Физика и компьютер: Использование компьютера при изучении физики

Использование компьютера при изучении физики

Быстрое развитие компьютерной техники и расширение её функциональных возможностей позволяет широко использовать компьютеры на всех этапах учебного процесса. Большие возможности содержатся в использовании компьютеров при обучении физики. Эффективность применения компьютеров в учебном процессе зависит от многих факторов, это и от «железа», и от качества используемых обучающих программ, и от методики обучения, применяемой учителем. Физика — наука экспериментальная, её всегда преподают, сопровождая демонстрационным экспериментом. Методика обучения физике всегда была сложнее методик преподавания других предметов. Использование компьютеров в обучении физики деформирует методику её преподавания как в сторону повышения эффективности обучения, так и в сторону облегчения работы учителя.

Для повышения наглядности обучения можно использовать компьютерную программу «Физика в картинках» НЦ «Физикон»

Изложение нового материала, можно проводить с использованием одного компьютера, находящегося рядом с демонстрационным столом. Все физические эксперименты можно сопровождать использованием компьютерной программы » Физика в картинках «, в которой содержатся и проводятся демонстрации опытов с одновременно строящимися графиками, прилагаются пояснения происходящих процессов и явлений. Этот подход в компьютерной программе применяется ко всем основным темам школьного курса физики, что позволяет быстрее и качественнее объяснить учебный материал, повышает наглядность и доступность обучения, даёт возможность демонстрировать неоднократно явления и процессы как в дискретном, так и анимационном режимах. Просматривать изучаемые явления одновременно со строящимися графиками, менять в программе компьютера параметры факторов, создающих явления. Позволяет разносторонне демонстрировать ход опытов, а учащимся глубже осваивать учебный материал. Использование этой программы эффективно на этапах закрепления и повторения учебного материала как в индивидуальном, так и групповом обучении.

В плане закрепления изученного материала и при самостоятельной работе учащихся можно использовать программу «Уроки физики Кирилл и Мефодий» для 9 и 10 кл — электронные учебники от компании «Кирилл и Мефодий». Данная программа разбита на уроки в соответствии с основными темами курса физики. Имеет чёткое звуковое сопровождение. Хороший подбор контролирующих тестов. Заранее устанавливается нужная тема и после объяснения нового материала запускаются нужные озвученные пункты учебного материала. Это позволяет быстро и кратко ещё раз прокрутить изучаемую тему в сознании учащихся. Иногда для повторения применяют создание кроссвордов на пройденные темы по физике. Выполняют их в программе Microsoft Excel. Организационно проводят это в компьютерном кабинете, где учащиеся рассаживаются по 3-5 человек за компьютер. В группы учащиеся комплектуются самостоятельно. Процесс создания кроссвордов в группе учащихся проходит более интенсивно, более азартно и более интереснее, чем когда за компьютером сидит один учащийся. После создания кроссворда учащиеся обмениваются ими, предварительно записав их на дискеты, (желательно чтобы каждый учащийся наряду с тетрадью имел свою собственную дискету), а затем разгадывают кроссворды, при этом возникает в некотором роде соревновательный эффект: кто сложнее создаст кроссворд, а кто быстрее его разгадает.

Кроме того, можно использовать компьютеры для рисования общего вида графика какого- либо закона или явления с помощью приложения Paint, а более точное построение графиков проводят в программе Microsoft Excel, при этом графики получаются очень красивыми, что вызывает чувство удовлетворения работой. Построение графиков в программе Microsoft Excel позволяет пронаблюдать процесс изменения графика при изменении любых параметров протекающего процесса.

Контроль знаний, точнее, обратную связь устанавливают на основе самоконтроля и самооценки знаний учащихся: перед началом занятия получают информацию от каждого учащегося о степени выполнения им домашнего задания, в виде самооценки за каждую часть домашнего задания, а затем на занятии они подтверждают свои оценки, либо традиционным способом в кабинете физике, либо тестированием с использованием компьютеров, на основе собственных тестов, либо с помощью тестов программы «Уроки физики Кирилла и Мефодия». Также неплохо вписывается в структуру контроля знаний использование компьютерной программы «Репетитор по физике Кирилла и Мефодия». Во время тестирования учащиеся рассаживаются по одному человеку за компьютер. Остальные в это время заняты либо традиционным контролем, либо решением задач по данной теме.

Использование компьютера при решении физических задач.

Задачи решаются в компьютерном классе с помощью электронного задачника программы «Физика в картинках». НЦ » Физикон «.

Нужно сказать, что решение физических задач с помощью компьютера мало что даёт учебному процессу, так как в этом случае в основном используется компьютер как калькулятор и не более. Но, тем не менее, использование компьютера при решении физических задач может давать большой образовательный эффект при условии, если к седьмому классу учащиеся будут владеть программой Microsoft Excel, тогда на полную мощность можно использовать при решении задач функции, графики и мн. др. Кроме того, необходимо создать специальную подборку задач и методику их решения.

Методика использования компьютерных моделей на уроках.

Прежде всего, чрезвычайно удобно использовать компьютерные модели в демонстрационном варианте при объяснении нового материала или при решении задач.

Конечно, такие демонстрации будут иметь успех, если учитель работает с небольшой группой учащихся, которых можно рассадить вблизи монитора компьютера или, если в кабинете имеется проекционная техника, позволяющая отобразить экран компьютера на стенной экран большого размера. В противном случае учитель может предложить учащимся самостоятельно поработать с моделями в компьютерном классе или в домашних условиях, что иногда бывает более реально.

Следует отметить, что при индивидуальной работе учащиеся с большим интересом повозятся с предложенными моделями, пробуют все регулировки, как правило, не особенно вникая в физическое содержание происходящего на экране. Как показывает практический опыт, обычному школьнику конкретная модель может быть интересна в течении 3 -5 минут, а затем неизбежно возникает вопрос: «А что делать дальше?»

Что же нужно сделать, чтобы урок в компьютерном классе был не только интересен по форме, но и дал максимальный учебный эффект?

Учителю необходимо заранее подготовить план работы с выбранной для изучения компьютерной моделью, сформулировать вопросы и задачи, согласованные с функциональными возможностями модели, также желательно предупредить учащихся, что им в конце урока будет необходимо ответить на вопросы или написать небольшой отчёт о проделанной работе. Идеальным является вариант, при котором учитель в начале урока раздаёт учащимся индивидуальные задания в распечатанном виде.

Какие же виды заданий и учебной деятельности можно предложить учащимся при работе с компьютерными моделями и как организовать эту деятельность?

Виды заданий к компьютерным моделям

1.Ознакомительное задание

Это задание предназначено для того, чтобы помочь учащемуся понять назначение модели и освоить её регулировки. Задание содержит инструкции по управлению моделью и контрольные вопросы.

2.Компьютерные эксперименты

После того как компьютерная модель освоена, имеет смысл предложить учащимся 1 — 2 эксперимента. Такие эксперименты позволяют учащимся глубже вникнуть в смысл происходящего на экране.

3.Экспериментальные задачи

Далее можно предложить учащимся экспериментальные задачи, то есть задачи, для решения которых необходимо продумать и поставить соответствующий компьютерный эксперимент. Как правило, учащиеся с особым энтузиазмом берутся за решение таких задач. Несмотря на кажущуюся простоту, такие задачи очень полезны, так как позволяют учащимся увидеть живую связь компьютерного эксперимента и физики изучаемых явлений.

4.Расчётные задачи с последующей компьютерной проверкой

На данном этапе учащимся уже можно предложить 2 — 3 задачи, которые вначале необходимо решить без использования компьютера, а затем проверить полученный ответ, поставив компьютерный эксперимент. При составлении таких задач необходимо учитывать как функциональные возможности модели, так и диапазоны изменения числовых параметров. Следует отметить, что, если эти задачи решаются в компьютерном классе, то время, отведённое на решение любой из этих задач, не должно превышать 5 -8 минут. В противном случае, использование компьютера становится мало эффективным. Задачи, требующие более длительного времени для решения, имеет смысл предложить учащимся для предварительной проработки в виде домашнего задания и/или обсудить эти задачи на обычном уроке в кабинете физики, и только после этого использовать их в компьютерном классе.

5.Неоднозначные задачи

В рамках этого задания учащимся предлагается решить задачи, в которых необходимо определить величины двух зависимых параметров, например, в случае бросания тела под углом к горизонту, начальную скорость и угол броска, для того чтобы тело пролетело заданное расстояние. При решении такой задачи учащийся должен вначале самостоятельно выбрать величину одного из параметров с учётом диапазона, заданного авторами модели, а затем решить задачу, чтобы найти величину второго параметра, и только после этого поставить компьютерный эксперимент для проверки полученного ответа. Понятно, что такие задачи имеют множество решений.

6.Задачи с недостающими данными

При решении таких задач учащийся вначале должен разобраться, какого именно параметра не хватает для решения задачи, самостоятельно выбрать его величину, а далее действовать, как и в предыдущем задании.

7.Творческие задания

В рамках данного задания учащемуся предлагается составить одну или несколько задач, самостоятельно решить их (в классе или дома), а затем, используя компьютерную модель, проверить правильность полученных результатов. На первых порах это могут быть задачи, составленные по типу решённых на уроке, а затем и нового типа, если модель это позволяет.

8.Исследовательские задания

Наиболее способным учащимся можно предложить исследовательское задание, то есть задание, в ходе выполнения которого им необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, которые бы позволили подтвердить или опровергнуть определённые закономерности. Самым сильным ученикам можно предложить самостоятельно сформулировать такие закономерности. Заметим, что в особо сложных случаях, учащимся можно помочь в составлении плана необходимых экспериментов или предложить план, заранее составленный учителем.

9.Проблемные задания

С помощью ряда моделей можно продемонстрировать, так называемые, проблемные ситуации, то есть ситуации, которые приводят учащихся к кажущемуся или реальному противоречию, а затем предложить им разобраться в причинах таких ситуаций с использованием компьютерной модели.

10.Качественные задачи

Некоторые модели вполне можно использовать и при решении качественных задач. Такие задачи или вопросы, конечно, лучше сформулировать, поработав с моделью, заранее.

При регулярной работе с компьютерным курсом из придуманных заданий имеет смысл составить компьютерные лабораторные работы, в которых вопросы и задачи расположены по мере увеличения их сложности. Это занятие достаточно трудоёмкое, но именно такие работы дают наибольший учебный эффект.

В последнее время можно часто слышать вопросы: «А нужен ли компьютер на уроках физики? Не вытеснят ли компьютерные имитации реальный эксперимент из учебного процесса?» Чаще всего такие вопросы задают учителя, не владеющие информационными технологиями и не очень понимающие, чем могут быть полезны эти технологии в преподавании.

Давайте попробуем ответить на вопрос: «Когда же оправдано использование компьютерных программ на уроках физики?» Мы считаем, что, прежде всего, в тех случаях, в которых возникает существенное преимущество по сравнению с традиционными формами обучения. Одним из таких случаев является использование компьютерных моделей в учебном процессе. Следует отметить, что под компьютерными понимают компьютерные программы, которые позволяют имитировать физические явления, эксперименты или идеализированные ситуации, встречающиеся в задачах.

В чем же преимущество компьютерного моделирования по сравнению с натурным экспериментом? Прежде всего, компьютерное моделирование позволяет получать наглядные динамические иллюстрации физических экспериментов и явлений, воспроизводить их тонкие детали, которые часто ускользают при наблюдении реальных явлений и экспериментов. При использовании моделей компьютер предоставляет уникальную, не достижимую в реальном физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощённой модели. При этом можно поэтапно включать в рассмотрение дополнительные факторы, которые постепенно усложняют модель и приближают ее к реальному физическому явлению. Кроме того, компьютерное моделирование позволяет варьировать временной масштаб событий, а также моделировать ситуации, не реализуемые в физических экспериментах.

Работа учащихся с компьютерными моделями чрезвычайно полезна, так как компьютерные модели позволяют в широких пределах изменять начальные условия физических экспериментов, что позволяет им выполнять многочисленные виртуальные опыты. Такая интерактивность открывает перед учащимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов. Некоторые модели позволяют одновременно с ходом экспериментов наблюдать построение соответствующих графических зависимостей, что повышает их наглядность. Подобные модели представляют особую ценность, так как учащиеся обычно испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков.

Разумеется, компьютерная лаборатория не может заменить настоящую физическую лабораторию. Тем не менее, выполнение компьютерных лабораторных работ требует определенных навыков, характерных и для реального эксперимента — выбор начальных условий, установка параметров опыта и т. д.

Большое число компьютерных моделей по всему школьному курсу физики содержится в мультимедийных курсах, разработанных компанией «Физикон»: «Физика в картинках», «Открытая физика 1.1», «Открытая физика 2.0», «Открытая астрономия 2.0». Главной отличительной особенностью этих компьютерных курсов являются многочисленные компьютерные модели — уникальные и оригинальные разработки, значительное число которых расположено на сайте «Открытый колледж» по адресу: http://www.college.ru/).

Компьютерные модели, разработанные компанией «Физикон», легко вписываются в урок и позволяют учителю организовать новые, нетрадиционные виды учебной деятельности учащихся.

1.Урок решения задач с последующей компьютерной проверкой.

Учитель предлагает учащимся для самостоятельного решения в классе или в качестве домашнего задания индивидуальные задачи, правильность решения которых они могут проверить, поставив компьютерные эксперименты. Самостоятельная проверка полученных результатов, при помощи компьютерного эксперимента, усиливает познавательный интерес учащихся, а также делает их работу творческой, а зачастую приближает её по характеру к научному исследованию. В результате многие учащиеся начинают придумывать свои задачи, решать их, а затем проверять правильность своих рассуждений, используя компьютерные модели. Учитель может сознательно побуждать учащихся к подобной деятельности, не опасаясь, что ему придётся решать ворох придуманных учащимися задач, на что обычно не хватает времени. Более того, составленные школьниками задачи можно использовать в классной работе или предложить остальным учащимся для самостоятельной проработки в виде домашнего задания.

2.Урок — исследование.

Учащимся предлагается самостоятельно провести небольшое исследование, используя компьютерную модель, и получить необходимые результаты. Тем более, что многие модели позволяют провести такое исследование буквально за считанные минуты. Конечно, учитель помогает учащимся на этапах планирования и проведения экспериментов.

3.Урок — компьютерная лабораторная работа.

Для проведения такого урока необходимо разработать соответствующие раздаточные материалы. Задания в бланках лабораторных работ следует расположить по мере возрастания их сложности. Вначале имеет смысл предложить простые задания ознакомительного характера и экспериментальные задачи, затем расчетные задачи и, наконец, задания творческого и исследовательского характера. При ответе на вопрос или при решении задачи учащийся может поставить необходимый компьютерный эксперимент и проверить свои соображения. Расчётные задачи рекомендуется вначале решить традиционным способом на бумаге, а затем поставить компьютерный эксперимент для проверки правильности полученного ответа.

Хочется отметить, что задания творческого и исследовательского характера существенно повышают заинтересованность учащихся в изучении физики и являются дополнительным мотивирующим фактором. По этой причине уроки последних двух типов приближаются к идеалу, так как ученики получают знания в процессе самостоятельной творческой работы, ибо знания необходимы им для получения конкретного, видимого на экране компьютера, результата. Учитель в этих случаях является лишь помощником в творческом процессе овладения знаниями.

Презентация по физике «Физика современного компьютера»

Презентация на тему: Физика современного компьютера

Скачать эту презентацию

Скачать эту презентацию

№ слайда 1

Описание слайда:

Физика современного компьютераПрезентацию подготовил ученик 11 класса «А» МОУ Аннинский лицей Рыжиков Дмитрий

№ слайда 2

Описание слайда:

КОМПЬЮТЕР — устройство, выполняющее математические и логические операции над символами и другими формами информации и выдающее результаты в форме, воспринимаемой человеком или машиной. Первые компьютеры использовались главным образом для расчетов, т.е. сложения, вычитания, умножения, деления и т.д. Сегодня компьютеры применяются для решения многочисленных и разнообразных других задач, таких, как обработка текста, графика и переработка больших массивов информации.

№ слайда 3

Описание слайда:

Первые компьютеры появились в начале 20 века. Это были огромные машины, весом в несколько тонн и общими размерами с футбольное поле. С развитием компьютерной техники размеры машин становились все меньше, а их «способности» — всё больше.

№ слайда 4

Описание слайда:

Переломным моментом в истории развития компьютера стало развитие микроэлектроники и изобретение микросхем, создание на их основе супербыстрого и очень маленького «мозга» компьютера — процессора. Интегральные схемы на материнской плате компьютера

№ слайда 5

Описание слайда:

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА (интегральная электроника) — область электроники, связанная с созданием и применением в радиоэлектронной аппаратуре узлов и блоков, выполненных на интегральных схемах и микроминиатюрных конструктивно-вспомогательных изделиях (разъемах, переключателях и т. д.), часто с использованием различных функциональных приборов (опто-, акусто-, криоэлектронных, ионных, тепловых и др.), широко используется в компьютерной технике. Сформировалась в начале 60-х гг. 20 в. Развивается в направлении уменьшения размеров элементов, размещаемых на поверхности или в объеме кристалла (чипа) отдельных интегральных схемах (на 1990 для наиболее распространенных ИС — кремниевых — эти размеры доведены до 0,2-1 мкм), повышения степени их интеграции (до 107 элементов на кристалл), увеличения максимальных размеров кристалла (до 80-100 на квадратном миллиметре).

№ слайда 6

Описание слайда:

Современный персональный компьютер Современный настольный компьютер обычно состоит из нескольких устройств. Основной частью любого ПК является системный блок. Для отображения компьютерной информации используется монитор, а для ввода информации и управления компьютером — клавиатура и мышь. Кроме этого, к компьютеру можно подключать множество дополнительных устройств: принтер, сканер, джойстик, колонки и т.д.

№ слайда 7

Описание слайда:

№ слайда 8

Описание слайда:

Персональный компьютер

№ слайда 9

Описание слайда:

Принципы работы компьютера При создании первых вычислительных машин в 1945 математик Джон фон Нейман описал основы конструкции компьютера. Согласно принципам фон Неймана, компьютер должен иметь следующие устройства:Арифметическо-логическое устройство — для непосредственного осуществления вычислений и логических операций.Устройство управления — для организации процесса управления программ.Запоминающее устройство (память) — для хранения программ и информации.Внешние устройства — для ввода и вывода информации.Подавляющее большинство компьютеров в своих основных чертах соответствует принципам фон Неймана, но схема устройства современных компьютеров несколько отличается от классической схемы. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.

№ слайда 10

Описание слайда:

ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР

№ слайда 11

Описание слайда:

Физика современного компьютера Принцип работы мониторовПринцип работы магнитных носителей информацииДинамикиКлавиатура компьютера ЗаключениеПримеры использования компьютеров

№ слайда 12

Описание слайда:

Принцип работы мониторов Принцип работы ЖК монитораПринцип работы ЭЛ монитораНаглядное сравнение мониторов

№ слайда 13

Описание слайда:

Работа ЖКД основана на явлении поляризации светового потока. Известно, что так называемые кристаллы поляроиды способны пропускать только ту составляющую света, вектор электромагнитной индукции которой лежит в плоскости, параллельной оптической плоскости поляроида. Для оставшейся части светового потока поляроид будет непрозрачным. Таким образом поляроид как бы «просеивает» свет, данный эффект называется поляризацией света. Когда были изучены жидкие вещества, длинные молекулы которых чувствительны к электростатическому и электромагнитному полю и способны поляризовать свет, появилась возможность управлять поляризацией. Эти аморфные вещества за их схожесть с кристаллическими веществами по электрооптическим свойствам, а также за способность принимать форму сосуда, назвали жидкими кристаллами.

№ слайда 14

Описание слайда:

Основываясь на этом открытии и в результате дальнейших исследований, стало возможным обнаружить связь между повышением электрического напряжения и изменением ориентации молекул кристаллов для обеспечения создания изображения. Первое свое применение жидкие кристаллы нашли в дисплеях для калькуляторов и в электронных часах, а затем их стали использовать в мониторах для портативных компьютеров. Сегодня, в результате прогресса в этой области, начинают получать все большее распространение LCD-дисплеи для настольных компьютеров.

№ слайда 15

Описание слайда:

Принцип работы ЭЛ монитора Монитор состоит из электронно-лучевой трубки, блока питания и электронного блока управления лучом. Принцип действия монитора на базе электронно-лучевой трубки заключается в том, что испускаемый электродом (электронной пушкой) пучок электронов, попадая на экран, покрытый специальным составом — люминофором, — вызывает его свечение. Направление пучка электронов задают также дополнительные электроды: отклоняющая система, позволяющая изменять направление пучка, и модулятор, регулирующий яркость получаемого изображения. Электронный луч периодически сканирует экран, образуя на нем строки развертки. По мере движения луча по строкам видеосигнал, подаваемый на модулятор, изменяет яркость определенных пикселей, образуя некоторое видимое изображение.

№ слайда 16

Описание слайда:

Разрешающая способность монитора определяется числом пикселей, из которых и формируется изображение на экране. В случае цветного монитора имеются не одна, а три электронных пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красного (R), зеленого (G), синего (B) — (Red, Blue, Green — аббревиатура «RGB»). Таким образом, каждая пушка «стреляет» по своей цели. Для этого в каждом мониторе имеется либо теневая маска, либо так называемая апертурная решетка . Теневая маска имеет систему отверстий, а апертурная решетка — систему щелей. В основном применяются кинескопы двух типов: плоско-прямоугольные (наиболее распространены) и вертикально-плоские. В плоско-прямоугольных кинескопах экраны на самом деле не плоские и не прямоугольные, выглядят такими по сравнению с обычными кинескопами за счет большого радиуса кривизны. В вертикально-плоских кинескопах экран действительно плоский по вертикали, по горизонтали имеет кривизну (как вырезанные из цилиндра). Шаг триад — это расстояние (в мм) между двумя ближайшими точками люминофора одного цвета свечения. Чем меньше шаг триад, тем выше потенциальная четкость изображения. Типичные значения для шага триад составляют 0,28 мм; 0,26 мм; 0,24 мм.

№ слайда 17

Описание слайда:

Размеры монитора на основе ЭЛТ и жидких кристаллов

№ слайда 18

Описание слайда:

Магнитные носители информацииHard driveLaser drive

№ слайда 19

Описание слайда:

Принцип работы магнитных носителей информации. Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня егосоздания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрывательгрампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженныхна общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторонкаждой пластины. Скорость вращения пластин (у некоторых моделей она доходиядо 15000 оборотов в минуту) постоянна и является одной из основныххарактеристик. Головка перемещается вдоль пластины на некоторомфиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тембольше точность считывания информации, и тем больше может быть плотностьзаписи информации. Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидитетолько прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищаетдисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазормежду головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех .

№ слайда 20

Описание слайда:

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и «запомнить». Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности представьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются доменами. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним.

№ слайда 21

Описание слайда:

Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об./мин. Для того, чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности. Теперь о работе головок. Они перемещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы «плывут» на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки, в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.

№ слайда 22

Описание слайда:

Компьютерный компакт-диск В проигрывателях лазерных дисков и в компьютерах используются полупроводниковые лазеры . Малая расходимость лазерного пучка позволяет получать с помощью оптических систем очень узкие световые пучки, необходимые для записи и считывания информации с очень высокой пространственной плотностью.

№ слайда 23

Описание слайда:

Динамики

№ слайда 24

Описание слайда:

КЛАВИАТУРА — основное устройство ввода информации в компьютер, представляющее собой совокупность механических датчиков, при давлении на клавиши замыкающих определенную электрическую цепь. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и мембранными переключателями. Внутри корпуса любой клавиатуры, помимо датчиков клавиш, расположены электронные схемы дешифрации и микроконтроллер клавиатуры.Клавиатура компьютера очень похожа на клавиатуру обычной пишущей машинки. На ней имеются кнопки для всех букв алфавита (очень часто — нескольких алфавитов), отдельная цифровая клавиатура, а также специальные клавиши для управления компьютером. Некоторые клавиши и комбинации клавиш напрямую управляют работой компьютера. С ними нужно обходиться особенно осторожно.С помощью кабеля клавиатура соединяется с системным блоком. Бывают и беспроводные клавиатуры, которые связываются с компьютером посредством световых или радио-сигналов.

№ слайда 25

Описание слайда:

Конденсаторы в клавиатуре компьютера

№ слайда 26

Описание слайда:

Основной тенденцией развития клавиатур персональных компьютеров является повышение их эргономических качеств. После выявления у интенсивно работающих на клавиатуре пользователей профессиональных заболеваний кистей рук («туннельный» синдром лучезапястного сустава) появилась эргономичная клавиатура, которая имеет своеобразную изогнутую форму, позволяющую поддерживать локти в разведенном положении. Некоторые клавиатуры можно разделить на две половинки и разместить их на удобном расстоянии друг от друга.

№ слайда 27

Описание слайда:

Без компьютеров было бы невозможно быстро обрабатывать рентгеноструктурные и ЯМР-данные, создавать сложные модели, отвечающие всему комплексу экспериментальных данных. Для построения адекватных моделей часто приходится анализировать свойства больших ансамблей молекул и частиц или поведение неравновесных систем. Строятся модели таких сложных феноменов и процессов организменного уровня, как научение и память, восприятие света и звука, кровообращение, мышечное сокращение, распределение в организме продуктов метаболизма. Разрабатываются методы предсказания трехмерной структуры макромолекул и моделирования флуктуаций, происходящих в этих структурах за времена порядка пикосекунд (триллионных долей секунды). Биофизики участвуют также в анализе нуклеотидных последовательностей ДНК, проводящемся в рамках международной программы «Геном человека».

№ слайда 28

Описание слайда:

Компьютер и электронные средства связи составляют ядро современных систем накопления и поиска информации. Например, через настольный компьютер или другой терминал можно получить по телефону доступ к файлам местного или удаленного информационного центра и автоматически найти нужную информацию. Виды деятельности, требующие использования бумаги, такие, как чтение газет, написание писем и банковское дело, со временем будут заменены их электронными эквивалентами. Библиотека будущего будет содержать меньше бумаги – книг, каталожных карточек, журналов – и больше информации, просматриваемой электронным способом.

№ слайда 29

Описание слайда:

Локальная вычислительная сеть

№ слайда 30

Описание слайда:

ЦЕНТР УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТАМИ аэропорта Хартсфилд (Атланта, США).

№ слайда 31

Описание слайда:

Проектная работа на компьютере

№ слайда 32

Описание слайда:

Карманный персональный компьютер На экране КПК можно видеть окна открытых программ, панель задач и другие элементы интерфейса. Для того чтобы нажать кнопку, нарисованную на экране КПК, достаточно дотронуться до нее пальцем или специальным пером — стилусом. Для того, чтобы связать КПК друг с другом и другими мобильными устройствами — например, мобильными телефонами, — используют инфракрасный (ИК) порт и технологию BlueTooth, причем с помощью BlueTooth можно объединить множество разных устройств в одну сеть, в которой можно с легкостью передавать любые файлы между любыми устройствами, а также использовать доступ в Интернет, если он есть хотя бы у одного устройства — например, мобильного телефона.

С физикой — от счетов к современным компьютерам ≪ Scisne?

— Сегодня по физике лектор билеты давал к экзамену. Заходи ко мне — перепишешь.

— Это долго, ты лучше отсканируй и кинь мне на почту, а я у себя распечатаю.

(из разговора студентов)

Поистине, до чего дошел прогресс! Еще несколько лет назад подобные разговоры были редкостью, а сейчас — обычное дело. Вот, например, недавно принимал я лабораторные работы у третьекурсников, так они, вместо того чтобы теоретическую часть в отчете написать, просто отсканировали методичку! Того и гляди, начнут лекции вместо тетрадки на веб-камеру записывать!

Сравнивая настоящее и совсем недавнее прошлое, понимаешь, насколько ошеломляющий скачок в развитии электронно-вычислительной техники совершился буквально у нас на глазах. Сегодня компьютер стал привычным и знакомым инструментом для миллионов людей, и, наверное, нет в современной жизни области, куда бы он не проник. В науке и промышленности широко используются мощнейшие суперкомпьютеры, мобильные компьютеры сопровождают своих владельцев в пути, а уж персональные компьютеры есть почти в каждом доме.

А теперь вернемся мысленно в 50-е годы, время, когда академик С. А. Лебедев создавал первую отечественную ЭВМ. Трогательная и смешная картина предстанет перед нами: вся Академия наук СССР с огромным вниманием следит, как эта огромная машина часами решает задачи, на которые современным компьютерам нужны доли секунды! А в 30-е годы восхищение вызывали машины, которые просто умели выполнять арифметические действия. Сейчас эту возможность реализует обычный карманный калькулятор.

Согласитесь — динамика просто поразительная! Но мы уже успели привыкнуть к приставкам «мега-» и «гига-» в характеристиках современных компьютеров, и они нас не удивляют. Любой школьник знает, как работать и развлекаться на «компе», некоторые даже умеют собирать и разбирать его, как конструктор. Но многие ли знают, как устроен компьютер, на каких физических принципах основана его работа? Думаю, нет. А между тем именно физика и физические открытия сделали возможным создание ЭВМ в том виде, в каком они существуют сейчас.

Краткая история ЭВМ

По сути, вся история ЭВМ определяется серией замечательных физических открытий в области электроники. Строго говоря, вычислительные машины существовали и до XX века: это абак, счеты, логарифмические линейки, арифмометры, счетные машины Паскаля и Бэббиджа и некоторые другие. Всё это — механические устройства с очень ограниченными возможностями. История же собственно электронных вычислительных машин (рис. 1) начинается в двадцатом веке и связана с изобретением в 1906 году американским инженером Ли де Форестом вакуумного триода. На основе триодов были созданы ЭВМ так называемого первого поколения, начинающего свою историю в 40-е годы. Это поколение компьютеров-монстров, занимавших по своим размерам целые комнаты и потреблявших мощности, достаточные для работы небольшого завода. Однако, несмотря на такую громоздкость, производительность этих машин была весьма скромной.

Качественное изменение ЭВМ произошло после еще одного эпохального открытия физики — изобретения в 1947 году Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли полевого транзистора. Применение полупроводниковых транзисторов вместо вакуумных ламп (триодов) позволило существенно уменьшить размеры и энергопотребление машин второго поколения и повысить их быстродействие и надежность.

Дальнейшее развитие компьютеров связано с использованием интегральных схем, впервые изготовленных в 1960 году американцем Робертом Нойсом. Интегральная схема — это множество, от десятков до миллионов, транзисторов, размещенных на одном кристалле полупроводника. Использование интегральных схем (компьютеры третьего поколения), больших и сверхбольших интегральных схем (четвертое поколение) привело к значительному упрощению процесса изготовления ЭВМ и увеличению их быстродействия. В 80-е годы началось изготовление персональных компьютеров, которые постепенно приобрели современный вид. Примерно тогда же появились первые мобильные компьютеры, или ноутбуки. Огромной производительности достигли многопроцессорные вычислительные комплексы — так называемые суперкомпьютеры.

Почему же именно изобретение триода и транзистора определило весь путь развития компьютеров? Для ответа на этот вопрос нужно вспомнить об основных принципах работы компьютера.

Сердце современного компьютера — это его центральный процессор, поэтому остановимся на нем. Основная функция процессора — обработка информации, т. е. выполнение различных операций над данными. А так как данные в современных ЭВМ представляются в двоичном виде, то и операции с ними производятся на основе двоичной логики, или так называемой булевой алгебры.

Булева алгебра — основа работы компьютера

Булева алгебра (названа в честь английского математика XIX века Джорджа Буля) рассматривает величины, принимающие только два значения — 0 или 1. Значение булевой величины можно представлять как ложность или истинность какого-либо утверждения (0 — ложь, 1 — истина). Поэтому с такими величинами можно производить различные операции — так же, как мы оперируем с утверждениями при рассуждениях. Основные операции — это И, ИЛИ, НЕ. Например: «я возьму зонт», если «пойдет дождь» И «за мной НЕ заедет друг на машине». Если обозначить через С утверждение «я возьму зонт», А — «пойдет дождь» и В — «за мной заедет друг», то С = А И (НЕ В). Выполнением подобных операций и занимается процессор компьютера.

Выполнение логических операций можно проиллюстрировать на наглядной физической модели «водопровода». Представим утверждения, над которыми производятся операции, в виде вентилей на трубах (открытый вентиль — утверждение истинно, закрытый — ложно). Результат операции представим в виде крана, из которого вода может либо течь (истина), либо не течь (ложь). На рис. 2 изображены системы труб, реализующие основные логические операции. Например, рассмотрим операцию И: С = А И В (рис. 2а). Вентили А и В установлены на трубе последовательно, поэтому вода из крана С течет, только если они оба открыты. Если же установить вентили на две параллельные трубы, соединяющиеся в одну, то такая система будет выполнять операцию ИЛИ: если хотя бы один из вентилей А или В открыт, вода из крана С потечет, т. е. С = А ИЛИ В (рис. 2б). На рис. 2в представлена система, выполняющая операцию НЕ: если вентиль А закрыт, то вода протекает в кран В, если же он открыт, то вся вода стекает в «запасную» трубу, и через кран В не течет, т. е. В = НЕ А.

Можно ли перенести те же системы из области гидродинамики в область электроники, то есть создать электронные логические схемы? Ясно, что для этого понадобятся устройства, подобные вентилям на трубах, которые в зависимости от установленного положения либо пропускают воду по трубе, либо нет. «Электронные вентили» должны обладать подобными свойствами, т. е. регулируемой проводимостью электрического тока. Оказывается, именно триод и транзистор могут выполнять функции вентиля в электрической схеме. Чтобы понять, как это возможно, надо разобраться в физических принципах работы триода и транзистора.

Электровакуумный триод

Конструктивно триод состоит из трех металлических электродов — катода, анода и сетки, помещенных в корпус с откачанным воздухом (рис. 3). Через дополнительную цепь катод нагревается электрическим током до высоких температур, так что с его поверхности начинается эмиссия электронов. Обычно электрический потенциал анода относительно катода положителен, а режим работы триода определяется потенциалом сетки.

Когда на сетку подается положительный потенциал (меньший потенциала на аноде), электрическое поле разгоняет электроны в направлении сетки. Поверхность сетки делается не сплошной, а состоит из отдельных тонких проводов, образующих решетку. Из-за этого электроны почти не попадают на сетку, а пролетают сквозь нее на анод, создавая ток в анодной цепи (рис. 3а). Если же потенциал сетки отрицателен, электрическое поле препятствует движению электронов, возвращая их на катод, и ток в цепи не течет (рис. 3б).

Таким образом, в электровакуумном триоде можно эффективно управлять током в цепи анода, меняя напряжение на сетке. Причем проводимость триода может меняться от полностью закрытого состояния до полностью открытого. Но ведь именно этими свойствами и должен обладать вентиль! И именно в качестве «электронных вентилей» использовались триоды в первых электронно-вычислительных машинах.

Зная об устройстве электровакуумных ламп, можно понять, с чем связаны их недостатки. Во-первых, это большие размеры и сложность изготовления, обусловленные необходимостью размещения электродов в вакуумном корпусе. Во-вторых, инерционность приборов, которая вызвана большим временем пролета электронами расстояния от катода до анода. В-третьих, большая потребляемая мощность. Избежать всех этих недостатков позволяют полупроводниковые транзисторы, которые с момента своего изобретения стали активно вытеснять лампы. Рассмотрим устройство транзистора в том виде, в каком он был предложен впервые, — в виде биполярного транзистора.

Полупроводниковый транзистор

Отличительным свойством полупроводниковых кристаллов является наличие в них свободных носителей зарядов обоих знаков. Отрицательные заряды — это электроны, освободившиеся с внешних оболочек атомов кристаллической решетки, а положительные — так называемые дырки. Дырки — это вакантные места, остающиеся в электронных оболочках после ухода из них электронов. При переходе на такое вакантное место электрона из оболочки соседнего атома дырка перемещается к этому атому и таким образом может двигаться по всему кристаллу, как свободная клетка при игре в пятнашки. Поэтому можно рассматривать дырку как положительно заряженную свободную частицу.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый кристалл, разделенный на три части, которые называются эмиттером, базой и коллектором (рис. 4). За счет введения в эти области различных примесей соотношение свободных дырок и электронов в них различно. Так, в эмиттере и коллекторе дырок существенно больше, чем электронов (говорят, что эти области обладают проводимостью p-типа). В базе же, наоборот, больше электронов (проводимость n-типа).

Пусть как на коллектор, так и на базу транзистора подан отрицательный потенциал относительно эмиттера — на базу меньший, на коллектор больший (рис. 4а). Тогда электрическое поле на контакте база—эмиттер направлено слева направо и способствует движению дырок из эмиттера в базу, а электронов — наоборот, из базы в эмиттер. Поле на контакте база—коллектор направлено также направо и препятствует переходу дырок из коллектора в базу и электронов из базы в коллектор. Однако дырки, попавшие в базу из эмиттера, под действием этого поля свободно проходят в коллектор. Обычно базу делают достаточно тонкой, поэтому в коллектор переходят практически все дырки из эмиттера, и в коллекторной цепи течет достаточно большой ток.

Теперь предположим, что потенциал базы относительно эмиттера стал положительным, а потенциал коллектора по-прежнему отрицателен (рис. 4б). Тогда электрическое поле на контакте эмиттер—база направлено налево, а на контакте база—коллектор — направо. Таким образом, поле препятствует выходу электронов из базы в обе стороны, так же как и попаданию в нее дырок. Поэтому через контакты течет только ток, связанный с движением неосновных зарядов — дырок в базе и электронов в эмиттере и коллекторе. Так как число таких зарядов весьма невелико по сравнению с основными, то и ток в этом случае пренебрежимо мал.

Таким образом, варьируя напряжение между базой и эмиттером, можно изменять значение коллекторного тока от максимального до почти нулевого, то есть «открывать» и «закрывать» транзистор. Это значит, что транзистор, как и вакуумный триод, может выполнять функцию «электронного вентиля».

С помощью современных технологий изготовить транзистор гораздо проще, чем триод. Его можно сделать очень маленьким, а значит, быстрым в работе и потребляющим малую мощность. Из-за этих преимуществ современные компьютеры производятся на транзисторах, а не на лампах. Изобретение интегральных микросхем, способных объединить на одном кристалле миллионы транзисторов, прочно закрепило их преимущество перед лампами.

Заключение

Мы кратко рассмотрели физические принципы работы двух устройств, сыгравших ключевую роль в истории электроники XX века, — электровакуумного триода и транзистора. Почему ЭВМ обязаны своим появлением именно этим устройствам? Потому что на их основе были созданы электрические схемы, выполняющие операции булевой алгебры. Сама по себе булева алгебра предельно проста, т. к. оперирует только двумя числами — 0 и 1. Но оказывается, чтобы реализовать быстрые, простые и надежные устройства, выполняющие логические операции, нужны достаточно сложные электронные элементы. Таким образом, создание ЭВМ было бы невозможно без вклада физиков, придумавших «электронные вентили» — триод и транзистор.

С физикой, несомненно, связано и будущее компьютерной техники. Наиболее перспективными направлениями ее развития на данный момент считаются создание квантовых компьютеров и нейрокомпьютеров (рис. 5). Квантовые компьютеры будут использовать в качестве базовых элементов отдельные молекулы, поэтому, очевидно, их развитие невозможно без применения аппарата квантовой физики. А нейрокомпьютеры — это устройства обработки информации, в работе которых будут использоваться принципы функционирования центральной нервной системы и мозга. Такое заимствование возможно только после детального изучения этих систем, в том числе с физической точки зрения.

На примере истории вычислительной техники мы можем понять, как тесно развитие высоких технологий связано с развитием фундаментальных наук, насколько сильно первое зависит от второго. Поэтому, чтобы добиться успеха в сфере новых технологий, надо помнить о том, что служит их основой, и в первую очередь — о теоретической физике. Только успехи фундаментальной науки могут привести к открытию новых горизонтов в прикладных работах, к новым удивительным достижениям цивилизации.

«Элементы»

Доклад на тему «Использование компьютера при изучении физики»

Использование компьютера при изучении физики

Быстрое развитие компьютерной техники и расширение её функциональных возможностей позволяет широко использовать компьютеры на всех этапах учебного процесса. Большие возможности содержатся в использовании компьютеров при обучении физики. Эффективность применения компьютеров в учебном процессе зависит от многих факторов, это и от «железа», и от качества используемых обучающих программ, и от методики обучения, применяемой учителем. Физика — наука экспериментальная, её всегда преподают, сопровождая демонстрационным экспериментом. Методика обучения физике всегда была сложнее методик преподавания других предметов. Использование компьютеров в обучении физики деформирует методику её преподавания как в сторону повышения эффективности обучения, так и в сторону облегчения работы учителя.

Для повышения наглядности обучения можно использовать компьютерную программу «Физика в картинках» НЦ «Физикон»

Изложение нового материала, можно проводить с использованием одного компьютера, находящегося рядом с демонстрационным столом. Все физические эксперименты можно сопровождать использованием компьютерной программы » Физика в картинках «, в которой содержатся и проводятся демонстрации опытов с одновременно строящимися графиками, прилагаются пояснения происходящих процессов и явлений. Этот подход в компьютерной программе применяется ко всем основным темам школьного курса физики, что позволяет быстрее и качественнее объяснить учебный материал, повышает наглядность и доступность обучения, даёт возможность демонстрировать неоднократно явления и процессы как в дискретном, так и анимационном режимах. Просматривать изучаемые явления одновременно со строящимися графиками, менять в программе компьютера параметры факторов, создающих явления. Позволяет разносторонне демонстрировать ход опытов, а учащимся глубже осваивать учебный материал. Использование этой программы эффективно на этапах закрепления и повторения учебного материала как в индивидуальном, так и групповом обучении.

В плане закрепления изученного материала и при самостоятельной работе учащихся можно использовать программу «Уроки физики Кирилл и Мефодий» для 9 и 10 кл — электронные учебники от компании «Кирилл и Мефодий». Данная программа разбита на уроки в соответствии с основными темами курса физики. Имеет чёткое звуковое сопровождение. Хороший подбор контролирующих тестов. Заранее устанавливается нужная тема и после объяснения нового материала запускаются нужные озвученные пункты учебного материала. Это позволяет быстро и кратко ещё раз прокрутить изучаемую тему в сознании учащихся. Иногда для повторения применяют создание кроссвордов на пройденные темы по физике. Выполняют их в программе Microsoft Excel. Организационно проводят это в компьютерном кабинете, где учащиеся рассаживаются по 3-5 человек за компьютер. В группы учащиеся комплектуются самостоятельно. Процесс создания кроссвордов в группе учащихся проходит более интенсивно, более азартно и более интереснее, чем когда за компьютером сидит один учащийся. После создания кроссворда учащиеся обмениваются ими, предварительно записав их на дискеты, (желательно чтобы каждый учащийся наряду с тетрадью имел свою собственную дискету), а затем разгадывают кроссворды, при этом возникает в некотором роде соревновательный эффект: кто сложнее создаст кроссворд, а кто быстрее его разгадает.

Кроме того, можно использовать компьютеры для рисования общего вида графика какого- либо закона или явления с помощью приложения Paint, а более точное построение графиков проводят в программе Microsoft Excel, при этом графики получаются очень красивыми, что вызывает чувство удовлетворения работой. Построение графиков в программе Microsoft Excel позволяет пронаблюдать процесс изменения графика при изменении любых параметров протекающего процесса.

Контроль знаний, точнее, обратную связь устанавливают на основе самоконтроля и самооценки знаний учащихся: перед началом занятия получают информацию от каждого учащегося о степени выполнения им домашнего задания, в виде самооценки за каждую часть домашнего задания, а затем на занятии они подтверждают свои оценки, либо традиционным способом в кабинете физике, либо тестированием с использованием компьютеров, на основе собственных тестов, либо с помощью тестов программы «Уроки физики Кирилла и Мефодия». Также неплохо вписывается в структуру контроля знаний использование компьютерной программы «Репетитор по физике Кирилла и Мефодия». Во время тестирования учащиеся рассаживаются по одному человеку за компьютер. Остальные в это время заняты либо традиционным контролем, либо решением задач по данной теме.

Использование компьютера при решении физических задач.

Задачи решаются в компьютерном классе с помощью электронного задачника программы «Физика в картинках». НЦ » Физикон «.

Нужно сказать, что решение физических задач с помощью компьютера мало что даёт учебному процессу, так как в этом случае в основном используется компьютер как калькулятор и не более. Но, тем не менее, использование компьютера при решении физических задач может давать большой образовательный эффект при условии, если к седьмому классу учащиеся будут владеть программой Microsoft Excel, тогда на полную мощность можно использовать при решении задач функции, графики и мн. др. Кроме того, необходимо создать специальную подборку задач и методику их решения.

Методика использования компьютерных моделей на уроках.

Прежде всего, чрезвычайно удобно использовать компьютерные модели в демонстрационном варианте при объяснении нового материала или при решении задач.

Конечно, такие демонстрации будут иметь успех, если учитель работает с небольшой группой учащихся, которых можно рассадить вблизи монитора компьютера или, если в кабинете имеется проекционная техника, позволяющая отобразить экран компьютера на стенной экран большого размера. В противном случае учитель может предложить учащимся самостоятельно поработать с моделями в компьютерном классе или в домашних условиях, что иногда бывает более реально.

Следует отметить, что при индивидуальной работе учащиеся с большим интересом повозятся с предложенными моделями, пробуют все регулировки, как правило, не особенно вникая в физическое содержание происходящего на экране. Как показывает практический опыт, обычному школьнику конкретная модель может быть интересна в течении 3 -5 минут, а затем неизбежно возникает вопрос: «А что делать дальше?»

Что же нужно сделать, чтобы урок в компьютерном классе был не только интересен по форме, но и дал максимальный учебный эффект?

Учителю необходимо заранее подготовить план работы с выбранной для изучения компьютерной моделью, сформулировать вопросы и задачи, согласованные с функциональными возможностями модели, также желательно предупредить учащихся, что им в конце урока будет необходимо ответить на вопросы или написать небольшой отчёт о проделанной работе. Идеальным является вариант, при котором учитель в начале урока раздаёт учащимся индивидуальные задания в распечатанном виде.

Какие же виды заданий и учебной деятельности можно предложить учащимся при работе с компьютерными моделями и как организовать эту деятельность?

Виды заданий к компьютерным моделям

1.Ознакомительное задание

Это задание предназначено для того, чтобы помочь учащемуся понять назначение модели и освоить её регулировки. Задание содержит инструкции по управлению моделью и контрольные вопросы.

2.Компьютерные эксперименты

После того как компьютерная модель освоена, имеет смысл предложить учащимся 1 — 2 эксперимента. Такие эксперименты позволяют учащимся глубже вникнуть в смысл происходящего на экране.

3.Экспериментальные задачи

Далее можно предложить учащимся экспериментальные задачи, то есть задачи, для решения которых необходимо продумать и поставить соответствующий компьютерный эксперимент. Как правило, учащиеся с особым энтузиазмом берутся за решение таких задач. Несмотря на кажущуюся простоту, такие задачи очень полезны, так как позволяют учащимся увидеть живую связь компьютерного эксперимента и физики изучаемых явлений.

4.Расчётные задачи с последующей компьютерной проверкой

На данном этапе учащимся уже можно предложить 2 — 3 задачи, которые вначале необходимо решить без использования компьютера, а затем проверить полученный ответ, поставив компьютерный эксперимент. При составлении таких задач необходимо учитывать как функциональные возможности модели, так и диапазоны изменения числовых параметров. Следует отметить, что, если эти задачи решаются в компьютерном классе, то время, отведённое на решение любой из этих задач, не должно превышать 5 -8 минут. В противном случае, использование компьютера становится мало эффективным. Задачи, требующие более длительного времени для решения, имеет смысл предложить учащимся для предварительной проработки в виде домашнего задания и/или обсудить эти задачи на обычном уроке в кабинете физики, и только после этого использовать их в компьютерном классе.

5.Неоднозначные задачи

В рамках этого задания учащимся предлагается решить задачи, в которых необходимо определить величины двух зависимых параметров, например, в случае бросания тела под углом к гори-зонту, начальную скорость и угол броска, для того чтобы тело пролетело заданное расстояние. При решении такой задачи учащийся должен вначале самостоятельно выбрать величину одного из параметров с учётом диапазона, заданного авторами модели, а затем решить задачу, чтобы найти величину второго параметра, и только после этого поставить компьютерный эксперимент для проверки полученного ответа. Понятно, что такие задачи имеют множество решений.

6.Задачи с недостающими данными

При решении таких задач учащийся вначале должен разобраться, какого именно параметра не хватает для решения задачи, самостоятельно выбрать его величину, а далее действовать, как и в предыдущем задании.

7.Творческие задания

В рамках данного задания учащемуся предлагается составить одну или несколько задач, самостоятельно решить их (в классе или дома), а затем, используя компьютерную модель, проверить правильность полученных результатов. На первых порах это могут быть задачи, составленные по типу решённых на уроке, а затем и нового типа, если модель это позволяет.

8.Исследовательские задания

Наиболее способным учащимся можно предложить исследовательское задание, то есть задание, в ходе выполнения которого им необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, которые бы позволили подтвердить или опровергнуть определённые закономерности. Самым сильным ученикам можно предложить самостоятельно сформулировать такие закономерности. Заметим, что в особо сложных случаях, учащимся можно помочь в составлении плана необходимых экспериментов или предложить план, заранее составленный учителем.

9.Проблемные задания

С помощью ряда моделей можно продемонстрировать, так называемые, проблемные ситуации, то есть ситуации, которые приводят учащихся к кажущемуся или реальному противоречию, а затем предложить им разобраться в причинах таких ситуаций с использованием компьютерной модели.

10.Качественные задачи

Некоторые модели вполне можно использовать и при решении качественных задач. Такие задачи или вопросы, конечно, лучше сформулировать, поработав с моделью, заранее.

При регулярной работе с компьютерным курсом из придуманных заданий имеет смысл составить компьютерные лабораторные работы, в которых вопросы и задачи расположены по мере увеличения их сложности. Это занятие достаточно трудоёмкое, но именно такие работы дают наибольший учебный эффект.

В последнее время можно часто слышать вопросы: «А нужен ли компьютер на уроках физики? Не вытеснят ли компьютерные имитации реальный эксперимент из учебного процесса?» Чаще всего такие вопросы задают учителя, не владеющие информационными технологиями и не очень понимающие, чем могут быть полезны эти технологии в преподавании.

Давайте попробуем ответить на вопрос: «Когда же оправдано использование компьютерных программ на уроках физики?» Мы считаем, что, прежде всего, в тех случаях, в которых возникает существенное преимущество по сравнению с традиционными формами обучения. Одним из таких случаев является использование компьютерных моделей в учебном процессе. Следует отметить, что под компьютерными понимают компьютерные программы, которые позволяют имитировать физические явления, эксперименты или идеализированные ситуации, встречающиеся в задачах.

В чем же преимущество компьютерного моделирования по сравнению с натурным экспериментом? Прежде всего, компьютерное моделирование позволяет получать наглядные динамические иллюстрации физических экспериментов и явлений, воспроизводить их тонкие детали, которые часто ускользают при наблюдении реальных явлений и экспериментов. При использовании моделей компьютер предоставляет уникальную, не достижимую в реальном физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощённой модели. При этом можно поэтапно включать в рассмотрение дополнительные факторы, которые постепенно усложняют модель и приближают ее к реальному физическому явлению. Кроме того, компьютерное моделирование позволяет варьировать временной масштаб событий, а также моделировать ситуации, не реализуемые в физических экспериментах.

Работа учащихся с компьютерными моделями чрезвычайно полезна, так как компьютерные модели позволяют в широких пределах изменять начальные условия физических экспериментов, что позволяет им выполнять многочисленные виртуальные опыты. Такая интерактивность открывает перед учащимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов. Некоторые модели позволяют одновременно с ходом экспериментов наблюдать построение соответствующих графических зависимостей, что повышает их наглядность. Подобные модели представляют особую ценность, так как учащиеся обычно испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков.

Разумеется, компьютерная лаборатория не может заменить настоящую физическую лабораторию. Тем не менее, выполнение компьютерных лабораторных работ требует определенных навыков, характерных и для реального эксперимента — выбор начальных условий, установка параметров опыта и т. д.

Большое число компьютерных моделей по всему школьному курсу физики содержится в мультимедийных курсах, разработанных компанией «Физикон»: «Физика в картинках», «Открытая физика 1.1», «Открытая физика 2.0», «Открытая астрономия 2.0». Главной отличительной особенностью этих компьютерных курсов являются многочисленные компьютерные модели — уникальные и оригинальные разработки, значительное число которых расположено на сайте «Открытый колледж» по адресу: http://www.college.ru/).

Компьютерные модели, разработанные компанией «Физикон», легко вписываются в урок и позволяют учителю организовать новые, нетрадиционные виды учебной деятельности учащихся.

1.Урок решения задач с последующей компьютерной проверкой.

Учитель предлагает учащимся для самостоятельного решения в классе или в качестве домашнего задания индивидуальные задачи, правильность решения которых они могут проверить, поставив компьютерные эксперименты. Самостоятельная проверка полученных результатов, при помощи компьютерного эксперимента, усиливает познавательный интерес учащихся, а также делает их работу творческой, а зачастую приближает её по характеру к научному исследованию. В результате многие учащиеся начинают придумывать свои задачи, решать их, а затем проверять правильность своих рассуждений, используя компьютерные модели. Учитель может сознательно побуждать учащихся к подобной деятельности, не опасаясь, что ему придётся решать ворох придуманных учащимися задач, на что обычно не хватает времени. Более того, составленные школьниками задачи можно использовать в классной работе или предложить остальным учащимся для самостоятельной проработки в виде домашнего задания.

2.Урок — исследование.

Учащимся предлагается самостоятельно провести небольшое исследование, используя компьютерную модель, и получить необходимые результаты. Тем более, что многие модели позволяют провести такое исследование буквально за считанные минуты. Конечно, учитель помогает учащимся на этапах планирования и проведения экспериментов.

3.Урок — компьютерная лабораторная работа.

Для проведения такого урока необходимо разработать соответствующие раздаточные материалы. Задания в бланках лабораторных работ следует расположить по мере возрастания их сложности. Вначале имеет смысл предложить простые задания ознакомительного характера и экспериментальные задачи, затем расчетные задачи и, наконец, задания творческого и исследовательского характера. При ответе на вопрос или при решении задачи учащийся может поставить необходимый компьютерный эксперимент и проверить свои соображения. Расчётные задачи рекомендуется вначале решить традиционным способом на бумаге, а затем поставить компьютерный эксперимент для проверки правильности полученного ответа.

Хочется отметить, что задания творческого и исследовательского характера существенно повышают заинтересованность учащихся в изучении физики и являются дополнительным мотивирующим фактором. По этой причине уроки последних двух типов приближаются к идеалу, так как ученики получают знания в процессе самостоятельной творческой работы, ибо знания необходимы им для получения конкретного, видимого на экране компьютера, результата. Учитель в этих случаях является лишь помощником в творческом процессе овладения знаниями.

Как устроен компьютер? Первый и второй уровни — физический и виртуальный | Техника и Интернет

Какую букву и какой звук сгенерируют устройства, будет зависеть от прошивки, которая хранится в ПЗУ — специальной памяти устройства. Здесь мы приходим к пониманию, что в одном корпусе находится сразу несколько устройств. Подобно тому, как человеческое тело состоит из органов, выполняющих обособленные функции.

В принтере, например, есть печатающая головка, выполняющая печать; знакогенератор, сопоставляющий каждому коду символа определенный графический знак; буферная память, хранящая поступившие коды символов… И так далее.

Звуковая карта также состоит из нескольких устройств: микшера каналов, MIDI-синтезатора, цифро-аналогового преобразователя, усилителя выходного сигнала, аналого-цифрового преобразователя микрофонного входа и др.

Каждый такой набор устройств управляется встроенной в ПЗУ программой — прошивкой. Именно она определяет, что принтер будет печатать русские буквы, а не греческие; а MIDI- синтезатор генерирует звуки рояля, а не виолончели. Соответственно, меняя прошивку, можно менять некоторые функции составного устройства или исправлять ошибки в его работе.

2-й уровень — виртуальное устройство, драйвер

Если в готовом сложном устройстве все простые блоки связаны между собой жестко и нет нужды определять его состав каждый раз при включении, то компьютер — дело иное.

Разные устройства могут быть подключены к компьютеру и отключены от него как в моменты его выключения, так и во время работы. Заранее неизвестно, какие устройства и в какой разъем будут подключены. Эту неизвестность разрешают драйверы — они описывают, какое устройство куда подключено и как обрабатывать данные.

Для примера очень упрощенно можно представить воспроизведение музыки с CD на звуковую карту так:

— луч лазера считывает очередной кусок данных с поверхности диска и передает их в порт CD;

— драйвер CD считывает данные из порта, отделяет полезную информацию от служебной, передает «чистые данные» в память и дает указание считать следующий кусок данных;

— драйвер звуковой карты берет данные из памяти, наделяет их управляющими командами, нарезает на куски и передает их в звуковую карту;

— по переданным данным звуковая карта генерирует звук.

Это очень упрощенный вариант с понятными устройствами.

А пока задумаемся вот о чем: к компьютеру, в принципе, может быть подключено несколько CD-приводов. Возникает проблема их идентификации. А если на звуковую карту попытаются выводить звук несколько программ, то как быть в этом случае? Вот тут-то и приходит на помощь виртуальное устройство.

Виртуальное устройство — это программа, типа драйвера. Она занимает некоторое промежуточное место между драйверами и «решает», какое устройство и как задействовать. Например, звук из нескольких источников для одной реальной звуковой карты виртуальная замикширует (смешает). Виртуальный принтер примет данные для печати и будет хранить их, пока реальный принтер занят. Если к компьютеру подключено несколько однотипных принтеров, то пул (pool) принтеров распределит, какой документ на какой принтер отправить так, чтобы они не перемешались. И так далее. То есть в рамках вышеописанной модели определит, какую обработку произвести над данными, передаваемыми из одного драйвера в другой.

Обращаю внимание на то, что, начиная со 2-го уровня, мы уходим из физического уровня в программный. Программа, как информация, более относится к миру идей. И далее все рассматриваемые уровни будут программными.

История создания компьютеров и Интернет

История создания компьютеров и Интернет

Подробности

Просмотров: 196

«В будущем компьютеры будут весить не больше 1,5 тонн.» — журнал «Popular Mechanics», 1949 г.

Президент фирмы IBM Томас Уотсон предсказал, что «мировой рынок потребует не более пяти компьютеров».

Как сказал писатель-фантаст Артур Кларк: «Любую достаточно передовую технологию трудно отличить от волшебства». И действительно, стараниями ученых весь мир сегодня связан единой коммуникационной сетью высоких технологий. Гигантские допотопные монстры – счетно-вычислительные машины первых выпусков незаметно превратились в элегантные персоналки.

Исследования физиков в области магнитных материалов, тонких пленок и полупроводников привели к созданию компактных и недорогих персональных компьютеров. Производительность микропроцессора на основе кремния за 25 лет увеличилась в 25 000 раз. Чип микропроцессора содержит около 30 миллионов транзисторов и может совершать 500 миллионов операций в секунду.

1940 г. — Первая цифровая электронная вычислительная машина ЭНИАК была разработана исследователями в государственном колледже Айова. ЭНИАК была разработана по заказу армии США. ЭНИАК весил 30 т, занимал площадь свыше 100 м2 и содержал 19 000 электронных вакуумных ламп.

1950-е г. — Ученые из лаборатории Белла – Дж. Бардин, У. Братейн, У. Шокли изобрели полупроводниковый транзистор (Нобелевская премия, 1956). Впервые в радиоприемниках использованы транзисторы.

1950–56 г. — В США было 10 ЭВМ. Разработан первый магнитный жесткий диск и первая интегральная схема.

1960–70 г. ­ – К. Олсон, основатель и президент фирмы DEC заявил: «Нет причин, которые препятствовали бы появлению компьютера в каждом доме».

1971 г. – Разработан первый кремниевый микропроцессор размером 5,5×5,5 мм, который был мощнее ЭНИАКа. Появились гибкие магнитные диски и персональные компьютеры. В часах использованы интегральные схемы.

1980–90 г. – На рынке появились персональные компьютеры фирмы Apple Macintosh и IBM PC. Микропроцессоры используются в системах цифровой связи, в сотовых телефонах и автомобилях.

­­­­ В настоящее время производительность компьютеров растет. Возможно хранение информации на молекулярном уровне (нанотехнологии), что приведет к уменьшению размеров все более мощных компьютеров.

ИНТЕРНЕТ

Первоначально в 1960-х годах Интернет проектировался в США как компьютерная сеть, способная обеспечить надежную правительственную связь в условиях военных действий. С тех пор Интернет быстро вырос в глобальную мировую сеть.

1965 г. – В США начинаются работы по созданию «сети коллективного использования для связи компьютеров, работающих в режиме разделения времени.»

1969 г. — Передано первое сообщение между двумя подключенными к сети компьютерами.

1971 г. — впервые сетью ARPAnet были связаны 23 компьютера. Сеть ARPAnet, предшественник Интернета, представляла собой сеть компьютеров, которая создавалась для обеспечения устойчивой связи в случае ядерной войны.

1983 г. – После принятия сетевых протоколов TCP/IP (протокол управления передачей/протокол Интернет) в качестве универсального стандарта межсетевого обмена стала возможной передача данных между различными компьютерными сетями. В результате появился Интернет.

1980-е г. — Изобретена Всемирная паутина (World Wide Web, WWW). Физики из международной лаборатории ЦЕРН, работавшие в области исследования элементарных частиц, задумывали WWW как средство для упрощения передачи научной информации между участниками научных проектов в разных странах.

1990 г. – В ЦЕРНе создан экспериментальный образец WWW (Web) – стандарт, описывающий способы передачи гипертекстовой информации через Интернет.

1990­ г. – В США разработана программа Mosaic, которая используется для быстрого размещения документов в Интернет — первый графический браузер WWW.К Интернет подключается ООН.

1998 г. — Интернет объединял в единую сеть 30 миллионов серверов и 102 миллиона пользователей.

На основе фундаментальных физических исследований разработаны компоненты глобальной инфраструктуры Интернета – орбитальные спутники, оптоволоконные линии связи, суперкомпьютеры и модемы. Сегодня сеть Интернет объединяет сотни миллионов компьютеров.

Что дальше?

Компьютерная физика

Журнал вычислительной физики — Elsevier

Journal of Computational Physics имеет зеркальный журнал с открытым доступом Journal of Computational Physics: X , разделяющий те же цели и объем, редакционный коллектив, систему подачи заявок и тщательное рецензирование.

The Journal of Computational Physics фокусируется на вычислительных аспектах физических проблем . JCP поощряет …

Подробнее

Journal of Computational Physics имеет зеркальный журнал с открытым доступом Journal of Computational Physics: X , разделяющий те же цели и объем, редакционный коллектив, систему подачи заявок и тщательное рецензирование.

The Journal of Computational Physics фокусируется на вычислительных аспектах физических проблем . JCP поощряет оригинальные научные вклады в расширенное математическое и численное моделирование , отражающее комбинацию концепций, методов и принципов, которые часто являются междисциплинарными по своей природе и охватывают несколько областей физики, механики, прикладной математики, статистики, прикладной геометрии, информатики , химия и другие научные дисциплины: редакторы журнала стремятся выделить методы, которые пересекают дисциплинарные границы.

The Journal of Computational Physics также публикует коротких заметок объемом 4 страницы или меньше (включая рисунки, таблицы и ссылки, но исключая титульные страницы). Письма в редакцию, комментирующие статьи, уже опубликованные в этом журнале, также будут рассмотрены. Резюме не должно быть ни в заметках, ни в письмах. Обзорные статьи , содержащие обзор конкретных областей, особенно приветствуются. Полнотекстовые статьи имеют рекомендуемый объем — 35 страниц .Чтобы оценить ограничение на количество страниц, используйте наш шаблон.

Опубликованные статьи конференции приветствуются при условии, что представленная рукопись является значительным улучшением статьи конференции с существенными дополнениями.

Воспроизводимость , то есть способность воспроизводить результаты, полученные другими, является основным принципом научного метода. По мере того, как влияние и открытие знаний, обеспечиваемых вычислительной наукой и инженерией, продолжает расти, крайне важно, чтобы воспроизводимость стала естественной частью этой деятельности.Журнал настоятельно рекомендует авторам сделать доступным все программное обеспечение или данные , которые позволят воспроизвести опубликованные результаты, и приложить все усилия для включения достаточной информации в рукописи, чтобы сделать это возможным. Это должно включать не только информацию, используемую для настройки, но также подробности о постобработке для восстановления опубликованных результатов.

Вы можете ссылаться на данные, размещенные в репозитории, или загружать их в Mendeley Data. Мы также рекомендуем авторам отправлять элементы исследования, описывающие их данные, в Data in Brief, а программное обеспечение — в Software X.

Преимущества для авторов
Мы также предоставляем множество преимуществ для авторов, такие как бесплатные PDF-файлы, либеральная политика в отношении авторских прав, специальные скидки на публикации Elsevier и многое другое. Щелкните здесь, чтобы получить дополнительную информацию о наших услугах для авторов.

Информацию о подаче статей см. В нашем Руководстве для авторов.

Если вам потребуется дополнительная информация или помощь, посетите наш Центр поддержки

Hide full Aims & Scope
.

Вычислительная физика

Добро пожаловать на сайт вычислительной физики Университета Торонто! Мы создали этот сайт, чтобы помочь вам начать пользоваться компьютерами, чтобы помочь вам изучать и решать задачи по физике. Материал в первую очередь предназначен для студентов младших курсов, обучающихся на основных и специализированных курсах физики в Университете Торонто, но каждый может свободно просматривать и учиться.

Цель этого веб-сайта — помочь вам, «типичному» студенту-физику U of T., начать заниматься физикой на компьютере с языком программирования Python.

Мы предполагаем, что у вас не так много предыстории, но если вы это сделаете, вы сможете перелететь часть материала.

Этот сайт не научит, как стать опытным программистом. Высококачественные навыки программирования ценны и сделают вашу жизнь проще, если вы начнете заниматься крупными проектами, но здесь мы стремимся научить вас пользоваться компьютерами в физике:

• Для сложных математических расчетов.
• Для моделирования и анализа физических систем.
• Для работы с экспериментальными и натурными данными.

Мы хотим, чтобы эти навыки стали частью набора инструментов, который вы используете каждый день для работы по физике. В наших учебных материалах и в большинстве наших курсов мы уделяем особое внимание коротким программам, которые подробно рассказывают о физике.

Вот некоторые важные части этого веб-сайта:

Рекомендуемый курс обучения для 1-го и 2-го курса физики

• 1-й курс физики (PHY151 / 152): часть 1 учебного пособия, часть 2 учебного курса, часть учебного пособия Часть 3, часть учебной части 4, Физика с VPython
• Лекционные курсы 2-го года (PHY254): Учебная часть 1, Учебная часть 2, Учебная часть 3, Физика с VPython, Учебная часть 4, Физика с Pylab
• Практика 2-го года (PHY224): учебная часть 1, учебная часть 2, учебная часть 3, учебная часть 4, физика с помощью Pylab, анализ данных с помощью Pylab и Scipy, численное интегрирование, функции и модули, функции со строками

Вычисление.Содержание сайта Physics.utoronto.ca защищено авторским правом 2009-2016, Департамент физики Университета Торонто.

.

Вычислительная физика / ДОМ

Последнее обновление:
Февраль 2019 г.

.