Цифровая лаборатория по физике

Живой эксперимент с использованием цифровых датчиков (включая веб камеру) и обработка сигналов и полученных данных на компьютере.

Занятия в группе «Цифровая лаборатория» - это живой эксперимент по физике с реальным оборудованием, только в качестве измерительной техники используются датчики положения, температуры, давления, осциллографический датчик напряжения и веб-камера. Сигнал фиксируется и обрабатывается на компьютере внутри специальной программы «ЦЛ по физике» или переносится и обрабатывается в редакторе таблиц MS Excel. Отчет о работах составляется в виде электронного файла. На занятиях также рассматриваются задания открытого банка ОГЭ и ЕГЭ по физике, содержание которых связано с экспериментом, и идеи использования датчиков в проектной деятельности.

В ходе реализации программы будет проведено около 30 лабораторных работ по механике, термодинамике и газовым законам, электродинамике, геометрической и волновой оптике в объеме программы 10 и 11 класса. Часть работ может быть выполнена учениками 9 или даже 8 класса. Перед выполнением работы проводится повторение теоретических положений курса, связанных с данной работой. Ниже приведено примерное содержание курса.

Введение (6 ч)

Правила техники безопасности при  организации рабочего места и  правила поведения учащихся. Физические величины и их измерение. Погрешность измерения аналоговых и цифровых приборов. Погрешность процедуры измерения. Интерфейс программы «Цифровая лаборатория. Погрешность косвенных измерений. Погрешность суммы и разности. Относительная погрешность. Погрешность произведения и частного. Погрешность зависимости с целым показателем. Статистическая погрешность. Среднее квадратичное отклонение. Вычисление погрешности в таблицах Excel , нанесение погрешности на график.

Практические работы:

1. Определение погрешности приборов по фотографиям. Получение данных с датчика температуры.
2. Обработка данных в таблицах Excel
3. Измерение промежутков времени при скольжении бруска по наклонной плоскости с обработкой в Excel и составлением электронного отчета.

Механика (30 ч)

Равномерное и равноускоренное движения. Работа с графиками, расчет пути при равномерном и равноускоренном движении. Герконовый датчик положения и его использование для измерения промежутков времени.  Свободное падение по прямой. Решение текстовых задач на равноускоренное движение. Движение тела, брошенного под углом к горизонту. Кинематика движения по окружности.

Законы Ньютона. Сила тяжести. Закон всемирного тяготения. Движение планет, естественных и искусственных спутников планет по окружности.

Равнодействующая сил. Сила трения и упругости. Равномерное движение бруска под действием 3-х сил на горизонтальной и наклонной плоскости. Равноускоренное движение по наклонной плоскости в присутствии трения.

Давление твердых тел и жидкостей. Законы Паскаля и Архимеда. Воздухоплавание.

Закон сохранения импульса. Выполнение интерактивных заданий.

Ознакомление с виртуальной лабораторией интернет-олимпиады «Барсик». Участие в олимпиаде Санкт-Петербургского университета

Закон сохранения энергии при падении тел и при взаимодействии тел с пружиной.

Работа и мощность силы при изменении механической энергии тела.

Решение задач на совместное использование законов Ньютона, законов сохранения энергии и импульса.

Механические колебания и волны. Характеристики колебаний и волн в среде.

Практические работы:

1. Получение зависимость скорости тележки от времени при ее движении по наклонной плоскости. Ручная обработка, обработка в Excel, обработка в ЦЛ
2. Измерение ускорения тележки при разных наклонах плоскости
3. Обработка видеофрагмента полета мяча в цифровой лаборатории, перенос данных в Excel и построение графиков x(t), y(t), y(x)/
4. Обработка видеофрагмента вращающегося тела в ЦЛ, перенос данных в Excel и обработка.
5. Измерение g и массы Земли
6. Измерение коэффициента трения разными способами
7. Выполнение заданий виртуальной лаборатории по теме «Архимедова сила».
8. Измерение плотности жидкости гидростатическим взвешиванием.
9. Выполнение заданий 1 тура Интернет олимпиады по физике Санкт-Петербургского университета
10. Проверка закона сохранения энергии при колебании груза на нити.
11. Проверка теоремы об изменении кинетической энергии.
12. Проверка закона сохранения энергии при колебании пружинного маятника.

Оптика (12 ч)

Волновые свойства света. Закон отражения и преломления света. Скорость света и связь с показателем преломления. Преломление света в плоскопараллельной пластине и на призме. Линзы. Оптическая сила. Построение изображений и типы изображений в линзах. Формула тонкой линзы..

Практические работы:

1. Наблюдение спектра белого светодиода.
2. Измерение расстояния до мнимого изображения в плоском зеркале.
3. Измерение показателя преломления оргстекла
4. Выполнение заданий 2 тура Интернет олимпиады по физике Санкт-Петербургского университета
5. Получение изображений в собирающей линзе

Основы МКТ и термодинамики (14 ч)

Масса, размер молекул. Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. Скорость молекул. Уравнение Менделеева – Клапейрона. Связь между средней энергией молекул, температурой и давлением. Графики изопроцессов. Внутренняя энергия и способы ее изменения. Внутренняя энергия идеального газа. Первый закон термодинамики. Термодинамика изопроцессов. Термодинамика жидкостей и твердых тел. Термодинамика фазовых переходов. Измерение удельной теплоемкости льда. Влажность воздуха.

Практические работы:

1. Изучение зависимости давления от объема при постоянной температуре.
2. Получение графика изохорного процесса
3. Проверка уравнения теплового баланса.
4. Измерение теплоемкости твердого вещества.
5. Изучение закономерностей испарения.

Электродинамика (12 ч)

Электризация тел. Закон Кулона. Электрическое поле точечного заряда. Принцип суперпозиции полей. Поляризация диэлектрических и металлических тел в электрическом поле. Работа электрического поля. Разность потенциалов. Однородное поле. Плоский конденсатор. Энергия электрического поля.

Электрические цепи. Закон Ома для участка и поной цепи. Зависимость сопротивления от параметров проводника. Параллельное и последовательное соединение элементов цепи. Работа и мощность тока.

Явление ЭМИ. Генератор переменного тока. Переменное напряжение и ток, период и амплитуда колебаний электромагнитных величин. Явление ЭМИ и трансформатор.

Практические работы:

1. Знакомство с интерфейсом цифрового осциллографа в ЦЛ.
2. Изучение зависимости напряжения на конденсаторе при его зарядке от источника постоянного тока и разряде конденсатора через резистор.
3. Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника.
4. Изучение зависимости сопротивления провода от его длины и площади поперечного сечения.
5. Выработка электрического тока с помощью магнита и с помощью света.
6. Измерение периода колебаний напряжения.
7. Закономерности преобразования напряжения в трансформаторе.

Целью курса является ознакомление учеников с современными инструментами проведения физического эксперимента и его обработки, а также помощь в анализе заданий ОГЭ и ЕГЭ, в которых, так или иначе, упоминаются физическое оборудование или результаты экспериментов (погрешности, графики, выбор оборудования для решения экспериментальной задачи, трактовка эксперимента).

В результате прохождения программного материала обучающиеся должны узнать и научиться:

В работе используется набор оборудования «Цифровая лаборатория по физике» и программное обеспечение к нему, разработанные компанией «Научные развлечения» 

Методические рекомендации к нему

Поваляев О. А., Ханнанов Н. К., Хоменко С. В. Цифровая лаборатория по физике. Базовый уровень: Методическое руководство / О. А. Поваляев, Н. К. Ханнанов, С. В. Хоменко. — 3‑е изд., испр. и перераб. — М.: Издательство «Ювента», 2015. — 108 с., ил.

А также пособия для подготовки к ОГЭ и ЕГЭ

Н. К. Ханнанов, Г. Г. Никифоров, В. А. Орлов, ЕГЭ-2021. Физика. Сборник заданий: 600 заданий с ответами, Эксмо, М., 2020

Орлов В.А., Ханнанов Н.К., ЕГЭ-2021. Физика. Готовимся к итоговой аттестации. Учебное пособие, Издательство «Интеллект-Центр», 2020
 

Преподаватель: Ханнанов Н.К. ­- кандидат наук, учитель физики НЧШ, разработчик «Цифровой лаборатории по физике», автор учебника физики для 10 класса, автор многих методических пособий по подготовке к ЕГЭ и ОГЭ.