Волновые Свойства частиц

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«Мордовский государственный

педагогический институт 

имени М.Е. евсевьева»



Физико-математический факультет



Кафедра физики и методики обучения физике





КУРСОВАЯ РАБОТА



МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕМЫ «ФОТОЭФФЕКТ» В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ

Автор курсовой работы: И.С. Климахин, студент V курса группы МДФ-113 очной формы обучения____________________________________________

                                                  дата                                        подпись



44.03.05 Педагогическое образование. Профиль Физика. Информатика.



Руководитель: В.В. Карпунин, канд. физ.-мат. н., доцент________________

                         дата         подпись                                                                                                            





Саранск 2017




Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

1 Структура и содержание раздела Квантовая физика…………………………7

1.1 Особенности методики изучения раздела «Квантовая физика»................7

1.2 Квантовая физика по программе Г.Я. Мякишева…………………….…….8

2. Методика изучения раздела «Квантовая физика…………………………...15

2.1 Изучение вопроса о световых квантах . Внешний фотоэффект…….…..15

2.2 Квантовые постулаты  Бора……………………………………….………..22

2.3 Волновые Свойства частиц……………. …………………………………..25

2.4 Физика атомного ядра. Состав атомного ядра…………………………....31

      Заключение…………………………………..………………………………34

      Список использованных источников……………………….……….........35

	





        





























Введние

Квантовая механика - физическая теория, открывшая своеобразие свойств и закономерностей микромира, установившая способ описания состояния и движения микрочастиц. Методы квантовой механики находят широкое применение в квантовой электронике, в физике твердого тела, современной химии. Ее широко используют в физике высоких энергий, изучающей строение ядра атома и свойства элементарных частиц. Результаты исследования находят все большее применение в технике. Достаточно вспомнить успехи квантовой теории твердых тел, выводы которой положены в основу создания новых материалов с заранее заданными свойствами (магнитными, полупроводящими, сверхпроводящими и т. д.), квантовые генераторы, ядерные реакторы. Квантовая физика является более высокой ступенью познания, нежели классическая физика. Она установила ограниченность многих классических представлений. Однако введение основ квантовой физики в среднюю школу - сложная методическая задача. Малая наглядность квантовомеханических объектов (частица - волна), сложность математического аппарата, необычность ее исходных идей и понятий создают методические трудности. Поэтому вопросы квантовой физики очень осторожно вводят в школьный курс.

Основные познавательные задачи этого раздела - ознакомить учащихся со специфическими законами, действующими в области микромира, и завершить формирование представлений о строении вещества.

В курсе физики строение вещества рассматривали в основном на молекулярном уровне. Молекулярно-кинетическая теория объясняла строение и свойства газов (количественно), жидкостей и твердых тел (на качественном уровне). В данном разделе учащихся знакомят со строением вещества на атомном и субатомном уровне. В теме "Атом и атомное ядро" они изучают вначале строение атома по Резерфорду-Бору, а затем, после обсуждения дуализма свойств микрочастиц, получают и современные представления о строении атома. Достаточное внимание в этом разделе уделяют составу и свойствам ядра атома (его размеру, заряду, массе, плотности, энергии связи, удельной энергии связи и др.). В конце раздела учащихся знакомят с основными характеристиками и свойствами элементарных частиц, дают представление о современной их классификации, о роли их в строении вещества и в передаче взаимодействий.

Раздел "Квантовая физика" решает, кроме того, важные задачи политехнического образования. При его изучении учеников знакомят с устройством и принципом действия фотоэлементов, с примерами их использования в технике, физическими основами спектрального анализа, ядерным реактором и применением ядерной энергии в мирных целях, с использованием радиоактивных изотопов в промышленности, сельскохозяйственном производстве, в науке, медицине.

Знакомство с элементарными частицами дает веское подтверждение принципа неисчерпаемости материи, ибо учащиеся убеждаются в том, что материальные объекты и их свойства крайне многообразны, элементарные Частицы не являются "простыми", они обладают множеством свойств и способны к взаимопревращениям.

Корпускулярно-волновой дуализм свойств света и элементарных частиц, взаимопревращаемость элементарных частиц позволяют раскрыть материальное единство мира и диалектическую связь прерывного и непрерывного, а подчинение всех ядерных процессов основным   законам   сохранения служит   хорошей   иллюстрацией принципа неуничтожимости и несотворимости материи и движения.

Как и во всем курсе физики, большое внимание при изучении этого раздела обращают на роль опыта в процессе познания, на взаимосвязь теории и практики, эксперимента. Необходимо подчеркивать, что теория применима в тех границах, в которых экспериментально подтверждаются вытекающие из нее следствия. Противоречие экспериментальных фактов теории служит отправным моментом для ее уточнения или создания новой теории. Например, изучая оптику, учащиеся убедились в том, что явления отражения и преломления, интерференции и дифракции хорошо объясняются на основе теоретических представлений о волновой природе света. Однако волновая теория света не объясняет все законы фотоэффекта. Необходимость объяснения новых экспериментальных фактов привела к созданию квантовой теории света. Опыт Резерфорда опроверг первоначальную модель атома, предложенную Томсоном, а на смену, модели атома Резерфорда пришла теория Бора, которая лучше согласовалась с экспериментальными фактами.

Квантовая физика является более глубокой физической теорией, ибо она более полно объясняет большой круг физических явлений, нежели классическая физика. Квантовая механика установила, что ряд представлений классической физики не являются абсолютными, они хороши лишь для макроскопических тел. Но квантовая физика не отрицает полностью классическую. Она лишь ограничивает область ее применения. Законы классической механики и электродинамики для макротел остаются незыблемыми. Кроме того, в предельных случаях выводы квантовой физики совпадают с результатами классической. При больших квантовых числах дискретность "смазывается" и процесс становится квазинепрерывным.

Материал раздела предоставляет большие возможности для организации самостоятельной деятельности учащихся. Полезно широко использовать периодическую систему Менделеева и предложить им на ее основе самостоятельно раскрыть состав ядер некоторых элементов, рассчитать для них дефект масс, энергию связи, удельную энергию связи и т. п. Оценочные расчеты различных параметров микромира, широко используемые в этом разделе, могут быть содержанием самостоятельной деятельности учащихся в школе и дома, а анализ полученных в них результатов - хорошая школа развития мышления учащихся. Этой же цели служит решение задач, которые в данном разделе носят по преимуществу тренировочный характер и требуют акцента на анализе полученных данных: полезно сопоставлять энергии связи ядер с энергией связи других систем, например молекул; кинетическую энергию ?-частиц с энергией теплового движения молекул; плотность ядерного вещества с известными плотностями различных веществ и т. п. Результаты этого анализа позволяют выпускникам школ лучше понять порядок величин в микромире, осмыслить своеобразие микромира.

В развитие квантовой физики внесли свой вклад многие выдающиеся отечественные и зарубежные ученые: Э. Резерфорд, Н. Бор, П. Кюри, М. Складовская-Кюри, М. Лауэ, Луи де Бройль, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак, Э. Шредингер, И. Е. Тамм, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, О. Гаи, Э. Ферми, Л. Д. Ландау, В. А. Фок, Д. В. Скобельцын, А. И. Алиханов, В. И. Векслер, И. В. Курчатов и многие другие. Изучение их жизни и деятельности представляет благодатный материал для патриотического и интернационального, а также нравственного воспитания учащихся


1 Структура и содержание раздела Квантовая физика

      1.1 Особенности методики изучения раздела «Квантовая физика»

Квантовую физику изучают в конце школьного курса физики, причем изучают впервые. Нигде на протяжении всего школьного курса физики учащиеся не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с дискретностью энергии, со свойствами ядра атома, с элементарными частицами. 

Для повышения качества усвоения материала очень важно опираться на ранее полученные знания. Например, при изучении правил смещения при радиоактивном распаде и при изучении ядерных реакций необходимо широко опираться на законы сохранения массы и заряда. Перед изучением строения атома целесообразно повторить понятие центростремительного ускорения, законы Ньютона, закон Кулона, и т.д.

Особенность содержания квантовой физики также накладывает отпечаток на методику ее изучения. В этом разделе учащихся знакомят со своеобразием свойств и закономерностей микромира, которые противоречат многим представлениям классической физики. От школьников для его усвоения требуется не просто высокий уровень абстрактного, но и диалектическое мышление. Противоречия волна - частица, дискретность - непрерывность рассматривают с позиций диалектического материализма. Поэтому  при изучении этого раздела учителю важно опираться на те философские знания, которые получили учащиеся в курсе обществоведения, чаще напоминать им, что метафизическому противопоставлению (либо да, либо нет) диалектика противопоставляет утверждение: и да, и нет (в одних конкретных условиях - да, в других - нет). Поэтому нет ничего удивительного в том, что свет в одних условиях (интерференции, дифракции) ведет себя как волна, в других - как поток частиц.

Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Но число демонстрационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень невелико. Поэтому, кроме эксперимента, широко используют рисунки, чертежи, графики, фотографии треков, плакаты и диапозитивы. 

1.2 Квантовая физика по программе Г.Я. Мякишева

Законом об образовании предусмотрена существенная реорганизация всей системы школьного образования, в том числе и физического. Существует пакет разнообразных программ, обеспечивающих различные варианты осуществления как уровневой дифференциации в рамках многоуровневых программ и учебников, так и профильной дифференциации, подразумевающей создание специальных классов и школ с различными уклонами: гуманитарным, естественнонаучным, физико-математическим, техническим и др.

Одной из программ является программа Г.Я. Мякишева. Это традиционная программа по физике для основной общеобразовательной школы. Составлена она на основе обязательного минимума содержания физического образования для основной школы в соответствии с Базисным учебным планом общеобразовательных учреждений. В программе, кроме перечня элементов учебной информации, предъявляемой учащимся, содержится перечень демонстраций, лабораторных работ и школьного физического оборудования, необходимого для формирования у школьников умений, указанных в требованиях к уровню подготовки выпускников основной школы. Автор программы предусматривает раздел “Квантовая физика”, изучению которой отводится 32 часа. Здесь объясняются следующие разделы и темы:

Световые кванты. Тепловое излучение. Постоянная Планка. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Фотоны.

Атомная физика. Строение атома. Опыты Резерфорда. Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода Бора. Трудности теории Бора. Квантовая механика. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм. Дифракция электронов. Лазеры.

Физика атомного ядра. Методы регистрации элементарных частиц. Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада. Протон-нейтронная модель строения атомного ядра. Энергия связи нуклонов в ядре. Деление и синтез ядер. Ядерная энергетика.

Особенности методики изучения данного раздела определяются местом этого раздела в школьном курсе физики и спецификой изучаемого в нем материала. Квантовую физику изучают в конце школьного курса физики, причём изучают на количественном уровне впервые. Нигде на протяжении всего школьного курса физики учащиеся практически не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с дискретностью энергии, со свойствами ядра атома, с элементарными частицами. Лишь о строении атома и его ядра школьники получили самые первоначальные представления в базовом курсе физики, а более полные — в курсе химии. Это обстоятельство требует от учителя так построить учебный процесс, чтобы при изучении материала добиваться глубокого и прочного усвоения его учащимися. Необходима продуманная работа по закреплению и применению изучаемого материала при решении задач, выполнении лабораторных работ и т.д.

Для повышения качества усвоения материала очень важно опираться на ранее полученные знания. Например, при изучении правил смещения при радиоактивном распаде и при изучении ядерных реакций необходимо широко опираться на законы сохранения массы и заряда. Перед изучением строения атома целесообразно повторить понятие центростремительного ускорения, законы Ньютона, закон Кулона, а также те сведения о строении атома, которые учащиеся получили в базовом курсе физики и при изучении химии.

Особенность содержания квантовой физики также накладывает отпечаток на методику её изучения. В этом разделе учащиеся знакомят со своеобразием свойств и закономерностей микромира, которые противоречат многим представлениям классической физики. От школьников для его усвоения требуется не просто высокий уровень абстрактного мышления, но и диалектическое мышление. Противоречия “волна-частица”, дискретность-непрерывность” рассматривают с позиций диалектического материализма. Поэтому при изучении этого раздела учителю важно опираться на те философские знания, которые имеют учащиеся, чаще напоминать им, что метафизическому противопоставлению диалектика противопоставляет утверждение: и да, и нет. Поэтому нет ничего удивительного в том, что свет в одних условиях ведёт себя как волна, в других — как поток частиц.

Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Но число демонстрационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень невелико. Поэтому, кроме эксперимента, широко используют рисунки, чертежи, графики, фотографии треков, плакаты и диапозитивы. Прежде всего, необходимо иллюстрировать фундаментальные опыты, а также разъяснять принцип устройства приборов, регистрирующих частицы, ускорителей, атомного реактора, атомной электростанции и т. п. При изучении этого раздела широко используют учебные видеофильмы, диафильмы, а также диапозитивы и настенные таблицы. Очень большие возможности в данном отношении открывает компьютерное моделирование.

Программа с углубленным изучением физики

Наряду с традиционными программами большим преимуществом пользуются программы для школ с углубленным изучением физики — например, программа, авторами которой являются Ю.И. Дик, В.А. Коровин, В.А. Орлов, А.А. Пинский.

Согласно этой программе, в 11-м классе, помимо раздела “Колебания и волны” изучается раздел “Квантовая физика”. Дик и Коровин предлагают изложение материала в световых квантах вести в историческом аспекте. Наличие у фотона не только энергии, но и импульса обосновывается световым давлением и эффектом Комптона. На базе опытов Боте и Иоффе-Добронравова рассматривается вопрос о флуктуациях фотонов. Предполагается анализ корпускулярно-волновой двойственности свойств света и электромагнитного излучения других диапазонов.

При изучении темы “Физика атома” вначале называются факты, которые приводят к квантовой тории атома; это анализ опыта Резерфорда, проблема неустойчивости атома с позиции классической физики, невозможность объяснить происхождение линейчатых спектров. Не ограничиваясь полуклассической теорией Бора, программа вводит учащихся в круг идей квантовой механики. Рассматриваются идеи де Бройля, опыты Девиссона и Джермера, соотношение неопределённостей. Вводится пси-функция, и указан её физический смысл. Решение уравнения Шрёдингера для случая частицы в прямоугольной одномерной потенциальной яме позволяет показать, что принцип квантования энергии — логическое следствие основных положений квантовой механики. Введение понятий о спине электрона и принципе Паули даёт возможность разъяснить строение периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Идеи Эйнштейна о самопроизвольном и вынужденном излучении используются как база для раскрытия принципа действия оптического квантового генератора.

В теме “Физика атомного ядра” предполагается рассмотрение механизма альфа - и бета-распада, гамма-излучения. При анализе бета-распада вводится понятие о нейтрино, а в связи с гамма-излучением — понятие об эффекте Мёссбауэра. При изложении свойств ионизирующих излучений рассказывается о принципах дозиметрии и защиты, о проблеме радиофобии. Ядерная энергетика предусматривает знакомство с урановым реактором и синтезом ядер гелия.

Тема “Элементарные частицы” завершает курс физики. В ней вводится понятие о фундаментальных взаимодействиях, излагается современная классификация элементарных частиц, даются начальные сведения об идеях квантовой хромодинамики.

Анализируя данную программу, мы видим, что она предусматривает значительный объём учебного материала, более детально и глубоко излагает материал, не ограничивается одной теорией, а вводит другие теоретические идеи, рассматривает задачи, не включенные в традиционный урок.

 Физика в самостоятельных исследованиях

Но квантовая физика может вводиться не только в старших классах. Авторы еще одной программы, Н.Е. Важеевская и Н.С. Пурышева, предлагают изучать квантовую физику в 9-м классе. Программа отражает содержание курса физики основной школы. Она учитывает цели обучения физике учащихся основной школы и соответствует государственному стандарту физического образования.

Одной из тем курса физики 9-го класса является тема “Элементы квантовой физики”, её содержание направлено на формирование у учащихся некоторых квантовых представлений и знаний о строении атома и атомного ядра.

Курс физики носит экспериментальный характер, поэтому большое внимание в нем уделено демонстрационному эксперименту и практическим работам учащихся.

В курсе реализована идея уровневой дифференциации. К теоретическому материалу второго уровня, помимо обязательного, т. е. материала первого уровня, отнесены некоторые вопросы истории физики, материал, изучение которого требует хорошей математической подготовки и развитого абстрактного мышления, прикладной материал. Перечень практических работ также включает работы, обязательные для всех, и работы, выполняемые учащимися, изучающими курс на повышенном уровне. В тексте программы выделены первый и второй уровни, при этом предполагается, что второй уровень включает материал первого уровня и дополнительные вопросы.

Для каждого класса предусмотрены дополнительные темы, которые изучаются при условии успешного усвоения учащимися основного материала и наличии времени.

В разделе “Элементы квантовой физики” изучаются следующие темы:

Темы I уровня

Явление фотоэффекта. Фотон. Фотон и электромагнитные волны. Применение фотоэффекта.

Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома. Спектры испускания и поглощения. Спектральный анализ.

Состав и строение атомного ядра. Протон и нейтрон. Заряд ядра. Массовое число ядра. Явление радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения. Биологическое действие излучения. Счетчик Гейгера.

Ядерные реакции. Деление и синтез ядер.

Ядерная энергетика.

Элементарные частицы: фотон, электрон, протон, нейтрон. Взаимные превращения элементарных частиц.

Темы II уровня

Законы фотоэффекта. Гипотеза Планка. Давление света.

Развитие представлений о строении атома. Гипотеза Бора.

Изотопы. Радиоактивные изотопы, их применение. Понятие о радиоактивном распаде. Методы регистрации радиоактивных излучений.

Деление ядер. Синтез ядер.

Частицы и античастицы.

В этом разделе проводятся фронтальные лабораторные работы:

I уровень

Наблюдение явления фотоэффекта.

Наблюдение спектров.

II уровень

Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям.

Курс квантовой физики 9-го класса выполняет, главным образом, задачу подготовки учащихся к изучению этого раздела во второй ступени. Главной целью остается подготовка к более глубокому изучению квантовой физики тех учащихся, которые будут изучать этот предмет в старших классах средней школы.


















2 Методика изучения раздела «Квантовая физика»

2.1 Изучение вопроса о световых квантах . Внешний фотоэффект.

Фотоэффект, его законы занимают особое место в истории физики. Явление фотоэффекта было одним из основных среди явлений, исследование которых привело к созданию квантовой теории вообще и квантовой теории света в частности. Сущность явления внешнего фотоэффекта и его главные закономерности заключаются, как известно, в следующем: под действием электромагнитного излучения наблюдается испускание (эмиссия) электронов из металлов. В нумерации законов фотоэффекта, их последовательности и числе есть определенный произвол. Формулировки законов приводят как для макропроцессов (через фототок), так и для микропроцессов (через фото-электроны). Приведем ниже одну из принятых формулировок законов фотоэффекта.

1. Фототок насыщения пропорционален освещенности катода. Число фотоэлектронов, вырываемых с катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая наименьшая частота, света ?0, при которой еще возможен внешний фотоэффект; эта величина зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности; при частоте света меньше красной границы фотоэффекта (?