Ни для кого не секрет, что эксперимент играет важную роль на занятиях по физике. Его высокую значимость для процесса обучения сложно переоценить: интерес к предмету, развитие самостоятельности, познавательной и творческой активности, формирование «духа» исследователя – есть результат применения учителем или преподавателем в повседневной практике данного вида деятельности.

Однако, встречаются ситуации, когда вместо полноценного демонстрационного эксперимента, при объяснении нового материала, или лабораторной работы, направленной на закрепление или изучение явлений, приходится либо использовать компьютерную модель, либо показать сам опыт, а результаты должны быть приняты «на веру», в связи с долгой обработкой данных, на которую нет времени или же ограничиться поверхностным изучением и старыми методами исследования. Данные варианты не является оптимальным. Выходом из сложившейся ситуации могут служить цифровые лаборатории, основу которых составляют датчики, но и тут есть существенная проблема, заключающаяся в дороговизне данных новшеств и, следовательно, недоступности для многих образовательных учреждений.

Возможным решением является компьютерный лабораторный комплекс «Аргус». Первая демонстрация работы данного комплекса состоялась на «Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых» в Уфе весной 2008 года на секции «Проблемы преподавания физики», а в дальнейшем на «Всероссийской студенческой олимпиаде по теории и методике обучения физике» в Челябинске в рамках конкурса «Цифровых образовательных ресурсов», в обоих случаях комплекс был отмечен дипломами, а также вызвал интерес со стороны специалистов. На данный момент комплекс совершенствуется, а также проходит апробацию на базе ГОУ СОШ №286 г. Санкт-Петербурга под руководством учителя физики и информатики Поповой Т. Н.

Набор представленного программного обеспечения позволяет автоматизировать некоторые этапы сбора и обработки данных в экспериментах по физике, создавать в ходе работы дидактические материалы, такие как стробоскопические фотографии и графики зависимостей, вариативно подходить к составлению экспериментальных заданий для учащихся, проводить интегрированные уроки физика + математика и физика + информатика, а также способствует решению и освоению межпредметных задач.

Основу рассматриваемого комплекса составляет редко упоминаемый в литературе фотографический или кинематографический метод изучения физических явлений, заключающийся в запечатлении наблюдаемого процесса и последующем его анализе путем обработки полученного материала. Данный метод в настоящее время используется для решения весьма серьезных исследовательских задач, но, к, сожалению, абсолютно не задействован при обучении, хотя в некоторых учебниках можно встретить рисунки и фотографии, являющиеся результатами или же «отголосками» применения данного метода.

Первоначально «Аргус» предназначался для количественного изучения законов механики, однако, его применимость этим разделом физики не ограничена, так как некоторые явления из других разделов физики имеют видимые проявления, что позволяет применять комплекс для их изучения.

Исследование, в случае использования фотографического метода, можно разделить на следующие этапы:

1. Сборка реальной установки;
2. Регистрация данных;
3. Анализ;
4. Обработка данных, получение результатов;
5. Выводы.

Рассмотрим работу КЛК «Аргус» от начала до конца на примере изучения колебаний пружинного маятника в вязкой среде. Во-первых, данный эксперимент позволит изучать затухающие колебания пружинного маятника; во-вторых, получив коэффициент затухания для данных колебаний, становится возможным определить вязкость используемой жидкости, что можно отнести к молекулярной физике.

Для проведения демонстрации потребуется следующее: металлический шар, пружина, штатив, нить, непроницаемый сосуд с прозрачными плоскими стенками (аквариум), градусник, таблица значений определяющих зависимость вязкости жидкости от температуры, штангенциркуль, компьютер и веб-камера. Плоскость стенок сосуда обеспечивает отсутствие искажений, которые могут возникнуть вследствие увеличения размеров объекта, движение которого исследуется.

На первом этапе устанавливаем аквариум с водой или другой жидкостью, вплотную к нему размещаем штатив, а лапку располагаем таким образом, чтобы она находилась в периметре ограниченном стенками аквариума, в лапке зажимаем один из концов пружины. Шар тоже готовим к проведению эксперимента. Для этого окрашиваем его с помощью подручных средств, таких как маркер, в цвет, резко контрастирующий с фоном, затем прикрепляем к нему нить, а на другом конце её делаем петлю, для того, чтобы существовала возможность прикрепить её к свободному концу пружины. Опускаем градусник в жидкость и выясняем её температуру, после чего вынимаем его. Измеряем диаметр шара с помощью штангенциркуля. Первый этап на этом закончен.

Далее располагаем веб-камеру напротив аквариума и перпендикулярно к плоскости стенки и таким образом, чтобы она захватывала предположительный район движения шара, после чего запускаем программу регистрации и получаем с её помощью первый необходимый снимок без объекта.

Рис. 1 Снимок аквариума без объекта

Далее подцепляем к пружине нить с шаром и опускаем в жидкость и дожидаемся того момента, когда будет достигнуто равновесие, после чего делаем очередной снимок.

Рис. 2 Снимок фиксирующий положение равновесия шара

После этого можно аккуратно вывести шар из положения равновесия и начать регистрацию движения, задав определенное количество снимков необходимых для исследования. В данном случае снимки сохраняются в указанную папку на жестком диске компьютера, чтобы в дальнейшем подвергнуться анализу. На данном шаге заканчивается второй этап.

Переходя к анализу полученных снимков необходимо заметить, что этот этап представляется, пожалуй, самым интересным. Во время анализа экспериментатор просматривает весь зафиксированный процесс сначала до конца в виде быстрой и упорядоченной смены снимков, что почти аналогично демонстрации фильма, одновременно с построением графика, тем самым, показывая какое положение объекта характерно для данной точки графика. В результате экспериментатор получает координаты тела

Рис. 3 Результат обработки снимков

и соответствующие им моменты времени, а также точечный график зависимости одной из выбранных координат от времени.

Наступает этап под номером 4. Далее предполагается использование Microsoft Excel. Перенеся данные в Excel необходимо работать лишь со значениями амплитуд и строить по полученным значениям график зависимости с добавлением линии тренда экспоненциального типа, что соответствует теории затухающих колебаний:

где A₀ – начальная амплитуда, A(t) – амплитуда в момент времени , a – коэффициент затухания.

Рис. 4 Зависимость амплитуда колебаний от времени и линия тренда

Воспользовавшись возможностью добавления предполагаемого уравнения к линии тренда получаем значение коэффициента затухания. Дополнительно можно продемонстрировать фазовую траекторию, использовав вычислительные возможности Excel и базовые понятия о скорости из физики. Представленная на рис. 5 фазовая траектория, безусловно, далека от гладкой спирали, но возможным объяснением может служить то, что скорость вычисляется все-таки по далеким от идеала формулам. Также могла сказаться и погрешность, касающаяся самих колебаний. Дело в том, что если внимательно приглядеться шар будет иметь в различные моменты времени отклонения и по оси Х, о чем свидетельствую данные, полученные путем анализа снимков, что не может не сказаться на конечном результате. Для получения лучшего качества необходимо использовать уже готовые модули для «Аргус», которые включают процедуры аппроксимации и сглаживания данных, а также более точные процедуры вычисления скоростей.

Рис. 5 Фазовая траектория, полученная с помощью численного дифференцирования данных

Фазовую траекторию можно построить несколько по-другому. Получив зависимость координаты от времени можно определить период колебаний, а значит и циклическую частоту, начальную амплитуду и использовать уже найденный коэффициент затухания, т.о. можно получить следующую картину

Рис. 6 Фазовая траектория, полученная с помощью найденных параметров и формул

Помимо использования Excel возможно либо использование готового программного модуля, отвечающего за обработку данных и нахождение нужного коэффициента либо создание данного модуля, возможно даже учащимися и студентами, тем более что это не предполагает наличие каких-то особых знаний в области программирования. Как видно из сложившейся ситуации требуется интеграция физики и информатики, поэтому на этапе обработки результатов можно как проводить интегрированные занятия, так и осуществлять межпредметную связь, проводя эксперимент на занятии по физике, а обрабатывая данные на занятии по информатике. Возможна, также, интеграция и связь с математикой.

После нахождения коэффициента затухания можно показать его связь с коэффициентом вязкости выражающуюся следующим образом:

где – масса шарика, а его радиус.

Далее возможно менять жидкости, массу и размер тел, жесткость пружины и т.д.: по-разному варьировать экспериментальные задачи. Продемонстрированное применение фотографического метода в виде его компьютерной реализации КЛК «Аргус» может показаться неприменимым в рамках демонстрации, однако, с использованием готовых модулей данная задача вполне реализуема в течение 3-5 минут, изложенная же выше реализация больше подходит для лабораторных работ.

Полученные результаты демонстрируют хорошую точность, наглядность и современность рассматриваемого метода, а его компьютерная реализация в свою очередь может стать удобным инструментом для учителя или преподавателя при организации и проведении экспериментов, тем самым косвенно и напрямую обосновывая плюсы информатизации физического образования.