Научная статья на тему 'Расчетно-графические работы по физике в вузе'

Расчетно-графические работы по физике в вузе Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
484
85
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА ОБУЧАЕМЫХ / РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА / АЛГОРИТМ КОНСТРУИРОВАНИЯ / ФОТОЭФФЕКТ

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Бурцева Елена Николаевна, Масляева Галина Николаевна, Пивень Владимир Алексеевич

Описан опыт использования расчетно-графических работ в преподавании физики в Краснодарском высшем военном авиационном училище летчиков. Приведен алгоритм построения расчетно-графической работы по физике и пример такой работы по теме «Фотоэффект».

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Расчетно-графические работы по физике в вузе»

ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКИЕ РАБОТЫ ПО ФИЗИКЕ В ВУЗЕ

1 2 3

Бурцева Е.Н. , Масляева Г.Н. , Пивень В.А.

1Бурцева Елена Николаевна - старший преподаватель;

2Масляева Галина Николаевна - кандидат педагогических наук, доцент, заведующий кафедрой;

3Пивень Владимир Алексеевич - кандидат физико-математических наук, доцент, профессор,

кафедра физики и электротехники, Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков, г. Краснодар

Аннотация: описан опыт использования расчетно-графических работ в преподавании физики в Краснодарском высшем военном авиационном училище летчиков. Приведен алгоритм построения расчетно-графической работы по физике и пример такой работы по теме «Фотоэффект».

Ключевые слова: самостоятельная работа обучаемых, расчетно-графическая работа, алгоритм конструирования, фотоэффект.

В настоящее время расчетно-графические работы (РГР) являются обычным видом практических работ в ВУЗах. Общепринятой формы РГР не существует. Они варьируются от набора вопросов и расчётных задач различной сложности [1] до небольшого экспериментального исследования на заданную тему, в котором может использоваться как натурный, так и виртуальный эксперимент [2]. Варианты заданий могут быть совершенно одинаковыми по содержанию, различаясь формально лишь числовыми данными [3]. Несмотря на то, что работы называются расчетно-графическими, графическая часть может отсутствовать. Иногда расчетно-графической работой называют просто набор заданий по всему курсу или разделу курса физики [4].

Мы понимаем РГР как вид самостоятельной работы обучаемого, состоящий в выполнении расчетов и построении на их основе графических моделей. Он преследует как обучающие, так и контролирующие цели. Это побудило нас разработать свой вариант расчетно-графических заданий, соответствующий требованиям Федерального государственного образовательно стандарта (ФГОС) к формированию умений и навыков обучаемых [5]. ФГОС требует следующих результатов обучения: знания фундаментальных физических законов и моделей физики, умений оценивать числовые значения физических величин, характерных для различных разделов физики, способности анализировать исходные данные и полученные на их основе результаты измерений и расчетов.

Критерии отбора кандидатов в ВУЗ меняются в зависимости от соотношения потребности в специалистах данного профиля и социальных возможностей выбора. Поэтому часто при зачислении абитуриентов приемная комиссия вынуждена делать уступки в ущерб уровню довузовской подготовки претендентов. В результате при изучении физики на первом курсе приходится устранять многочисленные пробелы в базовом школьном образовании. При знании законов и формул физики, справляясь с задачами репродуктивного уровня, многие первокурсники часто затрудняются в оценивании правдоподобия полученного результата, не умеют анализировать исходные данные задачи, определять необходимые и выбирать оптимальный путь решения, не умеют использовать таблицы для поиска данных, не заданных явно в условии, строить и истолковывать графики физических зависимостей - задачи продуктивного уровня для них непосильны.

Сформировать эти умения при решении стандартных расчетных задач базового уровня не представляется возможным. Эта задача может быть решена использованием РГР.

Наши РГР по физике составляются по узловым темам курса. Это дает возможность использовать их и для обобщения материала по крупному блоку, выполняя таким образом обучающие задачи, и для рубежного контроля, выполняя контролирующие задачи.

Фонд РГР непрерывно пополняется.

Все РГР сконструированы по единому алгоритму, апробированному при многолетнем использовании.

Каждая РГР представляет собою блок из тридцати равноценных по сложности вариантов (по максимальному числу обучаемых в группе). Текст задания для всех вариантов общий, а исходные числовые данные различны, причем различаются не только числовые значения величин, но и сами величины. Исходные данные представлены таблицей. Таким образом, обеспечивается и равноценность всех заданий, и самостоятельность обучаемых в выполнении работы.

Задание обязательно состоит из двух частей: расчётной и графической.

В начале каждой РГР помещена сводка формул, являющихся «первыми принципами», т.е. основными законами и определениями темы, и таблица необходимых справочных данных.

В РГР обязательно приведен пример решения с краткими пояснениями - демонстрация методического подхода к решению и одновременно образец оформления работы.

Во вводной части сборника РГР приведены требования к оформлению и критерии оценивания РГР.

В качестве примера приводим фрагмент расчетно-графической работы «Фотоэффект».

Расчётно-графическая работа «Фотоэффект»

1.Основные формулы

1.Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

Ну = А + Етах,

где к = 6,63 10-34 Джс - постоянная Планка; V - частота падающего света; А - работа выхода электрона из металла; Етах - максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов.

2. Работа выхода электрона из металла:

А = Ну - = к- С

max

где vmin - минимальная частота падающего света, Amax - максимальная длина волны падающего света, при которых фотоэффект еще возможен (красная граница фотоэффекта), c =3 108 м/с - скорость света в вакууме.

3. Максимальная энергия фотоэлектрона:

2

E max = —= eU3 ,

где m = 9,1'10-31 кг - масса электрона, omax - максимальная скорость фотоэлектрона, e = 1,60 10-19 Кл - заряд электрона, U3 - задерживающее напряжение.

4. Импульс фотона:

Ну

Рф =— •

c

5.Импульс электрона:

рэ = mo •

6. Связь между единицами энергии:

1 эВ = 1,610-19 Дж.

Металл А, эВ Металл А, эВ

Алюминий, ЛЬ 4,20 Никель, N1 5,91

Гадолиний, 0(1 2,05 Платина, К 5,50

Кадмий, С(1 4,08 Серебро, Ag 4,52

Литий, Ы 2,49 Цезий, С8 1,94

Медь, Си 4,36 Цинк, 7и 4,22

II. Варианты практической части расчётно-графической работы

Текст заданий для всех вариантов одинаков:

1. По данным таблицы 2 найти значения величин, отмеченные в таблице знаком «?».

2. Построить график зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света.

Таблица 2. Исходные данные для выполнения работы

№№ вар. Материал катода в п § я Л "в 'а > я и "в 5 * *о ~ О и ЕЕ а <3 1 & £ - м 'я ^ к?«

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

При мер ? ? 3,0 ? ? 6,5

1 Серебро, Ag 1,4 ? ? ? ?

2 ? 27 4 1,6 ? ? ?

3 Алюмин., А1 ? ? ? 6,0 ?

Фрагмент таблицы исходных данных для выполнения работы

В первой строке таблицы «Пример» приведены данные для примера выполнения работы.

III. Пример выполнения расчётно-графической работы

Задание 1.

Требуется определить: материал катода, работу выхода электронов А, минимальную частоту света, при которой возможен фотоэффект утт, максимальный импульс фотоэлектрона рэ тах , импульс фотона, вызывающего фотоэффект, рф .

Исходные данные: частота света у=3,01015 Гц и задерживающее напряжение из=6,5 В.

Решение

Определить материал катода можно по значению красной границы фотоэффекта или работы выхода фотоэлектрона. Значения работы выхода для разных материалов приведены в таблице 1, воспользуемся ею.

Из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта: А = Ну — Ек , где Ек = еиз . После подстановки числовых значений получаем: А = 6,63• 10—34• 3-1015 —1,60• 10—19• 6,5 = 9,49• 10—19 Дж = 5,93 эВ.

По найденному значению работы выхода и таблице 1 определяем материал катода -никель.

Зная работу выхода электрона, находим красную границу фотоэффекта:

A 10,43 -10"19 VK = — = —-— = 1,57 10 Гц.

к h 6,63 -10 34 1-ц

Для определения максимального импульса электрона из формул максимальной кинетической энергии и максимального импульса электрона получаем:

Umax =V 2eU 3 / m , p3rm, = mVmx = V 2emU3 = V 2-1,6-10 "19 - 9,1-10 31 - 6,5 = = 13.7 10-25 кгм/с.

hv 6,63-10"34 - 3-1015

Импульс фотона равен Рф —-—--_ 6,63 10 27 кг м/с.

Ответ: никель; vк = 1,571015 Гц; рэтах = 13,710-25 кг м/с; рф = 6,63 10-27 кг м/с.

Задание 2.

График зависимости (£тах; V) можно построить по точкам, задавая значения частоты света V и рассчитывая по уравнению Эйнштейна соответствующие значения максимальной энергии фотоэлектрона, но можно поступить более рационально.

Уравнение Эйнштейна можно записать в виде: Етах — Ну — Л.

Отсюда видно, что зависимость максимальной кинетической энергии фотоэлектрона от частоты света выражается прямой (сравните с у = кх - Ь), проходящей через точки с координатами (ук; 0) и (0; -А). В нашем случае это точки с координатами (1,571015;0) и (0; -5,93), где частота выражена в герцах, а работа выхода в электрон-вольтах (точки А и В). График зависимости (Етах; V) имеет вид, показанный на рис. 1.

Рис. 1. График зависимости максимальной энергии фотоэлектрона от частоты света

Отрицательные значения максимальной кинетической энергии электронов не имеют физического смысла, поэтому соответствующая часть графика показана пунктиром.

В отличие от обычных задач базового уровня, ограничивающихся закреплением в памяти формул и тренирующих навыки вычислений, подобные задания учат самостоятельному поиску в справочных материалах необходимых данных, выбору наиболее рационального способа решения из возможных.

Оформление вариантов заданий в виде таблицы позволяет создать комплект заданий, решаемых с помощью одного и того же набора формул и, таким образом, совершенно равноценных по сложности; в то же время исключается бездумное списывание друг у друга.

Список литературы

1. Нефедьев Л.А., Ибрагимов И.Р. Общая и экспериментальная физика: Блоки индивидуальных заданий с решениями: учебное пособие. Казань: Изд-во ТГГПУ, 2009. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://kpfu.ru/docs/ F587452334/Kvant.pdf/ (дата обращения: 27.08.2018).

2. Степанова В.А. Физика. Волновая и квантовая оптика. Учебно-методическое пособие для выполнения РГР. М. Изд. дом МИСиС.2012. [Электронный ресурс]. Режим доступа: misis.ru/Portals/0/Kaf physics/Stepanova/Stepanova quinta24092014.pdf/ (дата обращения: 27.08.2018).

3. Гущин В.С. Физика. Расчетно-графическая работа: Тепловое излучение. Квантовая оптика. Методические указания. Министерство образования Российской Федерации. Уральский государственный технический университет - УПИ. Кафедра общей физики. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http:// study. urfu. ru/ Aid/Publication/312/1/Kvant_Optika.pdf/ (дата обращения: 27.08.2018).

4. Задания для расчетно-графических работ. Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный университет физической культуры, спорта и туризма 2012. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://kgafk.ru/www/kgufk.nsf/html/fizn18.html!Open Document & Click=/ (дата обращения: 27.08.2018).

5. Пивень В.А., Бурцева Е.Н., Рябчун И.П., Столяров Д.В. Расчетно-графические работы по физике. Учебно-методическое пособие. Краснодар: Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков, 2015. 103 с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.