Ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå â âóçàõ, Ò. 8, ¹ 3, 2002
85
Êîìïëåêñ êîìïüþòåðíûõ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò ïî ôèçèêå Â.Ã. Çóáêîâ, À.Â. Ìåðçëÿêîâ, Ì.Â. Ìîñòîâùèêîâ Ìîñêâà, Ðîññèÿ, Èíñòèòóò ÈÍÔÎ 115211, Ìîñêâà, óë. Áîðèñîâñêèå ïðóäû, 8/2 Òåë. (095) 725-0979, 340-9920, 274-6298; ôàêñ: 340-9920
[email protected],
[email protected]  ñòàòüå ïðåäñòàâëåí ðÿä êîìïüþòåðíûõ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò ïî ôèçèêå. Îíè îõâàòûâàþò òðè ðàçäåëà: ìåõàíèêà, ñòðîåíèå âåùåñòâà è îïòèêà. Êàæäàÿ ëàáîðàòîðíàÿ ðàáîòà ñîñòîèò èç íåñêîëüêèõ ýòàïîâ, âêëþ÷àÿ äîïóñê ê âûïîëíåíèþ ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû (òåñò), ñîçäàíèå íà êîìïüþòåðå ìîäåëè ðåàëüíîé ëàáîðàòîðíîé óñòàíîâêè, âûïîëíåíèå ýêñïåðèìåíòàëûõ èññëåäîâàíèé, çàùèòà. Ïðèìåíÿåìîå â ðàáîòàõ êîìïüþòåðíîå ìîäåëèðîâàíèå ðåàëüíîãî ôèçè÷åñêîãî ïðîöåññà – ýòî òàê íàçûâàåìûé âû÷èñëèòåëüíûé ýêñïåðèìåíò, îñíîâàííûé íà ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè èññëåäóåìîãî ôèçè÷åñêîãî ÿâëåíèÿ.
Ñîâðåìåííûé óðîâåíü ðàçâèòèÿ êîìïüþòåðíûõ òåõíîëîãèé îòêðûâàåò ñàìûå øèðîêèå ïåðñïåêòèâû è âîçìîæíîñòè â îñâîåíèè ôèçè÷åñêèõ, ýêîíîìè÷åñêèõ è äðóãèõ îáëàñòåé. Êîìïüþòåðíûå ëàáîðàòîðíûå ðàáîòû ïðåäîñòàâëÿþò îáó÷àþùåìóñÿ âîçìîæíîñòü áîëåå âñåñòîðîííåãî èçó÷åíèÿ èññëåäóåìîãî ïðîöåññà. Ñ ïîìîùüþ êîìïüþòåðà ìîæíî ìîäåëèðîâàòü èññëåäóåìûé ïðîöåññ, ñîáèðàòü ìîäåëü ëàáîðàòîðíîé óñòàíîâêè, ïðîâîäèòü ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ, îáðàáàòûâàòü ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòà è âûïîëíÿòü åùå öåëûé ðÿä ìíîãî÷èñëåííûõ äåéñòâèé, âûïîëíåíèå êîòîðûõ â ñòàíäàðòíîì íàòóðíîì ýêñïåðèìåíòå ëèáî çàòðóäíåíî, ëèáî ïðîñòî íåâîçìîæíî. Ðàçóìíîå ñî÷åòàíèå òðàäèöèîííûõ íàòóðíûõ ëàáîðàòîðíûõ ïðàêòèêóìîâ ïî ôèçèêå ñ ïðîãðàììèðóåìûìè ëàáîðàòîðíûìè ðàáîòàìè íà êîìïüþòåðå â áëèæàéøåì áóäóùåì ñòàíåò ïðèîðèòåòíûì íàïðàâëåíèåì ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ ôèçè÷åñêèõ ïðàêòèêóìîâ. Ïî ìåðå ñâîåãî ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ êîìïüþòåðíûé ïðàêòèêóì áóäåò çàíèìàòü âñå áîëåå äîñòîéíîå ìåñòî â ýòîì îáðàçîâàòåëüíîì è ïîçíàâàòåëüíîì ïðîöåññå, õîòÿ óæå ñåãîäíÿ îí ïðàêòè÷åñêè íåçàìåíèì ïðè èñïîëüçîâàíèè äèñòàíöèîííûõ òåõíîëîãèé îáó÷åíèÿ. Ìíîãîêðàòíûé ðîñò ìîùíîñòè ñîâðåìåííîãî êîìïüþòåðà, äîñòèæåíèÿ ìàòåìàòè÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèé, ðàçðàáîòêà âûñîêîýôôåêòèâíûõ è íàäåæíûõ ÷èñëåííûõ ìåòîäîâ ðåøåíèÿ ìàòåìàòè÷åñêèõ çàäà÷, óñïåõè â îáëàñòè ñîçäàíèÿ áàçîâîãî è ïðèêëàäíîãî ïðîãðàììíîãî îáåñïå÷åíèÿ, â ÷àñòíîñòè â îáëàñòè êîìïüþòåðíîé ãðàôèêè, ïîçâîëÿþò ïðèñòóïèòü ê ðàçðàáîòêå êîìïëåêñà ïðîãðàìì äëÿ ñîçäàíèÿ êîìïüþòåðíûõ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò ïî ôèçèêå, ðàáîòàþùèõ â ðåàëüíîì ðåæèìå âðåìåíè è îòâå÷àþùèõ âñåì ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì îá èçó÷àåìûõ ôèçè÷åñêèõ ÿâëåíèÿõ.  íàñòîÿùåå âðåìÿ â “Èíñòèòóòå ÈÍÔΔ ðàçðàáîòàí ðÿä ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò ïî ðàçëè÷íûì îáëàñòÿì ôèçèêè. Îíè îõâàòûâàþò òðè ðàçäåëà: ìåõàíèêà, ñòðîåíèå âåùåñòâà, îïòèêà. Âîò ëèøü íåêîòîðûå èç íèõ: «Îïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè òåëà», «Îïðåäåëåíèå ñêîðîñòè ïóëè ñ ïîìîùüþ áàëëèñòè÷åñêîãî ìàÿòíèêà», «Îïðåäåëåíèå êîýôôèöèåíòà âíóòðåííåãî òðåíèÿ æèäêîñòè ïî ìåòîäó Ñòîêñà», «Îïðåäåëåíèå óñêîðåíèÿ ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ ñ ïîìîùüþ ìàòåìàòè÷åñêîãî è ôèçè÷åñêîãî ìàÿòíèêîâ», «Èçó÷åíèå
86
Â.Ã. Çóáêîâ, À.Â. Ìåðçëÿêîâ, Ì.Â. Ìîñòîâùèêîâ
çàâèñèìîñòè ìîìåíòà èíåðöèè òåëà îò ðàñïðåäåëåíèÿ ìàññû îòíîñèòåëüíî îñè âðàùåíèÿ», «Îïðåäåëåíèå îòíîøåíèÿ òåïëîåìêîñòè âîçäóõà ïðè ïîñòîÿííîì äàâëåíèè ê åãî òåïëîåìêîñòè ïðè ïîñòîÿííîì îáúåìå», «Ñíÿòèå âîëüòàìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè ïîëóïðîâîäíèêîâîãî äèîäà», «Èçìåðåíèå òåìïåðàòóðû òåëà ñ ïîìîùüþ ÿðêîñòíîãî ïèðîìåòðà», «Îïðåäåëåíèå ôîêóñíîãî ðàññòîÿíèÿ ðàññåèâàþùåé è ñîáèðàþùåé ëèíç». Âñå êîìïüþòåðíûå ëàáîðàòîðíûå ðàáîòû âûïîëíÿþòñÿ ïî êëàññè÷åñêîé ñõåìå: òåîðåòè÷åñêîå îñâîåíèå ìàòåðèàëà – äîïóñê ê âûïîëíåíèþ ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû (òåñò) – èçó÷åíèå ãîòîâîé êîìïüþòåðíîé ëàáîðàòîðíîé óñòàíîâêè èëè ñîçäàíèå íà êîìïüþòåðå ìîäåëè ðåàëüíîé ëàáîðàòîðíîé óñòàíîâêè – âûïîëíåíèå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé – îáðàáîòêà ðåçóëüòàòîâ ýêñïåðèìåíòà íà êîìïüþòåðå - çàùèòà. Äëÿ âîçìîæíîñòè òåîðåòè÷åñêîãî îñâîåíèÿ ïðåäìåòà êàæäàÿ ðàáîòà ñîïðîâîæäàåòñÿ ýëåêòðîííîé âåðñèåé òðàäèöèîííîãî ó÷åáíî-ìåòîäè÷åñêîãî îïèñàíèÿ èññëåäóåìîãî ôèçè÷åñêîãî ÿâëåíèÿ. Ñëåäóþùèì ýòàïîì ÿâëÿåòñÿ äîïóñê, êîòîðûé îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ ñïåöèàëüíî ðàçðàáîòàííîé ñèñòåìû òåñòèðîâàíèÿ. Äàííàÿ òåñòèðóþùàÿ ñèñòåìà äîñòóïíà äëÿ ïîëüçîâàòåëÿ òàêæå è â êà÷åñòâå îòäåëüíîãî ïðîãðàììíîãî ïðîäóêòà. Îáó÷àåìîìó ïðåäëàãàåòñÿ îòâåòèòü íà ðÿä âîïðîñîâ äëÿ âûÿñíåíèÿ åãî ïîçíàíèé ïî äàííîé òåìå è, ñîîòâåòñòâåííî, åãî ãîòîâíîñòè âûïîëíÿòü äàííóþ ëàáîðàòîðíóþ ðàáîòó. Êîìïüþòåðíàÿ ëàáîðàòîðíàÿ óñòàíîâêà, êàê ïðàâèëî, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êîìïüþòåðíóþ ìîäåëü ðåàëüíîé ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè, âûïîëíåííóþ ñðåäñòâàìè êîìïüþòåðíîé ãðàôèêè è êîìïüþòåðíîãî ìîäåëèðîâàíèÿ.  íåêîòîðûõ ðàáîòàõ èìåþòñÿ ëèøü ñõåìà ëàáîðàòîðíîé óñòàíîâêè è åå ýëåìåíòû.  ýòîì ñëó÷àå, ïðåæäå, ÷åì ïðèñòóïèòü ê âûïîëíåíèþ ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû, ëàáîðàòîðíóþ óñòàíîâêó íåîáõîäèìî ñîáðàòü íà êîìïüþòåðå. Âûïîëíåíèå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ïðåäñòàâëÿåò èç ñåáÿ íåïîñðåäñòâåííûé àíàëîã ýêñïåðèìåíòà íà ðåàëüíîé ôèçè÷åñêîé óñòàíîâêå. Ïðè ýòîì, ðåàëüíûé ôèçè÷åñêèé ïðîöåññ ìîäåëèðóåòñÿ íà êîìïüþòåðå. Ýòî òàê íàçûâàåìûé âû÷èñëèòåëüíûé ýêñïåðèìåíò, îñíîâàííûé íà ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè èññëåäóåìîãî ôèçè÷åñêîãî ÿâëåíèÿ. Òàêèì îáðàçîì, äîñòîâåðíîñòü êîìïüþòåðíîãî ýêñïåðèìåíòà îïðåäåëÿåòñÿ äîñòîâåðíîñòüþ âûáðàííîé ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè è òî÷íîñòüþ ÷èñëåííîãî ìåòîäà, ñ ïîìîùüþ êîòîðîãî ýòà ìîäåëü ðàññ÷èòûâàåòñÿ. Çàùèòà ÿâëÿåòñÿ çàâåðøàþùèì ýòàïîì â ïðîâåäåíèè ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû, â íå¸, îáû÷íî, ïîìèìî òåîðåòè÷åñêèõ âîïðîñîâ, âêëþ÷àþòñÿ âîïðîñû ïî ðåçóëüòàòàì âûïîëíåííûõ èññëåäîâàíèé. Ðåçóëüòàòû çàùèòû ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû ìîãóò îôîðìëÿòüñÿ â âèäå ñîîòâåòñòâóþùèõ îò÷åòîâ èëè ïåðåäàâàòüñÿ ïî ñåòè â ñîîòâåòñòâóþùèé öåíòð äèñòàíöèîííîãî îáó÷åíèÿ. Ìîäóëü òåñòèðîâàíèÿ, ðåàëèçîâàííûé â íàñòîÿùåé ðàáîòå, ÿâëÿåòñÿ àâòîðñêîé ðàçðàáîòêîé, èñïîëüçóåìîé âî ìíîãèõ âûñøèõ è ñðåäíèõ ãîñóäàðñòâåííûõ îáðàçîâàòåëüíûõ
Êîìïëåêñ êîìïüþòåðíûõ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò ïî ôèçèêå
87
ó÷ðåæäåíèÿõ äëÿ ñîçäàíèÿ ñîáñòâåííûõ ñèñòåì òåñòèðîâàíèÿ ïî îòäåëüíûì ïðåäìåòàì. Ýòîò ìîäóëü ñîñòîèò èç ïðîãðàììû-îáîëî÷êè äëÿ ïðîõîæäåíèÿ òåñòîâ (Ðèñóíîê 1), ðåäàêòîðà òåñòîâ (Ðèñóíîê 2), ñàìîãî òåñòà è áëîêà íàêîïëåíèÿ ðåçóëüòàòîâ (èñïîëüçóåòñÿ òîëüêî ïðè àâòîíîìíîé ðàáîòå òåñòèðîâàíèÿ áåç âûïîëíåíèÿ ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû).
Ðèñóíîê 1. Îáîëî÷êà ñèñòåìû òåñòèðîâàíèÿ.
Ñèñòåìà òåñòèðîâàíèÿ ïîçâîëÿåò â óäîáíîé, èíòóèòèâíî-ïîíÿòíîé ôîðìå ñîçäàâàòü òåñòû ïî ðàçëè÷íûì òåìàì è ïðåäìåòàì ðàçëè÷íîé ñëîæíîñòè. Âûäåëèì îñíîâíûå ÷åðòû ðàññìàòðèâàåìîãî ïðîãðàììíîãî ïðîäóêòà: • âîçìîæíîñòü áûñòðîãî ñîçäàíèÿ òåñòîâ äàæå äëÿ ÷åëîâåêà, íå ÿâëÿþùåãîñÿ îïûòíûì ïîëüçîâàòåëåì êîìïüþòåðà; • èñïîëüçîâàíèå ãèáêîé, äèôôåðåíöèðîâàííîé ñèñòåìû îöåíîê; • âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ íåñêîëüêèõ òèïîâ âîïðîñîâ (íà âûáîð åäèíñòâåííî ïðàâèëüíîãî, íà âûáîð íåñêîëüêèõ ïðàâèëüíûõ, íà âûñòàâëåíèå ñîîòâåòñòâèÿ, íà ââîä îòâåòà è êîìáèíèðîâàííûé òèï ÿâëÿþùèéñÿ ñèìáèîçîì äâóõ ïîñëåäíèõ); • âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ â âîïðîñå íå òîëüêî òåêñòà, íî è ãðàôèêè; • ðàçáèâêà âîïðîñîâ ïî êàòåãîðèÿì äëÿ ïîñòðîåíèÿ ëîãè÷åñêè ñòðóêòóðèðîâàííîãî òåñòà; • èñïîëüçîâàíèå ñèñòåìû, êàê íà ëîêàëüíîì êîìïüþòåðå, òàê è äëÿ ðàáîòû ïî ñåòè; • âîçìîæíîñòü ñîçäàíèÿ àäàïòèâíûõ òåñòîâ, ïîñòðîåííûõ â âèäå äåðåâà âîïðîñîâ; • íàëè÷èå ïîäñêàçîê; • âîçìîæíîñòü ñîñòàâëåíèÿ íåñêîëüêèõ âàðèàíòîâ òåñòà; • ñëó÷àéíàÿ âûäà÷à âîïðîñîâ è âàðèàíòîâ òåñòèðóþùåìóñÿ; • îãðàíè÷åíèå âðåìåíè, çàòðà÷åííîãî, êàê íà îäèí âîïðîñ, òàê è íà âåñü òåñò â öåëîì; • íàêîïëåíèå ñòàòèñòèêè îòâåòîâ ïî âîïðîñàì.
88
Â.Ã. Çóáêîâ, À.Â. Ìåðçëÿêîâ, Ì.Â. Ìîñòîâùèêîâ
Ðèñóíîê 2. Ðåäàêòîð òåñòîâ.
 êà÷åñòâå èëëþñòðàöèè ðàññìîòðèì âûïîëíåíèå íåêîòîðûõ êîìïüþòåðíûõ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò. Ëàáîðàòîðíàÿ ðàáîòà «Îïðåäåëåíèå óñêîðåíèÿ ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ ñ ïîìîùüþ ìàòåìàòè÷åñêîãî è ôèçè÷åñêîãî ìàÿòíèêîâ». Öåëüþ íàñòîÿùåé ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ èçó÷åíèå íåçàòóõàþùèõ ñâîáîäíûõ ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé ôèçè÷åñêîãî è ìàòåìàòè÷åñêîãî ìàÿòíèêîâ è îïðåäåëåíèå ïåðèîäà èõ êîëåáàíèé. Çàäà÷à ðàáîòû çàêëþ÷àåòñÿ â âû÷èñëåíèè óñêîðåíèÿ ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ ïî ïåðèîäó êîëåáàíèé è ïàðàìåòðàìè ìàÿòíèêîâ. Íà Ðèñóíêå 3 ïðåäñòàâëåíà êîìïüþòåðíàÿ ëàáîðàòîðíàÿ óñòàíîâêà äëÿ ïðîâåäåíèÿ ýòîé ðàáîòû. Óñòàíîâêà âêëþ÷àåò ñåêóíäîìåð (â öåíòðå) è äâà ìàÿòíèêà: ìàòåìàòè÷åñêèé (ñëåâà) è ôèçè÷åñêèé (ñïðàâà). Ôèçè÷åñêèå ïðîöåññû êîëåáàíèÿ ìàÿòíèêîâ ðåàëèçîâàíû íà ìàòåìàòè÷åñêèõ ìîäåëÿõ íåçàòóõàþùèõ ñâîáîäíûõ ãàðìîíè÷åñêèõ êîëåáàíèé è ïðè ïîìîùè êîìïüþòåðíîé ãðàôèêè. Ýòè ïðîöåññû îáðàáàòûâàþòñÿ è âûâîäÿòñÿ íà ýêðàí â ðåàëüíîì âðåìåíè. Ðàñ÷åò ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè è àíèìàöèÿ ìàÿòíèêîâ è ñåêóíäîìåðà îñóùåñòâëÿåòñÿ íå ïîñëåäîâàòåëüíî, à òðåìÿ ïàðàëëåëüíûìè ïðîöåññàìè. Âûïîëíåíèå äàííîé ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû îñóùåñòâëÿåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ñòóäåíò âûáèðàåò ìàÿòíèê, ñ êîòîðûì îí áóäåò ðàáîòàòü. Íàâîäèò ìûøêîé íà âûáðàííûé ìàÿòíèê è, óäåðæèâàÿ ëåâóþ êëàâèøó ìûøè, îòâîäèò ìàÿòíèê â ñòîðîíó íà 5-10 ñì. Ðàññòîÿíèå, íà êîòîðîå îòâîäèòñÿ ìàÿòíèê, îïðåäåëÿåòñÿ ïî ëèíåéêå, èçîáðàæåííîé ïîä ìàÿòíèêîì. Ïîñëå òîãî, êàê ìàÿòíèê îòâåäåí íà ïîëîæåííîå ðàññòîÿíèå, íåîáõîäèìî
Êîìïëåêñ êîìïüþòåðíûõ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò ïî ôèçèêå
89
îòïóñòèòü êëàâèøó ìûøè. Ìàÿòíèê íà÷íåò ñâîè êîëåáàíèÿ. Îäíîâðåìåííî íåîáõîäèìî çàïóñòèòü ñåêóíäîìåð, «ùåëêíóâ» äâà ðàçà ïî íåìó ïðàâîé êëàâèøåé ìûøè. Îñòàíàâëèâàåòñÿ ñåêóíäîìåð òàêæå äâóìÿ ùåë÷êàìè ïðàâîé êëàâèøè ìûøè ïî íåìó. Èçìåðÿåòñÿ âðåìÿ 30 (äëÿ ôèçè÷åñêîãî ìàÿòíèêà) è 15-25 (äëÿ ìàòåìàòè÷åñêîãî ìàÿòíèêà) êîëåáàíèé. Ðåçóëüòàò çàíîñèòñÿ â òàáëèöó. Îïûò ïîâòîðÿåòñÿ 2-3 ðàçà. Àíàëîãè÷íûå äåéñòâèÿ âûïîëíÿþòñÿ ñ äðóãèì ìàÿòíèêîì. Íà îñíîâàíèè ïîëó÷åííûõ äàííûõ ïðîèçâîäèòñÿ ðàñ÷åò óñêîðåíèÿ ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ è ðåçóëüòàò çàíîñèòñÿ â òàáëèöó. Êîìïüþòåð ïðîâåðÿåò ïðàâèëüíîñòü ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ è, åñëè ðåçóëüòàò ïðàâèëüíûé, òî ëàáîðàòîðíàÿ ðàáîòà ñ÷èòàåòñÿ âûïîëíåííîé, à åñëè íåò, òî ýòî çíà÷èò, ÷òî íåïðàâèëüíî îïðåäåëåíû ïîêàçàíèÿ èëè âûïîëíåí ðàñ÷åò.  ýòîì ñëó÷àå, îïûò ïðèäåòñÿ ïîâòîðèòü. Ïðè íåîáõîäèìîñòè ó îáó÷àþùåãîñÿ âñåãäà åñòü âîçìîæíîñòü âîñïîëüçîâàòüñÿ ìåòîäè÷åñêèì ïîñîáèåì äëÿ èçó÷åíèÿ òåîðèè è äëÿ óòî÷íåíèÿ ïîðÿäêà âûïîëíåíèÿ ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû.
Ðèñóíîê 3. Êîìïüþòåðíàÿ ëàáîðàòîðíàÿ óñòàíîâêà ê ëàáîðàòîðíîé ðàáîòå. «Îïðåäåëåíèå óñêîðåíèÿ ñâîáîäíîãî ïàäåíèÿ ñ ïîìîùüþ ìàòåìàòè÷åñêîãî è ôèçè÷åñêîãî ìàÿòíèêîâ».
Ëàáîðàòîðíàÿ ðàáîòà «Îïðåäåëåíèå ôîêóñíîãî ðàññòîÿíèÿ ðàññåèâàþùåé è ñîáèðàþùåé ëèíç». Öåëüþ äàííîé ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ èçó÷åíèå õàðàêòåðèñòèê ðàññåèâàþùåé è ñîáèðàþùåé ëèíç. Îñíîâíîé çàäà÷åé ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ èçó÷åíèå îñíîâíûõ ñâîéñòâ è
90
Â.Ã. Çóáêîâ, À.Â. Ìåðçëÿêîâ, Ì.Â. Ìîñòîâùèêîâ
çàâèñèìîñòåé ëèíç è èçìåðåíèå èõ ôîêóñíîãî ðàññòîÿíèÿ. Íà Ðèñóíêå 4 ïðåäñòàâëåíà êîìïüþòåðíàÿ ìîäåëü ëàáîðàòîðíîé óñòàíîâêè, íà êîòîðîé îáó÷àþùèéñÿ äîëæåí âûïîëíèòü ëàáîðàòîðíóþ ðàáîòó. Óñòàíîâêà ïðåäñòàâëåíà â äâóõ ïðîåêöèÿõ: òðåõìåðíàÿ ïðîåêöèÿ è âèä óñòàíîâêè ñáîêó. Äâå ýòè ïðîåêöèè îäíîé óñòàíîâêè âçàèìîñâÿçàíû. Òàêæå íà ðèñóíêå ñíèçó ðàñïîëîæåí ýêðàí, íà êîòîðîì îòîáðàæàåòñÿ èçìåíåíèÿ ñâåòà ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç ëèíçû. Óñòàíîâêà äàííîé ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû ñîñòîèò èç ñêàìüè, íà êîòîðîé óñòàíîâëåíû: ïðîåêòîð, ýêðàí, ðàññåèâàþùàÿ è ñîáèðàþùàÿ ëèíçû. Âñå èçìåíåíèÿ ïîëîæåíèÿ ëèíç îñóùåñòâëÿþòñÿ îáó÷àþùèìñÿ íà âåðõíåé ïðîåêöèè óñòàíîâêè. Äëÿ òîãî ÷òîáû èçìåíèòü ïîëîæåíèå ëèíçû èëè ýêðàíà íà ñêàìüå íåîáõîäèìî ïîäâåñòè ìûøêó ê íóæíîìó îáúåêòó íà âåðõíåé ïðîåêöèè óñòàíîâêè è, óäåðæèâàÿ â íàæàòîì ïîëîæåíèè ëåâóþ êëàâèøó ìûøè, ïåðåäâèíóòü ìûøü â íóæíîì íàïðàâëåíèè. Íà íèæíåé ïðîåêöèè óñòàíîâêè ïîêàçûâàþòñÿ èçìåíåíèÿ ïåðåäâèæåíèÿ ëèíç è ýêðàíà ïî ñêàìüå è èõ ïîëîæåíèå íà íåé â ñàíòèìåòðàõ. Íàæàòèå íà êëàâèøó “Óáðàòü ðàññåèâàþùóþ ëèíçó” íà ðèñóíêå, óáèðàåò ðàññåèâàþùóþ ëèíçó ñî ñêàìüè, à êëàâèøà ìåíÿåò ñâîå íàçâàíèå íà “Ïîñòàâèòü ðàññåèâàþùóþ ëèíçó”, íàæàòèå íà êîòîðóþ, ñòàâèò ëèíçó îáðàòíî íà ñêàìüþ. Ïåðåäâèæåíèÿ ïðèáîðîâ îñóùåñòâëÿþòñÿ ñ ïîìîùüþ àíèìàöèè. Èçìåíåíèÿ èçîáðàæåíèÿ íà ýêðàíå â íèæíåé ÷àñòè ôîðìû îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðè ïîìîùè ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè «ðàçìûòèÿ» èçîáðàæåíèÿ. Çäåñü ïðèìåíÿëñÿ àëãîðèòì «ðàçìûòèÿ» Ãàóññà. Ðàñ÷åò ñîñòîÿíèé è âûâîä íà ýêðàí èçîáðàæåíèé òðåõ îáúåêòîâ (òðåõìåðíîé ïðîåêöèè, ïëîñêîé ïðîåêöèè è ýêðàíà) ïðîèçâîäèòñÿ òðåìÿ ïàðàëëåëüíûìè ïðîöåññàìè. Ïîðÿäîê ïðîâåäåíèÿ ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû ñëåäóþùèé. Íà ïåðâîì ýòàïå ïðîèçâîäèòñÿ îïðåäåëåíèè ôîêóñíîãî ðàññòîÿíèÿ ñîáèðàþùåé ëèíçû. Äëÿ ýòîãî íà ñêàìüå äîëæíû íàõîäèòüñÿ ïðîåêòîð, ýêðàí è ñîáèðàþùàÿ ëèíçà. Ïåðåäâèãàÿ ëèíçó, äîáèâàåìñÿ ÷åòêîãî èçîáðàæåíèÿ íà ýêðàíå, ñíèìàåì ïîêàçàíèÿ è çàíîñèì èõ â òàáëèöó. Äàëåå îïðåäåëÿåì ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå ðàññåèâàþùåé ëèíçû. Ñïåðâà äîáèâàåìñÿ ÷åòêîãî èçîáðàæåíèÿ íà ýêðàíå îò ñîáèðàþùåé ëèíçû, çàòåì ñòàâèì ðàññåèâàþùóþ ëèíçó íà ñêàìüþ è, ïåðåäâèãàÿ ýêðàí, äîáèâàåìñÿ ÷åòêîãî èçîáðàæåíèÿ. Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé çàíîñèì â òàáëèöó. Ïîñëå ýòîãî ðàññ÷èòûâàåì ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå ëèíç. Êîìïüþòåð ïðîâåðÿåò ïðàâèëüíîñòü ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ. Åñëè ðàñ÷åò ïðàâèëüíûé, òî ëàáîðàòîðíàÿ ðàáîòà ñ÷èòàåòñÿ âûïîëíåííîé, åñëè íåò, òî ïðèäåòñÿ ïîâòîðèòü îïûò è ðàñ÷åò. Âî âðåìÿ ïðîâåäåíèÿ ëàáîðàòîðíîé ðàáîòû ó îáó÷àåìîãî âñåãäà åñòü âîçìîæíîñòü âîñïîëüçîâàòüñÿ ìåòîäè÷åñêèì ïîñîáèåì, â êîòîðîì óêàçàíû íåîáõîäèìûå ôîðìóëû äëÿ ðàñ÷åòà è ïîðÿäîê äåéñòâèÿ.
Êîìïëåêñ êîìïüþòåðíûõ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò ïî ôèçèêå
91
Ðèñóíîê 4. Êîìïüþòåðíàÿ ìîäåëü ëàáîðàòîðíîé óñòàíîâêè «Îïðåäåëåíèå ôîêóñíîãî ðàññòîÿíèÿ ðàññåèâàþùåé è ñîáèðàþùåé ëèíç».
Ëàáîðàòîðíàÿ ðàáîòà “Ñíÿòèå âîëüòàìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè ïîëóïðîâîäíèêîâîãî äèîäà”. Äàííàÿ ëàáîðàòîðíàÿ ðàáîòà ïîçâîëÿåò èçó÷èòü íà ïðàêòèêå âîëüòàìïåðíûå õàðàêòåðèñòèêè ïðîâîäíèêà ïðè èçìåíåíèè ñîïðîòèâëåíèÿ ðåîñòàòà.  ðàñïîðÿæåíèå ñòóäåíòà íà ýòàïå âûïîëíåíèÿ ýêñïåðèìåíòà ïðåäîñòàâëÿåòñÿ «ðàçîáðàííàÿ» êîìïüþòåðíàÿ ëàáîðàòîðíàÿ óñòàíîâêà (Ðèñóíîê 5), ñîñòîÿùàÿ èç ðåîñòàòà, àìïåðìåòðà, âîëüòìåòðà, äèîäà, ýëåìåíòà ïèòàíèÿ (àêêóìóëÿòîðà), ïåðåêëþ÷àòåëÿ, ïîçâîëÿþùåãî ìåíÿòü êîíôèãóðàöèþ ñõåìû, ïðîâîäîâ. Íà ðèñóíêå ïîìåùåíà ñõåìà ëàáîðàòîðíîé óñòàíîâêè, êîòîðóþ îáó÷àåìûé äîëæåí ñîáðàòü ñàìîñòîÿòåëüíî. Ïîñëå òîãî, êàê ëàáîðàòîðíàÿ óñòàíîâêà ñîáðàíà (Ðèñóíîê 6), è êîìïüþòåð ïðîâåðèë ïðàâèëüíîñòü ñáîðêè, ñ ïîìîùüþ ðåîñòàòà ìîæíî èçìåíÿòü ñîïðîòèâëåíèå ýëåêòðè÷åñêèé öåïè è ïðîèçâîäèòü ñíÿòèå åå âîëüòàìïåðíûõ õàðàêòåðèñòèê. Ðåçóëüòàòû, çàíåñåííûå îáó÷àþùèìñÿ â òàáëèöó áóäóò àâòîìàòè÷åñêè ïðîâåðåíû êîìïüþòåðîì èëè îòîñëàíû íà ñåðâåð ñáîðà ðåçóëüòàòîâ, â çàâèñèìîñòè îò âûáðàííîãî ðåæèìà ïðîõîæäåíèÿ ëàáîðàòîðíûõ ðàáîò. Ïðèìåíåíèå ñèñòåìû òåñòèðîâàíèÿ ïîçâîëÿåò ñíÿòü òåõíè÷åñêóþ íàãðóçêó ñ ïðåïîäàâàòåëåé ïî ïðîâåðêå çíàíèé ñòóäåíòîâ. Ñîçäàííûå ëàáîðàòîðíûå ðàáîòû è àíàëîãè÷íûå èì ïîçâîëÿþò ïîâûñèòü êà÷åñòâî îáðàçîâàòåëüíîãî ïðîöåññà íå òîëüêî ïðè èñïîëüçîâàíèè â òðàäèöèîííîì îáðàçîâàíèè, íî è ïðè ïðèìåíåíèè èõ â êà÷åñòâå ó÷åáíûõ
92
Â.Ã. Çóáêîâ, À.Â. Ìåðçëÿêîâ, Ì.Â. Ìîñòîâùèêîâ
êîìïëåêñîâ ïðè äèñòàíöèîííîì îáðàçîâàíèè. Ëàáîðàòîðíûå ðàáîòû, ïëàíèðóåòñÿ ïðèìåíÿòü ïðè ïðîõîæäåíèè ôèçèêè ñòóäåíòàìè ïðîõîäÿùèìè îáó÷åíèå ïî çàî÷íîìó è äèñòàíöèîííîìó îáó÷åíèþ.
Ðèñóíîê 5. «Ðàçîáðàííàÿ» êîìïüþòåðíàÿ ëàáîðàòîðíàÿ óñòàíîâêà «Ñíÿòèå âîëüòàìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè ïîëóïðîâîäíèêîâîãî äèîäà».
Ðèñóíîê 6. Ñîáðàííàÿ êîìïüþòåðíàÿ ëàáîðàòîðíàÿ óñòàíîâêà «Ñíÿòèå âîëüòàìïåðíîé õàðàêòåðèñòèêè ïîëóïðîâîäíèêîâîãî äèîäà».
