Орто мектепте физика сабагын санариптик технологияны колдонуп окутуунун айрым артыкчылыктары

Орто мектепте физика сабагын санариптик технологияны колдонуп окутуунун айрым артыкчылыктары

Каражанова Д, ОшМУнун магистранты

Өсөрова Д, ОшМУнун магистранты

Эгембердиев Ж. ОшМУнун доценти, ф.-м.и.к.

Физика баштаган табигый-так илимдердин «жемиши» болгон санариптик технология учурда адамзаттын турмуш-тиричилигинин дээрлик бардык тармагын ээлеп, кызмат өтөй баштады. Мезгилдин талабынан артта калбаш үчүн Кыргыз Республикасында да «Өлкөнү санариптештиребиз» деген ураандын астында бир катар ири мамлекеттик программалар кабыл алынып, аларды ишке ашыруу аракеттери жүрүүдө.

Санариптик технология билим берүү тармагын да жаңы баскычка өткөрүп жаткан мезгилде жашап жатабыз. Азыр бала бакчага кабыл алуудан баштап орто мектептердеги, атайын жана жогорку окуу жайларындагы билим берүү процессин уюштурууну компьютерсиз, окутуунун замандап мультимедиалык каражаттарысыз, интернет ресурстарысыз элестете албайбыз. Билим алуунун мүмкүнчүлүктөрү кеңейди, электрондук окуу ресурстары каалаган жерде, каалаган убакытта окуй берүүгө шарт түздү. Көптөгөн окутуучу программалар, мисалы, ар кандай татаал физикалык процесстерди компьютердик моделдештирүүнүн жардамында өздөштүрүүгө жол ачты, “виртуалдык эксперимент”, “виртуалдык лаборатория” түшүнүгү пайда болду. Сабактар керектүү интерактивдүү анимациялык, аудио-визуалдык окуу материалдары менен коштолуп, мурдагыга салыштырганда жандуу, кызыктуу жана маалыматка өтө каныккан деңгээлде өтүлө баштады.

Акыркы жылдарда табигый илимдерди окутууда мурда алдыңкы илимий лабораторияларда гана кездешкен “санариптик лабораторияларды” колдонууга ыңгайлуу жагдайлар түзүлүүдө.

Компьютердик моделдештирүүгө гана таянган виртуалдык эксперименттерден айырмаланып, санариптик лабораториялар керектүү эксперименталдык курулмаларды пайдаланат. Лабораториянын курамындагы атайын “USB-датчиктер” эксперименттин жүрүшүндө изилденүүчү маалыматтарды каттап, санариптик форматта компьютерге өткөрөт. Программа ал маалыматтарды иштеп чыгып, ыңгайлуу формада монитордо чагылдырып барат. Ошентип, санариптик лабораториялар физикалык эксперименттерди жүргүзүүнү, алардын натыйжаларын каттап эсептеп чыгууну “автоматташтырууга”, демек, убакытты үнөмдөөгө жол ачат, изилдөөлөрдүн тактыгын, ишенимдүүлүгүн жогорулатат. Санариптик лабораториялар, айрыкча, тез жүрүүчү же узакка созулуучу процесстерди изилдөөдө өтө ыңгайлуу. Алгачкы тажрыйбалардын натыйжаларына таянуу менен санариптик лабораториялар табигый илимдерди окутууда колдонулуучу демонстрациялык эксперименттердин, лабораториялык иштердин жана практикумдардын сапатын замандын талабына ылайык жогорулатууга өбөлгө түзөт деп ишенимдүү айта алабыз.

Учурда интернет тармактарынан окуу процессине ылайыкташырылган санариптик лабораторияларды сунуштаган ондогон фирмалар иштеп жаткандыгын байкоого болот [1]. ОшМУнун жалпы физика жана ФОУ кафедрасында Россиянын Москва шаарында жасалган “Радуга” санариптик лабораториясы колдонулуп келет. Макалада бул лабораториянын курамындагы атайын курулманын жана датчиктердин жардамында адиабаттык процессти изилдөөнүн мисалында санариптик лабораториянын айрым мүмкүнчүлүктөрүн ачып көрсөтүүгө аракет жасалат.

Аныктоо боюнча адиабаттык процесс кезинде изилденүүчү зат сырткы чөйрө менен жылуулук алмашпайт деп айтылат [2]. Ошондуктан көпчүлүк учурларда ага мисал катары өтө тез болуп өтүүчү, б.а. жылуулук алмашууга “үлгүрбөгөндөй тездикте” жүрүүчү кубулуштарды келтирип жүрөбүз (адиабаттык кабыкчада газдын боштукка “жай” таралуусу да адиабаттык мүнөздө жүрөт).

Адиабаттык кубулушту демонстрациялоого арналган классикалык курулма (“воздушное огниво”) 1- сүрөттө берилди. Анын калың капталдуу айнек цилиндринин ичинде изилденүүчү аба поршень менен чектелип турат. Поршенди цилиндрдеги аба сыртка жылуулук бергенге үлгүрбөгөңдөй тездикте кыймылга келтирип, абаны чукул кысалы дейли.

Термодинамиканын биринчи башатына ылайык, бул учурда сырткы күчтөрдүн жумушу абанын ички энергиясын жогорулатууга гана жумшалат, натыйжада аба ысып чыгат. Абанын температурасынын кескин жогорулашын байкоо максатында цилиндрдин түбүнө жеңил от алуучу суюктук чыланган кебезди же ширенкенин талчасынын учундагы күкүрттү майдалап салып коебуз. Цилиндрдеги температура белгилүү чекке жеткенде алар дүрт этип от алып, күйөт. Жалынды куралсыз, көзүбүз менен байкайбыз. Ошентип, бул курулманын жардамында адиабаттык процесстин белгилери сапаттык деңгээлде гана изилденет, тажрыйбадан эч кандай сандык маалыматтарды алуу мүмкүн эмес. Тажрыйбанын жүрүшү алыста отурган же башка иштерге “алаксып” кетишкен окуучуларга жеткиликтүү болбой калышы мүмкүн. Аны кайталап жүргүзүү үчүн цилиндрдин ичин тазалап, күйүүчү затты жаңылоо керек болот.

Эми адиабаттык процессти санариптик лабораториянын жардамында изилдеп көрөлү. Радуга лабораториясы бул маселени изилдөө үчүн абсолюттук басымдын USB-датчигинен жана тейлөөчү программадан сырткары атайын приборду сунуш кылат. Газдын кеңейүүсүн жана кысылуусун изилдөөгө арналган бул прибор шприцтин баллонунан, поршенден жана газды белгилүү бир чоңдукка кысуу үчүн поршенди кыймылга келтирүүчү түзүлүштөн турат (2-сүрөт).

Поршендин которулуусун жөнгө салуучу түзүлүш буралуучу металл цилиндринен турат. Аны буралышы цилиндрлердин бири-бирине салыштырмалуу кыймылга келишине мүмкүнчүлүк берет. Эки цилиндрдин жалпы узундугу газды кысууда баллондогу поршендин которулуусун чектейт. Ал эми абаны адиабаттык кеңейткенде поршендин которулуусун чектеш үчүн баллонго 2 винт орнотулган.

Атайын түтүкчөнүн жардамында приборго туташтырылган басымдын санариптик датчиги USB-кабели аркылуу компьютерге кошулат.

Радуга санариптик лабораториясынын жардамында адиабаттык процессти изилдөө боюнча физикалык практикумду аткаруунун жол-жобосу аны жасаган фирма иштеп чыккан “Колдонуучунун китепчесинде” [3] кеңири берилген. Окуучу бул колдонмону толук өздөштүрдү, приборду ишке даярдап, компьютердик тейлөөчү программаны иштете алат деп эсептеп, биз өзүбүздү кызыктырган маселелерди талдоону уланта берели.

Ар бир тажрыйбаны баштаардан алдың цилиндрдеги абанын баштапкы параметрлерин тактап алалы: абанын баштапкы температурасы бөлмөдөгү абанын температурасына (Т_б ), басымы атмосфералык басымга (Р_ат) барабар. Цилиндрдеги шкаланы пайдаланып поршенди, мисалы, V₀=50мл абалына жайгаштырып алсак, анда прибордун өлчөөчү камерасындагы абанын баштапкы көлөмү, шприцтин баллонунун конустук бөлүгүнүн жана бириктирүүчү түтүкчөнүн көлөмүн кошо эсептегенде,

V [мл]=V₀ + V=50.5см³ ге барабар болот.

Абаны адиабаттык шартта, б.а. тез кысуу үчүн баллонду поршендин платформасына тик абалда жайгаштырып, анын эки кулакчасынан кармап тез басып, ылдый көздөй түшүрүү керек болот (3-сүрөт).

Компьютердик программаны ачып ишке киргизгенде ал монитордо цилиндрдеги абанын абсолюттук басымынын убакыттан көз карандылыгын үзгүлтүксүз сызып көрсөтө баштайт. Изилденүүчү процесстин жүрүшү жана өлчөөлөрдүн натыйжасы бардыгына көрүнүп турушу үчүн, мүмкүнчүлүк болсо, монитордогу маалыматты проектордун жардамында чоң экранга чагылдыруу зарыл.

Белгилүү көлөмгө чейин адиабаттык кысылган жана бир аз убакыт өткөндөн кийин кайрадан баштапкы абалына чейин кеңейтилген абанын басымынын өзгөрүшү монитордо 4-сүрөттөгү ийринин көрүнүшүндө болот (бул тажрыйбада аба 24 мл ге чейин кысылган).

Басымды өлчөөнү токтотуп, маалыматты компьютердин эстутумуна сактап алалы да, тажрыйбанын натыйжаларын талдоого өтөлү. Программадагы маркерлерди пайдаланып, убакыттын ар кандай моменттериндеги абанын басымынын абсолюттук маанилерин биле алабыз (4-сүрөт).

Эгерде тажрыйбалар жаңы сабак учурунда, кубулушту демонстрациялоо максатында жүргүзүлүп жатса, аны талкуулоону чоң экрандагы сүрөттү пайдалануу менен эле жүргүзө берсе болот. Ал эми фронталдык лабораториялык сабакта, окуучуларга прибор толук жетишпеген чакта, тажрыйбанын натыйжасын кагазга басып чыгарып, таркатып бергенден кийин талкууну улантууну сунуштайбыз. Окуучулардын чакан тобу тарабынан аткарылуучу атайын физикалык практикумда, шартка жараша ыңгайлуу жолду тандоо менен талдоону жүргүзө берсе болот.

Алгач экрандагы (же кагаздагы) графикке керектүү белгилөөлөрдү киргизип алалы (5-сүрөт).

5-сүрөткө кайрылалы. Графиктен атмосфералык басым Р_ат=100 кПа дан бир аз жогору болгондугун, бул тажрыйбада адиабаттык кысылуу 5- секундада башталып (А чекити), 0,478 секундага созулганын байкайбыз. Кысылуунун аягында максималдык басым Р_ад=202кПа га жетип, андан кийин азайа баштайт. Көлөм турактуу сакталып турган кездеги басымдын азаюсу, адиабаттык кысылганда ысыган (Т_ад ) газдын муздай баштаганынан кабар берет. Бул тажрыйбада баллондогу абанын басымы Р_д=180кПа га жеткенден баштап ( D чекити) турукташа баштагандыгын, б.а. өзгөрбөй калгандыгын көрүүгө болот. Муну газдын температурасы бөлмөдөгү абанын температурасына теңелгендиги менен түшүндүрөбүз. Андан ары биз поршенди бошотуп, баштапкы абалына – 50 мл белгисинин тушуна алып келдик (DEF ийриси).Талкуулоого жана түшүнүүгө ыңгайлуу болсун үчүн жогоруда сөз болгон процесстердин графигин өзүбүз көнгөн PV-диаграммасында чагылдырып алалы. 5-сүрөттөгү белгилөөлөрдү сактоо менен PV-координаталарында сапаттык түрдө сызылган график 6-сүрөттөгүдөй көрүнүшкө келет.

Бул тажрыйбадан дагы кандай маалыматтарды ала алабыз? Графиктин А чекитинен В чекитине чейинки бөлүгү адиабаттык процессти мүнөздөйт. А жана D чекиттери бир изотермада (Т_б) жатат (6-сүрөттү кара). Аны текшерүү үчүн Р_ат*(50+ көбөйтүндүсү менен Р_д*(24+ ) көбөйтүндүсүн өз ара салыштыруу жетиштүү. Бойль-Мариоттун законуна ылайык алар бири-бирине жакын болушу керек. Мындан сырткары, А жана В абалдарына Клапейрондун = теңдемесин колдонуп, адиабаттык кысылган газдын максималдык температурасын (Т_ад) баалай алабыз. Албетте, жогорудагы эсептөөлөрдү талдоодо тажрыйбалар идеалдуу боло албастыгын, чеберчиликти өркүндөтүү аркылуу анын тактыгын жогорулата аларыбызды эсте тутуу зарыл.

Жыйынтыктап айтканда, жогорудагы мисалдан санариптик технология “өтө тез жүрүүчү” адиабаттык процесстин өзгөчөлүктөрүн изилдеп үйрөнүүгө, анын термодинамикалык параметрлеринин сан маанилерин баалоого, аны изотермикалык процесс менен салыштырып талдоого ыңгайлуу мүмкүнчүлүк түзөрүн көрөбүз. Убакыттын болушуна жараша газды адиабаттык кысуу жана кеңейтүү процедураларын ар кандай көлөмдөргө чейин жана түрдүү тездикте жүргүзүү сыяктуу кошумча тапшырмаларды аткаруу аркылуу мындай изилдөөлөрдү андан ары өркүндөтө алабыз.

Заманбап санариптик лабораториялардын тейлөөчү программалары өлчөөлөрдүн натыйжаларын пайдаланып изилденүүчү кубулуштун көптөгөн мүнөздөмөлөрүн (айталы, процесстин максималдык жана минималдык температураларын, аткарылган жумушту, ички энергиянын өзгөрүүсүн ж.б.д.у.с.) тез аныктап алууга ылайыкташкан. Санариптик лабораторияларды колдонуу аркылуу физикалык эксперименттерди жогорку деңгээлде жүргүзүүгө жана талдоого жетише алабыз, окуучунун заманбап илимий-изилдөөчүлүк компетенцияларын калыптандырууга өбөлгө түзөбүз.

Колдонулган адабияттар:

1. https://sitimedia.ru/cifrovye_laboratorii

2. Койчуманов М., Сулайманова О. Физика, 10-класс. Б:,“Инсанат” , 2008, -256 б.

3. Цифровая лаборатория Радуга. Руководство пользователя. Москва, 2010 г.