Интегрированный урок ИКТ+физика «Исследование физических моделей»

Тема урока: «Исследование физических моделей».

Цели урока:

• Обучающие: Формирование теоретических и практических навыков построения и исследования физических моделей с использованием системы программирования Delphi и электронной таблицы Excel.

• Развивающие: систематизация знаний, формирование творческого мышления, способности анализировать и сравнивать.

• Воспитательные: формирование нравственных отношений между собой, умение слушать и уважение к старшим, дисциплине, соблюдение правил техники безопасности.

Оборудование:

• класс с персональными компьютерами,

• экран с проектором,

• раздаточный материал (алгоритм выполнения задания в электронной таблице Excel),

• демонстрационный материал (презентация в программе PowerPoint).

План урока

Организационная часть

1. Сообщение о начале урока

2. Взаимное приветствие

3. Постановка цели на урок

Основная часть

1. Активизация знаний и мотивация учащихся

2. Демонстрация и объяснение нового материала

3. Практическая работа учащихся

Заключительная часть

1. Оценка работ учащихся

2. Подведение итогов

3. Домашнее задание

Ход урока

Организационная часть

• Сообщение о начале урока

• Взаимное приветствие.

• Постановка цели на урок

На предыдущих уроках вы уже познакомились с такими понятиями, как модель, моделирование, формализация. Вы уже знаете, для каких целей используют модели, и какие бывают модели. Сегодня мы продолжим наше знакомство с моделями и моделированием. А заниматься мы будем моделированием физического процесса, с которым вы уже знакомы из курса физики. Но перед тем как мы приступим к изучению нового материала, мне бы хотелось проверить, как вы усвоили предыдущий материал.

Основная часть.

Активизация знаний и мотивация учащихся

Ответьте на следующие вопросы:

1. Дайте определение понятию модель. (ответ: Модель - это некий новый объект, который отражает существенные признаки изучаемого объекта, явления, процесса.)

2. Дайте определение понятию моделирование. (ответ: Моделирование - это метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей.)

3. Может ли объект иметь несколько моделей? (ответ: Один и тот же объект может иметь множество моделей. Можно одну и ту же модель представить и с помощью среды программирования и с помощью электронной таблицы)

4. Могут ли разные объекты описываться одной и той же моделью?(ответ: Разные объекты могут описываться одной моделью. (Равноускоренное движение характерно и для человека и для автомобиля и для самолета)

5. Какие бывают модели? (ответ: Все модели можно разбить на два больших класса: модели материальные и модели информационные (глобус - материальная, таблица Менделеева - информационная)

6. Что такое формализация? (ответ: Процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков называется формализацией. В процессе исследования формальных моделей часто производится их визуализация. Для визуализации алгоритмов используются блок-схемы; пространственных соотношений между объектами - чертежи, моделей электрических цепей - электрические схемы, логических моделей устройств - логические схемы и так далее.

7. Назовите основные этапы разработки информационных моделей на компьютере. (ответ: Основные этапы разработки и исследования моделей на компьютере:

1. Строится описательная модель

2. Строится формализованная модель

3. Преобразование формализованной информационной модели в компьютерную модель

4. Проведение компьютерного эксперимента

5. Анализ полученных результатов и корректировка исследуемой модели)

Демонстрация и объяснение нового материала

Итак, мы вспомнили основные понятия, связанные с моделированием и готовы к следующему этапу. На сегодняшнем уроке мы попытаемся создать различные модели одного итого же физического процесса.

Рассмотрим процесс построения и исследования модели на конкретном примере движения тела, брошенного под углом к горизонту.

Содержательная постановка задачи. В процессе тренировок теннисистов используются автоматы по бросанию мячика в определенное место площадки. Необходимо задать автомату необходимую скорость и угол бросания мячика для попадания в мишень определенного размера, находящуюся на известном расстоянии.

Качественная описательная модель. Сначала построим качественную описательную модель процесса движения тела с использованием физических объектов, понятий и законов, то есть в данном случае идеализированную модель движения объекта. Из условия задачи можно сформулировать следующие основные предположения:

• мячик мал по сравнению с Землей, поэтому его можно считать материальной точкой;

• изменение высоты мячика мало, поэтому ускорение свободного падения можно считать постоянной величиной g = 9,8 м/с² и движение по оси OY можно считать равноускоренным;

• скорость бросания тела мала, поэтому сопротивлением воздуха можно пренебречь и движение по оси ОХ можно считать равномерным.

Формальная модель. Для формализации модели обозначим величины:

v₀ - начальная скорость мячика;

a - угол бросания мячика

h - высота стенки

s - расстояние до стенки

Используем известные из курса физики формулы равномерного и равноускоренного движения. При заданных начальной скорости vо и угле бросания, а значения координат дальности полета х и высоты у от времени можно описать следующими формулами:

х = v₀ • cosa • t;

у = v₀ • sina • t - g • t²/2.

Пусть мишень высотой h будет размещаться на расстоянии s от автомата. Из первой формулы выражаем время, которое понадобится мячику, чтобы преодолеть расстояние s:

t = s/(v₀ • cosa).

Подставляем это значение для t в формулу для у. Получаем L- высоту мячика над землей на расстоянии s:

L = s • tga - g •s²/(2 • v₀² • cos²a).

Формализуем теперь условие попадания мячика в мишень. Попадание произойдет, если значение высоты L мячика будет удовлетворять условию в форме неравенства:

О <= L <= h.

Если L < 0, то это означает «недолет», а если L > h, то это означает «перелет».

Представим алгоритм решения в виде блок-схемы

НАЧАЛО

Ввод V_0,,A,S,H

Вычисление

L по формуле

L<0

L>H

0≤L≤H

Вывод L

Вывод

траектории

КОНЕЦ

Недолет

Перелет

Попадание

Да

Да

Да

Нет

Нет

Нет

Компьютерная модель на языке Delphi . Преобразуем формальную модель в компьютерную с использованием системы программирования Borland Delphi.

Создадим сначала графический интерфейс проекта как показано на рис 1. Макет - заготовка находится на FTP в папке TITOVA\Исследование ФМ.

Рис. 1

Написать обработчики событий для кнопок «Бросок», «Далее», «Траектория». Обработчик кнопки «Бросок» (Текст на FTP в файле Бросок.txt)

procedure TForm1.BitBtn1Click(Sender: TObject);

begin

if (Edit1.Text<>'') and (edit2.Text<>'') and (edit3.Text<>'') and (edit4.Text<>'')

then

begin

v0:=strtofloat(edit1.Text);

a:=strtofloat(edit2.Text);

s:=strtofloat(edit3.Text);

h:=strtofloat(edit4.Text);

l:=s*(sin(a*pi/180)/cos(a*pi/180))-g*sqr(s)/(2*sqr(v0)*sqr(cos(a*pi/180)));

edit5.Text:=floattostr(l);

if (l>=0)and(l<=h) then edit6.Text:='Попадает';

if l<0 then edit6.Text:='Недолет';

if l>h then edit6.Text:='Перелет';

button1.Enabled:=true;

end

else

begin

showmessage( 'Не достаточно данных!!!');

if edit1.text='' then edit1.SetFocus

else if edit2.Text='' then edit2.SetFocus

else if edit3.text=''then edit3.SetFocus

else edit4.SetFocus;

end;

end;

Обработчик кнопки «Траектория» (Текст на FTP в файле Траектория.txt)

procedure TForm1.Button1Click(Sender: TObject);

var mx,my,ww,hh,xe,ye:integer;

x,y,t:real;

xx,yy,n,nn:integer;

begin

mx:=paintbox1.ClientWidth; my:=paintbox1.ClientHeight;

with paintbox1.Canvas do

begin

Brush.Color:=clwhite; Brush.Style:=bssolid;

Pen.Color:=clblack; Pen.Width:=1;

Rectangle(0,0,mx,my);

t:=0; hh:=my div 2;

moveto(0,hh); lineto(mx,hh);

// ось х

xx:=0; n:=0; nn:=0;

while xx<=mx do

begin

if n=5 then

begin

textout(xx-3,hh+10,inttostr(nn));

n:=0;

moveto(xx,hh-6); lineto(xx,hh+6);

end

else

begin

moveto(xx,hh-3); lineto(xx,hh+3);

end;

xx:=xx+10;

inc(n); inc(nn);

end;

// ось у низ

yy:=hh;

while yy<=my do

begin

moveto(0,yy);

lineto(5,yy);

yy:=yy+10;

end;

//ось у верх

yy:=hh;

while yy>=0 do

begin

moveto(0,yy);

lineto(5,yy);

yy:=yy-10;

end;

moveto(0,hh);

// график

while t<=10 do

begin

y:=v0*sin(a*pi/180)*t-g*t*t/2;

x:=v0*cos(a*pi/180)*t;

xe:=trunc(x*10);

ye:=trunc(hh-y*10);

lineto(xe,ye);

t:=t+0.1;

end; // while

end; //with

button1.Enabled:=false;

end;

Обработчик кнопки «Далее» (Текст на FTP в файле Далее.txt)

procedure TForm1.BitBtn2Click(Sender: TObject);

begin

edit1.Clear;

edit2.Clear;

edit3.Clear;

edit4.Clear;

edit5.Clear;

edit6.Clear;

edit1.SetFocus;

end;

Осталось вставить в код программы описание констант и переменных которые будут доступны для всех подпрограмм.

const

g=9.81;

pi=3.14;

var

v0,a,s,h,l:real;

С помощью созданной программы подберём значения угла a и начальной скорости v₀ при которых мяч попадем в мишень высотой L расположенную на расстоянии h от места броска.

Результаты наблюдений оформим в виде таблицы (раздаточный материал):

v₀ =__________

a =___________

Выводы о проделанной работе:____________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

Собрать раздаточный материал. Проверить результаты полученные учащимися. Поставить оценки.

Заключительная часть

Итак, сегодня на уроке мы создали компьютерную программу, которая позволяет исследовать физическую модель в нашем случае это тело, брошенное под углом к горизонту. С помощью данной компьютерной модели мы провели небольшой эксперимент. В результате, которого мы выяснили с какой начальной скоростью (v0) и под каким углом (a) необходимо бросить тело (мяч), чтобы оно попало в мишень заданной высоты (h) расположенную на заданном расстоянии (S).

На следующем уроке мы попробуем реализовать данную физическую модель в среде электронной таблицы MS Excel.

Оценка учителем работ учащихся.

Объявить учащимся оценки, полученные за урок и сообщить домашнее задание.

Спасибо за урок. До свидания.

10