Обучение (стр. 11 из 20)

Основные цели курса:

расширить естественнонаучные представления учащихся, познакомив их с явлениями, имеющими большое научное и прикладное значение;

на основе рассмотрения явлений ультраакустики углубить знания и развить умения по всем разделам школьного курса физики;

способствовать развитию творческих способностей, интереса к физике, формированию мировоззрения, усвоению сущности метода научного познания природы.

Основные задачи:

обучающие: обобщение, систематизация, углубление знаний о колебаниях и волнах; формирование представлений о способах получения ультразвука различной частоты, его свойствах, применении; углубление знаний по всем разделам школьного курса физики (механика, молекулярная физика, электродинамика, оптика, квантовая физика); формирование умения комплексного применения знаний при решении учебных теоретических и экспериментальных задач;

развивающие: развитие специальных умений учащихся (экспериментальных, практических и т. д.); развитие общеучебных умений: самостоятельной работы, использования источников информации; организационных: планирования, самоконтроля; развитие общелогических умений: способностей к абстрагированию, ин-

дукции, дедукции; развитие мышления: критичности, самостоятельности и т. д.; формирование интереса к предмету; развитие творческих способностей, конструкторских, исследовательских умений;

воспитательные: расширение кругозора; воспитание самостоятельности; развитие аккуратности, воли, внимания; развитие мировоззрения; политехническое воспитание.

После изучения курса учащиеся должны:

знать основные понятия волнового движения; ультраакустические явления в природе; способы получения ультразвука; физические свойства ультразвуковых волн; учебные теории явлений ультраакустики; практическое применение ультразвука;

уметь выполнять учебные исследования явлений ультраакустики в соответствии с циклом научного познания; объяснять явления, происходящие при распространении ультразвуковых волн; решать физические задачи, связанные с колебательными и волновыми явлениями разной природы.

Рекомендуемые формы обучения: рассказ, беседа, учебная дискуссия, работа с книгой, демонстрация, лабораторный и практический методы. Возможны школьные и внешкольные организационные формы обучения: домашняя самостоятельная работа, кружковые занятия, самостоятельные учебные исследования.

На занятиях в школе и для самостоятельной работы используют физические приборы, дидактические материалы (описания приборов, технологии изготовления, инструкции к лабораторным экспериментам, теоретические и экспериментальные задачи, задания для организации учебных исследований; научную, научно-популярную и учебную литературу).

66

67

Содержание курса

10 класс

Курс состоит из 16 занятий по два часа и условно может быть разделен на четыре части: введение, получение ультразвука, физические свойства ультразвука и применение ультразвука. В каждой изучаемой теме выделены учебная физическая теория, учебный физический эксперимент и методика их применения в учебном процессе, ориентированная на организацию учебных исследований школьников.

Звуковые и ультразвуковые волны в природе, науке, технике, медицине, технологии

(2 ч)

Формирование общих представлений о целях, задачах, содержании и методике изучения элективного курса.

Упругие волны и их основные характеристики

(2 ч)

Введение и обоснование понятий: уравнение волны, элонгация, амплитуда, частота, период, длина волны, волновое число, фазовая скорость. Формирование понятий: энергия, плотность энергии, интенсивность, акустическое сопротивление, звуковое давление, звуковое поле, волна смещений, волна скоростей, волна давлений.

Способы получения ультразвука

(2 ч)

Механические, термические, электродинамические, пьезоэлектрические, магнитострикционные и другие излучатели ультразвука. Сравнение их между собой и с излучателями звука.

Магнитострикционныи излучатель ультразвука

(2 ч)

Прямой и обратный магнитострикционныи эффект, четность магнитострикционрого эффекта, конструкция и принцип действия учебного магнитострикционного излучателя ультразвука низкой частоты.

Ультразвуковой генератор низкой частоты

(2 ч)

Понятия: автоколебательная система, колебательный контур, положительная и отрицательная обратная связь, переменная индуктивность, резонанс, биполярный транзистор, усилитель мощности. Принципиальная схема и конструкция ультразвукового генератора низкой частоты, выполненного на двух транзисторах.

Исследование ультразвукового генератора

(2 ч)

Определение диапазона рабочих частот генератора, диапазона выходных напряжений, оценка выходной мощности генератора, снятие осциллограммы напряжений в разных точках схемы, настройка генератора в резонанс с магнитострикционным излучателем. Проверка и настройка генераторов, изготовленных учащимися.

Резонансное возбуждение магнитострикционного излучателя

(2 ч)

Понятия: стоячая волна в стержне; узлы и пучности смещений и давлений в стоячей волне; скорость продольной волны в стержне. Настройка генератора в резонанс с вибратором излучателя. Исследование стоячей ультразвуковой волны в вибраторе. Зависимость коэффициентов отражения и пропускания и. акустических сопротивлений граничащих сред.

68

69

Исследование колебаний вибратора магнитострикционного излучателя

(2 ч)

Способы определения амплитуды колебаний вибратора магнитострикционного излучателя. Оценка амплитуды по высоте подскока стального шарика на вибраторе. Проверка и настройка изготовленных учащимися магнитострикционных излучателей в совместной работе с генераторами.

Магнитострикционный излучатель в качестве источника ультразвуковой волны

(2 ч)

Волны, возбуждаемые вибратором магнитострикционного излучателя в тонких упругих пластинках. Визуализирование бегущей волны методом сложения с опорной волной с использованием легкого сыпучего порошка. Частота, длина и фазовая скорость волны. Понятие волновой поверхности или поверхности равной фазы.

Исследование явления интерференции ультразвука

(2 ч)

Интерференционное распределение интенсивности ультразвука, получаемое возбуждением в тонкой упругой пластинке двух когерентных волн. Исследование интерференции ультразвуковых волн от реального источника и его мнимого изображения в крае пластинки.

Исследование изгибных волн в пластинках

(2 ч)

Получение фигуры Хладни. Определение скорости изгибной волны. Изучение дисперсии изгибных волн.

Исследование ультразвуковых волн методом Кундта

(2 ч)

Метод Кундта визуализации стоячей ультразвуковой волны в воздухе. Исследование движения частиц в ультразвуковом поле. Изучение поведения жидкости в стоячей ультразвуковой волне. Измерение скорости звука в газах.

Ультраакустические эффекты второго порядка

(2 ч)

Ультразвуковой ветер, силы, действующие на тела в ультразвуковом поле, радиационное давление ультразвука; ориентирующее действие ультразвука.

Стоячая ультразвуковая волна в жидкости

(2 ч)

Методы визуализации стоячей ультразвуковой волны в жидкости. Ультразвуковой интерферометр.

Ультразвуковая кавитация

(2 ч)

Ультразвуковая кавитация в жидкостях. Звукокапил-лярный эффект, сонолюминесценция. Практическое применение ультразвуковой кавитации для диспергирования, эмульгирования, очистки, пайки.

Практическое применение ультразвука

(2 ч)

Возможности практического применения ультразвука для образования горючей смеси, сварки, обработки твердых и хрупких материалов, прецизионного перемещения предметов, в движителях и т. д.

70

71

Демонстрации

Введение основных характеристик упругой волны.

Обратный магнитострикционный эффект.

Прямой магнитострикционный эффект.

Резонансное возбуждение вибратора.

Визуализация бегущей волны на тонком упругом листе.

Явление интерференции упругих волн в тонкой пластинке.

Фигуры Хладни.

Ориентирующее действие ультразвука на взвешенные в жидкости чешуйки.

Ультразвуковой ветер.

Стоячая ультразвуковая волна в воздухе.

Интерференция ультразвуковых волн в жидкости.

Модель ультразвукового интерферометра.

Стоячая волна в волноводе.

Образование кавитационных пузырей.

Звукокапиллярный эффект.

Сонолюминесценция.

Диспергирующее действие ультразвука.

Получение эмульсий и суспензий.

Ультразвуковая очистка.

Сверление стекла при помощи ультразвука.

Лабораторные работы

1. Изготовление магнитострикционного излучателя
ультразвука. Проверка работоспособности излучателя с
промышленным генератором ультразвуковой частоты.

2. Изготовление ультразвукового генератора низкой
частоты. Налаживание генератора, определение пара
метров.