Элективный курс "Моделирование в физике"

Разделы: Физика


Данный элективный курс углубляет знания учащихся о методе научного познания, вносит вклад в развитие мышления учащихся, позволяет школьникам проводить на своем уровне научные исследования.

Цель курса:

  • ввести понятие моделирования и модели,
  • дать классификацию моделей,
  • раскрыть роль моделей в физике.

Задачи курса:

1) ознакомить учащихся с моделированием как методом научного познания;

2) формировать научное мировоззрение учащихся;

3) научить учащихся деятельности моделирования путем создания различных моделей.

Содержание курса (8 часов)

Тема 1. Введение. Лекция. (1 час)

Знакомство с курсом.

Во все века жила, затаена,
Надежда – вскрыть все таинства природы. (В. Брюсов)

Наука представляет собой монумент, воздвигаемый ради блага общества. Каждый гражданин должен внести в него что-нибудь сообразно своим талантам. (Ш. Кулон)

Нас окружает сложный и многогранный мир. Предметом изучения школьного курса физики являются вещество, поле, а также физические явления. Для изучения этого в физике используется научный метод познания мира.

Этапы научного познания:

1) Поиск характерных явлений.

Чтобы познать новое явление, исследователь накапливает и систематизирует известные об этом явлении факты.

2) Изучение явлений.

Постановка проблемы.

3) Гипотеза (научное предположение).

На этом этапе создаются модели реальных объектов.

4) Закон.

На основании гипотезы приходят к теоретическим выводам, к законам.

5) Эксперимент.

Результаты эксперимента либо подтверждают выводы ученого, либо отвергают, заявляя: нужно думать дальше.

Основоположником современного метода познания нужно считать Г. Галилея.

Галилей выделял в методе научного познания четыре фазы:

  1. чувственный опыт;
  2. выдвижение гипотезы в виде аксиомы;
  3. математическое развитие аксиомы и вывод логических следствий;
  4. экспериментальная проверка гипотезы и вытекающих из нее следствий.

Что лежит в основе этого метода? Опыт, эксперимент. “Опыт – это язык, на котором можно беседовать с природой”. Г. Галилей.

Суть современного метода познания в его модельности.

Моделирование – метод научного познания, который включает построение моделей и изучение их с целью получения новых сведений о рассматриваемых физических объектах.

Модель – абстрактная система, являющаяся упрощенной копией исследуемой реальной физической системы.

Тема 2. Моделирование как общенаучный метод познания. Лекция (1 час)

Метод моделирования применяется не только в физике. Он применяется в математике (модели графиков, траекторий движения, модели фигур). Метод применяется в информатике. С точки зрения информатики, решение любой производственной или научной задачи описывается следующей технологической цепочкой: реальный объект – модель – алгоритм – программа – результаты – реальный объект”. В этой цепочке очень важную роль играет звено “модель”.

Метод моделирования применяется в биологии. Таким образом, моделирование является общенаучным методом.

Тема 3.Моделирование в истории физики. Семинар (1 час)

На данном занятии рассматривается роль ученых, внесших значительный вклад в становление и развитие понятий модели и метода моделирования. Учащиеся готовят сообщения по плану:

Краткая биографическая справка;

Научная деятельность ученого.

На семинаре заслушиваются выступления учащихся о Г. Галилее, И. Ньютоне, М. Фарадее, Д.К. Максвелле, У. Томсоне, Д.Д. Томсоне, Э. Резерфорде, А. Эйнштейне.

Тема 4. Моделирование и модель. Лекция (1 час)

Первоначальное значение слова “модель” связано с архитектурой. В эпоху средневековья оно обозначало масштаб, в котором выражались все пропорции здания. В дальнейшем оно приняло значение образца, по которому что-то создается в искусстве. В последствии понятием модели стали пользоваться в научных исследованиях. Изучаемый объект (ввиду его значительной сложности) заменяют другим, более простым и доступным для исследования.

Модель при этом должна:

  1. иметь границы применимости;
  2. совпадать с заданной точностью по своим свойствам со свойствами реального объекта;
  3. существовать в рамках какой-либо теории;
  4. допускать простое математическое описание.

Этапы моделирования:

1 этап. Выделение предмета моделирования.

2 этап. Этап построения модели.

3 этап. Этап исследования модели.

4 этап. Этап переноса знаний с модели на оригинал.

5 этап. Этап проверки переноса знаний с модели на оригинал.

Тема 5. Виды моделей. Лекция (1 час)

  • Материальная модель – это предмет, подобный оригиналу и способный заменить его в процессе эксперимента (или познания). Их назначение – воспроизведение структуры, характера протекания, сущности изучаемого процесса. Примеры таких моделей: авто- и авиамодели, лабораторные работы, аналогии.
  • Идеальная модель – это модель, которую конструируют мысленно. Она может фиксироваться при помощи рисунков, определенных символов (знаков). Примеры таких моделей: описание того или иного процесса, графики, таблицы, формулы.
  • Компьютерные модели вбирают в себя большое число аспектов моделируемой физической реальности.

Тема 6. Практикум по моделированию (2 часа)

Для проведения практикума используется оборудование кабинета физики. Занятия проводятся с использованием компьютера.

Тема 7. Заключительное занятие (1 час).

Презентация созданных моделей. Учащиеся получают задания: создать модели физических объектов, явлений, процессов и подготовить презентацию моделей.

Учащиеся работают в группах, созданных по желанию.

Учащиеся создали следующие модели:

I. Материальные.

  1. Модель линзы.
  2. Модель перископа.
  3. Модель диффузии.
  4. Модель кубической решетки и упаковки частиц.

II. Компьютерные.

  1. Модель зависимости силы трения от массы тела.
  2. Модель синтеза гелия.
  3. Модель диффузии.
  4. Модель движения Земли вокруг Солнца.
  5. Модель испарения и конденсации.
  6. Модель взаимодействия электрических зарядов.

Презентация “Моделирование в физике” представлена в приложении 1.