В процессе обучения в инженерном классе научная деятельность играет важную роль, поскольку позволяет ученикам развивать навыки исследования, анализа данных и применения научных знаний на практике.
В данной статье мы рассмотрим пример научной деятельности учащихся, проводимой в инженерной лаборатории нашего комплекса на базе комплекта «Комплекса учебного оборудования в инженерном классе». Наше комплексное исследование было связано с разными видами работ: изучением работы электронного микроскопа и определением удельного заряда электрона.
Этап 1: Изучение работы атомного силового микроскопа
Ученики начали исследование со знакомства с атомным силовым микроскопом. В ходе этой работы они ознакомились с принципом работы атомного силового микроскопа, его компонентами и функциями. В результате ребята научились правильно устанавливать образец, настраивать микроскоп и получать качественные изображения.
Этап 2: Написание инструкции по работе с атомным силовым микроскопом
Перед ребятами была поставлена задача написать детальную инструкцию для работы с атомным силовым микроскопом «понятным», но вместе с тем научным языком. Предполагается, что данная инструкция может использоваться учащимися следующих поколений на уроках Инженерного практикума и занятиях по осуществлению Проектной деятельности.
После изучения работы атомного силового микроскопа будущие инженеры под нашим руководством написали детальную инструкцию, описывающую все необходимые шаги по подготовке оборудования к работе и по непосредственному его использованию.
В инструкции содержатся:
- способы подготовки образца,
- настройки микроскопа,
- рекомендации по выбору увеличения и получению качественных изображений.
Полученные навыки можно использовать для определения размеров кристаллической решетки, исследования рельефа поверхности и других свойств образца.
Этап 3: Лабораторная работа по изучению удельного заряда электрона
Данная работа уже не первый год проводится на базе нашей инженерной лаборатории учащимися старших классов. Для выполнения этой работы ребятам необходимо иметь базовые знания в области атомной физики, электричества и магнетизма. Эта работа существенно отличается от того, что предлагается в рамках учебных занятий: и глубиной погружения в материал, и уникальным оборудованием. Работа вызывает у учащихся неподдельный интерес, тягу к исследовательской деятельности и освоению инженерного оборудования.
Этап 4. Непосредственное проведение работы
Для выполнения работы используется комплект для демонстрации и изучения атомной физики, входящий в состав инженерной лаборатории.
В рамках научной деятельности в инженерном классе, ученики провели лабораторную работу, направленную на определение удельного заряда электрона методом катодных лучей в однородном магнитном поле, создаваемом парой катушек Гельмгольца.
Для этого они использовали основание с парой катушек Гельмгольца, вакуумную трубку, источник питания катода и анода электронной лампы, источник питания для создания напряжения, отклоняющего дугу электронной лампы, источник питания для создания однородного магнитного поля с помощью катушек Гельмгольца, комплект соединительных проводов. Пара катушек Гельмгольца используется для создания однородного магнитного поля. Катушки соединены последовательно. Специальный компонент на верхней перекладине используется для подключения датчиков Холла для измерения напряженности магнитного поля.
Для измерения напряженности магнитного поля использовали специальный датчик. Под действием электрического поля электроны получали равномерное ускорение, а под действием магнитного поля они двигались по круговой траектории.
При различных значениях ускоряющего напряжения U и для разных напряженностей магнитных полей В, данные измерений на графике зависимости (r*В)^2 от 2U можно представить, как прямую линию с угловым коэффициентом е/m, проходящую через начало координат.
Магнитное поле, генерируемое катушками Гельмгольца, пропорционально току Iн, проходящему через отдельную катушку. Таким образом, известны все параметры, необходимые для определения удельного заряда электрона.
ХОД РАБОТЫ
После проверки подключения, подаем питание на оборудование. Фокусируем лучи. И меняем силу тока на катушках Гельмгольца до образования полной окружности.
Измеряем показания силы тока на катушке в зависимости от напряжения; контролируем чтобы радиус кольца не менялся.
Данные оформляем в виде таблицы.
Проводим необходимые расчеты и строим график зависимости 2U от (r^2B^2)
Угловой коэффициент линии, проходя щей через начало координат, соответствует удельному заряду электрона e/m.
Этап 5: Построение графиков и оценка удельного заряда электрона
На основе измеренных данных – радиусов электронной траектории, силы тока и напряжения – ученики построили несколько графиков и провели аппроксимацию полученных точек. С использованием полученных графиков, ученики определили удельный заряд электрона, используя известные физические законы и формулы. Затем они сравнили полученное значение с табличным, чтобы оценить точность проведенного эксперимента.
В итоге, в ходе проведенной комплексной исследовательской лабораторной работы ученики освоили новое для себя оборудование, изучили принцип работы электронного микроскопа, научились проводить лабораторные исследования, анализировать данные и представлять их в табличном виде, на основе полученных данных строить графики. Они также применили свои теоретические знания на практике: провели эксперимент, рассчитали удельный заряд электрона, сравнили его с теоретическим значением и проанализировали имеющееся расхождение.
Такая работа позволяет развивать критическое мышление, умение работать с данными и адаптировать применение научных знаний в практической деятельности. А это, в свою очередь, способствует развитию научного потенциала учащихся и подготовке их к будущей профессиональной деятельности в инженерных областях.
#ШКОЛА950 #ДОНМ #Предпрофкласс
