Физикалық эксперементтік есептерді компьютерлік бағдарламалар көмегімен модельдеу

Физикалық эксперементтік есептерді компьютерлік
бағдарламалар көмегімен модельдеу
Физикалық есептер шығару әдісіне баланысты: сапалық, есептеу, эксперименттік, графиктік деп жіктеледі. Соның ішінде эксперименттік есептерді шығару барысында оқушының пәнге деген қызығушылығын артып, бақылағыштығы мен құрастырғыштық қабілеттері дамып, құрал жабдықтармен жұмыс істеу дағдылары мен икемділіктерін жетілдіруге мол мүмкіндік алады.
Физикалық құбылыстардың негізін ұғыну, түсініктерді, теорияны игеру процесі әр оқушыда бірдей жүрмейді. Оқыған материалды біреулер тез игереді, енді біреулеріне ой қорытуына және есіне сақтауына көп уақыт қажет. Ал оқушылар көзбен көрген құбылыстарды естеріне жақсырақ сақтайды.
Білімді игерудің нәтижелілігі таным үрдісіне адамның әр түрлі сезім мүшелерінің іске қосылуы және нақты заттар мен құбылыстарға бетпе-бет келгенде оны сезіну, көре білу және қабылдау арқылы артады. Бұл жағдайда физикалық эксперементтің маңызы зор.
Физика сабақтарында оқушылардың эксперементтік жұмыс дағдысын, шығармашалақ қабілетін арттыруға болады.
Эксперементтік есептерді шешу тәсілдері оларды шешудегі эксперементтік жұмыстың қойылуына тәуелді. Эксперементтік есептерде есепті шешу және талдау қажет болады. Егер есепті шешу үшін қажетті шамалар тәжірибе нәтижесінде алынса, онда эксперементті қою және өлшеу лер жүргізу маңызды. Эксперементтік есептердің басқа түрлерінде алдымен есепті шығарып алып соңынан эксперемент қойылып нәтижесімен салыстырылады.
Алайда, жоғарғы сыныптардағы <<Атом физикасы>>, <<Оптика>>, <<Электродинамика>> бөліміндегі эксперементтік есептерді шешу үшін құралдар, зертханалық кабинеттің жабдықталуы талапқа сайболмаған жағдайлар кездесіп жататыны баршамызға аян. Мұндай мәселе туындап тұрғанда бейнефильмдік эксперименттік тапсырмалар, эксперименттік компьютерлік модельдік бағдарламалар, инженерлік пакеттерді, электрондық оқулықтардағы зертханалық жұмыстарды қолданған өте тиімді. Мұндай бағдарламалық жинақтар экологиялық жағынан таза, экономикалық жағынан тиімді және техникалық қауіпсіздігі жоғары.
Есеп түріндегі эксперементтік тапсырмаларды шешу және жазу келесі элементтерден тұрады: есептің қойылуы, шарттарды талдау, өлшеулер жүргізу, есептеулер, тәжірибеден тексеру.
Мысалдар қарастырайық:
№1. Мысал. Оптика бөліміндегі жинағаш линзадан кескін алу кезінде мынадай тапсырмалар қойылды делік:
1.Нәрсе жинағыш линза мен бас фокус арасында орналасқан кездегі кескін.
2.Нәрсе жинағыш линзаның дәл бас фокусында орналасқан кездегі кескін.
3.Нәрсе жинағыш линың 2 фокусынан тысқары орналасқан кездегі кескін.
Есептің қойылуы. Қолданылатын компютерлік модель: Жинағыш линзадан қандай кескін алынатындығын анықтау керек.
Берілген есептің шартына сәйкес суретін салып, астына сұрағын қою арқылы жазса да болады. Сосын анализ жасайды, есепті шешу үшін қандай өлшеулер жүргізі керектігін анықтайды.
Талдау. Линзада кескін алу үшін керекті сәулелер: 1) Бас оптикалық центр арқылы өтетін сәулелер - линзадан өткенсоң бағытын өзгертпейді. 2) Бас оптикалық өське параллель сәулелер - жинағыш линзадан өткен соң бас фокусты қиып өтеді.
Өлшеулер. Нәрсе мен кескіннің ұзындығын сызғышпен өлшейміз. Тура немесе төңкерілген, шын немесе жалған кескін алынғанына назар аударамыз.
Тәжірибелік тексеру. Компютерлік модельдің жұмыс парағын ашып, нәрсені берілген тапсырмалардағы шартқа сәйкес орналастырып, алынған нәтижелермен салыстырамыз.
Сонымен қойылған тапсырмалардың компьютерлік бағдарлама көмегімен алынған нәтижесі 1 тапсырма (1а-суретте), 2 тапсырма (1 б-суретте), 3 тапсырма (1 в-суретте)

1 а-сурет 1 б-сурет

1в-сурет

№2. Мысал. Тізбектің АВ бөлігіндегі толық кедергіні анықтаңыз.

1
2
5

3
4

Есептің қойылуы. Қолданылатын компютерлік модель: Тізбектің АВ бөлігіндегі толық кедергіні анықтау керек. Мұндағы: R1=7Ом, R2=3Ом, R3=28Ом, R4=12Ом, R5=14Ом.
Берілген есептің шартына сәйкес суретін салып, астына сұрағын қою арқылы жазса да болады. Сосын анализ жасайды, есепті шешу үшін қандай өлшеулер жүргізі керектігін анықтайды.
Талдау.
Есептеулер. R1 мен R2 өзара тізбектей жалғанған:

R1,2=R1+R2=7Ом+3Ом=10Ом

R3 мен R4 өзара тізбектей жалғанған: R3,4=R3+R4=28Ом+12Ом=40Ом

R1,2 мен R3,4 өзара параллель жалғанған:

Rж=R1,2∙R3,4R1,2+R3,4=10Ом∙40Ом10Ом+40Ом=8Ом

Тәжірибелік тексеру. Компютерлік модельдің жұмыс парағын ашып, сұлба бойынша тізбекті құрастырамыз, алынған нәтижелермен салыстырамыз.
Сонымен қойылған тапсырмалардың компьютерлік бағдарлама көмегімен алынған нәтижесі
№3. Мысал. Бордың атом моделіне сәйкес сутегі атомының бірінші және екінші энергетикалық дейгейлеріне сәйкес энергиясын анықтаңыз.
Есептің қойылуы. Қолданылатын компютерлік модель: Бордың атом моделіне сәйкес сутегі атомының бірінші және екінші энергетикалық дейгейлеріне сәйкес энергиясын анықтаңыз.

Берілген есептің шартына сәйкес суретін салып, астына сұрағын қою арқылы жазса да болады. Сосын анализ жасайды, есепті шешу үшін қандай формулалар қолданылатынын анықтайды.
Талдау. Сутегі атомының k - ші тұрақты орбита бойымен қозғалған электрон энергиясы оның кинетикалық және потенциялдық энергияларының қосындысына тең:
Ek=-qe24PIε0rk+me ϑk22
Бор постулатына сәйкес электрон орбитасының радиусымен жылдамдығы арасындағы байланыс:
meϑkrk=kh2PI
Атомдағы электронға кулон күші әсер етіп Ньютонның екінші заңы былайша өрнектеледі:
F=mea
мұндағы:
a= ϑk2rk F=1 4PIε0qe2rk2
орындарына қойсақ:

me ϑk2rk=1 4PIε0qe2rk2

Бұл теңдеуден me ϑk2 -ты тауып біірінші теңдеуге қоямыз, сонда Ek=-qe28PIε0rk

Жоғарыдағы теңдеулерден rk табамыз rk=h2ε0k2qe2mePI
Сонда: Ek=-meqe48ε02h21k2

Тұрақтылардың орнына мәндерін қойсақ:

Ek=-13,6k2 (эВ)

Есептеулер. бірінші энергетикалық дейгейіне сәйкес энергиясын Ek=-13,612=-13,6 (эВ)
екінші энергетикалық дейгейіне сәйкес энергиясынEk=-13,622=-3,40 (эВ)
Тәжірибелік тексеру. Компютерлік модельдің жұмыс парағын ашып алынған нәтижелермен салыстырамыз.
Сонымен қойылған тапсырмалардың компьютерлік бағдарлама көмегімен алынған нәтижесі

Сурет 1. Компьютерлік нұсқа

Сурет 2. Компьютерлік көрініс

Қорыта айтқанда физикалық эксперементтік есептерді компьютерлік бағдарламалар көмегімен модельдеу арқылы оқушылардың назарын физика пәніне аудартып қана қоймай, сонымен қатар табиғи құбылыстарды тереңірек ұғындыруға жол ашады.