XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Президент Республики Казахстан Н. Назарбаев в Послании народу Казахстана «Стратегия «Казахстан-2050» – новый политический курс состоявшегося государства» обозначив приоритеты в сфере образования сказал: Нам предстоит произвести модернизацию методик преподавания и активно развивать он-лайн-системы образования, создавая региональные школьные центры.Мы должны интенсивно внедрять инновационные методы, решения и инструменты в отечественную систему образования, включая дистанционное обучение и обучение в режиме он-лайн, доступные для всех желающих [1].

Для реализации поставленных задач кафедра «Теория и методика преподавания физики» ЮКГУ им. Ауэзова с 2011-2012 учебного года внедрила в учебный процесс дисциплины «Информационные технологии в образовании», «Информационные технологии в преподавании физики», «Методика использования электронных учебников», «Компьютерное моделирование физических явлений», программы которых предусматривают освоение и использование современных информационных технологий в преподавании физики. Программа дисциплины «Компьютерное моделирование физических явлений» для специальности 5В011000, 5В060400 – физика предусматривает использование программного комплекса MATLAB для моделирования задач механики, молекулярной физики и термодинамики, электростатики и электродинамики, оптики, квантовой физики с графическим сопровождением.Цель курса – изучить основные принципы математического моделирования, показать роль математического моделирования при описании различных физических процессов и явлений. Задачей курса является

обучение студентов общим методам решения уравнений математической физики и построению модели физического процесса или явления, отражающей в математической форме важнейшие ее свойства, присущие составляющим ее частям связи;

обучение исследованию математическими методами свойств модели для получения сведений об объекте исследования;

обучение выбору (или разработке) алгоритма для реализации модели на компьютере и созданию соответствующих компьютерных программ; обучение компьютерной графике.В результате изучения дисциплины студенты должны:

овладеть методологией математического моделирования физических явлений;

иметь представление о принципах и методах математического моделирования;

уметь моделировать различные системы и анализировать построенные математические модели физических явлений;

уметь редактировать двумерные и трехмерные графики.

Курс является логическим продолжением курсов: “Общая физика”, “Вычислительная математика”, “Математические пакеты”, “Языки программирования”.

Возможности MATLAB весьма обширны, а по скорости выполнения задач система нередко превосходит аналогичные прграммы. Она применима для расчетов практически в любой области науки и техники. Программный комплекс MATLAB является одним из лучших современных решений для организации математического моделирования физических процессов.

Методика конструрования заданий для компьютерных моделей приведена в брошюре «Методические аспекты преподавания физики с использованиемкомпьютерного курса «Открытая физика». В качестве примера в ней приведены бланки заданий для выполнения компьютерной лабораторной работы с использованием компьютерных моделей «Движение с постоянным ускорением» и «Упругие и неупругие соударения». Такие же материалы размещены в компакт-диске «Открытая физика 2.5», на сайтах «Открытый колледж» и на страницах сетевого объединения методистов (СОМ) [3,4]. В них даются два вида лабораторныхбланков:

бланк для внесения ответов обучащимися;

бланк для учителя, в котором имеются ответы тестов и заданий для удобства их проверки.

Использование современных информационных технологий обучения формирует у учащихся интерес к изучению физике; развивает их познавательные универсальные способности (навыки теоретического мышления, исследовательского и творческого поиска). На наш взгляд, современная образовательная система должна быть ориентирована (в большей степени, чем раньше) на развитие и воспитание у учащихся адаптивной компетенции, т. е. способности осознанно и гибко применять полученные знания и навыки в различных контекстах.

В данной статье, на основании результатов недавнего исследования [2] обсуждается следующий вопрос: чему именно требуется научиться, чтобы приобрести адаптивную компетенцию в какой-либо области? Авторы полагают, что для развития адаптивной компетенции необходим комплекс когнитивных, эмоциональных и мотивационных компонентов, а именно: предметная база в виде структурированных знаний в определенной области, навыки использования эвристических методов мышления, метазнания – представления о собственной когнитивной деятельности, мотивации и эмоции, навыки саморегуляции для управления собственными когнитивными, мотивационными и эмоциональными процессами, а также позитивные убеждения в отношении себя как учащегося и в отношении обучения в различных областях. Далее авторы задаются следующим вопросом: каковы характеристики процессов обучения, продуктивных с точки зрения приобретения адаптивной компетенции? Обучение, целью которого является формирование адаптивной компетенции, должно представлять собой конструктивный, саморегулируемый, конкретный и совместный (КСКС) процесс формирования знаний и навыков. Каким образом преподаватель может стимулировать обучение по типу КСКС? В статье приведен пример создания действенной обучающей среды, ориентированной на повышение эффективности обучения студентов. В работе [3] предлагаются критерии информационной компетентности, выраженные через качества «информационной» личности на основе комплекса знаний и уменийв области информационных технологий. Среди них особое внимание уделяется умению интерпретировать полученные результаты; принимать решения о применении того или иного программного обеспечения;предвидеть последствия принимаемых решений и делать соответствующие выводы; и т.д. Приводятся практические примеры формирования информационной компетенции на различных этапах урока-исследования, например, по теме «Воздухоплавание».В работах [4-7] предлагаются разработки уроков по темам «Основы термодинамики», «Атомная физика», «Преломление света», «Коэффициент полезного действия» с использованием электронных обучающих средств. Мощным средством обучения физике, по мнению многих отечественных и зарубежных специалистов является продукция компании «Физикон» [8]. В дисках «Открытая физика 25» этой компании даются методические рекомендации по составлению заданий и их выполнению практически по всем разделам школьной программы по физике. По нашему и мнению других [9-14], каждый преподаватель физики при желании может самостоятельно сконструировать компьютерную лабораторную работу, используя интерактивные модели из мультимедийного курса «Открытая Физика» компании «Физикон». Для этого рекомендуется использовать тот же алгоритм для создания лабораторных работ, который применен в данном мультимедийном курсе. Сначала рекомендуется разобрать теорию вопроса, затем ответить на контрольные вопросы, потом выполнить задачи, при решении которых необходимо провести компьютерный эксперимент и проверить полученный результат.

Одной из трудных задач внедрения результатов использования информационных технологий в учреждениях образования является недостаточное практическое умение преподавателей использовать компьютерные модели физических явлений для организации проведения лабораторных работ. От организации компьютерных лабораторных работ во многом зависит активизация, мотивация и в конечном счете эффективность обучения. О создании и использовании моделей бланков организации компьютерных лабораторных работ по исследованию различных физических явлений в учебном процессе нами ранее написаны работы [15-23].

В данной статье приводится примеры использования пакета программ Маtlab[24,25] при организации выполнения компьютерной лабораторной работы по исследованию резонанса тока.

Лабораторная работа. «Резонанс тока»

Цель работы: Составить расчет программы для цепи, в которой возникает резонанс тока, снять частотные характеристики при резонансе тока в виде графиков:

Зависимость полного сопротивления от угловой частоты; 2. Зависимость силы входного тока от угловой частоты; 3. Зависимость силы токов на индуктивности и конденсаторе от угловой частоты; 4. Зависимость коэффициента мощности от угловой частоты.

Краткие сведения из теории: Резонанс при параллельном соединении индуктивности и емкости называется резонансом токов. Схема такой цепи показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Цепь, в которой возможен резонанс токов

.

Полные сопротивления ветвей схемы в комплексной форме можно записать так:

; . (1)

Полная входная проводимость цепи при параллельном соединении ветвей является суммой проводимостей отдельных ветвей

или

. (2)

На основании общего положения о резонансах найдем собственную частоту цепи

. (3)

Отсюда после ряда преобразований следует

, (4)

где – волновое сопротивление цепи. В момент резонанса входная проводимость будет равна

. (5)

Собственное входное сопротивление равно

. (6)

Входной ток всей цепи определяется следующим выражением

. (7)

Токи, протекающие в ветвях схемы в момент резонанса, будут равны

,

. (8)

Реактивные проводимости равны

, . (9)

Отношение токов ветвей ко входному току равно

, (10)

где Q – добротность контура.

При резонансе токов, токи в ветвях равны по абсолютной величине, противоположны по фазе и могут во много раз превышать входной ток цепи.

Определим фазовый сдвиг на входе цепи

, . (11)

Коэффициент мощности на входе цепи при резонансе токов максимален и равен единице. Следовательно цепь работает в самом экономичном режиме. Входная мощность цепи при резонансе будет

. (12)

Видно, что цепь потребляет от источника только активную мощность.

При изучении таких цепей студенты обычно выполняют лабораторные работы, на которых исследуют поведение такой цепи и экспериментально определяют частотные характеристики резонансной цепи (зависимости тока и напряжений от частоты). Но не меньший интерес и пользуможет принести расчет их на компьютере, что позволит сравнить расчетные и опытные кривые.

Расчеты для эксперимента и тело программы:

Входные параметры контура (рис.1.): U=20 В; R1=150 Ом;R2=150 Ом; L=1 Гн;C=0.000003 Ф; угловую частоту источника тока меняем в интервале от 50 до 1000 с^-1 с шагом 5 с^-1.

% Программа для исследования резонанса токов

>> w=50:5:1000; % Задание вектора угловой частоты

% Задание параметров цепи

>> U=20; R1=150; R2=150; L=1; C=0.000003;

% Определение волновогосопротивления цепи

>>r=sqrt(L/C); % Определение волнового сопротивления контура

r = 577.3503

% Определение собственной частоты контура

>> w0=1./sqrt(L.*C);

w0 = 577.3503 рад/с

>> ZL=R1+w.*L; ZC=(R2+1./(w.*C))*j; ZP=ZL.*ZC./(ZL+ZC);

% Вычисление модуля полного входного сопротивления цепи

>> Z=abs(ZP); IL=U./ZL;IC=U./ZC;I=IL+IC;ILd=abs(IL);ICd=abs(IC);

% Определение токов, и коэффициента мощности

>> Id=abs(I); cosf=real(ZP)./Z;

% Построение графика полного сопротивления цепи

>> subplot(2,2,1), plot(w,Z)

% Название осей

>> xlabel('w, c.^-1'); ylabel('Z, Om');

>>title('Graphic 1 Z=f(w)');

% Включение отображения сетки

>>grid on;

% Построение графика входного тока

>> subplot(2,2,2), plot(w,Id);

% Название осей

>> xlabel('w, c.^-1'); ylabel('I, А');

% Название графика title('Graphic 2 Id=f(w)');

% Включение отображения сетки

grid on;

% Построение графика токов в ветвях с L и C

>> subplot(2,2,3), plot(w,ILd,w,ICd);

% Название осей

>> xlabel('w, c.^-1'); ylabel('I(L), I(C), А');

% Название графика

>> title('Graphic 3 lLd=f(w),ICd=f(w)');

% Включение отображения сетки

>> grid on;

% Построение графика коэффициента мощности

>> subplot(2,2,4), plot(w,cosf);

% Название осей

>> xlabel('w, c.^-1'); ylabel('cosf(w)');

% введение название графика

title(''Graphic 4 Cosf=f(w)')

% Включение отображения сетки

grid on

>> Q=U.^2.*2.*R1./r.^2

Результаты эксперимента приведены в графиках на рис.2.

Рисунок 2. Частотные характеристики при резонансе токов:

Graphic 1 – Зависимость полного сопротивления от угловой частоты; Graphic 2 – Зависимость силы входного тока от угловой частоты; Graphic 3- Зависимость силы токов в ветвях индуктивности и конденсатора от угловой частоты; Graphic 4 – Зависимость коэффициента мощности от угловой частоты.

Обсуждение результатов: Волновое сопротивление контура = r = 577.3503 Ом; собственная частота w₀ = 577.3503с^-1.Кривая зависимости полного Z=f(w) сопротивления проходит через максимум соответствующей резонансной частоте (сравнение графиков 1 и 2, 3) близкой к собственной. При резонансной частоте силы токов в ветвях С (ICd=f(w)) и L (ILd=f(w)), совпадают по величине и равна примерно I_C = I_L ≈ 0.03 A (Graphic 3), из графиков 2 и 4 видно, что резонансная сила тока I_рез=0.03 A, а коэффициент мощности на входе цепи при резонансе токов максимален и равен единице. Добротность контура составляет Q =0.3600.

Литература

[1] Назарбаев Н.A. «Стратегия «Казахстан-2050»-новый политический курс состоявшегося государства». Послание народу Казахстана. Астана. www.bnews.kz. 14 декабря 2012г.

[2] Де Корте Эрик. Инновационные перспективы обучения и преподавания в сфере высшего образования в XXI в. (пер. с англ.Е. Шадриной). Вопросы образования. 2014. №3. С. 8–29.

[3] Бушуев Л.Г. Формирование информационной компетентности на уроках физики. Вопросы образования. 2011. №88. С. 11–22.

[4] Свириденко О.В. «Основы термодинамики». Разработка урока физики (10 класс) с использованием ЭОР. Вопросы образования. 2011. №88. С. 11–22.

[5]Кормильцева Л.А. Урок-проект "Атомная физика". Вопросы образования. 2011. №97. С. 23–34.

[6]Блохина С.Н. Разработка урока физики в 8 классе «Преломление света». Вопросы образования. 2011.№98. С. 41–59.

[7]Петрякова Л.Л. Коэффициент полезного действия. Конспект урока по физике, 7 класс Вопросы образования. 2013. №114. С. 31–45.

[8] CDдиск компании ОАО «Физикон». «Открытая физика 1.1». 2001.

[9] Хертел Г., Сениченков Ю.Б, Новик Л.В. «Сэр Ньютон, что вы думаете о компьютерном обучении» – Журнал «Компьютерные инструменты в образовании», Санкт-Петербург, Информатизация образования, 2003. №1. С. 60–66.

[10] Кавтрев А.Ф. «Лабораторные работы к компьютерному курсу «Открытая физика». Равномерное движение. Моделирование неупругих соударений». Газета «Физика», 2001. №20. С. 5–8.

[11] Фрадкин В.Е. «Освоение учителями способов реализации образовательного потенциалановых информационных технологий в процессе повышения квалификации». – Автореферат дис.канд. пед. наук. СПб. 2002. – 25 с.

[12]Кавтрев А.Ф. Опыт использования компьютерных моделей на уроках физики. «Вопросы Интернет-образования» 2002. №3

[13] Гомулина Н.Н. Методика проведения компьютерной лабораторной работы с использованием мультимедиакурса «Открытая физика 2.5». «Взаимодействие параллельных токов». 2003. http://www.college.ru/physics/op25part2/planning/teach/lessons.html

[14]. Леонов Н. Ф. Использование компьютеров при обучении физике. «Вопросы Интернет-образования» 2001. №2, http://archive.1september.ru/fiz/2001/20/no20_02.htm

[15] Кабылбеков К.А., Саидахметов П.А., Байдуллаева Л.Е., Абдураимов Р. Методика применения закономерностей фото- и комптонэффекта, модели бланков оргпнизации выполнения компьютерной лабораторной работы. Известия НАН РК, серия физ.мат., Алматы, 2013. №6. С. 114–121.

[16] Кабылбеков К.А., Саидахметов П.А., Турганова Т.К., Нуруллаев М.А., Байдуллаева Л.Е. Модель урока на тему собирающей и рассеивающей линзы. Известия НАН РК, серия физ-мат. Алматы, 2014. №2. С. 286–294.

[17]Кабылбеков К.А., Саидахметов П.А., Аширбаев Х.А., Омашова Г.Ш., Бердалиева Ж. Модель бланка организации компьютерной лабораторной работы по исследованию электромагнитных колебаний. Изв. НАН РК серия физ.мат. 2016. №1(305). С. 111–116.

[18]Кабылбеков К.А., Саидахметов П.А., Омашова Г.Ш., Бердалиева Ж., Джумагалиева А.И. Модель бланка организации компьютерной лабораторной работы по исследованию взаимодействия двух бесконечно длинных параллельных проводников с токами. Изв. НАН РК серия физ.мат. 2016. №1(305). С. 135-140.

[19]Кабылбеков К.А., Саидахметов П.А., Омашова Г.Ш., Суттибаева Д.И., Қозыбақова Г.Н. Модель бланка организации компьютерной лабораторной работы по исследованию изобарного процесса. Изв НАНРК серия физ. мат. 2016. №2. С. 92–97.

[20] Кабылбеков К.А., Саидахметов П.А., Омашова Г.Ш., Абекова Ж.А., Нуруллаев М.А. Модель бланка организации выполнения исследовательских заданий по физике. Вестник НАН РК 2016. №3. С. 67–73.

[21] Кабылбеков К.А., Саидахметов П.А., Омашова Г.Ш., Серикбаева Г.С., Суйерқулова Ж.Н. Модель бланка организации компьютерной лабораторной работы по исследованию свободных механических колебаний. Изв. НАН РК серия физ. мат. 2016. №2. С. 84–91.

[22] Кабылбеков К.А. Мадияров Н.К., Саидахметов П.А. Самостоятельное конструирование исследовательских заданий компьютерных лабораторных работ по термодинамике. Труды IX Международной научн-методической конференции. Преподавание естесственных наук (биологии, физики, химии) математики и информатики. Томск – 2016, С. 93–99.

[23] Кабылбеков К.А., Саидахметов П.А., Омашова Г.Ш. Организация компьютерной лабораторой работы по исследованию реактивного сопротивления катушки индуктивности в цепи переменного тока. Вестник НАН РК, 2017. №1. С. 77–82.

[24] Дьяконов В.П. MATLAB учебный курс. – СПб.: Питер, 2001. – 533 с.

[25] Лурье М.С., Лурье О.М. Применение программы MATLAB при изучении курса электротехники. Для студентов всех специальностей и форм обучения. – Красноярск: СибГТУ, 2006. – 208 с.

REFERENCES

[1] Nazarbayev N.A. "Strategy" Kazakhstan-2050 »- a new political policy of the taken place state». The message to the people of Kazakhstan. Astana.www.bnews.kz. On December, 14th 2012.

[2] De Corte Erik. Innovative perspectives of learning and teaching in higher education in the twenty-first century (translated from English.E. Shadrina). The issue of education. 2014. №3. P. 8–29.

[3] Bushuev L.G. Formation of information competence in physics lessons. The issue of education. 2011. № 88. P. 11–22.

[4] Sviridenko O.V. "Fundamentals of thermodynamics". Development of a physics lesson (class 10) using the ESM. The issue of education. 2011. № 88. P. 11–22.

[5] Kormil'tsev L.A. Lesson-project "Nuclear physics". The issue of education. 2011. № 97. P 23–34.

[6] Blokhin S.N. Development of a physics lesson in the 8th grade "Refraction of light". The issue of education. 2011. № 98. P. 41–59.

[7] Petryakova L.L. efficiency. A summary of the lesson on physics, 7th grade education. 2013. № 114. P. 31–45.

[8]. CD a disk of the company of Open Society "Physical icons". «The open hysics1.1». 2001.

[9]. Hertel G., Senichenkov Yu. B, Novick L.V. "Sir Newton, what do you think about computer training" – Journal "Computer tools in education", Saint-Petersburg, Informatization of education 2003. № 1. P. 60–66.

[10] Kavtrev A.F. «Laboratory operations to a computer course «Open physics». The uniform motion.Modelling of inelastic collisions». – the Newspaper of "Physicist", 2001. №20. Р. 5–8.

[11] Fradkin V.E. "Mastering the ways of realization by teachers implement the educational potential of new information technologies in the process of professional development". - Abstract of diss. ped. sciences. St. Petersburg. 2002. – 25 p.

[12]Kavtrev, A.F. The experience of using computer models in physics lessons. "Internet Education Issues". 2002. №3

[13] Gomulina N.N. The technique of computer lab work using the multimedia course "Open Physics 2.5". "Interaction of parallel currents". 2003. http://www.college.ru/physics/op25part2/planning/teach/lessons.html

[14]. Leonov N.F. The use of computers for teaching physics. "Internet Education Issues" 2001. №2, http://archive.1september.ru/fiz/2001/20/no20_02.htm

[15] Kabylbekov K.A., Saidakhmetov P.A, Baydullaeva L.E., Abduraimov R.T. A procedure of use of computer models for photoeffect studying, Compton effect, models of forms of the organisation of performance of computer laboratory operations. News NAN RК, series physical-mat., Almaty, 2013. №6. Р. 114–121.

[16] Kabylbekov K.A., Saidakhmetov P.A., Тurganоvа T.K., Nurullaev M.A, Baydullaeva L.E. Model of carrying out of a lesson of modelling of agglomerating and diffusing lenses. News NAN RК, series physical-mat., Almaty, 2014. № 2. Р. 286–294.

[17] Kabylbekov K.A., Saidakhmetov P.A., Ashirbaev H.A., Omashova G.Sh., Berdalieva J. Model Blanca organization of computer laboratory works on research of electromagnetic oscillations. News NAN RК, series physical-mat., 2016, №1(305), P 111–116.

[18]. Kabylbekov K.A., Saidakhmetov P.A., Omashova G.Sh., Berdalieva J., Dzhumagalieva A.I. Model Blanca computer organization laboratory study of the interaction between two infinitely long parallel conductors with currents. News NAN RК, series physical-mat., 2016. №1(305). P. 135–140.

[19] Kabylbekov K.A., Saidakhmetov P.А, Omashova G.SH, Suttibaeva D.I., Kozybakova G.N. Model of the form of the organization of computer laboratory operation of isobaric process. News NAN RК, series physical-mat., 2016. № 2. Р. 92–97.

[20] Kabylbekov K.A., Saidakhmetov P.А., Omashova G.Sh., Abekova Zh.A.,Nurullaev M.A. The model of blank of the organization for the performance of research tasks in physics. The bulletin of NAN RК2016. №3. Р. 67–73.

[21] Kabylbekov K.A., Saidakhmetov P.А., Omashova G.Sh., Serikbaeva G.S., Suyerkulova Zh.N. Model of the form of organization of computer laboratory work on the study of free mechanical vibrations. News NAN RК, series physical-mat., 2016. № 2. Р 84–91.

[22] Kabylbekov K.A., Madyarov N.T., Saidakhmetov P.A. An Independent design research assignments, computer laboratory work on thermodynamics. Proceedings of the IX International scientific-methodical conference. Teaching natural Sciences (biology, physics, chemistry) mathematics and computer science. Tomsk – 2016, Р 93–99.

[23] Kabylbekov K.A., Saidakhmetov P.A., Omashova G.Sh. Organization computer laboratory work on the study of reactance inductor in an ac circuit. The bulletin of NAN RК2017. №1. Р 77–82.

[24] Dyakonov V.P. MATLAB training course. – SPb.: Peter, 2001. – 533 p.

[25] Lurie M.S., Lurie M.O. The Use of MATLAB in the study of course of electrical engineering. For students of all specialties and forms of education. – Krasnoyarsk: Sibgtu, 2006.–208 р.

Код для цитирования: Скопировать