МИНИСТЕРСТВООБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
УЧРЕЖДЕНИЕОБРАЗОВАНИЯ
«БРЕСТСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имениА.С.Пушкина»
Курсовая работа:
«Аналогии имодели — один из методов обучения физики средней школы»
Введение
Аналогия и модели — одиниз методов научного познания, который широко применяется при изучении физики.
В основе аналогии лежитсравнение. Если обнаруживается, что два или более объектов имеют сходныепризнаки, то делается вывод и о сходстве некоторых других признаков. Вывод поаналогии может быть как истинным, так и ложным, поэтому он требуетэкспериментальной проверки.
Значение аналогий приобучении связано с повышением научно-теоретического уровня изложения материалана уроках физики в средней школе, с формированием научного мировоззренияучащихся.
В практике обучениеаналогии используется в основном для пояснения уже введенных трудных понятий изакономерностей.
Электромагнитныеколебания и волны — темы школьного курса физики, усвоение которых традиционновызывает большие затруднения у учащихся. Поэтому для облегчения изученияэлектромагнитных процессов используются электромеханические аналогии, посколькуколебания и волны различной природы подчиняются общим закономерностям.
1. Метод моделирования впреподавании физики основной школы
Моделирование, как способнаучного познания реальности, давно стало одним из наиболее мощных средствнауки. Само слово «модель» было известно очень давно, первоначальноезначение слова было связано с архитектурой. В эпоху средневековья онообозначало масштаб, в котором выражались все пропорции здания. Впоследствиипонятием модели стали пользоваться в научных исследованиях, когданепосредственное изучение каких-либо явлений оказывалось невозможным илималоэффективным. Начало моделированию, как методу теоретического исследования, положилИ. Ньютон, сформулировав две теоремы о подобии, позволяющие результаты опытовпо сопротивлению тел, движущихся в жидкой среде, переносить на другие случаи, вкниге «Математические начала натуральной философии».
Метод моделирования имеетбольшое значение в современных условиях. Он основан на построениисоответствующей модели объекта, изучении ее свойств и переносе полученнойинформации на сам объект. Роль модели состоит в том, что она – заменительобъекта, посредник в отношениях между субъектом и объектом. Под модельюпонимается условный образ или образец изучаемого объекта.
В естествознании подфизическим моделированием понимается замена изучения некоторого объекта илиявления экспериментальным исследованием его модели, имеющей ту же физическуюприроду.
Так как в Государственномобразовательном стандарте предусмотрено изучение методов научного познания ввиде отдельного раздела, то необходимо формировать у школьников представление ороли моделирования явлений и объектов, области применения и границ применимостимоделей. Бесспорно, это требует перестройки всего учебного процесса в школетак, чтобы учащиеся получили четкое представление о происхождении научныхзнаний и понимали, как связаны между собой факты, понятия, законы итеоретические выводы.
В курсе физики понятиемодели может быть рассмотрено в двух аспектах: модель как объект познания и каксредство познания. Проиллюстрируем это. Для рассмотрения понятия модели какобъекта познания подходит следующая классификация моделей, в которой все моделиделятся на два больших класса: модели материальные и модели идеальные(информационные). А информационные модели в свою очередь делятся на:описательно-информационные, математические (формализованные) и графические.
Рассмотрим возможныепримеры моделей взаимодействия двух электрически заряженных тел.
Примером материальноймодели такого взаимодействия могут быть крутильные весы Кулона, в которыхшарики А и В заряжаются определенным образом и играют роль заряженных тел. А овеличине силы взаимодействия между заряженными телами судят по повороту тонкойсеребряной упругой нити подвеса.
Описательно-информационнаямодель: два разноименно заряженных тела притягиваются, а два одноименнозаряженных тела отталкиваются, причем сила взаимодействия зависит от расстояниямежду телами, среды, в которую они помещены и величины заряда тел.
Примером математическоймодели является связь между величинами в законе Кулона (записанном, например, вскалярной форме в системе СИ): F= k(q1q2/r²)
Графической моделью (рис.1)служит, например, зависимость модуля силы взаимодействия от расстояния междудвумя телами (при постоянной величине зарядов тел).
/>
Рис.1
При рассмотрении модели,как средства познания чаще используется деление моделей на материальные(предметные) и теоретические. За редким исключением, любой физическийэксперимент – это модель (материальная). А примером теоретической модели можетслужить модель гармонической электромагнитной волны из курса физики основнойшколы.
/>
Рис.2
Гармоническаяэлектромагнитная волна (рис.2) – это распространяющееся в пространстве сконечной скоростью гармоническое электромагнитное колебание. Гармоническаяэлектромагнитная волна представляет собой бесконечную синусоидальную волну, вкоторой все изменения напряженности электрического поля и индукции магнитного поляпроисходят по закону синуса или косинуса. Причем, колебания векторанапряженности E вектора индукции B в электромагнитной волне происходятперпендикулярно направлению ее распространения. В то же время векторынапряженности и индукции перпендикулярны друг другу. Это означает, что волнадвижется в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой колеблютсявекторы E и B.
К сожалению, многиеучителя в настоящее время не готовы к изменению акцентов в преподавании. В. Г.Разумовский отмечает, что не только ученики, но часто учителя забывают о «модельном»характере теоретических знаний, придают им статус полной адекватности изучаемойреальности, что чрезвычайно сковывает развитие познавательных и творческихспособностей учащихся. Изменить ситуацию может лишь такая организация учебногопроцесса в педагогическом вузе, когда раскрытию модельного характера познания вфизической науке будет уделяться достаточно времени.
2. Взаимодействиетеоретического и эмпирического методов исследования
«Физика – наукаэкспериментальная…». «Физики – наука теоретическая…». Сколькораз в истории при подобном противостоянии истинна оказывалась где-топосередине. Именно это и происходит сейчас в методике преподавания физики. Отэтих двух полярных взглядов переходят в доктрине тесного взаимодействиятеоретических и эмпирических методов познания.
Что подобное решениеможет дать для самой методики преподавания физики? Прежде всего то, что раз мыпризнаем одинаково высокую степень важности и теоретических и эмпирическихметодов познания, а так же большое внимание уделяем проблемам ихвзаимодействия, значит мы уделяем особое внимание тем методам научногопознания, которые принадлежат к классу как теоретических, так и эмпирических.Это происходит из-за того, что при изучении узко специальных методов познаниямы даем школьникам лишь знания о самом методе познания, и знания полученных спомощью этого метода. Совсем по-другому обстоят дела, когда мы преподносимобщие методы познания, а особенно на столько общие, что относятся одновременнои к теоретическим и к эмпирическим. Мы даем ученикам системаобразующий фактор,ту нить познания, на которую нанизываются ее конкретные бусинки-знания. Тоесть, изучив подобные методы познания, у школьника будет четкое представление отом, как было получено, и как может быть получено большинство научных фактов, аэто само по себе не мало. А, освоив подобные методы в достаточной мере,школьник сможет получить сам или под руководством учителя немалую часть научныхфактов.
Какие методы научногопознания можно отнести к столь привилегированной группе? Это, прежде всего,общефилософские методы познания, такие как анализ, синтез, моделирование и т.д. Остановимся более подробно на методе моделирования. Итак, для качественногоусвоения знаний по физике школьникам необходимо в полной мере раскрыть сутьметода моделирования, но если это общефилософские методы познания, нераскрываются ли они в достаточной степени на других школьных предметах? Всешкольные предметы химия, природоведение, биология, русский язык и даже физкультураработают с моделями или со знаниями, полученными с помощью методамоделирования, но даже термин «модель» встречается более-менее частотолько в биологии, да и там он употребляется не в научно-познавательном смысле,а в смысле демонстрационного увеличенного макета. Предмета «методынаучного познания» в основной школьной программе, пока, не существует.Остается информатика. Авторских программ по информатике существует большоеколичество, и в некоторых из них проблеме моделирования уделяется действительнодостойное внимание, и метод моделирования рассматривается в довольно большомобъеме. Основным недостатком подобных программ является, пожалуй, то, что методмоделирования изучается в старших классах, обычно в десятом или дажеодиннадцатом.
Подводя итоги, можносделать следующий вывод: в курсе физики необходимо в достаточной мере изучатьметод моделирования. При чем, желательно изучать методы моделирования начиная спервых занятий по физике и не выпускать далеко из рассмотрения на протяжениивсей основной школы.
3. Классификации моделейи их значение в обучении физике
Модели давно играют однуиз главных ролей в обучении физике, о моделях написано много научных работ,много ученых, преподавателей и учителей создавали и создают новые учебныемодели, разработано много классификаций моделей. Рассмотрим некоторыеклассификации моделей, а так же попытаемся оценить их ценность для методикипреподавания физики.
Существует множествоклассификаций моделей, отличающихся друг от друга признаками, положенными воснову классификации, перечислим некоторые из них.
Модели делятся:
• по способу познания:житейские, художественные, научно-технические;
• по отрасли знаний:биологические, экономические, исторические и т.д.;
• по областииспользования: учебные (наглядные пособия), опытные (модель самолета втурбодинамической трубе), научно-технические (ускорители элементарных частиц),игровые (экономические, военные), имитационные (многократное повторение опытовдля оценки результатов воздействия реальной действительности на образец);
• по учету факторавремени: динамические и статистические.
По способу реализации исредствам моделирования существует довольно много классификаций, рассмотримклассификацию представленную в книге Каменецкого и Солодухина «Модели ианалогии в курсе физики средней школы». Модели делятся на: материальные(предметные) и идеальные (мысленные). В свою очередь материальные моделиделятся на: физически подобные, пространственно-подобные и математическиподобные, а идеальные модели делятся на: модели-представления и знаковыемодели. К сожалению, в методике преподавания физики, можно встретить и другуюклассификацию моделей по способу реализации: физические и математические,которая является не полной даже в рамках преподавания физики. Так из этойклассификации выпадают, например, химические уравнения и уравнения ядерныхреакций.
Приведенные классификациипредставляют интерес для методики преподавания физики только в плане обученияучеников методу моделирования, и не представляют особого интереса припреподавании конкретных тем курса. Совсем иначе обстоит дело с классификацией,основанной на способах получения моделей. Модели можно разделить на модели,полученные путем предельного перехода, модели, полученные путем приписывания итеоретические конструкты.
С помощью предельногоперехода можно получить модели непосредственно воспринимаемых явлений иобъектов, путем рассмотрения целого ряда явлений или объектов обладающихинтересующим свойством, например в порядке его возрастания, а затемсконструировать мысленный объект или явление, обладающим этим свойством вбесконечной мере, либо лишенным его. Таким образом, можно вводить понятияматериальной точки или математического маятника.
Путем приписываниянекоторых свойств объекту можно получить модели микрообъектов или микроявлений,не воспринимаемых непосредственно органами чувств. Таким образом, можнополучить модели идеального или электронного газа. И, наконец, теоретическиеконструкты, такие как электрон или электромагнитное поле, они не могут бытьполучены путем приписывания, и лишь дальнейшее развитие науки может подтвердитьправомерность их использования.
Из данной классификацииможно получить конкретные методические рекомендации по введению моделей тогоили иного класса.
Для успешного введениямодели непосредственно воспринимаемого макрообъекта или макроявления,необходимо реализовать наблюдение подобных объектов/явлений с различнымистепенями выраженности интересующих свойств. Для построения моделеймикрообъектов и микроявлений полученных путем приписывания необходимо, вначале, на основе предыдущего опыта, путем абстрагирования отброситьнесущественные стороны, а оставшиеся в поле рассмотрения свойства приписатьмодели. И, наконец, при введении теоретических конструктов, таких как электрон,квант или электромагнитное поле, существование которых, само по себе,необходимо доказывать, остается использовать исторический материал,показывающий, как эти понятия появились в истории науки.
4. Демонстрационнаякомпьютерная модель «Электрический ток в металле»
В курсе «основыэлектродинамики» основной школы есть много важных для дальнейшего обученияи сложных для понимания учащихся тем, это и ЭДС индукции, и напряженностьэлектрического поля, и электромагнитные колебания. Одной из таких тем являетсяэлектрический ток в металлах, остановимся подробнее на этой теме.
Сложность темызаключается в том, что для ее качественного раскрытия необходимо использоватьстатистические понятия, с которыми школьники встречались только при изученииоснов молекулярной физики и, следовательно, владеют им не в полной мере. Втаком случае статические закономерности необходимо представлять через показдинамики процесса.
Каким образом можно намаксимально высоком уровне объяснить данную тему? Используя только плакаты,иллюстрации из учебника и рисунки на доске тему можно качественно раскрытьтолько для учеников способных оперировать понятиями высокой степени абстракции.Для объяснения природы электрического тока в металлах можно использоватькинофильмы по этой теме, но в большинстве школ кинооборудование уже вышло изстроя, да и сами киноленты частично испорчены. Остается рассмотреть двасредства обучения, относящихся к новым информационным технологиям – этовидеофильмы и компьютерные модели.
В последнее время сильноразвивалось производство учебных видеофильмов. Они обладают большой степеньюнаглядности, и заняли достойную нишу в сфере обучения физике. Порассматриваемой теме существует несколько видеопособий и у учителя естьвозможность выбрать наиболее удачное на его взгляд.
Рассмотрим компьютерныемодели. Компьютерные технологии в обучении бурно развиваются в последние двадесятилетия и на сегодняшний день написано довольно много учебных компьютерныхпрограмм. Сейчас учебные компьютерные программы пишут: сами учащиеся, подруководством учителя, учителя физики и информатики, а так же большиепрофессиональные авторские коллективы. Очевидно, что последние болеераспространены, более известны и обладают более высокой маркетинговойподдержкой.
Обратимся к учебнымкомпьютерным программам, по рассматриваемой нами теме, наиболее известных ипопулярных разработчиков.
Начнем рассмотрение спродукта фирмы 1С – «1С: Репетитор. Физика 1,5», представленного накомпьютере в виде развернутой книги, на «правой странице» которойрасполагается учебный текст, а на «левой странице» соответствующиетексту картинки, компьютерные модели и видеоролики. Тему электрический ток вметаллах иллюстрирует рисунок 3 на котором отсутствует изображение ионовкристаллической решетки и не отражено хаотическое движение электроновпроводимости.
/>
Рис.3
Продукт фирмы «Физикон»«Открытая физика 2.5» реализован в виде, более привычного для данногокласса программ, страницы гипертекста, в которую вставлены рисунки икомпьютерные учебные модели. Тему электрический ток в металлах иллюстрируетрисунки 4 и 5. «На рисунке 5: а – хаотическое движение электрона вкристаллической решетке металла; b –хаотическое движение с дрейфом, обусловленным электрическим полем, масштабыдрейфа сильно преувеличены».
/>
Рис.4
«Базовый курс физикидля школьников и абитуриентов» представленный компанией «Медиа Хауз»представляет собой электронный учебник с рисунками, а так же набор компьютерныхмоделей. К теме электрический ток в металлах можно отнести рисунок 6.
Из выше приведенногоанализа можно сделать вывод о том, что в наиболее популярных учебныхпрограммных продуктах по физике к теме «Электрический ток в металлах»приведены только иллюстрирующие рисунки разной степени наглядности иотсутствуют видеоролики и компьютерные модели для данной темы.
/>
Рис.5
Рассмотрим, какимтребованиям должна удовлетворять качественная компьютерная модель, отражающаятему «электрический ток в металле». Модель должна показыватьхаотическое движение свободных электронов в отсутствии внешнего электрическогополя, отражать наличие дрейфовой скорости под действием внешнего электрическогополя, и изменение скорости дрейфа при изменении внешнего поля.
На основании вышеприведенных требований была разработана демонстрационная компьютерная модель,которая дает возможность продемонстрировать движение электронов проводимости вовнешнем электрическом поле.
При запуске программы наэкране компьютера появляется окно в котором изображены ионы кристаллическойрешетки и электроны проводимости, которые хаотически двигаются и обладаютдрейфовой скоростью, зависящей от наличия и величины внешнего электрического поля.Программа позволяет увеличивать, уменьшать и обнулять величину электрическогополя, а так же изменять его направление. В процессе хаотического движенияэлектроны не испытывают взаимодействия с другими электронами, а изменяютнаправление лишь при «соударении» с ионами кристаллической решетки.Модель изображает среднюю мгновенную скорость движения электронов и скоростьдрейфа электронов. К ограничениям модели можно отнести то, что взято заведомомалое количество электронов проводимости: на 45 ионов кристаллической решеткиизображено всего 15 свободных электронов, искаженно изображены размеры частиц ирасстояния между ними, не отражено тепловое движение ионов, и т.д. Этиограничения были намеренно заложены в модель, для ее упрощения и большейнаглядности.
5. Использованиекомпьютерных моделей при обучении физике
Сегодня преподаватели иучителя физики, сталкиваются со следующим рядом затруднений: постоянноесокращение часов на естественнонаучные дисциплины, снижение финансированияучебного процесса, износ и выход из строя имеющегося оборудования. В сочетаниис повышенными требованиями к уровню знаний выпускников учебных заведений, иповышенной загруженностью обучающихся эти затруднения могут перерасти внеразрешимые проблемы, особенно в учебных заведениях небольших городов.
Решением подобных проблемможет стать использование современных интенсивных форм, методов и средствобучения. Так использование метода проблемного обучения, метода модельныхгипотез, а также использование в процессе обучения теле- и видеоаппаратурыпозволит повысить качество знаний и снизить психологическую нагрузку научащихся. Также в решении подобных проблем может помочь использование впроцессе обучения компьютерных технологий.
Обучающие программы,которые могут быть использованы при преподавании физики, можно разделить на:моделирующие, вычислительные, проверочные и справочные. Моделирующие программы– это программы представляющие пользователю компьютерную модель физическогоявления или объекта. Они могут быть использованы, когда демонстрация самогоявления или объекта невозможна в связи с его дороговизной, малой наглядностьюили опасностью для жизни. Вычислительные программы разработаны для обработки иинтерпретации результатов экспериментов. Подобные программы могут производитьза учащихся сложные расчеты, строить графики и диаграммы, они особенноэффективны в сочетании с измерительными модулями, такими как L -микро. Проверочные программыобеспечивают проверку знаний путем тестирования или путем пошагового решениязадач. Они отличаются объективностью и беспристрастностью. Справочные программы– это базы и банки данных, предоставляющие учащимся доступ к справочной учебнойинформации.
Рассмотрим компьютерныемодели, как самые распространенные компьютерные обучающие программы. Появлениеперсональных компьютеров четверть века назад позволило начать новую эруиспользования компьютера в обучении, с тех пор создано множество компьютерныхмоделей. Эти модели создавали профессиональные коллективы программистов,учителя и преподаватели, а также ученики и студенты. Подобные программыохватывают довольно большой ряд явлений и объектов, отличаются друг от другаполнотой, качеством, охватом, системностью и наглядностью.
Обратимся к моделисозданной автором статьи: «Отражение и преломление света на границе двухсред», и размещенной в Интернете на сайте: http:// kmodels. narod. ru .
Для построения моделиволны можно воспользоваться принципом Гюйгенса. Каждая точка фронта волныявляется источником вторичных волн, распространяющихся во все стороны со скоростьюраспространения волны в среде.
Зная положение фронтаволны в какой-либо момент времени можно найти положение фронта волны через промежутоквремени Δt. Вторичные волны распространяютсяот каждой точки волнового фронта и представляют собой сферические поверхностирадиуса v * Δt ( v –скорость распространения волны в среде), тогда касательная поверхность ко всемвторичным волнам будет новым фронтом волны в данный момент времени.
С помощью этой моделиможно описать преломление и отражение света на границе двух сред. Программа,моделирующая эти явления, будет строить начальный фронт волны, на егоповерхности выбирать пять точек, каждая из которых будет источником вторичныхсферических волн, и строить касательную к этим волнам, которая и будет новымфронтом волны. Преломление света рассматривается при переходе света из среды споказателем преломления n =1 всреду с показателем преломления n =1,5(например, преломление света на границе: воздух — стекло).
Программа такжепоказывает границы применения модели световой волны, основанной на принципеГюйгенса. Параллельные лучи света, от бесконечно удаленного источника падают наотверстие AB. Белым изображены полусферы,которые действительно могли иметь место, а красным изображены вторичные волны,которые предсказываются моделью (принципом Гюйгенса), но на практике не имеютместа. Таким образом, программа наглядно демонстрирует, что принцип Гюйгенсапозволяет найти волновую поверхность в произвольный момент времени, еслиизвестна волновая поверхность в предыдущий момент времени. Но он не позволяетопределить границы распространения света, не объясняет прямолинейностьраспространения света.
Это имитационнаяпрограмма, созданная специально для демонстрации, с предельно упрощенныминтерфейсом и отсутствием возможности изменять какие-либо параметры. Ее можноиспользовать при объяснении таких тем, как: принцип Гюйгенса, закон отражения ипреломления света.
6. Другие виды аналогий в школьномкурсе физики. Использование аналогии при изучении транзистора
В настоящее время транзистор какполупроводниковый прибор нашел широкое применение во всех сферах человеческойдеятельности. Популярность прибора повышает интерес учащихся к нему и еготехническому приложению. Модель транзистора, как и всякая аналогия, являетсяприближением прибора и имеет свои границы применимости (например, с ее помощьюневозможно показать собственную и примесную проводимость; перемещение дырок иэлектронов и т. д.). Однако в главном модель и оригинал схожи: этотождественность включения их схем и аналогичность работы основных частей и,кроме того, равенство нулю тока коллектора при отсутствии тока в базе.
/>
Рис.6
После ознакомления учащихся сосновными элементами транзистора p-n-p-типа (эмиттером, базой и коллектором) и механизмами правогои левого p-n-переходов, учащимся предлагается пронаблюдать данныепроцессы на модели. Для этого собирается установка, показанная на рис. 6.(предложенная В.С. Данюшенковым и С.Е. Каменецким) Она состоит из аналогатранзистора 1, двух центробежных водяных насосов с электродвигателями 2 истеклянных переходников 3, соединенных между собой резиновыми трубками.
В качестве аналога берут модельводоструйного насоса, имеющаяся в арсенале кабинета физики.
Источником переменного «напряжения»для модели (см. рис.8) служит вход 4, который подключают к водопроводномукрану. Меняя с помощью крана скорость течения жидкости в установке, регулируютдавление (напор) в ней. В этой установке давление жидкости служит аналогомнапряжения в электрической цепи транзистора. Насосы выполняют роль источниковпостоянного тока, трубки с водой — соединительных проводов, а стеклянная трубка5 — постоянного резистора R,включенного в цепь, показанную на рис.7.
/>
Рис. 7
Работу основных элементов моделинеобходимо показать учащимся.
Сначала объясняют роль токов в правоми левом p-n-переходах и их влияние на работу транзистора. Для этогооткрывают кран и создают постоянный напор воды в системе «эмиттер — база».Жидкость через «эмиттерный» вход поступает в полость аналогатранзистора и сливается в отверстие «базы». Источник постоянногонапряжения (насос) левого перехода включают в таком направлении, чтобы потокводы из «базового» отверстия всасывался в «эмиттерную» цепьи создавал прямой ток, который зависит только от источника напряжения.Показывают соответствующую демонстрацию, изменяя напор воды в системе с помощьюкрана и насоса (меняют число оборотов двигателя). При этом часть воды поступаетв «коллектор». Это иллюстрирует диффундирование нерекомбинированных вбазе дырок в коллектор.
Затем показывают значение базы втранзисторе. Включают правый и левый насосы аналога так, чтобы потоки жидкостив них циркулировали по часовой стрелке. Тогда по «базе» будутпротекать два встречных потока жидкости. На языке аналогии это означает, чтозначения силы тока в цепях базы Iб, эмиттера Iэ и коллектораIк связаны соотношением: Iб=Iэ-Iк. О соотношении значений силы тока в транзисторе учащиесясудят путем наблюдения за показаниями расходомеров жидкости, включенных в «эмиттерную»и «коллекторную» цепи модели. Расходомер представляет собойустройство для измерения скорости течения воды и аналогичен амперметру.Поскольку скорость движения жидкости в «эмиттере» приближенно равнаскорости движения жидкости в «коллекторе», можно сделать вывод оботсутствии ее движения в «базе», т. е. о том, что Iб=0. Действительно,так как концентрация инжектируемых дырок с эмиттера много больше ихконцентрации на границе с базой (ширина базы очень мала), то дырки интенсивнодиффундируют к коллектору. В то же время обратный ток коллекторного переходамного меньше тока, создаваемого дырками эмиттера. Поэтому силу тока в цепиколлектора можно считать равной силе тока в цепи эмиттера (Iк/>Iэ). Это равенство лежит в основеусиливающего действия транзистора.
Затем рассматривается использованиетранзистора как усилителя мощности. При этом рассматривают два случая:включение транзистора по схеме с общей базой (рис. 3, а) и общим эмиттером(рис. 3, б). Схему с общим коллектором не рассматривают, поскольку она мало чемотличается по действию от схемы с общим эмиттером. Поясняют распределение силытока между эмиттером, базой и коллектором.
Усиление мощности можно осуществлятьдвумя способами:
а) при постоянном напряженииувеличивать силу тока,
б) при постоянной силе токаувеличивать напряжение.
Сначала рассматривают усилениемощности транзистора по току в схеме с общей базой (рис.3, а). Механизм этогопроцесса обсуждался при изучении правого p-n-перехода ипоэтому усилительное действие в данном случае основано на равенстве Iк=Iэ. Затем переходят к изучению усиления потоку в схеме с общим эмиттером, рис3, б (Iк=Iэ+Iб). Сущность процесса состоит в усилении рекомбинации дырок вбазе путем подачи напряжения на эмиттерный и базовый входы транзистора.Демонстрацию осуществляют следующим образом. Насос «эмиттерного перехода»переключают так, чтобы он перемещал жидкость против часовой стрелки. Тогда одначасть жидкости от крана поступит по каналу «эмиттера» в полость «транзистора»,а другая часть начнет всасываться насосом и перемещаться к «базе».Далее включают насос «коллекторного перехода» (перемещают воду почасовой стрелке) так, чтобы токи в «базе» были направлены в сторонуаналога транзистора. Таким образом, возникнет значительный поток воды на выходеиз «базы», который будет воздействовать на струю жидкости, вытекающуюиз «эмиттера», направляя ее в «коллекторный переход».
Усиление мощности по напряжениюосновано на различии сопротивлений коллекторного и эмиттерного p-n-переходов, включенных в противоположных направлениях.Эмиттерный переход, на который подано прямое напряжение смещения, имеет малоесопротивление, и падение напряжения на нем Us мало. На коллекторный же переход подается обратноенапряжение смещения, и сопротивление его значительно больше, поэтому вколлекторную цепь может быть включена высокоомная нагрузка, сопротивлениекоторой Rн значительно больше сопротивления эмиттерного перехода.Поскольку Iк и Iэ одинаковы, то падение напряжения навысокоомной коллекторной нагрузке Uн=IкR/>IэRн окажется много больше падениянапряжения на эмиттерном переходе.
Для демонстрации явления можновоспользоваться моделью, собранной так, чтобы насосы вращались в одну сторону.Поочередно беря трубки 5 разного диаметра, демонстрируют роль нагрузки в цепиколлектора для усиления мощности.
7. Заключение
Рассмотренные аналогии и модели позволяют более глубоко проникнуть впроцесс обучения физики средней школы, что в свою очередь дает учащимся лучшепонимать физические законы и процессы.
В данной работерассмотрена лишь небольшая часть аналогий, которые можно использовать на урокахфизики и на факультативных занятиях в средней школе.
Я считаю, что аналогиилучше всего рассматривать не только на уроках физики, но и придавать им такжебольшое значение на факультативных занятиях, кружках, спецкурсах для учащихся,которым трудно поддается изучаемый материал и для учащихся, которые хотят болееглубоко понять физические процессы, явления и понятия.
Таким образом, методаналогии рассматривает новые вопросы, сопоставляемые с изученными ранее.
8. Литература
1. Хижнякова Л. С., Синявина А. А. Физика: Механика.Термодинамика и молекулярная физика: Учеб. для 7-8 кл. общеобразоват.учрежд.-М.: Вита Пресс.-2000
2. Хижнякова Л. С., Синявина А. А. Физика: Основыэлектродинамики. Элементы квантовой физики: Учеб. для 9 кл. общеобразоват.учрежд.-М.: Вита Пресс.-2001
3. Каменецкий С. Е., Солодухин Н. А. Модели и аналогии вкурсе физики средней школы: пособие для учителей.-М.: Просвящение,1982.-96 с.
4.Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы:Учеб. Пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений/ С. Е. Каменецкий, Н. С.Пурышева, Н. Е. 5.Важевский и др.; Под ред. С. Е. Каменецкий, Н. С.Пурышевой.-М.: Издательский центр «Академия»,2000.-368 с.
6.«Большой энциклопедический словарь Физика» глав.ред. Прохоров А.М… – М. «Большая Российская энциклопедия». – 1998.
7. Веников В.А. Теория подобия и моделирования / М.: Высшаяшкола 1986
8. Ерохин Р. Я. «Выбор модели в процессе решенияфизических задач» Преподавание физики в высшей школе Научно-методическийжурнал № 23.- М. 2002
9. Каменецкий С. Е. Солодухин Н. А. «Модели и аналогии вкурсе физики средней школы: пособие для учителей.» -М., 1982
10. Карнильцев И. Н. «Значение моделирования припостоновке демонстрационного эксперимента по физике» Преподавание физики ввысшей школе Научно-методический журнал № 23.- М. 2002
11. «Основы философии: Учебное пособие для вузов»ответ. Ред. Е. В. Попов.- М.: Гуманит. изд. Центр ВЛАДОС, 1997
12. Хижнякова Л.С., Синявина А.А. «Физика: Основыэлектродинамики. Элементы квантовой физики: Учеб. для 9 кл. общеобразоват.учрежд.»- М. Вита-Пресс.- 2001