Главная страница 1страница 2страница 3

Раздел V Физика


Раздел V. Физика

С.А. Донских, В.Н. Сёмин
РАЗРАБОТКА ВИДЕОЛЕКЦИЙ ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ МЕХАНИКЕ
Широкое применение видеолекций призвано способствовать эффективному решению ряда актуальных задач модернизации образования.

Сохранение фундаментальности образования. Один из путей сохранения фундаментальности отечественного образования – создание видеолекций по базовым дисциплинам, являющимся основой для профилирующих дисциплин различных специальностей. Привлечение к созданию таких видеолекций ведущих преподавателей вузов способно сделать их эффективным средством формирования у студентов научного мировоззрения, широты взглядов, логичного и беглого мышления, повысить интерес к учёбе, что необходимо для развития познавательной потребности и познавательных способностей. Видеолекции, являясь средством обучения студентов, одновременно могут служить и образцами для подготовки молодых преподавателей, инструментом поддержания традиций, обеспечения преемственности, каналом обмена опытом между педагогическими школами. Усилению фундаментальности образования способствуют также видеолекции по специальным дисциплинам, созданные ведущими преподавателями вузов – такие лекции очень полезны для формирования научного мировоззрения, гражданской позиции учёного и специалиста, установки на успешную профессиональную деятельность.

Усиление практической направленности образования. Практическая направленность, понимаемая в широком смысле, характеризуется, в частности, сформированностью у выпускника учебного заведения профессионального мышления и наличия комплекса актуальных знаний, умений и навыков, позволяющих ему сразу по окончании учебного заведения включиться в практическую производственную или научную деятельность по определённой специальности на определённых должностях.

Видеолекции по профилирующим дисциплинам, созданные с привлечением ведущих преподавателей вузов, крупных учёных, ведущих специалистов промышленности и выдающихся учителей являются эффективным средством формирования у обучающихся профессионального мышления. Большой вклад видеолекции могут внести в повышение актуальности содержания обучения, соответствия его современному уровню науки и техники. После развёртывания необходимой инфраструктуры для создания, распространения и применения видеолекций, формирования у обучающихся привычки работать в отсутствие преподавателя, актуализация содержания обучения достигается путём применения новой версии электронного ресурса (который во многих случаях может находиться на перезаписываемом носителе или на сайте ВУЗа), что намного быстрее и дешевле переподготовки или смены преподавательского состава, особенно с учётом его возрастного состава.



Укрепление связи профессионального образования с рынком труда. Усилить связь профессионального образования с рынком труда путём применения видеолекций возможно за счёт сокращения времени отклика системы образования на потребности рынка труда, повышения маневренности системы образования. Создать и растиражировать видеолекции быстрее и проще, чем подготовить десятки, сотни, а иногда и тысячи квалифицированных преподавателей для чтения соответствующих лекций. Видеолекции необходимы также для опережающего создания эффективных автоматизированных учебно-методических комплексов в соответствии с прогнозируемыми потребностями рынка труда, когда спрос со стороны абитуриентов и потребителей кадров ещё не сформировался - например, при появлении научных открытий, революционных технологий, вводе в строй крупных производственных комплексов.

Повышение уровня преподавания. При должном техническом и методическом уровне создания и применения видеолекций их педагогическая эффективность сравнима с эффективностью аудиторных лекций того же преподавателя, особенно, если они идут параллельно с «живыми» семинарскими, практическими и лабораторными занятиями этого же преподавателя. Благодаря этому, путём привлечения к созданию видеолекций лучших лекторов, можно поднять уровень преподавания. Весьма полезно и перспективно привлечение к созданию видеолекций лучших специалистов сферы образования, учёных с мировым именем, действующих ведущих специалистов различных отраслей экономики.

При наличии федерального банка видеолекций ведущих преподавателей вузов и учёных на едином образовательном портале, учебным заведениям, особенно некрупным региональным, больше не нужно будет идти на компромиссы в качестве преподавания при отсутствии в их штате высококвалифицированного лектора по какому-либо предмету, так как в этом случае они смогут применить видеолекции, прочитанные по данной дисциплине лучшими преподавателями России. При этом в процессе проведения лицензионной экспертизы учебных заведений применение видеолекций с соответствующим грифом может засчитываться при оценке кадрового обеспечения учебного процесса как наличие квалифицированных преподавателей в количестве, необходимом для чтения соответствующего курса лекций.

Создание и применение видеолекций позволит преодолеть тенденцию к снижению уровня преподавания в связи со старением преподавательских кадров. Возрастёт надёжность преподавания - исключается необходимость замены лекторов в связи с краткосрочной болезнью лектора и замены преподаваемых дисциплин в связи со стойкой утратой лектором трудоспособности при невозможности найти квалифицированного преподавателя для его замены.

Повышение доступности качественного образования для граждан с низкими доходами. Благодаря возможности тиражирования видеолекций, стоимость их копий снижается пропорционально тиражу, так как затраты на создание лекций распределяются на весь тираж. В результате при больших тиражах цена компьютерных видеолекций на CD-ROM или DVD может быть доведена до 3-5 руб. за час. В результате этого себестоимость обучения с использованием видеолекций и ДОТ может быть в несколько раз ниже себестоимости очного обучения. При применении для преподавания качественных учебно-методических комплексов (УМК), содержащих видеолекции ведущих преподавателей, качество обучения с применением ДОТ не будет уступать среднему уровню качества традиционного очного обучения. Оборудование для просмотра видеолекций в настоящее время стало вполне доступным. Его стоимость сравнима со стоимостью одного семестра очного обучения в учебном заведении или нескольких месяцев занятий с репетитором. Просмотр компьютерных видеолекций возможен на персональном компьютере типа PC ценой около 15000 руб. Наконец, видеолекции могут издаваться в формате (avi, mp4), позволяющем просматривать их с помощью современных мобильных телефонов, становящихся с каждым годом всё более мощными мультимедийными системами.

Использование видеолекций в подготовительных отделениях ВУЗов дало бы возможность школьникам не только качественно подготовиться к сдаче ЕГЭ, но и привыкнуть к особенностям преподавания в ВУЗе, познакомиться с манерой чтения лекций теми преподавателями, с которыми им придётся встретиться после поступления в ВУЗ.



Создание и укрепление единого русскоязычного образовательного пространства. Применение видеолекций позволит обеспечить высокий уровень, единство содержания и методики преподавания на всей территории страны, в частности, во всех филиалах учебного заведения. Обучение с применением видеолекций, в том числе и посредством ДОТ, будет способствовать совершенствованию навыков понимания и применения русской речи.

Решить вышеперечисленные задачи в комплексе в условиях массового ухода с преподавательской работы пожилых преподавателей и ограниченности выделяемых на образование бюджетных средств без широкого использования видеолекций и современных информационных технологий практически невозможно.

Проблемами построения системы широкодоступного удалённого образования в целом и развитием видеолекций в частности стали давно заниматься как в нашей стране, так и на западе. В СССР, а потом и в России, это направление успешно развивает Северо-Западный государственный заочный технический университет (СЗТУ) в г. Санкт-Перербурге. Ещё в 1974 году данный вуз начал внедрять практику трансляции лекций ведущих преподавателей по Ленинградскому телевидению. В настоящее время на его сайте размещены видеолекции по физике, математике, химии, истории и ряду других предметов.

Среди зарубежных вузов, занимающихся созданием подобных программ, бесспорным лидером является Массачусетский технологический институт (Massachusetts Institute of Technology, MIT). Его проект OpenCourseWare позволяет получать доступ к материалам лекций, семинаров, лабораторных работ по множеству предметов. Кроме того, Massachusetts Institute of Technology предоставляет доступ к видеозаписям лекций по различным предметам и видеозаписям важнейших событий и научных мероприятий, проходящих в институте. Некоторые из этих курсов лекций можно найти в студенческой сети. Качество изображения достаточно хорошее для того, чтобы можно было читать на экране то, что лектор пишет на доске, при этом размер их более чем скромен. Российские студенты, свободно владеющие английским языком, могут этими лекциями пользоваться в открытом доступе, например http://www.youtube.com.

Немалый вклад в дело создания видеолекций вносит и Калифорнийский технологический институт (Californian institute of technology), где был снят сериал «Механическая вселенная»
(52 серии по 30 мин каждая), в увлекательной форме рассказывающий об истории развития физики от Галилея и до квантовой механики. Сериал имеет синхронный русскоязычный перевод и находится на портале http://www.rutube.com.

Опыт MIT и других зарубежных и отечественных вузов показал, что открытая публикация образовательных материалов не привела к падению интереса к очному образованию. Предоставленные материалы изначально не предназначены для замены диалоговой среды очного обучения.

Оказалось, что открытые образовательные материалы увеличивают интерес к программам обучения, предоставляемым институтом, тем самым, являясь одновременно и маркетинговым инструментом.

В России неоднократно подчеркивалась перспективность создания видеолекций и необходимость разработки методик их реализации. Эти вопросы неоднократно поднимались на различного рода конференциях, связанных с улучшением образовательных материалов. Однако это не привело к созданию методики массового и низкозатратного производства видеолекций. Демонстрируемые в настоящее время образцы являются в основном единичными продуктами. Среда дистанционного видеообразования в нашей стране так и не создана.

Работы по созданию видеолекций проводились на биофаке МГУ. Было создано 12 курсов видеолекций и велась регулярная съёмка семинаров и научных конференций. Однако недостаточное внимание к технологии съёмок и отсутствие системы удобного управления контентом не позволяет считать эти попытки удачными.

В Московском физико-техническом институте (МФТИ) реализуется проект по созданию общеинститутской базы видеолекций, а также инфраструктуры, позволяющей эффективно использовать видеолекции и другие электронные образовательные материалы в образовательном процессе студентов МФТИ и, возможно, в дальнейшем, в других вузах.

Начал своё движение в направлении создания видеолекций и ТТИ ЮФУ. На сайте http://www.univertv.ru размещены несколько видеолекций по статике кандидата физико-математи­ческих наук, доцента кафедры физики, директора центра довузовской подготовки Доценко Игоря Борисовича.

Через Интернет распространяется диск с видеолекциями и практическими занятиями по статике, подготовленный группой преподавателей Московского энергетического института (МЭИ) М.И. Кирсановым, Н.В. Осадченко и П.В. Горшковым.

Следует отметить, что по сравнению с традиционными и широко представленными на рынке обучающими программами, видеолекции обладают тем преимуществом, что не требуют установки на компьютер, т.е. не «привязаны» к одному конкретному компьютеру. Они свободно воспроизводятся с диска на любом плеере, копируются на флэш-накопители, конвертируются в различные форматы и т.п. Всё это делает данный образовательный продукт чрезвычайно удобным и мобильным средством обучения.

Процесс создания электронного видеокурса можно разделить на три этапа:



  • проектирование курса;

  • подготовка материалов для курса;

  • компоновка материалов в единый программный комплекс.

Проектирование электронного видеокурса является основополагающим этапом [8]. Начальным этапом проектирования является разработка педагогического сценария.

Педагогический сценарий – это целенаправленная, личностно ориентированная, методически выстроенная последовательность педагогических методов и технологий для достижения педагогических целей и приёмов [9].

Педагогический сценарий курса даёт представление о содержании и структуре учебного материала, о педагогических и информационных технологиях, используемых для организации учебного диалога, о методических принципах и приёмах, на которых построен как учебный материал, так и система его сопровождения.

Педагогический сценарий отражает авторское представление о содержательной стороне курса, о структуре мультимедиа средств, необходимых для его изучения.

Затем определяется набор технологий и инструментальных средств, необходимых для создания курса.



Технологический сценарийэто описание информационных технологий, используемых для реализации педагогического сценария. В технологическом сценарии, как и в педагогическом, также реализуется авторский взгляд на содержание и структуру курса, его методические принципы и приёмы его организации.

Участие преподавателя в составлении технологического сценария обеспечивает качественное решение педагогических задач, соединение в едином мультимедиа курсе педагогических и информационных образовательных технологий.

При создании видеолекции единицей представления материала становится кадр, который может быть дополнен графикой, анимацией и другими мультимедиа приложениями. Информация, размещённая на одном кадре, должна быть цельной и представлять собой некоторый завершённый смысл. Исходя из смысловой ценности кадра, следует определять его внутреннюю структуру.

Несколько кадров, составляющих один модуль (раздел) курса, организуются по принципу линейного текста.

При покадровом структурировании линейного учебного текста следует учитывать эргономические требования, позволяющие повысить эффективность учебной деятельности. Эти требования касаются всего объёма информации, пространственных характеристик, оптимальных условий восприятия информации.

Требования к общей визуальной среде на экране монитора определяются необходимостью создания благоприятной визуальной среды. Степень её комфортности определяется цветовыми характеристиками, пространственным размещением информации на экране монитора.

Эргономические требования способствуют усилению эффективности обучения, активизации процессов восприятия информации и должны обязательно учитываться преподавателем при подготовке видеолекций.

Специфика видеокурсов по физико-математическим дисциплинам связана с формализованным представлением содержания знаний и большой долей учебного практикума, имеющего целью не только развитие навыков решения задач и выполнение лабораторных работ, но и формирование комплекса профессиональных знаний, умений и навыков.

Теоретический материал по физико-математическим дисциплинам изобилует математическими формулами и системами доказательств, сложными для самостоятельного усвоения. Этим определяется необходимость создания видеолекций и использования демонстрационного материала, дополняющего электронные учебники, составленные на основании традиционных печатных изданий.

Видеолекция позволяет интегрировать различные среды представления информации - текст, статическую и динамическую графику, видео- и аудиозаписи в единый комплекс, позволяющий обучаемому стать активным участником учебного процесса.

Применение компьютерных технологий позволяет создавать качественные видеозаписи лекционных демонстраций, имитационные анимационные модели физических явлений и процессов, необходимые для понимания их сущности.

Весьма эффективными при изучении естественнонаучных дисциплин являются видеолекции, анимационные модели которых позволяют частично или полностью компенсировать недостаток натурных объектов и наглядного материала.



Видеолекция – это лекция преподавателя, записанная на цифровую видеокамеру и дополненная мультимедиа приложениями, иллюстрирующими изложение лекции. Такие дополнения не только обогащают содержание лекции, но и делают её изложение более живым и привлекательным для студентов. Несомненным достоинством такого способа изложения теоретического материала является возможность прослушать лекцию в любое удобное время, повторно обращаясь к наиболее трудным местам. Изучая видеолекции различных авторов, мы пришли к заключению, что в настоящее время при их создании используются две основные технологии.

  • Первая – это прямая съёмка «живой» лекции преподавателя. Съёмка может проводиться как в аудитории в присутствии студентов, так и в специально оборудованной аудитории-студии. По такому пути идёт большинство вузов, в которых развивается данное направление. У этой технологии есть свои достоинства и недостатки. К достоинствам можно отнести:

  • создание у студентов иллюзии «живого» непосредственного контакта с преподавателем;

  • максимальная приближённость видеолекции к реальной, «живой» лекции преподавателя;

  • больший психологический комфорт для преподавателя, который находится как бы в родной стихии и может позволить себе большую свободу поведения, большую эмоциональность и непосредственность, порой даже прямую импровизацию, что имеет огромное воспитывающее воздействие на студентов и способствует лучшему усвоению материала;

  • меньший объём затрачиваемого времени.

К недостаткам можно отнести:

  • несколько худшее качество изображения и звука;

  • погрешности речи (паузы, оговорки, ошибки в записях на доске и т.п.);

  • присутствие фонового шума от аудитории студентов;

  • не всегда строгое выдерживание временного графика изложения материала вследствие отвлечения на пояснения, комментарии и ответы на вопросы студентов;

  • необходимость наличия профессиональной съёмочной и монтажной техники и целого штата сотрудников.

Понятно, что видеолекции такого уровня могут себе позволить только очень крупные вузы с развитой материально-технической базой и обширным выбором привлекаемых преподавателей. Преподавателю-одиночке такая технология практически недоступна.

  • Вторая – это первоначальное создание анимированной озвученной презентации с использованием программы Microsoft Power Point. В зависимости от дальнейших действий, смену слайдов можно сделать как автоматической, сопоставив каждому слайду-кадру время его «жизни» на экране, так и «вручную» кликом мыши. Отдельно на цифровую камеру снимаются «живые» комментарии преподавателя, которые, если это предполагает сценарий, вставляются в соответствующие места презентации. Такую презентацию можно использовать непосредственно, без перевода в видеоформат.

Затем презентацию с автоматической сменой слайдов нужно запустить на воспроизведение и воспользоваться любой программой видеозахвата, которых немало в интернете, в том числе и бесплатных. Я использовал несложную свободно распространяемую программу Cam Studio.

Презентацию с «ручной» сменой слайдов можно обработать программой Windows Movie Maker, которая позволяет наложить на конструируемый фильм ещё дополнительные анимации и фоновое музыкальное сопровождение.

В полученный видеофильм можно вставить логотип вуза и фоновые рисунки на задний план. Для этого я использовал свободно распространяемую программу VirtualDub Russian.

Второй способ имеет следующие достоинства:



  • возможность создания видеолекции буквально «на коленке», в домашних условиях, без использования дорогостоящего оборудования и штата сотрудников;

  • возможность убрать погрешности в сопроводительной речи, при написании формул, текста и при выполнении рисунков.

К недостаткам можно отнести:

  • несколько худшее качество;

  • достаточно большие затраты времени.

Созданная мною видеолекция относится к типу обзорных. Она создавалась по второму методу. Подготовлены два варианта: рабочий для использования в учебном процессе и рекламный для размещения на сайте института или распространения за его пределами.

Данная видеолекция предлагалась для самостоятельной работы студентам 31-й и 32-й групп ФМФ и получила от них весьма положительный отзыв.


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Ахромушкин Е.А. Поэтапное развёртывание системы дистанционного обучения с последовательным наращиванием дидактических средств обучения студентов со слабыми навыками самостоятельной работы // Человеческое измерение в информационном обществе: тез. докл. Всерос. научн.-практ. конф. М.: ВВЦ, 2003. С. 80-81.

  2. Ахромушкин Е.А. Применение видеотехнологий и форумов Интернет для активизации самостоятельной работы студентов в высших учебных заведениях // Информационные средства и технологии: сб. науч. тр. Междунар. конф. М., 2003. С. 15-18.

  3. Ахромушкин Е.А. Применение видеотехнологий в современных автоматизированных учебных комплексах (АУК) по техническим дисциплинам // Современная образовательная среда: тез. докл. Всерос. конф. М.: ВВЦ, 2002. С. 48-49.

  4. Видеозапись в школе / под ред. Л.П. Пресмана. М., 1973.

  5. Дерешко Б.Ю. Новые технологии для учебного процесса // Телекоммуникация и информатизация образования. 2000. № 1. С. 61-63.

  6. Тарг С.М. Краткий курс теоретической механики. 20-е изд. М.: Высшая школа, 2010. 416 с.

  7. Добронравов В.В., Никитин Н.Н. Курс теоретической механики. 4-е изд. М.: Высшая школа, 1983. 575 с.

  8. Воген Т. Мультимедиа: Практическое руководство: пер. с англ. Мн.: ООО "Пупурри", 1997.

  9. Дёмкин В.П., Можаева Г.В. Технологии дистанционного обучения. Томск, 2002.

  10. Можаева Г.В., Тубалова И.В. Как подготовить мультимедиа курс?: метод. пособие для преподавателей. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 2002.



Н.Ф. Ерохин
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ОБЪЕМНОМ РЕЗОНАТОРЕ
Различные по своей природе резонаторы находятся под пристальным вниманием исследователей и практиков, стремящихся внедрить их в самые разные современные технологии, например, генерирования и измерения в колебательных системах.

Различают акустические и объемные резонаторы. Наиболее ярким примером первых являются резонаторы Гельмгольца [1], обладающие важным достоинством – отзываться на низкочастотные колебания, длина упругих волн которых значительно больше, чем размеры резонаторов, а собственные частоты не зависят от формы объема, заполненного газом, в них не наблюдаются стоячие волны, соответствующие частотам для низких гармоник. Поэтому они активно применяются в гидроакустике, в спектральном анализе сложных негармонических полей, при разработке звукопоглощающих материалов и конструкций и т.п. Наоборот, для органных труб причиной резонансных явлений служат стоячие звуковые волны.

Объемные резонаторы, представляющие собой колебательные системы сверхвысоких частот с распределенными параметрами, аналогом которых являются колебательные контуры, обладающие высокой добротностью. В таких резонаторах электромагнитное поле стационарно распределено по объему полости и, если потери малы, то оно существует длительно. Форма полости не играет существенной роли. Обычно ограничиваются простотой изготовления и простотой конфигурации поля. Так, чаще применяют прямоугольный параллелепипед, круглый цилиндр (в контурах СВЧ генераторов, волномеров, фильтрах), торроид (в клистронах – СВЧ электронных лампах, в которых пространственно разделены электрическое и магнитное поля, в циклических ускорителях элементарных частиц), сферу (в эталонах частоты, в природных явлениях).

Изучение процессов в акустических резонаторах легко осуществлять из-за достаточной простоты их конструкций. Однако моделирование явлений, протекающих в объемных резонаторах, затруднено специфическими требованиями СВЧ. Это еще в большей мере проявляется при изучении процессов в гигантском сферическом резонаторе, заключенном между двумя электропроводящими поверхностями, которыми являются Земля и окружающая ее, ионосфера. В таком волноводе уже проблемы обусловлены и масштабным эффектом, и различием электропроводности поверхности Земли и ионосферы.

Хотя природа упругих и электромагнитных волн различна, между ними существует много сходного. Благодаря этому возникает возможность, используя аналогию процессов попытаться на основе модели акустического резонатора интерпретировать (продемонстрировать) некоторые черты (особенности) этого гиганта-резонатора. Примеров такого моделирования в литературе мы не обнаружили. Этой задаче и посвящено настоящее сообщение. Считается, если в полость (шаровой слой) между Землей и окружающей ее ионосферой попадет электромагнитная волна, источником которой могут быть молнии, то, проходя по этой полости, она сложится сама с собой при выполнении условий когерентности. При этом возникнет стоячая волна, то есть наступит резонанс. Это явление обнаружил Н. Тесла, а обосновал его В. Шуман. Теперь это явление называют резонанс Шумана. Проведенные им расчеты для первых частот пяти гармоник показали неплохое согласие с полученными результатами эксперимента. Позже оказалось [2], что эти частоты испытывают суточные и сезонные изменения, которые обусловлены колебаниями солнечного излучения и зависят от состояния ионосферы. Кроме частот изменяются добротность и амплитуды в этом резонаторе. За вариациями этих величин следят сотрудники лаборатории космической геофизики Томского университета и приводят в Интернете посуточные результаты измерения этих параметров для четырех гармоник [2]. На рис.1 представлена частотная диаграмма для трех суток февраля 2011 г. для первых четырех гармоник (слева – 1-я и 3-я, а справа – 2-я и 4-я). Из диаграммы видны вариации частоты всех гармоник и просматривается их периодичность. Подобное происходит в резонаторе и с амплитудой и добротностью. Видно, что дневному времени суток соответствуют более низкие частоты.


Рис. 1

Человек существует в полости резонатора, который оказывает определяющее влияние на функционирование организма. Установлена прямая связь частот Шумана с альфа- и бета-ритмами головного мозга человека. Альфа-ритмы (7-14Гц) управляют активностью правого полушария и эмоционально-чувственным восприятием информации. Бета-ритмы (в диапазоне 14-35 Гц, для гармоник со второй по пятую) – контролируют левое полушарие и отвечают за аналитические, абстрактно-речевые формы мышления. Значительные изменения в этой связи отражаются на состоянии здоровья населения планеты. Похоже, это и есть одна из важнейших тропинок в отношениях человека и ближнего космоса.

Возьмем в качестве упругой среды спиральную пружину с большим числом витков и малой жесткости (рис. 2,а – сноска 3). Соединив сваркой, начало и конец пружины, подвесим ее на тонких нитях так, чтобы была возможность изменять межвитковый шаг равномерно. Таким образом, получим упругий торроид с двумя степенями свободы большого радиуса. Его можно представить (см. рис. 2,а), заключенную между двумя сферами (аналог пространства между Землей (1) и ионосферой (2)). На такой торроид можно действовать из вне колебаниями от вибратора или вручную и создавать в нем как продольные, так и поперечные упругие волны.

Моделирование процессов предпочтительно начать с демонстрации упругих бегущих продольных и поперечных волн на ограниченных участках пружины и неограниченных (вдоль торроида границы для волн отсутствуют). Продвижение поперечного волнового цуга происходит с малой скоростью и легко фиксируется визуально. Его положение однозначно фиксируется даже после трех проходов по пружинному торроиду. Далее целесообразно сформировать поперечную стоячую волну, обратив внимание на ее характеристики и свойства. После этого, изменяя частоту и амплитуду внешнего воздействия на цилиндрическую пружину (с помощью вибратора или вручную) подбирают условия для возникновения стоячей волны на самых низких частотах. При этих условиях получается наиболее устойчивая и длительно сохраняющаяся интерференционная картина. Плавно изменяя частоту поперечной волы легко получить условия резонанса для двух-трех рядом расположенных гармоник. Для расчета частот резонансов измеряем диаметр цилиндрического диска (аналог диаметра Земли). Скорость определяем из условий бегущей поперечной волны по пружине в форме тора (результат точнее, чем из условия стоячей волны). Число длин волн n, укладывающихся в волноводе, соответствующих определяемой гармонике – из соответствующей интерференционной картины.

Расчет резонансной частоты для n-ой гармоники получаем из соотношения

, (1)

где υ – скорость упругой волны, l – пройденный волной путь.





Рис. 2,а

Например, для случая n=3,4,6 (см. рис.2,б) получаем следующие резонансные частоты 0,97; 1,29; 1,94 Гц. Экспериментально определенные частоты для этих гармоник хорошо согласуются с рассчитанными (расхождение не превышает 16 %). Данные по пятой гармонике не приведены по причине неустойчивой интерференционной картины, дающей около 30 % расхождение. На второй гармонике не удалось получить резонанса. На рис. 2,б представлено состояние стоячей волны для n=4 в полости между основанием 1 (аналог Земли) и слоем 2, ограничивающим раствор подвески пружины (аналог слоя Хевисайда для ионосферы). Этот результат близок к значению частоты, получаемой прямым измерением частоты.




Рис. 2,б
Приобретя некоторый навык возбуждения стоячих волн, можно получить результаты для других гармоник. Полученный ряд значений n = 3,4,6… , которые следуют из поперечных упругих стоячих волн (выбранная модель) свидетельствуют (подтверждают) о наличии стоячих поперечных электромагнитных волн в гигантском резонаторе Земля-ионосфера. Усиливающим фактором аналогии явлений есть то, что они моделируется только на поперечных волнах, как и для электромагнитных волн, в гигантском резонаторе (продольные волны не дают оснований таким выводам).

Для электромагнитной волны в резонансе Шумана резонанс фиксируют для гармоник при n = 1,2,3,4,5. Однако на практике в предлагаемой модели возбудить более низкие (ниже третей гармоники) не удается. По-видимому, для этого необходимо уменьшать упругость пружины и (или) уменьшить влияние внешней оболочки (точки подвеса пружины в проекции на плоскость основания)  аналога псевдослоя Хевисайда. Создать однородную пружину-тор с достаточно малой жесткостью технически трудно, из-за ее высокой чувствительности к внешним воздействиям.

Отметим, что из расчетов Шумана для основного колебания (n=1) получено значение 8,5 Гц (эксперимент дает 7,83 Гц). Для моделирования на упругих волнах основному тону соответствует 0,33 Гц. Не следует ожидать, что эти частоты резонанса, как и другие, должны совпадать с частотами Шумана, так как явления хотя и волновые, однако их природа различна.

Хотя предложенная модель резонатора не претендует на демонстрацию широкого спектра особенностей, тем не менее, при демонстрации резонансных явлений полезно показать возникновение поперечной и продольной волн, одновременно распространяющихся по упругой среде (пружине-волноводе), что подчеркнет сходство и различие упругих и электромагнитных волн. Отметим также, что, создавая более сложные движения (вручную), можно получить устойчивое распределение стоячих волн, напоминающее фигуры Э. Хладни.

Итак, предложенная схема привлечения упругих поперечных волн для моделирования процессов, происходящих в объемном сферическом резонаторе типа Земля-ионосфера, наглядно демонстрирует основную причину возникновения резонанса – образование стоячих волн и позволяет рассчитывать частоты гармоник, а, при необходимости, и другие компоненты.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


  1. Морз Ф. Колебания и звук. М.; Л.: Изд-во ГИТТЛ, 1959.

  2. Режим доступа: www.2bz.ru/shuman.htm.



следующая страница >>
Смотрите также:
V. Физика С. А. Донских, В. Н. Сёмин разработка видеолекций по теоретической механике
526.23kb.
3 стр.
Учебный план по направлению подготовки «Химия, физика и механика материалов»
278.47kb.
1 стр.
Физика биологических систем
39.45kb.
1 стр.
Программа вступительного экзамена по специальности в магистратуру физического факультета по дисциплине «Общая физика»
209.43kb.
1 стр.
Программа «Математическая физика»
162.16kb.
1 стр.
Общеобразовательных
75.88kb.
1 стр.
Рабочая программа по дисциплине «физика» в 9 классе 2 ступени обучения составлена на основе программы «Физика и астрономия»
543.8kb.
3 стр.
Рабочая программа учебной дисциплины «Физика конденсированного состояния, термодинамика, статистическая физика, физическая кинетика»
223.46kb.
1 стр.
Учебно-методическое объединение по классическому университетскому образованию РФ
1323.12kb.
7 стр.
Физика и компьютер
125.82kb.
1 стр.
Лекции Практич и семин занятия Инд и самост работа студ. Формы контроля
41.44kb.
1 стр.
Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике
109.65kb.
1 стр.