Научно-методический анализ темы «Механические колебания и волны» в курсе физики средней общеобразовательной школы

Рассматривая скорость распространения звука в различных средах, целесообразно привести конкретные примеры звуковых скоростей в этих средах. Например, будут полезны такие сведения: скорость звука в воздухе составляет около 300 м/с, в воде она в 5 раз больше, а в металлах звук распространяется в 15 раз быстрее, чем в воздухе. Причины такого различия предлагают объяснить самим учащимся, так как им уже известно, что скорость распространения волны в среде зависит от плотности среды и ее упругости по отношению к тому или иному виду деформации, вызванному волной.

После этого  школьникам рассказывают о восприятии звуковых волн человеком. Рассматривают  диапазоны звуковых волн: от 16 до 20000 Гц – звук, воспринимаемый человеческим ухом, ниже 16 Гц – инфразвук, выше 20000 Гц – ультразвук, свыше 10⁹ Гц – гиперзвук. Целесообразно рассмотреть объективные характеристики звука (частоту, интенсивность, спектральный состав) и восприятие различий в этих характеристиках человеком. Понятие интенсивности часто используют в дальнейшем, поэтому полезно конкретизировать его уже при изучении звуковых волн. Интенсивность звука характеризует энергию, переносимую волной в единицу времени через единицу площади перпендикулярно направлению ее распространения. Различие в интенсивности звуковых волн человек воспринимает как различие в громкости звука. Различие в частоте воспринимают как звуки разной высоты, а субъективное восприятие тембра связано со спектральным составом звука.

При рассмотрении акустического резонанса необходимо подчеркнуть, что резонанс акустических волн является доказательством волновой природы звука. Это можно продемонстрировать на опытах, например с двумя камертонами. Обращают внимание школьников на то, что явление резонанса в акустике часто используют и для того, чтобы из периодического негармонического вынужденного колебания выделить гармоническую составляющую.

В заключение рассматривают  свойства акустических волн, при этом целесообразно ограничиться изучением  отражения волн. Обратив внимание учащихся па то, что в большом  пустом помещении звуки сопровождаются гулом, а па открытом месте те же звуки звучат отрывисто, объясняют эти явления тем, что звуковые волны способны отражаться от ряда преград (степ). Всем хорошо знакомо эхо – явление повторения звука вследствие его отражения от удаленных преград – гор, леса. Человеческое ухо способно различать два звука, если промежуток времени между их восприятием не менее 0,1 с.

Отражение звука  демонстрируют на опыте: в сосуд  опускают наручные часы и располагают  ухо на некотором расстоянии. Звук почти не слышен. Ели же над сосудом под углом 45° расположить отражающую поверхность (плотный картону книгу), то звук заметно усилится. Опыт можно поставить как домашнее экспериментальное задание.

 

4. Компьютерные модели в разделе «Механические колебания и волны»

Компьютер на уроках физики, прежде всего, позволяет выдвинуть на первый план экспериментальную, исследовательскую деятельность учащихся. Замечательным средством для организации подобной деятельности являются компьютерные модели. Компьютерное моделирование позволяет создать на экране компьютера живую, запоминающуюся динамическую картину физических опытов или явлений и открывает для учителя широкие возможности по совершенствованию уроков.

Следует отметить, что под компьютерными моделями понимается компьютерные программы, имитирующие физические опыты, явления или идеализированные модельные ситуации, встречающиеся в физических задачах. Наибольший интерес у учащихся вызывают компьютерные модели, в рамках которых можно управлять поведением объектов на экране компьютера, изменяя величины числовых параметров, заложенных в основу соответствующей математической модели. Некоторые модели позволяют одновременно с ходом эксперимента наблюдать в динамическом режиме построение графических зависимостей от времени ряда физических величин, описывающих эксперимент. Подобные модели представляют особую ценность, так как учащиеся, как правило, испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков.

Компьютерные модели легко вписываются в традиционный урок, позволяя учителю продемонстрировать почти "живьём" многие физические эффекты, которые обычно мучительно и долго объясняются "на пальцах". Кроме того, компьютерные модели позволяют учителю организовывать новые, нетрадиционные виды учебной деятельности [8].

В учебной программе за 11 класс как раз перечислены названия компьютерных моделей, которые могут быть использованы на уроке. В данной курсовой работе я рассмотрю несколько компьютерных моделей из этого списка, которые в дальнейшем можно будет использовать при изучении раздела «Механические колебания и волны».

4.1. Модель «Гармонические колебания»

Рис. 13. Модель «Гармонические колебания»

Модель (рис.13) предназначена для изучения простого гармонического колебательного движения,

Можно изменять амплитуду период колебаний и начальную фазу гармонического колебания тела и наблюдать за движением точки на графиках координаты x, скорости v и ускорения a во времени. По оси ординат удобно откладывать значения величин x, , , которые имеют одинаковые единицы измерения.

4.2.Модель «Математический маятник»

Рис.14. Модель «Математический маятник»

Модель (рис.14) демонстрирует свободные колебания математического маятника. Можно изменять длину нити l, угол начального отклонения маятника, коэффициент вязкого трения b. Выводятся графики зависимости угловой координаты и скорости от времени, диаграммы потенциальной и кинетической энергий при свободных колебаниях, а также при затухающих колебаниях при наличии вязкого трения.

4.3. Модель «Превращения энергии при колебаниях»

Рис.15. Модель «Превращения энергии при колебаниях»

Модель (рис.15) иллюстрирует превращения энергии при гармонических колебаниях тела под действием квазиупругой силы, потенциальная энергия которой пропорциональна квадрату смещения тела из положения равновесия: , где A>0 – коэффициент пропорциональности. В случае колебаний груза на пружине A=k/2, где k – жесткость пружины. Можно изменять массу m тела, совершающего колебательные движения, величину A и полную энергию системы .

Графически показано соотношение между потенциальной и кинетической энергиями при колебаниях в любой момент времени.

В отсутствие затухания полная энергия колебательной системы остается неизменной [6], потенциальная энергия достигает максимума при максимальном отклонении тела от положения равновесия, а кинетическая энергия принимает максимальное значение при прохождении тела через положение равновесия.

4.4. Модель «Вынужденные колебания»

Рис. 16. Модель «Вынужденные колебания»

Модель (рис.16) демонстрирует вынужденные колебания груза на пружине. Изменяющаяся по гармоническому закону внешняя сила приложена к свободному концу пружины. Она заставляет этот конец колебаться по закону y= y_mcosωt, где y_m – амплитуда колебаний, ω – круговая частота. Внешняя сила начинает действовать на колебательную систему при нажатии кнопки Старт; поэтому компьютерная модель позволяет продемонстрировать не только установившиеся вынужденные колебания, но и процесс установления (переходный процесс).

Можно изменять массу груза m, жесткость пружины k и коэффициент вязкого трения b.

Выводятся графики зависимости  от времени координаты и скорости груза и другие параметры колебаний. Показана резонансная кривая. Установившиеся вынужденные колебания всегда происходят на частоте вынуждающей силы. Резонанс наступает, когда эта частота приближается к собственной частоте колебательной системы.

 

 

Заключение

Пожалуй, нет такой области техники, где бы ни применялись или не учитывались колебательные и волновые процессы. Механические колебания используют в различных технологических процессах и машинах (сортировочные машины, вибрационные конвейеры, вибролитьё и т.д.).

В современном  производстве многим категориям работников массовых профессий необходимо понимание  физических основ технологических процессов или принципа действия машин, механизмов и приборов, в которых используются колебательные и волновые явления.

В курсовой работе была рассмотрена методика преподавания физики, а именно раздела «Механические  колебания и волны». Предложены компьютерные модели, с учётом дальнейшей разработки, для последующего использования в процессе обучения школьников данному разделу. Компьютерные модели легко вписываются в традиционный урок, позволяя учителю продемонстрировать почти "живьём" многие физические эффекты, которые обычно мучительно и долго объясняются "на пальцах". Кроме того, компьютерные модели позволяют учителю организовывать новые, нетрадиционные виды учебной деятельности. С учётом массовой компьютеризации, данная курсовая работа имеет место в процессе обучения. При дальнейшей разработке компьютерных моделей, предложенные в курсовой работе, их можно будет использовать в процессе обучения физики в средней школе.

 

Список литературы

1. Орехов В.П. Методика преподавания физики. М.: «Просвещение», 1980. – 320 с.
2. Каменецкий С.Е. Теория и методика обучения физике в школе. М.: Издательский центр «Академия», 2000. – 384 с.
3. Жилко, В. В. Физика: учебное пособие для 11 класса общеобразовательной школы с рус. яз. обучения Мн.: Нар. асвета, 2009.
4. Учебные программы для общеобразовательных учреждений с русским языком обучения. Физика 6-11 классы. Астрономия 11 класс.  Мн.: Национальный институт образования. – 2009. – 64с
5. Кологривов В. Н. Энергетические соотношения в задачах о колебаниях. Физ. образ. в вузах. – 2003. – 9, – N 4. – С. 57-61.
6. Legge K. A., Petrolito J. The use of models in problems of energy conservation. Amer. J. Phys. – 2004. – 72, – N 4. – С. 436-438.
7. Плесовский А. С. Еще раз об аналогии при изучении колебательных систем. Физ. в шк. – 2001. – N 3. – С. 23-28.
8. Корогодина Е. В. Методические проблемы преподавания законов сохранения в механике Необратимые процессы в природе и технике : Труды 4 Всероссийской конференции, Москва, 29-31 янв., 2007. Ч. 2. – М., 2007. – С. 603-605.
9. Князев А. А. О понятии энергии: в школе, в университете и в жизни. Вопросы прикладной физики : Межвузовский научный сборник. Вып. 13 / Сарат. гос. ун-т. – Саратов, 2006. – С. 30-37.