Сон Т.Е., Смирнов Ю.М., Бимбетова Г.М.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Лекционные демонстрации по физике для бакалавров

С точки зрения преподавателя физики технические специальности бакалавриата вузов Казахстана в настоящее время можно условно разделить на две примерно равные группы. Бакалавры первой группы изучают физику в течение двух семестров. Весь курс физики разбивается на два: «Физика I» и «Физика II», по три кредита каждый. Дисциплина «Физика I» включает механику, статистическую физику и термодинамику, электромагнетизм, колебания и волны, «Физика II» – оптику, квантовую, атомную и ядерную физику. Бакалавры второй группы изучают весь курс общей физики в течение одного семестра в объеме трех кредитов.

Объем 3 кредита предполагает еженедельно 1 час лекций (это 50 минут); итого за семестр, продолжительность которого 15 недель, – 15 часов лекций.

В условиях такого жесточайшего цейтнота лекционного времени объяснить суть изучаемых явлений с помощью вывода соответствующих математических уравнений не представляется возможным. Многие явления приходится объяснять практически «на пальцах», и сопровождение лекций показом демонстрационных опытов становится не только желательным, но и необходимым элементом лекций для бакалавров.

Наиболее оптимальный, с нашей точки зрения, вариант – это совместный показ натурного эксперимента и его компьютерной модели. С помощью натурного эксперимента мы наблюдаем реальное физическое явление, а компьютерная модель позволяет объяснить его природу. Например, при объяснении явления электромагнитной индукции, на лекции показывается классический опыт Фарадея с катушкой, магнитом и гальванометром. Одновременно на экране демонстрируется компьютерный аналог этого опыта, где можно увидеть в динамике картину силовых линий магнитного поля при проведении опыта. Появление индукционного тока при движении магнита относительно катушки, наблюдаемое в натурном опыте, с помощью компьютерной модели связывается с изменением числа линий магнитной индукции, т.е. изменением магнитного потока, пронизывающего витки катушки. Анализ этого опыта помогает студентам выяснить причину возникновения эдс индукции и логически перейти к закону Фарадея для электромагнитной индукции.

Рис.1. Компьютерная анимация опыта Фарадея

Собственный опыт, к сожалению, показывает, что еще имеющееся на кафедрах физики демонстрационное оборудование морально устарело, а приобретение современных приборов и установок упирается в отсутствие должного финансирования. Но не только недостаток оборудования приводит к тому, что компьютерный эксперимент из дополнения к натурному эксперименту превращается в его замену. Часто рассматриваемые физические явления протекают слишком быстро или достаточно медленно, так что демонстрация реальных экспериментов во время лекции либо вообще невозможна, либо неэффективна с точки зрения использования рабочего времени, либо эти демонстрации недостаточно ясно представляют физические явления, лежащие в их основе. Например, при наблюдении работы реального двигателя не отражаются термодинамические процессы, которые при этом происходят. В этих случаях компьютерный эксперимент является единственной возможностью заглянуть «внутрь» явления.

В Интернете есть множество качественных по форме и содержанию мультимедийных материалов, которые можно использовать для улучшения качества и эффективности своих занятий. Из всего многообразия этих материалов для лекционных демонстраций более всего подходят такие анимации, которые позволяют в любой момент остановить показ, чтобы рассмотреть или прокомментировать какой-то фрагмент более детально, а затем продолжить его снова.

В качестве примера можно привести Flash-анимацию, которая была размещена на сайте http://physflash.narod.ru. Эта простая и наглядная модель позволяет в ясной и доступной форме объяснить процессы поглощения, вынужденного излучения, понятие инверсной населенности уровней.

Рис.2. Инверсная населенность уровней

В условиях дефицита учебного времени, когда изложение многих вопросов неизбежно носит поверхностный характер, использование натурного и компьютерного эксперимента позволяет понять суть изучаемых явлений и сформировать у бакалавров правильные представления об основных физических законах и понятиях.