Технологии конструирования физических задач по молекулярной физике

Разумеется, приведенная в таблице 1 классификация графических задач не является окончательной. Можно представить и другие виды графических задач:1. Определение физической величины по площади ограниченной графиками. Например, в задачах, где требуется найти работу совершенную идеальным газом. 2. Вычисление по графику и семейству графиков третью величину. Например, по диаграмме определить температуру идеального газа. К наиболее сложным задачам относятся задачи, в которых требуется определить искомую величину посредством вычисления площади под графиком, отображающего процесс. Подобные задания выполняют не более половины тестируемых учащихся [13].Рассмотрим некоторые из таких задач.Одноатомный идеальный газ неизменной массы совершает циклический процесс (Рис. 20). За цикл от нагревателя газ получает количество теплоты кДж. Чему равна работа газа за цикл[14]?Рис. 20. Циклический процесс, совершаемый одноатомным идеальным газом [12].Решение. Суммарное количество теплоты равно: (2.1)Рассмотрим стадию 1-2. На стадии 1-2 совершается изобарный процесс с давлением . Запишем первый закон термодинамикидля стадии 1-2:(2.2)где - полученное количество теплоты на стадии 1-2; - изменение внутренней энергии газа; - число степеней свободы для одноатомного идеального газа; - изменение температуры газа.Для изобарного процесса выполняется закон Гей-Люссака:(2.3)Поэтому, (2.4)Отсюда получаем,(2.5) или с учетом того, что имеем(2.6)Таким образом, подставляя (2.5) в (2.2), окончательно получаем: (2.7)Далее рассмотрим стадию 3-1. На стадии 3-1 совершается изохорный процесс, для которого закон сохранения энергии принимает следующий вид: (2.8)Уравнение состояниягаза в точках 3 и 1 имеют следующий вид:(2.9)Отсюда, подставляя (2.9) в (2.8), находим: (2.10)Работа, совершенная за весь цикл, равна(2.11)Подставляя в (2.7) и (2.10)в (2.2), с учетом условия задачи, находим : (2.12)Подставляя (2.12) в (2.11), окончательно получаем: (2.13)Только 30 % тестируемых смогли записать необходимые формулы для решения указанной задачи. Полностью же справились с решением только 4 % тестируемых. Таким образом, в решении графических задач аналитико-синтетических метод занимает такое же важное место, как и в решении вычислительных задач. Задача: рекомендуется использовать графическийпакет ORIGIN.Построить разностную схему и разностные уравнения. Написать алгоритм решения дифференциальных уравнений:Задается угол смачивания 0<ϕ<π. 5. Задается объем капли Vk.Организуется цикл. Подбирается начальный радиус R, по нему вычисляется V(R), затем решается уравнение V(R) = VkОтладить программу на языке Бейсик и Паскаль согласно алгоритму.Провести исследование формы капли жидкости в зависимости отплотности, смачиваемости.Результаты моделирования.Результаты вычисленийпо замерзаниюкаплистечениемвременипредставленынарис.21.ЗдесьпоосиабсциссотложенызначенияN,дляполучениярадиусакаплинужноумножитьнатолщинуслоя.2.5 Технологии конструирования экспериментальных задач по молекулярной физикеОсновная особенность экспериментальных задач, как было упомянуто выше, перед остальными типами физических задач заключается в том, что последние допускают формальное решение, тогда как экспериментальные задачи невозможно решить без понимания изучаемого физического процесса или явления. Следует также обратить внимания, что многие экспериментальные задачи являются задачами с недостающими или избыточными данными. Технология экспериментальных задач представляет собой программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить опыты без непосредственного контакта с реальной установкой или при полном ее отсутствии.По сравнению с традиционными работами виртуальныеимеют ряд преимуществ. Появляется возможность моделирования процессов, протекание которых недоступно в обыденных условиях. В частности, большинство работ по молекулярной физике и термодинамике представляют собой закрытые системы, на выходе которых измеряется некоторый набор электрических величин, из которых затем с помощью уравнений электродинамики и термодинамики рассчитываются искомые величины. Все молекулярно-кинетические и термодинамические процессы, происходящие в опыте, при этом остаются недоступными для наблюдения. В ходе выполнения виртуальных использовании технологий при решении экспериментальных задачахобучающиеся могут с помощью анимированных моделей наблюдать динамические иллюстрации изучаемых физических явлений и процессов, недоступных для наблюдения в реальном эксперименте, при этом одновременно с ходом эксперимента наблюдать графическое построение соответствующих зависимостей физических величин. Нет необходимости покупать дорогостоящее оборудование и опасные материалы. Использование специальных программ позволяет более наглядно рассмотреть физических процессы. Еще одно преимущество использование технологии конструирования при решении экспериментальных задач заключается в безопасности.Задача: определение универсальной газовой постоянной с помощью виртуальной экспериментальной установки. Для определения газовой постоянной предназначена модель экспериментальной установки, общий вид которой показан на рис. 22Рис.22 – экспериментальная установка1. Ознакомиться с экспериментальной установкой и подготовить ее к работе. 2. Выбрать газ. 3. Установить параметры газа t, V. 4. Определите массу мяча с газом m1 при давлении P1 с помощью электронных весов. 5. Перетащить мяч к компрессору и произвести закачку до давления P2. 6. Определите с помощью весов массу мяча с газом m2 при давлении P2. 7. Определите массу закаченного газа (m2–m1) и разность давлений (Р2–Р1) для каждого проведенного измерения. 8. Вычислите по формуле значение газовой постоянной для каждого проведенного измерения.2.6 Создание базы «Задачи по молекулярной физике»и способы её использованияКак упоминалось в предыдущей главе, современные компьютерные технологии позволяют создать интерактивные схемы различных физических процессов и явлений. Рассмотрим пять задач для обучающихся с использованием ИКТ. Программа GeoGebra. Найти работу идеального газа при расширении. Изменяя следующие параметры: начальный объем газа, конечный объем газа, количество вещества газа, температуру газа в изотермическом процессе. Задача применяется с целью рассмотрения графика, что будет происходить если изменить ту или иную величину; проверки работы. Программа Excel. Найти давление водорода массой 0,32 кг, занимающего объем 4м3 при комнатной температуре. Построить график зависимости давления идеального газа от его объема.Здесь же программа облегчит процесс подсчета численных данных, а также сразу выдаст график зависимости давления идеального газа от объема. СКМ Maxima. При температуре 320 К средняя квадратичная скорость молекулы кислорода 500 м/с. Определить массу молекулы кислорода.Программа позволит сократить время на вычет искомой величины, а также возможность применять ее, как метод проверки решения. СКМ Maxima. Построить график изотермического процесса, происходящего при температуре 20 °С, если произведение давления на объем рV=8 Н·м (график построить в координатах р,V; V,t; p,t)Графические возможности данной программы позволяют получить его моментально при введении верной функции, изменить величины, если требуется без трудностей.Выполнить виртуальную лабораторную работу «Проверка закона изотермического процесса Бойля-Мариотта».(рис. 23) URL-ссылка «http://mediadidaktika.ru/mod/page/view.php?id=356»остьРис.23 – виртуальная лабораторная работы.Возможность использовать виртуальную лабораторную намного облегчает процесс обучения, в частности, при дистанционном обучении. Не все лаборантские оборудованы достаточным количеством лабораторными приборами, поэтому данная альтернатива отлично подойдет. Использование базы виртуальных задач по молекулярной физике имеет очень важное педагогическое значение, поскольку позволяет учащимся самостоятельно изменять данные, входящие в условие задачи, что способствует более глубокому усвоению учебного материала. Физические задачи разного типа являются основой для формирования физического и научного мировоззрения учеников. Проведенный общий анализ формирования сборников задач по молекулярной физике указывает на недостаточное внимание, уделяемое в школьном курсе графическим и экспериментальным задачам, а также виртуальным задачам. Использование в учебном курсе графических, экспериментальных, виртуальных задач позволяет учащимся овладеть целым комплексом учебных навыков и умений, освоить основные и компьютерные методы решения физических задач. Итак, в этой главе были рассмотрены основные принципы конструирования задач по молекулярной физике и особенности графических и экспериментальных задач по молекулярной физике. Показано, что основой конструирования задач по молекулярной физике является аналитико-синтетический метод. Основной особенностью графических задач является наглядное представление физических процессов и явлений.Основной особенностью экспериментальных задач является возможность изменять исходные данные в задаче, а также самостоятельно определять данные, необходимые для получения решения задачи.ЗаключениеВ данном исследовании представлена следующая классификация задач по молекулярной физике:- качественные задачи;- количественные задачи;- графические задачи;- экспериментальные задачи. Все типы задач по молекулярной физике базируются на аналитико-синтетическом методе. Из всех типов представленных задач особое внимание необходимо уделить графическим и экспериментальным задачам, поскольку им уделяется недостаточно внимания в школьном курсе физике. Графические задачи подразделяются на задачи с табличными данными, функциональными зависимостями, измерениями и наблюдениями, графическое представление физических процессов, аналитическими зависимостями в графическом виде, нахождение физических величин по графику. Особую трудность вызывают графические задачи, в которых необходимо определить физическую величину через площадь под графикос процесса. Важной особенностью графических задач является наглядное представление изучаемого физического процесса.Экспериментальные задачи подразделяются на задачи, в которых требуется извлечь данные из эксперимента и сделать экспериментальную проверку расчетов. Также основной особенностью экспериментальных задач является возможность самостоятельно определять, какие данные необходимы для решения задачи.Отличительной особенностью компьютерных задач по молекулярной физике является возможность самостоятельно задавать и изменять исходные данные и наглядно наблюдать динамику физического процесса. Основными элементами компьютерного моделирования физических процессов являются точка, линия, вектор, функция. Список литературы1. Ромашин С.Н. Качественные задания по физике: Качественные задания для подготовки к ЕГЭ и ОГЭ по физике / С.Н. Ромашин. – Орел. – 2017. – С. 8. 2. Молекулярная физика задачи с решением[Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://lfirmal.com/reshenie-zadach-po-molekulyarnoy-fizike/ (дата обращения 27.11.2021).3. Полицинский, Е.В. Задачи и задания по физике: Мнтоды решения задач и организация деятельности по их решению / Е.В. Полицинский, Е.П. Теслеева, Е.А. Румбешта. – Томск: Изд-во Томского политехнического ун-тета. – 2011. – С. 7-22.4. Абросимов Б.Ф. Физика. Способы и методы решения задач: учебно-методическое пособие / Б.Ф. Абросимов. – М.: Экзамен. – 2006. – 288 с.5. Матюшкин А.М. Проблемные ситуации в мышлении и обучении / А.М. Матюшкин. – М.: Педагогика. – 1972. – 196 с.6. Сохар А.М. Логическая структура учебного материала. Вопросы дидактического анализа / А.М. Сохар. – М.: Педагогика. – 1974. – 192 с.7. Богдан, В.И. Практикум по методике решения физических задач / В.И. Бондан[и др.]. – М.: Высшая школа. – 1983. – 272 с. 8. Ю.И. Богатырева, Д.В. Шахаева. О применении виртуального эксперимента по физике в основной школе // Научные ведомости Белгородского университета. Серия: Гуманитарные науки. – 2016. - № 7(228). – вып. 29. – С. 191-197. 9. Бутиков Е.И.Лаборатория компьютерного моделирования //Журнал «Компьютерные инструменты в образовании». Информатизация образования. - 1999. –С.26.10. Баяндин Д.В.Модельный компьютерный эксперимент в курсе физики. Активная обучающая среда «Виртуальная физика» // Современный физический практикум: сб. тезисов докладов 7-й учебно-методической конференции стран Содружества «Современный физический практикум». –М.:Издательский дом МФО, 2002. –310 с.11. Моделирование схем в программе Multisim[Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://www.sxemotehnika.ru/zhurnal/modelirovanie-skhem-v-programme-multisim.html (дата обращения 27.11.2021).12. Бутырский Г.А. Классификация графических задач по физике и проблемы обучения их решению [Электронный ресурс]. – Режим доступа:https://cyberleninka.ru/article/n/klassifikatsiya-graficheskih-zadach-po-fizike-i-problemy-obucheniya-ih-resheniyu/viewer (дата обращения 27.11.2021).13. Аналитический отчет по результатам ЕГЭ по физике за 2009 г. // Физика в школе. – 2010. - № 1. – С. 10. 14. GeoGebraforTeachingandLearningMath [Электронныйресурс]. – Режимдоступа: https://www.geogebra.org/ (дата обращения 27.11.2021).15. Интерактивная модель «Работа идеального газа в изотермическом процессе»[Электронныйресурс]. – Режимдоступа:http://school-physics.spb.ru/tiki-index.php?page=virt_thermodynamics_isothermal&structure=virtual+lab (дата обращения 27.11.2021).