ЦВК і динамічна система Vernier для уроків фізики

Відома історія — жив собі добродій на ім’я Ісаак Ньютон, аж раптом цьому панові на голову впало яблуко, сів він і написав трактат «Математичні начала натуральної філософії». Так і з’явилася класична механіка — один із фундаментальних розділів фізики, який невтомно вивчають у всіх школах світу ось уже понад три століття поспіль. Тож цілком природно, що методика її викладання вже вивчена до дір. Чи то пак згризена до класичного недогризка.

Проте сучасна ера новітніх технологій додає цікавинок навіть таким найкласичнішим речам, як механіка. Звісно, якщо це механіка з цифровим вимірювальним комплексом і динамічною системою Vernier — про неї й поговоримо далі.

Чому саме Vernier?

А це вже інша історія — про створення сучасного освітнього середовища, що передбачено Законом України «Про освіту», концепцією реформування загальної середньої освіти «Нова українська школа» та Національною стратегією розвитку освіти. Й особливу роль в цій історії, безумовно, відведено цифровому навчальному обладнанню. Адже не може бути сучасного освітнього середовища без сучасного освітнього обладнання. А сучасного освітнього обладнання без Vernier — світового лідера в цій галузі.

Тому що це обладнання:

• якісне,
• точне,
• надійне.

А ще тому що воно надійне, точне та якісне. І це не одрук.

Вимірювальні прилади Vernier відповідають усім вимогам МОНу щодо використання в навчальному процесі, зокрема Наказу №574 «Про затвердження Типового переліку засобів навчання та обладнання для навчальних кабінетів і STEM-лабораторій», а за рівнем можливостей вони здатні задовольнити дослідні потреби не лише під час уроків, але й для професійної наукової роботи. Важливий показник — компанія Vernier не боїться надавати на своє обладнання 5 років гарантії, навіть зважаючи на використання в складних польових шкільних умовах.

Динамічна система: що й для чого

Отже, Vernier пропонує системні рішення для експериментів з усіх розділів фізики. Важливою перевагою тут є простота й інтуїтивність у користуванні приладами, швидкість, інформативна наочність та значні можливості з якісного та кількісного аналізу результатів.

Прикладом такого обладнання є динамічна система, що призначена для вивчення класичної механіки в шкільних курсах фізики 7 та 9 класів, а також ВНЗ всіх рівнів.

До її складу входять:

1. трек-лава з лінійною шкалою та регульованими за висотою ніжками,
2. два візочки з магнітними бортами для пружних зіткнень й штатними кріпленнями для додаткового обладнання,
3. борт-обмежувач лави з магнітами,
4. екран для датчика руху,
5. шків,
6. набір кріплень для датчиків.

Для повноцінного використання динамічної системи в навчальному процесі знадобиться ще й цифровий вимірювальний комплекс. Зокрема для експериментів з механіки:

1. датчик руху,
2. два датчики сили/прискорення Go Direct,
3. а також реєстратор даних LabQuest 2 або комп’ютер, планшет чи смартфон з безкоштовним застосунком Graphical Analysis.

Експериментуємо на прикладах

Продемонструємо навчальні можливості цифрової динамічної системи, провівши два прості досліди.

У першому встановимо лаву під кутом до горизонту та пустимо візочок вільно котитися донизу. Як ми знаємо, під дією сили тяжіння він рухатиметься прямолінійно рівноприскорено — саме такі результати зареєстровано датчиком руху. Бачимо відповідні графіки залежності положення візочка, швидкості та прискорення від часу.

До речі, дуже зручно, що програма з реєстрування та аналізу даних Graphical Analysis дозволяє виводити на дисплей у режимі реального часу динаміку зміни одночасно кількох вимірювальних параметрів.

Отож в експерименті візочок рухався рівноприскорено, здійснив майже пружне зіткнення з бортом-обмежувачем лави, відбивався від нього та знову повторював той же цикл руху — аж до повної зупинки. Причому не теоретичні припущення, а саме графічні залежності дозволяють робити впевнені висновки про те, що в період між зіткненнями рух тіла був однаковий за фізичною суттю, але з параметрами, що поступово зменшувалися.

Добре видно, шо під час кожного з періодів рівноприскореного руху прискорення візочка було однаковим — на рівні 0,13 м/с² — адже на тіло діяла лише одна стала сила тяжіння Землі. Водночас швидкість зростала прямо пропорційно до часу, а координата змінювалася за квадратичним законом.

Певна річ, завдяки такому простому, а проте ефективному унаочненню, учням буде легше зрозуміти природу нового для них поняття прискорення та його зв’язок з іншими механічними величинами.

Відтак перейдемо до другого досліду — він стосуватиметься експериментальної демонстрації третього закону Ньютона.

Для цього візьмемо ще один візочок та прикріпимо до обох них по датчику сили/прискорення — штатні кріплення передбачають можливість зняття динамічних показників зіткнень візочків з перешкодами або між собою.

В запропонованому експерименті один з візочків стоїть нерухомо на лаві, а другий рухається рівномірно йому назустріч. Попри це бачимо, що під час зіткнення візочки взаємодіють з приблизно однаковими за модулями силами (піки у 2,75 Н та -3,21 Н в точці 1,68 с). Водночас протилежність знаків наочно демонструє векторну природу поняття сили.

Далі один з візочків відштовхується від борта-обмежувача лави, відбивається й наздоганяє другий візочок. На графіку це демонструють другі піки у точці 2,36 с (2,44 Н та -2,83 Н відповідно). Одначе між зіткненнями на візочки не діють ніякі інші сили, а отже вони рухаються рівномірно й прямолінійно.

Перевірити це припущення можна, якщо одночасно відобразити на дисплеї ще й графік змін прискорень візочків.

Добре видно, що в моменти зіткнень — за другим законом Ньютона — візочки набувають протилежно напрямлених прискорень. А один із візочків ще й додаткового прискорення в точці 2,1 с — від зіткнення з перешкодою.

Провівши лише два експерименти, маємо вже достатньо інформації для аналізування й вивчення цілої низки механічних понять та явищ: сили тертя й інерції, внаслідок яких графіки відрізняються від ідеальних теоретичних передбачень; векторної природи динамічних характеристик, другого, третього законів Ньютона та законів збереження імпульсу й енергії, поняття роботи з переміщення тіла похилою площиною та ін.

Ось така вона, класична механіка з цифровими можливостями Verrnier — сам Ньютон позаздрив би.