Методическая разработка экспериментальной площадки при приведении недели физики.

Физика –  наука,  изучающая  наиболее  общие  закономерности  явлений  природы, свойства  и  строение  материи,  законы  её  движения.  Поэтому  понятия  физики  и  её  законы лежат  в  основе  всего  естествознания.  Границы,  отделяющие  физику  от  других естественных наук, в значительной мере условны и меняются с течением времени.

В  своей  основе  физика – экспериментальная  наука:  её  законы  базируются  на  фактах, установленных  опытным  путём.  Эти  законы  представляют  собой  количественные

соотношения  и  формулируются  на  математическом  языке. Наряду  с  усвоением  фундаментальных  знаний  и  законов, подкрепленных  натурным  лабораторным  исследованием,  экспериментальная площадка помогает привить  ученикам  навыки  и  умение  моделировать  физические  процессы  и явления.  Не  заменяя  традиционные  формы  обучения,  применение  исследований космического телескопа «Тесис» в лабораторной работе  дает  новые  технологии  для  процесса  обучения.  Комплексный  подход  в использовании  натурных исследований связанных с определением магнитного поля Земли  и  виртуальным исследованием изинтернет – источников в  лабораторной  работе  по  физике  является методически обоснованным.

Проведение экспериментальной площадки разделено на три совмещенных модуля:

1. Физическая лабораторная работа №1 («Измерение тангенциальной составляющей магнитного поля Земли» для 9-10 класса).

2. Физическая лабораторная работа №2 («Определение солнечной активности по данным космического телескопа «Тесис» и его влияние на магнитное поле Земли» для 11 класса).

3. Обобщение данных лабораторных работ №1 и №2 (Выполняют совместно 9-11 классы)

При проведении лабораторных работ учащиеся должны уметь  использовать  полученные  знания  универсальных  законов  физики  для корректной  постановки  и  решения  экспериментальных  задач,  возникающих  в  ходе учебной  деятельности;  решать  экспериментальные  задачи  с  применением школьного оборудования, в том числе и интернет ресурсов.

Лабораторная работа «Измерение тангенциальной составляющей магнитного поля Земли» для 9-10 класса проводится  в  специализированном  кабинете физики, так как при ее использовании необходимо электрическое оборудование. Лабораторная работа «Определение солнечной активности по данным космического телескопа «Тесис» и его влияние на магнитное поле Земли» проводится в кабинете информатики, так как при проведении необходимы компьютеры и интернет. После проведения двух лабораторных работ учащиеся объединяют полученные данные двух лабораторных работ, анализируют и делают вывод о влияния плазменного ветра (солнечного ветра) на магнитное поле Земли. Эту работу они выполняют в кабинете физике.

Выполнение  каждой  лабораторной  работы  рассчитано  на  один  академический  час. На совместное обсуждение результатов двух лабораторных работ отводится 30 мин.

1. Цели и задачи экспериментальной площадки.

образовательные:

• освоение знаний о современной, естественнонаучной картине мира;
• знакомство с методами исследований в области естественных наук, достижениями естествознания, благодаря которым изменились представления человека о природе и получили толчок в развитии техники и технологий;
• самостоятельно получать знания, работая с измерительными приборами и с новым источником информации (ИНТЕРНЕТ ресурсами) и выведенными в космическое пространство инструментами.

развивающие:

• развитие интеллектуальных, творческих способностей и критического мышления в ходе проведения лабораторных исследований;
• овладение умениями отбирать, анализировать и обобщать полученную информацию;
• выявлять причинно-следственные связи, учиться прогнозировать;

воспитательные:

• воспитание убеждённости в возможности познания законов природы и использование достижений естественных наук для развития цивилизации;
• умение обоснованно высказывать свою позицию;
• осознанное отношение к возможности опасных последствий солнечной активности на экологию и жизнедеятельность;
• охрана здоровья и окружающей среды.

Ожидаемые результаты:

• Формирование представлений о новой группе инструментов, вынесенных в космическое пространство; процессах, происходящих со звездами на примере Солнца; о взаимосвязи процессов, происходящих на Солнце и Земле.
• Актуализация и формирование умений:
• Описывать результаты собственных наблюдений;
• Различать в описании наблюдения цель, условия его проведения, полученные результаты и выводы; определять необходимое оборудование и условия проведения наблюдений за Солнцем в интерактивном виде; выдвигать гипотезу, предлагать пути её проверки, делать выводы на основе полученных экспериментальных данных; использовать дополнительные источники информации (USB носитель, сети Интернет); работать с ресурсами Интернет, владеть методами поиска информации, выделять смысловую основу и оценивать достоверность информации;
• Объяснять прикладное значение влияния процессов, происходящих на Солнце на жизнедеятельность на Земле;
• Оценивать влияние Солнечной активности на организм человека и окружающую среду.

Лабораторная работа №1

«Измерение горизонтальной составляющей напряжённости магнитного поля Земли с помощью тангенс – гальванометра»

Цель работы: изучить метод измерения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли с помощью тангенс-гальванометра.

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр, амперметр, реостат,  источник постоянного тока.

Методика выполнения лабораторной работы

Объяснение выполнения лабораторной работы проводят 3 учащихся 10-х классов в сопровождении презентации. Ученик объясняющий обработку результатов, показывает свои расчеты измерения горизонтальной составляющей в течении 2-х месяцев в разные дни. При проведении детьми лабораторной работы, этот ученик выступает в роли преподавателя.

                                         1 ученик

                                                   1 слайд.

Определяется тема и цель лабораторной работы

                                           2 слайд

                                             Наша Земля является гигантским магнитом. В пространстве, окружающем Землю,                      существует магнитное поле. По последним гипотезам поле Земли связано с токами, циркулирующими по поверхности ядра Земли, а отчасти с намагниченностью горных пород и токами в радиационных поясах. Схема линий вектора индукции магнитного поля Земли показана на  рис 1. Южный магнитный полюс находится вблизи северного географического полюса N.

В каждой точке на поверхности Земли вектор индукции магнитного поля имеет определенную величину и направление, которые определяются тремя элементами земного магнетизма:

- горизонтальной составляющей вектора индукции В_г ;

- склонением φ  (углом между В_г и плоскостью географического меридиана рис. 2)

- наклонением θ ( углом между вектором индукции  В_г  и плоскостью горизонта).

Индукцию В_з  магнитного поля Земли можно представить суммой горизонтальной В_г  вертикальной В_в составляющих:

В_з = В_г + В_в.Зная угол наклонения θ  и измерив горизонтальную составляющую В_г можно определить значение вектора индукции магнитного поля в любой точке на поверхности Земли.

3 слайд

Магнитное поле Земли можно исследовать с помощью витка с током. При отсутствии тока в витке магнитная стрелка устанавливается только по направлению вектора индукции магнитного поля Земли, точнее в направлении горизонтальной составляющей индукции В_г магнитного поля Земли. Если по витку пропустить ток, то этот ток создает свое магнитное поле.  Магнитная индукция В_в этого поля в центре кольца направлена по оси кольца (на рис 3. вправо), а величину её можно определить по формуле:    В_в = μμ_о   (1). Где μ_о - магнитная постоянная, равная 4π∙10^-7 Гн/м , μ- магнитная проницаемость среды, для воздуха μ=1

4 слайд

Магнитная индукция В в центре кольца равна векторной сумме горизонтальной составляющей магнитного поля Земли В_Г и магнитной индукции В_В, созданной током в витке (рис. 3): В=В_г+В_в

        Магнитная стрелка ориентируется по направлению вектора индукции В результирующего поля, отклоняясь на угол α от плоскости витка . Из рис. 3 видно, что В_в = В_г·tgα    (2).

         Решая совместно уравнения (1) и (2), получим

 В_г= μμ_о

Если вместо одного витка с током I взять катушку, содержащую n витков, то величина В_г будет в n раз больше, соответственно:В_г= μμ_о (3)

С использованием формулы ( 3 ) можно определить значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли В_г по измеренным значениям силы тока I и угла  α.  

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

2 ученик :

Объясняет как выполнять измерения с показом лабораторных приборов.

5 слайд

1. Собрать схему показанную на слайде.

2.Поворачивая тангенс-гальванометр  и

компас, устанавливают плоскости

катушки тангенс-гальванометра

в плоскости магнитного  меридиана так,

 чтобы один конец стрелки совпал с "0".   

3.Замкнуть цепь и с помощью реостата установить силу тока, при которой угол отклонения стрелки будет близок 30⁰. Измерить угол α₁.

4.Повторить измерения углов отклонения стрелки при других, но больших значениях силы тока, вызывающих отклонение на углы с шагом 5⁰.

5.Разомкнуть ключ.

3 ученик:

 Объясняет обработку результатов измерения

6 слайд

Обработка результатов измерений

1.Для каждого опыта по формуле

α=

найти среднее значение угла отклонения стрелки при каждой силе тока.

Результаты измерений внести в табл. 1.

2. По формуле (3) для каждой силы тока вычислить горизонтальную составляющую В_г вектора индукции магнитного поля в данной точке Земли. Число витков n=5 , радиус R=0,15м

3.Вычислить среднее значение вектора индукции В_{г ср} магнитного поля Земли.

7 слайд

На слайде показана таблица моих измерений. Измерения были выполнены 2 месяца назад.

8 слайд

В течении 2-х месяцев выполнены точно такие же измерения и результаты показаны также на слайде.

После объяснения учениками теоретической и практической части, учащиеся преступают к выполнению лабораторной работы. Итогом работы является заполненная таблица результатов, которая находится в раздаточном материале для каждого ученика.

Раздаточный материал:

Лабораторная работа: «Измерение горизонтальной составляющей напряжённости магнитного поля Земли с помощью тангенс »

Класс______

ФИО________________________________________________

Цель работы:_______________________________________________________________

Список литературы:

1.Плазма-четвертое состояние вещества. Орлов В.А., Дорожкин С.В. М.: 2005. - 143 с.

2. Движение заряда в магнитном поле (N9/2007) В. Дроздов., газета «Физика», [Текст]. М.: Наука, 2007. 192с.

3. Магнетизм на Земле и в Космосе/ К.П. Белов, Н.Г. Бочкарев [Текст]. М.: Наука, 1983. 192с.

4.Кому нужно четвертое состояние вещества? Арсений Ефремов,"Экспресс-Электроника"№11/2003

Лабораторная работа №2  «Наблюдение за активностью Солнца в режиме реального времени с помощью телескопа «Тесис» через Интернет»

Цель работы: Исследовать активность Солнца в интерактивном режиме с помощью космического телескопа «Тесис» .

Приборы : компьютеры

Методика выполнения лабораторной работы

Новые понятия и представления: активность, протуберанец, , вспышка, "Тесис", космические инструменты, факелы.

Ход лабораторной работы

Объяснение хода лабораторной работы выполняют 2-е учащихся 11 класса в сопровождении презентации.

Изучение нового материала:

1 ученик рассказывает теоретическую часть с показом презентации « Солнечная активность и ее влияние на процессы, происходящие на Земле»

1 слайд

Солнце посылает на Землю электромагнитные волны всех областей спектра — от многокилометровых радиоволн до гамма-лучей. Окрестностей Земли достигают также заряженные частицы разных энергий — как высоких (солнечные космические лучи), так и низких и средних (потоки солнечного ветра, выбросы от вспышек). Наконец, Солнце испускает мощный поток элементарных частиц — нейтрино. Однако воздействие последних на земные процессы пренебрежимо мало: для этих частиц земной шар прозрачен, и они свободно сквозь него пролетают.
   Только очень малая часть заряженных частиц из межпланетного пространства попадает в атмосферу Земли (остальные отклоняет или задерживает геомагнитное поле). Но их энергии достаточно для того, чтобы вызвать полярные сияния и возмущения магнитного поля нашей планеты.

2 слайд

Электромагнитное излучение подвергается строгому отбору в земной атмосфере. Она прозрачна только для видимого света и ближних ультрафиолетового и инфракрасного излучений, а также для радиоволн в сравнительно узком диапазоне (от сантиметровых до метровых). Всё остальное излучение либо отражается, либо поглощается атмосферой, нагревая и ионизуя её верхние слои.

3 слайд

Максимумы и минимумы чередуются в среднем каждые 11 лет (от 7 до 17 лет), последний максимум солнечной активности был в 2000 году. Основной характеристикой солнечной активности является число Вольфа.

4 слайд

Солнечные пятна, солнечные вспышки, факелы, протуберанцы и корональные лучи — эти явления влияют практически на все происходящие на Земле процессы, от атмосферных явлений до поведения человека. Как правило, их называют одним общим термином — солнечная активность.

5 слайд

Геофизические процессы – процессы, происходящие в атмосфере, гидросфере и литосфере(полярные сияния, озоновые дыры, смерчи, землетрясения, цунами, наводнения).Во время повышенной солнечной активности увеличивается периодичность геофизических процессов.

6 слайд

Солнечная активность сказывается на поведении всех живых организмов. Как следствие, катастрофически падают урожаи сельскохозяйственных культур ,деградируют луга, снижается прирост древесины, происходит падеж скота и резко сокращается численность других животных организмов. А во времена глобальных катастроф происходили относительно внезапные исчезновения многих форм организмов.

7 слайд

Каждый человек обладает определенным «запасом прочности», который у разных           людей далеко не одинаков: он зависит от пола, возраста, состояния здоровья, тренированности и других факторов. Влияние солнечной активности (магнитные  бури) чувствует большинство людей. Особенно обостряются хронические и инфекционные заболевания, чаще происходят нервные срывы.

 8 слайд

Взаимосвязь солнечных и земных явлений устанавливается обычно на основании совпадения их ритмики. Этого, конечно, недостаточно для того, чтобы прогнозировать то или иное событие на Земле по степени активности Солнца. Только значение всех процессов, образующих сложную цепочку взаимосвязей в системе Солнце –Земля, поможет предсказать конкретное событие. Таким образом Солнце  «контролирует» все процессы, происходящие на Земле.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

2 ученик объясняет практическую часть работы:

Развитие современной науки дало человечеству возможность выносить инструменты в космическое пространство и наблюдать объекты в диапазонах, недоступных на Земле из-за поглощения в атмосфере.

В данной лабораторной работе мы будем пользоваться телескопом «Тесис», наблюдения с которого публикуются на сайте ttp://www.tesis.lebedev.ru

Телескоп ведёт наблюдения за Солнцем.

Основной целью нашего наблюдения будут проявления Солнечной активности. Эти исследования важны не только для современной науки, но и для повседневной жизни человека. Хотя из проведённых наблюдений мы сможем сделать и некоторые другие выводы.

Заключительные слова: теперь вы самостоятельно приступаете к наблюдениям за активностью Солнца в режиме реального времени, которые вы будете проводить с помощью телескопа «Тесис» через Интернет. Для этого:

1.Откройте сайт ttp://www.tesis.lebedev.ru.

2.Ознакомьтесь с разделами сайта.

3.Выберите на главной странице раздел дата.

4.Скопировать полученный рисунок

5.Меняя даты фиксировать показания активности солнца, магнитных бурь.

6.Рассмотреть изображения и всплески на Солнце в определенные дни.

7.Внести изображения активности солнц в таблицу с датами, которая находится в раздаточном материале.

8.Опишите результаты проведённых наблюдений под каждым рисунком.

9.Сделать заключение соответствующее кругу  затрагиваемых вопросов.

Раздаточный материал:

Лабораторная работа: «Наблюдение за активностью Солнца в режиме реального времени с помощью телескопа «Тесис» через Интернет»

Класс______

ФИО________________________________________________

Цель работы:_______________________________________________________________

Ход работы:

 1.Откройте сайт ttp://www.tesis.lebedev.ru.

2.Ознакомьтесь с разделами сайта.

3.Выберите на главной странице раздел дата.

4.Скопировать полученный рисунок

5.Меняя даты фиксировать показания активности солнца, магнитных бурь.

6.Рассмотреть изображения и всплески на Солнце в определенные дни.

7.Внести изображения активности солнц в таблицу с датами, которая находится в раздаточном материале.

8.Опишите результаты проведённых наблюдений под каждым рисунком.

9.Сделать заключение соответствующее кругу  затрагиваемых вопросов.

Используемая литература

1. Федеральный Компонент государственного стандарта среднего (полного) общего образования по естествознанию. Сборник нормативных документов. Естествознание. Дрофа, М. 2004г.
2. Примерная программа по естествознанию для среднего (полного) общего образования. Преподавание природоведения и естествознания 2004-2005 уч. год. Методическое пособие, МИОО, М.2004г.
3. Рузавин Г.И. Методология научного исследования. М.1999г.
4. Пентин А.Ю. Естественные науки для "пользователя". - Естествознание в школе, 2004, №1, с. 10-15.
5. О методологическом методе. Журнал "Лицейское гимназическое образование", 2001,№6.
6. Сайт ttp://www.tesis.lebedev.ru.
7. Интернет ресурсы.

Лабораторная работа №3 «Сравнение результатов измеренного магнитного поля с показаниями космического телескопа «Тесис»

Цель : Обобщить результаты измерения тангенциальной составляющей магнитного поля Земли и показаниями космического телескопа «Тесис»

Ход работы:

После выполнения учащимися 9-11 класса лабораторных работ, учащиеся собираются в кабинете физики, где продолжается уже совместная аналитическая работа. На первом этапе работы  сравниваются полученные результаты лабораторной работы  №1«Измерение горизонтальной составляющей напряжённости магнитного поля Земли с помощью тангенс – гальванометра» и результаты лабораторной работы №2  «Наблюдение за активностью Солнца в режиме реального времени с помощью телескопа «Тесис» через Интернет».

На втором этапе делаются выводы о влияния солнечной активности на магнитное поле Земли.

Полученное сравнение показано ниже