ЦИК и динамическая система Vernier для уроков физики

Известная история — жил один господин по имени Исаак Ньютон, и вдруг этому господину на голову упало яблоко, сел он и написал трактат «Математические начала натуральной философии». Так и появилась классическая механика — один из фундаментальных разделов физики, который неустанно изучают во всех школах мира вот уже более трех столетий подряд. Поэтому вполне естественно, что методика его преподавания уже изучена до дыр. Или точнее, изглодана до классического огрызка.

Однако современная эра новейших технологий добавляет достопримечательностей даже таким самым классическим вещам, как механика. Конечно, если это механика с цифровым измерительным комплексом и динамичной системой Vernier — о ней и поговорим далее.

Почему Vernier?

А это уже другая история — о создании современной образовательной среды, что предусмотрено Законом Украины «Об образовании», концепцией реформирования общего среднего образования «Новая украинская школа» и Национальной стратегией развития образования. И особую роль в этой истории, безусловно, отведено цифровому учебному оборудованию. Ведь не может быть современной образовательной среды без современного образовательного оборудования. А современного образовательного оборудования без Vernier — мирового лидера в этой области.

Потому что это оборудование:

• качественное,
• точное,
• надежное.

А еще — потому что оно надежное, точное и качественное. И это не опечатка.

Измерительные приборы Vernier соответствуют всем требованиям МОН по использованию в учебном процессе, в частности Приказу №574 «Об утверждении Типового перечня средств обучения и оборудования для учебных кабинетов и STEM-лабораторий», а по уровню возможностей они способны удовлетворить исследовательские потребности не только для проведения школьных уроков, но и для профессиональной научной работы. Важный показатель — компания Vernier не боится предоставлять на свое оборудование 5 лет гарантии, даже несмотря на использование в сложных полевых школьных условиях.

Динамическая система: что это и для чего

Итак, Vernier предлагает системные решения для экспериментов по всем разделам физики. Важным преимуществом здесь является простота и интуитивность в использовании приборами, скорость, информативная наглядность и значительные возможности по качественного и количественного анализа результатов.

Примером такого оборудования является динамическая система, предназначенная для изучения классической механики в школьных курсах физики 7 и 9 классов, а также для вузов всех уровней.

В ее состав входят:

1. трек-скамья с линейной шкалой и регулируемыми по высоте ножками,
2. две коляски с магнитными бортами для упругих столкновений и штатными креплениями для дополнительного оборудования,
3. борт-ограничитель скамьи с магнитами,
4. экран для датчика движения,
5. шкив,
6. набор креплений для датчиков.

Для полноценного использования динамической системы в учебном процессе понадобится еще и цифровой измерительный комплекс. В частности для экспериментов по механике:

1. датчик движения,
2. два датчика силы/ускорения Go Direct,
3. а также регистратор данных LabQuest 2 или компьютер, планшет или смартфон с бесплатным приложением Graphical Analysis.

Экспериментируем на примерах

Продемонстрируем учебные возможности цифровой динамической системы с помощью двух простых опытов.

В первом установим скамью под углом к горизонту и пустим коляску свободно катиться вниз. Как мы знаем, под действием силы тяжести она будет двигаться прямолинейно равноускоренно — именно такие результаты зарегистрированны датчиком движения. Видим соответствующие графики зависимости положения коляски, скорости и ускорения от времени.

Кстати, очень удобно, что программа записей и анализа данных Graphical Analysis позволяет выводить на дисплей в режиме реального времени динамику изменения одновременно нескольких измерительных параметров.

Итак, в эксперименте коляска двигалась равноускоренно, совершила почти упругое столкновение с бортом-ограничителем ряды, отбивалась от него и снова повторяла тот же цикл движения — вплоть до полной остановки. Причем не теоретические предположения, а именно графические зависимости позволяют делать уверенные выводы о том, что в период между столкновениями движение тела было одинаковым по физической сути, но с параметрами, которые постепенно уменьшались.

Хорошо видно, шо во время каждого из периодов равноускоренного движения ускорение коляски было одинаковым — на уровне 0,13 м/с2 — ведь на тело действовала только одна стала сила притяжения Земли. В то же время скорость возрастала прямо пропорционально времени, а координата менялась по квадратичному закону.

 

Очевидно, что благодаря такому простой, но эффективной иллюстрации, ученикам будет легче понять природу нового для них понятия ускорения и его связь с другими механическими величинами.

Поэтому перейдем ко второму опыту — он будет касаться экспериментальной демонстрации третьего закона Ньютона.

Для этого возьмем еще один коляску и прикрепим к ним обоим по датчику силы / ускорения — штатные крепления предусматривают возможность снятия динамических показателей столкновений колясок с препятствиями или между собой.

В предлагаемом эксперименте одна из колясок стоит неподвижно на скамье, а вторая движется равномерно ей навстречу. Несмотря на это видим, что во время столкновения коляски взаимодействуют с примерно одинаковыми по модулям силами (пики в 2,75 Н и -3,21 Н в точке 1,68 с). В то же время противоположность знаков наглядно демонстрирует векторную природу понятия силы.

Далее одна из колясок отталкивается от борта-ограничителя лавы, отражается и настигает вторую коляску. На графике это демонстрируют другие пики в точке 2,36 с (2,44 Н и -2,83 Н соответственно). Однако между столкновениями на коляски не действуют никакие другие силы, а следовательно они движутся равномерно и прямолинейно.

Проверить это предположение можно, если одновременно отобразить на дисплее еще и график изменений ускорений колясок.

Хорошо видно, что в моменты столкновений — по второму закону Ньютона — коляски приобретают противоположно направленные ускорения. А одна из колясок еще и дополнительное ускорение в точке 2,1 с — от столкновения с препятствием.

После проведения всего лишь двух экспериментов, у нас уже есть достаточно информации для анализа и изучения целого ряда механических понятий и явлений: силы трения и инерции, в результате которых графики отличаются от идеальных теоретических предсказаний; векторной природы динамических характеристик, второго, третьего законов Ньютона и законов сохранения импульса и энергии, понятия работы по перемещению тела по наклонной плоскости и др.

Вот такая она, классическая механика с цифровыми возможностями Verrnier — сам Ньютон позавидовал бы.