Котляр Анна
Науковий керівник: кандидат педагогічних наук, доц. Сірик Е.П.
Кіровоградський державний педагогічний університет
імені Володимира Винниченка
Анотація: у статті наведено приклад демонстраційного експерименту, який може бути відтворений завдяки розробленому педагогічному програмному засобу « Віртуальна фізична лабораторія з вивченні рідких кристалів».
Ключові слова: фізичний експеримент, рідкі кристали, віртуальна фізична лабораторія, програмний педагогічний засіб.
Виклад основного матеріалу. Аналіз змісту і методики навчання фізики свідчить, що навчальні програми, посібники та підручники, як правило, не повною мірою відображають останні наукові та технічні досягнення, а також методи наукових досліджень, які широко використовує сучасна фізика у вивчені природних явищ та процесів. Це виражається в тому, що багато тем і роздолів, які складають предмет дослідження у шкільному курсі фізики, зараз недостатньо теоретично представленні у змісті шкільного курсу фізики й одночасно недостатньо забезпечені необхідною системою навчального експерименту й обладнанням для їхнього з’ясування учнями в старшій школі. З окремих тем у процесі навчання фізики запропоновано мало дослідів, що створює своєрідні протиріччя як у змісті, так і в методиці та методології реалізації навчально-виховних завдань. Разом з цим ознайомлення із новими досягненнями науки і техніки формує правильне уявлення про навколишній світ та місце в ньому людини. Тому постає проблема розробки нового змісту навчального матеріалу та адекватних йому методів і засобів навчання, котрі належним чином відображали б рівень сучасних наукових досягнень у процесі навчання фізики й особливо в умовах профільного вивчення шкільного курсу фізики у закладах різного типу та профілю. Одним із перспективних напрямків розвитку фізичної науки, результати якого широко впроваджуються в повсякденне життя людини, але ще не на достатньому рівні відображені у відповідних програмах та підручниках з фізики для середніх навчальних закладів, є фізика рідких кристалів, яка давно вже виділилася в окрему наукову галузь. За цих умов вивчення фізичних основ рідких кристалів учнями середніх навчальних закладів з урахуванням профільного навчання, на нашу думку, не може сприяти якісному ознайомленню школярів з властивостями рідких кристалів та їх широким практичним застосуванням. Однак, вивчення фізики рідких кристалів можливе на факультативних заняттях, під час гурткової роботи та самостійній роботі учнів в позаурочний час [1, с.140].
Рідкий кристал – це проміжний стан між твердим тілом та рідиною. Даний агрегатний стан є термодинамічно стійким станом. Йому одночасно притаманні такі властивості рідини, як текучість, в’язкість, так і кристалів – пружність, анізотропія та ін. Специфічність цього стану речовини пояснюється особливою будовою молекул. Ці молекули можуть мати різну форму, але більшості із них притаманна паличкоподібна видовжена форма та плоска у вигляді диска. Перший тип молекул при обертанні навколо довгої вісі утворює циліндр з великою висотою і малим діаметром. Інша форма, яка має ще назву дискотичні молекули, на відміну від паличкоподібних розташовується не вздовж осей, а вздовж виділеної площини.
Рідкі кристали можна отримати або за допомогою плавлення – вони називаються термотропними, або за допомогою розчину деяких твердокристалічних тіл – ліотропні рідкі кристали. Як ті, так і інші можуть утворювати подібні за структурою речовини із своєрідною будовою молекул ті їх розташуванням.
У фізиці рідкі кристали досліджуються за допомогою лабораторного експерименту. Основна мета лабораторних робіт: ознайомити учнів з експериментальним методом дослідження фізичних явищ; формувати розуміння принципів випромінювання фізичних величин, оволодіти способами і технікою вимірювань, а також методами аналізу похибок.
Застосування віртуальних лабораторій пов’язане з недостатньою забезпеченістю обладнання шкіл, що створює своєрідні протиріччя як у змісті, так і в методиці та методології реалізації навчально-виховних завдань. «Віртуальна фізична лабораторія з вивчення рідких кристалів» є педагогічним програмним засобом, для забезпечення процесу вивчення рідких кристалів в умовах профільного навчання у загальноосвітніх навчальних закладах та вищих навчальних закладах. Демонстраційному експерименту належить провідне місце саме на першому етапі ознайомлення школярів з основами фізики та на початковому етапі формування вмінь експериментування, як приклад можна описати такий дослід, як демонстрація оптичної активності пропускання світла холестеричного рідкого кристала.
Метою даної демонстрації є показ особливості пропускання світла холестеричним рідким кристалом.
Теоретичні відомості про оптичну активність холестричного рідкого кристала, базуються на основних положеннях теорії О. Френеля про обертання площини поляризації світлового пучка оптично активними речовинами. Тому перед проведенням демонстрації потрібно акцентувати увагу учнів на таких поняттях, як поляризація світлового пучка, плоскополяризована світлова хвиля, колова поляризація. Слід також відмітити, що оптична активність зумовлена анізонтропією оптичних властивостей, яка спричинена внутрішньою будовою речовини.
Наступним кроком потрібно з’ясувати будову холестричного рідкого кристала та проходження через нього світлового пучка. Необхідно наголосити на тому, що кут повороту площини поляризації у холестричного рідкого кристала залежить не лише від товщини речовини, через яку проходить світловий пучок, як у твердих кристалів, рідинах та їх розчинів, а й від кроку холестеричної спіралі.
Під час демонстрації вчитель головну увагу звертає на низку таких послідовних дій, які дозволяють виявити внутрішні закономірності перебігу демонстраційного явища. [2, с.253] Для цього збирається установка, що включає в себе напівпровідниковий лазер, оптичну комірку з холестричним рідким кристалом планарної орієнтації, розсіювальну лінзу, поляроїд та екран. Лазерне випромінювання володіє властивістю поляризації та є монохроматичним, що дозволяє отримати досить якісне вузько направлене плоскополяризоване світло без використання поляризатора та додаткових оптичних систем на відміну від використання теплового джерела світла. Всі елементи за виключенням оптичної комірки з холестричним рідким кристалом розміщуються на оптичній лаві в такому порядку: лазер; оптична комірка; поляроїд; розсіювальна лінза; екран.
Поворотом поляроїда досягають максимального затемнення екрану. Після цього, розміщуючи між лазером та поляроїдом оптичну комірку, демонструючи оптичну активність холестерика. Для цього достатньо повернути оптичну комірку в оправі, щоб змінити кут поляризації лазерного пучка, що проходить холестричний рідкий кристал. Таким чином крізь поляризатор, в залежності від кута між площиною поляризації лазерного пучка, що пройшов крізь оптичну комірку, та площиною поляризації поляроїда буде проходити лазерний пучок різної інтенсивності, зміну яких учні мають змогу спостерігати на екрані [3, с.111].
Висновки. Оскільки, на вивчення рідких кристалів за навчальною програмою для загальноосвітніх навчальних закладів дається досить мало часу, що недостатньо для виконання лабораторних робіт, то доцільно провести кілька демонстрацій при поясненні цього матеріалу. «Віртуальна фізична лабораторія з вивчення властивостей рідких кристалів», розроблена Величком С.П. та Неліповичем В.В., дає змогу як на якісному так і на кількісному рівні, вивчати властивості рідких кристалів.
Гармонійне поєднання шкільного фізичного експерименту з вивчення рідких кристалів з правильно розробленою методикою їх викладання, може сприяти глибшому розумінню учнями розділу «Будова речовини», так як на прикладі фазових переходів рідких кристалів можна проілюструвати саме будову структури речовини, та розширити кругозір учнів, частково вийшовши за межі шкільного курсу, цим самим розвивати в учнів образне і аналітичне мислення, що сприятиме кращому засвоєнню нового матеріалу.
Список літератури
- Величко С.П. Демонстрації електрооптичних властивостей рідких кристалів у загальному курсі фізики / С.П. Величко, В.В. Неліпович // Вісник Чернігівського держ. пед. ун-ту ім Т. Г. Шевченко. Серія: Педагогічні науки. – Чернігів, 2007. - Т.2, Вип. 46. – С. 139 - 142.
- Величко С.П. Демонстраційний експеримент у вищому навчальному закладі під час вивчення електрогідродинамічних ефектів в рідких кристалах / С.П. Величко, В.В. Неліпович // Наукові записки. Серія: Педагогічні науки. – Кіровоград : РВВ КДПУ ім. В. Винниченка, 2007. – Ч.1, Вип. 72. – С. 251-256.
- Величко С.П., Неліпович В.В. Вивчення фізичних властивостей рідких кристалів у середній загальноосвітній школі: посібник для вчителів - 2-е вид. доповнене. – Кіровоград: ПП « Ексклюзив-Систем», 2015. – 232с.
- Величко С.П. Оптична міні-лава та інтергрований навальний експеримент. Посібник для студ. фіз.-мат. фак-тів пед. вищих навч. закладів / С.П. Величко, І.М. Гладкий, Д.О. Денисов та ін.: За ред. С.П. Величка. – У 2-х частинах – Кіровоград: РВВ КДПУ ім. В. Винниченка, 2008. Частина 1. Проблеми навчального експерименту з оптики та квантової фізики. Оптична міні-лава. – 148с.