CC BY
163
С. А. ГЕЛЬВЕР И. М. ЗЫРЯНОВА
Омский государственный университет путей сообщения
УДК 378.147,681.3
использование среды матнсао в лабораторном
практикуме по Физике
и химии в техническом вузе
ПРИ ИЗУЧЕНИИ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ДИСЦИПЛИН БОЛЬШОЕ ЗНАЧЕНИЕ ИМЕЕТ ПРИОБРЕТЕНИЕ НАВЫКОВ ПРОВЕДЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫМ СРЕДСТВОМ, ПОЗВОЛЯЮЩИМ ЭФФЕКТИВНО РЕШАТЬ ЗАДАЧУ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРЕНИЙ, ЯВЛЯЕТСЯ МАТНСАО. ЭТА ПРОГРАММА ЯВЛЯЕТСЯ УНИВЕРСАЛЬНОЙ И ПОЗВОЛЯЕТ ПРОИЗВОДИТЬ МАТЕМАТИЧЕСКУЮ ОБРАБОТКУ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ВСЕМ РАЗДЕЛАМ КУРСА ФИЗИКИ И ХИМИИ. АВТОРАМИ РАЗРАБАТЫВАЕТСЯ КОМПЛЕКС ПРОГРАММИРОВАННЫХ РАСЧЕТНЫХ ЗАДАНИЙ ПО ТЕМАМ, ВЫПОЛНЯЕМЫМ В СРЕДЕ МАТНСАО. СОГЛАСНО ДАННЫМ, ПРИМЕНЕНИЕ ПВЭМ ПОВЫШАЕТ ИНТЕРЕС К ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМУ ПРОЦЕССУ, ПОЗВОЛЯЕТ БЫСТРЕЕ ОСВОИТЬ УЧЕБНЫЙ МАТЕРИАЛ, ПОЛОЖИТЕЛЬНО СКАЗЫВАЕТСЯ НА РЕЗУЛЬТАТАХ ИТОГОВОГО КОНТРОЛЯ.
В соответствии с новыми требованиями к содержанию обучения современного специалиста возрастает роль практических занятий в образовательном процессе, причем эффективность и продуктивность учебного процесса повышается при внедрении компьютерных технологий в лабораторный практикум. При этом компьютерные средства обучения должны рассматриваться, с одной стороны, как источник информации, а с другой - как техническое средство, позволяющее значительно усовершенствовать и облегчить исследования в различных областях науки и техники, решение практических задач, расширить представления об изучаемых процессах и явлениях
Постоянное увеличение потока информации и уменьшение доли часов, отведенных на изучение естественнонаучных дисциплин (в частности, химии и физики), приводит к перераспределению учебной нагрузки и перестройке учебного процесса в целом. По учебным планам 2002/03 уч. года на всех факультетах общая химия изучается в 1(2) семестре и общий объем часов составляет 68-136 часов; общая физика, соответственно, в 1, 2, 3, 4 семестрах в пределах 408-544 часов; причем варьируется количество и лекционных часов, и практических, и лабораторных занятий, а также количество часов, отведенных на контрольно-самостоятельные работы [1]. В этих условиях необходимо определить объем, состав и структуру учебного материала, разработать технологию обучения, определить пути и способы управления учебным процессом.
Лабораторный практикум - одна из важных и обязательных форм вузовского обучения, причем на него отводится достаточно большое количество (по сравнению с другими формами обучения) часов и возлагаются следующие функции: овладение экспериментальными методами и средствами изучаемой естественнонаучной дисциплины. Выполнение лабораторных работ по традиционной методике малоэффективно, поскольку выполнение опытов часто носит формальный характер: не раскрывается смысл работы, отсутствует, на первый взгляд, связь теории и практики; и, по мнению студентов, экспериментальные умения и навыки не учитываются на экзамене. С другой стороны, студенты младших курсов, как правило, слабо владеют навыками самостоятельной работы, в том числе и экспериментальными. Возникают затруднения при работе с учебной литературой и другими методическими разработками [2].
Поэтому на кафедре физики и химии в ОмГУПС с целью интенсификации учебного процесса разрабатываются и внедряются в лабораторный практикум компьютерные программы различного типа [3, 4, 5].
Вычислительная мощь компьютера позволяет использовать его как средство автоматизации научной работы, где встречается широкий спектр задач ограничен-
ной сложности, для решения которых можно использовать универсальные средства.
Например:
• подготовка документов содержащих текст и формулы, записанные в привычной для специалистов форме;
• вычисление результатов математических операций, в которых участвуют числовые константы, переменные и размерные физические величины;
■ операции с векторами и матрицами;
■ решение уравнений и систем уравнений;
• статистические расчеты и анализ данных;
■ построение двумерных и трехмерных графиков;
■ тождественное преобразование выражений, аналитическое решение уравнений и систем;
• дифференцирование и интегрирование, аналитическое и численное;
• решение дифференциальных уравнений [6].
К универсальным программам, пригодным для решения таких задач, относится программа Ма№САО, которая представляет собой автоматизированную систему, позволяющую динамически обрабатывать данные в числовом и аналитическом (формульном) виде.
При изучении естественнонаучных дисциплин большое значение имеет приобретение навыков проведения измерений и обработки результатов при выполнении лабораторных работ. Знакомство со статистическими методами обработки результатов помогает студентам быстро вычислить ошибку опыта, представить полученные результаты с определенной степенью надежности. Решение зггой проблемы нередко связано с трудоемкими процедурами. Вычислительным средством, позволяющим эффективно решать задачу математической обработки измерений, является Ма^САО. Преимуществом среды является то, что при программировании выражения представляются в доступном, хорошо знакомом алгебраическом виде. Мощным вычислительным средством, позволяющим решать задачу математической обработки измерений, является Ма№СА0 во всех существующих версиях. Преимуществом среды МаИчСАО является то, что при программировании выражения представляются в доступном, хорошо знакомом алгебраическом виде. Важнейшим преимуществом этой среды программирования является также возможность осуществления символьных операций. Программа Ма№САО легко инсталлируется на ПЭВМ, ею оснащены компьютерные классы университета, и она имеется у немалого числа студентов на домашних персональных компьютерах. Этими соображениями объясняется выбор среды Ма№САО для разработки программы математической обработки результатов измерений [7].
Эта программа является универсальной и позволяет производить математическую обработку результатов ла-
бораторных работ по всем разделам курса физики и химии. Результаты работы программы отражаются всего на нескольких рабочих листах МаШСАО, которые могут быть распечатаны и приложены к отчету по выполнению работы. Работа с программой начинается стого, что анализируется расчетная формула косвенного измерения, погрешность которого необходимо определить. Определяется количество переменных в расчетной формуле, которыми могут быть результаты прямых измерений, входящих в расчетную формулу, а также приближенные числа. Расчетная формула вводится как функция этих переменных /(х ,у,г,...)
Используя возможности символьных операций среды Ма№САй, задаются выражения для частных производных:
в которой относительная погрешность е{ определяется из выражения:
d\nj\x, у,:,...)
dx
■Ах +
d\nf(x ,y,z,...)
■dlnfjx.y.z,...)
dz
dy
Ну)
Ay-i
■H»)
(9)
Например, при выполнении лабораторной работы "Скорость химических реакций. Равновесие" студенты-первокурсники обрабатывают полученные результаты, строят графические зависимости в системе Ма№САО (как на плоскости рис.1, так в пространстве).
d\nf(x.y,z,...) > dInf(x,у,.-,...) t dh/(x,y,z,...) dx ' dy 'dz
df(x,y,z,...) t df(x,y,:....) ? df(x,y,z,...) dx ' dy 'dz
•,...; (1)
В следующем блоке программы вводятся результаты первого прямого измерения х, и осуществляется математическая обработка по известной процедуре обработки прямых измерений
■ вычисляется среднее значение:
(2)
- вычисляются абсолютные погрешности однократных измерений:
Л*; =(■*)-*/ ,
(3)
- вычисляется абсолютная случайная погрешность серии измерений:
2>i
Аха
(4)
- вводится приборная погрешность первого прямого измерения Лхпр ,
- вычисляется абсолютная суммарная погрешность первого прямого измерения:
Дг = Дл01+Дг„
(5)
Блок обработки результатов прямых измерений повторяется столько раз, сколько прямых измерений входит в расчетную формулу, в результате чего получают значения
Лу, Лг, ... .
В следующем блоке профаммы рассчитывается среднее значение косвенного измерения:
(6)
В последнем блоке программы производится расчет абсолютной погрешности косвенного измерения по двум вариантам .
По первому варианту абсолютная погрешность определяется по формуле:
\df(x,y,z,..j\
dx
■Дгн
1х=(г>
df(.x,y,z,...) I
df(x,y,z,...;
dy
.(r>
■Лу-t
dz
Az!
(7)
По второму варианту абсолютная пофешность 4f определяется по формуле:
«¡»Ii - ,
Шч ^ -v« v % V * 1S 20 Ъ
<■ % I
0.17
0.1
и :=
0.Ü7
0.05
i1
6
1 l : 10
- 15
* 21
25
Рис. 1. Построение графике на плоскости. «Зависимость скорости химической реакции от времени».
В настоящее время авторами разрабатывается комплекс программированных расчетных заданий по тёмам: "Электрохимия", "Энергетика химических реакций", выполняемых в среде Ма№САО [6].
В качестве примера методического обеспечения предлагаются упражнения:
Вариант 1
1. Вычисление электродных потенциалов металлов. Вычислите электродный потенциал цинка, опущенный в раствор его соли с концентрацией ионов Тп2* 0,001 моль/л.
2. Гальванический элемент состоит из металлического цинка, погруженного в 0,1 М раствор нитрата цинка, и металлического свинца, погруженного в 0,02 М раствор нитрата свинца. Вычислить э. д. с. элемента, написать уравнения электродных процессов, составить схему элемента.
3. Исходя из величин стандартных электродных потенциалов и значения ЛСг„ укажите, можно ли в гальваническом элементе осуществить следующую реакцию:
Ре +0(1*= Ре2* + СЯ
4. Рассчитайте стандартную э. д. с. элемента, в котором при 298 К протекает реакция по уравнению:
2Н2 + О, = 2Н2 О (ж)
5. Вычисление потенциала электрода по величине константы равновесия реакции. Константа равновесия реакции, протекающей в гальваническом элементе:
(-)Zn/Znz* Н Cd/Cd^{+)
равна 2,022 10®. Определите электродный потенциал кадмия, если электродный потенциал цинка:
«V-/ равен 0,789 В.
/Z/r
6. Найти при 25 °С константу равновесия реакции:
Ндг(М03)2 + 2Ре(1Ч03)2 = 2Нд + 2Ре(М03)3
7. При нарушении целостности поверхностного слоя медного покрытия на алюминии будет коррозия вследствие работы гальванопары:
(-) 2А1/А13* | Н2Э041 (Си) ЗН^бЬГ (+)
За 45 с работы этой гальванопары на катоде выделилось 0,09 л водорода (измеренного при н.у.).
Сколько граммов алюминия растворилось за это время и какую силу тока дает эта гальванопара?
8. При электролизе водного раствора Ад1М03 с нерастворимым анодом в течение 25 мин при силе тока 3 А на атоде выделилось 4,8 г серебра. Рассчитайте выход по току.
9. Ток 6 А пропускали через водный раствор серной кислоты в течение 1,5 ч. Вычислить массу разложившейся воды и объем выделившихся газов (условия нормальные).
Программа позволяет проводить расчеты по определению электродных потенциалов, э.д.с. гальванических элементов, масс (объемов) продуктов электролиза по закону Фарадея и т.д Например, подставляя значения стандартных электродных потенциалов <р° в уравнение Нернста (10); п - число электронов, участвующих в обратимо протекающем окислительно-восстановительном процессе; С - концентрацию катионов металла в растворе, моль/л; можно вычислить электродный потенциал металла:
(10)
Вычислите электродный потенциал цинка, опущенный в раствор его соли с концентрацией ионов цинка 0,001 моль/л. ф°= - 0,76 В, п = 2:
фо := -0.76 с := 0.001 п := 2
t := фо + log(c)
0.059
) = -0.848
В качестве примера использования среды Ма№САО на занятиях по физике можно привести задание для моделированию изопроцессов в идеальном газе.
Цель работы: В среде Ма^САЭ для заданной массы определенного газа научиться строить и анализировать графики изопроцессов: изотермического, изохорного и изобарного (рис. 2-4).
Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона) задается соотношением
pV = ™RT М
(11)
При изотермическом процессе (Т=сопз1) зависимость давления от объема может быть описана соотношением
Р = -
mRT 1
(12)
У =mR т цр
(13)
mR
ц-v'
Задания для моделирования изопроцессов
Исследуется аргон массой 20 г. На всех представленных зависимостях давления представлено в атмосферах, объем в литрах, температура по шкале Кельвина.
Задание 1. Моделирование изотермического процесса
1. Открыть программу МаИпСАР и построить при двух значениях температуры графики функции р(У) по формуле (12). Результат работы программы будет аналогичен графику представленному на рис. 2.
2. Используя представленные зависимости и формулу (11) не менее трех раз определить температуры Т1 и Т2, а также их средние значения <Т1> и <Т2> и абсолютные случайные погрешности.
О 0.8: 1.6 2.4 3.2 у 4 Рис. 2. Моделирование изотермического промесса.
Задание 2. Моделирование изобарного процесса
1 . Открыть программу MathCAD и построить при двух значениях давления графики функции V(T) по формуле (13).. Результат работы программы будет аналогичен графику, представленному на рис. 3.
2. Используя представленные зависимости и формулу (11) не менее трех раз определить давления Р, и Р2, а также их средние значения <Р,> и <Р2>, абсолютные случайные погрешности.
Для изобарного процесса (р=сопз1) зависимость объема от температуры имеет вид:
Для изохорного процесса (V=const) зависимость давления оттемпературы представляется формулой
О 60 120 18П 240 7 300 Рис. 3. Моделирование изобарного процесса.
Задание 3. Моделирование изохорного процесса
1. Открыть программу Ма№САО и построить при двух значениях объема графики функции р (Т) по формуле (14). Результат работы программы будет аналогичен графику представленному на рис. 4.
2. Используя представленные зависимости и формулу (11) не менее трех раз определить объемы V, и У2, а также их средние значения <\/,> и <\/2>, абсолютные случайные погрешности.
Результаты проведенных исследований представлены в таблице 1.
Таблица 1
<Т1>, к ДТ1, к <Т2>, К ДТ2, К < р, > атм api, атм < Р2> атм Дрг, атм <V,> л д\Л л <V2> л AV, л
р(Т) 1 0.8
0.6
0.4 0.2
° 0 30 90 150 210 т 300
Рис. 4. Моделирование изохорного процесса.
Программа апробирована и используется в Омском государственном университете путей сообщения. Согласно данным применение компьютерных средств обучения повышает интерес к образовательному процессу, позволяет обучаемым быстрее освоить необходимый учебный материал, положительно сказывается на результатах итогового контроля. Таким образом, использование новых информационных технологий является мощным средством интенсификации учебного процесса, улучшения фундаментальной и профессиональной подготовки будущего специалиста.
Литература
1. Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Направление подготовки дипломированного специалиста. 650800 - Теплоэнергетика. Москва, 05.04.2000. 61 с.
2. Дубенский Ю.П., Зырянова И. М., Тодер Г.Б. Проблемы психологической адаптации студентов младших курсов при изучении общей химии и физики в профильном университете // Материалы конференции. Международная конференция "Университетская наука - образованию России", 2002, Санкг -Петербург, с.84 - 85.
И. Н. ДЕРГАЧЕВА
Омский госудаственный институт сервиса
УДК 372.854
Проведем анализ произведений А. Азимова и Р. Брэдбери с целью поиска, выявления рационального зерна, определенного смысла. Попытаемся ответить на вопросы: «что дает учебному предмету «химия»... научная фантастика?», «почему современному школьнику нужно и даже необходимо ее изучать?» Попробуем порассуждать.
Фантастика отражает желания, тревоги, страхи и надежды, внутреннюю и внешнюю напряженность нашего
3. Дубенский Ю.П., Зырянова И. М., Гель вер С.А. Изучение интенсификации учебного процесса при использовании компьютерных программ (на примере общей химии и физики) в профильном университете // Материалы конференции. Международная конференция "Университетская наука - образованию России", 2002, Санкт-Петербург, с. 80-81.
4. Зырянова И.М., Имашов М.А. Компьютерные конт-ролирующе - обучающие программы по общей химии. // Тезисы докладов. Всероссийская научно-методическая конференция "Новые образовательные технологии в вузе" 2001, Екатеринбург, с. 39.
5. Зырянова Й.М., Гельвер С.А. Дистанционное обучение как форма самостоятельной работы студентов // Тезисы докладов. Подготовка кадров для системы открытого и дистанционного образования: Международный научно-практический семинар. Томас ТомГУ , 2001, с. 111*115.
6. MathCAD.
7. Гельвер С.А., Смердин С.Н. Расчет погрешностей результатов измерений при выполнении лабораторных работ по физике с использованием ПЭВМ // Сборник научных статей с международным участием в четырех частях. Новые технологии - железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств: Ч. - 1. - Омск, ОмГУПС, 2000. с.63 - 65.
8. Зырянова И М, Гельвер С.А. Использование ПВЭМ в лабораторном практикуме по химии и физике как фактор повышения качества профессиональной подготовки инженера // Сборник материалов. Всероссийская научно-практическая конференция "Проблемы модернизации образования: региональный аспект", 2002, Пенза, с. 149-151.
ГЕЛЬВЕР Сергей Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры физики и химии. ЗЫРЯНОВА Ирина Михайловна, старший преподаватель кафедры физики и химии.
времени. Фантастика не монотонна. Она пестра, как радуга, и так же, как радуга, меняет цвета, переходя от реализма к самой буйной игре ума. Известно семь основных цветов в спектре американской фантастики: Т. Драйзер, Э. По, Э. Берроуз, Р. Бредбери, А. Азимов, М. Твен, Саймак, в спектре русской фантастики - А. Толстой, А. Беляев, И. Ефремов, Л. Толстой, М. Булгаков, Н. Гоголь, Ф. Достоевский. Любопытно, что фантастика подразделяется на три вида [6]. а) научная («сайнс фикшн»);
открой мир Фантастики
а. азимова и р. бредбери при изучении химии
(КУЛЬТУРНО-ИСТОРИЧЕСКИЙ АСПЕКТ)
СЕГОДНЯ В ОБУЧЕНИИ ХИМИИ АКТУАЛЬНЫМ ЯВЛЯЕТСЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НА УРОКАХ, ВНЕКЛАССНЫХ ЗАНЯТИЯХ ИДЕИ ВЗАИМОСВЯЗИ (ИНТЕГРАЦИИ) ХИМИИ И НАУЧНОЙ ФАНТАСТИКИ.
