Школьный класс как среда для моделирования

https://urok.1sept.ru/articles/603237

Введение
Человечество в любых областях своей деятельности постоянно создает и использует модели окружающего мира. Модели позволяют представить в наглядной форме объекты и явления недоступные для непосредственного восприятия (очень большие или очень маленькие объекты, очень медленные или очень быстрые явления и др.).

В физике это, например, явления, связанные молекулярной и атомной структурой вещества, электрические и тепловые явления и др.

Возьмем в качестве среды для моделирования школьный класс и создадим несколько моделей известных физических явлений. В этом случае каждый ученик класса представляется нами как малая частица, а весь класс — как совокупность большого числа малых частиц.

1. Газы, жидкости, твердые тела

1.1 Физические свойства

            Газы отличаются тем, что их молекулы находятся друг от друга на расстояниях в среднем много превышающих размеры молекул. Газ занимает весь предоставленный ему объем, молекулы газа хаотически движутся во всех направлениях, мало взаимодействуя друг с другом.

В жидкостях молекулы «упакованы» плотно. Как следствие, жидкость имеет постоянный объем. Молекулы жидкости длительное время находятся в определенном месте (положение равновесия), совершая около него хаотические колебания. Это, так называемые, «оседлые положения». Однако молекулы жидкости время от времени могут менять оседлые положения (с этим связано свойство текучести жидкости).

В твердых телах молекулы так же располагаются плотно. Колеблются около некоторых положений равновесия, но менять их не могут. Если это кристалл, то такие положения распределены в пространстве периодично и называются узлами кристаллической решетки.

1.2 Модели

            Школьный класс на перемене – это модель газа. Школьники занимают весь предоставленный им объем («растекаются» по зданию школы), общий характер движения – хаотический.

Класс на уроке физкультуры – модель жидкости. Учащиеся находятся в ограниченном пространстве (спортзал). Играя, например, в волейбол находятся некоторое время около некоторого положения равновесия, совершая около него движения. Затем это положение меняется.

На уроке, например, физики – модель твердого кристаллического тела. Ученики не покидают своих мест, совершая мелкие движения около них. Существует периодичность в расположении учеников (ряд, парта в ряду).

2. Фазовые переходы

2.1 Плавление

            Плавление – процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. При этом атомы (молекулы) покидают положения равновесия, и вещество приобретает свойство текучести.

Моделью плавления можно считать поведение класса сразу же после звонка с урока. Ученики покидают свои места (положения равновесия) и «текут» к выходу из кабинета.

При звонке на урок происходит обратная ситуация: происходит «отвердевание» (кристаллизация) – ученики занимают свои места за партами.

2.2 Парообразование

            В процессе парообразования происходит переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Атомы (молекулы) становятся более подвижными, двигаются хаотически и удаляются на значительные расстояния друг от друга.

Поведение класса за дверьми школьного кабинета после звонка на перемену – модель парообразования.

Обратный процесс, конденсация, моделируется случаем, когда класс входит с перемены на урок в школьный кабинет

3. Электрические явления

Хорошо известна гидродинамическая модель для явлений, связанных с протеканием электрического тока. В этой модели аналогами, например, проводника являются трубы, а источников тока – насосы.

Построим «классную» модель некоторых электрических явлений.

3.1 Электрическое сопротивление

            Известно, что причиной сопротивляемости металлов протеканию электрического тока является «рассеяние» электронов на узлах металлической решетки. С увеличением температуры сопротивление металлов растет, что связано с увеличением амплитуды тепловых колебаний атомов в узлах решетки и, соответственно, к увеличению вероятности рассеяния электронов.

Представим, что ученик (электрон) должен пройти через толпу неподвижно стоящих одноклассников (металлическая решетка). Ученик легко будет находить промежутки между одноклассниками и пройдет сквозь толпу, испытывая некоторые отклонения от прямолинейного направления. Так же и электрон движется в металле, испытывая его сопротивление.

Теперь представим, что каждый одноклассник в толпе начинает совершать беспорядочные движения (влево-вправо, вперед-назад и т.п.) около некоторого положения. Тем самым мы моделируем тепловые колебания атомов в металлической решетке. В этом случае ученику уже труднее пробраться сквозь толпу, ему то и дело придется сталкиваться со своими одноклассниками. Сопротивление повысилось.

Повышение температуры моделируется увеличением амплитуды беспорядочных движений учеников в толпе. Вероятность столкновений (рассеяния) увеличивается – увеличивается сопротивление.

Заключение

            Подобное моделирование физических явлений «оживляет» интерес учеников, заставляет их «включиться» в тему, «подключает» их фантазию. Такие модели дают возможность ученикам посмотреть на физические явления с необычной точки зрения. Всё это помогает развивать и удерживать интерес к изучению физики, стимулирует творческие способности учащихся.