ВВЕДЕНИЕ 3
ГЛАВА 1. РОЛЬ КОМПЬЮТЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ОБУЧЕНИИ
ФИЗИКЕ 5
1.1 Эксперимент как средство обучения физике 5
1.2 Место компьютерного эксперимента в обучении физике 9
ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ОПЫТА ШТЕРНА-ГЕРЛАХА 15
2.1 Опыт Штерна-Герлаха 15
2.2 Этапы компьютерного моделирования опыта Штерна-Герлаха 25
ГЛАВА 3. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА «ОПЫТ ШТЕРНА-ГЕРЛАХА».... 38
3.1 Описание опыта и экспериментальной установки 38
3.2 Упражнение 1 41
3.3 Упражнение 2 42
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 46
ПРИЛОЖЕНИЕ
На сегодняшний день обучение физике неизменно включает в себя проведение физических экспериментов как обязательную часть современных образовательных технологий. Роль физического эксперимента нельзя недооценивать. С одной стороны, он позволяет учащемуся глубже понять сущность изучаемого явления, понять, почему оно происходит так, а не иначе. С другой стороны, при проведении эксперимента учащийся собственноручно может «открыть» или подтвердить полученный ранее теоретически закон окружающего мира. Кроме того, работа с приборами и оборудованием, получение результатов с помощью измерительных инструментов и их последующая математическая обработка развивают практические навыки экспериментатора.
Механика и электродинамика, являясь макроскопической физикой, предоставляют хорошие возможности для экспериментальной и конструкторской деятельности учащихся, которая будет способствовать развитию когнитивных и творческих способностей. Однако переход к познанию мега- и микромира снижает возможности реализации экспериментальной деятельности учащихся в рамках среднего и высшего образования, так как для изучения микромира обычно требуется дорогостоящее оборудование, а космологические эксперименты практически невозможно провести в виду масштабов исследуемых объектов. На помощь приходит компьютерное моделирование процессов и явлений, происходящих в этих областях. Модуль «Современная квантовая физика в образовании» создает связь между математическим формализмом квантовой физики и ее конкретными физическими проявлениями.
Изучение квантовой физики является достаточно сложным для студентов, поэтому для достижения наилучшего результата обучения реальный физический лабораторный практикум по этому разделу дополнен компьютерным моделированием тех лабораторных работ, выполнение которых
в реальном режиме затруднительно или компьютерное моделирование позволяет лучше понять суть процессов, происходящих в эксперименте. Именно такие лабораторные работы лежат в основе дисциплины «Лабораторный практикум по курсу “Квантовая физика”» [1].
На настоящий момент данная дисциплина включает в себя следующие лабораторные работы: «Изучение излучения абсолютно черного тела», «Экспериментальное открытие ядерной модели атома», «Экспериментальное подтверждение волновых свойств элементарных частиц», «Экспериментальное подтверждение постулатов Бора», «Изучение атомных спектров», «Лазер», «Дефект масс», «Определение коэффициента поглощения радиоактивного излучения». Целью моей выпускной квалификационной работы является разработка лабораторной работы «Опыт Штерна-Герлаха», которая дополнит лабораторный практикум по курсу «Квантовая физика». Исходя из поставленной цели, были сформулированы следующие задачи:
• Создать программу, наглядно демонстрирующую опыт Штерна- Герлаха;
• Составить инструкцию по выполнению лабораторной работы «Опыт Штерна-Герлаха» на базе созданной программы.
Программа была создана в среде быстрой разработки приложений Embarcadero RAD Studio XE3 на языке программирования Delphi. Инструкция по использованию программы включена в данную выпускную квалификационную работу в качестве отдельной главы.
Работа состоит из введения, трёх глав, заключения и двух приложений.
Эксперимент является чрезвычайно мощным инструментом в обучении физике. Не умаляя значимости теоретического обучения, можно с уверенностью заявить, что применение физических экспериментов в обучении отвечает основополагающим принципам обучения, а именно сознательности и активности, наглядности, системности и последовательности, прочности, доступности, и что самое главное, научности и связи теории с практикой. Выполнение опытов формирует интеллектуальные и практические экспериментальные умения, которые включают в себя с одной стороны умения определить цель эксперимента, выдвигать гипотезы, подбирать приборы, планировать эксперимент, вычислять погрешности, анализировать результаты, оформлять отчет о проделанной работе, и с другой стороны собирать экспериментальную установку, наблюдать, измерять, экспериментировать. Обучение с помощью экспериментов не противопоставлено теоретическому обучению, а гармонично его дополняет.
Возможность проводить натурные эксперименты есть при изучении механических и электромагнитных явлений. Однако при изучении разделов физики, связанных со строением вещества, в частности квантовой физики, возможность проводить натурные эксперименты практически отсутствует по разным причинам: чересчур малые размеров исследуемых систем, характерное время эксперимента, не укладывающееся в рамки учебного процесса; дороговизна экспериментальных установок, повышенные требования к технике безопасности и т.д. На помощь приходит компьютерный эксперимент - виртуальная модель реального физического опыта. Хорошо развитое взаимодействие между пользователем и машиной, компьютерная графика и анимация позволяют широко использовать виртуальный эксперимент в образовании. При этом нельзя допускать злоупотребления компьютерным экспериментом - он должен проводиться только в том случае, если проведение реального эксперимента невозможно.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы нами была составлена программа, наглядно демонстрирующая опыт Штерна-Герлаха, а также на ее основе разработана лабораторная работа «Опыт Штерна-Герлаха». Данная лабораторная работа пополнит компьютерный лабораторный практикум, существующий в рамках модуля «Квантовая физика» на научно¬педагогическом отделении Института физики Казанского федерального университета.
При выполнении этой лабораторной работы студенты закрепят знания, полученные на лекциях в рамках модуля «Квантовая физика»; более прочно освоят такие понятия, как квантовые числа, спин электрона, магнитный момент электрона, магнетон Бора; отточат навыки и умения проведения компьютерного эксперимента, обработки результатов и расчета ошибок измерений.
Подводя итог, можно сказать, что цели и задачи выпускной квалификационной работы были достигнуты. Вместе с развитием вычислительной техники растет и ее роль в науке и обучении. Вычислительная физика на сегодняшний день занимает ту же ступень, что и теоретическая или практическая физика. Поэтому для современного педагога крайне важно уметь применять последние достижения вычислительной техники в обучении - в том числе и компьютерный эксперимент.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
