ВОРОНКІН О.С. ВПРОВАДЖЕННЯ ЕЛЕМЕНТІВ STEM-ОСВІТИ В ОСВІТНІЙ ПРОЦЕС З ФІЗИКИ by Oleksii Voronkin

ОБЛАСНИЙ КОМУНАЛЬНИЙ ЗАКЛАД «СЄВЄРОДОНЕЦЬКИЙ КОЛЕДЖ КУЛЬТУРИ І МИСТЕЦТВ ІМЕНІ СЕРГІЯ ПРОКОФ’ЄВА»

ВПРОВАДЖЕННЯ ЕЛЕМЕНТІВ STEM-ОСВІТИ В ОСВІТНІЙ ПРОЦЕС З ФІЗИКИ В ЗАКЛАДАХ ФАХОВОЇ ПЕРЕДВИЩОЇ ОСВІТИ КОНКУРС «Педагогічний ОСКАР–2021»

НОМІНАЦІЯ «Інновації у створенні й упровадженні сучасних методик, форм, прийомів викладання, навчально-методичного забезпечення, національного й професійного виховання студентської молоді в умовах викликів сьогодення» ВИД РОБОТИ комплект методичних розробок ГАЛУЗЬ ЗНАНЬ 0202 «Мистецтво» СПЕЦІАЛЬНІСТЬ 5.02020401 «Музичне мистецтво»

2020

Укладач: Воронкін Олексій Сергійович, кандидат педагогічних наук, викладач фізики, математики та інформатики ОКЗ «Сєвєродонецький коледж культури і мистецтв імені Сергія Прокоф’єва», викладач-методист, кваліфікаційна категорія «спеціаліст вищої категорії», член Американського фізичного товариства Рецензент: Лущин Сергій Петрович, кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри фізики Національного університету «Запорізька політехніка» Комплект методичних розробок містить напрацьовані практичні ідеї по реалізації STEM-орієнтованої освіти, а саме – матеріали щодо проведення демонстраційних і лабораторних робіт з предмету «Фізика» для здобувачів освіти, які навчаються в закладах фахової передвищої освіти та здобувають повну загальну середню освіту. У першому розділі розглянуто роботи, присвячені використанню засобів відеозапису та відеоаналізу при вивченні механіки. У другому розділі висвітлюються лабораторні роботи, призначені для проведення в середовищі імітаційного моделювання електронних схем. У третьому розділі розглянуто пізнавальні демонстраційні досліди за темою «Ультрафіолетове випромінювання. Значення в природі та використання у техніці і мистецтві». Четвертий розділ присвячено характеристиці авторського YouTube каналу, на якому публікуються навчальні відеоуроки. Пропоновані розробки стануть у нагоді під час дистанційного навчання, при організації та проведенні фізичних дослідів і лабораторних робіт.

ЗМІСТ ВСТУП………………………………………………………………………………. РОЗДІЛ 1. ВИКОРИСТАННЯ ЗАСОБІВ ВІДЕОАНАЛІЗУ В КУРСІ ФІЗИКИ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНОГО РУХУ МАТЕРІАЛЬНИХ ТІЛ ТА ЇХ ВЗАЄМОДІЙ ………………………………………………………….... 1.1 Рівномірний рух матеріальної точки по колу……………………………........ 1.2 Циклоїда…………………………………………………………………............ 1.3 Спортивні ігри з м’ячем або рух м’яча, кинутого під кутом до горизонту в полі сили тяжіння………………………………………………………………. 1.4 Рівноприскорений рух без початкової швидкості…………………………….. 1.5 Математичний маятник та кінематика його коливань………………………... Висновки до розділу 1………………………………………………………............. РОЗДІЛ 2. ВІРТУАЛЬНИЙ ФІЗИЧНИЙ ПРАКТИКУМ «ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ»……………………………………………………………………… 2.1 Мета віртуального практикуму………………....…………………………..... 2.2 Дослідження закону Ома для ділянки кола……………………………….. 2.3 Вимірювання внутрішнього опору джерела струму……………………… 2.4 Дослідження електричних кіл постійного струму………………………… 2.5 Визначення роботи та потужності електричного струму…………………. 2.6 Вимірювання вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода…………………………………………………………………………... 2.7 Дослідження електричного кола з напівпровідниковим діодом…………. 2.8 Дослідження мостової схеми напівпровідникового випрямляча………… 2.9 Біполярний транзистор у ключовому режимі……………………………... 2.10 Вимірювання вольт-амперної характеристики біполярного транзистора…………………………………………………………………... Висновки до розділу 2…………………………………………………….................

РОЗДІЛ 3. ДЕМОНСТРАЦІЙНІ ДОСЛІДИ ЗА ТЕМОЮ «УЛЬТРАФІОЛЕТОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ. ЗНАЧЕННЯ В ПРИРОДІ ТА ВИКОРИСТАННЯ У ТЕХНІЦІ І МИСТЕЦТВІ»…………. 3.1 Стислі теоретичні відомості………………………………………………... 3.2 Опис демонстраційних дослідів……………………………………………. 3.3 Сценарій авторського навчального відео………………………………….. Висновки до розділу 3…………………………………………………………...

6 6 7 9 11 13 14

16 16 17 18 19 22 23 24 25 28 29 31

32 32 34 41 45

РОЗДІЛ 4. ДОСВІД СТВОРЕННЯ STEM-ОРІЄНТОВАНОГО НАВЧАЛЬНОГО ВІДЕО КОНТЕНТУ……………………………………… Висновки до розділу 4…………………………………………………………...

47 52

ВИСНОВКИ………………………………………………………………................

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ …..……………………………………..

ДОДАТКИ………………………………………………………………………… 57 Додаток А. Відеофайл. Олексій Воронкін. Використання засобів відеоаналізу у курсі фізики // Зимова сесія «WEB-STEM-ШКОЛИ – 2018» Додаток Б. Файли до лабораторного практикуму у форматі MS14 (Multisim 14 Design File) – 9 шт Додаток В. Відеофайл. Олексій Воронкін. Світ в ультрафіолетових променях: цікаві демонстрації (2019) Додаток Г. Відеофайл. Олексій Воронкін. Саморобний 3D проектор (2018) Додаток Ґ. Відеофайл. Олексій Воронкін. Механічні коливання і хвилі: лекція (2020)

ВСТУП Термін «STEM» є акронімом, що позначає перші літери таких предметних галузей, як science (природничі науки), technology (технологія), engineering (інженерія), mathematics (математика) та означає їх інтеграцію у єдину систему навчання. Разом з тим єдиного розуміння практичної реалізації STEM-освіти у світі не існує, в результаті чого апробуються різноманітні підходи і методи. Окремо хочемо звернути увагу на деяких авторських ініціативах 2011–2017 років, що знаходили свою реалізацію у практичній площині – відкритий дистанційний курс «Вступ до фізики звуку» [1], трирівневий підхід до організації особистісно зорієнтованого навчання фізики [2], комп’ютерне моделювання фізичних явищ із застосуванням середовища LabView [3], використання QRкодів [4], досвід підготовки здобувачів освіти до науково-дослідної роботи засобами інформаційно-комунікаційних технологій [5], суб’єктивні та об’єктивні характеристики звуку (методична розробка лекції) [6]. Методиці навчання фізики свої праці присвячували С. Величко, С. Гончаренко, В. Сергієнко, В. Сиротюк та інші. Над проблемами методичного забезпечення змісту фізики міжпредметним спрямуванням працювали М. Блудов, А. Глазунов, Ю. Дік, В. Ільченко, І. Кікоїн, К. Корсак, М. Купрін, Л. Ландау, Я. Перельман, О. Сергєєв, В. Шарко, М. Тульчинський та багато інших. Різні аспекти реалізації STEM-освіти ставали предметом розгляду таких дослідників і педагогів-новаторів, як О. Андрєєв, М. Бойченко, В. Гайда, І. Данильченко, М. Джелалія, Н. Джелалія, С. Дембіцька, І. Савченко, І. Стеценко, О. Патрикеєва, О. Янковська та інших. Водночас, існуючі методичні розробки уроків з фізики за програмою старшої школи, що спрямовані на інтеграцію предметів природничого циклу, переважно є загальнопізнавальними. Застаріла матеріальна база кабінетів фізики закладів фахової передвищої освіти вказує на необхідність оновлення демонстраційних дослідів і лабораторних робіт, у тому числі з використанням інформаційнокомунікаційних технологій (ІКТ). ІКТ дозволяють не тільки доповнювати традиційний фізичний лабораторний практикум сучасними програмними засобами, а й сприяють вдосконаленню самостійної роботи здобувачів освіти, підвищенню рівня їх зацікавленості, розвитку дослідницьких навичок. Поєднуючи віртуальний і натурний практикуми, студенти також можуть досліджувати теоретичні дані моделювання з реальними процесами, що сприятиме формуванню інтегрованих знань. Пропонований нами комплект методичних розробок може використовуватися під час дистанційного навчання, в процесі підготовки здобувачів освіти до очних занять, у комп’ютерному класі під час виконання лабораторних робіт.

РОЗДІЛ 1. ВИКОРИСТАННЯ ЗАСОБІВ ВІДЕОАНАЛІЗУ В КУРСІ ФІЗИКИ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ МЕХАНІЧНОГО РУХУ МАТЕРІАЛЬНИХ ТІЛ ТА ЇХ ВЗАЄМОДІЙ Для проведення лабораторних занять нам знадобиться штатив, відеокамера (або смартфон), комп’ютер, встановлене програмне забезпечення для опрацювання відеозаписів Tracker версії 4.11.0 (https://physlets.org/tracker), а також програми QuickTime та Java. 1.1. Рівномірний рух матеріальної точки по колу. Вивчаючи характеристики рівномірного руху матеріальної точки по колу, доцільно описати координати x(t) та y(t) цієї рухомої точки. Застосуємо декартіву систему координат, осі ОХ та OY якої лежать у цій же площині, а початок розташований в центрі кола (рис. 1.1,а). Тепер обидві проекції радіус-вектора (координати x(t) та y(t)) можемо представити у вигляді: 𝑥𝑥(𝑡𝑡) = 𝑟𝑟⋅𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐ϕ(𝑡𝑡), 𝑦𝑦(𝑡𝑡) = 𝑟𝑟⋅𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠ϕ(𝑡𝑡) (1.1) де r – радіус-вектор, ϕ(t) – кут повороту r як функція часу, t – час. Бачимо, що плоский рух матеріальної точки по траєкторії, яка є колом, відбувається за гармонічним законом. Для експериментального підтвердження цього пропонуємо використовувати двигун поворотного столу мікрохвильовки (на його користь вказує мала кількість обертів за хвилину). На валу двигуна розмістимо чорну насадку з білою позначкою, яка й символізує матеріальну точку. Після під’єднання напруги живлення вал двигуна починає повільно обертатись, а відеокамера зверху фіксує цей процес.

Рис. 1.1. Технічна імітація руху матеріальної точки по колу Завантажуємо відзняте відео (https://youtu.be/vABoikb3F50) до Tracker, позначаємо початковий та кінцевий кадр для аналізу, розміщуємо координатні осі з початком на валу двигуна (центр кола), встановлюємо інструмент калібрування (одиниця довжини – см), створюємо програмну матеріальну точку (mass A), яку прив’язуємо до нашої білої позначки, тепер запускаємо опцію автоматичного відстеження матеріальної точки покадрово. В результаті чого отримуємо трек і 6

масив даних – x, y, t (рис. 1.2). Таким чином, графіки x(t) та y(t), які зображені на рис. 1.3, описують реальний процес і повністю узгоджуються з формулами (1.1).

Рис. 1.2. Опрацювання відеозапису (Tracker 4.11.0)

Рис. 1.3. Графіки x(t) та y(t) 1.2. Циклоїда. Розглянемо траєкторію фіксованої точки колеса, що котиться без ковзання по прямій. Усі точки колеса відносно його осі описують кола. Однак у системі відліку, пов’язаній із землею, ця лінія є більш складною – її називають циклоїдою. Рівняння циклоїди: 𝑟𝑟−𝑦𝑦 (1.2) 𝑥𝑥 = 𝑟𝑟⋅𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 − �2𝑟𝑟𝑟𝑟 − 𝑦𝑦 2 𝑟𝑟 де r – відстань між точкою і центром кола (якщо точка знаходиться на ободі, то r дорівнює радіусу колеса). Рівняння (1.2) є достатньо складним для використання школярами, тому для розрахунків рекомендуємо використовувати параметричні залежності: 𝑥𝑥(𝑡𝑡) = 𝑟𝑟(𝑡𝑡 − 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠) 𝑦𝑦(𝑡𝑡) = 𝑟𝑟(1 − 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐) 7

Дослідити властивості циклоїди допомагає дитяча машинка (рис. 1.4), зовнішній бік колеса якої обклеєно білим папірцем з позначеною на ободі (r=5,1 см). Ця точка описуватиме циклоїду незалежно від того котиться колесо рівномірно чи з прискоренням. Головне, щоб без ковзання. Записане відео (https://youtu.be/tQhjNBdl-io) завантажуємо до Tracker та проводимо такі самі підготовчі налаштування як і в розглянутому вище прикладі. У результаті автоматичного відстеження положення точки по кадрам отримуємо трек, масив даних (x, y, t) та графік y=f(x) (рис. 1.5). Додатково доцільно провести математичне моделювання нашого процесу у будь-якій системі комп’ютерної алгебри, наприклад MathCad, використовуючи параметричні залежності, порівняти результати та зробити висновки.

Рис. 1.4. Процес опрацювання відеозапису в Tracker 4.11.0

Рис. 1.5. Циклоїда як траєкторія обраної нами точки колеса, що котиться Увагу здобувачів освіти слід звернути на такі пізнавальні властивості й факти:  циклоїда є періодичною функцією по осі абсцис, період – 2πr; 8

 «перевернена» циклоїда є кривою найскорішого спуску. Так, спускаючись з крижаної гірки, профіль якої виконаний у вигляді циклоїди, ми опинимося біля її підніжжя швидше, ніж у випадку іншої форми профіля;  циклоїда має властивість таутохронності: важке тіло, яке поміщене в будьяку точку арки циклоїди, досягає горизонталі за один і той самий час;  циклоїда є такою кривою, по якій має рухатися матеріальна точка, щоб період її коливань не залежав від амплітуди коливань. Ця властивість була використана Х. Гюйгенсом для створення точних механічних годинників. 1.3. Спортивні ігри з м’ячем або рух м’яча, кинутого під кутом до горизонту в полі сили тяжіння. Нехай м’ячу надали початкової швидкості 𝜗𝜗0 під кутом α до горизонту (рис. 1.6). Траєкторію такого руху описує рівняння (1.3): 𝑦𝑦 = 𝑥𝑥 ∙ 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 −

𝑔𝑔𝑥𝑥 2

2𝜗𝜗0

𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 2 𝛼𝛼

=−

𝑔𝑔

2𝜗𝜗0 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 2 𝛼𝛼

⋅𝑥𝑥 2 + (𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡)⋅𝑥𝑥

(1.3)

З нього бачимо, що функція y(x) є квадратичною, отже її графік – парабола, вітки якої спрямовані вниз, оскільки коефіцієнт при 𝑥𝑥 2 менше нуля. У класичному випадку парабола проходить через початок координат (y=0 при х=0).

Рис. 1.6. До визначення траєкторії руху м’яча Записане відео з м’ячем, кинутим під кутом (https://youtu.be/X1oyHekIkY4), завантажуємо до Tracker. У результаті автоматичного відстеження положення м’яча отримаємо трек і масив даних (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Процес опрацювання відеозапису в Tracker 4.11.0 Відповідні графіки y(t) та y(x) наведено на рис. 1.8. Програма дозволяє апроксимувати траєкторію руху параболою та автоматично визначити коефіцієнти квадратичної функції 𝑦𝑦 = 𝑎𝑎𝑥𝑥 2 + 𝑏𝑏𝑏𝑏 + 𝑐𝑐 (рис. 1.9), де 𝑎𝑎 = −8,38⋅10−3 , 𝑏𝑏 = 1,78, 𝑐𝑐 = −2,25. Здобувачі освіти мають пояснити чим обумовлена наявність коефіцієнта с.

Рис. 1.8. Траєкторія руху м’яча, кинутого під кутом до горизонту (Tracker 4.11.0) Також рис. 1.9 дозволяє визначити кут до горизонту, під яким було кинуто м’яч: 30 𝑡𝑡𝑡𝑡α = = 1,5, отже α = 560 30/ . Знаючи час польоту м’яча (tпол=0,84 с), можемо 20 знайти початкову швидкість м’яча (не враховуючи силу опору повітря): 2υ 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑡𝑡 𝑔𝑔 0,84∙9,81 𝑡𝑡пол = 0 ⟹ υ0 = пол = ≈ 4,9 м/𝑐𝑐 (1.4) 𝑔𝑔

2𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠

2∙0,83

Рис. 1.9. Апроксимація траєкторії руху з визначенням коефіцієнтів квадратичної функції Далі, доцільно розрахувати дальність польоту м’яча (l) і максимальну висоту його підняття (h), після чого порівняти розрахункові результати з рис. 1.9: 𝑙𝑙 =

υ20 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠2𝛼𝛼 𝑔𝑔

, ℎ=

υ20 (𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠)2 2𝑔𝑔

(1.5)

На сьогоднішній день відомо досить багато видів спорту з м’ячем (бадмінтон, баскетбол, пляжний волейбол, футбол, гольф, гандбол, хокей, регбі, настільний теніс, теніс, волейбол, водне поло, хокей та ін.). Досліди з відеокамерою за бажанням здобувачі освіти можуть продовжити у спортзалі закладу освіти. 1.4. Рівноприскорений рух без початкової швидкості. Проведемо дослідження рівноприскореного руху, для чого: 1) визначимо прискорення, з яким кулька скочується похилим жолобом; 2) відобразимо графік залежності координати х кульки від часу t, який відраховується з початку руху; 3) відобразимо графік залежності миттєвої швидкості руху кульки від часу. Закріпимо жолоб в похилому положенні під невеликим кутом до горизонту. За допомогою рулетки виміряємо довжину жолобу (це значення нам знадобиться для програмного калібрування, у нашому прикладі це 75 см). Пустимо гумову кульку з верхнього кінця жолоба без початкової швидкості. Рух кульки по похилому жолобу, який є рівноприскореним, фіксуємо відеокамерою (смартфоном). Записане відео (https://youtu.be/jjVow_91I6w) відкриваємо в Tracker, визначаємо найліпші позиції для старт- і стоп-кадрів, встановлюємо інструмент калібрування, 11

координатні осі для нашого випадку (оскільки рух відбувається справа наліво) доцільно зорієнтувати так, щоб додатний напрям х співпадав з напрямком руху кульки. У результаті автоматичного відстеження положення кульки отримаємо масив даних (x, y, t). Графік залежності координати х кульки від часу t, побудований програмно, наведено на рис. 1.10. Оскільки при рівноприскореному русі без початкової швидкості шлях l, який проходить кулька за час t становить 𝑙𝑙 =

визначивши з рис. 1.10 l і t, можемо обчислити прискорення кульки 𝑎𝑎 =

2𝑙𝑙

𝑡𝑡 2

𝑎𝑎𝑡𝑡 2

, то,

2 2∙0,75 (1,6)2

0,58 м/𝑐𝑐 2 . Графіком залежності миттєвої швидкості руху кульки від часу є пряма (рис. 1.11).

Рис. 1.10. Процес опрацювання відеозапису та графік залежності координати х кульки від часу t

Рис. 1.11. Графік залежності миттєвої швидкості руху кульки від часу t 12

Як правило здобувачам освіти цікаво порівнювати отримані графіки з графічним зображенням рівноприскореного руху, що дається в підручниках з фізики для 10 класу загальноосвітніх навчальних закладів, і робити інтерпретаційні висновки. 1.5. Математичний маятник та кінематика його коливань. Підвисимо тягарець на нитці завдовжки l=1 м. Відхиливши тягарець від положення рівноваги на невеликий кут, відпустимо. Цей коливальний процес фіксує відеокамера. Далі доцільно повторити дослід для тягарців різної маси. Записані відео для аналізу (https://youtu.be/kb5v--cWPcM) додаємо в Tracker. Тепер можемо визначити старт- і стоп-кадри, встановити інструмент калібрування та зорієнтувати координатні осі. У результаті автоматичного відстеження положення тягарця отримаємо трек і масив даних (x, y, t). З графіку на рис. 1.12 бачимо, що вільні коливання математичного маятника є гармонічними (реальний період коливань Т=1,98 с, амплітуда 0,10 м). Результат доцільно порівняти з розрахунковим періодом: 𝑙𝑙

𝑇𝑇розрах = 2𝜋𝜋� = 2⋅3,14� 𝑔𝑔

9,81

= 2,005≈2 𝑐𝑐 (1.6)

Проведений дослід допомагає здобувачам освіти зрозуміти, що період коливань математичного маятника залежить лише від прискорення вільного падіння в даному місці Землі та від довжини маятника. А також те, що період не залежить від маси підвішеного тягарця та амплітуди коливань (за умови, що вона достатня мала).

Рис. 1.12. Процес опрацювання відеозапису та графік коливань математичного маятника 13

Програмою Tracker зручно користуватися для відображення векторів швидкості та прискорення рухомої точки. Як приклад на рис. 1.13,а показано вектори швидкості та прискорення у різних точках треку під час повертання радіокерованої машинки (https://youtu.be/kOZmWsON8aM). У порівнянні з прямолінійним рухом машинки на рис. 1.13,б можемо побачити вплив доцентрового прискорення (результуючий вектор прискорення напрямлений у бік центра кривизни).

а б Рис. 1.13. Опрацювання відеозапису повороту радіокерованої машинки Висновки до розділу 1. Створення відеозаписів лабораторних робіт з подальшим їх опрацюванням у Tracker показало, що здобувачі освіти мистецького закладу фахової передвищої освіти у цілому позитивно сприймають такі ініціативи, і з радістю залучаються до співучасті в позаурочний час, вчяться працювати у командній взаємодії, поєднуючи творчість, гру й навчання. Результати роботи були надруковані в Наукових записках Малої академії наук України [7], а також оприлюднені під час зимової сесії Всеукраїнського заходу «WEB-STEM-ШКОЛА – 2018». Відеозапис доповіді має 1492 перегляди (рис. 1.14, рис. 1.15) і схвальні відгуки колег. Подальша робота по розширенню кількості лабораторних робіт нами не проводилася, оскільки наш заклад освіти не мав необхідного технічного та лабораторного обладнання. Цю ідею повною мірою реалізували у 2020 році І. С. Чернецький, І. А. Сліпухіна та Н. І. Поліхун, які розробили 32 лабораторні роботи з фізики для виконання в програмі Tracker [8].

Рис. 1.14. Скріншот відео доповіді (https://youtu.be/Sv2cy-ZhV0Q)

Рис. 1.15. Сертифікат спікера зимової сесії «WEB-STEM-ШКОЛА – 2018»

РОЗДІЛ 2. ВІРТУАЛЬНИЙ ФІЗИЧНИЙ ПРАКТИКУМ «ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ» 2.1. Мета віртуального практикуму. Метою практикуму «Електричний струм» є: 1) формування достатнього уявлення здобувачів освіти про закони постійного струму, електричні ланцюги, основні методи аналізу і розрахунку цих ланцюгів; 2) отримання навичок роботи у середовищі проектування та імітаційного моделювання електронних схем (на прикладі NI Multisim). Multisim – це середовище автоматизованого проектування та імітаційного моделювання електронних схем із базою даних понад 2000 SPICE-моделей елементів (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) від провідних виробників (Analog Devices, Linear Technology, Phillips, Texas Instruments та ін.). В Multisim передбачено режим взаємодії з середовищем LabVIEW, що дозволяє в перспективі створювати віртуально-натурні практикуми. Все це вказує на значні переваги використання Multisim у STEM-практикумах. Розглянемо методичні особливості організації віртуального практикуму «Електричний струм», що складається із дев’яти робіт, побудованих у середовищі Multisim (ver. 14.0):  Дослідження закону Ома для ділянки кола;  Вимірювання внутрішнього опору джерела струму;  Дослідження електричних кіл постійного струму;  Визначення роботи та потужності електричного струму;  Вимірювання вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода;  Дослідження електричного кола з напівпровідниковим діодом;  Дослідження мостової схеми напівпровідникового випрямляча;  Біполярний транзистор у ключовому режимі;  Вимірювання вольт-амперної характеристики біполярного транзистора. Хочемо зазначити, що більшість з цих робіт з певною модернізацією можна реалізувати і в інших системах імітаційного моделювання, зокрема онлайн середовищах і веб-лабораторіях (табл. 2.1). Таблиця 2.1. Перелік найбільш популярних безкоштовних онлайн середовищ і веб-лабораторій для створення і моделювання електронних схем Стислий опис Веб-адреса Програмний застосунок симулятор https://circuits.io 123D Circuits Multisim Live симулятор https://www.multisim.com EasyEDA симулятор https://easyeda.com DcAcLab Симулятор https://dcaclab.com (безкоштовний 16

simulator.io Scheme-It

режим обмежено окремими функціями моделювання) симулятор цифрової https://simulator.io логіки інструмент для https://www.digikey.com/schemeit створення електричних схем

2.2. Робота № 1. Дослідження закону Ома для ділянки кола Мета роботи: дослідити залежність сили струму від прикладеної напруги, підтвердити дослідним шляхом справедливість закону Ома для ділянки кола. Здобувачі освіти запускають програму NI Multisim, знаходять на панелі компонентів віртуальні елементи – джерело напруги постійного струму, ключ, резистор, вольтметр, амперметр і розміщують їх на робочому полі програми. За допомогою миші елементи з’єднуються провідниками (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Дослідження закону Ома для ділянки кола Напруга джерела живлення V1 встановлюється на рівні 0 В. При замкненому ключі S1, здобувачі освіти включають режим моделювання (симуляції) та здійснюють вимірювання сили струму і напруги. Результати вимірювань заносять до табл. 2.2. Напругу джерела живлення слід збільшувати на 1 В і записувати відповідні значення сили струму.

Таблиця 2.2. Дані для побудови залежності сили струму від прикладеної напруги Напруга 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U, В 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 Сила струму I, А За результатами таблиці здобувачі освіти будують графік залежності сили струму від прикладеної напруги і роблять висновки. 2.3. Робота № 2. Вимірювання внутрішнього опору джерела струму Мета роботи: Виміряти внутрішній опір джерела струму. Здобувачі освіти отримують файл із зібраною схемою електричного кола (рис. 2.2). Далі запускають режим моделювання (симуляції).

Рис. 2.2. Вимірювання внутрішнього опору джерела струму Поки ключ S1 розімкнений, джерело струму замкнуте на вольтметр Uv, опір якого є в багато разів більшим за внутрішній опір джерела струму (RUv>>RВН), отже похибка вимірюваної ЕРС (Е) не проявляється, тому Uv=Е=9,000 В. Внутрішній опір джерела струму здобувачі освіти вимірюють посереднім способом, знявши покази з амперметра і вольтметра при замкнутому ключі. Із Е Е−𝐼𝐼∙𝑅𝑅1 закону Ома для замкненого кола маємо: 𝐼𝐼 = ⇒ 𝑅𝑅вн = , де 𝐼𝐼 ∙ 𝑅𝑅1 – напруга в зовнішньому колі, отже 𝑅𝑅вн =

Е−𝑈𝑈𝑉𝑉 𝐼𝐼

𝑅𝑅1+𝑅𝑅вн 9,000−8,182

0,818

= 1 Ом.

𝐼𝐼

Роботу доцільно доповнити аналогічним натурним практикумом – в якості джерела струму ми використовуємо батарейку типу «Крона», що вже була у використанні, два цифрових мультиметра, резистор 10 Ом, провідники. З рис. 2.3 Е−𝑈𝑈𝑉𝑉 8,53−3,34 бачимо, що 𝑅𝑅вн = = = 15,72 Ом. 𝐼𝐼

0,33

Рис. 2.3. Вимірювання внутрішнього опору батарейки – доповнення віртуального практикуму натурним 2.4. Робота № 3. Дослідження електричних кіл постійного струму Мета роботи: закріплення теоретичних знань, одержання практичних навичок розрахунку і експериментального дослідження електричних кіл постійного струму для послідовного, паралельного та змішаного з’єднання резисторів. Коло з паралельним з’єднанням резисторів. Для кола з паралельним з’єднанням резисторів R1=100 Ом i R2= 10 Ом (рис. 2.4) при напрузі U=20 В слід визначити струм джерела I і струми I1 і I2 у гілках.

Рис. 2.4. Коло з паралельним з’єднанням резисторів У результаті розрахунків отримаємо: 𝑅𝑅 ∙𝑅𝑅 100∙10 𝑅𝑅екв = 1 2 = =9,09 Ом; 𝐼𝐼 =

𝑈𝑈

𝑅𝑅вх

𝑅𝑅1 +𝑅𝑅2 20

9,09

100+10

= 2,2 А; 𝐼𝐼1 =

𝑈𝑈

𝑅𝑅1

100

= 0,2 А; 𝐼𝐼2 = 19

𝑈𝑈

𝑅𝑅2

20 10

= 2 А.

Після проведення розрахунків здобувачі освіти збирають схему в середовищі Multisim, включають режим моделювання, порівнюють результати розрахунків з результатами вимірювань (рис. 2.5) і роблять висновки.

Рис. 2.5. Моделювання електронної схеми в Multisim Коло зі змішаним (послідовно-паралельним) з’єднанням резисторів. Для заданого кола на рис. 2.6 здобувачі освіти мають по варіантах визначити покази амперметрів А1, А2, А3 і падіння напруги на резисторах R1, R2, R3. Розглянемо приклад для напруги джерела напруги постійного струму U=20 В:

Рис. 2.6. Коло зі змішаним з’єднанням резисторів 𝑅𝑅23

У результаті розрахунків отримаємо таке: 𝑅𝑅 ∙𝑅𝑅 60∙20 = 2 3 = =15 Ом; 𝑅𝑅екв = 𝑅𝑅1 + 𝑅𝑅23 = 10 + 15 = 25 Ом.

𝐼𝐼1 =

60+20 𝑅𝑅2 +𝑅𝑅3 𝑈𝑈 20

𝑅𝑅екв

= 0,8 А;

𝑈𝑈12 = 𝐼𝐼1 ∙ 𝑅𝑅1 = 0,8 ∙ 10 = 8 В; 𝑈𝑈23 = 𝐼𝐼1 ∙ 𝑅𝑅23 = 0,8 ∙ 15 = 12 В (також напругу можемо знайти як U23 = U − U1 = 20 − 8 = 12 В); 𝑈𝑈23 12 = = 0,2 А; 𝐼𝐼2 = 60 𝑅𝑅2 20

𝑈𝑈23 12 = = 0,6 А 20 𝑅𝑅3 Тепер здобувачі освіти збирають схему в середовищі Multisim, проводять моделювання схеми та порівнюють отримані результати з результатами розрахунків (рис. 2.7). 𝐼𝐼3 =

Рис. 2.7. Моделювання електронної схеми в Multisim Комп’ютерне моделювання як засіб розв’язання фізичної задачі. Вважаємо за доцільне використовувати на уроках Multisim як доповнення до теоретичного розв’язку окремих задач. На нашу думку це підвищуватиме активізацію i зацікавленість здобувачів освіти. Розглянемо приклад. Для кола зі змішаним з’єднанням резисторів (рис. 2.8) потрібно експериментально визначити силу струму в кожному з резисторів. Напруга між точками А і В дорівнює 12 В, а номінали резисторів R1=R2=8 Ом, R3=10 Ом, R4=6 Ом, R5=3 Ом, R6=6 Ом. Здобувачі освіти збирають схему в Multisim, вмикають режим симуляції та отримують відповіді (рис. 2.9).

Рис. 2.8. Коло зі змішаним з’єднанням резисторів

Рис. 2.9. Комп’ютерна модель електронної схеми в Multisim 2.5. Робота № 4. Визначення роботи та потужності електричного струму Мета роботи: визначити роботу і потужність струму на ділянці кола. Здобувачі освіти отримують файл з електронною схемою, зображеною на рис. 2.10, та включають режим симуляції. Тепер вони обчислюють роботу електричного струму за 30 хв. А = 𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈𝑈 = 12,000 ∙ 2,083 ∙ 1800 = 44,993 кДж, де t = 30 хв = 1800 с. Далі визначають потужність лампи. Р = 𝑈𝑈𝑈𝑈 = 12,000 ∙ 2,083 = 24,996 Вт Результат записують в табл. 2.3.

Рис. 2.10. Визначення роботи та потужності електричного струму

Напруга U, B 12,000

Таблиця 2.3. Результати вимірювань Сила струму I, Робота струму Потужність А А, кДж лампи Р, Вт 2,083 44,993 24,996

2.6. Pобота № 5. Вимірювання вольт-амперної характеристики (ВАХ) напівпровідникового діода Мета роботи: зняти ВАХ напівпровідникового діода. Для вимірювання прямої гілки ВАХ кремнієвого діода 1N914 здобувачі освіти збирають схему, що наведена на рис. 2.11,а. Послідовно збільшуючи значення прямого струму Iпр діода, що задається джерелом струму І1 (0-10 мА), здобувачі освіти заносять значення напруги Unp і струму Iпр діода в табл. 2.4. Далі слід зняти зворотну характеристику діода 1N914, для чого здобувачі освіти збирають схему, зображену на рис. 2.11,б. Послідовно встановлюючи ЕРС джерела напруги від 0 В до 50 В, вони заносять значення струму Iзв і напруги Uзв до табл. 2.5.

а б Рис. 2.11. Схеми для зняття ВАХ діода 1N914: а – пряме включення, б – зворотне включення Таблиця 2.4. Результати вимірювань при прямому включенні діода (на анод подається «плюс») Iпр (мA) 0 0,1 0,50 1,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 14,00 16,00 18,00 Uпр (В) 0 0,54 0,57 0,59 0,62 0,64 0,65 0,66 0,67 0,68 0,69 0,70 Таблиця 2.5. Результати вимірювань при зворотному включенні діода (на анод подається «мінус») ЕРС 0 2,00 5,00 10,00 20,00 35,00 40,00 50,00 V (В) 0 -2,00 -4,99 -9,99 -19,99 -34,99 -39,99 -49,99 Uзв (В) Iзв 0 0,22 0,89 1,78 3,55 7,10 7,11 7,11 (мкА) За отриманими точками (табл. 2.4 і табл. 2.5) будуємо пряму Іпр(Unp) і зворотну Iзв(Uзв) гілку ВАХ (рис. 2.12). Робимо висновки. 23

Рис. 2.12. ВАХ діода 1N914, побудована за допомогою системи комп’ютерної алгебри Mathcad 2.7. Робота № 6. Дослідження електричного кола з напівпровідниковим діодом Мета роботи: дослідити особливості роботи напівпровідникового діода в колі постійного та змінного струму. Принцип дії напівпровідникового діода в колі постійного струму. Здобувачі освіти складають електричне коло за схемою, що зображена на рис. 2.13 та звертають увагу на світіння лампочки під час першого та другого положення перемикача. Роблять висновок як пов’язані між собою світіння лампочки і полярність підключення джерела напруги постійного струму до p-n переходу.

а б Рис. 2.13. Дослідження принципу дії напівпровідникового діода в колі постійного струму: а – лампочка не світиться, б – лампочка світиться Принцип дії напівпровідникового діода в колі змінного струму. Добувачі освіти складають електричне коло за схемою, зображеною на рис. 2.14. Генератор 24

V виробляє синусоїдальну напругу частотою 5 Гц. Протягом позитивних напівперіодів змінної напруги діод VD1 виявляється включеним в прямому напрямку, опір його стає дуже невеликим і через лампочку протікає струм. Протягом негативних напівперіодів діод VD1 виявляється під’єднаним у зворотному напрямку, його опір стає великим, в результаті чого струм, що протікає через діод і лампочку, виявляється досить малим, отже, вона не світиться. Таким чином, через лампочку протікає пульсуючий струм. Тепер здобувачі освіти змінюють полярність увімкнення діода, включають режим симуляції, отримують нову осцилограму і роблять відповідні висновки.

Рис. 2.14. Дослідження принципу дії напівпровідникового діода в колі змінного струму 2.8. Робота № 7. Дослідження мостової схеми напівпровідникового випрямляча Мета роботи: практичне вивчення принципу дії мостового двопівперіодного випрямляча. Спочатку здобувачі освіти мають зрозуміти, що змінний струм використовується в електричних мережах більшості промислових і побутових споживачів. Однак побутова техніка та інші електричні пристрої, основою яких служать мікропроцесори і мікросхеми, для живлення електроніки потребують постійний струм. Випрямлячі й виконують роль перетворювача змінного вхідного електричного струму в постійний вихідний електричний струм. Схемотехно виокремлюють такі типи випрямлячів: 1) напівперіодний (див. роботу 6.2), 2) з нульовим виводом трансформатора, 3) мостова схема (складається з чотирьох діодів). Більш детально зупинимося на принципі дії мостової схеми, що наведена на рис. 2.15. Протягом першого напівперіоду напруга мережі є такою, що потенціал точки а вище потенціалу точки в. Тоді від точки а струм буде проходити через діод VD1 25

до точки г, далі через навантаження Rн до точки б і через діод VD3 до точки в. У цей час діоди VD2 і VD4 «закриті».

Рис. 2.15. Схема двопівперіодного мостового випрямляча Протягом наступного півперіоду, коли потенціал точки в вище потенціалу точки а, струм від точки в буде проходити через діод VD4, навантаження Rн і діод VD2 до точки а. У цей час діоди VD1 і VD3 «закриті». У будь-який півперіод струм через навантажувальний резистор Rн проходить в одному напрямку. Тепер в Multisim збираємо схему (рис. 2.16), що складається з джерела змінного струму (амплітуда 220 В, частота 50 Гц), понижуючого трансформатора з коефіцієнтом трансформації 10, мостової схеми з чотирьох напівпровідникових діодів VD1-VD4 (1BH62), навантажувального резистора Rн (1 кОм) та осцилографа.

Рис. 2.16. Однофазна мостова схема випрямляча Режим моделювання дозволяє отримати часові діаграми напруг двопівперіодного випрямляча (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Часові діаграми напруги на вході (зелений колір) і виході (червоний колір) двопівперіодного випрямляча у режимі моделювання електронної схеми Тепер паралельно навантажувальному резистору Rн під’єднаємо конденсатор С1 (рис. 2.18), номінал якого будемо змінювати від 20 мкф до 100 мкФ, спостерігаючи за тим, як змінюється форма напруги на виході випрямляча. Як приклад на рис. 2.19 наведена осцилограма вихідної напруги при С1=20 мкФ.

Рис. 2.18. Модернізована мостова схема випрямляча (з найпростішим ємнісним фільтром)

Рис. 2.19. Часові діаграми напруги на вході та виході випрямляча (ємнісний фільтр зменшує пульсації випрямленої напруги) 2.9. Робота № 8. Біполярний транзистор у ключовому режимі Мета роботи: дослідити особливості роботи біполярного транзистора у ключовому режимі. У цифровій техніці використовується ключовий режим роботи транзистора, що характеризується двома станами: «відкритий» (опір колектор-емітер малий) і «закритий» (опір колектор-емітер великий). Для дослідження роботи біполярного транзистора у цьому режимі здобувачі освіти збирають схему, наведену на рис. 2.20. При з’єднанні бази з емітером транзистора (Іб=0) струм через колекторний перехід практично не протікає, відповідно лампочка не світить (рис. 2.20,а). При проходженні невеличкого струму між базою і емітером транзистор «відкривається», і колекторний струм стає значним (Іб=0,5 мА, Ік=121 мА), тепер лампочка світить (рис. 2.20,б).

Рис. 2.20. Дослідження роботи біполярного транзистора: а – транзистор «закритий» (лампочка не світить), б – транзистор «відкритий» (лампочка світить) 28

Ця робота дуже важлива, оскільки допомагає здобувачам освіти зрозуміти принцип дії біполярного транзистора. Вони бачать, що за допомогою невеличкого базового струму можна управляти досить великим струмом, що протікає через колекторний перехід. Цю особливість добре ілюстровано рис. 2.21, запозиченому з роботи [9, c. 119], в якій автор влучно проводить аналогію між транзистором і водно-механічним пристроєм. Дійсно, тонкий струмінь води в трубці Б управляє товстим струменем води за допомогою труб К і Е. При цьому струмінь Е дорівнює сумі струменів Б і К.

Рис. 2.21. Водно-механічна модель біполярного транзистора 2.10. Робота № 9. Вимірювання вольт-амперної характеристики біполярного транзистора Мета роботи: Зняти ВАХ біполярного транзистора MPS3707, включеного за схемою із загальним емітером. 1. Збираємо схему, зображену на рис. 2.22. 2. Встановлюємо UКЕ=U1=0 В. Змінюючи значення джерела струму І1 від 1 до 500 мкА, здобувачі освіти записують відповідні значення напруги UБЕ (вольтметр UV1) в табл. 2.6. 3. Повторюємо вимірювання при вихідній напрузі UКЕ=U1=15 В. Заносимо результати вимірювань до табл. 2.6.

Рис. 2.22. Схема для зняття ВАХ біполярного транзистора в Multisim 29

Таблиця 2.6. Дані для побудови вхідних характеристик транзистора Вхідний струм 1 5 10 20 50 100 200 300 400 500 IБ (мкА) 0,49 0,54 0,55 0,57 0,60 0,62 0,64 0,65 0,66 0,66 Вхідна напруга UБЕ (мВ) при UКЕ=0 В 0,62 0,67 0,69 0,71 0,74 0,76 0,78 0,79 0,80 0,81 Вхідна напруга UБЕ (мВ) при UКЕ=15 В 4. Встановлюємо базовий струм І1=100 мкА. 5. Змінюючи значення джерела напруги UКЕ (U1) від 0,1 до 35 В, здобувачі освіти записують відповідні значення струму IК (амперметр А2) до табл. 2.7. 6. Повторюємо вимірювання при вхідних токах IБ=300 мкА і IБ=500 мкА. Таблиця 2.7. Дані для побудови вихідних характеристик транзистора Вихідна 0,1 1,0 2,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 напруга, UКЕ, В 3,2 16,0 16,0 17,0 19,0 20,0 21,0 22,0 24,0 25,0 Вихідний струм IК (мA) при вхідному струмі IБ=100 мкА 6,6 33,0 34,0 36,0 38,0 41,0 44,0 46,0 49,0 52,0 Вихідний струм IК (мA) при вхідному струмі IБ=300 мкА 8,7 46,0 46,0 49,0 52,0 56,0 59,0 63,0 67,0 70,0 Вихідний струм IК (мA) при вхідному струмі IБ=500 мкА

7. За результатами вимірювань слід побудувати вхідні IБ(UБЕ) та вихідні IК(UКЕ) характеристики транзистора для схеми зі спільним емітером (рис. 2.23).

а б Рис. 2.23. Вольт-амперні характеристики біполярного транзистора, побудовані в Mathcad: а – вхідні, б – вихідні Аналізуючи графіки вхідних і вихідних характеристик, здобувачі освіти мають дійти таких висновків: 1) сімейство вхідних ВАХ встановлює залежність вхідного струму бази IБ від вхідної напруги UБЕ при UK=const; 2) вхідні ВАХ транзистора аналогічні ВАХ діода у прямому включенні; 3) сімейство вихідних ВАХ встановлює залежність струму колектора IК від напруги на ньому UКЕ при певному струмі бази. Висновки до розділу 2. Методична розробка лабораторного практикуму «Електричний струм» складається з дев’яти робіт, орієнтованих на використання середовища імітаційного моделювання електронних схем NI Multisim. Практикум доступний для завантаження архівом з файлами у форматі MS14 (Multisim 14 Design File) за адресою https://drive.google.com/open?id=1ICEY3KbdksNjGpLrfLH53YzWgwf1yAoZ. Перспективи подальших досліджень у цьому напрямі вбачаємо у подальшій розробці віртуальних лабораторних робіт, створенні відповідних навчальних посібників, зошитів для лабораторного практикуму. На нашу думку, вагомі позиції матимуть інтегровані віртуально-натурні практикуми, в яких здобувачі освіти зможуть порівнювати теоретичні дані, отримані в режимі моделювання, з реальними процесами, що відбуваються в електричних ланцюгах. Пропоновану розробку було надруковано в Наукових записках Малої академії наук України у 2018 році [10].

РОЗДІЛ 3. ДЕМОНСТРАЦІЙНІ ДОСЛІДИ ЗА ТЕМОЮ «УЛЬТРАФІОЛЕТОВЕ ВИПРОМІНЮВАННЯ. ЗНАЧЕННЯ В ПРИРОДІ ТА ВИКОРИСТАННЯ У ТЕХНІЦІ І МИСТЕЦТВІ» 3.1. Стислі теоретичні відомості. На початку проведення демонстраційних дослідів здобувачів освіти слід ознайомити з основними теоретичними положеннями. Пропонуємо це зробити наступним чином. Ультрафіолетове (УФ) випромінювання – електромагнітне випромінювання, що займає спектральну ділянку між видимим (табл. 3.1) і рентгенівським випромінюванням у межах довжин хвиль 10–380 нм. УФ промені є невидимими для неозброєного людського ока. Таблиця 3.1. Таблиця відповідності кольорів і діапазону довжин хвиль електромагнітного випромінювання Випромінювання Діапазон довжин хвиль, нм Рентгенівське

0,01–10

Ультрафіолетове

10–380

Видиме випромінювання

380–440 (фіолетовий колір) 440–485 (синій колір) 485–500 (блакитний колір) 500–565 (зелений колір) 565–590 (жовтий колір) 590–625 (помаранчевий колір) 625–740 (червоний колір)

УФ діапазон ділять на ближній, тобто найбільш близький до видимого, і далекий або вакуумний. Останній має таку назву, оскільки інтенсивно поглинається повітрям, і його дослідження проводять тільки у вакуумі. Ближнє УФ випромінювання було відкрито в 1801 році німецьким вченим І. Ріттером і, незалежно від нього, англійським ученим У. Волластоном за фотохімічнім впливом випромінювання на хлористе срібло. Далеке УФ випромінювання було виявлено німецьким вченим В. Шуманом за допомогою вакуумного спектрографа (приладу для фотографування спектрів) з флюоритовою призмою (1885–1903) та безжелатинових фотопластин [11]. Міжнародний стандарт ISO-21348 «Визначення спектральних категорій сонячного випромінювання» [12] класифікує ближню ділянку в діапазоні довжин хвиль 300–400 нм, середню – 200–300 нм, вакуумну – 10–200 нм. Слід звернути 32

увагу здобувачів освіти на те, що електромагнітний спектр УФ випромінювання може бути по-різному класифікований. Прийнято виокремлювати групи ультрафіолету А, B і C. За класифікацією, запропонованою на ІІ Міжнародному конгресі зі світла (Копенгаген, 1932 р.), їм відповідають такі діапазонні довжин хвиль: С (100–280 нм), B (280–315 нм), А (400–315 нм). Серед джерел УФ випромінювання прийнято виокремлювати природні та штучні. Природними джерелами УФ, як відомо, є Сонце, зірки, туманності та інші космічні об’єкти. Практично весь ультрафіолет-C і велика частка ультрафіолету-B поглинаються озоном, водяною парою, киснем та іншими компонентами атмосфери. Ультрафіолет-A майже не поглинається атмосферою, тому сонячне світло, що досягає поверхні Землі, значною мірою містить ультрафіолет A, і, в невеликій частці, B (λ>290 нм). УФ випромінювання зірок та інших космічних тіл, окрім поглинання в земній атмосфері, в діапазоні 20–91 нм практично повністю поглинається міжзоряним воднем [11]. Штучними джерелами УФ є газорозрядні джерела світла, електричні дуги (дуговий розряд, зварювальні апарати), напівпровідникові світлодіоди, лазери та ін. Всі демонстраційні досліди, розглянуті нижче, пропонується виконувати з використанням трубчастої люмінесцентної лампи Вуда (від англ. Wood’s light). Ми використовували лампу потужністю 18 Вт. Лампа Вуда – лампа, яка випромінює в найбільш довгохвильовій («м’якій») частині ультрафіолетового діапазону і, на відміну від кварцових ламп, практично не дає видимого світла [13]. Виготовляються такі лампи за тими ж принципами, що і звичайні люмінесцентні, з тією лише відмінністю, що у виробництві ламп Вуда використовується особливий люмінофор і (або) замість прозорої скляної колби використовується колба з дуже темного, майже чорного, синьо-фіолетового увіолевого скла з добавками оксиду кобальту або нікелю. Відкриття цього скла належить американському фізику Р. Вуду. Ультрафіолетове випромінювання можна перетворити на видиме світіння, використовуючи явище люмінесценції, зокрема фотолюмінесценції. Люмінесценція (в перекладі з латинської – світло, що має слабку дію) – випромінювання світла речовиною за рахунок надходження до неї енергії, яка переводить атоми речовини у збуджений стан у результаті нетеплових процесів. Речовину, в якій спостерігають люмінесценцію, називають люмінофором. Люмінесценція може бути викликана дією на речовину світлових променів оптичного діапазону частот (фотолюмінесценція), потоку електронів (катодолюмінісценція), рентгенівських променів (рентгенолюмінесценція), енергії хімічної реакції (хемолюмінесценція), механічного впливу, наприклад, удар, ультразвук (механолюмінесценція) та ін. На явищі люмінесценції засновано принцип дії сцинтиляційних детекторів. За тривалістю існування атомів у збудженому стані фотолюмінесценцію досить умовно поділяють на флуоресценцію (світіння припиняється після того, як 33

закінчується дія збудника) і фосфоресценцію (світіння існує певний час після припинення дії збудника, тобто може продовжуватися годинами, цілодобово і навіть місяцями). Таким чином, фосфоресценція відрізняється від флуоресценції тільки тривалістю післясвітіння. Дуже важливим є експериментально встановлений закон у XIX ст. англійським фізиком Дж. Стоксом. Випромінене під час фотолюмінесценції світло має більшу довжину хвиль, ніж випромінювання, яке збуджує світіння. Як приклад, на рис. 3.1 показано світіння солідолу в УФ променях.

Рис. 3.1. Світіння солідолу при УФ опромінюванні Пізніше було доведено, що правило Стокса не завжди виконується. Загальніша закономірність, яка витримується завжди, відома як закон Стокса– Ломмеля: спектр люмінесценції загалом і його максимум зсунуті щодо спектра поглинання і його максимуму в довгохвильову ділянку. 3.2. Опис демонстраційних дослідів. Розглянемо пізнавальні досліди, які ми проводили на базі ОКЗ «Сєвєродонецький коледж культури і мистецтв імені Сергія Прокоф’єва» (2017–2019 роки, м. Сєвєродонецьк), Міжнародної зеленої школи (2018 рік, с. Космач) та Центру розвитку обдарованості Унікум (2018 рік, м. Чернігів). Для відтворення дослідів знадобиться темна аудиторія. 1. Явище фотолюмінесценції покладено в основу будови люмінесцентних ламп (ламп денного світла). Внутрішня поверхня скляної розрядної трубки покрита речовинами, що яскраво світяться під дією короткохвильового випромінювання газового розряду. 2. У цьому експерименті використаємо аркуші жовтуватого і білого офісного паперу (рис. 3.2). Жовтуватий папір в УФ не світиться.

Рис. 3.2. Порівняння паперу в УФ освітленні 34

Білий папір поглинає УФ-випромінювання, перетворюючи отриману енергію у видиме світло, в блакитній частині спектра. З метою підвищення білизни паперу в його структуру вводять флуоресцентну речовину. Вона й перетворює УФ випромінювання у видиме світло. 3. Розпорошимо над білим офісним папером сонцезахисний спрей. Піддаючи папір УФ випромінюванню, спостерігаємо, що в місцях, вкритих спреєм, інтенсивність світіння зменшилася. 4. Для наступного досліду нам знадобиться мийний засіб (пральний порошок), водопровідна вода і медичний бинт. Сучасні пральні порошки містять багато різних компонентів (поверхнево-активні речовини, фосфати (фосфонати), цеоліти, ензими та ін.). Для нашого досліду інтерес представляють складні хімічні флуоресцентні речовини, що надають ефект білизни – оптичні відбілювачі. Використаємо пральний порошок для демонстрації явища флуоресценції. В УФ випромінювання помістимо оптично прозорі колби з водою та водним розчином прального порошку. Освітлений розчин випромінює яскраве блакитне світло (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Вода та розчин прального порошку в УФ (розчин прального порошку флуоресціює блакитним) Оптичні відбілювачі не виводять плям, а роблять їх менш помітними (ніби «осідають часточками» на тканині). Для підтвердження цього використаємо медичний бинт. Бачимо, що після прання він почав флуоресціювати (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Медичний бинт після прання з пральним порошком набув флуоресцентної властивості 35

5. У цій демонстрації порівняємо в ультрафіолетовому випромінюванні господарське вибілювальне мило з дігтярним і білим туалетним (рис. 3.5). Біле мило яскраво світиться, дігтярне – ні. Який висновок мають зробити здобувачі освіти? Виявляється, для надання чистоти колірного відтінку в туалетне мило також можуть додавати оптичні відбілювачі.

Рис. 3.5. Дігтярне, туалетне та господарське вибілювальне мило при УФ освітленні 6. Під дією УФ випромінювання світяться деякі бактерії, грибкові колонії, молюски, риби. Фотолюмінесцентний аналіз застосовується дерматологами при діагностиці багатьох захворювань. За допомогою лампи Вуда можемо переконатися в тому, що багато тканин людського організму мають характерне світіння, наприклад нігті, зуби (рис. 3.6), кришталик ока (явище біолюмінесценції).

Рис. 3.6. Зуби в УФ флуоресціюють ніжним біло-блакитним кольором 7. Яскраві фарби також можуть виготовлятися з додаванням флуоресцентних речовин (рис. 3.7). Їх з успіхом використовують для різних сфер виробництва декорованої продукції та боді-арту. Задовільний демонстраційний ефект дозволяють отримати маркери для виділення важливих частин тексту. Яскраві чорнила з їх стрижнів добре розчиняються у воді, а освітлена УФ рідина яскраво флуоресціює (рис. 3.8). 36

Рис. 3.7. Флуоресцентні акрилові фарби та фарби-грим

Рис. 3.8. Водні розчини чорнил з маркерів при УФ опромінюванні 8. З метою захисту від підробок документи прийнято забезпечувати ультрафіолетовими мітками. У нашому досліді доцільно застосувати лампу Вуда як УФ-детектор валют і детектор документів – досліджуємо на предмет флуоресцентних знаків (фарба, нитки тощо) паспорта, банківські платіжні картки та банкноти різних країн (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Ультрафіолетові позначки на банкнотах і першій сторінці паспорта громадянина України для виїзду за кордон 9. За допомогою спеціальних дослідів було доведено, що бджоли не сприймають кольори так як людина. Вони не розрізняють червоного, але реагують на УФ випромінювання. «Виявляється, для бджіл привабливими є білі, жовті та блакитні квіти. Вони сідають і на червоні квіти, які відбивають УФ світло. Тому бджоли бачать тільки розкриті квіти, а бутони, листки, стебла рослин їх не приваблюють» [14]. Створена дослідниками Імперського коледжу Лондона і 37

коледжу Королеви Марії Лондонського університету база даних FReD (Floral Reflectance Database, http://www.reflectance.co.uk), дозволяє «побачити» колірну гаму рослин очима бджіл та інших комах. При такому підході здобувачі освіти можуть виявити «посадкові позначки», видимі в УФ. Ці «позначки» можуть мати форму концентричних кіл або певних точок. Існує думка, що вони і приваблюють комах в якості направляючих до нектару [14]. 10. Величезна кількість речовин характеризується здатністю до флуоресценції, серед них вітамін А, рибофлавін (вітамін В2), хлорофіл. Вітаміни А має жовто-зелену флуоресценцію. Продемонструвати це в УФ освітленні допомагає розчин олійний ретинолу ацетату. Вітамін В2, як і вітамін А, переважно флуоресціює у зеленій ділянці спектра. Хлорофіл має червону флуоресценцію. Групою вчених з університетів Колумбії та Інсбрука було обґрунтовано здатність спілих бананів флуоресціювати блакитним через утворення стійких сполук, що накопичуються у банановій шкірці з розпадом хлорофілу [15]. Вважається, це може бути також знаком для тварин, які здатні бачити в УФ. Іншими дослідниками розроблено неруйнівний метод оцінки пошкоджень апельсинів (без порушення цілісності фрукта), що виникають при суттєвих коливаннях температури навколишнього середовища [16]. При цьому в УФ освітленні оцінюється наявність і площа флуоресцентних плям на поверхні цедри (рис. 3.10,а). Сік апельсинової та мандаринової цедри чудово флуоресціює на руках тих, хто чистив фрукти (рис. 3.10,б).

а б Рис. 3.10. Сік з мандаринової цедри флуоресціює при УФ освітленні 11. Здатність до флуоресценції мають природні камені та мінерали – алмаз, апатит, барит, кальцит, червона шпінель, польові шпати, топаз, флюорит, циркон, янтар та ін. Для підтвердження цього освітлимо УФ лампою набір природних каменів (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Природні камені при опроміненні видимим (ліворуч) і ультрафіолетовим (праворуч) світлом 12. Явище фотолюмінесценції характеризується дуже високою чутливістю при малих концентраціях флуоресцентної речовини в розчині. Ця висока чутливість робить фотолюмінесценцію важливим засобом виявлення деяких мізерно малих домішок. Перевірити це нам допоможе гірко-кислий безалкогольний газований напій, до складу якого входить хінін. Кору хінного дерева здавна застосовували індіанці Перу, а тонізуючий напій з хініном було винайдено для боротьби з тропічною малярією в Індії та Африці. За деякими джерелами хінін також може застосовуватися у лікуванні спазмів м’язів та артриту. В УФ освітленні порівняємо енергетичний та тонізуючий безалкогольні напої з питною водою (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Енергетик, тонік і питна вода при опроміненні видимим (ліворуч) і ультрафіолетовим (праворуч) світлом Бачимо, що вода не флуоресціює. Жовто-зелена флуоресценція енергетика обумовлена наявністю в складі напою рибофлавіну (вітаміну В2). Яскраво-блакитне світіння тоніка пояснюється наявністю в напої похідних хініну. 13. У цьому досліді розглянемо лінзи сонцезахисних окулярів на предмет фільтрації УФ компоненти. Лампу Вуда закрита світлонепроникним кожухом з невеличкою щілиною (рис. 3.13,а). Між щілинним джерелом УФ і колбою з флуоресцентною рідиною помістимо досліджувану лінзу (рис. 3.13,б). У нашому випадку скляна темна лінза повністю блокує довжину хвилі, що випромінюється 39

джерелом УФ, і світіння рідини не спостерігається. Пластикова темна лінза із дешевих окулярів ослаблює інтенсивність УФ і рідина починає підсвічуватися. Для того, щоб здобувачі освіти мали змогу визначити переваги і недоліки різних видів сонцезахисних окулярів на підставі кількісного аналізу, доцільно використовувати датчик інтенсивності УФ цифрової лабораторії Еinstein™ разом з програмним забезпеченням MiLAB.

a б Рис. 3.13. Вивчення лінз сонцезахисних окулярів на предмет фільтрації УФ 14. Ще не так давно в метрополітенах по всьому світу широкою популярністю користувалися жетони для турнікетів, принцип дії багатьох з них також ґрунтувався на ефекті флуоресценції. У приймач опускається пластмасовий жетон, виготовлений з додаванням флуоресцентного барвника (рис. 3.14). Усередині турнікета розташовано джерело ультрафіолету, під дією якого падаючий жетон яскраво флуоресціює з певною довжиною хвилі. Спеціальний фотоелемент з детектором реєструють це світіння, після чого подається сигнал дозволу на прохід.

Рис. 3.14. Жетон для турнікетів метрополітену флуоресціює в УФ 15. Світлодіоди білого світіння зазвичай складаються з самого кристала, що випромінює синє світло, і нанесеного на нього люмінофора. Завдяки накладанню власного випромінювання кристала та індукованого ним випромінювання флуоресцентної речовини (рис. 3.15) наш зір сприймає у цілому світло як біле. 40

Рис. 3.15. Світлодіоди LED лампи при опроміненні видимим (ліворуч) і ультрафіолетовим (праворуч) світлом Опромінення світлодіодів ультрафіолетом дозволяє виявити несправні елементи LED лампи без використання спеціальних електронних вимірювальних приладів. На люмінофорі несправних світлодіодів будуть проглядатися чорні точки. 3.3. Сценарій авторського навчального відео. Розглянемо сценарій авторського навчального відео, записаного 20 квітня 2019 року зі здобувачами освіти Сєвєродонецького коледжу культури і мистецтв імені Сергія Прокоф’єва. 1. Мета відео – підвищення ефективності навчально-виховного процесу за рахунок розширення демонстраційних дослідів з теми «Ультрафіолетове випромінювання. Значення в природі та використання у техніці і мистецтві». 2. Тип навчального відео (за видом взаємодії викладача зі здобувачами освіти) – синхронний, демонстраційні заходи. 3. Глядачі – здобувачі освіти закладів загальної середньої освіти (10–11 класи), фахової передвищої освіти (І курс). 4. Літературний сценарій – за основу взято розглянуту вище методичну розробку «Ультрафіолетове випромінювання. Значення в природі та використання у техніці і мистецтві». 5. Режисерський сценарій наведено в табл. 3.2. №

Таблиця 3.2. Режисерський сценарій авторського навчального відео Наповнення сцени Дійова ХроноПримітка (локація, зміст, план) особа метраж сцени, секунди Вступна заставка. Титр – 10 Музичний супровід титру з назвою відео Навчальна аудиторія. У Викладач 15 Загальне освітлення в кадрі: доповідач, навчальній аудиторії із лабораторний стіл, заштореними вікнами (або дошка, люмінесцентна приміщенні без вікон). 41

лампа. Доповідач озвучує тему заходу, а також формулює регламент роботи. Середній план Музична заставка Охарактеризування ультрафіолетового (УФ) випромінювання. Середній план Музична заставка Аналіз джерел УФ випромінювання. Середній план Порівняння трубчастих люмінесцентних ламп між собою. Середній план Будова лампи Вуда та фізичні особливості скла Вуда. Середній план Музична заставка Узагальнення проблеми. Середній план Сутність явища люмінесценції. Середній план Порівняння флуоресценції та фосфоресценції. Середній та великий план Музична заставка Охарактеризування оптичних відбілювачів у складі мийних засобів. Середній план

– Здобувач освіти

04 100

Музичний супровід титру Загальне освітлення в навчальній аудиторії.

– Здобувач освіти

04 80

Музичний супровід титру Загальне освітлення в навчальній аудиторії.

Викладач 30

Загальне освітлення в навчальній аудиторії.

Здобувач освіти

Загальне освітлення в навчальній аудиторії.

– 04 Викладач 10

Музичний супровід титру Загальне освітлення в навчальній аудиторії.

Здобувач освіти

Загальне освітлення в навчальній аудиторії.

Викладач 120

– Здобувач освіти

04 60

Навчальна аудиторія із заштореними вікнами і вимкненим світлом. Дослід проводиться в променях УФ люмінесцентної лампи. Музичний супровід титру Загальне освітлення в навчальній аудиторії.

Прання світлої тканини Викладач 200 в мийних розчинах, що містять оптичний відбілювач. Середній та великий план Музична заставка – 04 Кольоровий зір бджоли Здобувач 105 освіти Приклади квітів рослин 15 в УФ випромінюванні Застосування Здобувач 20 фотолюмінісцентного освіти аналізу в медицині Демонстрація світіння Викладач 30 нігтів в УФ променях. Середній та великий план Музична заставка – 04 Про флуоресценцію Здобувач 90 вітамінів. Середній освіти план Дослід з використанням Здобувач 20 ретинолу ацетату. освіти і Середній та великий викладач план Дослід з використанням 30 розчину вітамінів групи В. Середній план Музична заставка – 04 Про здатність деяких Здобувач 40 мінералів освіти флуоресцентувати. Середній план Світіння природних Викладач 30 каменів під дією УФ. Великий план Фотолюмінесценція як Здобувач 50 засіб виявлення малих освіти домішок флуоресцентних речовин у розчинах 43

Розчини готуються при загальному освітленні. Далі дослід проводиться в темряві у променях УФ люмінесцентної лампи. Музичний супровід титру Загальне освітлення в навчальній аудиторії. Демонстрація фотографій з прикладами. Загальне освітлення в навчальній аудиторії. Проводиться в променях УФ люмінесцентної лампи. Музичний супровід титру Загальне освітлення в навчальній аудиторії. Проводиться у променях УФ люмінесцентної лампи. Проводиться у променях УФ люмінесцентної лампи. Музичний супровід титру Загальне освітлення в навчальній аудиторії. Дослід проводиться в променях УФ люмінесцентної лампи. Загальне освітлення в навчальній аудиторії.

23 24

25 26

Світіння хініну в тонізуючих напоях. Середній план і пландеталь Музична заставка Про флуоресцентні барвники в жетонах для турнікетів Демонстрація флуоресценції декількох жетонів. Середній план і пландеталь Устрій світлодіодів білого світіння Виявлення несправних елементів LED лампи під дією УФ. Середній план і план-деталь Музична заставка Сфери застосування УФ. Фото-приклади Застосування флуоресцентної фарбигриму в мистецтві Ультрафіолетовий макіяж з елементами бодіарту

Викладач 30

Порівняння розчинів при денному світлі та в УФ променях.

– Здобувач освіти

Музичний супровід титру Загальне освітлення в навчальній аудиторії.

04 35

Викладач 20

Проводиться в променях УФ люмінесцентної лампи.

Здобувач 30 освіти Здобувачі 30 освіти, викладач

Загальне освітлення в навчальній аудиторії. Дослід проводиться у променях УФ люмінесцентної лампи.

– Здобувач освіти Здобувач освіти

Музичний супровід титру Загальне освітлення в навчальній аудиторії. Демонстрація в променях УФ люмінесцентної лампи. Чергування денного світла і УФ освітлення

04 130 10

Здобувачі 60 освіти

Бачимо, що пропоноване нами відео складається з набору коротких логічно завершених і лаконічних сцен, тривалість яких не перевищує 2–3 хвилин. Відео розміщено на відеохостингу YouTube за адресою https://youtu.be/tDxqlZajQzw (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Скріншот відео-уроку, записаного у 2019 році (https://youtu.be/tDxqlZajQzw)

Висновки до розділу 3. Описані та систематизовані демонстраційні досліди у цьому розділі мають на меті полегшити викладачам закладів загальної середньої і фахової передвищої освіти процес підготовки за темою «Ультрафіолетове випромінювання. Значення в природі та використання у техніці і мистецтві», а також спонукати вихованців до навчально-пізнавальної діяльності, допомагати їм краще опановувати новий матеріал. Здобувачі освіти мають зробити висновок щодо важливості застосування фотолюмінесценції у різних галузях людського життя (ідентифікація речовин, виявлення малих концентрацій речовин, визначення ступеня чистоти речовини тощо). Результати роботи оприлюднювалися в рамках літньої сесії Всеукраїнського заходу «STEM-школа – 2018» (рис. 3.17, рис. 3.18), а також надруковані в Наукових записках Малої академії наук України (2018 рік) [17].

Рис. 3.17. Скріншот відео запису доповіді https://youtu.be/1RnW_s2IHDU

Рис. 3.18. Сертифікат спікера літньої сесії «WEB-STEM-ШКОЛА – 2018» 46

РОЗДІЛ 4. ДОСВІД СТВОРЕННЯ STEM-ОРІЄНТОВАНОГО НАВЧАЛЬНОГО ВІДЕО КОНТЕНТУ З жовтня 2011 року автор конкурсної роботи веде YouTube-канал «voronkinalex». Навчальний канал досить популярний – має 177473 переглядів. Необхідність його створення спочатку полягала в підтримці авторського відкритого онлайн курсу «Вступ до фізики звуку», який проходив у жовтні – грудні 2011 року [1; 18]. Тоді в рамках вебінарів, що проводилися на платформі WizIq, демонструвалися відео-фрагменти фізичних експериментів шляхом ретрансляції з YouTube. З часом акцент почав зміщуватися на використання відео в аудиторному навчанні. З’явилася ідея створювати деякі фізичні експерименти по-новому. Однак їх підготовка і проведення в аудиторії займала б тривалий час від тривалості заняття. Так і виникла ідея записувати такі відео в позаурочний час з натхненними здобувачами освіти, а потім шляхом обробки матеріалу і відеомонтажу доводити їх тривалість від 4 до 15 хвилин. Наприклад, відеоролик «Кільця Ньютона» (https://youtu.be/r0Sa4bl1fNM) записувався на прикладі мильної бульбашки у темній аудиторії, триває 6 хвилин. Підбір техніки освітлення дозволив добитися високої контрастності інтерференційних ліній, що чітко унаочнило процеси утворення інтерференційних максимумів і мінімумів у мильній плівці (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Скріншот відео уроку «Кільця Ньютона» Відеозапис капілярного ефекту (рис. 4.2) здійснювався понад годину, а ефект прискореного руху дозволив вкластися в 7 хвилинний підсумковий відеоролик (https://youtu.be/F5QK925pgwA). 47

Рис. 4.2. Скріншот відео уроку «Демонстрація капілярного ефекту» Ще один приклад – відео «Саморобний 3D проектор» (https://youtu.be/5VPyeAe1y3U), яке переглянуло понад 2000 користувачів (рис. 4.3). Це відео було рекомендовано як додатковий матеріал до підручника «Я досліджую світ» [19].

Рис. 4.3. Скріншот відео уроку «Саморобний 3D проектор» 48

Перелік міждисциплінарних навчальних і пізнавальних відео, розміщених у 2018–2019 роках на сервісі YouTube зведено в табл. 4.1, серед яких – спектральний аналіз музичних сигналів, аналіз і синтез звуків мови, скраплений газ і туман. Такі відео стало зручно демонструвати не тільки під час очних занять, а й під час дистанційного навчання. Здобувачі освіти можуть переглядати експерименти дома в зручний для себе час. Доступ до всіх матеріалів є відкритим.

№

2 3 4

6 7 8

Таблиця 4.1. Перелік відео-уроків і пізнавальних відео, розміщених у 2018–2019 роках на сервісі YouTube Назва Посилання Тривалість хвилин:cекунд Паперові кільця міцніше дерев’яної палиці? Демонстрація капілярного ефекту Скраплений газ і туман Фрагмент практичної частини уроку «Умови виникнення електричного струму Демонстрація акустичної стоячої хвилі у трубці Кундта Спектральний аналіз музичних сигналів Аналіз і синтез звуків мови Формантний аналіз голосних звуків (в рамках спектрального аналізу) Кільця Ньютона (на прикладі мильної плівки) Саморобний 3D проектор

Відеоуроки https://youtu.be/S-Elq5tzWRo