CC BY
21
Используемые в нашем эксперименте максимальные поля Етах были значительно меньше значений Е и 2 Ес, которые могли бы позволить выйти на насыщенные кривые е'(Е=), а следовательно, на насыщение поляризации Р(Е=). В этом случае поляризация сегнетоэлектрической фазы могла быть индуцирована во всем объеме образца и характер переключения поляризации стал таким же, как и в обычной сегнетокерамике [6].
В нашем случае (средних полей) мы имеем дело с частными циклами е'(Е=) и Р(Е=), здесь начинают играть основную роль те медленные процессы релаксации поляризации, которые характерны для неупорядоченных систем типа полярного (дипольного) стекла [5]. То есть в нашем случае внешнее поле приводит к постепенному включению в процесс релаксации отдельных полярных нанобластей, выступающих в качестве «макродиполей». Отсюда и постепенное увеличение вклада в значения е' при реверсировании.
Таким образом, сопоставляя данные по дисперсии е*, полученные для области фазового перехода в слоистом сегнетоэлектрике BaBi2l\lb2Og, с поведением диэлектрической нелинейности в данном материале, можно сделать следующие выводы: 1) выявлена значительная низко- и инфранизкочастотная дисперсия е* в керамике BaBi2Nb2Og в области размытого фазового перехода и проведено разделение ее на «низкотемпературную», обусловленную релаксацией полярных образований и их границ, и на «высокотемпературную» (в области Т>Тт) дисперсии е*, когда основной вклад в е* определяют процессы Максвелл-Вагнеровской релаксации; 2) установленные особенности в поведении нелинейного диэлектрического отклика в BaBi2Nb2Og обусловливаются фазовым состоянием материала - данный слоистый сегнетоэлектрик в области температур Т<Тт в достаточно широком интервале смещающих полей находится в фазе дипольного стекла.
Литература
1. Смоленский, Г.А. Физика сегнетоэлектрических явлений / Г.А. Смоленский, В.А. Боков, В.А. Исупов [и др.]. JL: Наука, 1985.
2. Pineda-Flores J.L., Chavira Е., Reyes-Gasga J. Synthesis and dielectric characteristics of the layered structure Bi4 xRxTi3012 (Rx= Pr, Nb, Gl, Dy) // J. Eur. Ceram. Soc. 2003. 23. №6. P. 839 - 850.
3. Турик, А. В. Диэлектрические спектры неупорядоченных сегнетоакгивных систем: поликристаллы и композиты / А.В.Турик, Г.С.Радченко, А.И.Чернобабов [и др.] // ФТТ. 2006. Т. 48. В. 6. С.1088 - 1090.
4. Yul-Kyo Chung and Dong-ll Chun, J. Korean Physical Society. 1998. 32. S. 724.
5. Geifman, I.N., Ferroelectrics. 131.P. 207. 1992.
6. Яффе, Б. Пьезоэлектрическая керамика / Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе. М.: Мир, 1974.
И.М. АГИБОВА, О.В. ФЕДИНА, М.А. БЕДЖАНЯН (Ставрополь)
ТВОРЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ-ФИЗИКОВ МЛАДШИХ КУРСОВ
Показана необходимость усовершенствования методики проведения лабораторного практикума по физике путем применения творческих задач, выполнение которых предполагает использование различных компьютерных программ. Приведены примеры разработанных многоуровневых заданий и карточек помощи, используемых при проведении лабораторного практикума «Электричество и магнетизм».
Одной из задач вузовского образования является воспитание специалистов, обладающих высоким уровнем информационной культуры, способных использовать при решении профессиональных задач инструментальные средства, обеспечивающие процессы сбора, хранения и передачи информации, т.е. владеющих информационными технологиями.
© Агибова И.М., Федина О.В., Беджанян М.А., 2007
По утверждению психологов, мышление формируется там и только там, где работа языка неразрывно связана с работой руки, создающей реальные вещи. В этой связи классический лабораторный практикум для студентов-физиков младших курсов является крайне необходимым. Однако традиционный вузовский метод проведения лабораторных занятий по готовым методическим указаниям приводит к тому, что, работая по единому шаблону, студент может благополучно выполнить работу, так и не осознав сути проведённого эксперимента. При этом студент не приобретает прочных и основательных знаний и навыков в работе с приборами. Возникает задача усовершенствования методики проведения лабораторного практикума, решение которой лежит в разумном объединении традиционных и новых форм подачи учебного материала.
Первый принцип, которым руководствовались сотрудники Ставропольского государственного университета при построении новой методики проведения лабораторных работ практикума, - сделать процесс творческим, способным воспитать в студентах качества творческой личности, принимающей самостоятельные научно обоснованные решения, определяющие эффективность будущей профессиональной деятельности.
Второй принцип - внедрение в учебный процесс элементов с использованием компьютерной техники, т.к. обществу необходимы специалисты, готовые к профессиональной деятельности в современной информационной среде.
Для каждой работы лабораторного практикума по физике нами разработаны творческие задачи, выполнение которых предполагает использование различных компьютерных программ. При этом компьютер на лабораторном практикуме выступает в роли вспомогательного инструмента, ни в коем случае не заменяя натурный эксперимент. Задачи состоят из двух частей. Первая часть предполагает выполнение экспериментальной работы. Вторая - обработку полученных результатов, построение графиков теоретических и экспериментальных зависимостей для последующего их сравнения, создание компьютерных анимаций и презентаций для представления полученных результатов.
Творческие задания студенты выполняют под руководством преподавателя или инженера-лаборанта после защиты лабораторной работы в учебное время или в свободные от занятий часы. Несмотря на то, что способности студентов различны, необходимо, чтобы все они принимали участие в научно-исследовательской деятельности, поэтому комплекс заданий по сложности делится на три уровня.
Вначале студентам предлагаются задания первого уровня - самые сложные. Преподаватель только обозначает проблему, вся остальная работа - определение задачи, подготовка и постановка эксперимента, обработка результатов - проводится ими самостоятельно. Преподаватель наблюдает за выполнением поставленной задачи и только в крайнем случае (несоблюдение техники безопасности, угроза вывода приборов из строя) вмешивается в процесс. Иногда студенты находят очень оригинальные пути решения, не предусмотренные преподавателем. Если они не справляются с заданием, им предлагается перейти к решению задач второго уровня сложности.
Для заданий второго уровня проблема остается той же, только формулировка изменена так, что содержит подсказки: ограничивается круг приборов и материалов, намечаются различные пути выполнения задачи.
Третий уровень заданий предлагается студентам, если они не смогли выполнить предыдущий. Он максимально упрощен, но элементы творчества в нем все равно присутствуют. Например, после выполнения лабораторной работы «Изучение магнитных полей» студентам предлагается следующее творческое задание:
Первый уровень: сравните экспериментально полученные результаты сложения двух направленных по одной прямой электромагнитных колебаний одинаковой частоты с теоретически рассчитанными и построенными в любой из программ: Mathcad, Matematica, Excel и т. д.
Одно из возможных решений данного задания состоит в следующем.
На общий стержень из немагнитного материала надеваются и располагаются по одной прямой три катушки индуктивности на равном расстоянии друг от друга. Две крайние последовательно соединенные одинаковые катушки 1 и 2 подключаются к
выходу звукового генератора. Провода для подключения выбираются тонкие и длинные. Средняя более короткая катушка 3 подключена ко входу У электронного осциллографа. При подаче на катушки 1 и 2 переменного напряжения от генератора в катушке 3 возникнет переменная электродвижущая сила и на экране осциллографа появится синусоида, уравнение которой можно записать, определив параметры электромагнитного суммарного колебания. По полученным экспериментальным точкам можно построить кривую зависимости U(t) в программе Mathcad (или аналогичной ей). Далее, не отключая от источника, катушки 1 и 2 попеременно отодвигаются на расстояние, при котором их влияние на катушку 3 ничтожно мало и им можно пренебречь. Записав уравнения синусоид и определив параметры индуцированных в катушке 3 колебаний, направленных по одной прямой, можно получить уравнение суммарного колебания и построить теоретическую кривую в программе Mathcad. Таким образом, имея экспериментальные и теоретические кривые, студент получает возможность их сравнения. Преподавателю необходимо предложить студентам сделать соответствующие выводы и подумать над другими вариантами решения данной задачи.
Например, для усиления сигнала можно использовать стержень из магнитного материала, остаточная намагниченность которого очень мала. Оригинально, если использовать в этих целях стеклянную трубку, заполненную магнитной жидкостью (МЖ). Магнитная жидкость - жидкая намагничивающаяся среда. Студенты старших курсов на занятиях по дисциплине специализации «Жидкие намагничивающиеся среды» изучают различные свойства этой уникальной, широко применяемой в разных областях коллоидной среды. Поэтому мы заранее даем задания, с помощью которых студенты младших курсов знакомятся с некоторыми ее свойствами (см. следующий пример).
При решении творческой задачи первого уровня студенту самому придется разработать эксперимент, создать элементы установки и подобрать приборы для нее, решить, какие измерения необходимо провести и как уменьшить погрешность измерений. Выполнение такого задания под силу студентам, имеющим хорошие знания и развитые творческие способности. Тем, кто не справился с таким заданием, предлагается решить творческую задачу второго уровня сложности, упрощенный вариант (указаны возможные приборы для решения проблемы, что сужает круг поиска).
Второй уровень: сравните экспериментально полученные результаты сложения двух направленных по одной прямой электромагнитных колебаний одинаковой частоты с теоретически рассчитанными и построенными в любой из программ: Mathcad, Matematica, Excel и т. д., используя три катушки индуктивности, генератор и осциллограф.
Третий уровень сложности: сравните экспериментально полученные результаты сложения двух направленных по одной прямой электромагнитных колебаний одинаковой частоты с теоретически рассчитанными и построенными в любой из программ: Mathcad, Matematica, Excel и т. д., используя три катушки индуктивности, надетые на один стержень, две из которых соединены последовательно и подключены к выходу звукового генератора, а третья - ко входу У электронного осциллографа.
Последняя формулировка составлена для студентов, не сумевших выполнить предыдущее задание, она содержит еще больше подсказок, но элементы творчества в ней все же присутствуют.
Следующее творческое задание может быть предложено студентам также после выполнения лабораторной работы «Изучение магнитных полей».
Первый уровень: исследовать зависимость количества пиков «цветка Розенцвейга» -конических выступов, образующихся при помещении магнитной жидкости в магнитное поле, - от величины магнитного поля [1]. Для представления результатов эксперимента создать презентации в программе Power Point (или аналогичной ей).
Возможно следующее решение данной задачи. Магнитная жидкость в чашке Петри помещается в магнитное поле дроссельной катушки с сердечником, питаемой от источника постоянного тока. При изменении тока в катушке в магнитной жидкости изменяется количество пиков. Индукция магнитного поля определяется с помощью тесла-
метра. Измерение индукции магнитного поля не вызывает затруднений у студентов, т.к. при выполнении основной части лабораторной работы предусмотрены изучение тесламетра и проведение измерений с его помощью.
Второй уровень: исследовать зависимость количества пиков «цветка Розенцвейга» -конических выступов, образующихся при помещении магнитной жидкости в магнитное поле, - от величины магнитного поля, используя для определения индукции магнитного поля тесламетр. Для представления результатов эксперимента создать презентации в программе Power Point (или аналогичной ей).
На этом уровне сужен круг используемых приборов.
Третий уровень: исследовать зависимость количества пиков «цветка Розенцвейга» -конических выступов, образующихся при помещении магнитной жидкости в магнитное поле, - от величины магнитного поля, используя дроссельную катушку с сердечником, источник постоянного тока и тесламетр. Для представления результатов эксперимента создать презентации в программе Power Point (или аналогичной ей).
Здесь четко обозначены используемые приборы, но элемент творчества все же присутствует и состоит в получении нужного количества пиков, построении зависимостей и анализе и представлении полученных результатов.
Если невозможно составить формулировку трех уровней сложности, к заданию предлагаются карточки помощи (карточки с заранее подготовленным вопросом, схемой, рисунком, формулой и т.д.), которые помогают студенту найти нужное решение. Карточка постепенно сужает круг поиска решения, но прямого ответа не дает, например:
Определите работу выхода электрона с поверхности катода.
Карточки помощи:
1. Прологарифмируйте выражение для плотности тока насыщения:
_w_ и =СТ2е~
где С - константа, у - температура катода, £ = 1538-10-23 Дж/К, W - работа выхода электрона из данного материала.
2. Для измерения температуры катода воспользуйтесь методикой, приведенной в работах [2] или [3].
3. Используя любую из программ (Mathcad, Matematica или Excel), получите график зависимости ln-^- от у, представляющий собой прямую линию, угол наклона
которой позволит определить работу выхода электронов с поверхности катода.
Опыт показывает, что организация учебного процесса с элементами научных исследований различной степени сложности способствует формированию у студентов творческого подхода к решению экспериментальных задач. Они учатся планировать эксперимент, работать со сложным современным оборудованием, описывать и интерпретировать экспериментальные данные, оценивать правильность и достоверность проведённых исследований. Умения, сформированные при выполнении таких заданий, помогают студентам в проведении самостоятельных исследований по дисциплинам специализации, а также при выполнении курсовых и дипломных работ. Использование компьютерных технологий при этом способствует подготовке специалистов, которым предстоит работать в современных условиях, в быстро меняющейся информационной среде.
Литература
1. Скроботова, Т. В. Магнитные жидкости и совершенствование физического эксперимента переходного этапа «школа-вуз»: монография / Т.В. Скроботова. Ставрополь: СГСХА, 2000.
2. Иверонова, В.И. Физический практикум. Электричество и оптика / В.И. Иверонова, А.Г. Белянкин, Г.П. Мотулевич [и др.]. М., 1968.
3. Кабардин, О.Ф. / О.Ф. Кабардин, В.А. Орлов // Физика в школе. 1989. № 5. С. 158 - 160.
