|
Том 8, номер 4,2002 Физическое образование в вузах Издательский Дом Московского Физического общества Редколлегия журнала "Физическое образование в вузах" Главный редактор Крохин Олег Николаевич - академик, Московский инженерно-физический институт (государственный университет), Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия. Заместители Главного редактора Гладун Анатолий Деомидович - Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный Московской области, Россия. Николаев Владимир Иванович - Московский государственный университет
Суханов Александр Дмитриевич - Российский университет дружбы народов, Российский научный центр физического образования, Москва, Россия. Шапочкин Михаил Борисович - Московский энергетический институт (технический университет), Московское физическое общество, Москва, Россия. Редакционная коллегия Кудрявцев Николай Николаевич - Московский физико-технический институт (государственный университет), Долгопрудный Московской области, Россия. Колесников Юрий Леонидович - Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет), Санкт-Петербург, Россия. Лебедев Юрий Анатольевич - Объединённое физическое общество РФ, Москва, Россия. Песоцкий Юрий Сергеевич - Российское научно-производственное объединение Росучприбор, Москва, Россия. Рудой Юрий Григорьевич - Российский университет дружбы народов, Москва, Россия. Светозаров Владимир Владимирович - НТЦ ВЛАДИС, Московский инженерно-физический институт (государственный университет), Москва, Россия. Спирин Геннадий Георгиевич - Московский авиационный институт (технический университет), Москва, Россия. Трухин Владимир Ильич - Московский государственный университет
Чернышев Виктор Викторович - Военный авиационный технический университет, (Военно-воздушная инженерная академия им. Н.Е. Жуковского), Москва, Россия. Ответственный секретарь Калачев Николай Валентинович - Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Московское физическое общество, Москва, Россия. Техническая редакция Березин Павел Дмитриевич - Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия. Черткова Ирина Николаевна - Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия. Издательский дом МФО, 2002 г. Физическое образование в вузах Т. 8, N4, 2002 Содержание 3 Введение А.Д. Гладун 5 Фундаментальное
физическое образование как основа современной инженерной подготовки 24 Предметно-математическое
преобразование языка моделирования физических и технических систем 33 Космические
лучи в учебной лаборатории физики 56 Моделирование процесса дифракции рентгеновских лучей в оптическом диапазоне Н.Г. Власов, С.М. Курбатов, А.В. Лукин 59 О движении тел под действием случайной силы трения Г.С. Каленков и С.Г. Каленков 65 Оценка кпд реального теплового двигателя, работающего по циклу Карно В.С. Булыгин В.Н. Кологривов, В.В. Тищенкова 78 Учебные лабораторные комплексы по атомной физике. 1.Опыт Франка и Герца В.А. Белавин, В.А. Квливидзе, И.К. Костин, В.В. Радченко, А.Т. Рахимов 95 К методике изучения индукционного электрического поля в курсе физики Ю.К. Кабасов 107 Новые учебные эксперименты по электронно-оптическим исследованиям сверхслабых световых потоков М.В. Горшечников, В.И. Жаворонков 117 Измерение динамической вязкости жидкости по затуханию колебаний камертона А.Г. Жданов, А.П. Пятаков Н.М. Нагорский , М.В. Семенов, А.А. Якута М.В. Семенов, А.А. Якута 143 Решение задач по механике в среде MathCad В.Г. Суппес А.Д. Суханов, Б.Л. Свистунов, А.В. Смирнов 153 Abstracts Уважаемый читатель! В данном номере нашего журнала представлены статьи, охватывающие широкий спектр вопросов физического образования. В первом разделе "Концептуальные и методические вопросы преподавания общего курса физики в вузе, техникуме, колледже" в статье А.В. Купавцева "Фундаментальное физическое образование как основа современной инженерной подготовки" обсуждаются актуальные вопросы отбора и систематизации фундаментального знания в курсе физики технического вуза. Во втором разделе "Вопросы преподавания курса общей физики в технических университетах" статья В.С. Михалкина "Предметно-математическое преобразование языка моделирования физических и технических систем" представляет интерес для решения проблемы интеграции физического и инженерного образования. В третьем разделе "Современный лабораторный практикум по физике" в статье А.Д. Гладуна, Ф.Ф. Игошина, Ю.М. Ципенюка обсуждается вопрос о целесообразности включения в лабораторный практикум классических работ по изучению космических лучей. Это представляется необходимым в силу сложившейся реальной ситуации. Статья Н.Г. Власова, С.М. Курбатова, А.В. Лукина посвящена моделированию дифракции рентгеновских лучей в оптическом диапазоне. Показано, что толстослойная голограмма в оптическом диапазоне является аналогом кристаллической структуры для рентгеновского излучения. В статье Г.С. Каленкова и С.Г. Каленкова рассмотрена задача о движении тела по наклонной плоскости под действием случайной силы. С помощью численного эксперимента получены интересные результаты, которые могут быть использованы в учебном процессе. В статье В.С. Булыгина получено выражение для КПД цикла Карно с учетом конечного времени теплообмена с нагревателем и холодильником. Работа может быть использована в преподавании термодинамики. В статье В.Н. Кологривова и В.В. Тищенковой дается простой вывод формул эффекта Доплера для произвольных направлений движения точечных источника и приемника света, а также при рассеянии света движущимся телом. Целый ряд статей данного номера посвящен созданию новых учебных лабораторных и демонстрационных установок. В статье В.А. Белавина, В.А. Квливидзе, И.К. Костина, В.В. Радченко,
Опыт эксплуатации лабораторного комплекса "Электромагнитное поле" НТЦ ВЛАДИС описан в статье Ю.К. Кабасова. В статье М. Горшечникова и В.И. Жаворонкова описывается новый опыт по регистрации флуктуаций слабых световых потоков. Приводятся простые способы визуализации отдельных видов люминесценции. В работе А.Г. Жданова, А.П. Пятакова предлагается методика определения динамической вязкости жидкости по затуханию колебаний высокодобротного камертона. В пятом разделе "Методика аудио-, видео- и компьютерного обучения" статья Н.М. Нагорского, М.В. Семенова, А.А. Якуты посвящена описанию новой компьютерной демонстрационной установки "Спектрограф", позволяющей показывать во время лекции осциллограммы и спектрограммы различных звуковых сигналов. В статье М.В. Семенова и А.А. Якуты описывается автоматизированная демонстрационная установка, позволяющая измерять во время лекции лобовое сопротивление тел различной формы. В статье В.Г. Суппеса "Решение задач по механике в среде MathCad" демонстрируются возможности компьютерных технологий для решения физических задач. Номер завершается информацией А.Д. Суханова, Б.Л. Свистунова, А.В. Смирнова Требования к материально-техническому обеспечению учебного процесса по дисциплине "Концепция современного естествознания". Мы надеемся, что каждая статья данного номера найдет своего адресата. Ответственный редактор: профессор МФТИ А.Д. Гладун. Фундаментальное физическое образование как основа современной инженерной подготовки А.В. Купавцев МГТУ им. Н.Э. Баумана Рассмотрены принципы отбора и систематизации фундаментальных знаний в учебном курсе физики, которые вместе с методами физического познания и формированием научно-теоретического способа мышления составляют основу фундаментальной инженерной подготовки. Показано, что особенностью фундаментального физического образования в техническом университете является освоение способов деятельности по физике, опирающихся на фундаментальные и обобщенные знания, и их использование в решении технических задач. Предметно-математическое преобразование языка моделирования физических и технических систем В.С. Михалкин Ижевский государственный технический университет Предложена совокупность энергетических и графовых моделей физических систем, облегчающая построение и вывод математических моделей физических процессов и явлений, лежащих в основе функционирования технических объектов. Космические лучи в учебной лаборатории физики А.Д. Гладун, Ф.Ф. Игошин, Ю.М. Ципенюк Московский физико-технический институт Описаны достаточно простые лабораторные работы по ядерной физике, которые могут проводиться с помощью космического излучения в рамках курса физики высших учебных заведений любого направления. Они позволяют студентам познакомиться как с основными свойствами частиц космического излучения и особенностями из взаимодействия с веществом, так и такими фундаментальными понятиями как сечение ядерной реакции, ионизационные и радиационные потери энергии заряженными частицами, процессами распада и рождения элементарных частиц. Кроме того, студенты знакомятся с методами регистрации заряженных частиц и дозиметрией излучения. В статье также приведены схемы некоторых более сложных по своему техническому уровню работ, которые могут также успешно применяться в учебной лаборатории. Моделирование процесса дифракции рентгеновских лучей в оптическом диапазоне Н.Г. Власов, С.М. Курбатов, А.В. Лукин Московский государственный технологический университет Станкин, Государственный институт прикладной оптики (г. Казань) Показано, что толстослойная голограмма, полученная в результате интерференции плоских волн, в оптическом диапазоне является аналогом кристаллической структуры для рентгеновского излучения. О движении тел под действием случайной силы трения Г.С. Каленков и С.Г. Каленков МГУ им. М.В. Ломоносова, МГТУ МАМИ Рассмотрена задача о движении тела по наклонной плоскости под действием случайной силы трения. Проведен численный эксперимент по определению времени спуска. Получено распределение числа спусков от времени спуска для наиболее интересного случая, когда угол наклона плоскости равен критическому углу. Оценка кпд реального теплового двигателя, работающего по циклу Карно В.С. Булыгин Московский физико-технический институт Получено выражение для кпд цикла Карно с учетом конечного времени теплообмена с нагревателем и холодильником. В.Н. Кологривов, В.В. Тищенкова Московская Государственная Академия тонкой химической технологии Использование элементов векторного анализа позволило дать простой вывод формулы отношения частот в эффекте Доплера при произвольных направлениях скоростей источника и приемника волн, а также при рассеянии волн движущимся телом. Учебные
лабораторные комплексы по атомной физике В.А. Белавин, В.А. Квливидзе, И.К. Костин, В.В. Радченко, МГУ им. М.В. Ломоносова Предлагаемая статья открывает цикл работ, посвященных новому подходу к созданию учебных лабораторных установок по атомной физике, представляющих собой минимально необходимый набор задач при изучении Курса общей физики в университетах и технических вузах. Отдельно рассматривается проблема создания установок для средних и специальных школ. Основная идея нового подхода сводится к созданию установок-имитаторов, адекватно отражающих техническую сторону современных приборов и их возможности в проведении эксперимента, а также содержащих в себе реальные экспериментальные данные, полученные на современных исследовательских установках, но гораздо более простых в настройке и эксплуатации, безопасных и недорогих. Созданные на этой основе учебные установки получили название учебных Лабораторных Комплексов (УЛК). К методике изучения индукционного электрического поля в курсе физики Ю.К. Кабасов Трехгорный политехнический институт МИФИ (ТУ) Работа посвящена изложению методики изучения электромагнитной индукции Фарадея в курсе физики вуза и школы на примере генерации индукционного электрического поля переменным во времени магнитным полем длинного соленоида. Новые учебные эксперименты по электронно-оптическим исследованиям сверхслабых световых потоков М.В. Горшечников, В.И. Жаворонков Вятский государственный гуманитарный университет В обзоре рассматриваются возможности электронной оптики при проведении современного учебного физического эксперимента. Описывается новый опыт по регистрации квантовых флуктуаций сверхслабых световых потоков. Приводятся простые способы визуализации отдельных видов люминесценции. Измерение динамической вязкости жидкости по затуханию колебаний камертона А.Г. Жданов, А.П. Пятаков Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова Предлагается методика определения динамической вязкости жидкости по затуханию колебаний высокодобротного камертона. Данный метод может быть использован для создания лабораторной установки при обучении основам теории колебаний и явлений переноса. Благодаря ряду преимуществ (работа с малыми объёмами жидкостей - менее 1 мл, возможность работы в режиме реального времени в широком диапазоне значений вязкости жидкости), установка может быть также полезна в ряде практических приложений, например при биореологическом анализе крови. Получение и демонстрация осциллограмм и спектров звуковых сигналов с помощью звуковой карты и быстрого преобразования Фурье Н.М. Нагорский, М.В. Семенов, А.А. Якута Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова В работе описывается новая компьютерная демонстрационная установка "Спектрограф", позволяющая показывать во время лекции осциллограммы и спектры различных звуковых сигналов, получаемых как из звуковых файлов, так и с микрофона. Поясняется принцип работы программного обеспечения. Приводятся примеры осциллограмм и спектров. Новая автоматизированная лекционная демонстрация Измерение коэффициента лобового сопротивления у тел различной формы М.В. Семенов, А.А. Якута Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, кафедра общей физики В работе описывается автоматизированная демонстрационная установка, позволяющая измерять во время лекции коэффициенты лобового сопротивления у тел различной формы, наблюдая их падение в воздухе. Излагаются теоретические основы метода обработки экспериментальных данных и приводятся экспериментальные результаты. Решение задач по механике в среде MathCad В.Г. Суппес Новокузнецкий государственный педагогический институт, Россия. В данной работе рассматривается методика решения физических задач по механике в среде MathCad с использованием графических возможностей пакета, а также возможность изучения динамики рассматриваемого процесса при использовании техники оживления графических изображений - анимации. Требования к материально-техническому обеспечению учебного процесса по дисциплине "Концепции современного естествознания" А.Д. Суханов, Б.Л. Свистунов, А.В. Смирнов Дисциплина "Концепции современного естествознания" (КСЕ) включена в действующие государственные образовательные стандарты по гуманитарным и социально-экономическим специальностям высшего профессионального образования. Настоящие требования ориентированы на примерную программу дисциплины КСЕ и охватывают разделы курса, рекомендованные для обязательного выполнения, независимо от их наименования в ГОСах и учебных планах. Требования составлены согласно требованиям к материально-техническому обеспечению учебного процесса по направлению подготовки дипломированных специалистов, утвержденным Минобразования Российской Федерации, а также Типовому перечню средств обучения по дисциплинам цикла ЕН, утвержденному Минобразования Российской Федерации. Перечень составлен в расчете на одно лабораторное помещение для занятий с одной группой студентов (20 √ 25 чел.) Abstracts The Basic Physical Education as Modern Direction of the Engineering Technical University A.V. Kupavtsev N. Bauman Moscow State Technical University The Basic Physical Education is kernel of the modern basic scientific of engineers in the technical university. The basic physical knowledge is formed by uncovering and systematizing of basic physical generalizations: basic physical models and imaginations, basic physical theories, Physical principles and universal regulations, Physical Picture of the World. There are study of the physical investigation method and scientific-theoretical way of thinking in the basic physical education. The basic engineering education contains training to physical subject activities by using of basic physical knowledge at training, investigation and designing works. Conversion from the Subject to the Mathematical Description of Physical and Engineering Systems V.S. Mikhalkin Izhevsk State Technical University It has been suggested the energy and bond graph models to ease the deduction of mathematical models of physical and engineering systems. The basic physics involved in the description of mechanical, electrical, hydraulic, and thermal dynamic systems is phrased in terms of four types of generalized variables-effort, flow, displacement, and momentum. Cosmic Rays in the Teaching Physics Laboratory A.D. Gladun, F.F. Igoshin, Yu.M. Tsipenyuk Moscow Institute of Physics Technology The paper describes some laboratory experiments in nuclear physics which can be easy carried out with the help of cosmic rays in the course of general physics in all kinds of universities. The students get acquainted with the main properties of particles of the cosmic radiation and their interaction with substance. They also learn such fundamental notions as the cross-section of nuclear reactions, ionization and radiation energy losses by charged particles, the processes of decay and birth of elementary particles. Besides the students get acquainted with the techniques of detection of charged particles and dosimetry of nuclear radiation. The paper also contains the schemes of some more complicated experiments, which can be carried out in the laboratory. Imitation of X-Rays Diffraction in the Optics V.N. Vlasov, S.M. Kurbatov, A.U. Lukin Moscow State Technical University STANKIN It is shown, that the thick layers hologram, produced with interference of the two plane waves, in an analogous of the crystal structure for X-rays. The Movement of a Body Governed by Random G.S. Kalenkov and S.G. Kalenkov Moscow State University, MGTU MAMI The movement of a body under random frictional force on incline is considered. Numerical experiments were done to determine descent time. The distribution of number of descents depending on time of descent is archived for the critical angle , where is the average value of the constant of dry friction. Estimate of Efficiency of the Actual Heat-Engine Working V.S. Bulygin Moscow Institute of Physics Technology The expression for efficiency of a Carnot cycle is obtained in view of finite time of heat exchange with a calefactor and cooler body. Doppler's Effect in Optics V.N. Kologrivov, V.V. Tischenkova Lomonosov Institute of Fine Chemical Technology Using of vector analysis elements allow us to obtain a simple derivation of the frequencies ratio in the formula of Doppler's effect with random velocity directions of wave source and receiver and investigate light diffusion on a moving object Educational Laboratory Complexes on Atomic Physics. V.A. Belavin, I.K. Kostin, V.A. Kvlividze, V.V. Radchenko, A.T. Rakhimov Moscow State University The proposed article uncloses the cycle of works devoted to the new approach to creating of the educational laboratory installations on atomic physics, providing a minimum necessary set of experiments for the Course of General Physics at universities. As well a problem is discussed, of creating of such installations for high schools and colleges. The main idea of the new approach is reduced to creating installations-imitators (simulators) adequately reflecting the modern scientific devices and their abilities in realization of experiment, and also containing within the actual experimental data obtained on modern scientific research installations, but much easier in tuning and operation, safe and inexpensive. The educational installations, created on this basis, were named The Educational Laboratory Complexes (ELC). To the Method of Studying the Inductive Electrical Field in the Course of Physics Yu.K. Kabasov Trechgorni Polytechnic Institute Moscow Engineering Physics Institute
This work deals with the problems of studying electromagnetic induction in the course of physics at the institutions of higher and secondary learning-at the example of generation of the inductive electrical field changed═in time by the magnetic field of long solenoid. New Educational Experiments on Electron-Optical M.V. Gorshechnikov, V.I. Zhavoronkov Vyatka State Humanitary University In the review the advantages of electronic optical are examined ay realization of educational physical experiment. The new installation on registration quantum fluctuations of a light flow is considered. The ways of simple visualization of separate kinds of luminescent are given. Viscosimetry Based on the Measuring of Tuning Fork's Oscillation Damping Parameter A.G. Zhdanov, A.P. Pyatakov Moscow State University A method of viscosimetry based on measurement of damping parameter of tuning fork's oscillation is suggested. This method can be used in the course of making laboratory plant while teaching the principles of the theory of oscillation and transfer phenomena. Owing to the whole number of advantages (using small volumes of liquids √ less than 1 ml, real time mode of measurements, wide range of viscosity values) the plant can be also used in a number of practical applications, for example biorheological blood test. Obtaining and Demonstration of Oscillograms and Spectra of Acoustic Signals by Means of Sound Card and Fast Fourier Transform N.M. Nagorskiy, M.V. Semenov, A.A. Yakuta Moscow State University There is described in the article the new computer demonstration device, which enables during the lecture presenting of the oscillograms and spectra of different acoustic signals. There is explained a mode of software operation, and examples of oscillograms and spectra are presented. New Automated Demonstration Experiment "The Measurement of Drag Coefficient for Bodies of Different Forms" M.V. Semenov, A.A. Yakuta Moscow State University There is described in the article the automated demonstration device, which allows during the lecture determining of the drag coefficient for bodies of different forms, observing their falling in the air. A method of experimental data treatment is explained and experimental results are presented. The Solution of Tasks on the Mechanics in MathСad V.G. Suppes Novokuznetsk State Pedagogical Institute The present paper is considered the technique of the solution of physical tasks to the mechanics in environment MathCad by use of graphic opportunities of a package, and also opportunity of study of dynamics of considered process with use of engineering of revival of the graphic images - animation. |