2 Цели лабораторного практикума по дисциплине «Физика»

Важнейшими методами естественнонаучного исследования являются наблюдение и эксперимент.

Наблюдение — преднамеренное, планомерное восприятие, осуществляемое с целью выявить существенные свойства объекта познания. Наблюдение относится к активной форме деятельности, направленной на определенные объекты и предполагающей формулировку целей и задач. Наблюдение требует специальной подготовки — предварительного ознакомления с материалами, относящимися к объекту будущего наблюдения: с рисунками, фотографиями, описанием предметов и т.п. Важное место в подготовке наблюдения должно занимать уяснение задач наблюдения, требований, которым оно должно удовлетворять, предварительная разработка плана и способов наблюдения.

Эксперимент — метод, или прием, исследования, с помощью которого объект или воспроизводится искусственно, или ставится в заранее определенные условия. Метод изменения условий, в которых находится исследуемый объект, — это основной метод эксперимента. Изменение условий позволяет вскрыть причинную зависимость между заданными условиями и характеристиками исследуемого объекта и одновременно обнаружить те новые свойства объекта, которые не проявляются непосредственно в обычных условиях, проследить характер изменения наблюдаемых свойств в связи с изменением условий. С изменением условий изменяются определенные свойства объекта, а другие при этом не претерпевают существенных изменений, от них мы можем отвлечься. Эксперимент, таким образом, не сводится к простому наблюдению — он активно вмешивается в реальность, изменяет условия протекания процесса.

Естественнонаучное экспериментальное исследование немыслимо без создания раз­нообразных технических средств, включающих многочисленные приборы, инструменты и экспериментальные установки. Без экспериментальной техники невозможно было бы развитие естествознания. Прогресс естественнонаучного познания существенно зависит от развития используемых наукой технических средств.

Благодаря микроскопу, телескопу, рентгеновским аппаратам, радио, телевизору, сейсмографу и т.п. человек значительно расширил свои возможности восприятия.

Первые закономерности в природе были установлены, как известно, в движении небесных тел и были основаны на наблюдениях, осуществляемых невооруженным глазом. Галилей в своих классических опытах с движением тела по наклонной плоскости измерял время по количеству воды, вытекающей через тонкую трубку из большого резервуара, тогда еще не было часов в нашем представлении. Однако давно прошло время, когда естественнонаучные исследования могли осуществляться при помощи подручных средств. Галилей прославился в науке не только своими пионерными исследованиями механических явлений, но и изобретением подзорной трубы.

Сегодняшние технические средства дают возможность осуществить экспери­мент на молекулярном, атомном и ядерном уровнях. Техника современного эксперимента состоит не только из высокочувствительных приборов, но и из специальных сложных экспериментальных установок. Например, для проникновения в глубь атомного ядра строятся громадные экспериментальные сооружения — синхрофазотроны.

Наукой сегодня активно используются для проведения экспериментов космические корабли, подводные лодки, различного рода научные станции, специальные заповедники… За последние десятилетия создана мощная вычислительная техника, которая не только составляет неотъемлемую часть современного экспериментального оборудования, но и включена теснейшим образом в сам процесс мышления.

Занимаясь экспериментами по физике, вы, прежде всего, узнаете, как трудно бывает проверить теорию, измерить именно то, что хотите, а не что-то иное. Но кроме всего прочего у вас появится взгляд на физику в целом, на взаимоотношение между теорией и экспериментом.

Лабораторные работы являются одним из видов занятий для освоения дисциплины "Физика". Лабораторные работы представляют собой самостоятельное изучение физического явления, расчет его характеристик. Лабораторные занятия интегрируют теоретико-методологические знания и практические умения, и навыки студентов в едином процессе деятельности учебно-исследовательского характера. Эксперимент в его современной форме играет все большую роль в подготовке инженеров, которые должны иметь навыки исследовательской работы с первых шагов своей профессиональной деятельности. Основными задачами лабораторных занятий являются: освоение техники электротехнического эксперимента, обучение грамотному оформлению результатов измерений, практическая проверка положений, изложенных в теоретической части курса, приобретение навыков работы с персональным компьютером при исследовании и обработке результатов экспериментов.

Главной целью является предоставление студентам возможности изучить на опыте важнейшие физические явления, а также научить их обращаться с разнообразными приборами – осциллографами, звуковыми генераторами, универсальными мостами, электронными приборами, лазерами, интерферометрами, спектрографами, приборами для регистрации радиоактивных излучений и др.

Целями лабораторного практикума по физике является:

а) приобретение студентами практических умений и навыков работы с лабораторным оборудованием, измерительными приборами и техническими устройствами;

б) привитие навыков самостоятельной работы (в том числе исследовательской);

в) самостоятельное изучение или повторение теоретических вопросов или сведений потому или иному физическому явлению, закономерности, изучаемому в ходе выполнения лабораторной работы;

г) в ходе изучения лабораторного практикума студент должен научиться самостоятельно воспроизводить и анализировать основные физические явления, делать качественные выводы.

Основная цель практических занятий, проводимых в виде лабораторных работ, состоит в том, чтобы студенты что-нибудь поделали своими руками. Вторая цель лабораторных работ — научить студентов работать с погрешностями. Третья цель — научить строить графики по результатам измерений.

Вы как студент должны что-то поделать своими руками. Имеется в виду не Ваш сосед по лабораторному столу, а именно Вы. По этой причине каждый студент должен делать каждую лабораторную работу самостоятельно, а не одну работу на двоих, троих и т.п.

Исключения возможны только в тех случаях, когда лабораторных работ не хватает на всех студентов. Если для выполнения каких-то операций Вам не хватает рук или глаз, то можете попросить соседа помочь Вам независимо от того, какую лабораторную работу выполняет сосед.

Лабораторная работа предполагает самостоятельное получение экспериментальных результатов и оценку их близости к истине, постижение которой возможно только через эксперимент. Лабораторные работы содержат измерения — неотъемлемую часть любого эксперимента.

Физическая направленность представленных лабораторных работ обусловлена возможностью с помощью простых измерительных средств получить количественные экспериментальные результаты, что гораздо сложнее реализовать, например, в химических и биологических опытах. Кроме того, многие крупные достижения естествознания, относящиеся к химии, биологии и т.п., получены с применением современных физических экспериментальных методов: спектрального анализа, ядерного магнитного резонанса, рентгеноструктурного анализа, нейтронографии и т.д. Практическая реализация таких методов в виде лабораторных работ — сложная задача, и ее решение возможно только с применением моделирования и компьютерной техники.

Важное направление — моделирование физических процессов при обучении в дидактических компьютерных средах.

Компьютерное моделирование при изучении физики в основном используется в двух формах: как визуализация процессов и как их математическое моделирование — вычислительный эксперимент. Существенно реже используют компьютер в «живом эксперименте» — как измерительную систему и средство обработки информации. Учебный физический эксперимент развивается в направлениях: 1) модернизации традиционного метрологического оборудования для выполнения лабораторного эксперимента; 2) моделирования процессов с помощью компьютера; 3) выполнения «живого эксперимента» с использованием интерфейсных блоков, сопрягаемых с ЭВМ, и датчиков физических величин. Методика использования компьютеров в других учебных ситуациях только начинает складываться.

В настоящее время технический прогресс и программное обеспечение для персональных компьютеров достигли такого уровня, когда каждый грамотный специалист должен уметь самостоятельно строить модели различные процессов и явлений. В работах с использованием компьютера процесс вычислений автоматизирован не полностью, поэтому при выполнении работ студенту придется неоднократно проводить некоторые вычисления для достижения оптимума. Для их выполнения достаточно владеть общими навыками работы на персональном компьютере. Работа считается выполненной, если полученный оптимальный результат удовлетворяет требованиям задания.

Каждое лабораторная работа с использованием компьютеров выполняются студентами индивидуально и рассчитана на два часа.

Таким образом, лабораторные работы по физике позволяют:

а) проиллюстрировать теоретические положения физики;

б) познакомиться с приборами;

в) приобрести опыт в проведении экспериментов.

Какие навыки Вы должны приобрести в результате выполнения практикума?

а) выработать навыки исследовательской работы, формирование умений пользоваться измерительными приборами;

б) читать и строить графики, чертить схемы и собирать электрические цепи по схемам;

в) измерять величины и обрабатывать результаты оценивать погрешности;

г) добиться глубокого осознания студентами теоретических основ курса, приобрести умение обсуждать полученные результаты с привлечением соответствующей физической теории;

д) приобрести умение самостоятельно работать с учебником и научной литературой, а также излагать свои суждения, как в устной, так и письменной форме.

При выполнении лабораторных работ целесообразно руководствоваться следующими рекомендациями.

Максимальную пользу от выполнения лабораторных работ можно извлечь, только относясь к ним как к небольшим самостоятельным экспериментальным работам. Описание лабораторных работ — всего лишь ориентир для самостоятельной работы. Объем навыков и сведений определяется главным образом не ознакомлением с подробным описанием работы, а сознательным отношением к ее выполнению.

Необходимое условие для начала выполнения лабораторной работы — четкое представление физической сущности изучаемого объекта.