Контроллер сбора аналоговой информации

 

Вступ

моделювання процесор фізика

На сучасному етапі розвитку інформаційно-комунікаційних технологій маємо великі можливості для підвищення якості навчального процесу. Адже компютер є універсальним для застосування у будь-якій сфері суспільного життя, а в освіті зокрема. Застосування ІКТ в навчальному процесі звільнює від існуючих обмежень.

Поява гіпертексту, електронних підручників, навчального програмного забезпечення робить компютер універсальним засобом пізнання та надає йому право замінити практично все лабораторне обладнання. Але для роботи з відповідними засобами потрібно зясувати їх призначення та доцільність використання під час занять.

Мова йде про компютерне моделювання. Вивчаючи фізику, можемо відмітити, що не всі явища, які вивчаються в шкільному курсі можна продемонструвати в реальних умовах. Це стосується таких явищ та дослідів, в яких використовуються шкідливі для здоровя речовини, дослідження швидкоплинного явища, потреба в спеціалізованому обладнанні тощо. Використовуючи компютер та програмне забезпечення можемо змоделювати і розглянути будь-яку ситуацію і наочно продемонструвати її. Це дуже зручно, урок фізики не зводиться до сухого викладу матеріалу, а підкріплюється наочністю.

Також за допомогою програмного забезпечення можна проводити складні обчислення, наприклад, під час виконання лабораторних робіт. Що значно спрощує виконання самої роботи та скорочує час її виконання.

Проте, як зазначається [16,47] надмірне захоплення технологічними аспектами компютерної реалізації засобів навчання набуває перманентного характеру і стимулює деяких вчителів і викладачів майже до повної відмови від традиційних технологій навчання. Компютер - це потужний, ефективний, проте лише засіб, інструмент для моделювання. Захоплення використання готових моделей загрожує передчасним розривом звязку виучуваного явища з дійсністю [16,48].

Виникає протиріччя між обєктивною необхідністю вивчати ці явища на моделях і відсутністю передумов здійснення цього [8,189].

Мета: створення компютерних моделей фізичних процесів у навчально-виховному процесі.

Обєкт: навчально-виховний процес фізики.

Предмет: компютерне моделювання як метод формування вмінь учнів на прикладі табличного процесора MS Excel.

Завдання:

1.Визначити етапи розробки проблеми в науково-методичній літературі.

2.Розкрити роль і місце моделювання у навчанні фізики.

.Здійснити та обґрунтувати вибір програмного забезпечення для навчання моделювання.

.Розробка лабораторних робіт з електростатики.



Компютерне моделювання як потужний засіб наукового пізнання. Аналіз стану розробки проблеми в літературі


Проблемі використання ІКТ та програмного забезпечення навчального призначення приділено значно уваги у наукових працях С. Семерікова, І. Теплицького, С. Ракова, С. Хазіної, О. Антикуз, П. Атаманчук, Ю. Рамського, В. Бикова, В. Руденко, Р. Гуревича, М. Каневської, М. Жалдака, В. Лапінського, Л. Панченко, В.Швець, С. Стадніченко, Т. Батаріної, М. Садового та ін.

Л.Панченко [11] пропонує послідовність математичного моделювання, без якого складно перекласти інформацію з математичної мови на мову програмування. Відповідно, на базі даної послідовності створення моделей можна створити модель будь-якого інформаційного процесу (передача даних, зберігання, кодування, декодування тощо).

Дослідження, проведені В.Швець [20], розкривають особливості використання табличного процесора EXCEL для обробки результатів лабораторних робіт з фізики для лінійних та нелінійних залежностей. Для прикладу наведено математичний метод найменших квадратів для лінійних залежностей. Автор стверджує, що використання табличного процесора EXCEL для обробки даних лабораторних робіт ознайомлює зі сучасними методами обробки експериментальної інформації, скорочує час на виконання власне самої роботи, підвищує рівень науковості навчального процесу, що не мало важливо. Як перспективою для подальших досліджень вказано, що низка програмних лабораторних робіт курсу фізики та фізичної хімії використовуються у вищій школі, можуть бути виконані за допомогою пакета EXCEL. Наприклад, такі роботи, як «Побудова вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода», «Визначення енергії активації хімічної реакції», «Перевірка закону Ома»,

У статті О.В. Антикуз [1] наведено приклад розвязання задачі з механіки за допомогою табличного редактора MS EXCEL. Обгрунтовано переваги табличного редактора, так як під час роботи в EXCEL необхідне знання відповідної формули чи ряду формул, значно скорочується час на обчислення та побудову графіків залежності величин, тим більше для аналізу даних і розвязування задач не вимагається знання мов програмування і складання програм з виведенням результатів.

С. Семеріков та І.Теплицький досліджували особливості моделювання механічних рухів у середовищі електронних таблиць, визначили доцільність компютерного моделювання фізичних процесів [14]. І.Теплицький навів можливі обмеження при застосуванні компютера у фізичному лабораторному експерименті [19]. Засобом моделювання обрано табличний процесор MS Excel. Наукова діяльність С.Хазіної [7] присвячено, компютерному моделюванню. Це є свідченням існування web-сайту «Компютерне моделювання». Матеріали, розміщені на сайті, присвячені комп'ютерному моделюванню фізичних явищ та процесів засобами різних програмних середовищ, зокрема таких, як GRAN, MS Excel, MS PowerPoint, Maxima, MathCAD, Macromedia Flash, 3dsMax, Delphi тощо.

Отже, як показано у вище розглянутих наукових працях, компютерного моделювання є актуальною проблемою, якою цікавиться досить велика кількість науковців. Моделювання розглядається як допоміжний метод при вивченні складних фізичних процесів і явищ.

Аналізуючи наукові праці, присвячені даній проблемі, можна визначити напрями застосування компютерного моделювання на уроках фізики:

·Моделювання фізичних явищ і процесів;

·Обробка експериментальних даних лабораторних робіт;

·Розвязування задач;

·Науково-дослідна робота учнів.

Моделювання у процесі вивчення фізики


Важко було б уявити будь-яке складне явище без його моделі, тобто імітації відповідного обєкта чи явища. Наприклад, глобус, який являється моделлю Землі, модель будинку, атома тощо. Найчастіше в ролі моделі виступає інший матеріальний або уявний обєкт, що замінює в процесі дослідження обєкт-оригінал.

Визначимо, що являє собою поняття «модель».

Моде?ль - опис об'єкта, предмета, явища або процесу <#"justify">Характерною рисою є можливість відтворення моделлі відповідно до завдань дослідження тих чи інших істотних властивостей, структур досліджуваного об'єкта, взаємозв'язків і відносин між його елементами. В процесі пізнання модель іде слідом за об'єктом, будучи певною його копією, а у відтворенні, конструванні, навпаки, об'єкт йде слідом за моделлю, копіюючи її.

Модель фіксує існуючий рівень пізнання про досліджуваний об'єкт. Неможливо створити універсальну модель, котра могла б відповісти на всі запитання, що викликають інтерес; кожна з них дає лише наближений опис явища, причому в різних моделях знаходять відображення різні його властивості. До моделювання звертаються тоді, коли досліджувати реальний об'єкт з усією сукупністю його властивостей недоцільно, незручно або неможливо.

Моделлю можуть бути будь-який обєкт, установка, явище або мислений образ, за допомогою яких вивчаються складніші обєкти. Моделі використовують тоді, коли безпосередньо дослідити відповідні обєкти-оригінали важко або й неможливо. В іншому випадку моделі використовуються для дослідження ще не існуючих обєктів.

При цьому дослідник має справу не з реальним обєктом, а з його моделлю. Результати дослідження моделі переносяться на реальний обєкт.

Залежно від критерію класифікації виділяють різні типи моделей. За способом подання усі вони поділяються на два великих класи: матеріальні та нематеріальні (інформаційні). Матеріальні - це реальні, фізично існуючі моделі. Матеріальні моделі є носієм хімічних, геометричних, фізичних та інших властивостей обєкта, процесу або явища. Приклад матеріального моделювання: дослідження аеродинамічних властивостей планера літака шляхом продування його макета в аеродинамічній трубі.

Досягнення фізики і техніки відкрили перспективи реалізації таких проектів, як освоєння космосу, створення ракетно-ядерного щита, оволодіння таємницями атомної енергії, пошук нових фундаментальних законів природи. Ці завдання не могли бути реалізовані традиційними методами, вони були попередньо «здійснені" в надрах ЕОМ за допомогою математичних модулів і лише потім - на практиці.

Став можливим обчислювальний експеримент. Він є доцільним тоді, коли натурний експеримент небезпечний, дорого коштує або його неможливо реалізувати. Він дає змогу, знаючи закони природи, отримати численні наслідки, які без допомоги компютера отримати неможливо.

Обчислювального експерименту є математичне моделювання, теоретичною базою - прикладна математика, а технічною - потужні компютери.

Класичною галуззю математичного моделювання є фізика. До недавніх часів у фізиці мікросвіту (у квантовій теорії поля) обчислюваний експеримент не застосовувався, але згодом фізики-теоретики прийшли до висновку, що процеси у мікросвіті є нелінійними, тому для їх дослідження необхідно використовувати чисельні методи і сучасні компютерні технології.

І це далеко не всі можливості застосування методу компютерного моделювання.

Отже, глибокий аналіз та комплексне дослідження процесів, що відбуваються у різноманітних технічних, біологічних та соціально-економічних системах, неможливі без їх моделювання, зокрема, компютерного. Таке моделювання дає змогу простежити перебіг подій у складних системах при різних комбінаціях зовнішніх та внутрішніх факторів, визначити оптимальну структуру таких систем тощо. Застосування сучасних компютерних технологій та відповідного програмного забезпечення значно прискорює такий аналіз і підвищує його якість [15].

Моделювання є потужним засобом наукового пізнання, воно потребує інтеграції знань із різних навчальних дисциплін і сприяє формуванню світогляду з позиції єдиного підходу до вивчення різноманітних явищ навколишнього світу. Воно є складовою науково-дослідної роботи і належить до тих видів інтелектуальної діяльності, які можна опанувати на основі власного досвіду і опрацювання спеціальної літератури [9].

Моделі й моделювання знаходять широке застосування у різних галузях науки і техніки: у природничих та гуманітарних науках, у психології, філософії, соціології, педагогіці, економіці, мистецтві тощо.

Найбільш розповсюджений метод побудови моделей полягає в застосуванні фундаментальних законів природи, на яких ґрунтується багато науково-технічних досягнень, до конкретних ситуацій.

Приклади моделей, які базуються на законах Архімеда, Ньютона, Ома та інших класичних законах: знаходження траєкторії спливання підводного човна залежно від деяких параметрів, залежність сили струму І від часу t в контурі, який має електрорушійну силу , опір R та індуктивність L, закон зміни маси речовини від часу (радіоактивний розпад речовини).

Фізика як наука часто оперує абстрактними поняттями, аналогіями, моделями, ідеалізованими системами, які створені людиною для кращого розуміння явищ і процесів, які досліджуються. Використання моделей і аналогій, віртуального (компютерного і мисленого) експерименту перетворює навчальний процес у доступний, наочний, полегшує розуміння змісту багатьох фізичних процесів та їх закономірностей, розвиває логічне мислення, уяву та творчі здібності [13,46].


Вибір програмних засобів для побудови моделі фізичних явищ


Компютерне моделювання фізичних явищ спрощує їх дослідження, адже відтворює за допомогою спеціальних програм цілісну картину для дослідника. Також є можливість проводити експерименти над явищами або обєктами, створивши відповідні умови, тобто написати спеціальну програму, та слідкувати за перебігом експерименту, змінюючи параметри, отримати результати в числовому та візуальному вигляді (графіки, діаграми), прослідкувати залежність від того чи іншого параметру, закономірності тощо [17,156].

Досягти навчальних цілей щодо опануванням учнями складного для розуміння матеріалу без застосування програмних засобів, які мають широкі аналітичні, графічні можливості і вже стали необхідним інструментом у професійній діяльності фахівців у галузі математики, техніки, економіки, управління неможливо. До таких програмних засобів можна віднести: Maple, Mathematica, Matlab, Mathcad, MS Excel [17,74].

Можливо використати моделі і показувати досліди, приладів для демонстрації яких в наявності немає. Та не слід захоплюватись цим, адже є ризик втратити основне призначення фізичного експерименту [17, 156].

Отже, одним із головних завдань, що постає перед нами, є вибір оптимального програмного середовища для моделювання.

Середовище для побудови фізичних моделей має відповідати таким вимогам:

·Можливість подачі інформації у графічному чи звуковому вигляді;

·Можливість зміни вхідних параметрів;

·Можливість коректно реагувати на зміни параметрів;

·Можливість проведення математичних перетворень.

На початковому етапі роботи з компютерними моделями цілком придатним середовищем являється табличний процесор MS Excel, вивчення якого передбачено чинною програмою шкільного курсу інформатики. Табличний процесор дає можливості для розвитку основних уявлень про технологію компютерного моделювання. Застосування MS Excel дозволяє розпочати системне вивчення компютерного моделювання значно раніше, ніж вивчення мов програмування [13,9-10].

Під час роботи з табличним процесором MS Excel необхідне знання матеріалу, зокрема формул, щоб ввести в комірки таблицю потрібні дані. Час, який учні зазвичай витрачаються для проведення розрахунків і побудову графіків залежностей параметрів один від одного, під час роботи в MS Excel значно скорочується, а цей час можна використати на аналіз отриманих результатів [1,35]. MS Excel має вбудовані функції, призначені для обчислень інтегралів, диференціальних рівнянь, системи лінійних рівнянь, проведення операцій над матрицями тощо.

Крім того, додаток Excel не вимагає від користувача знань мов програмування та складання програм з виведенням результатів у графічній формі. В комірки можна додавати графічну інформацію, анімації, що є дуже зручно при використанні програмного забезпечення на лабораторних роботах з фізики.

Тому для створення віртуальних лабораторних робіт використовуємо табличний процесор MS Excel.


Застосування компютерного моделювання на практиці. Аналіз шкільної програми


Для визначення місця моделювання у вивченні фізики, проаналізуємо шкільну програму з фізики (9 клас).

Програма 9 класу предбачає вивчення більш складного матеріалу, ніж програми попередніх класів. Школярі познайомляться з такими розділами, як електричне поле, електричний струм, магнітне поле, атомне ядро, ядерна енергетика [18].

Проаналізуємо кожний розділ докладніше, використовуючи шкільний підручник «Фізика. 9 клас» (Божинова Ф.Я.)[2].

Розділ «Електричне поле» включає в себе такі підрозділи, як електризація тіл; електричний заряд; два роди електричних зарядів; дискретність електричного заряду; будова атома; електрон; йон; закон збереження електричного заряду; електричне поле; взаємодія заряджених тіл; закон Кулона. При вивченні даного розділу передбачається виконання лабораторної роботи на тему: «Дослідження взаємодії заряджених тіл» та ряду демонстрацій - електризація різних тіл, взаємодія наелектризованих тіл, два роди електричних зарядів, подільність електричного заряду, будова і принцип дії електроскопа, закон Кулона.

До обємного розділу «Електричний струм» входять підрозділи: електричний струм; дії електричного струму; електрична провідність матеріалів: провідники, напівпровідники та діелектрики; струм у металлах; електричне коло; джерела електричного струму; гальванічні елементи; акумулятори; сила струму; амперметр; вимірювання сили струму; електрична напруга; вольтметр; вимірювання напруги; електричний опір; залежність опору провідника від його довжини, площі поперечного перерізу та матеріалу; питомий опір провідника; реостати; залежність опору провідників від температури; закон Ома для однорідної ділянки електричного кола; зєднання провідників; розрахунки простих електричних кіл; робота і потужність електричного струму; закон Джоуля-Ленца; електронагрівальні прилади; електричний струм в розчинах і розплавах електролітів; кількість речовини, що виділяється під час електролізу; застосування електролізу у промисловості та техніці; струм у напівпровідниках; електропровідність напівпровідників; залежність струму в напівпровідниках від температури; термістори; електричний струм у газах; самостійний і несамостійний розряди; застосування струму в газах у побуті, в промисловості, техніці; безпека людини під час роботи з електричними приладами і пристроями. Передбачено проведення таких лабораторних робіт, як «Вимірювання сили струму за допомогою амперметра»; «Вимірювання електричної напруги за допомогою вольтметра»; «Вимірювання опору провідника за допомогою амперметра і вольтметра»; «Вивчення залежності електричного опору від довжини провідника і площі його поперечного перерізу, матеріалу провідника»; «Дослідження електричного кола з послiдовним зєднанням провідників»; «Дослідження електричного кола з паралельним зєднанням провідників»; «Вимірювання потужності споживача електричного струму»; «Дослідження явища електролізу».

Розділ «Магнітне поле» включає в себе вивчення таких тем, як постійні магніти; магнітне поле Землі; взаємодія магнітів; магнітна дія струму; правило лівої руки; магнітне поле провідника зі струмом; магнітне поле котушки зі струмом; електромагніти; дія магнітного поля на провідник зі струмом; електричні двигуни; гучномовець; електровимірювальні прилади; електромагнітна індукція; досліди Фарадея; явище електромагнітної індукції. При вивченні теми «Магнітне поле» передбачена лабораторна робота на тему: «Складання найпростішого електромагніту і випробування його дії».

Розділ « Атомне ядро. Ядерна енергетика» передбачає вивчення тем, як атом і атомне ядро; радіоактивне випромінювання; активність радіонукліда. Правила зміщення; поглинута та еквівалентна дози йонізуючого випромінювання; отримання та використання радіоактивних ізотопів; ланцюгова ядерна реакція. ядерний реактор; екологічні проблеми атомної енергетики. Вивчаючи даний розділ планується проведення лабораторної роботи: «Вивчення будови дозиметра і проведення дозиметричних вимірювань».

Розглянувши шкільну програму з фізики, можна зробити висновок про складність матеріалу, зокрема це стосується розділу «Електричне поле». Адже в цьому розділі найбільше запропоновано лабораторних робіт, які потребують громіздких обчислень.

Досліджувати ці явища на лабораторних роботах не завжди можливо. Тому деякі явища з наведених вище розділів доцільно було б вивчати на компютерних моделях. [10].

Отже, в процесі вивчення фізики в загальноосвітній школі розглядається такий матеріал, який не можна продемонструвати в реальних умовах. Особливо це стосується лабораторних робіт. Тому доцільно замінити загальноприйнятий натурний експеримент модельним.


Визначення завдань для розробки лабораторних робіт


Проаналізувавши шкільну програму з фізики для 9 класу та користуючись матеріалами підручника «Фізика. 9 клас» за ред. Божинової Ф.Я. можна визначити завдання, які можна включити до переліку лабораторних робіт, які учні будуть виконувати за допомогою компютера.

Розробляючи віртуальні лабораторні роботи слід памятати, що жодна анімація чи ілюстрація ніколи не замінять на уроці фізики реального обладнання. Натурний експеримент не слід замінювати віртуальним без вагомих на те причин [16, 47]. На уроках фізики учні повинні вміти користуватись вимірювальними приладами, вміти визначати ціну поділки шкали будь-якого вимірювального приладу, складати за схемами електричні кола, користуватись навчальним обладнанням тощо. Компютер повинен виступати на уроці як допоміжній засіб, а не як основний.

Для побудови віртуальних лабораторних робіт використаємо такі, як «Вивчення залежності електричного опору від довжини провідника і площі його поперечного перерізу, матеріалу провідника», «Дослідження явища електролізу». Для прикладу можна розробити більш складну лабораторну роботу, яка вимагає високого рівня підготовки теоретичних та практичних вмінь - тому й призначена для школярів, що навчаються у класах з поглибленим вивченням фізики. Обидві частини дослідження можна виконувати поза навчальним часом, наприклад під час фізичного гуртка або практикуму. Мова йде про лабораторну роботу «Дослідження напівпровідникового транзистора».

Дані роботи є досить обємними, потребують проведення 2-3 експериментів на перевірку різних параметрів досліджуваного явища. Тому виконуючих їх доцільно використовувати компютер, де за допомогою табличного процесора MS Excel зручно проводити обрахунки, будувати криві та графіки залежностей, прослідкувати зміни поводження досліджуваного явища від вхідних параметрів, які користувач заносить з клавіатури до комірок електронної таблиці.

Отже, під час виконання лабораторних робіт з електростатики, компютер використовуємо не як основний засіб, а як допоміжній. Цим самим зберігаємо основне призначення шкільного експерименту. Учні мають змогу попрацювати із реальним лабораторним обладнанням та з компютерною програмою і на основі цього зробити висновки по відповідним лабораторним роботам.


Моделювання лабораторних робіт


Кожна з лабораторних робіт складається з двох частин: власне експериментальної та дослідницької.

В першій частині роботі учень відповідно до вказівок до виконання лабораторної роботи виконує експеримент, знімає показики приладів, при необхідності змінює вхідні параметри та достатню кількість раз проводить експеримент над досліджуваним явищем або обєктом.

В дослідницькій частині учень працює виключного з табличним процесором MS Excel. Відкриває електронну таблицю з заздалегідь внесеними вчителем у відповідні комірки формулами, вводить отримані під час експериментальної частини дані та отримує результат. Це проста форма роботи учня в дослідницькій частині. Складна форма роботи учня - це коли він самостійно на чистому аркуші електронних таблиць створить таблицю, до комірок якої внесе отримані під час експериментальної частини лабораторної роботи дані, за відповідними формулами та можливостями табличного процесора MS Excel проведе обчислення, порівняє їх із обчисленнями, які отримано іншим учнем, який працював з простою формою та зробить відповідні висновки.

Складна форма роботи учня у дослідницькій частині стимулює школярів до актуалізації знань не тільки з фізики, а й інформатики. Учень активно мислить, приймає рішення, використовує причинно-наслідкові звязки тощо. Така форма роботи формує початкові дослідницькі вміння учня.

Розроблені лабораторні роботи акцентують увагу учнів до знань та використання основних формул, які застосовуються в даній роботі. Тобто, лабораторна робота не перетинається з лабораторною роботою з інформатики, учні демонструють свої знання з фізики і лише елементарні знання з інформатики, зокрема робота з табличним процесором MS Excel.

Докладніше про особливості розробки кожної з запропонованих лабораторних робіт.

Лабораторна робота

«Вивчення залежності електричного опору від довжини провідника і площі його поперечного перерізу, матеріалу провідника».

Метою роботи є дослідиження залежності електричного опору провідника від його розмірів. З-поміж лабораторного обладнання, необхідного для виконання роботи (джерело струму, реостат, вимикач, амперметр, вольтметр, зєднувальні провідники, мідна дротина тощо), використовуємо програмне забезпечення - табличний редактор MS Excel.

Лабораторна робота розроблена на основі поданого бланка для виконання лабораторної роботи для 9 класу "Залежність опору провідника від матеріалу та геометричних розмірів." <#"110" src="doc_zip2.jpg" />

Рис.2.3.1. Таблиця 1 лабораторної роботи «Вивчення залежності електричного опору від довжини провідника і площі його поперечного перерізу, матеріалу провідника»


Після введення даних, у комірках F5-F7 автоматично обчислюється значення опору R. Опір розраховується за формулою, яка виведена з закону Ома . У комірці F5 введена формула для обчислення опору R з посиланням на дані, які містяться в інших комірках: =D5/E5. Для комірок F6-F7 використовуємо «авто заповнення». Отже, таблицю 1 ми заповнили даними. Також учням потрібно провести аналіз отриманих значень опору шляхом побудови графіка залежності опору R від довжини провідника, використовуючи Мастер диаграм. Переходимо до таблиці 2 (рис.2.3.2), в якій проводяться розрахунки характеристик провідника з невідомого матеріалу. До комірок вводяться дані, отримані під час експериментальної частини, а саме для розрахунку характеристик провідника з невідомого матеріалу (L,S,U,I). В комірці F11 обчислюємо значення опроу R, посилаючись на комірки з введеними значеннями: =D11/E11. В комірці G11 отримуємо значення питомого опору за формулою: =F11*C11/B11.


Рис.2.3.2. Таблиця 2 лабораторної роботи «Вивчення залежності електричного опору від довжини провідника і площі його поперечного перерізу, матеріалу провідника»


Отримавши значення питомого опору ?, порівнюємо його із табличним (Таблиця 1. Питомий опір деяких матеріалів), наведеними в теоретичних відомостях до лабораторної роботи. Зробити висновки по лабораторні роботі.

Складна робота учня кардинально відрізняється від простої форми. Так у простій формі учень лише вводить значення до відповідних комірок уже готової таблиці, та отримує результати. А складна форма роботи учня передбачає самостійну побудову таблиці для введення даних, отриманих під час експериментальної частини, та використанню формул для обчислення. Тобто учень працює з чистим аркушем Лист3 файлу zalezn_opory.xls. Учень проявляє свої знання та вміння не тільки фізики, а й інформатики, зокрема навички роботи з табличним процесором MS Excel. Така форма роботи в дослідницькій частині формує в учнів дослідницькі вміння, вміння аналізувати, спів ставляти, активно мислити, знаходити причинно-наслідкові звязки процесів і явищ, що досліджуються.

Розробка лабораторної роботи наведена в Додаткові А.

Лабораторна робота

«Дослідження явища електролізу».

Мета роботи: дослідити залежність кількості виділеної при електролізі речовини від кількості електрики, що пройшла через електроліт.

Як і в попередній лабораторній роботі, з-поміж обладнання (мідний вольтаметр, акумуля тор, амперметр, реостат, ключ, з'єднувальні провідники, терези, важки, годинник, розчин мідного купоросу) використовуємо програмне забезпечення - табличний редактор MS Excel.

Лабораторна робота розроблена з використанням матеріалів [6].

Структура роботи повністю аналогічна з попередньою лабораторною роботою: учні виконують експериментальну частину, отримують значення параметрів (m1, m2, t, I). Потім працюють з файлом табличного процесора electroliz.xls. Лист3 містить дві таблиці для введення отриманих під час експерименту даних (рис.2.3.3).


Рис.2.3.3. Таблиці 1та 2 лабораторної роботи «Дослідження явища електролізу»

В комірці D4 обчислюємо значення маси міді, що виділилась на пластинці за певний проміжок часу: =C4-B4. Заповнюємо комірки D5-D6, використовуючи авто заповнення. Переходимо до таблиці 2 (рис.2.3.3). Таблиця містить значення таких стали, як молярна маса міді (m), валентність міді (Z), число Авогадро (NA), заряд електрона (e). Значення струму (І) і часу (t) береться з таблиці 1. У комірці В14 обчислюємо електрохімічний еквівалент міді за формулою: = =B9*B13*B14/B11*B12*B10. Для комірок С14-D14 використовуємо авто заповнення. У комірці В16 обчислюємо середнє експериментальне значення електрохімічного еквіваленту для міді за формулою: = B15+C15+D15/3 У комірці В17 наведено табличне значення електрохімічного еквіваленту для міді. Порівнюємо значення табличне із отриманим в комірці В18, обчислюємо похибку в комірці С18. Учні відповідають на контрольні питання, передбачені в лабораторній роботі.

Складна форма роботи учня, як і в попередній лабораторній роботі, передбачає роботу з чистим аркушем Лист1. Учень самостійно створює таблиці, вводить в них дані, отримані під час експериментальної частини, використовує формули для обчислення значення маси міді, що виділилась на пластинці за певний проміжок часу (в таблиці 1) та електрохімічний еквівалент міді (в таблиці 2). Користуючись табличними даними електрохімічних еквівалентів речовин, порівнюють отримане значення з табличним, обчислюють похибку вимірювань. Дана робота є складнішою за лабораторну роботу «Вивчення залежності електричного опору від довжини провідника і площі його поперечного перерізу, матеріалу провідника». Складніше обладнання використовується під час експериментальної частини роботи, більше проводиться розрахунків. Але учням стає легше працювати в дослідницькій частині роботи, так як вони розуміють схему роботи з таблицями. Розробка лабораторної роботи наведена в Додатку Б.

Лабораторна робота

«Дослідження напівпровідникового транзистора»

Робота розрахована на учнів, які навчаються в профільних класах. Робота носить обємний характер, насичена проблемними завданнями, які учень в її ході повинен подолати опираючись на свої знання, ерудицію, фантазію, кмітливість тощо. Лабораторна робота розроблена на основі роботи [5]. Мета роботи: вивчення особливостей роботи транзистора за схемою з спільним емітером (зняття вхідної і вихідної характеристик).

Робота вимагає вміння працювати з програмою-симулятором Electronic WorkBench та табличним процесором MS Excel. Тому лабораторне обладнання в даній роботі відсутнє, а учень працює лише з компютером. За допомогою.

Робота складається Electronic WorkBench ми збираємо електричні схеми та проводимо віртуальний експеримент. Виконуючи експериментальну частину, учні отримують значення Iб, так як значення параметру Uбе змінюється від 0 - 1 В і залишається незмінним для даного досліду. Uке може приймати значення тільки 0, 100, 200, 300 мкА. До таблиці 1 вносять дані залежності сили струму бази (Iб) від напруги на переході база-емітер (Uбе) при сталому значенні напруги на переході колектор-емітер (Uке= const). Напругу Uбе вибираємо від 0,5 до 1 В через 50 мВ.

Напругу на колекторі Uке вибираємо 0, 100, 200 і 300 мВ. Отримані значення в ході експерименту, тобто значення Iб, вносимо в діапазон комірок В4-В15, E4-E15, H4-H15, K4-K15 відповідно. Отримуємо таблицю:



Таблиця 1 до лабораторної роботи «Дослідження напівпровідникового транзистора»


В таблицю 2 вносять залежність сили струму колектора (Iк) від напруги на переході колектор-емітер (Uке) при сталому значенні сили струму через базу Іб = const.. Напругу Uке вибираємо від 0 до 300 мВ через 20 мВ. Значення сили струму бази Іб вибираємо 100, 200 і 300 мкА. Отримуємо таблицю:


Таблиця 2 до лабораторної роботи «Дослідження напівпровідникового транзистора»


Заповнивши обидві таблиці, учень повинен побудувати в прямокутній системі координат будуються сімї вхідних і вихідних характеристик транзистора за допомогою Майстра діаграм. Вигляд цих характеристик показано на рис.2.3.6 та рис.2.3.7.


Рис.2.3.6. Графік вхідних статичних характеристик транзистора.


Рис.2.3.7. Графік вихідних статичних характеристик транзистора.


Після отримання графіків учні дають відповідь на контрольні питання.

Дану роботу можна запропонувати на самостійне виконання за наявністю програмного забезпечення. Лабораторну роботу можуть виконати і студенти фізичних спеціальностей вищих учбових закладів.

Розробка лабораторної роботи наведена у Додатку В.



Висновки


У курсовій роботі розглядається актуальне питання методики викладання фізики - використання компютерного моделювання фізичних процесів, зокрема використання компютерних моделей під час лабораторних робіт з електростатики.

На початку розкриття проблеми моделювання лабораторних робіт з електростатики, ми поставили собі за мету створити компютерні моделі фізичних процесів у навчально-виховному процесі та поставили перед собою ряд завдань. А саме, визначити етапи розробки проблеми в науково-методичній літературі, розкрити роль і місце моделювання у навчанні фізики, здійснити та обґрунтувати вибір програмного забезпечення для навчання моделювання, розробити лабораторні роботи з електростатики.

Аналізуючи літературні джерела, бачимо, що проблема компютерного моделювання є актуальною, і нею цікавиться досить велика кількість науковців. Моделювання розглядається як допоміжний метод при вивченні складних фізичних процесів і явищ.

Аналізуючи наукові праці, присвячені даній проблемі, можна визначити напрями застосування компютерного моделювання на уроках фізики: моделювання фізичних явищ і процесів, обробка експериментальних даних лабораторних робіт, розвязування задач, науково-дослідна робота учнів.

Компютерне моделювання відіграє значну роль в процесі навчання фізики. Адже використання моделей і аналогій, віртуального (компютерного і мисленого) експерименту перетворює навчальний процес у доступний, наочний, полегшує розуміння змісту багатьох фізичних процесів та їх закономірностей, розвиває логічне мислення, уяву та творчі здібності.

Для навчання моделювання ми обрали табличний процесор MS Excel, так як даний програмний продукт не вимагає від користувача знань мов програмування та складання програм з виведенням результатів у графічній формі. Має вбудовані функції, призначені для обчислень інтегралів, диференціальних рівнянь, системи лінійних рівнянь, проведення операцій над матрицями тощо. В комірки можна додавати графічну інформацію, анімації, що є дуже зручно при використанні програмного забезпечення на лабораторних роботах з фізики. Табличний процесор ідеально підходить для навчання учнів початкового моделювання.

Аналізуючи шкільну програму, визначили, що розділу «Електричне поле» є значно обємним за інші розділи, що вивчаються в 9 класі та містить складний матеріал. В цьому розділі найбільше запропоновано лабораторних робіт, які потребують громіздких обчислень.

Тому для даного розділу розроблені лабораторні роботи «Вивчення залежності електричного опору від довжини провідника і площі його поперечного перерізу, матеріалу провідника», «Дослідження явища електролізу». Кожна лабораторна робота складається з двох частин: експериментальної та дослідницької.

В експериментальній частині роботі учень відповідно до вказівок до виконання лабораторної роботи виконує експеримент, знімає показики приладів, при необхідності змінює вхідні параметри та достатню кількість раз проводить експеримент над досліджуваним явищем або обєктом.

В дослідницькій частині учень працює виключного з табличним процесором MS Excel. Дослідницька частина передбачає дві форми роботи учня: просту та складну. При роботі в простій формі, учень відкриває електронну таблицю з заздалегідь внесеними вчителем у відповідні комірки формулами, вводить отримані під час експериментальної частини дані та отримує результат. Складна форма роботи учня - це коли він самостійно на чистому аркуші електронних таблиць створить таблицю, до комірок якої внесе отримані під час експериментальної частини лабораторної роботи дані, за відповідними формулами та можливостями табличного процесора MS Excel проведе обчислення, порівняє їх із обчисленнями, які отримано іншим учнем, який працював з простою формою та зробить відповідні висновки. Складна форма роботи стимулює школярів до актуалізації знань не тільки з фізики, а й інформатики. Учень активно мислить, приймає рішення, використовує причинно-наслідкові звязки тощо. Така форма роботи формує початкові дослідницькі вміння учня.

Розроблені лабораторні роботи акцентують увагу учнів до знань та використання основних формул, які застосовуються в даній роботі. Тобто, лабораторна робота не перетинається з лабораторною роботою з інформатики, учні демонструють свої знання з фізики і лише елементарні знання з інформатики, зокрема робота з табличним процесором MS Excel.



Література


.Антикуз О.В. Розвязування задач з фізики за допомогою табличного редактора MS EXCEL/О.Антикуз// Копмютер у школі та сімї. - 2008. - №1. - ст.35-39.

.Божинова Ф.Я., Кірюхін М.М., Кірюхіна О.О. Фізика. 9 клас: Підручник для загальноосвіт. навч. закладів./ Ф.Я. Божинова, М.М. Кірюхін, О.О. Кірюхіна. - Х.: Видавництво «Ранок», 2009. - 224 с.: іл.

.Книжкова полиця. Все для вчителя фізики. Бланк для виконання лабораторної роботи "Залежність опору провідника від матеріалу та геометричних розмірів." 9 клас. [веб-ресурс] - режим доступу: #"justify">.Кухарчук Р.П. Віртуальний демонстраційний експеримент під час вивчення електроніки. Компютерне моделювання в освіті/ Матеріали Всеукраїнського науково-методичного семінару: Кривий Ріг, 29 березня 2005 р. - Кривий Ріг: КДПУ, 2005. - 84 с.

.Кухарчук Р.П. Дослідження напівпровідникових приладів за допомогою персонального компютера.

.Лабораторна робота Дослідження явища електролізу. [веб-ресурс] - режим доступу: #"justify">.Модель (загальне значення). Вікі-енциклопедія [веб-ресурс] - режим доступу: #"justify">.Олефір Л. Застосування ІКТ для моделювання фізичних явищ./Л.Олефір.

.Олефір Л.А. Застосування компютерного моделювання в процесі навчання фізики в загальноосвітній школі. Компютери у навчальному процесі. ІІ Всеукраїнська студентська наукова Інтернет-конференція 28-29 квітня 2011 р. (тези доповідей). - Умань, 2011. - 239 с.

.Олефір Л.А. Компютерне моделювання в шкільному лабораторному практикумі з фізики. Матеріали міжвузівської науково-практичної конференції «Наукова діяльність студентів як шлях формування їх професійних компетентностей» (НПК-2010), м.Суми, 9 грудня 2010 р. - Суми: Вид-во СумДПУ імені А.С.Макаренка, 2010. - 186 с.

.Панченко Л. Математичне моделювання як метод наукового дослідження і навчального пізнання/ Л.Панченко// Математика в школі. - 2008. - №11. - с.12-19.

.Поняття моделі, моделювання, основні типи моделювання.[веб-ресурс] - режим доступу: #"justify">.Теплицький І.О. Елементи компютерного моделювання: навчальний посібник. - Кривий Ріг: КДПУ, 2010. - 264 с., іл.

.Теплицький І.О. Компютерне моделювання механічних рухів у середовищі електронних таблиць /І.Теплицький, С.Семеріков// Фізика та астрономія в школі. - 2002. - №5. - с.41-46.

.Теплицький І.О. Навчальний посібник «Елементи компютерного моделювання»// Матеріали Всеукраїнського науково-методичного семінару «Компютерне моделювання в освіті»: Кривий Ріг, 29 березня 2005 р. - Кривий Ріг: КДПУ, 2005. - С. 71-73.

.Теплицький І.О. Необмежені можливості та можливі обмеження застосувань компютера у фізичному лабораторному експерименті./І.Теплицький, С.Семеріков// Фізика та астрономія в школі. - 2004. - №2. - с.47-49.

.Триус Ю.В. Програмне забезпечення для дослідження лінійних моделей оптимізації/ Ю.В. Триус, С.В. Бойко// Матеріали Всеукраїнського науково-методичного семінару «Компютерне моделювання в освіті»: Кривий Ріг, 29 березня 2005 р. - Кривий Ріг: КДПУ, 2005. - С. 74-75.

.Фізика 9 клас. Шкільна програма. [веб-ресурс] - режим доступу: #"justify">.Хазіна С.А. - Компютерне моделювання фізичного процесу у різних програмних середовищах. [веб-ресурс] - режим доступу: #"justify">.Швець В. Застосування пакета EXCEL для обробки даних лабораторних робіт/ В.Швець// Фізика та астрономія в школі. - 2003. - №6. - с.50-53.

.Лабораторна робота Дослідження явища електролізу. [веб-ресурс] - режим доступу:#"justify">Додаток А


Лабораторна робота


Вивчення залежності електричного опору від довжини провідника і площі його поперечного перерізу, матеріалу провідника.

Мета: дослідити залежність електричного опору провідника від його розмірів.

Обладнання: джерело струму, реостат, вимикач, амперметр, вольтметр, зєднувальні провідники, мідна дротина, дротина з невідомого матеріалу, лінійка, табличний процесор MS Excel.

Короткі теоретичні відомості

Електричний опір - фізична величина, що характеризує протидію, яку чинить провідник на проходження електричного струму, називається електричним опором. Вимірюється електричний опір в омах, R= [Ом].

Опір можна розрахувати, виходячи з закону Ома:


(1),


звідки значення опору дорівнюватиме:


(2).


Величина електричного опору залежить від речовини, з якої виготовлений провідник.

Опір провідника прямо пропорційний його довжині.

Опір провідника обернено пропорційний площі його поперечного перерізу:

R = ? (3),


де ? - питомий опір провідника.

Питомий опір речовини - це фізична величина, яка характеризує електричні властивості даної речовини й чисельно дорівнює опору виготовленого з неї провідника завдовжки 1 м і площею поперечного перерізу 1м2.

Одиниця питомого опору в СІ - ом-метр (Ом м). На практиці здебільшого мають справу з провідниками, площі поперечних перерізів яких досить малі.


= або = в СІ.


Таблиця. Проаналізуємо таблицю, в якій наведено значення потомого опору деяких матеріалів.

МатеріалПитомий опір (Омм)срібло <#"justify">-8мідь <#"justify">-8золото <#"justify">-8алюміній <#"justify">-8залізо <#"justify">-8платина <#"justify">-8олово <#"justify">-8графіт <#"justify">-5германій <#"justify">10 - 1014гума <#"justify">13сірка <#"justify">15порцеляна1019ебоніт1018-1020

З таблиці бачимо, що з-поміж усіх металів найменший питомий опір мають срібло, мідь, золото й алюміній. Отже, у разі виготовлення електропроводки для побутових і виробничих приміщень або проводів для ліній електропередачі доцільно використовувати мідні та алюмінієві проводи.

Питомий опір гуми, порцеляни, ебоніту дуже великий. Отже, ці речовини практично не проводять електричного струму, і тому в електротехніці їх використовують як ізолятори.

На тому факті, що опір провідника прямо пропорційний його довжині, базується принцип дії реостата.

Реостат - це пристрій зі змінним опором, призначений для регулювання сили струму в ділянці електричного кола. Реостат, включений в електричне коло пристрою, дозволяє змінювати силу струму, а отже, настроювати гучність звуку радіоприймача, регулювати яскравість світіння лампи тощо.


Рис.


Хід роботи

І частина. Експериментальна.

1.Складіть електричне коло (рис.1) для вимірювання опору за допомогою амперметра і вольтметра.

2.До клем вольтметра приєднайте мідну дротину та визначте її опір.

.Укоротіть дротину удвічі, повторіть вимірювання опору.

.Складіть половини дротини разом, збільшивши таким чином площу перерізу удвічі, визначте опір.

.Визначте опір дротини з невідомого матеріалу. Виміряйте довжину дротини та обчисліть площу її поперечного перерізу. Знайдіть питомий опір матеріалу дротини, визначте що це за матеріал.

ІІ частина. Дослідницька.

За даними, які отримали в дослідницькій частині виконати наступні дії (проста форма роботи учня):

1.Відкрити файл табличного процесора zalezn_opory.xls.

2.У відкритому файлі обрати Лист2.

.Занести до відповідних комірок таблиці 1 значення, отримані в експериментальній частині (L,S,U,I).

.Отримаємо значення R у комірках F5-F7.

.Проаналізувати отримані зачення шляхом побудови графіка залежності опору R від довжини провідника.

.До таблиці 2 ввести дані про невідомий провідник, виготовлений з невідомого матеріалу (L,S,U,I).

.Отримуємо значення опору R для даного провідника у комірці F11.

.Отримаємо експериментальне значення питомого опору ? для матеріалу, з якого виготовлений провідник у комірці G11.

.Порівняти отримане значення з таблицею питомих опорів деяких речовин. Визначити матеріал, з якого виготовлений провідник.

.До комірки E12 записати назву матеріалу.

За даними, які отримали в дослідницькій частині виконати наступні дії (складна форма роботи учня):

1.Відкрити файл табличного процесора zalezn_opory.xls.

2.У відкритому файлі обрати Лист3.

.Самостійно створити таблицю 1 та ввести значення, отримані в дослідницькій частині (L,S,U,I).

.Розрахувати за формулою значення опору R для кожного досліду.

.Проаналізувати отримані зачення шляхом побудови графіка залежності опору R від довжини провідника.

.Створити таблицю 2 та ввести дані про невідомий провідник, виготовлений з невідомого матеріалу (L,S,U,I).

.Розрахувати значення опору R для даного провідника.

.За даними таблиці 2 обчислити за формулою експериментальне значення питомого опору ? для матеріалу, з якого виготовлений провідник.

.Порівняти отримане значення з таблицею питомих опорів деяких речовин. Визначити матеріал, з якого виготовлений провідник.

.У комірку внести: «Провідник виготовлений з: «, а в сусідню комірку записати назву матеріалу.

.Повірняти створені таблиці в Лист2 та готові таблиці в Лист3.

Зробити висновок.

Контрольні питання

1.Що таке електричний струм? Які частинки є носіями електричного струму?

2.Дати визначення сили струму. Записати формулу. Одиниці вимірювання сили струму.

.Дати визначення напруги. Записати формулу. Одиниці вимірювання напруги.

.Що характеризує і як позначається електричний опір?

.Яким приладом вимірюють силу струму? Напругу?




Додаток Б


Лабораторна робота


Дослідження явища електролізу

Мета: дослідити залежність кількості виділеної при електролізі речовини від кількості електрики, що пройшла через електроліт.

Обладнання: мідний вольтаметр (рис.1), акумуля тор, амперметр, реостат, ключ, з'єднувальні провідники, терези, важки, годинник, розчин мідного купоросу, табличний процесор MS Excel.

Короткі теоретичні відомості

Розглянемо явище електролізу на прикладі мідного купоросу. В результаті електролітичної дисоціації CuSO4 = Cu2 + + SO4 2 +. Позитивно заряджені іони міді під дією електричного струму будуть переміщуватися до катода, де отримають електрони і виділяться на ньому у вигляді нейтральних атомів міді (рис. 1.1). Негативно заряджені іони під дією електричного поля перемістяться до анода, де віддадуть вільні електрони і також виділяться на ньому.


Рис.1


Нехай за час t через електроліт буде перенесено заряд . Кількість іонів, які досягли електрода, дорівнюватиме:


,

де q0 = Ze - заряд іона; Z - валентність іона; e - елементарний заряд.

Кількість іонів N дорівнює кількості атомів речовини, що виділиться на електроді, а маса виділеної речовини


де m0 - маса одного атома, ; m - молярна маса речовини.

Для кожного хімічного елемента можна у виразі (2) виділити сталу величину k, яку називають електрохімічним еквівалентом речовини:



У СІ електрохімічний еквівалент вимірюють у кілограмах на кулон:


[k] = кг/Кл.


Виходячи з цього можна записати, що

= kq = kIDt. (4)


Маса речовини, яка виділяється на катоді за час Dt, пропорційна силі струму і часу. Це твердження, встановлене експериментально Фарадеєм (1831 р.), має назву першого закону Фарадея для електролізу.

Електрохімічний еквівалент речовини визначено для всіх хімічних елементів. Він є табличною величиною, але його не важко розрахувати: , де - хімічний еквівалент речовини. Добуток числа Авогадро на заряд електрона називають сталою Фарадея:

F = NAe = 6,02·1023 1/моль ?1,6·10 -19 Кл = 96500 Кл/моль.

Стала Фарадея дорівнює заряду, під час перенесення якого одновалентними іонами через розчин або розплав електроліту виділяється 1 моль речовини.

З цих міркувань вираз (3) набуде вигляду:



Формула (5) виражає другий закон Фарадея для електролізу: електрохімічні еквіваленти різних речовин прямо пропорційні їх хімічним еквівалентам. Якщо у вираз (4) підставити співвідношення (3), то отримаємо об'єднаний закон Фарадея для електролізу:



Явище електролізу має широке застосування в електрометалургії (добування чистих металів); у гальваностегії (нанесення металевих покриттів для запобігання корозії металів); у гальванопластиці (виготовлення копій з матриць) тощо.


Рис.


Будову хімічних джерел струму (гальванічних елементів та акумуляторів) також засновано на процесах взаємодії металів з електролітами.

Хід роботи:

І частина. Експериментальна.

1.З допомогою терезів знайдіть масу катодної пластинки до початку досліду m1.

2.Налийте у скляну посудину розчин мідного купоросу, опустіть у розчин обидві мідні пластинки і закріпіть їх - отримали мідний вольтметр (рис.1).

3.Складіть коло з акумулятора, мідного вольтаметра і вимикача (рис. 2). Зважену мідну пластинку при цьому сполучіть з негативним полюсом акумулятора.


Рис.


4. Відмітивши час по годиннику, замкніть коло. Визначте силу струму у колі. Струм пропускайте 15 хвилин. З допомогою реостату підтримуйте силу струму сталою. 5. Відмітивши час, розімкніть коло, витягніть катодну мідну пластинку, промийте її водою, висушіть за допомогою фільтрувального паперу. Зважте її, визначивши масу m2. . Знайдіть масу міді, що виділилась на пластинці за 5 хв.


6. Опустіть знову пластинку в розчин мідного купоросу і, додержуючись вказівок п. 2-5, визначте масу міді, що виділилась на катоді за 10 хвилин при тій самій силі струму.

7. Визначте втретє масу міді, що виділилась за 5 або за 10 хвилин, але при іншій силі струму. Результати занесіть до таблиці.

ІІ частина. Дослідницька.

За даними, які отримали в дослідницькій частині виконати наступні дії (проста форма роботи учня):

1.Відкрити файл табличного процесора electroliz.xls.

2.У відкритому файлі обрати Лист3.

.Занести до відповідних комірок таблиці 1 значення, отримані в дослідницькій частині (m1, m2, t, I).

.Отримаємо значення mM у комірках D4-D6.

.У таблиці 2 отримуємо електрохімічний еквівалент міді, використовуючи закони електролізу.

.Яка залежність спостерігається між масою міді, що виділилась при електролізі, і часом проходження струму? Між масою міді, що виділилась при електролізі, і силою струму?

.Порівняти отримане значення з табличним. Обчисліть похибку вимірювань.

За даними, які отримали в дослідницькій частині виконати наступні дії (складна форма роботи учня):

1.Відкрити файл табличного процесора electroliz.xls.

2.У відкритому файлі обрати Лист1.

.Самостійно побудувати таблицю 1 і занести в неї отримані під час виконання експериментальної частини дані (m1, m2, t, I).

.Обчислити за формулою mM.

.Створити таблицю 2 та розрахувати електрохімічний еквівалент міді, використовуючи закони електролізу.

.Яка залежність спостерігається між масою міді, що виділилась при електролізі, і часом проходження струму? Між масою міді, що виділилась при електролізі, і силою струму?

.Порівняти отримане значення з табличним. Обчисліть похибку вимірювань.

.Повірняти створені таблиці в Лист1 та готові таблиці в Лист3.

Зробити висновок.

Контрольні питання

1.Сформулюйте означення електричного струму, сили струму, напруги, електричного опору.

2.Сформулюйте означення електроліту, електролізу. Наведіть хімічні формули деяких електролітів. Що є носіями заряду в електроліті?

.Запишіть закони Фарадея та письмово сформулюйте їх.

.Дайте означення електрохімічного та хімічного еквівалентів речовини.



Додаток В


Лабораторна робота


Дослідження напівпровідникового транзистора


Мета: вивчення особливостей роботи транзистора за схемою з спільним емітером (зняття вхідної і вихідної характеристик).

Обладнання: програмне забезпечення (програма-симулятор Electronic WorkBench та електронні таблиці Excel).

Теоретичні відомості

Транзистор - це електронний прилад, який складається з трьох шарів напівпровідників з двома можливими структурами п-р-п або р-n-р (рис. 1), кожна з яких утворює два електронно-дірко_олл переходи. Дві області з однотипною провідністю від_оллектор одна від одної областю з провідністю, протилежною за знаком.



Дві крайні мають діркову провідність (р), їх називають емітером і колектором, а середня - електронну (п), її називають базою. На межі цих областей утворились два електронно-діркові переходи. Перехід «емітер-база» називають емітерним, а «база-колектор» - колекторним. Кожний перехід окремо поводить себе як звичайний напівпровідниковий діод, тобто має однобічну провідність для електричного струму. Схемні позначення транзисторів показано на рис. 2. Принцип дії обох транзисторів однаковий, змінюється лише вид носіїв заряду, які відіграють основну роль.

Розглянемо принцип дії транзистора р-п-р-типу на прикладі підсилювача постійного струму. Схема складається в електронному _оллектором із стандартного набору приладів. Транзистор вибираємо типу ideal, вмикаємо за схемою з спільним емітером (мал. 3), яка для транзисторів є основною. У цій схемі зворотна напруга на колекторний перехід подається через коллектор перехід, увімкнений у пропускному напрямі. Прямий опір емітерного переходу малий, тому вся підведена напруга спадає практично на високоомному колекторному переході. Джерело вхідного сигналу приєднують до бази та емітера. Підсилений сигнал знімають з колектора та емітера.

Під дією прямої напруги, прикладеної до емітерного переходу, дірки з області емітера переходять в область бази, а електрони з області бази переходять в область емітера. Струм, який виникає при цьому, називають струмом емітера (Іе). Більшу частину цього струму переносять дірки, оскільки емітерна область має вищу провідність, ніж електронна область бази.


Рис. 3. Принципова схема проведення досліду.


Електронний струм емітера проходить у колі бази і тому його називають струмом бази (Іб). Одночасно з переходом дірок з області емітера в область бази в зовнішнє коло емітера виходить певна кількість електронів, що веде до утворення в області емітера нових дірок, і тому їх кількість не зменшується. Дірки, які перейшли з емітера в базу, рухаються потім до колекторного переходу. Цей рух відбувається переважно внаслідок надлишку концентрації їх біля емітерного переходу, а також під дією слабкого електричного поля, яке існує між емітером і коллектором транзистора. На шляху до колекторного переходу частина дірок рекомбінує з електронами в області бази. Зменшення електронів в області бази поповнюється надходженням їх із зовнішнього кола. Завдяки малій товщині області бази і невеликій концентрації в ній вільних електронів багато дірок досягає коллекторного переходу і під дією електричного поля цього переходу втягується в область колектора. Тут дірки рекомбінують з електронами, які переходять із зовнішнього кола коллектора, і створюють струм коллектора (Ік). При цьому опір коллекторного переходу різко зменшується внаслідок руху дірок через перехід. Це веде до збільшення сили струму в колі коллектора.

З розглянутого принципу дії транзистора випливає, що сила струму колектора внаслідок рекомбінації частини дірок з електронами бази трохи менша від сили струму емітера. Різниця струмів дорівнює силі струму бази, тобто


Іб = Іе - Ік. (1).


Одним з важливих параметрів транзистора, який характеризує його підсилювальні властивості, є статичний коефіцієнт підсилення за струмом. Для схеми вмикання з спільним емітером він дорівнює відношенню зміни сили струму коллектора Ік до зміни сили струму бази Іб при сталій напрузі між коллектором і емітером


Uке : при Uке = const (2).


Виконуємо дану роботу у двох компютерних програмах: за допомогою програми-симулятора здійснюється експериментальна частина, а за допомогою електронних таблиць -дослідницька частина.


Рис.4. Схема в Electronic WorkBench для проведення зняття вхідних характеристик транзистора.


Рис.5. Схема в WorkBench для проведення зняття вихідних характеристик транзистора.


Хід роботи

І частина. Експериментальна.

Зняття вхідних характеристик транзистора Iб = f (Uбе) при Uке= const.

1.Запускаємо електронний симулятор Electronic WorkBench.

2.Складаємо електричну схему, зображену на рис. 4. У схемі не застосовуються потенціометри з метою спрощення регулювання напруги джерел струму.

.Знімаємо значення бази струму (Iб) від напруги на переході база-емітер (Uбе) при сталому значенні напруги на переході колектор-емітер (Uке= const). Напругу на колекторі Uке вибираємо 0, 100, 200 і 300 мВ. Величини напруг U', U'' та U'' залежать від типу досліджуваного транзистора. Для нашого ідеального транзистора напругу між базою та емітером Uбе змінюємо в межах від 0,5 до 1 В через кожні 50 мВ.

Зняття вихідних статичних характеристик транзистора Iк = f1 (Uке) при Іб = const.

1.Складаємо електричну схему досліду, зображену на Рис.5.

2.Джерелом живлення, на відміну від попередньої схеми є не гальванічний елемент, а джерело постійного стабілізованого струму. Така система усуває проблеми точної установки сили струму через базу транзистора.

.Вихідні статичні характеристики знімають для трьох значень струму бази І, І' та I'', які встановлюють величиною струму джерела вхідного сигналу і підтримують в процесі спостережень незмінними. Напругу Uке змінюють від 0 до 300 мВ (в даних умовах це буде достатнім) через інтервали 20 мВ.

ІІ частина. Дослідницька.

За даними, які отримали в дослідницькій частині виконати наступні дії (проста форма роботи учня):

1.Відкрити файл табличного процесора tranzistor.xls.

2.У відкритому файлі обрати Лист3.

.Занести до відповідних комірок таблиці 1 значення, отримані в дослідницькій частині (Uке, Ік, Іб).

.Побудувати в прямокутній системі координат графік сімї вхідних характеристик транзистора.

.Занести до відповідних комірок таблиці 2 значення, отримані в дослідницькій частині (Uке, Іб, Ік).

.Побудувати в прямокутній системі координат графік сімї вихідних характеристик транзистора.

.Зробити висновок.

За даними, які отримали в дослідницькій частині виконати наступні дії (складна форма роботи учня):

1.Відкрити файл табличного процесора tranzistor.xls.

2.У відкритому файлі обрати Лист1.

.Самостійно створити таблицю 1 та занести до відповідних комірок значення, отримані в дослідницькій частині (Uке, Ік, Іб).

.Побудувати в прямокутній системі координат графік сімї вхідних характеристик транзистора.

.Самостійно створити таблицю 2 та занести до відповідних комірок таблиці 2 значення, отримані в дослідницькій частині (Uке, Іб, Ік).

.Побудувати в прямокутній системі координат графік сімї вихідних характеристик транзистора.

7.Зробити висновок.

Контрольні запитання:

1.При якій полярності прикладеної напруги емітерний і колекторний переходи включаються у прямому і оберненому напрямках?

2.Яку залежність виражає вихідна характеристика транзистора за схемою із спільним емітером?

.Поясніть процес підсилення по струму в схемі підключення транзистора з спільним емітером.

.Як впливає величина напруги на ділянці колектор-емітер на положення вхідної статичної характеристики транзистора?

.Чи можна замінити транзистор двома діодами, ввімкненими послідовно? На що це вплине?


Вступ моделювання процесор фізика На сучасному етапі розвитку інформаційно-комунікаційних технологій маємо великі можливості для підвищення якості навчаль

Больше работ по теме:

КОНТАКТНЫЙ EMAIL: [email protected]

Скачать реферат © 2017 | Пользовательское соглашение

Скачать      Реферат

ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОМОЩЬ СТУДЕНТАМ