Методические указания а. Д. Рожковский (стр. 1 из 20)

ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЬЮТЕРНЫЙ ПРАКТИКУМ

По дисциплинам «Концепции современного естествознания», «Концепции современного естествознания – физика» и «Физика»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

А.Д. Рожковский

2011

РАЗДЕЛ I. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ

1.1. Соответствие образовательному стандарту

Данный практикум разрабатывался в соответствие с образовательными стандартами по дисциплинам "Концепции современного естествознания", «Концепции современного естествознания – физика» и «Физика»

1.2. Цели и задачи лабораторного практикума

Целями практикума является:

- более наглядное и творческое обучение студентов концептуально важным естественнонаучным понятиям на базе их личного опыта

- более глубокое усвоение ими сути этих представлений и сути различий между старыми и новыми концепциями

- обучение студентов навыкам нелинейного мышления.

В связи с этими целями в процессе выполнения лабораторных работ решаются следующие задачи:

- студенты получают элементы специальной подготовки, что облегчает усвоение материала курса

- самостоятельно изучают в модельных экспериментах суть некоторых трудных для усвоения явлений и понятий

- приобретают творческий опыт.

1.3. Требования к уровню освоения изучаемого материала

По окончании выполнения лабораторных работ студент должен:

-Иметь представление о явлениях и процессах, которым посвящен данный практикум;

- Знать определения и суть основных понятий излагаемых в теоретической части;

- Уметь описывать результаты проведенных наблюдений и на их основании самостоятельно делать выводы, проводить расчеты различных параметров и характеристик изучаемых процессов и оценивать влияние их изменения на наблюдаемое явление; на основании материалов собственного отчета (графических и расчетных) объяснять суть основных понятий, используемых в каждой работе.

1.4. Формы контроля

По каждой работе студент должен представить отчет, который делается в процессе ее выполнения. Отчет проверяется преподавателем, и после ответа студента на контрольные вопросы, работа может быть зачтена. В течение семестра выполняется 7 лабораторных работ для дисциплины «Концепции современного естествознания», и 12 для дисциплин «Концепции современного естествознания – физика», «Физика». Выполнение этих работ является обязательным для всех студентов.

1.5. Требования к оформлению отчетов по лабораторным работам

Отчет по каждой лабораторной работе делается в рукописной форме на тетрадных листах или на бумаге формата А4.

В заголовке указываются:

Фамилия и инициалы студента, № группы

НАЗВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Каждое задание лабораторной работы оформляется как ее раздел и должно иметь заголовок. В отчете по каждому заданию, должны быть даны ответы на все вопросы и, если это указано, сделаны выводы и приведены необходимые рисунки. Результаты тестовых заданий обязательно должны быть показаны преподавателю. В заданиях, включающих в себя измерения и расчеты, должны быть приведены данные измерений и данные проведенных расчетов.

РАЗДЕЛ II. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИКУМА

2.1. Тематический план

№	Наименование темы лабораторной работы	Количество часов
1	Движение в поле центральных сил. Гравитация	2
2	Движение ионов в магнитном поле	2
3*	Гармонические колебания	2
4*	Волновое движение. Эффект Доплера	2
5*	Интерференция света	2
6*	Фотоэффект	2
7*	Дифракция электронов	2
8	Дифракция фотонов	2
9	Тепловое движение (1)	2
10	Тепловое движение (2)	2
11*	Динамика Ферхюльста	2
12*	Фазовое пространство. Аттракторы	2

(*) Звездочкой помечены лабораторные работы рекомендуемые для выполнения по для дисциплины «Концепции современного естествознания».

2.2. СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИКУМА

2.2.1. Описание практикума.

Лабораторные работы практикума содержат: рабочее окно с моделью явления, рисунок и описание рабочего окна, теоретическую часть, порядок выполнения работы, форму предоставления отчета, контрольные вопросы для проверки усвоения тем работ. Каждая работа основана на использовании наглядного анимационного представления математической модели явления. Меняя различные параметры, проводя наблюдения и измерения, студент должен изучить явление и сделать самостоятельные выводы.

2.2.2. Система навигации.

Вход в каждую лабораторную работу осуществляется через главное меню.

Каждое окно лабораторной работы имеет кнопку возврата в главное меню, расположенную слева, и внутреннюю систему навигации, расположенную в нижней части окна

Рабочее окно с моделью явления открывается при нажатии на его изображение в описании.

2.2.3. Содержание лабораторных работ.

Лабораторная работа № 1. ОПИСАНИЕ

Движение в поле центральных сил. Гравитационное взаимодействие.

C:\www\doc2html\work\content\models\fotoef.htmlРабочее окно

Вид рабочего окна приведен на Рис. 1.1. В левой части рабочего окна приведена модель движения ракеты и спутника в гравитационном поле Земли. В модели не учитывается гравитационное взаимодействие между спутником и ракетой, и, поскольку, масса спутника и ракеты намного меньше массы Земли, центральное тело (Земля) считается неподвижным.

В правой части рабочего окна расположены кнопки управления. Параметры движения спутника остаются постоянными, а параметры движения ракеты можно изменять. Кнопками управления ракетой можно изменять ее ориентацию (←,→) и включать двигатели (↑). Над кнопками управления ракетой расположены кнопки управления моделью. Кнопка Стоп останавливает движение. Кнопка Очистить удаляет изображение траекторий. Кнопка Пуск запускает движение после его остановки. Кнопка Сброс восстанавливает начальные параметры движения.

Рисунок 1.1.

Справа от кнопок управления движением расположен движок изменения масштаба, который позволяет наблюдать за движением ракеты, если ее траектория выходит за пределы рабочего окна. Над кнопками управления движения расположены: счетчик времени, и окно, в котором отображается период обращения ракеты. В верхней правой части окна, расположены кнопки теста (Тест и Проверить). В тесте задается период обращения ракеты, по которому необходимо рассчитать радиус ее круговой орбиты и скорость. При изначально заданной установке (v = 3,415), ракету можно перемещать по горизонтальной оси, и наблюдать, как меняется ее орбита, в зависимости от расстояния от Земли.

Измерения проводятся с использованием перемещаемой при помощи мыши линейки. Предварительно необходимо увеличить рабочую область окна. Увеличение и уменьшение рабочей области осуществляется при нажатой правой клавиши мыши.

Для открытия рабочего окна нажмите на его изображение.

Лабораторная работа № 1. Теория

Движение в поле центральных сил. Гравитационное взаимодействие.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Дать представление студентам об особенностях движения в поле центральных сил гравитационного взаимодействия.

Законы Кеплера и закон всемирного тяготения

Великий немецкий астроном и математик И. Кеплер в начале 17 в. на основе исследования движения Марса, полученного по многолетним наблюдениям Марса Тихо Браге, сформулировал законы движения планет Солнечной системы.

Первый закон Кеплера: Орбита каждой планеты есть эллипс, в одном из фокусов которого находится Солнце. (ПРИМЕР

)

Второй закон Кеплера: Радиус-вектор планет за равные промежутки времени описывает равные площади. (ПРИМЕР

)

Третий закон Кеплера: Квадраты периодов обращения двух планет относятся как кубы больших полуосей их орбит. (ПРИМЕР

)

Эти эмпирические формулировки справедливы не только для движения планет вокруг Солнца, но и для движения спутников планет. В этом случае центральным телом будет являться планета, например, Земля. Законы Кеплера послужили исходным материалом для вывода основных законов механики и закона всемирного тяготения. Сам закон был выведен Ньютоном на основании предположения, что сила, определяющая движение планет, и сила, определяющая падение тел на Земле, одна и та же.