Моделируем физические явления с учениками.
Для успешного изучения многих явлений природы, необходимо создать у учеников зрительные или мысленные образы явлений. Для усиления зрительного восприятия, на уроке можно использовать конспекты, схемы, карты, рисунки и формулы, приборы, демонстрационные опыты и различные виды моделей (в том числе компьютерные и динамические). Процесс моделирования физических явлений в игровой форме – это один из способов использования зрительного восприятия, развития логического мышления и коммуникативности учеников.
На уроке физики я использую компьютерные модели, многие из которых создаю сам и привлекаю своих учеников. Но компьютер не всегда доступен, а ученики, во время урока всегда рядом. Давайте вовлекать их, и совместно, в игровой форме, создавать модели некоторых процессов. Если, по каким-то причинам вы не сможете провести моделирование в игровой форме, то проведите мысленное моделирование. В любом случае мы должны создавать образы явлений. Это интересно и не требует финансовых затрат.
Ядерная физика.
Бомбардировка ядра частицами (к теме деление ядер тяжёлых элементов).
Объект моделирования (теория): Ядро состоит из протонов и нейтронов. При бомбардировке ядра нейтроном, ядро захватывает нейтрон, возмущается и деформируется.
Моделирование.
В зависимости от количества учеников, необходимо образовать 1, 2 или 3, довольно плотных кругов. Для каждого круга оставляем по одному свободному ученику, который должен проникнуть в круг (круг не препятствует).
- Создает ли ученик, проникающий в круг, суматоху?
- Изменяются ли размеры круга (если соблюдать первоначальные расстояния)?
Моделирование цепной управляемой и неуправляемой реакции деления ядер тяжёлых элементов.
Объект моделирования (теория): При делении ядра урана-235, получаются 2 или три свободных нейтрона, которые могут быть захвачены соседними ядрами урана-235, и могут произвести их деление. Создается возможность осуществления цепной реакции деления ядра урана-235. Цепная реакция деления может быть управляемой (если не меняется число ядер, испытывающих деление), или неуправляемой взрывной (если число ядер, испытывающих деление, резко увеличивается). Цепная реакция может и не возникнуть, если, например полученные нейтроны, покинут кусок урана, не вызвав деление ядра.
Моделирование.
У каждого из вас имеются три спички. Представим, что вы ядра урана, а спички – это нейтроны, которые получаются при делении одного ядра. После деления (то есть после получения спички), вы можете передать соседям до трёх спичек. Те, кто получил и передал соседям спички – это ядра, в которых произошло деление, и эти ученики встают с места.
Я передаю спичку одному из вас, то есть нейтрон проникает в ядро урана. Смоделируйте все возможные варианты развития событий.
Варианты (это мы не говорим ученикам, пусть думают).
- На каком то этапе никто из соседей не получает спичку – реакция деления затухает.
- Каждый передаёт больше одной спички – цепная неуправляемая реакция деления (назвать этот вид реакции, немного объяснить и спросить, где его можно использовать – ответ: атомная бомба).
- Каждый передаёт только одну спичку – цепная управляемая реакция деления (назвать этот вид реакции, и спросить, где его можно использовать – ответ: атомная электростанция).
Обменный характер взаимодействия (мысленный эксперимент).
Эксперимент, похожий по смыслу, описанному мысленному эксперименту, можно и смоделировать, или поставить демонстрационный опыт, например, с баллистическим пистолетом, подвешенном на нитке и мишенью, подвешенной на нитке.
Объект моделирования (теория): Все виды фундаментальных взаимодействий между двумя частицами происходят за счёт обмена третьей частицей (носителем взаимодействия) и передачи импульса.
Моделирование (http://elementy.ru).
Представьте себе двух лодочников, гребущих на встречных курсах по реке. Один гребец решил угостить коллегу шампанским и, когда они проплывали друг мимо друга, кинул ему полную бутылку шампанского. В результате действия закона сохранения импульса, когда первый гребец кинул бутылку, курс его лодки отклонился от прямолинейного в противоположную сторону, а когда второй гребец поймал бутылку, ее импульс передался ему, и вторая лодка также отклонилась от прямолинейного курса, но уже в противоположную сторону. Таким образом, в результате обмена шампанским обе лодки изменили направление. Согласно законам механики Ньютона это означает, что между лодками произошло силовое взаимодействие. Здесь мы и видим наглядно, и понимаем интуитивно, что сила взаимодействия между лодками была передана носителем импульса — бутылкой шампанского. Физики назвали бы ее переносчиком взаимодействия.
Рассказываем о носителях четырёх фундаментальных взаимодействиях.
Атомная физика.
Энергетические уровни атома (водорода). Поглощение и излучение атома.
Объект моделирования (теория): У каждого атома имеется собственный набор стационарных энергетических состояний (для атома водорода Е1 = -13,61 ЭВ; Е2 = -3,40 эВ; Е3 = -1,51 эВ, Е4 = -0,85 эВ; Е5 = - 0,54; Е6 = -0,38 эВ). Находясь в стационарном состоянии, атом не излучает электромагнитную волну. Энергетический уровень с минимумом энергии, называется основным энергетическим состоянием атома, остальные энергетические уровни, являются возбуждённым состоянием атома.
Атом поглощает энергию и переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией. Атом излучает энергию, при переходе из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией.
Моделирование.
В ряд расставлены 6 стульев, между которыми имеются неодинаковые расстояния, в соответствии с энергетическими уровнями атома водорода. На стулья вывешены таблички, с номерами энергетических состояний. Атом находится в основном энергетическом уровне (на стуле № 1 сидит ученик). Стулья желательно расставить в гору, начиная с первого стула у подножия (или в крайнем случае, представить, что это так). Объясняем, что стул № 1 – это основное состояние атома, а все остальные стулья – это возбуждённые стационарные состояния, находясь в которых, атом не излучает электромагнитную волну. Обращение к ученику, сидящему на стуле №1.
Ты можешь занимать в каждый момент времени только один стул. Атом водорода тоже, в каждый момент времени может находиться только в одном стационарном состоянии, где он не излучает энергию.
- Чтобы перейти на более высокий уровень, тебе необходимо затратить энергию, значит, ты должен эту энергию получить извне.
- Если энергия, которую тебе сообщили, не достаточна для перехода на второй стул, то ты не сможешь туда перейти.
- Если энергия, которую тебе сообщили, больше энергии необходимой для перехода на второй стул, но меньше энергии, которая необходима для перехода на третий стул, то ты оказываешься в нестационарном состоянии.
- Эти рассуждения проделываем когда, ученик сидит на шестом стуле, только в данном случае речь идёт об излучении энергии.
Вывод: атом может поглощать и излучать только определённые значения энергии, равные разности значений энергий стационарных состояний. Набор стационарных энергетических состояний атомов различных веществ различный. Если вещество находится в атомарном газообразном состоянии, при небольших температурах и давлении, он излучает и поглощает только определённый набор энергий (частот) – линейчатый спектр. Линейчатый спектр поглощения и излучения атома одного и того же вещества одинаков, но спектр различных веществ различен.
- Ученик сидит на шестом стуле. Обращение к ученику. Пересаживаясь со стула на стул, выясни, сколько различных значений энергий (частот) может излучать атом водорода. Нужно рассмотреть все возможные способы перехода с шестого стула на первый.
Электричество.
Электрический ток в металлах. Сопротивление металла. Зависимость сопротивления металла от температуры.(у каждого электрона в руках табличка с минусом, полюса источников тока тоже обозначены табличками).
Объект моделирования 1 (теория): Электрический ток в металлах – это направленное движение свободных отрицательно заряженных электронов. Под действием электрических сил электроны движутся от отрицательного полюса к положительному полюсу источника тока.
Моделирование 1.
Участвуют только девочки (или только мальчики). Представьте, что каждый из вас – это отрицательно заряженный электрон металла. Одна стена представляет собой отрицательный полюс источника тока, а противоположная стена – положительный полюс источника тока. Металл подключили к источнику тока, изобразите поведение электронов.
Объект моделирования 2 (теория): В узлах кристаллической решётки металлов колеблются положительные ионы, по всему металлу перемещаются отрицательно заряженные свободные электроны. Электрический ток в металлах – это направленное движение свободных отрицательно заряженных электронов. Под действием электрических сил электроны движутся от отрицательного полюса к положительному полюсу источника тока. Положительные ионы металла, мешают направленному движению электронов – возникает электрическое сопротивление. Сила тока уменьшается.
Моделирование 2.
Участвуют и девочки и мальчики. Представьте, что девочки – это отрицательно заряженные электроны, мальчики – положительные ионы металла, которые мешают направленному движению электронов (только осторожно). Одна стена представляет собой отрицательный полюс источника тока, а противоположная стена – положительный полюс источника тока. Металл подключили к источнику тока, изобразите поведение электронов(девочки постарайтесь двигаться с той же скоростью, что и при первом моделировании). Сравните число девочек, дошедших противоположной стенки за одинаковое время при первом и втором моделировании.
Моделирование 3.
Продолжение моделирования 2. При увеличении температуры металла, амплитуда колебания положительных ионов возрастает, значит, они больше будут препятствовать направленному движению электронов. При увеличении температуры металла, сопротивление металла возрастает.
Электрический ток в металлах, сторонние силы (10 класс).
Объект моделирования (теория): Электрический ток в металлах – это направленное движение свободных отрицательно заряженных электронов. Под действием электрических сил электроны движутся от отрицательного полюса к положительному полюсу источника тока. Электрическая цепь должна быть замкнутой.
Этот вопрос выясняем в процессе моделирования. (Создаём проблемную ситуацию). Внутри источника тока силы электрической природы тормозят электроны. Чтобы электрический ток не прекращался, внутри источника тока на электроны в направлении их движения должна действовать сила, которая компенсирует электрическую силу, направленную против движения электронов. Так как эти силы не могут иметь электрическую природу, то их называют сторонними силами.
Моделирование.
При моделировании электрическая цепь должна иметь и внешнюю часть (проводник) и внутреннюю часть (источник тока). Ученики свободные электроны металла. Смоделировать движение электронов в проводнике, ученикам не составляет особого труда. Интересно, как поведут себя ученики, когда попадут внутрь источника тока? Скорее всего, многие продолжат движение, не задумавшись, что когда они попали внутрь источника тока, то для них поменялись местами полюса источника тока (электрическая сила изменила направление). Далее учитель обращает на это внимание и в процессе обсуждения приходят к понятию сторонних сил.
Переменный электрический ток в металлах. (у каждого электрона в руках табличка с минусом, полюса источников тока тоже обозначены табличками).
Объект моделирования (теория): Электрический ток в металлах – это направленное движение свободных отрицательно заряженных электронов. Под действием электрических сил электроны движутся от отрицательного полюса к положительному полюсу источника тока. При увеличении электрического напряжения на полюсах источника тока, скорость движения электронов возрастает, при уменьшении – уменьшается.
Моделирование.
Участвуют только девочки (или только мальчики). Представьте, что каждый из вас – это отрицательно заряженный электрон металла. Стена спереди представляет собой отрицательный полюс источника тока, а противоположная стена – положительный полюс источника тока. Металл подключили к источнику тока, изобразите поведение электронов и слушайте внимательно преподавателя.
- Увеличиваю напряжение
- Уменьшаю напряжение
- Меняю полярность источника тока
- увеличиваю напряжение
- уменьшаю напряжение
- меняю полярность источника тока
- и так далее.
Электрический ток в полупроводниках.
Объект моделирования 1 (теория): Электрический ток в полупроводниках – это направленное движение свободных отрицательно заряженных электронов и положительных «дырок», областей, где не хватает электронов(нарушены парноэлектронные связи). В нормальном состоянии все связи заполнены, и в полупроводниках нет свободных зарядов. При освещении или при нагревании парноэлектронные связи разрушаются, и полупроводник становится проводником, сопротивление полупроводника уменьшается. Под действием электрических сил электроны движутся от отрицательного полюса к положительному полюсу источника тока, а «дырки» - от положительного к отрицательному полюсу.
Моделирование.
Все стулья заняты – нет свободных зарядов. Кого-то вызвали к доске, связь нарушена. Представьте, ученик, которого вызвали к доске – это электрон, а место, которое он освободил (место, где его не хватает) – это положительная «дырка». Доска представляет собой положительный полюс источника тока, а противоположная стена – отрицательный полюс источника тока. Металл подключили к источнику тока, изобразите поведение электронов и «дырок». В каком направлении они смещаются?
Я вызвал к доске трёх учеников (пусть это будет равносильно увеличению освещённости или температуры). Что изменилось? Примечание: Можно смоделировать электрический ток и в других средах.
Последовательное соединение проводников.
Объект моделирования (теория): Последовательное соединение – это соединение без узлов, когда нет точек, где соединяются более двух приборов.
При последовательном соединении:
- сила тока во всех частях цепи одинакова;
- электрическое напряжение делится в зависимости от сопротивления проводника;
- на большем сопротивлении, падение напряжения больше;
- общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных частях цепи;
- общее сопротивление равно сумме сопротивлений отдельных частей цепи;
- при выходе из строя одного из приборов – ток в цепи прекращается.
Электрический ток в металлах – это направленное движение свободных отрицательно заряженных электронов. Под действием электрических сил электроны движутся от отрицательного полюса к положительному полюсу источника тока.
Моделирование.
Все соединитесь последовательно. Моя правая рука положительный полюс источника тока, а левая – отрицательный полюс. Подключитесь к источнику тока (иногда девочки и мальчики не хотят браться за руки, тогда используйте верёвочки). Изобразите волной направление тока. Далее задаю различные значения сопротивления, силы тока, напряжения, и решаем устные задачи.
Параллельное соединение проводников.
Объект моделирования (теория): Параллельное соединение – это соединение с узлом, когда в одной точке соединяются более двух приборов.
При параллельном соединении:
- электрическое напряжение во всех частях цепи одинаково;
- сила тока делится в зависимости от сопротивления проводника;
- на большем сопротивлении, сила тока меньше;
- общая сила тока равна сумме сил токов в отдельных частях цепи;
- при выходе из строя одного из приборов – ток в цепи не прекращается.
Электрический ток в металлах – это направленное движение свободных отрицательно заряженных электронов. Под действием электрических сил электроны движутся от отрицательного полюса к положительному полюсу источника тока.
Моделирование.
Все соединитесь параллельно. Моя правая рука положительный полюс источника тока, а левая – отрицательный полюс. Подключитесь к источнику тока (иногда девочки и мальчики не хотят браться за руки, тогда используйте верёвочки). Изобразите волной направление тока. Далее задаю различные значения сопротивления, силы тока, напряжения, и решаем устные задачи.
Тепловые явления.
Поведение молекул вещества в газообразном состоянии. Свойства газа.
Объект моделирования (теория): Молекулы в газах расположены беспорядочно и далеко (по сравнению с размерами молекул) друг от друга. Силы взаимодействия между молекулами можно приравнять к нулю, и молекулы могут двигаться, не зависимо друг от друга. Молекулы движутся беспрерывно и беспорядочно.
Моделирование.
Представьте, что каждый из вас – это молекула газа. Смоделируйте поведение молекул газа. Я открыл дверь. Смоделируйте поведение молекул газа. Вывод. Основные свойства газа: легко меняет форму и легко меняет объем.
Поведение молекул вещества в твердом (кристаллическом) состоянии. Свойства твёрдых тел.
Объект моделирования (теория): Молекулы в кристаллах расположены упорядоченно и почти вплотную друг к другу. Силы взаимодействия между молекулами очень большие, и молекулы не могут двигаться, не зависимо друг от друга. Молекулы колеблются беспрерывно и беспорядочно.
Моделирование (здесь можно изучать и типы кристаллических структур).
Представьте, что каждый из вас – это молекула твердого тела. Возьмите в руки палочки, и все, с помощью палочек, соединитесь между собой. В любых ситуациях, вы не должны выпустить палочку из рук (не должны разорвать связи). Смоделируйте поведение молекул твёрдых тел. Я открыл дверь. Смоделируйте поведение молекул твёрдых тел. Вывод. Основные свойства твёрдых тел: трудно изменить форму и трудно изменить объем.
Изменение объема тел, при изменении температуры тела (или при сжатии и растяжении).
Объект моделирования (теория): Все вещества состоят из молекул, размеры которых не изменяются. Между молекулами имеются промежутки, которые могут изменяться.
Моделирование.
Представьте, что каждый из вас – это молекула. Смоделируйте поведение молекул, при сжатии (растяжении) тела, при увеличении (уменьшении) температуры тела. Вывод. При изменении объема тела, меняются расстояния между молекулами, а не размеры молекул. Если расстояния между молекулами увеличиваются (растяжение или нагревание), объем тела увеличивается. Если расстояния между молекулами уменьшаются (сжатие или охлаждение), объем тела уменьшается.
Диффузия.
Объект моделирования (теория): Диффузия – это взаимное проникновение, соприкасающихся веществ, друг в друга, за счёт беспорядочного и беспрерывного движения молекул. При увеличении температуры, скорость диффузии возрастает, за счет увеличения скорости движения молекул.
Моделирование.
Организуйте две группы: группа девочек и группа мальчиков. Представьте, что каждый из вас – это молекула. Молекулы движутся беспрерывно и беспорядочно. Группа девочек первое вещество, группа мальчиков – второе вещество. Смоделируйте поведение молекул, если два вещества привели в соприкосновение.
Снова организуйте группу мальчиков и группу девочек. Температуру увеличили. Смоделируйте поведение молекул, если два вещества привели в соприкосновение. Делаем основные выводы, по теме диффузия.
Давление газа. От чего зависит давление газа. Можно смоделировать и броуновское движение.
Объект моделирования (теория): Газ оказывает давление на стенки сосуда и на перегородку, помещённую в газ, за счёт ударов молекул. Давление газа увеличивается при увеличении: концентрации молекул (уменьшение объема), скорости движения молекул (увеличение температуры), и увеличении массы молекул.
Моделирование.
Организовать ограниченное пространство – это модель сосуда. Внутри пространства поставить стул или другой, более безопасный предмет. Все ученики находятся в «сосуде», они молекулы газа, и могут перемещаться независимо друг от друга. Организовать игру, например, поймай меня. Обращайте внимание на то, что происходят удары по стулу или по стенкам сосуда. Они азартные, удары будут. Если ударов нет (значит, они осторожничают), то спросите «почему вы осторожно проходите мимо стула».
Изменяя скорость перемещения, массы участников, и размеры «сосуда», можно вывести все зависимости давления газа. Делаем основные выводы.
Световые явления.
Преломление света (мысленный эксперимент).
Объект моделирования (теория): Если световая волна падает на границу раздела двух сред с разным значением абсолютного показателя преломления, под углом к границе раздела, то из-за изменения скорости распространения света, направление распространения света меняется.
Моделирование.
Асфальтовая дорога граничит с болотом. Два человека несут доску под углом к границе болота. Один из них первым попадает в болото, и скорость его движения уменьшается, а второй человек по асфальту идёт с той же скоростью. Меняется направление движения доски (фронта волны). Те же рассуждения, когда выходят из болота в асфальт. Делаем выводы.
Шакуров Зулькафир Зулькарнаевич. Начато - 2008 год.
| 
