Моделирование физических процессов конспект
Обновлено: 06.07.2024
Применение в школьном курсе физики моделирования как метода учебного познания является одной из основных задач школьного физического образования, поскольку способствует становлению правильных представлений о современной научной картине мира, формированию научного мировоззрения, развитию творческого мышления, а также позволяет учащимся проводить на своём уровне научные исследования явлений, процессов, объектов. Задачи предлагаемого курса: формирование научного мировоззрения учащихся; ознакомление их со становлением и развитием понятий модели и метода моделирования в физике путём анализа фрагментов работ классиков физики (работа с хрестоматийным материалом, специально подготовленными дидактическими материалами), литературы по истории физики; овладение учащимися деятельностью моделирования путём разработки и конструирования различных видов моделей.
1. Введение. Познание окружающего мира. Методы познания в науке физике. Значение метода моделирования в научном познании.
2. Моделирование как общенаучный метод познания. Применение метода моделирования в физике, биологии, астрономии, математике и других науках. Значение метода моделирования в естественных и гуманитарных науках.
3. Модели и моделирование как метод познания в физике. Понятие модели. История развития понятий модель и моделирование. Значение моделирования в физике. Виды моделей. Функции моделей в познании. Этапы процесса моделирования. Материальные модели и модельный эксперимент. Мысленные модели и мысленный эксперимент.
4. Моделирование физических объектов, явлений и процессов. Модели в структуре физического эксперимента. Компьютерное моделирование и его применение в физике. Лабораторный практикум по моделированию физических объектов, явлений, процессов.
5. Заключительное (зачётное) занятие. Защита проектов созданных моделей физических объектов, явлений, процессов.
Варианты тематического планирования
Содержание и методика проведения занятий
На вводной лекции учитель знакомит с понятием метод познания, даёт представление о познании окружающего мира, а также о таких методах познания природы, как наблюдение, физический эксперимент, моделирование, аналогия, идеализация, абстрагирование и др. На конкретных примерах показывает значимость методов познания в науке. В конце лекции предлагает учащимся письменно выполнить задания:
1. Сопоставьте позиции, приведённые в двух колонках:
а) Получение знаний о внешних сторонах, свойствах и признаках рассматриваемого объекта;
б) исследование явлений действительности в контролируемых и управляемых условиях;
2. Сопоставьте позиции, приведённые в двух колонках:
4. Мысленный эксперимент.
б) опыты Фарадея;
в) эксперимент А.Эйнштейна об относительности одновременности;
г) рассуждения Г.Галилея о свободном падении тел;
д) идеальный цикл Карно;
е) опыты Г.Гальвани;
ж) опыты А.Беккереля;
3. Какие из нижеперечисленных методов познания являются теоретическими? эмпирическими?
а) Реальный физический эксперимент;
д) мысленный эксперимент;
ж) индуктивное обобщение;
1. Использовал мысленные модели в числе основных логических и методологических приёмов.
2. Сформулировал принципы теории подобия как количественной основы физического моделирования.
1. Использовал мысленные модели для описания и объяснения природы явлений (свет, электричество, тяготение).
2. Строил гипотезы на основе наглядных моделей.
3. Положил начало моделированию как методу теоретического исследования.
4. Сформулировал две теоремы подобия.
1. Создал первые модели: электродвигателя, трансформатора, униполярной динамо-машины.
2. Впервые пришёл к представлению о некотором элементарном заряде, связанном с атомами вещества.
3. Констатировал, что явление самоиндукции аналогично явлению инерции в механике.
4. Ввёл способ изображения магнитного поля с помощью силовых линий.
1. Ввёл в физику и в явном виде использовал модели-аналогии.
2. Чётко сформулировал метод физической аналогии, обобщённый в дальнейшем как метод математического моделирования.
3. Дал формулировку метода моделирования как одного из общих методов познания.
1. Дал формулировку второго начала термодинамики, ввёл понятие о вечном двигателе второго рода.
2. Ввёл абсолютную шкалу температур.
1. Выдвинул гипотезу сокращения (сокращение длины тела).
2. Сформулировал принцип относительности первого порядка.
3. Написал преобразования (преобразования Лоренца), сформулировал гипотезу об уравнениях преобразования координат и времени.
4. Ввёл модель неподвижного эфира.
1. Использовал метод моделирования для объяснения строения атома.
1. Обосновал соотношение между массой и энергией с помощью мысленного эксперимента.
1. Использовал метод моделирования для объяснения строения атома.
2. Создал квантовую модель атома.
1. Сопоставьте позиции, приведённые в двух колонках:
1. Образные (иконические).
2. Знаковые (символические).
3. Пространственно подобные.
а) Пространственные модели молекул;
б) график скорости движения тела;
в) материальная точка;
г) математическая запись закона Ампера;
2. Какие из приведённых ниже объектов являются идеализациями? моделями?
а) пружинный маятник;
б) материальная точка;
в) абсолютно чёрное тело;
д) изолированная механическая система;
е) точечный электрический заряд;
ж) математический маятник.
3. Укажите последовательность перечисленных ниже этапов моделирования: перенос знаний с модели на оригинал; выбор или создание модели; проверка истинности полученных посредством модели данных о моделируемом объекте и включение их в систему знаний об оригинале; исследование модели; выбор предмета моделирования и постановка задачи.
4. Сопоставьте позиции в двух колонках:
1. Образные (иконические).
2. Знаковые (символьные).
3. Пространственно подобные.
4. Физически подобные.
а) Модель идеального газа;
б) идеальный цикл Карно;
в) модель атома Резерфорда–Бора;
г) абсолютно упругое тело;
д) гидродинамическая аналогия Максвелла;
е) физические формулы;
ж) пространственные модели молекул;
з) материальная точка;
и) капельная модель ядра;
Схема 1: структура реального эксперимента
Схема 2: структура модельного эксперимента
Схема 3: структура реального эксперимента, осуществляемого в определённых условиях
Схема 4: структура модельного эксперимента, осуществляемого в определённых условиях
Условные обозначения: М.О. – модель объекта изучения; М.У. – модельные условия; О. – изучаемый объект; Пр. – приборы; Э. – экспериментатор; Э.С. – средства экспериментального исследования; У. – условия.
Таблица 2. Перечень физических объектов, явлений, процессов для создания моделей
– выполнение модельного эксперимента с предложенными моделями (работа в группах по 2–3 человека) и письменное выполнение заданий: определить вид модели, выделить существенные свойства, функции модели, кратко описать содержание каждого этапа модельного эксперимента при работе с данной моделью;
На дом учащиеся получают задание изготовить модели, которые могут быть использованы в модельном физическом эксперименте.
Материал для подготовки: [3, 4].
Материал для подготовки: [6–9].
Важное место в спецкурсе отводится лабораторному практикуму по моделированию физических объектов, явлений и процессов. Оборудование в основном типовое, но в отдельных случаях может быть изготовлено на занятиях силами школьников. При наличии компьютерного класса большая часть занятий лабораторного практикума проводится с использованием компьютеров.
Литература
1. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. – М.: Просвещение, 1982.
2. Спасский Б.И. Физика в её развитии. – М.: Просвещение, 1979.
3. Белошапка В.К. Информационное моделирование в приерах и задачах. – Омск, 1992.
4. Голин Г.М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы. – М.: Просвещение, 1987.
5. Хрестоматия по физике: Учеб. пособие для уч-ся 8–10 кл. сред. шк./Под ред. Б.И.Спасско
Предмет: Информатика и ИКТ. 1 курс. Отделение: Физическая культура.
| Вложение | Размер |
|---|---|
| konspekt.docx | 891.1 КБ |
Предварительный просмотр:
Конспект открытого урока
Моделирование физических процессов.
Проведение исследования на основе построенной компьютерной модели
ПЦК преподавателей математики и информатики
Дата проведения: 8 ноября 2013 г.
Раздел: Информация и информационные процессы
Тема: Моделирование физических процессов.
Проведение исследования на основе построенной компьютерной модели
образовательные: формирование и развитие знаний об этапах создания моделей на компьютере;
формирование и развитие умений создания моделей на примере решения задачи моделирования физического процесса;
развивающая: развитие познавательного интереса, логического мышления, речи и внимания учащихся, формирование информационной культуры и потребности приобретения знаний;
воспитательная: привитие учащимся навыка самостоятельности в работе, воспитание трудолюбия, эстетического отношения к результатам своего труда.
Методы : информационно-развивающие, наглядные, действенно-практические
Оборудование : ПК по количеству студентов, мультимедийный проектор, рабочая тетрадь, раздаточный материал
Назовите и охарактеризуйте основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере
1 этап . Создание описательной информационной модели – выделение существенных параметров объекта.
2 этап. Создание формальной модели – определение в виде формул формальных соотношений между начальными и конечными значениями параметров, ограничений на допустимые значения.
3 этап . Создание компьютерной модели – использование языка программирования для расчетов или компьютерной технологии (приложения) для расчетов или визуализации формальной модели.
4 этап. Выполнение компьютерного эксперимента – получение результата для введенных данных.
5 этап . Анализ полученных данных и корректировка модели – изменение описательной или формальной модели, выбор другой компьютерной модели, если полученные при исследовании результаты не совпадают с реальными параметрами.
Вы будущие учителя физической культуры. А какую роль играют модели в вашей будущей профессии?
Сегодня мы с вами научимся строить и исследовать физические модели.
Исследование физических моделей
Постановка задачи :В процессе тренировок теннисистов используются автоматы по бросанию мячика в определенное место площадки. Необходимо задать автомату необходимую скорость и угол бросания мячика для попадания в мишень определенного размера, находящуюся на известном расстоянии.
1 этап. Создание описательной информационной модели
- ______________________________________________________________________
2 этап . Создание формальной модели
Мишень размещена на высоте-
и на расстоянии от автомата -
высота мячика над землёй -
3 этап . Создание компьютерной модели
Для проведения вычислений и построения траектории движения (графика) удобнее всего использовать_________________________________________________________
Технология заполнения таблицы и построения графика
В ячейку А5 заносим начальное значение времени: _________
В ячейку А6 формулу изменения времени _________________ протягиваем вниз (до ячейки А18)
В ячейку В5 заносим формулу для вычислениядальности полёта:
В ячейку С5 заносим формулу для вычисления высоты полёта:
Для построения графика выделяем диапазон ячеек _________
4 этап. Выполнение компьютерного эксперимента
Подберите угол бросания, который обеспечит попадание в мишень, находящуюся на расстоянии 32 м, при заданной начальной скорости 18 м/с.
Технология заполнения таблицы
Ввести в ячейки значения расстояния до мишени S=30 м, начальной скорости V0=18 м/сек иalfa = 35 градусов. Мишень находится на высоте 1 метр.
В ячейку В25 ввести формулу для вычисления высоты мячика над землей на расстоянии для заданных начальных условий: L=S*TAN(alfa)-G*S 2 /(2*V0 2 *COS 2 (alfa))
На появившейся диалоговой панели ввести в поле Значения : наименьшую высоту попадания в мишень (то есть 0). В поле Изменяя значение ячейки : ввести адрес ячейки, содержащей значение угла (в данном случае $B$23).
5 этап. Анализ полученных данных
Вывод: Таким образом, исследование компьютерной модели показало, что существует значение угла бросания ___________, которое обеспечивает попадание в мишень высотой _______м., находящуюся на расстоянии ________ м., мячиком, брошенным со скоростью ________м/сек.
IV. Подведение итогов – 2 мин.
Сегодня на уроке мы рассмотрели этапы создания моделей на компьютере, научились создавать компьютерные модели на примере решения задачи моделирования физического процесса.
V. Домашнее задание – 2 мин.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Обучающие: Формирование теоретических и практических навыков построения и исследования физических моделей с использованием системы программирования Delphi и электронной таблицы Excel .
Развивающие: систематизация знаний, формирование творческого мышления, способности анализировать и сравнивать.
Воспитательные: формирование нравственных отношений между собой, умение слушать и уважение к старшим, дисциплине, соблюдение правил техники безопасности.
Оборудование:
класс с персональными компьютерами,
экран с проектором,
раздаточный материал (алгоритм выполнения задания в электронной таблице Excel ),
демонстрационный материал (презентация в программе PowerPoint ).
Постановка цели на урок
Активизация знаний и мотивация учащихся
Демонстрация и объяснение нового материала
Практическая работа учащихся
Оценка работ учащихся
Организационная часть
Постановка цели на урок
На предыдущих уроках вы уже познакомились с такими понятиями, как модель, моделирование, формализация. Вы уже знаете, для каких целей используют модели, и какие бывают модели. Сегодня мы продолжим наше знакомство с моделями и моделированием. А заниматься мы будем моделированием физического процесса, с которым вы уже знакомы из курса физики. Но перед тем как мы приступим к изучению нового материала, мне бы хотелось проверить, как вы усвоили предыдущий материал.
Основная часть.
Активизация знаний и мотивация учащихся
Ответьте на следующие вопросы:
Дайте определение понятию модель. (ответ: Модель - это некий новый объект, который отражает существенные признаки изучаемого объекта, явления, процесса.)
Дайте определение понятию моделирование. (ответ: Моделирование – это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.)
Может ли объект иметь несколько моделей? (ответ: Один и тот же объект может иметь множество моделей. Можно одну и ту же модель представить и с помощью среды программирования и с помощью электронной таблицы)
Могут ли разные объекты описываться одной и той же моделью?(ответ: Разные объекты могут описываться одной моделью. (Равноускоренное движение характерно и для человека и для автомобиля и для самолета)
Какие бывают модели? (ответ: Все модели можно разбить на два больших класса: модели материальные и модели информационные (глобус – материальная, таблица Менделеева – информационная)
Что такое формализация? (ответ: Процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков называется формализацией. В процессе исследования формальных моделей часто производится их визуализация. Для визуализации алгоритмов используются блок-схемы; пространственных соотношений между объектами – чертежи, моделей электрических цепей – электрические схемы, логических моделей устройств – логические схемы и так далее.
Назовите основные этапы разработки информационных моделей на компьютере. (ответ: Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере:
Строится описательная модель
Строится формализованная модель
Преобразование формализованной информационной модели в компьютерную модель
Проведение компьютерного эксперимента
Анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели)
Демонстрация и объяснение нового материала
Итак, мы вспомнили основные понятия, связанные с моделированием и готовы к следующему этапу. На сегодняшнем уроке мы попытаемся создать различные модели одного итого же физического процесса.
Рассмотрим процесс построения и исследования модели на конкретном примере движения тела, брошенного под углом к горизонту.
Содержательная постановка задачи . В процессе трениро вок теннисистов используются автоматы по бросанию мячика в определенное место площадки. Необходимо задать авто мату необходимую скорость и угол бросания мячика для попадания в мишень определенного размера, находящуюся на известном расстоянии.
Качественная описательная модель . Сначала построим качественную описательную модель процесса движения тела с использованием физических объектов, понятий и законов, т о есть в данном случае идеализированную модель движен ия объекта. Из условия задачи можно сформулировать следу ющие основные предположения:
мячик мал по сравнению с Землей, поэтому его можно считать материальной точкой;
изменение высоты мячика мало, поэтому ускорение сво бодного падения можно считать постоянной величиной g = 9,8 м/с 2 и движение по оси OY можно считать равноу скоренным;
скорость бросания тела мала, поэтому сопротивлением воздуха можно пренебречь и движение по оси ОХ можно считать равномерным.
Формальная модель . Для формализации модели обозначим величины:
v 0 – начальная скорость мячика;
a – угол бросания мячика
h - высота стенки
s - расстояние до стенки
Используем известные из курса физики формулы равномерного и равноускоренного движения. При заданных начальной скорости v о и угле бросания, а значения координат дальности полета х и высоты у от времени можно описать следующими формулами :
х = v 0 • cos a • t ;
у = v 0 • sin a • t – g • t 2 /2.
Пусть мишень высотой h будет размещаться на расстоянии s от автомата. Из первой формулы выражаем время, которое понадобится мячику, чтобы преодолеть расстояние s :
t = s /( v 0 • cos a ).
Подставляем это значение для t в формулу для у . Получаем L — высоту мячика над землей на расстоянии s :
L = s • tg a - g • s 2 /(2 • v 0 2 • cos 2 a ).
Формализуем теперь условие попадания мячика в мишень. Попадание произойдет, если значение высоты L мячика будет удовлетворять условию в форме неравенства :
О L h .
Эта презентация очень поможет в понятие что же такое физимческое моделирование.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ЯВЛЕНИЙ – ЦЕЛИ, МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ
Моделирование как познавательный приём неотделимо от развития знания. Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе, построение и использование моделей является мощным орудием познания.
Моделирование физическое - вид моделирования, который состоит в замене изучения некоторого объекта или явления экспериментальным исследованием его модели, имеющей ту же физическую природу.
Понятие физического моделирования
К физическому моделированию прибегают не только по экономическим соображениям, но и потому, что натурные испытания очень трудно или вообще невозможно осуществить, когда слишком велики (малы) размеры натурного объекта или значения других его характеристик.
Моделирование как средство экспериментального исследования
Для модельного экспеpимента хаpактеpны следующие основные операции:
Три уровня абстракции, на которых может осуществляться моделирование:
В модели реализованы двоякого pода знания:
Моделирование — не только одно из средств отображения явлений и процессов реального мира, но и — несмотря на описанную выше его относительность — объективный практический критерий проверки истинности наших знаний, осуществляемой непосредственно или с помощью установления их отношения с другой теорией, выступающей в качестве модели, адекватность которой считается практически обоснованной.
Человек издавна использует моделирование для исследования объектов, процессов, явлений в различных областях. Результаты этих исследований служат для определения и улучшения характеристик реальных объектов и процессов; для понимания сути явлений и выработки умения приспосабливаться или управлять ими; для конструирования новых объектов или модернизации старых. Моделирование помогает человеку принимать обоснованные и продуманные решения, предвидеть последствия своей деятельности. [1]
Физика, как учебная дисциплина, предоставляет наиболее широкий спектр применения ЭВТ в качестве средства обучения. Это моделирование физических процессов (демонстрационное и лабораторное), обучающие системы, компьютерный контроль, тренажеры, генераторы индивидуальных заданий при решении задач. Также это могут быть справочно-информационные системы, системы управления экспериментом и, наконец, проведение различных расчетов (в частности, при обработке результатов лабораторного практикума). [2]
Использование компьютера как инструмента учебной деятельности дает возможность переосмыслить традиционные подходы к изучению многих вопросов естественнонаучных дисциплин, усилить экспериментальную деятельность, приблизить процесс обучения к реальному процессу познания, основанному на технологии моделирования. [3]
Решение задач из различных областей деятельности человека на компьютере базируются не только на знаниях технологии моделирования, но, естественно, и на знаниях данной предметной области. Создание компьютерных моделей физических явлений и процессов является одной из эффективных форм реализации практической и исследовательской деятельности учащихся.
Рассмотрим моделирование построения изображения в собирающей и рассеивающей линзе.
Собирающая линза. В средней части толще и отклоняет лучи к оптической оси, если показатель преломления линзы больше показателя преломления среды (рис. 1).
Рис. 1. Собирающая линза
(1)
находим расстояние от предмета до линзы:
(2)
расстояние от линзы до изображения:
(3)
здесь d — расстояние от предмета до линзы;
f — расстояние от линзы до изображения
Для нахождения высоты изображения используем формулу (1), выразим из нее h.
(4)
где H — высота предмета,
d — расстояние от линзы до предмета,
f — расстояние от линзы до изображения.
Таким образом, что бы найти расстояние от линзы до изображения необходимо воспользоваться формулой (3), а для нахождения высоты изображения формулой (4).
Рассеивающая линза (рис. 2). Формулу рассеивающей линзы можно получить из формулы (1). Для этого условимся считать положительными величины d (от предмета до линзы), f (от линзы до изображения) и F (от линзы до фокуса), если они направлены в сторону падающих лучей. Тогда в формуле (1) для собирающей линзы все члены положительны, для рассеивающей — расстояние от предмета до линзы положительно, d > 0, а расстояния от линзы до изображения и до фокуса отрицательны (f Подпишитесь на нашу рассылку: Подписаться
Читайте также: