, равное Q/C. Записав

и считая сопротивление R контура очень малым, переходят к мгновенным значениям, что следует оговорить. В результате получают

Для раскрытия физической сущности электромагнитных колебаний используется метод векторных диаграмм. Построение ведется по четвертям периода и сопровождается объяснением того, как изменяется каждая из величин, представленных на диаграмме. Фазовые соотношения определяются исходя из того, что сила тока имеет смысл скорости изменения заряда, а э.д.с. самоиндукции (с учетом знака) – скорости изменения тока. При изучении механических колебаний было установлено, что

Рис.1

фазы таких колебаний отличаются на /2.

После рассмотрения явлений в колебательном контуре переходят к изучению переменного тока как вынужденных электромагнитных колебаний.

Изучение начинается с демонстрации осциллограммы сетевого напряжения, вид которой позволяет считать переменный ток гармоническими электромагнитными колебаниями.

Отмечают, что вообще переменный ток – это вынужденные электромагнитные колебания, форма которых определяется законом изменения приложенного напряжения. Затем выводят уравнения гармонических колебаний э.д.с. индукции в витке обмотки генератора и тока в сети. Подробно устройство генератора не рассматривают, речь идет лишь о получении переменной э.д.с. путем вращения рамки в постоянном магнитном поле.

Вывод уравнений опирается на изученные в Х классе закон электромагнитной индукции Фарадея и понятие магнитного потока.

Обращают внимание на то, что подобно тому, как при механических колебаниях возможен сдвиг фаз между вынуждающей силой и скоростью колеблющейся точки, так и в случае электромагнитных колебаний может быть сдвиг по фазе между током и напряжением. Более подробное рассмотрение фазовых соотношений тока и напряжения будет сделано при изучении реактивных сопротивлений и закона Ома для переменного тока.

В заключение рассматривается генератор на транзисторе как пример электромагнитной автоколебательной системы. В такой системе вырабатываются высокочастотные незатухающие колебания за счет дозированного периодического поступления энергии от источника постоянного напряжения, входящего в состав системы. Целесообразно сначала показать такой генератор в действии, а затем объяснить его устройство, используя саму установку и ее схему.

Учитывая исключительную важность повторения, обобщения и систематизации всего курса физики в ХI классе, следует особое внимание уделить задачам на повторение с использованием вновь изученного материала.

1. Развитие познавательного интереса к физике при использовании компьютерных технологий

Глава 2 Компьютерное моделирование электромагнитных колебаний

2.1 Возможности применения графических пакетов при изучении электромагнитных колебаний в курсе физики средней школы

На сегодняшний день разработано множество графических пакетов и оболочек (Соrel, 3D-Studio, Power-Point, Micro-Cap и др.), позволяющих решать конкретные практические задачи с помощью ЭВМ без знания языков высокого уровня. По нашему мнению, наиболее приемлемыми для использования в школе являются оболочки PowerPoint и CorelMove.

2.1.2 Возможности использования графической оболочки Corel и пакета PowerPoint.

Графический редактор CorelMove и пакет для создания презентаций PowerPoint позволяет создавать различные статические и динамические модели, которые очень наглядно демонстрируют различные физические опыты и явления, переходные процессы. Просмотр этих моделей учащимися делает процесс изучения физики интересным и привлекательным, а так же во многом упрощает труд преподавателя. Применение компьютерных моделей на уроках вообще и физики – в частности, в конечном счете, должно способствовать развитию познавательного интереса, овладению школьниками возможностями информационных технологий, более гармоничному развитию интеллектуальных способностей учащихся.

2.2 Повышение наглядности обучения при использовании компьютерных моделей на уроках физики.

При изучении физики возможен пересмотр методики изучения школьниками некоторых разделов на основе эффективной графической иллюстрации сложных зависимостей, представляемых обычно в табличной или аналитической форме, улучшения техники и методики демонстрационного эксперимента, наглядного решения физических задач.

Чтобы сделать средство обучения наглядным, необходимо выделить основные свойства изучаемого явления, т. е. превратить его в модель, правильно отразить в модели эти свойства и обеспечить доступность этой модели для учащихся.

Особое внимание должно уделяться статическим и динамическим моделям. Динамическое компьютерное моделирование обладает большой достоверностью и убедительностью, прекрасно передает динамику различных физических процессов.