ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

Тема: Наблюдение броуновского движения. Опыт Перрена[1]

(наименование темы)

Продолжительность  -  2 часа

I.    Учебная и воспитательная цели занятия:

·        содействие становлению специальной профессиональной компетентности учителя физики в области методики организации лабораторных занятий по предмету с использованием системы средств  ИКТ; готовности  будущих учителей к проектированию и проведению лабораторных занятий в условиях ИКТ-насыщенной предметной среды;

·        формирование у студентов положительной мотивации профессиональной деятельности, связанной с проектированием  лабораторных занятий с применением ИКТ; содействие становлению коммуникативной компетентности студентов в условиях групповой деятельности по анализу  и разработке цифровых  материалов учебного назначения и проектов лабораторных занятий физике с использованием ресурсов и инструментов виртуальной среды.

II.      Учебные задачи  лабораторной работы:

1) изучение содержания  и методики организации лабораторного эксперимента с использованием средств ИКТ на примере лабораторной работы «Наблюдение броуновского движения. Опыт Перрена»;

2) выполнение лабораторного эксперимента на основе инструктивных материалов для учащихся, отработка умений:

·      анализировать работу компьютерных  моделей опыта Ж.Б. Перрена (модели ЦОР 1-3) по соответствующему обобщенному плану; планировать и выполнять модельные  виртуальные эксперименты по изучению закономерностей поведения броуновских частиц, формулировать выводы на основе результатов работы с  интерактивными моделями опыта Ж.Б. Перрена (модели ЦОР 1-3);

·       готовить препарат и наблюдать броуновское движение частиц в воде в условиях натурного эксперимента (использование приставки к микроскопу, или цифрового микроскопа);

·        планировать и выполнять натурный эксперимент по доказательству зависимости                     на основе использования фотоснимков результатов опыта Ж.Б. Перрена.

·      использовать средства ИКТ  при выполнении лабораторного задания (компоненты предметных ЦОР, ИУМК, ИИСС -  тексты, рисунки, анимации, видео, интерактивные модели и тесты; табличный процессор MS Excel для обработки результатов модельного эксперимента; редактор MS PP и/или  MS Excel для подготовки отчета о результатах лабораторной работы).

 III.  Содержание подготовки к лабораторному занятию

1. Повторить, используя  учебники и учебные пособия по физике для средней общеобразовательной школы и предметные ЦОР, ИУМК, ИИСС следующий учебный материал:

Факты:

·  Экспериментальные данные исследования Р. Броуном поведения взвешенных в  воде частиц;                

·  Экспериментальные данные проверки  теории броуновского движения Ж. Перреном.

Физические теории (элементы):

·  Молекулярно-кинетическая теория строения вещества;

·  Статистическая теория броуновского движения А. Эйнштейна и  М. Смолуховского;

·  Распределение числа частиц атмосферного воздуха в поле тяготения (распределение Л. Больцмана).

Технические понятия (о приборах, установках, технологических процессах):

·     Экспериментальная установка Ж. Перрена для исследования броуновского движения и проверки справедливости статистической теории А. Эйнштейна и М. Смолуховского.

Методологические знания:

·     Эксперимент как метод познания  в контексте истории развития физической науки.

·     Моделирование физических процессов в компьютерном эксперименте.

Информация, отражающая социокультурную ценность физической науки (историко-культурная информация):

·     Сведения из истории постановки опыта по исследованию броуновского движения Ж.Перреном.

Электронные учебные издания по физике

1

Библиотека электронных наглядных пособий "Физика 7-11 класс" (ООО «Дрофа»,
ЗАО «1С») (№ 5)

учебные объекты ЦОР

электронный

2

Библиотека электронных наглядных пособий «Физика 7-11 классы» (ООО «Кирилл и Мефодий») (№ 8)

учебные объекты ЦОР

электронный

3

Электронное средство учебного назначения "История техники" (ООО «Нью Медиа Дженерейнш») (№ 13)

учебные объекты ЦОР

электронный

4

Электронное издание по дисциплине «Физика» для подготовки к единому государственной экзамену (ЕГЭ)» (ЗАО «1С») (№ 44)

учебные объекты ЦОР

электронный

5

Электронное издание «Физика, 7-11 классы» (ООО «Физикон») (№ 52)

учебные объекты ЦОР

электронный

6

Открытая Физика 2.5 (ООО «Физикон») (№ 63)

учебные объекты ЦОР

электронный

 

2.  Познакомиться  содержанием теоретических, справочно-информационных  и инструктивных материалов к лабораторной работе. Составить каталог  медиаобъектов к лабораторной работе на основе анализа рекомендуемых  ЦОР по физике (тексты, фотоснимки, рисунки, видео, демонстрационные и интерактивные модели, анимации).

3.    Выполнить учебные тесты по теме «Молекулярно-кинетическая теория идеального газа» (ЦОР №№  44, 52,63) (см. рубрики: вопросы, задачи, задачи с решениями, лабораторные работы). Проанализировать содержание данных учебных тестов. Отобрать вопросы, которые могут быть использованы для контроля готовности учащихся к лабораторной работе. Самостоятельно дополнить состав тестовых заданий. Оформить содержание теста в ДО «Moodl» (или автономной тестовой оболочке).

4.    Продолжить работу над индивидуальным проектом. Направления работы (2, 4, 5, 6, 9, 10 – см. комплект дидактических материалов):

·         Проанализировать содержание ЦОР, ИУМК, ИИСС с точки зрения состава имеющихся в них интерактивных учебных моделей.  Продолжить в связи с этим формирование каталога медиаобъектов к проект (направление 12). Использовать возможности Интернет для пополнения каталога. Подобрать по теме проекта дополнительные виртуальные интерактивные эксперименты.

·         Продолжить разработку инструкций к виртуальному эксперименту на основе обобщенного плана и образцов отчетов  учащихся о проведении виртуального эксперимент (направления 5 и 11).

·         Подготовить лист самоподготовки учащихся к лабораторному занятию. Использовать при формировании системы заданий для учащихся подготовленный ранее каталог медиаобъектов  Отобрать те из объектов ЦОР, которые максимально соответствуют теме лабораторного занятия. Оформить лист самоподготовки в соответствиии с требованиями (в MS Word или MS PP) (направление 6).  

·         Подготовить образец отчета о выполнении натурного эксперимента (в MS Word и MS Ехсеl) (направление 10). 

5.    Подготовиться к коллективному обсуждению рабочих материалов проекта на занятии. Сформулировать вопросы. Продумать содержание  и подготовить презентацию к обсуждению.

 

IV.       КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИЛИ СПРАВОЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЕ

        МАТЕРИАЛЫ.

 

ОПЫТ ЖАНА БАТИСТА ПЕРРЕНА (1908 г.)

1. КЕМ И КОГДА ПРОВОДИЛСЯ ОПЫТ, ЕГО ИСТОРИЧЕСКАЯ ЦЕЛЬ

Подпись: Перрен Жан Батист (30.09.1870–17.04.1942) - французский физик, член Парижской АН (с 1923 г.). Закончил Высшую нормальную школу в Париже (1894 г.) С 1898  работал в Парижском университете. В 1940 г. выехал в США. Лауреат  Нобелевской премии (1926 г.).
Исследовал природу катодных и рентгеновских лучей (1895–98 гг.) и доказал, что катодные лучи  представляют собой поток заряженных частиц.  Работы Ж. Перрена по изучению броуновского движения (1908 г.)  явились экспериментальным подтверждением теории Эйнштейна–Смолуховского. Ему удалось получить значение числа Авогадро, хорошо согласующееся со значениями, полученными другими  методами, и окончательно доказать справедливость молекулярных воззрений на строение вещества.

В 1827 г. английский ботаник Роберт Броун  обратил внимание на движение взвешенных в жидкости частиц.  Позднее он описал это движение. Оно было беспорядочным, все частицы двигались по необычным траекториям, представляющим собой ломанные линии. Движение было непрерывным и ни на миг не прекращалось. Обнаруженное ученым движение частиц  стало называться в его честь броуновским движением [21, C. 5]  (рис. 1).

Рис 1. Траектории движения броуновских частиц  [24]

 

Первоначально ученые не проявляли интерес к этому явлению. Тем более, не предпринимались сколько-нибудь серьезные попытки к его объяснению. Во второй половине XIX века объяснение данного явление заинтересовало многих ученых. Выяснилось, что движение каждой частицы является непрерывным и не связано с  движением окружающих частиц. Оно не зависит от яркости  направленного на него  света.  При этом на скорость частиц влияет их масса и вязкость окружающей среды. Мелкие частицы двигались быстрее, чем крупные.

В 1863 г. Людвиг Кристиан Винер, обобщив результаты всех ранее проведенных исследований, установил, что это броуновское движение вызвано не внешними воздействиями, а  определяется только внутренними движениями, присущими самой жидкости. Оно обязано своим происхождением столкновениям  броуновской частицы  с молекулами жидкости. Л.Винер впервые попытался измерить скорость перемещения броуновских частиц и ее зависимость от их размера  

Не смотря на то, что в начале 20 в. большинство ученых  верно понимали молекулярную природу броуновского движения, все объяснения  этого явления оставались чисто качественными. Количественной теории явления не существовало, Соответственно  не было  ясно, какие именно характеристики  этого явления нужно измерить, чтобы убедиться в справедливости молекулярной теории строения вещества.

Как это не удивительно, но, не смотря на кажущийся беспорядок и случайные перемещения броуновских частиц, оказалось все же возможным описать это движение математической  формулой. Впервые строгое объяснение броуновского движения дал в 1904 польский физик Мариан Смолуховский (1872–1917). Одновременно разработку теории  этого явления вел Альберт Эйнштейн (1879–1955). В мае в 1905 в немецком журнале Annalen der Physik появилась его статья под длинным названием «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты». Такое название А.Эйнштейн  выбрал для того, чтобы показать, что существование случайного движения мельчайших твердых частиц в жидкостях  является прямым следствием  молекулярно-кинетической теории строения вещества. В соответствии с теорией Смолуховского-Эйнштейна, среднее значение квадрата смещения броуновской частицы (s2) за время t прямо пропорционально температуре Т и обратно пропорционально вязкости жидкости h, размеру частицы r и постоянной Авогадро NA:

 

  ,

 

где R – газовая постоянная.

Оказалось принципиально важным, что в эту формулу входит постоянная Авогадро, которую теперь можно  было определить путем количественных измерений перемещения броуновской частицы.

Французский физик Жан Батист Перрен   в 1908 г. поставил эксперимент, результаты которого должны были стать прямым подтверждением статистической теории броуновского движения  Эйнштейна–Смолуховского.

Истинность теории Ж. Перрен проверил, исследуя распределение частиц эмульсии по высоте. В основу экспериментальной работы Ж.Перрена  легли  результаты исследования Л. Больцмана, который в 1876 г. открыл  закон распределения молекул атмосферного воздуха в поле тяготения. В математической формулировке этот закон имел следующий  вид:

 

 

 

 

 

 


Ж. Б. Перрен применил эту формулу для исследования распределения броуновских частиц с высотой, поскольку считал, что систему из броуновских частиц можно рассматривать в качестве модели молекулярно-кинетической структуры газа.

Итак, эксперимент, поставленный Ж. Перреном, был направлен на проверку полученных теоретическим путем математических закономерностей, которым подчиняется броуновское движение. В случае успеха получала подтверждение и молекулярная теория строения вещества.  

 

2. ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ПОСТАНОВКИ ОПЫТА, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА УСТАНОВКИ

 

Для проверки статистической  теории Эйнштейна-Смолуховского и  закона распределения   Л. Больцмана Ж. Перрен использовал следующее оборудование: предметное стекло с цилиндрическим углублением, однородную эмульсию из частиц гуммигута (смолы garcinia morel) одинакового размера (r~10-5см), покровное стекло,  микроскоп с малой глубиной изображения.

Одинаковые по размеру зернышки раствора должны были расположиться по предположению Ж.  Перрена в соответствии с законом распределения числа частиц с высотой. Именно для исследования  распределения частиц по высоте экспериментатор сделал в предметном стекле цилиндрическое углубление. Это углубление он заполнил эмульсией, затем  закрыл сверху покровным стеклом. Для  наблюдения эффекта Ж. Перрен использовал микроскоп с малой глубиной изображения (рис.2) . [19, C. 197].

 

 

 

 


Рис.2. Метод наблюдения броуновских частиц в микроскоп в опыте Ж.Перрена

 

3. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА

 

Свои исследования  Ж. Перрен начал с проверки основной гипотезы статистической теории А. Эйнштейна.  Экспериментатор отмечал и потом зарисовывал в масштабе на разграфленном листе бумаги положение  броуновских частиц через равные временные  интервалы. Наблюдения проводились  через каждые 30 сек.  Соединяя полученные точки прямыми, Ж.Перрен получал замысловатые ломанные траектории (см. рис. 3  из книги Ж. Перрена «Атомы», опубликованной в 1920 г. в Париже).

Далее Ж. Перрен определил  число частиц в разных по глубине расположения слоях эмульсии. Для этого он последовательно фокусировал микроскоп на отдельные слои взвеси. Используя этот метод,  ученый мог количественно определить изменение числа  броуновских частиц с высотой. [19, C. 197].

Опираясь на результаты последнего эксперимента, Ж. Перрен смог определить значение числа Авогадро - .

Способ расчета  фундаментальной константы базировался на следующих рассуждениях.

Броуновские частицы, как и молекулы, находятся в беспорядочном движении. Соответственно они подчиняются всем газовым законам. Из общих соображений можно показать, что средняя кинетическая энергия  одной броуновской частицы равна средней кинетической энергии молекул при данной температуре Т, то есть:

 

 

 

 

 

 


где  R – универсальная газовая постоянная (R= 8, 31441 Дж/ моль· К), к – постоянная Больцмана (к = 1,38 Дж / К),  – число Авогадро, Т – температура раствора.

 Из этой формулы можно выразить число Авогадро :

 

 

 

 

 


Определив  среднюю кинетическую энергию  броуновской частицы при данной температуре, можно найти  значение .

Ж. Перрен нашел среднюю кинетическую энергию другим способом (из закона распределения частиц с высотой). [19, С. 235]. Действительно, в формулу распределения броуновских частиц с высотой  можно  вместо температуры подставить ее выражение через . Тогда формула Больцмана приобретет вид:

 

 

 

 

 


Зная массу частиц - , их число  в слоях, находящихся на различных высотах,  можно найти , а затем и число Авогадро - .

Очевидно, что для определения числа Авогадро необходимо найти  массу шариков гуммигута.  С той целью Ж.Перрен выпаривал каплю раствора гуммигута. Взвесив сухой остаток, он сосчитал количество зернышек, затем определил размеры и массу каждого из них [17, C. 146].                                                

 

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТА

Наблюдая  в освещенной камере  через равные промежутки времени последовательные положения взвешенных в растворе глицерина частиц, Ж. Перрен выполнил построение их траекторий.  На рисунке 3 представлена копия фотоснимка результатов  его опыта.

 

Рис. 3  Рисунки траекторий броуновских частиц из книги Ж. Перрена «Атомы»,
опубликованной в 1920 г. в Париже [цит. по 14, C. 149]

 

Обработав полученные результаты, Ж. Перрен   доказал, что  средний квадрат перемещения броуновской частицы пропорционален времени ее движения  [12, C.347].

 

 

 

 

 

 

 


Наблюдая  в микроскоп  расположение частиц гуммигута в слоях  раствора,  находившихся на разной высоте, Ж.. Перрен заметил, что число частиц в жидкости убывало с высотой, причем  очень быстро: через каждые 30 микрон  их количество в слое сокращалось почти вдвое. На рисунке 4 представлены изображения «населенности»  различных слоев раствора броуновскими частицами. Видно, что в нижнем слое частиц много, а в верхнем мало. [19, C. 197].

 


Рис. 4. Распределение броуновских частиц в слоях на разной высоте [19, C. 197]

 

Это  свидетельствовало как о справедливости полученного Л. Больцманом  закона распределения молекул атмосферного воздуха в поле тяготения, так и о применимости этого закона к распределению числа броуновских частиц по высоте. 

Ж. Перрен применил формулу закона распределения числа частиц с высотой для определения числа Авогадро - . Используя  эту теоретическую формулу и  данные своего эксперимента, он получил достаточно точное для того времени значение фундаментальной константы: NA = 6,8·1023 моль–1.

 

5. ОБЪЯСНЕНИЕ ДАННЫХ ОПЫТА С ПОЗИЦИИ СОВРЕМЕННЫХ НАУЧНЫХ ТЕОРИЙ

 

Опыт Ж.Перрена  был первым фундаментальным экспериментом, который подтвердил справедливость этой теории. Своим опытом Ж Перрен окончательно доказал  реальность молекул и верность молекулярного учения о строении вещества.

Было получено значение числа Авогадро -  одной из фундаментальных постоянных, определяющих строение нашего мира.  Ее значение,  полученное современными методами  равно:

 

 

 

   NA = 6,02·1023 моль–1

 

 

 


Результаты, полученные Ж. Перреном, подтвердили теоретические выводы А. Эйнштейна. Это произвело весьма сильное впечатление на научную общественность. После публикации результатов Ж. Перрена бывший противник атомизма В. Оствальд признался, что «совпадение броуновского движения с требованиями кинетической гипотезы... дает теперь право самому осторожному ученому говорить об экспериментальном доказательстве атомистической теории материи. Таким образом, атомистическая теория возведена в ранг научной, прочно обоснованной теории».  С ним соглашается  французский математик и физик Анри Пуанкаре: «Блестящее определение числа атомов Перреном завершило триумф атомизма... Атом химиков стал теперь реальностью» [цит. по энциклопедия «Кругосвет» -  http://www.krugosvet.ru/].

V.      КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ, ВЫПОЛНЯЕМОЙ СТУДЕНТАМИ В ХОДЕ ЗАНЯТИЯ (Описание экспериментальных установок. Порядок проведения эксперимента, постановки опыта, снятия замеров и обработки данных эксперимента. Методика анализа полученных результатов).

 

Порядок  работы

1. Повторение содержания исторического опыта Ж. Б. Перрена (работа с материалами ИИСС «История научного эксперимента»).

2. Планирование и выполнение  виртуального исторического эксперимента с использованием моделей 1-3 опыта Ж. Перрена. Доказательство справедливости закономерностей:

 

 

 

 

 

 


 

 

При планировании эксперимента следует воспользоваться обобщенным планом работы с интерактивной моделью.

3. Выполнение натурного эксперимента на лабораторной установке (подготовка препарата и наблюдение броуновского движения,  анализ фотоснимков опыта Ж.Перрена с целью выявления зависимости:

 

 

 

4. Подготовка  отчета о результатах выполнения работы.

 

Указания к работе

 

I. Виртуальный физический эксперимент

 

Обобщенный план учебной работы с  интерактивной моделью

1.     Рассмотрите составляющие интерфейса модели. Обратите внимание на активные «окна» и «клавиши» интерфейса. В случае необходимости обратитесь к разделу «помощь» или «справка». Уточните  в итоге уровни доступа к работе с моделью:

1.     блоку ввода данных,

2.     блоку их обработки,

3.     блоку вывода результата на экран.

2.     Обратите внимание в блоке ввода данных на те элементы модели, а также те ее параметры, которые могут быть изменены пользователем (выбор и/или перемещение элементов, ввод  начальных граничных условий, изменение временных и/или пространственных масштабов и пр.).

3.     Проанализируйте возможности управления моделью через блок обработки данных (наличие калькулятора, табличного процессора, возможности работы с графиками  и  статистической обработки данных и пр.)  

4.     Уточните возможности управления моделью через блок вывода результатов виртуального эксперимента на экран монитора (см. имеющийся выбор способов представления данных на экране монитора - протокол, таблицы, графики функций, рисунок, динамическая модель).

5.     Запустите модель. Рассмотрите различные состояния модели, пронаблюдаете особенности ее работы, произвольно изменяя состав элементов модели и значения параметров в блоке ввода данных.

6.     Сформулируйте цели изучения материала на основе работы с данной моделью или цели исследования явления на основе  его модели:

·     просмотр различных вариантов работы модели  и фиксация полученных результатов в качестве иллюстраций к  изучаемому материалу;

·     тестирование модели (оценка уровня достоверности  результатов моделирования на основе сравнения с известными результатами натурного эксперимента);

·     исследование поведения модели в новых условиях (выдвижение модельных гипотез), с последующей проверкой в натурном эксперименте.

7.     Составьте план работы с моделью:

·     определите, какой параметр модели необходимо изменять, для выявления интересующих особенностей ее поведения;

·     выясните, какие результаты и в какой форме следует зафиксировать в ходе исследования;

·     при наличии  некоторого числа изменяемых параметров модели следует определить этапы работы, на каждом из которых следует изменять лишь один из параметров, оставляя другие параметры модели постоянными;

·     при достаточной ясности поведения модели в различных условиях возможно одновременное изменение нескольких параметров;

·   при проведении количественных экспериментов следует уточнить (назначить) пределы и шаг изменения  параметров модели.

8.     Определите способы записи результатов работы модели (традиционные или электронные: протоколы, таблицы, диаграммы, схемы, графики и пр.).

9.     Изучите (исследуйте) работу модели в соответствии с намеченным планом. Зафиксируйте результаты работы рациональным способом.

10.  Выполните при необходимости математическую обработку полученных данных. Используйте соответствующие задачам обработки инструментальные программы для ЭВМ.

11.  Проанализируйте полученные данные, сформулируйте выводы:

·       при формулировке вывода обратите внимание на поставленные ранее цели работы  с моделью; отметьте, удалось ли достичь поставленных целей и в какой степени;

·       при изучении поведения модели при различных значениях ее параметров, обратите обязательно внимание на те ситуации, в которых происходила смена режимов ее поведения.

12.  Если работа с моделью носила исследовательский характер, то определите  цели дальнейшего исследования:

·         цели последующего натурного эксперимента;

·         цели модификации  компьютерной программы, реализующей модель.

13.  Подготовьте отчет (устный рассказ, письменный отчет, компьютерную презентацию) о выполненной работе. Для письменных отчетов может быть использован табличный процессор MS Excel, а также встроенные в виртуальную среду моделирования специальные инструменты учебной деятельности. Письменный отчет может включать распечатки фрагментов документа (или весь документ) отчета MS Excel, а также иллюстрации работы модели, выполненные с помощью клавиши «Prn Sc».

     

Инструктивные указания  к работе c интерактивной  моделью 1

(ИИСС «История научного эксперимента»)

 

1.      Запустите модель. Познакомьтесь с особенностями ее работы. Обратите внимание на элементы управления  работой модели.

Модель  иллюстрирует  распределение броуновских частиц в поле тяжести  в соответствии с законом  Л.Больцмана:   

                                                      

                                                                           или

 

Можно менять массу броуновских частиц и  температуру  эмульсии, фокусировать микроскоп  на том или ином слое эмульсии и подсчитыать число частиц в различных слоях взвеси.

 

 

Рис. 1.  Модель опыта Ж. Перрена (ИИСС «История научного эксперимента.

Физика./ООО Физикон, 2007)

 

2.      Задайте необходимые параметры работы модели: массу броуновских частиц - m и температуру эмульсии -  T

3.      Исследуйте  зависимость числа частиц в различных слоях  эмульсии от высоты слоя. Данные занесите в  таблицу 1.

Таблица 1

Зависимость числа частиц в различных слоях  эмульсии от высоты слоя

(m = const , T= const)

4.      Постройте график зависимость числа частиц в различных слоях  эмульсии от высоты слоя. Для обработки данных эксперимента можно воспользоваться  табличным процессором Ecxel.

Например:

Зависимость числа частиц в различных слоях  эмульсии от высоты слоя

 

 


(m = 10*   , T= 350°K)

5.      Исследуйте зависимость распределения  броуновских частиц в поле тяжести для различных значений их массы и различной температуры взвеси. Постройте на одной координатной плоскости несколько кривых для различных  значений массы  частиц  m и температуруы   жидкости T.

6.      Сформулируйте выводы по результатам модельного эксперимента. Для сравнения познакомьтесь с выводами, которые были сделаны по итогам исторического эксперимента Ж.Перрена (см. электронное пособие ИИСС «Эксперимент в истории науки».Физика. Опыт Ж.Перрена).

7.      Подготовьте письменный отчет о проведении модельного эксперимента. Для подготовки устного сообщения о результатах виртуального эксперимента целесообразно воспользоваться редактором  MS Рower Рoint (или MS Ecxel).

 

Инструктивные указания  к работе c интерактивной  моделями 2-3.

 

 

 


Модель 2  

 

 

Рис. 2. Модель броуновского движения (Электронное пособие  Открытая физика 2.5.  Глава 3. Молекулярная физика и термодинамика.  Молекулярно-кинетическая теория. 3.1. Основные положения МКТ.  Модель 3.1)

 

Модель 3

 

 

 


Рис. 3. Кинетическая модель идеального газа (Электронное пособие  Открытая физика 2.5.  Глава 3. Молекулярная физика и термодинамика.  Молекулярно-кинетическая теория. 3.1. Основные положения МКТМодель 3.2.)

 

1.  Запустите модель 3.1 «Броуновское движение»  (Открытая Физика, 2.5.  .  Глава 3. Молекулярная физика и термодинамика.  3.1. Основные положения МКТ). Пронаблюдайте за движением броуновской частицы. Обратите внимание на элементы управления  работой модели:

·       Модель позволяет проверить  главный вывод  молекулярно-кинетической теории броуновского движения, созданной А. Энштейном:  квадрат смещения <r2> броуновской частицы от начального положения, усредненный по многим броуновским частицам, пропорционален времени наблюдения (диффузионный закон). При этом сам коэффициент пропорциональности растет при увеличении абсолютной температуры T.

·       Компьютерная модель демонстрирует хаотическое движение броуновской частицы в идеальном двумерном газе. Через равные промежутки времени компьютер определяет координату броуновской частицы и вычисляет квадрат ее смещения из положения равновесия, усредненный по всем предшествующим отсчетам.

·       Через каждые 100 шагов компьютер автоматически переключается на следующую частицу. То же происходит при нажатии кнопки «Сброс».

3.      Запустите модель 3.2. «Кинетическая модель идеального газа» (Открытая физика 2.5.  Глава 3. Молекулярная физика и термодинамика.  3.1. Основные положения МКТ).  Пронаблюдайте за движением избранной молекулы газа при различных температурах.

 

4.Сравните характер движения броуновской частицы и молекулы  газа (модели 2 и 3). Сформулируйте вывод. Для сравнения познакомьтесь с рассуждениями по этому поводу  Ж. Перрена (см.  электронное пособие «История научного эксперимента». Опыт Ж.Перрена. п. 5.1.)

 

5.Вновь запустите модель 3.2. Зафиксируйте результаты работы модели для трех-пяти  броуновских частиц в таблице 1.  Для фиксации и обработки результатов воспользуйтесь табличным процессором MS Ecxel

 

Таблица 1

 

6.      Постройте график зависимости  Для построения графика также целесообразно воспользоваться  соответствующими опциями табличного процессора MS Ecxel.

 

Результаты виртуального эксперимента (для  модели 2)

 

 

7.      По результатам виртуального эксперимента сформулируйте вывод. Для сравнения познакомьтесь с выводом, который сделал  Ж. Перрен по результатам данного опыта  (см.  ИИСС «История научного эксперимента». Опыт Ж.Перрена. п. 5.1.).

 

 

 

 

П. Натурный физический эксперимент

Инструкуии к работе  с натурной установкой

и фотоснимками опыта Ж.Перрена.

 

1.      Подготовите препарат и пронаблюдайте броуновское движение частиц в воде.

Для наблюдения броуновского движения в воде вам понадобятся микроскоп (с увеличением 50), предметное стекло, покровное стекло (толщиной 0,18 мм), акварельные краски, кисточка, стеклянная палочка, фильтровальная бумага, порошкообразное вещество.

На предметное стекло при помощи стеклянной палочки нанесите каплю воды. Небольшое количество краски кисточкой добавьте в воду (вода должна лишь слегка окраситься). Поверх капли положите покровное стекло. При необходимости наклоном предметного стекла удалите из взвеси возникшие пузырьки воздуха. Под покровным стеклом должно находится такое количество воды, чтобы при любом наклоне предметного стекла покровное стекло не смещалось. Излишнюю воду нужно удалить при помощи полоски фильтрованной бумаги, подносимой к краю покровного стекла. Эксперимент будет тем удачнее, чем тоньше слой воды между стеклами.

Готовый препарат помещается на столик микроскопа. При приближении объектива к препарату сначала видны лишь крупные частицы туши. Эти частицы не проявляют броуновского движения. Вблизи крупных частиц видны более мелкие, вот  они и находятся в непрерывном движении (или «дрожании»), получая различные импульсы от  молекул воды [2, C.189].

Повторите опыт с раствором молока. Обратите внимание на интенсивность  движения частичек жира в растворе. Имея меньшую массу в сравнении с частицами краски, эти броуновские частицы двигаются  более активно.

 

2.      Подготовите установку и  пронаблюдайте броуновское движение в воздухе (задание по выбору – индивидуальный проект).

Для этого понадобятся микроскоп (с увеличением 30), самодельная наблюдательная камера из стекла и дерева, источник света, 2 резиновые трубки, 2 зажима.

Наблюдательная камера изготавливается из фанеры и имеет квадратную форму с ребром около 20 мм. В боковых стенках проделываются круглые отверстия, по одному с каждой стороны, в которых укрепляются и вклеиваются короткие стеклянные трубки (D=5 мм). Две другие стенки делаются из двойной фанеры, и в каждой из них выпиливается круглое окно (D=18 мм), так же изготавливается и крышка камеры. Затем на стенки с большими окнами и на крышку наклеиваются покровные стекла (со стороной 22 мм) (рис.4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 4. Камера для наблюдения  броуновского движения в табачном дыму

 

Наблюдательная камера (рис.4) помещается на столик микроскопа, тубус которого должен быть поднят по возможности как можно выше. Пространство между тубусом микроскопа и стеклом камеры должно быть таким, чтобы удобно было использовать объектив с небольшим увеличением. Рядом с микроскопом ставится источник света – проектор, дающий сходящийся пучок света. Пучок света направляется так, чтобы он проходил через оба окна камеры и сходился в средней точке полости камеры.

Через боковые стеклянные трубки, на которые предварительно надеваются резиновые трубки, в камеру вдувается папиросный дым или аммиачный туман, после чего резиновые трубки перекрываются зажимами. Перед наблюдением необходимо некоторое время выждать, пока не успокоится турбулентное движение частиц, возникшее в процессе вдувания. Наблюдение необходимо вести в участке схождения светового луча. Под действием удара частиц воздуха частицы дыма приходят в беспорядочное броуновское движение, которое и рассматривается в микроскоп.

 

3. Используя фотоснимки Ж. Перрена, докажите пропорциональность среднего квадрата смещения броуновской частицы от времени наблюдения. Копия фотоснимка результатов опыта Ж. Б. Перрена представлена на рис. 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 5. Траектории движения броуновских частиц  в опыте Ж. Б. Перрена

 

Рассмотрите копию фотоснимка Ж. Б. Перрена (рис. 2), на котором представлена «запись» движения трех броуновских частиц. В опыте предстоит исследовать зависимость среднего квадрата перемещения броуновских частиц от времени их движения.

 

Измерьте перемещение первой броуновской частицы за последовательные равные промежутки времени: . Результаты измерений занесите в таблицу 1. рассчитайте квадрат перемещения частицы за каждый интервал времени и средний квадрат ее перемещения в течение данного временного интервала:

 

 

 

 


                                            

                                                                                                                        Таблица 1

           Средний квадрат перемещения частицы за интервал времени 30 c

 

Si

 

Si2

 

 

 

 

 

 

                                                                                                   

 

Сверху на фотокопию наложите лист кальки. На кальке соедините точки последовательно через одну. В этом случае получится рисунок, изображающий положение первой броуновской частицы теперь уже через каждые 60 секунд. Вновь измерьте перемещения частицы за последовательные интервалы времени. Рассчитайте средний квадрат перемещения частицы в течение данного интервала времени. Данные измерений занесите в таблицу 2.

                                                                                                                       Таблица 2

           Средний квадрат перемещения частицы за интервал времени 60 c

 

 

Si

 

Si2

 

 

 

 

 

 

  

На исходную фотокопию наложите второй лист кальки и соедините на нем точки, начиная с первой, через две. Теперь получится рисунок, отображающий последовательные положения первой броуновской частицы через каждые 90 секунд. Вновь измерьте перемещения частицы рассчитайте средний квадрат ее перемещений в течение данного интервала времени. Данные измерений занесите в таблицу 3.

                                                                                                               Таблица 3

          Средний квадрат перемещения частицы за интервал времени 90 c

 

Si

 

Si2

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                

Учитывая линейный масштаб в опытах Ж. Перрена (1150:1), определите истинные значения средних квадратов перемещений первой броуновской частицы. Данные расчетов занесите в таблицу 4.

Таблица 4

Зависимость среднего квадрата перемещения первой броуновской частицы от времени

 

пп

t,c

, мм2  

1

30

 

2

60

 

3

90

 

 

 

 

 

 

 

 

По данным таблицы 4 постройте график зависимости среднего квадрата смещения первой броуновской частицы от времени движения.

Для обработки результатов эксперимента полезно воспользоваться реактором MS Excel

Сформулируйте выводы по результатам эксперимента [27].

 

IV.      ПОРЯДОК ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ И ЕГО ЗАЩИТЫ.

По результатам лабораторной работы необходимо:

А. Оформить письменный отчет по лабораторным заданиям (в MS Excel или в MS Word), включающий:

·     цель;

·     оборудование;

·     рисунок экспериментальной установки (описание виртуальной модели);

·     результаты исследования в форме численных данных, таблиц, графиков (использовать для обработки результатов табличный процессор MS Excel);

·     выводы.

Б. Представить отчет преподавателю (индивидуальная беседа, учебный тест из ЦОР).

В. Представить материалы по индивидуальным проектам  в системе ДО «Moodl» (см. задачи занятия) для промежуточного контроля.

 

V.      РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ ПО ПРОВЕДЕНИЮ ЗАНЯТИЯ (с указанием на инновационность целей, содержания, методов, форм и средств обучения)

Инновационность целей лабораторного занятия обусловлена их  направленностью на формирование специальной профессиональной компетентности студентов в области применения ИКТ в организации лабораторных занятий с учащимися. Достижение данной цели предполагает решение ряда задач:

·    формирование знаний студентов о направлениях и приемах использования  средств ИКТ на лабораторных занятиях по  физике, о дидактической ценности и методике использования аппаратных средств и ресурсов предметной виртуальной среды для решения  учебных задач конкретного лабораторного занятия;

·    формирование профессиональных умений в разработке дидактических материалов для самостоятельной работы учащихся  на лабораторном  занятии;

·    совершенствование коммуникативных умений студентов, их творческих способностей при выполнении  лабораторных заданий и индивидуальных проектов.

Инновационность содержания занятия обусловлена представлением студентами  структуры  и содержания деятельности  учащихся и учителя физики при выполнении лабораторного эксперимента с использованием средств ИКТ (аппаратных средств регистрации данных натурного опыта, интерактивных моделей физического эксперимента и физических явлений, инструментов обработки данных эксперимента в виртуальной среде, интерактивных  учебных тестов).

Инновационность методов и форм обучения обусловлена использование средств ИКТ при подготовке и проведении учебных занятий со студентами, организацией самостоятельной  работы студентов на занятии и при подготовке к нему, обеспечением уровневого подхода к формулировке заданий для самостоятельной работы, возможностью выбора студентом заданий для дополнительной учебной работы, организацией работы студентов  в творческих группах, использование коллективных обсуждений и дискуссий по содержанию индивидуальных учебных заданий и творческих проектов. 

Дидактическая структура занятия. В начале занятия проводится обсуждение со студентами текущих задач по разработке индивидуальных творческих проектов (не более 20 мин). Обсуждение строится на основе презентаций, подготовленных преподавателем и студентами. В процессе обсуждения корректируются  направления и методы работы студентов над индивидуальными проектами, уточняется содержание их учебной работы. Основное время учебного занятия предназначено для выполнения каждым студентом двух лабораторных работ по программе практикума. В процессе занятия преподаватель оказывает помощь студентам в работе над лабораторным заданием, в особенности в части использования средств ИКТ в лабораторном эксперименте. Объем работы студентов на занятии может регулироваться, в зависимости от уровня их подготовки к занятию и ИКТ-компетентности. Выполнение части заданий может быть вынесено на самостоятельную работу в ЛПП.

В конце занятия  анализируются отчеты студентов о выполнении лабораторного задания (индивидуальная беседа по итогам работы, анализ работы студентов над учебными тестами из ЦОР, а также над учебными тестами, подготовленными студентами в рамках индивидуальных проектов).  В процессе занятия используются коллективные, групповые и парные формы учебной работы.

Результаты индивидуальной работы студентов над лабораторными заданиями и по индивидуальным проектам систематически представляются в системе  ДО «Moodl». Это позволяет преподавателю оптимизировать текущий контроль учебной работы студентов, а студентам обмениваться опытом учебной работы над заданиями.

 

 



[1] Работа поставлена по итогам выполнения студентами творческого проекта.