Исследование взаимодействия постоянных магнитов и высокотемпературного сверхпроводника как направление исследовательской деятельности учащихся старших классов
Введение 3
Глава 1. Изучение взаимодействий постоянных магнитов и
высокотемпературного сверхпроводника (обзор) 6
1.1 Общие сведения о сверхпроводниках и постоянных магнитах 6
1.2 Свойства сверхпроводников 10
1.3 Эффект Мейснера 11
Глава 2. Оригинальные результаты 14
2.1 Взаимодействие сверхпроводника и магнита 14
2.2 Экспериментальное измерение силы притяжения магнита над
сверхпроводником 19
2.3 Взаимодействие сверхпроводника и магнита после перфорации пластины
21
Глава 3. Организация исследовательской деятельности учащихся старших классов по теме «Взаимодействие постоянных магнитов и высокотемпературного сверхпроводника» 23
3.1 Определения понятия организации исследовательской деятельности
старших классов 23
3.2 Методические рекомендации по организации исследовательской
деятельности старших классов по теме «Взаимодействие постоянных магнитов и высокотемпературного сверхпроводника» 27
3.3 Методические материалы 29
3.4 Техника безопасности при проведения исследовательской деятельности 34
3.5 Результаты исследования учащегося старшей школы 35
Заключение 37
Список использованных источников 38
Актуальность. Исследование взаимодействий постоянных магнитов и высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП) является одной из фундаментальных задач в физике твердого тела, а также основой для практических применений сверхпроводников в магнитных и электрических системах.
Изучение свойств высокотемпературных сверхпроводников дает нам возможность создавать сверхпроводящие устройства, которые могут функционировать только при низкой температуре. ВТСП применяют в разработке систем магнитной левитации (транспорт на магнитных подушках, магнитные подшипники и другие), а также в разработке источников сильного магнитного поля. Главным условием работы этих устройств является величина индукции магнитного поля, которое выдерживает сверхпроводник без разрушения сверхпроводящего состояния. Это критическое поле определяет возможность использования сверхпроводника в качестве постоянного магнита.
На данный момент существует проблема внедрения организации научно-исследовательской деятельности обучающихся в школе. Анализ образовательных практик говорит о том, что такие исследования, в рамках школы, не проводятся учителями. Поэтому нужно ввести новые формы реализации научно-исследовательской деятельности в образовательном процессе, чтобы учащиеся могли больше углубиться в изучении физики.
Внеурочные формы обучения обеспечивают специализацию в конкретной области знаний. Такие формы могут изменяться под влиянием нескольких факторов: научный интерес педагога и учащихся и актуальные открытия научного исследования. Если применить такой подход в школе, то прямое включение заинтересованных школьников в научно-исследовательскую деятельность становится не в форме имитации, а в форме реального обучения научного познания.
Примером темы таких внеурочных форм организации обучения, является: «Исследование взаимодействия постоянных магнитов и высокотемпературного сверхпроводника». Взаимодействие магнитов и ВТСП важно для прикладных применений, и обучающихся старших классов следует познакомить с данными физическими явлениями и их применениями.
Проблему исследования можно сформулировать следующим образом: как взаимодействуют постоянные магниты со сверхпроводниками? От чего зависит это взаимодействие? Как можно измерить такое взаимодействие?
Объект исследования: взаимодействие постоянных магнитов и сверхпроводников как содержание научно-исследовательской деятельности.
Предмет исследования: организация научно-исследовательской деятельности учащихся старших классов по взаимодействию постоянных магнитов и сверхпроводников.
Цель работы: изучение вопросов взаимодействий постоянных магнитов и сверхпроводников в рамках научно-исследовательской деятельности учащихся старших классов.
Задачи исследования:
1. Ознакомится с явлением сверхпроводимости;
2. Изучить свойства современных лент из ВТСП;
3. Экспериментально исследовать взаимодействие ВТСП с неодимовыми магнитами;
4. Измерить силу притяжения между магнитом и сверхпроводником;
5. Разработать программный модуль для исследования взаимодействия магнита и ВТСП;
6. Разработать методические материалы для проведения встреч с учащимися по теме исследования.
Апробация и внедрение результатов. Материалы данного исследования были представлены на конференции “Образование и наука в XXI веке: математика, физика, информатика и технологии в смарт-мире” КГПУ им. В.П. Астафьева, май 2024 г. Подготовка научно-исследовательского проекта учащегося физ.-мат. школы СФУ.
Структура выпускной квалификационной работы определена логикой научного исследования. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы.
В ходе данного исследования были получены следующие теоретические и практические результаты:
1. Разработан программный модуль для проведения исследования взаимодействия постоянного магнита и высокотемпературного сверхпроводника;
2. Получены результаты по взаимодействию сверхпроводников и постоянных магнитов в ходе исследовательской деятельности;
3. Установлено, что взаимодействие зависит от количества слоев сверхпроводящей ленты, а также не зависит от массы и формы магнита;
4. Показано, что после перфорации пластины, сила притяжения магнита и сверхпроводника не увеличивается, так как для эффективного захвата магнитного потока нужны дефекты меньшего диаметра;
5. Определены направления и формы работы с обучающимися старшей школы, которые соответствуют по времени и задачам интеграции школьников в научный процесс;
6. Разработаны методические материалы для проведения встреч с учащимися по данной теме исследования.
Таким образом, все поставленные задачи исследования выполнены, а цель достигнута. В рамках дальнейшего научного исследования в ходе реализации темы, целесообразно провести апробацию результатов исследования для оценки эффективности реализации исследовательской деятельности по физике для учащихся старших классов.
