Современное оснащение кабинета физики. Использование датчика света цифровой лаборатории на уроках физики. Дифракция света. Дифракционная решетка.

Методика преподавания естественно-научных дисциплин

Винницкая С.А.

ГБОУ СОШ №139 (Россия, Санкт-Петербург)

Аннотация. В статье учитель рассказывает об опыте использования датчика света цифровой лаборатории SenseDisc на уроках физики при изучении темы “Дифракция света. Дифракционная решетка” с точки зрения внедрения деятельностного подхода к обучению в соответствии с ФГОС среднего образования.

Ключевые слова: образование, школа, методика преподавания физики, цифровая лаборатория, эксперимент, дифракция света.

Modern equipment of physics classroom. Using a light sensor digital lab at physics lessons.

Diffraction of light. Diffraction grating.

Abstract. In article the teacher tells about experience of use of the sensor of light of digital laboratory SenseDisc at physics lessons when studying a subject "A diffraction of light. The diffraction grating" from the point of view of introduction of activity approach to tutoring according to FGOS of secondary education.

Key words: education, school, technique of teaching physics, digital laboratory, experiment, diffraction of light

Использование датчика света цифровой лаборатории на уроках физики.

 В школах Санкт-Петербурга, как и во всем российском образовании, происходят системные изменения. В основную школу пришли новые стандарты, новые требования к учителю, ученикам и самой школе. В примерной образовательной программе уделено большое внимание финансово-экономическим и материально-техническим условиям реализации основной образовательной программы. Приходит понимание, что без оснащения школы лабораторным, демонстрационным современным оборудованием невозможно выйти на результат, прописанный в стандарте. Что же мне нужно будет получить от моего ученика в результате освоения им федерального государственного стандарта? Мой ученик должен будет владеть основными методами научного познания, используемыми в физике: наблюдение, описание, измерение, эксперимент; уметь обрабатывать результаты измерений, обнаруживать зависимость между физическими величинами, объяснять полученные результаты и делать выводы; уметь применять полученные знания для объяснения условий протекания физических явлений в природе и для принятия практических решений в повседневной жизни; иметь сформированность собственной позиции по отношению к физической информации, получаемой из разных источников. Каждому учителю, который готовится работать по ФГОС, нужно проанализировать, годится ли его кабинет физики к решению этих задач. В постсоветские времена материально-техническая база предметных кабинетов пришла в упадок. Нужно ее обновлять. Раньше учебное оборудование приобреталось через Учколлектор. Сейчас ситуация изменилась. На рынке появилось огромное количество предложений по поставкам различной техники. Что выбрать? Как оно будет работать? Что можно будет на этом оборудовании показать детям? Я хочу познакомить Вас с цифровой лабораторией SenseDisc, и в частности со способами использования датчика света этой лаборатории на уроках физики.

В стандартном комплекте оборудования кабинета физики у меня не было чувствительного датчика света. При изучении таких понятий, как дифракция и интерференция света в 11 классе, я показывала демонстрационные эксперименты, которые иллюстрировали явления только качественно. Для изучения количественных характеристик ученики фронтально использовали компьютерные эксперименты цифровых интерактивных лабораторий компании “Физикон”. Но виртуальный мир все плотнее входит в нашу повседневную жизнь. Дети понимают, что нарисовать можно все что угодно. Поэтому посмотреть реальный эксперимент, снять показания, получить график, сравнить с тем, что делает компьютер - это бесценный опыт для ребят.

Рассмотрим возможности использования датчика света цифровой лаборатории SenseDisc на примере проведения урока изучения нового материала “Дифракция света. Дифракционная решетка” в 11 классе. Для проведения эксперимента необходим лазер, препятствия (щель, отверстие, две щели и т.д.), дифракционная решетка, экран, цифровая лаборатория, подключенная к компьютеру. При проведении демонстрационного эксперимента графики учащимся показываем с помощью мультимедийного проектора. Результаты проведения эксперимента учащиеся видят на 2-х экранах: первый экран - дифракционная картина лазерного луча, второй экран - график распределения энергии света, полученный с помощью лаборатории. Лаборатория SenseDisc может быть соединена с компьютером посредством Bluetooth. Так как датчики, считывающие показания, расположены на самой лаборатории, такой способ соединения позволяет учителю размещать лабораторное оборудование в любом удобном месте и не быть привязанному к компьютеру. Программное обеспечение, поставляемое вместе с лабораторией, дает возможность получить, отредактировать, сохранить таблицы и графики зависимости изучаемых величин. Можно выбрать максимальное значение для времени и измеряемой величины. Это позволяет более детально изучить только те результаты измерений, которые нас интересуют. Произвести сглаживание линий, таким образом убрать погрешности измерений, и фоновые эффекты, которые неизбежны при большой чувствительности приемников цифровой лаборатории.

Этапы проведения эксперимента:

1. Устанавливаем лазер на расстоянии 1,2-2 м от экрана, на котором будем получать дифракционную картину. Получаем на экране изображение лазерного луча. Отмечаем на доске местоположение точки изображения луча лазера. Это результат прямолинейного распространения света. С помощью датчика освещенности лаборатории измеряем, как распределяется энергия света на экране. Для этого проводим датчиком, подсоединенным к лаборатории, в горизонтальном направлении так, чтобы свет попадал на датчик света. Получаем один максимум, фиксируем и сохраняем результат.
2. Помещаем на пути распространения света препятствие. Говорим о размере препятствия. Получаем результат. На экране появляется дифракционная картина. С помощью цифровой лаборатории смотрим, как распределяется энергия света, падающего на экран. Повторяем измерения, так как делали это в первом эксперименте. Важно: лабораторию нужно двигать равномерно, т.к. выстраивается график зависимости интенсивности света от времени. Видим, что вся энергия света не сосредоточена в одной точке, а распределяется по экрану.
3. Повторяем эксперимент, меняя препятствия. Перед дифракционной решеткой ставим две щели, показываем, что появляются минимумы и максимумы.
4. График распределения энергии в дифракционном спектре, полученном от дифракционной решетки с использованием лазера. Последний эксперимент проводим с дифракционной решеткой. Если есть дифракционные решетки с разным периодом, то можно провести серию экспериментов. Здесь уже четко видны максимумы и минимумы. На экране главные и дополнительные минимумы видны одинаково хорошо. На графике распределения энергии хорошо видно, что распределение энергии происходит по разному. После построения графика, нужно совместить картинку на первом экране с графическими результатами на втором, ввести понятие главных и дополнительных максимумов (Рисунок 1).
5. Переходим к формуле дифракционной решетки. Обсуждаем что такое m=0, 1, 2 и т.д. Где расположен максимум первого, второго порядка на графике, где на дифракционной картине. Как измерить расстояние между максимумами, что подставить в формулу.
6.  Решаем экспериментальную задачу. Определить длину волны используемого лазера. С помощью датчика расстояния цифровой лаборатории измеряем расстояние от лазера до экрана. С помощью линейки измеряем расстояние до первого максимума. период решетки указан на решетке. По результатам определяем длину волны лазера. Эта экспериментальная задача является подготовкой к лабораторной работе “Измерение длины световой волны с помощью дифракционной решетки”. 

Рисунок 1. График распределения энергии в дифракционном спектре, полученном от дифракционной решетки с использованием лазера.

Это вариант использования цифровой лаборатории в качестве демонстрационного оборудования. В этом случае учитель планирует эксперимент, проводит его, выводит результаты на экран и подводит учеников к выводам. Для того, чтобы выйти на те результаты, о которых говорилось выше, с лабораторией должен работать сам ученик. Тогда это будет его открытие, его результаты, которые нужно осознать и проанализировать.

Нынешние одиннадцатиклассники не обучались по новым стандартам, не сдавали экзамены по физике с практической частью в 9 классе, не писали проверочные работы в новом формате, но они прекрасно понимают, что натурный эксперимент с применением цифровой лаборатории и программным обеспечением для построения графиков позволяет не только обнаружить явление, но и изучить его детально.

Рисунок 2. Цифровая лаборатория SenseDisc для школы по физике.

Указания к лабораторным работам в учебниках не содержат рекомендации по построению графиков изменения физических величин. У учеников вызывают серьезные затруднения определение единичного отрезка, выбор масштаба, интерполяция результатов. Цифровая лаборатория SenseDisc позволяет получать графики во время проведения натурного эксперимента. Дополнительные возможности, которые появляются у учителя при использовании цифровой лаборатории: все данные программное обеспечение заносит в таблицу, что позволяет проводить дальнейшую математическую обработку полученных результатов. Можно изменять параметры самого эксперимента - время регистрации, периодичность, с которой считываются показания датчика при измерениях. Все это позволяет вывести школьный эксперимент на новый уровень.

Остается еще вопрос: можно ли доверить ученику дорогостоящее оборудование? Я думаю, не можно, а нужно. Мы учим детей работать с компьютерами, нам нужно будет учить их работать с фотоаппаратами и видеокамерами, а также и с цифровыми лабораториями. В школе необходимо изменить уклад. Ученик может использовать все, что ему нужно для решения учебной задачи, любое оборудование, которое есть в школе, оно для этого и предназначено. Конечно, нужно воспитывать бережное отношение к имуществу школы, объяснять безопасные приемы работы с оборудованием, его назначение. Но это тоже все прописано в стандарте. И тогда, я думаю, в школах появятся умные, удобные и компактные устройства, которые позволят готовить новых ученых и инженеров.

Сведения об авторе:

Винницкая Светлана Анатольевна – заместитель директора по УВР, учитель физики в государственном бюджетном общеобразовательном учреждении средней общеобразовательной школе №139 с углубленным изучением математики Калининского района Санкт-Петербурга.

Author: Vinnickaya Svetlana – teacher of physics in school №139 in Saint-Petersburg.

• < Назад
• Вперед >