Совершенствование процесса изучения механических волн в школьном курсе физики

#

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗУЧЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЛН В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ

IMPROVING TEACHING MECHANICAL WAVES IN THE SCHOOL PHYSICS COURSE

Е. И. Вараксина, В. В. Майер

Показано, что формирование основных понятий волнового движения, совершенствование экспериментальных умений и развитие познавательного интереса учащихся при изучении механических волн будут более эффективными, если наряду с традиционными школьными опытами использовать учебный эксперимент с ультразвуком низкой частоты. Рассмотрена методика применения предлагаемого эксперимента в классах различного профиля.

Ключевые слова: учебный физический эксперимент, волновое движение, ультразвук низкой частоты.

E. I. Varaksina, V. V. Mayer

The authors argue that developing basic concepts of wave movement, improving experimental skills and developing students' interest in the course of study of mechanical waves will be more effective if traditional school experiments are accompanied by an experiment with ultrasound of low frequency. The article presents different methods of applying the suggested experiment in classes with students majoring in different subjects.

Keywords: educational physical experiment, wave movement, ultrasound of low frequency.

Методика изучения механических волн в школьном курсе физики предполагает введение основных понятий волнового движения на примере умозрительных наблюдений волн на поверхности воды, экспериментов с волнами в резиновом шнуре, с волновой ванной и модельных опытов с волновой машиной. Проведенные нами исследования показывают, что формирование понятий темы, развитие экспериментальных умений и познавательного интереса учащихся будут более эффективны, если наряду с традиционным школьным экспериментом использовать учебные опыты с ультразвуком низкой частоты [1]. Выбор этого диапазона упругих волн обусловлен тем обстоятельством, что физические свойства ультразвука низкой частоты не отличаются от свойств звука высокой частоты, а дидактический потенциал соответствующего учебного эксперимента несравненно выше.

На уроках физики в современной школе решается проблема совершенствования методологических знаний учащихся, ознакомления их с основами метода научного познания, всестороннего развития личности школьников. Это возможно только при вовлечении учащихся в активную познавательную деятельность, которая интересна им и требует проявления творчества. Использование учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты способствует решению и этой задачи. Во-первых, возможно самостоятельное изготовление приборов для получения ультразвука низкой частоты, и эта деятельность очень интересна учащимся. Во-вторых, опыты с ультразвуком эффектны, их результат является неожиданным для учащихся, что способствует формированию устойчивого познавательного интереса не только к акустике и ультраакустике, но и к физике в целом. В-третьих, эти опыты предо-

ставляют широкое поле для исследовательской деятельности заинтересованных школьников. В-четвертых, эксперимент с ультразвуком низкой частоты и его учебная теория позволяют на практике применить метод научного познания.

Кратко рассмотрим возможное проектирование занятий по изучению физической сущности волнового движения, на которых в опытах в качестве механических волн используется ультразвук низкой частоты.

Для выполнения опытов требуется изготовить магни-тострикционный излучатель [2] на частоту 16-20 кГц и подключить его к выходу имеющегося в школьном кабинете физики генератора звуковой частоты, например, типа ФГ-100. Возможно также самостоятельное изготовление школьниками специального ультразвукового генератора [3]. Это простое и доступное оборудование обеспечивает применение эксперимента с ультразвуком низкой частоты практически на каждом уроке, посвященном изучению механических волн.

1. В углубленном курсе физики, построенном на основе учебника Г. Я. Мякишева и А. З. Синякова [4], при формировании физических понятий волнового движения целесообразно применение опытов с ультразвуком в соответствии с распределением по темам уроков, приведенным в таблице. Для постановка любого из этих опытов требуется не более нескольких минут. Понятно, что нет необходимости на каждом уроке демонстрировать все рекомендованные опыты. Следует подчеркнуть, что один и тот же опыт может быть использован на разных уроках в зависимости от обучающих, развивающих и воспитательных целей, которые ставит перед собой учитель.

2. В общеобразовательных классах возможно использование почти всех перечисленных в таблице экспери-

Ф

Таблица

Применение опытов с ультразвуком на уроках физики

Название параграфа учебника [4] Понятия, величины, законы, соотношения, вводимые в параграфе Эксперимент с ультразвуком низкой частоты, который целесообразно использовать при изучении данного параграфа

1 Волновые явления Волна, упругая волна, волновой импульс, гармоническая волна, скорость волны, поперечная волна, продольная волна, перемещение формы, а не вещества в волне, электромагнитная волна, энергия волны 1. Доказывают, что вибратор магнитострикционного излучателя совершает колебания, помещая на его торец легкий металлический предмет. 2. К поверхности плотного листа бумаги, посыпанной песком, прикасаются вертикально расположенным вибратором излучателя и отмечают, что песчинки колеблются, значит, от излучателя в бумажном листе распространяются колебания. 3. Располагают излучатель под углом к поверхности листа. Наблюдают перераспределение порошка в виде равно отстоящих друг от друга концентрических колец

2 Поперечные волны Механическая модель поперечной волны Посредством легкого порошка демонстрируют фигуры Хладни в круглых, прямоугольных и других упругих пластинках. Обращают внимание учащихся на то, что порошок на поверхности пластинки сбрасывается с интенсивно колеблющихся участков, причем эти колебания происходят перпендикулярно направлению распространения волны

3 Длина волны. Скорость распространения волны Длина волны, скорость волны, связь длины волны со скоростью и частотой волны 1. Демонстрируют образование линий равных фаз упругой волны, бегущей в тонкой пластинке. 2. Измеряют длину и частоту волны, вычисляют ее скорость

4 Продольные волны Механическая модель продольной волны 1. Демонстрируют продольную упругую волну в жидкости и газе. 2. Исследуют продольную упругую волну в ферритовом вибраторе магнитострикционного излучателя

5 Уравнение бегущей волны Уравнение гармонических колебаний, уравнение бегущей волны, амплитуда, фаза волны, гармоническая волна Еще раз демонстрируют образование концентрических колец из песка на тонкой упругой пластинке вокруг вибратора, расположенного под углом к ее поверхности. Кратко объясняют явление, доказывают, что получающиеся кольца являются линиями равных фаз

6 Стоячие волны Стоячая механическая волна, узлы и пучности стоячей волны, уравнение стоячей волны 1. Демонстрируют стоячую волну в воздухе (визуализируют волну ликоподием или слоем жидкости). Определяют скорость волны. 2. Демонстрируют стоячую волну в жидкости (стоячая волна в суспензии алюминиевой краски в ацетоне, работа ультразвукового интерферометра). 3. Демонстрируют стоячую волну в круглой и прямоугольной пластинках, возбуждают колебания в разных точках пластинок, демонстрируют стоячую волну в анизотропных пластинках. Определяют скорость волны в круглой изотропной пластинке

7 Стоячие волны как свободные колебания тел Собственная частота, основная частота (основной тон), обертон, свободные колебания 1. Вычисляют собственную частоту колебаний магни-тострикционного вибратора. 2. Измеряют основную собственную частоту колебаний вибратора осциллографическим методом. 3. Определяют скорость распространения продольной волны в вибраторе

8 Волны в среде Плоская волна, волновая поверхность, луч, волновой фронт, сферическая волна, поперечные и продольные волны в средах, нелинейные волны 1. Демонстрируют линии равных фаз с использованием тонких пластинок из различных, в том числе анизотропных, материалов. Объясняют, почему эти линии имеют различную форму. 2. Показывают нелинейные акустические явления: ультразвуковой ветер, радиационное давление, ультразвуковую кавитацию

Продолжение таблицы

9 Звуковые волны Акустические колебания, акустика, звукопроводность различных сред, давление в волне 1. Определяют амплитуду колебаний вибратора магни-тострикционного излучателя по высоте подскока стального шарика. 2. Демонстрируют распространение ультразвуковой волны в газе, жидкости и твердом теле. 3. Демонстрируют работу пьезоэлектрического приемника ультразвука в жидкости. 4. Демонстрируют радиационное давление, используя различные конструкции радиометров

10 Скорость звука Факторы, определяющие скорость звука, скорость звука в различных средах 1. Определяют скорость изгибной волны в тонкой пластинке. 2. Определяют скорость звука в воздухе и жидкости посредством стоячей волны. 3. Исследуют дисперсию ультразвука в тонкой пластинке

11 Музыкальные звуки и шумы. Громкость и высота звука Музыкальные звуки, тон, громкость, высота звука, шум 1. При использовании излучателя на частоту 15-20 кГц показывают возможность получения высокого звука большой интенсивности, но малой громкости. Демонстрируют неслышимость ультразвука при использовании излучателя на более высокую частоту. 2. Доказывают высокую интенсивность ультразвука при малой громкости, наблюдая его действие на диск радиометра

12 Тембр. Диапазоны звуковых частот Тембр звука. Передача и воспроизведение звука Демонстрируют модулированную стоячую волну в трубке Кундта. Используя осциллограф, показывают действие пьезоэлектрического приемника звука

13 Акустический резонанс Вынужденные колебания, усиление излучения при возбуждении излучателя на собственных частотах 1. Демонстрируют резонансное возбуждение колебаний вибратора магнитострикционного излучателя. 2. Делают оценку максимальной амплитуды колебаний вибратора излучателя

14 Излучение звука Источник звука Рассматривают принцип работы магнитострикционно-го излучателя. Демонстрируют прямой магнитострик-ционный эффект по повороту иглы с приклеенным зеркальцем боковой поверхностью ферромагнитного стержня, помещенного в соленоид

15 Инфразвук и ультразвук Диапазоны упругих волн, инфразвук и ультразвук в природе, их применение Демонстрируют практическое применение ультразвука: диспергирование, эмульгирование, очистку, пайку, сверление

16 Интерференция волн Сложение волн, интерференция, условия максимумов и минимумов, когерентные волны, распределение энергии при интерференции 1. Демонстрируют интерференцию от двух действительных источников ультразвука в тонкой пластинке. 2. Исследуют интерференцию при отражении от прямого края, вычисляют разность хода для различных точек и длину волны. 3. Исследуют интерференцию при отражении от круглого выпуклого или вогнутого краев тонких пластинок

17 Принцип Гюйгенса. Закон отражения волн Принцип Гюйгенса, угол падения, угол отражения, закон отражения, архитектурная акустика Рассматривают отражение волн от эллиптического, параболического и круглого краев тонких упругих пластинок

18 Преломление волн Угол преломления, закон преломления волн Демонстрируют преломление волн при распространении в бумажной пластинке с наклеенной неоднородностью в форме, например, полукруга. Обращают внимание на изменение длины волны и направления ее распространения

19 Дифракция волн Дифракция. Принцип Гюйгенса - Френеля Демонстрируют огибание волной круглого отверстия в тонкой упругой пластинке

ментов. Рассмотрим на примере учебника [5], каким образом применение эксперимента с ультразвуком низкой частоты позволяет сформировать некоторые понятия волновой физики.

Учащиеся должны усвоить, что источниками механических волн в твердых, жидких и газообразных телах являются любые колеблющиеся тела. В качестве примера можно рассмотреть колебания торца вибратора магни-тострикционного излучателя. Они происходят благодаря существованию магнитострикционного эффекта, который состоит в том, что вибратор в увеличивающемся магнитном поле укорачивается, а если поле переменное, совершает продольные колебания. Помещают на торец вибратора легкий металлический предмет и наблюдают его дребезжание. Делают вывод, что торец вибратора действительно колеблется. Говорят учащимся, что частота этих колебаний велика. Доказывают, что колебания могут распространяться в твердых, жидких и газообразных телах. Прикасаются вибратором к поверхности плотной бумаги, посыпанной сухим песком. При этом песчинки начинают подпрыгивать, значит, различные точки пластинки колеблются. Наклонив излучатель, наблюдают, что из песка формируются концентрические окружности, которые перемещаются вместе с излучателем. Таким образом, от колеблющегося тела колебания распространяются в среде. Сообщают учащимся, что этот процесс носит название волнового. Отмечают характерные особенности: волновой процесс имеет периодический характер; чем дальше от источника находятся точки среды, тем менее интенсивно они колеблются. Расстояние между соседними линиями, обозначенными порошком (они соответствуют точкам среды, колеблющимися в одной фазе), называют длиной волны.

Прикасаются излучателем к центру диска, посыпанного песком. Наблюдают, что линии, в которые собирается песок, расположены в два раза чаще, чем на протяженной пластинке из того же материала. Дают понятие стоячей волны. Исследуют стоячую волну в жидкости и в воздухе (в трубке Кундта). Определяют скорости распространения волн в различных средах.

При изучении интерференции волн демонстрируют интерференционную картину от двух когерентных излучателей и при отражении одной из волн от края пластинки. На основе этих опытов вводят понятия интерференции, когерентности волн, разности хода, интенсивности волн, формулируют условия максимумов и минимумов.

При изучении практического применения упругих волн показывают несколько эффектных и простых опытов (образование горючей смеси, эмульгирование, ультразвуковую очистку, обработку твердых и хрупких материалов).

3. В классах гуманитарного профиля обучения [6] необходимо продемонстрировать наиболее эффектные эксперименты с ультразвуком низкой частоты, но в то же время такие, которые имеют доступное физическое объяснение. При изучении основных понятий волнового движения можно продемонстрировать линии равных фаз на

поверхности пластинки, стоячую волну в различных средах. При изучении звука желательно показать колебания торца вибратора с помощью стального шарика. Имеет смысл постановка впечатляющих опытов, которые иллюстрируют практическое применение ультразвука.

Вследствие убедительности, простоты и эффектности опыты с ультразвуком низкой частоты можно применять не только при изучении механических волн, но и в других разделах школьного курса физики. Например, при изучении светового давления целесообразно показать ультразвуковой радиометр, аналогичный крутильным весам Лебедева. Изучение интерференции света также целесообразно сопровождать демонстрацией опытов с ультразвуком, так как они наиболее убедительно отражают сущность интерференционных явлений. Принцип Ферма наглядно подтверждается в опытах с изгибными волнами в эллиптических и параболических пластинках.

Для проверки возможности и целесообразности использования учебного физического эксперимента с ультразвуком низкой частоты на уроках физики нами проведен педагогический эксперимент, в котором приняли участие 122 студента и более 250 школьников. Этот педагогический эксперимент доказал следующее.

1. Если в учебно-исследовательской деятельности студенты педагогического вуза совершенствовали известный и разрабатывали новый учебный эксперимент с упругими волнами и методику его использования на уроках физики, то они смогут спроектировать и провести учебные занятия с использованием учебного эксперимента с ультразвуком низкой частоты при изучении физики в школе.

2. Если при изучении упругих волн продемонстрировать школьникам серию опытов с ультразвуком низкой частоты, то опыты вызовут интерес учащихся и расширят их кругозор, а знания учащихся станут более живыми и действенными.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Майер В. В. Простые опыты с ультразвуком. -М.: Наука, 1978. - 161 с.

2. Майер В. В., Вараксина Е. И. Магнитострикци-онный излучатель ультразвука // Потенциал. -2006. - № 8. - С. 55-60.

3. Майер В. В., Вараксина Е. И. Ультразвуковой генератор низкой частоты // Потенциал. -2006. - № 9. - С. 75-80.

4. Мякишев Г. Я., Синяков А. З. Физика. Колебания и волны. 11 кл.: учебник для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа, 2001. - 288 с.

5. Перышкин А. В., Гутник E. М. Физика. 9 кл.: учебник для общеобразоват. учеб. заведений. -М. : Дрофа, 2000. - 256 с.

6. Мансуров А. Н, Мансуров Н. А. Физика: учебник для 10-11 кл. школ с гуманит. профилем обучения. - М.: Просвещение, 1999. - 222 с.