Використання демонстраційного матеріалу при вивченні статистичних закономірностей розподілу молекул

Воденнікова Лариса
(Запоріжжя, Україна)
ОСВІТА
(Сучасні методи викладання)
ВИКОРИСТАННЯ ДЕМОНСТРАЦІЙНОГО МАТЕРІАЛУ ПРИ ВИВЧЕННІ СТАТИСТИЧНИХ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ РОЗПОДІЛУ МОЛЕКУЛ
В стрімко зростаючому потоці наукової інформації сучасні тенденції розвитку науки та технологій вимагають впровадження нової системи навчання, яка забезпечувала б надбання знань та навичок, розвиток творчих здібностей здобувачів вищої освіти [1]. В реалізації цього завдання особливо важливу роль відіграє викладання курсу «Фізика» для здобувачів вищої освіти спеціальностей медичного, фармацевтичного та ветеринарного спрямувань.
Зазначимо, що фундаментальні науки, які викладаються на початковому етапі навчання у закладах вищої освіти, сприяють формуванню матеріалістичного світогляду, глибокому розумінню фізичних процесів та явищ при вивченні спеціальних (фахових) дисциплін. Важливим джерелом нових знань для здобувачів освіти методом навчання та унаочнення є показ демонстраційного матеріалу на лекціях. Особливо доцільним використання демонстраційного матеріалу є для іноземних студентів, для яких лекційний експеримент дозволяє поглиблено вивчити основи теорії та практики фізики, підтверджуючи теоретичні уявлення експериментальними дослідженнями.
Відомо, що властивості величезного скупчення молекул, що утворюють тіло, підлягають особливим статистичним закономірностям. Їх можна вивчити за допомогою статистичного методу, який ґрунтується на тому, що властивості макроскопічної системи визначаються властивостями частинок системи, особливостями їх руху і усередненими значеннями динамічних характеристик цих частинок (швидкості, енергії тощо) [2].
При викладанні лекційного матеріалу за темою «Статистична закономірність розподілу молекул» у якості демонстраційного матеріалу може використовуватися демонстрацію розподілу кульок на прикладі «Дошки Гальтона» (рис.1, а).

а                                                                                                              б
Рис. 1. Загальний вид дошки Гальтона (а) та статистична закономірність розподілу молекул (б)

Демонстрація експериментальних даних зазначеної теми відбувається наступним чином. Лектор звертає увагу студентів на те, що коли у лійку вертикально розташованого приладу (дошки Гальтона) спочатку опускати яку-небудь одну дрібну сталеву кульку, можна спостерігати, як падаючи, вона зіштовхується з багатьма цвяхами та зовсім випадково попадає в той або інший відсік. Потім, по черзі опускаючи ще 2-3 кульки, студенти переконуються, що, незважаючи на однакові умови, ці одиночні кульки попадають зовсім в інші, випадкові відсіки [3].
Як результат перевірки сприйняття матеріалу ставиться питання – чи можна за цими трьома дослідженнями визначити ймовірність попадання наступної кульки в той чи інший відсік? Відповідь – ні. Щоб встановити закон ймовірності треба виконати велику кількість аналогічних дослідів. Нарешті, у лійку насипають жменю інших однакових кульок (свинцевий дріб) і надають їм можливість по черзі падати у відсіки крізь заслін цвяхів (рис. 1, б). Рівень кульок набирає вигляду гістограми, яку можна апроксимувати пологій кривій – кривій Гауса. Тобто розподілу ймовірностей випадкової величини підпорядковуються найрізноманітніші по своїй фізичній природі випадкові змінні. В даному дослідженні це відхилення від центру [4]. Слід зазначити, що трапляються лише випадкові незначні відхилення між наслідками окремих дослідів з великим числом кульок, тобто чим більше число висипаних кульок, тим менша величина незначних випадкових відхилень.
Таким чином, при викладанні курсу «Фізика» іноземні студенти наочно побачили, що кульки у відсіках розміщуються нерівномірно й у той же час не випадково. Процес буде підкорятися статистичному закону розподілу: найбільше кульок виявиться в середньому відсіку, а в інших – кульок буде тим менше, чим далі від середини. Оскільки закон розподілу стосується випадкових подій, то попадання свинцевого дробу в ту чи іншу комірку, є статистичним законом.
У процесі проведення контролю знань у іноземних студентів з курсу «Фізика», а зокрема теми «Статистична закономірність розподілу молекул» було встановлено, що впровадження у навчальний процес демонстраційного матеріалу дає змогу іноземним студентам підвищити ефективність засвоєння лекційного матеріалу ≈ на 10-15%, активізувати пізнавальний інтерес до фізичних явищ.
Література:
1. Лумпиева Т. В. Демонстрационное обеспечение лекций по физике /Т. В. Лумпиева, А. Ф. Волков// Вестник Академии гражданской защиты, 2020. – Вып. 1(21). – С. 52–58.
2. Зачек І. П. Курс фізики: навч. підручн. / Зачек І. П., Кравчук І. М., Романишин Б. М. [та ін.]; за ред. І. Є. Лопатинського. – Львів: Бескид Біт. – 2002. – 376 с.
3. Воденнікова Л.В. Лекційні демонстрації з фізики: метод. вказівки до проведення лекційних демонстрацій за курсом фізики / Л. В. Воденнікова, А. С. Жагров. – Запоріжжя. – 2005. – 76 с.
4. Гаркуша И. П. Лекционные демонстрации по физике: учебн. пособие / И. П. Гаркунова. –Д.: Национальный технический університет «Днепровская политехника». –2018. – 162с.