МІНІСТЕРСТВО АГЕНСТВО ДО ОСВІТИ
Державні освітні установи
ВИЩОЇ ОСВІТИ
«БАШКИРСЬКА ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. М. АКМУЛЛИ »
(ГОУ ВПО «БДПУ ім. М. АКМУЛЛИ»)
Факультет фізико-математичний
Кафедра загальної фізики
Спеціальність фізика
Курс IV
САДУЛІН ВЕНЕРА АХМЕТОВ
МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ квантової оптики У БАЗОВОЇ І ПРОФІЛЬНОЇ ШКОЛАХ
Курсова робота
Науковий керівник к.п.н., доцент
Даутова Б.В.
Уфа 2008
ЗМІСТ
Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3
1. Структура вивчення квантової оптики в школі ... ... ... ... ... ... ... ... .. 5
2. Особливості методики вивчення квантової оптики ........... ... ... ....... 7
3. Методика вивчення питання про світлові кванти .. ... ... ... ... ... ......... 10
3.1. Зовнішній фотоефект ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...... 10
3.2. Ефект Комптона ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .18
3.3. Фотони. Двоїстість властивостей світла ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... .21
3.4. Застосування фотоефекту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... 25
4. Роль і значення розділу «Квантова оптика» ... ... ... .. ... ... ... ... ... .. 26
Література ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .33
ВСТУП
Місце курсу фізики у шкільній освіті визначається значенням фізичної науки в житті сучасного суспільства, у вирішальному її вплив на темпи розвитку науково-технічного прогресу. Навчання фізики в школі служить цілям освіти і виховання особистості: озброювати учнів знаннями і вміннями, необхідними для їх розвитку, підготовки до роботи і продовження освіти. У завдання навчання фізики входить:
а) виховання учнів на основі роз'яснення ролі фізики в прискоренні науково-технічного прогресу, розкриття досягнень науки і техніки та перспектив їх розвитку, ознайомлення з внеском вітчизняних і зарубіжних вчених у розвиток фізики і техніки;
б) формування знань про експериментальні факти, поняттях, законах, теоріях, методах фізичної науки, сучасної наукової картини світу; техніки, атомної енергетики, технології виробництва і обробки нових матеріалів, із застосуванням фізичних законів у техніці і технології виробництва;
в) формування умінь самостійно здобувати і застосовувати знання, спостерігати і пояснювати фізичні явища, а також вмінь користуватися підручником, довідковою та хрестоматійною літературою;
г) формування деяких експериментальних умінь: умінь користуватися приладами та інструментами, обробляти результати вимірювань і робити висновки на основі експериментальних даних, дотримуватися правил техніки безпеки;
д) розвиток пізнавального інтересу до фізики і техніки, творчих здібностей, формування усвідомлених мотивів навчання, підготовка до свідомого вибору професії на основі тісного зв'язку навчання фізики з життям.
Рішення завдань освіти і розвитку школярів, підготовки їх до праці можливе лише за умови засвоєнні ними основ фізичної науки. На це спрямована реалізація принципу генералізації навчального матеріалу, такого його відбору і такої методики викладання, при яких головна увага приділяється вивченню основних фактів, понять, законів, теорій і методів фізичної науки, узагальнення широкого кола фізичних явищ на основі теорії. Звідси випливає підвищення вимог до вміння учнів застосовувати основні положення науки для самостійного пояснення фізичних явищ, результатів експерименту, дії приладів та установок.
1. СТРУКТУРА ВИВЧЕННЯ квантової оптики У ШКОЛІ
Програмою по кожному класу згідно з розділами курсу визначено коло основних питань, знання яких слід вимагати від учнів. До них відносяться:
а) фізичні ідеї, досвідчені факти, поняття, закони, які учні повинні вміти застосовувати для пояснення фізичних процесів, властивостей тіл, технічних пристроїв і т. д.;
б) прилади та пристрої, якими учні повинні вміти користуватися, фізичні величини, значення яких вони повинні вміти визначати дослідним шляхом та ін;
в) основні типи завдань, формули, які учні повинні вміти застосовувати при розв'язуванні обчислювальних і графічних завдань; фізичні процеси, технічні пристрої, які можуть бути об'єктом розгляду в якісних завданнях.
У програмі дані зразкові норми оцінки знань і вмінь учнів, якими необхідно керуватися вчителю в практичній діяльності.
Програма передбачає використання Міжнародної системи одиниць (СІ), а в ряді випадків і деяких позасистемних одиниць, що допускаються до застосування.
Розподіл навчального часу за темами є зразковим. Вчителю надається право змінювати порядок вивчення окремих питань всередині теми, а також використовувати на власний розсуд резервний час, вказаний у програмі кожного класу.
СТРУКТУРА:
Світлові кванти, квантова оптика (II год)
Лекції (3 год)
Фотоелектричний ефект та його закони. Кванти світла. Рівняння фотоефекту. Вакуумний та напівпровідниковий фотоелементи. Застосування фотоефекту в техніці.
Фотон. Корпускулярно-хвильовий дуалізм. Тиск світла. Досліди Лебедєва. Хімічна дія світла та його застосування.
Демонстрації
1. Фотоелектричний ефект на установці з цинкової пластиною.
2. Закони зовнішнього фотоефекту.
3. Пристрій і дія напівпровідникового і вакуумного фотоелементів.
4. Пристрій і дія фотореле на фотоелементі.
5. Хімічна дія світла.
Рішення задач (4 год)
Письмовий залік (1 год)
Контрольна робота № 3 (2 год)
Резерв (1 год)
Лабораторний практикум (10 год)
2. ОСОБЛИВОСТІ МЕТОДИКИ ВИВЧЕННЯ квантової оптики
Особливості методики вивчення даного розділу визначаються місцем цього розділу в шкільному курсі фізики і специфікою досліджуваного в ньому матеріалу. Розглянемо вплив кожного з цих факторів окремо.
Квантову оптику вивчають в кінці шкільного курсу фізики, причому вивчають на кількісному рівні вперше. Ніде протягом усього шкільного курсу фізики учні практично не зустрічалися з дуалізмом властивостей частинок, речовини і поля, з дискретністю енергії, з властивостями ядра атома, з елементарними частинками. Лише про будову атома і його ядра школярі отримали самі початкові уявлення в базовому курсі фізики і більш повні - в курсі хімії. Ця обставина вимагає від вчителя так побудувати навчальний процес, щоб при вивченні матеріалу домагатися глибокого і міцного засвоєння його учнями. Необхідна продумана робота по закріпленню і застосуванню досліджуваного матеріалу при вирішенні завдань, виконання лабораторних робіт, роботі з дидактичним матеріалом і т. д. Розумінню і засвоєнню розділу сприяють оціночні розрахунки, наприклад, довжин хвиль де Бройля, пов'язаних з різними об'єктами, розміру ядра, його щільності, енергії зв'язку і т. п. Нині, коли школи оснащені мікрокалькулятора і ЕОМ, ці розрахунки не займають багато часу, а їх результати часто володіють великою переконливістю.
Для підвищення якості засвоєння матеріалу дуже важливо спиратися на раніше отримані знання. Наприклад, при вивченні правил зміщення при радіоактивному розпаді і при вивченні ядерних реакцій необхідно широко спиратися на закони збереження маси та заряду. Перед вивченням будови атома доцільно повторити поняття доцентровий прискорення, закони Ньютона, закон Кулона, а також ті відомості про будову атома, які учні отримали в базовому курсі фізики і при вивченні хімії.
Особливість змісту квантової оптики також накладає відбиток на методику її вивчення. У цьому розділі учнів знайомлять зі своєрідністю властивостей і закономірностей мікросвіту, які суперечать багатьом уявленням класичної оптики. Від школярів для його засвоєння потрібно не просто високий рівень абстрактного мислення, але й діалектичне мислення. Суперечності хвиля - частинка, дискретність - безперервність розглядають з позицій діалектичного матеріалізму. Тому при вивченні цього розділу вчителю важливо спиратися на ті філософські знання, які мають учні, частіше нагадувати їм, що метафізичного протиставлення (або так, або ні) діалектика протиставляє твердження і так, і ні (в одних конкретних умовах - так, в інших - немає). Тому немає нічого дивного в тому, що світло в одних умовах (інтерференція, дифракція) веде себе як хвиля, в інших - як потік частинок.
У процесі викладання квантової оптики недоцільно говорити про дивацтва мікросвіту, парадоксальності його законів. Це навряд чи буде сприяти засвоєнню матеріалу, але може заплутати учнів. Розкриваючи своєрідність законів мікросвіту, відмінність їх від законів класичної фізики, переконують школярів у природності цих відмінностей. З цієї ж причини з історією становлення квантової механіки (наскільки важким, часом болісним був процес наукового пізнання мікросвіту) учнів краще знайомити лише після вивчення цього розділу. Ця історія - ще одне свідчення нескінченності процесу пізнання, відносності істини на кожному етапі його розвитку. Вона здатна переконати школярів у тому, що людський розум відкрив багато дивовижного в природі і, ймовірно, відкриє ще більше.
Для полегшення засвоєння квантової фізики необхідно в навчальному процесі широко використовувати різні засоби наочності. Але число демонстраційних дослідів, які можна поставити при вивченні цього розділу, в середній школі дуже невелика. Тому, крім експерименту, широко використовують малюнки, креслення, графіки, фотографії треків, плакати і діапозитиви. Перш за все необхідно ілюструвати фундаментальні досліди (досвід Резерфорда по розсіюванню a-частинок, досліди Франка і Герца та ін), а також роз'яснювати принцип пристрою приладів, що реєструють частинки, прискорювачів, атомного реактора, атомної електростанції і т. п. При вивченні цього розділу широко використовують навчальні відеофільми «Фотоефект», «Фотоелементи та їх застосування», «Тиск світла», «Радіоактивність і атомне ядро», «Ядерна енергетика в мирних цілях», кінофрагменти «Дискретність енергетичних рівнів атома (досвід Франка-Герца)», « Природа лінійчатих спектрів атомів водню », діафільми« Трекові прилади в ядерній фізиці »,« Прискорювачі заряджених частинок »,« Цей мирний атом добрий »,« Будова атома і атомного ядра », а також діапозитиви« Атомне ядро »і настінні таблиці (« Атомна електростанція »та ін.) Дуже великі можливості в даному відношенні відкриває комп'ютерне моделювання.
3. МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ ПИТАННЯ ПРО Світлові кванти
3.1. Зовнішній фотоефект
Фотоефект, його закони займають особливе місце в історії фізики. Явище фотоефекту було одним з основних серед явищ, дослідження яких призвело до створення квантової теорії взагалі та квантової теорії світла зокрема. Фотоефекту відводять, тому центральне місце на початку вивчення квантової оптики. Саме з розгляду закономірностей фотоефекту зазвичай в середній школі вводять уявлення про світлові кванти.
Сутність явища зовнішнього фотоефекту і його головні закономірності полягають, як відомо, в наступному: під дією електромагнітного випромінювання спостерігається випускання (емісія) електронів з металів. Явище це практично безинерціонной. Число випускаються електронів визначається інтенсивністю падаючого випромінювання, швидкість же вириваються електронів не залежить від інтенсивності світла і визначається тільки його частотою. При частоті світла менше певної (характерною для кожного металу) фотоефект не спостерігається. Ці закономірності були встановлені експериментально і задовго до створення квантової теорії. Але всі спроби пояснити їх на основі хвильових уявлень електромагнітної теорії світла терпіли невдачу.
Зазвичай у навчальній літературі ці закономірності формулюють як два, три (і навіть чотири) закону фотоефекту. Щоправда, такого суворого поділу законів на перший, другий, третій (як, наприклад, для законів динаміки Ньютона) не існує. У нумерації законів, їх послідовності і числі є певний свавілля. Формулювання законів призводять як для макропроцесів (через фотострум), так і для мікропроцесів (через Фотоелектрони). Наведемо нижче одну з прийнятих формулювань законів фотоефекту.
1. Сила фотоструму насичення пропорційна інтенсивності світла. Кількість електронів, що вириваються з катода за 1 с, пропорційно поглинається за цей час енергії світлової хвилі.
2. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів визначається частотою світла і не залежить від його інтенсивності.
3. Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто така найменша частота випромінювання v 0, при якій ще можливий зовнішній фотоефект; значення цієї частоти залежить від хімічної природи речовини і стану його поверхні; при частоті випромінювання, меншою червоною кордону фотоефекту (v <V 0), фотоефект не відбувається.
4. Фотоефект практично безінерційна.
Введення нових для учнів квантових уявлень про властивості світла є непростим методичне завдання. Розуміння квантової природи взаємодії світла з речовиною «не лежить на поверхні» фотоефекту, до такого розуміння ми підводимо учнів у результаті багатоступінчастого логічного міркування в ході обговорення результатів експерименту. У методиці вивчення фотоефекту можна виділити кілька етапів:
1. Знайомство учнів із самим явищем фотоефекту. Розповідь про історію його відкриття (Г. Герц).
2. Розповідь про пошук закономірностей цього явища. Дослідження А. Г. Столєтова.
3. Розгляд основних закономірностей фотоефекту. Показ, розтин наявних труднощів - неможливість пояснити всі закони фотоефекту з відомих вже учням позицій (хвильової теорії світла).
4. Висування гіпотези світлових квантів. Розповідь про роботу А. Ейнштейна. Рівняння фотоефекту.
5. Пояснення всіх закономірностей фотоефекту з квантових позицій.
6. Висновки квантової теорії про природу світла.
7. Вакуумні та напівпровідникові фотоелементи. Застосування фотоефекту в техніці.
Розкриємо основні з цих етапів.
До розуміння явища фотоефекту і його закономірностей найкраще підвести школярів за допомогою експерименту. На першому уроці по темі зазвичай пропонують серію дослідів.
1) Закріплену на стрижні електрометра добре очищену цинкову пластину заряджають негативно і висвітлюють потоком ультрафіолетових променів. Спостерігають розряд електрометра.
2) Розряд припиняється, якщо ми перекриваємо потік променів склом.
З) Якщо ж повідомити пластині позитивний заряд, то при такому ж освітленні розряд електрометра не спостерігається.
4) Розряд відбувається тим швидше, чим більше інтенсивність світла.
5) Замінивши цинкову пластину мідної (потім свинцевої), повторюють досліди при тих же умовах (те ж джерело світла і початковий заряд).
Якщо в школі немає хорошого джерела ультрафіолетового випромінювання та постановка експерименту на уроці утруднена, то доцільно провести пояснення на основі використання відеофільму «Фотоефект», у перших кадрах якого показані описані вище демонстрації.
Запропонована послідовність демонстрацій (або перегляд кадрів відеофільму) дозволяє проводити перший урок по темі методом евристичної бесіди.
У ході бесіди послідовно обговорюють такі питання: чому заряджена пластина може зберігати заряд протягом тривалого часу? Якими способами можна розрядити пластину? Як пояснити швидкий розряд негативно зарядженої пластини при її висвітленні світлом дуги? Чи буде при дії ультрафіолетового випромінювання розряджатися позитивно заряджена цинкова пластина? Чому електрометрії не виявляє зміни заряду в цьому випадку? Спостерігаємо ми розряд мідної пластини при тих же умовах досвіду? Чому припиняється розряд негативно зарядженої цинкової пластини, якщо світло від електричної дуги перекрити скляною пластиною?
Проведене обговорення дозволяє зробити висновки:
1. Під дією світла розряджаються тільки негативно заряджені метали. Отже, при деяких умовах світло здатне виривати електрони з металів. Це явище називають фотоефектом. (Тут же можна розповісти і про історію відкриття фотоефекту.)
2. Розряд починається одночасно з початком освітлення, отже, фотоефект практично безінерційна. (Точні досліди показали, що час між початком опромінення і початком фотоефекту не перевищує 10 -9 с.)
3. Наявність фотоефекту залежить від роду і обробки освітлюваного металу і від спектрального складу випромінювання, швидкість розряду залежить також і від падаючої в одиницю часу світлової енергії.
При формулюванні висновків доводиться уникати понять «освітленість», «світловий потік», так як їх за програмою загальноосвітньої середньої школи не вивчають, а використовувати головним чином поняття «енергія світлової хвилі» і говорити про енергію, яка за 1 с переноситься світловою хвилею через поперечний переріз, перпендикулярний до напрямку поширення світла (тобто про інтенсивність світла).
Вивчення закономірностей фотоефекту продовжують на установці, що дозволяє дослідити залежність сили фотоструму від прикладеної напруги, інтенсивності та спектрального складу випромінювання. У названому вище відеофільмі «Фотоефект» ця залежність досліджена на установці, подібної установки А. Г. Столєтова (цинковий диск освітлений ультрафіолетовим світлом дугової лампи крізь латунну сітку; в ланцюг включений гальванометр і подана напруга від акумуляторної батареї). На уроці експеримент проводять за допомогою вакуумного фотоелемента, для чого збирають установку за схемою, наведеною на рис. Спочатку експериментально встановлюють існування сили струму насичення, а потім - його залежність від інтенсивності падаючого на катод світла (перший закон фотоефекту - закон Столєтова). За результатами експерименту будують графіки залежності сили фотоструму при двох різних інтенсивностях світла від напруги U. Державні освітні установи
ВИЩОЇ ОСВІТИ
«БАШКИРСЬКА ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. М. АКМУЛЛИ »
(ГОУ ВПО «БДПУ ім. М. АКМУЛЛИ»)
Факультет фізико-математичний
Кафедра загальної фізики
Спеціальність фізика
Курс IV
САДУЛІН ВЕНЕРА АХМЕТОВ
МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ квантової оптики У БАЗОВОЇ І ПРОФІЛЬНОЇ ШКОЛАХ
Курсова робота
Науковий керівник к.п.н., доцент
Даутова Б.В.
Уфа 2008
ЗМІСТ
Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3
1. Структура вивчення квантової оптики в школі ... ... ... ... ... ... ... ... .. 5
2. Особливості методики вивчення квантової оптики ........... ... ... ....... 7
3. Методика вивчення питання про світлові кванти .. ... ... ... ... ... ......... 10
3.1. Зовнішній фотоефект ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ...... 10
3.2. Ефект Комптона ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... .18
3.3. Фотони. Двоїстість властивостей світла ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... .21
3.4. Застосування фотоефекту ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... 25
4. Роль і значення розділу «Квантова оптика» ... ... ... .. ... ... ... ... ... .. 26
Література ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .33
ВСТУП
Місце курсу фізики у шкільній освіті визначається значенням фізичної науки в житті сучасного суспільства, у вирішальному її вплив на темпи розвитку науково-технічного прогресу. Навчання фізики в школі служить цілям освіти і виховання особистості: озброювати учнів знаннями і вміннями, необхідними для їх розвитку, підготовки до роботи і продовження освіти. У завдання навчання фізики входить:
а) виховання учнів на основі роз'яснення ролі фізики в прискоренні науково-технічного прогресу, розкриття досягнень науки і техніки та перспектив їх розвитку, ознайомлення з внеском вітчизняних і зарубіжних вчених у розвиток фізики і техніки;
б) формування знань про експериментальні факти, поняттях, законах, теоріях, методах фізичної науки, сучасної наукової картини світу; техніки, атомної енергетики, технології виробництва і обробки нових матеріалів, із застосуванням фізичних законів у техніці і технології виробництва;
в) формування умінь самостійно здобувати і застосовувати знання, спостерігати і пояснювати фізичні явища, а також вмінь користуватися підручником, довідковою та хрестоматійною літературою;
г) формування деяких експериментальних умінь: умінь користуватися приладами та інструментами, обробляти результати вимірювань і робити висновки на основі експериментальних даних, дотримуватися правил техніки безпеки;
д) розвиток пізнавального інтересу до фізики і техніки, творчих здібностей, формування усвідомлених мотивів навчання, підготовка до свідомого вибору професії на основі тісного зв'язку навчання фізики з життям.
Рішення завдань освіти і розвитку школярів, підготовки їх до праці можливе лише за умови засвоєнні ними основ фізичної науки. На це спрямована реалізація принципу генералізації навчального матеріалу, такого його відбору і такої методики викладання, при яких головна увага приділяється вивченню основних фактів, понять, законів, теорій і методів фізичної науки, узагальнення широкого кола фізичних явищ на основі теорії. Звідси випливає підвищення вимог до вміння учнів застосовувати основні положення науки для самостійного пояснення фізичних явищ, результатів експерименту, дії приладів та установок.
1. СТРУКТУРА ВИВЧЕННЯ квантової оптики У ШКОЛІ
Програмою по кожному класу згідно з розділами курсу визначено коло основних питань, знання яких слід вимагати від учнів. До них відносяться:
а) фізичні ідеї, досвідчені факти, поняття, закони, які учні повинні вміти застосовувати для пояснення фізичних процесів, властивостей тіл, технічних пристроїв і т. д.;
б) прилади та пристрої, якими учні повинні вміти користуватися, фізичні величини, значення яких вони повинні вміти визначати дослідним шляхом та ін;
в) основні типи завдань, формули, які учні повинні вміти застосовувати при розв'язуванні обчислювальних і графічних завдань; фізичні процеси, технічні пристрої, які можуть бути об'єктом розгляду в якісних завданнях.
У програмі дані зразкові норми оцінки знань і вмінь учнів, якими необхідно керуватися вчителю в практичній діяльності.
Програма передбачає використання Міжнародної системи одиниць (СІ), а в ряді випадків і деяких позасистемних одиниць, що допускаються до застосування.
Розподіл навчального часу за темами є зразковим. Вчителю надається право змінювати порядок вивчення окремих питань всередині теми, а також використовувати на власний розсуд резервний час, вказаний у програмі кожного класу.
СТРУКТУРА:
Світлові кванти, квантова оптика (II год)
Лекції (3 год)
Фотоелектричний ефект та його закони. Кванти світла. Рівняння фотоефекту. Вакуумний та напівпровідниковий фотоелементи. Застосування фотоефекту в техніці.
Фотон. Корпускулярно-хвильовий дуалізм. Тиск світла. Досліди Лебедєва. Хімічна дія світла та його застосування.
Демонстрації
1. Фотоелектричний ефект на установці з цинкової пластиною.
2. Закони зовнішнього фотоефекту.
3. Пристрій і дія напівпровідникового і вакуумного фотоелементів.
4. Пристрій і дія фотореле на фотоелементі.
5. Хімічна дія світла.
Рішення задач (4 год)
Письмовий залік (1 год)
Контрольна робота № 3 (2 год)
Резерв (1 год)
Лабораторний практикум (10 год)
2. ОСОБЛИВОСТІ МЕТОДИКИ ВИВЧЕННЯ квантової оптики
Особливості методики вивчення даного розділу визначаються місцем цього розділу в шкільному курсі фізики і специфікою досліджуваного в ньому матеріалу. Розглянемо вплив кожного з цих факторів окремо.
Квантову оптику вивчають в кінці шкільного курсу фізики, причому вивчають на кількісному рівні вперше. Ніде протягом усього шкільного курсу фізики учні практично не зустрічалися з дуалізмом властивостей частинок, речовини і поля, з дискретністю енергії, з властивостями ядра атома, з елементарними частинками. Лише про будову атома і його ядра школярі отримали самі початкові уявлення в базовому курсі фізики і більш повні - в курсі хімії. Ця обставина вимагає від вчителя так побудувати навчальний процес, щоб при вивченні матеріалу домагатися глибокого і міцного засвоєння його учнями. Необхідна продумана робота по закріпленню і застосуванню досліджуваного матеріалу при вирішенні завдань, виконання лабораторних робіт, роботі з дидактичним матеріалом і т. д. Розумінню і засвоєнню розділу сприяють оціночні розрахунки, наприклад, довжин хвиль де Бройля, пов'язаних з різними об'єктами, розміру ядра, його щільності, енергії зв'язку і т. п. Нині, коли школи оснащені мікрокалькулятора і ЕОМ, ці розрахунки не займають багато часу, а їх результати часто володіють великою переконливістю.
Для підвищення якості засвоєння матеріалу дуже важливо спиратися на раніше отримані знання. Наприклад, при вивченні правил зміщення при радіоактивному розпаді і при вивченні ядерних реакцій необхідно широко спиратися на закони збереження маси та заряду. Перед вивченням будови атома доцільно повторити поняття доцентровий прискорення, закони Ньютона, закон Кулона, а також ті відомості про будову атома, які учні отримали в базовому курсі фізики і при вивченні хімії.
Особливість змісту квантової оптики також накладає відбиток на методику її вивчення. У цьому розділі учнів знайомлять зі своєрідністю властивостей і закономірностей мікросвіту, які суперечать багатьом уявленням класичної оптики. Від школярів для його засвоєння потрібно не просто високий рівень абстрактного мислення, але й діалектичне мислення. Суперечності хвиля - частинка, дискретність - безперервність розглядають з позицій діалектичного матеріалізму. Тому при вивченні цього розділу вчителю важливо спиратися на ті філософські знання, які мають учні, частіше нагадувати їм, що метафізичного протиставлення (або так, або ні) діалектика протиставляє твердження і так, і ні (в одних конкретних умовах - так, в інших - немає). Тому немає нічого дивного в тому, що світло в одних умовах (інтерференція, дифракція) веде себе як хвиля, в інших - як потік частинок.
У процесі викладання квантової оптики недоцільно говорити про дивацтва мікросвіту, парадоксальності його законів. Це навряд чи буде сприяти засвоєнню матеріалу, але може заплутати учнів. Розкриваючи своєрідність законів мікросвіту, відмінність їх від законів класичної фізики, переконують школярів у природності цих відмінностей. З цієї ж причини з історією становлення квантової механіки (наскільки важким, часом болісним був процес наукового пізнання мікросвіту) учнів краще знайомити лише після вивчення цього розділу. Ця історія - ще одне свідчення нескінченності процесу пізнання, відносності істини на кожному етапі його розвитку. Вона здатна переконати школярів у тому, що людський розум відкрив багато дивовижного в природі і, ймовірно, відкриє ще більше.
Для полегшення засвоєння квантової фізики необхідно в навчальному процесі широко використовувати різні засоби наочності. Але число демонстраційних дослідів, які можна поставити при вивченні цього розділу, в середній школі дуже невелика. Тому, крім експерименту, широко використовують малюнки, креслення, графіки, фотографії треків, плакати і діапозитиви. Перш за все необхідно ілюструвати фундаментальні досліди (досвід Резерфорда по розсіюванню a-частинок, досліди Франка і Герца та ін), а також роз'яснювати принцип пристрою приладів, що реєструють частинки, прискорювачів, атомного реактора, атомної електростанції і т. п. При вивченні цього розділу широко використовують навчальні відеофільми «Фотоефект», «Фотоелементи та їх застосування», «Тиск світла», «Радіоактивність і атомне ядро», «Ядерна енергетика в мирних цілях», кінофрагменти «Дискретність енергетичних рівнів атома (досвід Франка-Герца)», « Природа лінійчатих спектрів атомів водню », діафільми« Трекові прилади в ядерній фізиці »,« Прискорювачі заряджених частинок »,« Цей мирний атом добрий »,« Будова атома і атомного ядра », а також діапозитиви« Атомне ядро »і настінні таблиці (« Атомна електростанція »та ін.) Дуже великі можливості в даному відношенні відкриває комп'ютерне моделювання.
3. МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ ПИТАННЯ ПРО Світлові кванти
3.1. Зовнішній фотоефект
Фотоефект, його закони займають особливе місце в історії фізики. Явище фотоефекту було одним з основних серед явищ, дослідження яких призвело до створення квантової теорії взагалі та квантової теорії світла зокрема. Фотоефекту відводять, тому центральне місце на початку вивчення квантової оптики. Саме з розгляду закономірностей фотоефекту зазвичай в середній школі вводять уявлення про світлові кванти.
Сутність явища зовнішнього фотоефекту і його головні закономірності полягають, як відомо, в наступному: під дією електромагнітного випромінювання спостерігається випускання (емісія) електронів з металів. Явище це практично безинерціонной. Число випускаються електронів визначається інтенсивністю падаючого випромінювання, швидкість же вириваються електронів не залежить від інтенсивності світла і визначається тільки його частотою. При частоті світла менше певної (характерною для кожного металу) фотоефект не спостерігається. Ці закономірності були встановлені експериментально і задовго до створення квантової теорії. Але всі спроби пояснити їх на основі хвильових уявлень електромагнітної теорії світла терпіли невдачу.
Зазвичай у навчальній літературі ці закономірності формулюють як два, три (і навіть чотири) закону фотоефекту. Щоправда, такого суворого поділу законів на перший, другий, третій (як, наприклад, для законів динаміки Ньютона) не існує. У нумерації законів, їх послідовності і числі є певний свавілля. Формулювання законів призводять як для макропроцесів (через фотострум), так і для мікропроцесів (через Фотоелектрони). Наведемо нижче одну з прийнятих формулювань законів фотоефекту.
1. Сила фотоструму насичення пропорційна інтенсивності світла. Кількість електронів, що вириваються з катода за 1 с, пропорційно поглинається за цей час енергії світлової хвилі.
2. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів визначається частотою світла і не залежить від його інтенсивності.
3. Для кожної речовини існує червона межа фотоефекту, тобто така найменша частота випромінювання v 0, при якій ще можливий зовнішній фотоефект; значення цієї частоти залежить від хімічної природи речовини і стану його поверхні; при частоті випромінювання, меншою червоною кордону фотоефекту (v <V 0), фотоефект не відбувається.
4. Фотоефект практично безінерційна.
Введення нових для учнів квантових уявлень про властивості світла є непростим методичне завдання. Розуміння квантової природи взаємодії світла з речовиною «не лежить на поверхні» фотоефекту, до такого розуміння ми підводимо учнів у результаті багатоступінчастого логічного міркування в ході обговорення результатів експерименту. У методиці вивчення фотоефекту можна виділити кілька етапів:
1. Знайомство учнів із самим явищем фотоефекту. Розповідь про історію його відкриття (Г. Герц).
2. Розповідь про пошук закономірностей цього явища. Дослідження А. Г. Столєтова.
3. Розгляд основних закономірностей фотоефекту. Показ, розтин наявних труднощів - неможливість пояснити всі закони фотоефекту з відомих вже учням позицій (хвильової теорії світла).
4. Висування гіпотези світлових квантів. Розповідь про роботу А. Ейнштейна. Рівняння фотоефекту.
5. Пояснення всіх закономірностей фотоефекту з квантових позицій.
6. Висновки квантової теорії про природу світла.
7. Вакуумні та напівпровідникові фотоелементи. Застосування фотоефекту в техніці.
Розкриємо основні з цих етапів.
До розуміння явища фотоефекту і його закономірностей найкраще підвести школярів за допомогою експерименту. На першому уроці по темі зазвичай пропонують серію дослідів.
1) Закріплену на стрижні електрометра добре очищену цинкову пластину заряджають негативно і висвітлюють потоком ультрафіолетових променів. Спостерігають розряд електрометра.
2) Розряд припиняється, якщо ми перекриваємо потік променів склом.
З) Якщо ж повідомити пластині позитивний заряд, то при такому ж освітленні розряд електрометра не спостерігається.
4) Розряд відбувається тим швидше, чим більше інтенсивність світла.
5) Замінивши цинкову пластину мідної (потім свинцевої), повторюють досліди при тих же умовах (те ж джерело світла і початковий заряд).
Якщо в школі немає хорошого джерела ультрафіолетового випромінювання та постановка експерименту на уроці утруднена, то доцільно провести пояснення на основі використання відеофільму «Фотоефект», у перших кадрах якого показані описані вище демонстрації.
Запропонована послідовність демонстрацій (або перегляд кадрів відеофільму) дозволяє проводити перший урок по темі методом евристичної бесіди.
У ході бесіди послідовно обговорюють такі питання: чому заряджена пластина може зберігати заряд протягом тривалого часу? Якими способами можна розрядити пластину? Як пояснити швидкий розряд негативно зарядженої пластини при її висвітленні світлом дуги? Чи буде при дії ультрафіолетового випромінювання розряджатися позитивно заряджена цинкова пластина? Чому електрометрії не виявляє зміни заряду в цьому випадку? Спостерігаємо ми розряд мідної пластини при тих же умовах досвіду? Чому припиняється розряд негативно зарядженої цинкової пластини, якщо світло від електричної дуги перекрити скляною пластиною?
Проведене обговорення дозволяє зробити висновки:
1. Під дією світла розряджаються тільки негативно заряджені метали. Отже, при деяких умовах світло здатне виривати електрони з металів. Це явище називають фотоефектом. (Тут же можна розповісти і про історію відкриття фотоефекту.)
2. Розряд починається одночасно з початком освітлення, отже, фотоефект практично безінерційна. (Точні досліди показали, що час між початком опромінення і початком фотоефекту не перевищує 10 -9 с.)
3. Наявність фотоефекту залежить від роду і обробки освітлюваного металу і від спектрального складу випромінювання, швидкість розряду залежить також і від падаючої в одиницю часу світлової енергії.
При формулюванні висновків доводиться уникати понять «освітленість», «світловий потік», так як їх за програмою загальноосвітньої середньої школи не вивчають, а використовувати головним чином поняття «енергія світлової хвилі» і говорити про енергію, яка за 1 с переноситься світловою хвилею через поперечний переріз, перпендикулярний до напрямку поширення світла (тобто про інтенсивність світла).
Після цього, висвітлюючи фотоелемент світлом певної частоти, за допомогою потенціометра «замикають» фотоелемент і вимірюють замикаючий напруга, що дозволяє визначити максимальну швидкість вилітають:
Змінюючи світлофільтри, отримують при повторенні дослідів нові дані і переконують учнів у тому, що максимальна швидкість вильоту електронів залежить від частоти падаючого світла і не залежить від інтенсивності світла (другий закон фотоефекту).
Далі приступають до пояснення законів фотоефекту. Саме явище і те, що сила фотоструму насичення прямо пропорційна падаючої в одиницю часу світлової енергії - перший закон фотоефекту, можна пояснити і з хвильових позицій. Пояснення того, чому існує поріг фотоефекту (червона межа), чому максимальна початкова швидкість (і максимальна кінетична енергія фотоелектронів) не залежить від інтенсивності світла, а визначається тільки його частотою (лінійно зростає з частотою), а також пояснення безінерційність фотоефекту не може бути дано на основі хвильової електромагнітної теорії світла. Адже за цією теорією виривання електронів з металу є результатом їх «розгойдування» у змінному електричному полі світлової хвилі. Але тоді і швидкість і кінетична енергія фотоелектронів повинні залежати від амплітуди вектора напруженості електричного поля хвилі і, отже, від її інтенсивності, на "розкачку» електрона потрібен час, ефект не може бути безінерційні. Невідповідність експериментальних фактів склалася хвильової теорії світла доводило її неспроможність і вимагало створення нової теорії
Далі розповідають про те, що труднощі в поясненні законів фотоефекту були не єдиною причиною створення теорії. У 1900 р. М. Планк для пояснення теплового випромінювання змушений був висловити, на перший погляд, безглузду ідею, що тіло випромінює енергію не безперервно, а окремими порція (квантами). Ця ідея суперечила сформованим уявленням класичної фізики, де процеси і величини, їх характеризують, змінюються безперервно. Цю незрозумілу і тому мало ким прийняту ідею в 1905 р. А. Ейнштейн використав для пояснення законів фотоефекту. Він пішов далі М. Планка і стверджував: світло не тільки випускається, але й поширюється і поглинається квантами.
Інакше кажучи, потік монохроматичного світла, що несе енергію Е, являє собою потік n часток (названих пізніше фотонами), кожна з яких володіє енергією hv:
Енергія фотона пропорційна частоті світла. Чим більше частота (менше довжина хвилі) випромінювання, тим більшу енергію несе кожен його фотон.
Далі Ейнштейн припустив: кожен фотон взаємодіє не з усім речовиною, на яке падає світло, і навіть не з атомом в цілому, а з окремим електроном атома. Фотон віддає свою енергію електрону, а електрон, отримавши енергію, виривається з металу з певною кінетичної енергією. На основі закону збереження енергії можна записати наступне рівняння для елементарного акту взаємодії фотона з електроном:
де hv - енергія фотона, A - робота виходу електрона з металу,
Після цього пояснюють експериментальні закони фотоефекту з точки зору квантової теорії. Сила фотоструму насичення пропорційна числу електронів, що вилітають за 1 сек з освітлюваної поверхні; інтенсивність світла - числу щомиті падаючих фотонів. Так як кожен фотон може вибити з поверхні металу лише один електрон, то природно, що сила фотоструму насичення (число вирваних електронів) буде пропорційна інтенсивності світла (числу падаючих фотонів).
Важливо при цьому підкреслити, що спостерігають пряму пропорційність, а не рівність, тому що частина падаючих на метал фотонів відбивається, а з поглинених фотонів не все виривають з металу вільні електрони. Енергія частини поглинених фотонів перетворюється у внутрішню енергію металу. Тому відношення числа електронів n до числа падаючих на метал фотонів n ф значно менше одиниці (для чистих металів приблизно в 1000 разів).
Далі пояснюють, чому найбільша кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти падаючого світла, а не від його інтенсивності (другий закон фотоефекту). З рівняння Ейнштейна слід:
Так як для даної речовини робота виходу постійна (А = const), то найбільша кінетична енергія фотоелектронів пропорційна частоті падаючого світла. Аналізують випадок, коли енергія світлового кванта дорівнює роботі виходу А:
або
Отже, вся енергія фотона йде на здійснення роботи виходу та швидкість електронів дорівнює нулю. Мінімальна (гранична) частота фотоефекту v 0 дорівнює А / h, а максимальна довжина хвилі
Таким чином, рівняння Ейнштейна пояснює всі закони зовнішнього фотоефекту. Воно дозволяє обчислювати швидкості фотоелектронів і визначати найбільшу довжину хвилі, при якій ще спостерігається явище фотоефекту для даної речовини, а також обчислити роботу виходу для конкретного металу.
Після аналізу рівняння Ейнштейна можна показати, як була здійснена експериментальна перевірка цього рівняння. Вона полягала у визначенні постійної Планка з результатів досвіду.
Тому що робота виходу для даної речовини - величина постійна, то кінетична енергія фотоелектронів є лінійною функцією частоти випромінювання, що падає на фотоелемент. Точка В відповідає граничній частоті фотоефекту, а відрізок ОС - роботі виходу А. Вимірявши затримує напругу і визначивши роботу виходу (знаючи граничну частоту для даного металу), можна за цими даними знайти постійну Планка
звідки
Таким чином, тангенс кута нахилу прямої до осі частот дорівнює постійної Планка, т. е.
Для всіх металів цей кут однаковий.
При практичному проведенні таких вимірів зустрілися великі труднощі. Перші ретельні вимірювання постійної Планка цим методом були виконані в 1915 р. Р. Міллікеном. Він отримав значення, близьке до того, яке було вже відомо з теорії теплового випромінювання.
У нашій країні в 1928 р. дослідами П. І. Лукирський і С. С. Прілежаєва була підтверджена лінійна залежність кінетичної енергії фотоелектронів від частоти падаючого світла та отримано значення постійної Планка.
Для закріплення рівняння Ейнштейна вирішують завдання на обчислення швидкості та енергії електронів, червоною кордону фотоефекту, роботи виходу.
|
3.2. Ефект Комптона
Формування уявлень про фотоні, розпочате при вивченні: фотоефекту, продовжують щодо наступних питань курсу - ефекту Комптона, тиску світла, хімічної дії світла.
Особливо важливе значення для доказу квантових властивостей світла має вперше введене в програму фізики загальноосвітньої середньої школи поняття про ефект Комптона. До цього дане явище, що є вирішальним підтвердженням наявності у фотона імпульсу, вивчалося лише на факультативному курсі і в класах з поглибленим вивченням фізики.
Комптоновські ефект полягає в зміні частоти випромінювання при розсіянні рентгенівських променів "легкими" речовинами (графіт, парафін та ін.) Особливість цих речовин - щодо слабкий зв'язок зовнішніх електронів в атомі з ядрами. Це явище було виявлено в 1923 р. і докладно досліджено американським фізиком А. Комптоном, який встановив, що різниця частот (довжин хвиль) первинного (падаючого) і розсіяного випромінювання залежить тільки від кута розсіяння.
Цікаво відзначити, що саме А. Комптон назвав кванти світла фотонами. У подальшому А. Комптон і незалежно П. Дебай теоретично пояснили явища з квантових позицій, розглядаючи розсіювання як результат взаємодії рентгенівських квантів падаючого випромінювання з практично вільними електронами речовини, застосовуючи до цього процесу закони збереження енергії та імпульсу. Отримана залежність:
де m 0 - маса частинки, на якій відбувається розсіювання, чудово узгоджувалась з експериментальними даними.
Формулу для зміни довжини хвилі комптонівського розсіювання в шкільному курсі не дають, але підходи до її висновку на підставі розгляду законів збереження (енергії та імпульсу) для системи електрон - фотон можна привести.
Порядок міркувань може бути приблизно таким.
Пояснити спостережуване відмінність частот первинного і розсіяного випромінювання з хвильових позицій не представляється можливим. Дійсно, механізм розсіювання рентгенівського випромінювання згідно хвильової теорії світла можна пояснити тільки за рахунок виникнення вторинних електромагнітних хвиль внаслідок вимушених коливань ("розгойдування") електронів в атомах речовини під дією електричного поля первинної хвилі. При цьому частота розсіяного випромінювання повинна збігатися із частотою первинного випромінювання.
Якщо вважати потік рентгенівських променів складається з окремих фотонів, що летять зі швидкістю світла і здатних відчувати зіткнення з іншими частками, то слід припустити можливість обміну з ними енергією та імпульсом.
Рентгенівський фотон із частотою ν володіє енергією
При зіткненні фотона з електроном відбувається передача енергії та імпульсу фотона цього електрону. Електрон набуває кінетичну енергію. Енергія испущенного в результаті зіткнення фотона менше початкової, що призводить до зменшення його частоти.
При елементарному акті розсіювання повинен виконуватися закон збереження енергії і закон збереження імпульсу (для системи фотон - електрон, яку можна вважати ізольованою):
де m 0 c 2 - повна енергія нерухомого електрона, m c 2 - повна енергія електрона після зіткнення з фотоном,
Спільне рішення цих рівнянь, виконане на основі уявлень про фотоні як частинки, здатної відчувати зіткнення з електроном за законами релятивістської механіки, тобто з урахуванням того, що електрон після зіткнення набуває швидкість, близьку до швидкості світла, і його масу розраховують за формулою :
дає результат, що співпадає з даними експерименту (з емпіричної формулою Комптона).
Як показують досліди, кожному фотону, що відчуває розсіювання на кут φ, супроводжує поява електрона, що рухається саме з такою швидкістю υ і під таким кутом до напрямку первинного пучка фотонів, який виходить при вирішенні відповідних рівнянь.
3.3. ФОТОН. Двоїстість ВЛАСТИВОСТЕЙ СВІТЛА
Одна з основних задач вчителя при вивченні світлових квантів і дій світла - ознайомити учнів з властивостями фотона і подвійністю властивостей світла. Після вивчення фотоефекту і явища Комптона узагальнюють отримані учнями знання про фотоні і обговорюють корпускулярно-хвильовий дуалізм його властивостей. При підготовці до цього уроку школярі повторюють як вже пройдений до цього матеріал, так і матеріал про електромагнітні хвилі розділу "Електродинаміка". У ході бесіди вчитель підводить їх до наступних висновків:
1) Фотон - частинка електромагнітного випромінювання (квант електромагнітного поля).
2) Фотон, будучи квантом електромагнітного поля, існує тільки в русі. Він або рухається зі швидкістю, рівної швидкості світла у вакуумі, або не існує. Зупинити, уповільнити і прискорити фотон можна, як можна збільшити або зменшити швидкість світла у вакуумі.
3) Ці частинки порівняно легко можуть зароджуватися (випромінюватися) і зникати (поглинатися). Фотони неподільні. Коли атом випускає або поглинає світло, то це випускання і поглинання відбувається тільки цілими фотонами. Поглинений фотон припиняє своє самостійне існування, а його енергія перетворюється в будь-який інший вид енергії.
4) Фотон володіє певною енергією, масою та імпульсом. Енергія фотона
Маса фотона - міра його енергії. Цю масу потрібно розглядати як польову масу, обумовлену тим, що електромагнітне поле має енергію.
Так як фотон існує тільки в русі, то у нього немає маси спокою. Маса спокою фотона дорівнює нулю, і в цьому принципова відмінність фотона від частинок речовини.
Імпульс фотона дорівнює
Імпульс - векторна величина. Напрямок вектора імпульсу фотона співпадає з напрямком поширення світла. Наявність у фотона імпульсу підтверджує існування світлового тиску і ефектом Комптона.
Учні повинні усвідомити, що світло проявляє і хвильові і корпускулярні властивості, тобто він має дуалізмом властивостей. Це знаходить своє вираження, зокрема, у формулах, що визначають корпускулярні характеристики фотона (енергію, імпульс, масу) через частоту:
У прояві подвійності властивостей світла є певна закономірність. Так як енергія окремого фотона при малих частотах (наприклад, у інфрачервоного світла) мала, то для цього діапазону частот корпускулярні властивості проявляються слабо, а більшою мірою проявляються хвильові властивості випромінювання. Інтерференцію, дифракцію, поляризацію такого випромінювання легко демонструють за допомогою нескладної апаратури, фотохімічні самі дії виявити складніше. При великих частотах (коли енергія окремого фотона порівняно велика) корпускулярні властивості світла виявити легше. У видимому світлі хвильові і корпускулярні властивості виявляються приблизно в рівній мірі. Відображення, заломлення, тиск світла можна пояснити як на основі хвильових, так і на основі корпускулярних уявлень.
Зауважимо, що при деяких умовах в типово хвильовому явище виявляються квантові властивості світла. Наприклад, ці властивості виявлені у відомих дослідах С. І. Вавілова за квантовими флуктуаціями в інтерференційному полі при малих світлових потоках. Свої спостереження флуктуації світлових потоків С. І. Вавилов розглядав як одну з найважливіших доказів квантових властивостей випромінювання.
Щоб учні переконалися в цьому, корисно запропонувати їм визначити частоту, імпульс, енергію фотонів, що відповідають різним довжинам хвиль оптичного діапазону.
Обговорення даних допоможе школярам отримати більш конкретні уявлення про шкалу електромагнітних хвиль і зрозуміти, чому в короткохвильовій області більшою мірою виявляються корпускулярні властивості, а хвильові виявляються слабкіше. Наприклад, якщо зіставити випромінювання двох однакових по потужності джерел світла (червоного (видимого) і рентгенівського), то можна побачити, що енергія фотона рентгенівського випромінювання у багато разів більше енергії фотона видимого світла і при однаковій інтенсивності щільність фотонів червоного світла в 1000-100000 раз більше щільності рентгенівського випромінювання.
З умов рівності інтенсивностей слід
де n - число фотонів, що проходять за 1 с через поверхню одиничної площі, звідки
Тому червоне випромінювання проявляється як безперервне, а рентгенівське - як щось дискретне.
Доцільно запропонувати учням передбачити, які (хімічні, біологічні та ін) дії можуть надавати різні види випромінювань.
Для підкреслення дуалізму властивостей світла корисно заповнити таблицю, в якій вказані основні фізичні величини, що відображають діалектичну єдність дискретності (переривчастості) і континуальності (безперервності) матерії. При поясненні особливу увагу звертають на розгляд формул, які об'єднують обидва класи величин.
3.4. Застосування фотоефекту
Учні повинні знати пристрій і принцип - дії двох-фотоелектричних приладів: фотоелементів, в основі яких лежить зовнішній фотоефект, і напівпровідникових фоторезисторів, заснованих на внутрішньому фотоефекті. (Фоторезистори вивчалися в IX класі, і їх пристрій і дію треба лише повторити.) Вентильні фотоелементи не вивчаються; слід, однак, продемонструвати їхню дію на досвіді.
Треба більш-менш докладно зупинитися на різних застосуваннях фотореле і використанні фотоелементів для відтворення звуку, записаного на плівку.
При наявності відповідного обладнання дуже бажано продемонструвати також відтворення звуку з кіноплівки.
Поліно показати на уроці навчальний кінофільм «Фотоелементи та їх застосування». Де показується пристрій вакуумного фотоелемента і фотореле, а також застосування фотореле для автоматичного рахунку виробів, забезпечення безпеки на різальної машині в друкарні та ін Також показано пристрій і дію вентильного фотоелемента та фототелеграфу. Ці моменти можна демонструвати в ознайомчому плані. На уроці можна заслухати повідомлення учнів про окремі застосуваннях фотоефекту.
4. РОЛЬ І ЗНАЧЕННЯ РОЗДІЛУ «КВАНТОВА ОПТИКА»
Квантова механіка - фізична теорія, що відкрила своєрідність властивостей і закономірностей мікросвіту, встановила спосіб опису стану та руху мікрочастинок. Методи квантової механіки знаходять широке застосування в квантовій електроніці, у фізиці Твердого тіла, сучасної хімії. Її широко використовують у фізиці високих енергій, вивчає будову ядра атома і властивості елементарних частинок. Результати цих досліджень знаходять все більше застосування в техніці. Досить згадати успіхи квантової теорії твердих тіл, висновки якої покладені в основу створення нових матеріалів з наперед заданими властивостями (магнітними, полупроводящая, надпровідними і т.д.), лазерів, ядерних реакторів. Квантова фізика є більш високою ступінню пізнання, ніж класична фізика. Вона встановила обмеженість багатьох класичних уявлень. Нині, коли ХХ ст. підходить до кінця, елементи квантової фізики повинні бути включені в шкільний курс. Інакше знання, отримані школярами при вивченні курсу фізики, залишаться на рівні XIX ст. Уявлення учнів про будову і властивості навколишнього світу будуть неповними і неадекватними сучасному науковому знанню про них.
Однак введення основ квантової оптики в середню школу - складна методична задача. Мала наочність квантово механічних об'єктів (частка - хвиля), складність математичного апарату, незвичайність вихідних ідей і понять квантової оптики створюють методичні труднощі. Тому питання квантової оптики дуже обережно вводять в шкільний курс.
Довгий час учні середньої школи отримували уявлення лише про квантової теорії світла (на прикладі фотоефекту). В кінці 40-х рр.. в шкільний курс включили будова атома. Успіхи атомної енергетики призвели до того, що в наступні роки на вивчення цих питань стали виділяти більше часу. Проте обсяг матеріалу зростав за рахунок включення в програму напівемпіричного матеріалу (склад ядра, радіоактивність, ядерні реакції, застосування радіоактивних ізотопів, ланцюгова реакція поділу урану, ядерний реактор, використання ядерної реакції в мирних цілях). У 1972 р. в програму ввели поняття про елементарні частинки. Проте виклад ідей квантової фізики залишалося на колишньому рівні, тобто обмежувалося квантової теорії світла й постулатами Бора, причому перший питання вивчалося в розділі «Оптика», а другий в розділі «Атом та атомне ядро».
Програма загальноосвітньої школи посилює увагу до питань квантової фізики. Вона ввела в шкільний курс окремий розділ «Квантова оптика», який включає в себе вже дві теми, зміст яких значно оновлено. Є питання про будову атома і квантових уявленнях, нехай на якісному рівні, і в базовому курсі фізики.
Основні пізнавальні завдання цього нового розділу - ознайомити учнів зі специфічними законами, що діють в області мікросвіту, і завершити формування уявлень про будову речовини, розпочате у базовій школі. Розглянемо, як вирішують кожну з цих завдань.
При вивченні питань про світлові кванти та діях світла школярів вперше знайомлять з квантової ідеєю. Вони дізнаються, що світло, що в явищах інтерференції і дифракції веде се6я як хвиля, являє собою потік фотонів; енергія фотонів не може приймати довільних значень, вона дискретна, кратна деякої постійної величини h (постійної Планка). Корпускулярні властивості світла виявляються при взаємодії світла з речовиною (у фотоефекті, фотохімічних реакціях і т.п.) тим яскравіше, чим більше енергія фотона. Важливим доказом існування часток світла (фотонів), що володіють певним імпульсом, енергією і масою, є ефект Комптона, вивчення якого вперше в останні роки передбачає шкільна програма.
При вивченні будови атома по Бору учні дізнаються, що енергія електрона в атомі також має дискретний характер, вона квантуется. При вивченні будови атома вони довідаються також, що дуалізм властивостей властивий не тільки фотонам (часткам) світла, але і всім елементарних частинок - електрона, протон, нейтрон і ін
Пояснення корпускулярно-хвильового дуалізму властивостей частинок світла і речовини знайомить їх якісно (без вивчення рівняння Шредінгера) зі своєрідністю руху мікрочастинок: поведінка кожної елементарної частинки описується імовірнісними законами, для неї не можна суворо вказати координату і імпульс, позбавлене сенсу поняття «траєкторія» і т. п. З імовірнісними закономірностями, що діють в області мікросвіту, учні зустрічаються і при вивченні законів радіоактивного розпаду: розпад кожного атома - випадкове явище, для якого можна вказати лише міру його ймовірності, а однією з головних характеристик атома і будь-якої елементарної частки є середній час їх життя. Так поступово знайомлять школярів зі своєрідністю законів, що діють у мікросвіті: корпускулярноволновим дуалізмом властивостей частинок, дискретним характером їх станів, дискретністю величин (на прикладі енергії), імовірнісним характером законів.
Друга пізнавальна завдання розділу - розкрити сучасні уявлення про будову речовини. У базовому курсі фізики будова речовини розглядали в основному на молекулярному рівні. Молекулярно-кінетична теорія пояснювала будову і властивості газів (кількісно), рідин і твердих тіл (на якісному рівні). Про будову атома школярі в базовому курсі фізики отримали лише самі попередні відомості, достатні для розуміння таких явищ, як електризація, електричний струм. У даному розділі учнів знайомлять з будовою речовини на атомному та субатомному рівні. Спочатку вони вивчають будову атома по Резерфорду - Бору, а потім, після обговорення дуалізму властивостей мікрочастинок, отримують і сучасні уявлення про будову атома. Достатня увага в цьому розділі приділяють складом і властивостями ядра атома (його розміром, заряду, масі, щільності, енергії зв'язку, питомої енергії зв'язку та ін.) У кінці розділу учнів знайомлять з основними характеристиками і властивостями елементарних частинок, дають уявлення про сучасну їх класифікації, про роль їх в будові речовини і в передачі взаємодій.
Деякі відомості про ядерній фізиці тепер даються і в базовому курсі фізики.
Розділ «Квантова оптика» вирішує, крім того, важливі завдання політехнічної освіти. При його вивченні учнів знайомлять з пристроєм і принципом дії фотоелементів, з прикладами їх використання в техніці, фізичними основами спектрального аналізу, роботою ядерного реактора і застосуванням ядерної енергії в мирних цілях, з використанням радіоактивних ізотопів у промисловості, сільськогосподарському виробництві, у науці, медицині.
У процесі викладання цього розділу вчитель постійно повинен вирішувати завдання формування наукового світогляду учнів. Для формування наукового світогляду учнів важливо переконати їх в реальному існуванні таких безпосередньо невоспрінімаемих органами почуттів об'єктів, як елементарні частинки. Реальність елементарних частинок доводять тим, що можна експериментально виміряти їх характеристики, передбачити, виходячи з властивостей частинок, різні ядерні реакції і перетворення частинок і не тільки експериментально здійснити теоретично передбачені процеси, але і використовувати їх у практичних цілях. Знайомство з елементарними частинками дає вагоме підтвердження принципу невичерпності матерії, бо учні переконуються в тому, що матеріальні об'єкти та їх властивості вкрай різноманітні, елементарні частки не є «простими», вони мають безліч властивостей і здатні до взаємоперетворення.
Корпускулярно-хвильовий дуалізм властивостей світла і елементарних частинок, взаімопревращаемость елементарних частинок дозволяють розкрити матеріальна єдність світу і діалектичну зв'язок перериваної і безперервного, а підпорядкування всіх ядерних процесів основним законам збереження служить хорошою ілюстрацією принципу незнищенності і несотворімості матерії і руху. Якісна своєрідність законів мікросвіту (імовірнісний характер закономірностей, дискретність станів, відсутність траєкторій і т. д.) дозволяє проілюструвати закон переходу кількісних змін у якісні. Імовірнісний характер квантових закономірностей глибше розкриває принцип взаємного зв'язку явищ, співвідношення між випадковим і необхідним.
У цьому розділі продовжується формування гносеологічного аспекту світогляду. Тут розглядають такі важливі світоглядні питання, як роль ідеальних моделей у процесі пізнання реальної дійсності і межі їх застосування. Модельні уявлення використовують при розгляді будови атома, ядра атома, при розкритті механізму випускання світла атомом, при поясненні поділу ядер і т. п.
Як і у всьому курсі фізики, велику увагу при вивченні цього розділу звертають на роль досвіду в процесі пізнання, на взаємозв'язок теорії і практики, експерименту. Необхідно підкреслювати, що теорія застосовна в тих межах, в яких експериментально підтверджуються випливають з неї слідства. Протиріччя експериментальних фактів теорії служить відправним моментом для її уточнення чи створення нової теорії. Наприклад, вивчаючи оптику, учні переконалися в тому, що явища відбиття заломлення, інтерференції і дифракції добре пояснюються на основі теоретичних уявлень про хвильову природу світла. Проте хвильова теорія світла не пояснює всі закони фотоефекту. Необхідність пояснення нових експериментальних фактів призвела до створення квантової теорії світла. Досвід Резерфорда спростував первинну модель атома, запропоновану Томсоном, а на зміну моделі атома Резерфорда прийшла теорія Бора, яка краще узгоджувалася з експериментальними фактами.
Історія розвитку вчень про світло і про будову атома дозволяє проілюструвати нескінченність процесу пізнання та його діалектичний характер. Співвідношення між абсолютною і відносною істиною необхідно обговорити при ознайомленні учнів з принципом відповідності. Квантова оптика є більш глибокої фізичної теорією, бо вона більш повно пояснює велике коло фізичних явищ, ніж класична оптика. Квантова оптика встановила, що низка подань класичної оптики не є абсолютними, вони хороші лише дл макроскопічних тел. Але квантова фізика не заперечує повністю класичну. Вона лише обмежує область її застосування. Закони класичної механіки та електродинаміки для макротіл залишаються непорушними. Крім того, у граничних випадках висновки квантової фізики збігаються з результатами класичною. При великих квантових числах дискретність «змазується» і процес стає квазібезперервному.
Останній розділ шкільного курсу фізики відкриває великі можливості для виховання і розвитку учнів. Для розвитку мислення учнів у цьому розділі широко використовую такі прийоми, як порівняння, систематизація та класифікація. Наприклад, корисно запропонувати їм порівняти властивості рідин і ядра атома. Виявлення загальних для них властивостей забезпечує краще розуміння школярами краплинної моделі ядра. Порівнювати можна також властивості фотона з властивостями інших елементарних частинок, властивості ядерних сил з властивостями гравітаційних і електромагнітних сил. Результати цих порівнянь відображають у систематизирующих таблицях, узагальнюючих отримані учнями знання з відповідного питання. У кінці вивчення розділу доцільно узагальнити всі отримані знання про будову речовини.
Матеріал розділу надає великі можливості для організації самостійної діяльності учнів. Корисно широко використовувати періодичну систему Менделєєва і запропонувати їм на її основі самостійно визначити склад ядер деяких елементів, розрахувати для них дефект мас, енергію зв'язку, питому енергію зв'язку і т. п. Оціночні розрахунки різних параметрів мікросвіту, широко використовувані в цьому розділі, можуть стати змістом самостійної діяльності учнів у школі і вдома, а аналіз отриманих в них результатів - хороша школа розвитку мислення учнів. Цій же меті служить рішення завдань, які в даному розділі носять переважно тренувальний характер і вимагають акценту на аналізі отриманих даних: корисно зіставляти енергії зв'язку ядер з енергією зв'язку інших систем, наприклад молекул; кінетичну енергію a-частинок з енергією теплового руху молекул; щільність ядерної речовини з відомими плотностями різних речовин і т. п. Результати цього аналізу дозволяють випускникам шкіл краще зрозуміти порядок величин у мікросвіті, осмислити його.
У розвиток квантової фізики внесли внесок багато видатні вітчизняні та зарубіжні вчені: Е. Резерфорд, Н. Бор, П. Кюрі, М. Склодовська-Кюрі, М. Лауе, Луї де Бройль, У Гейзенберг, В. Паулі, П. Дірак, Е. Шредінгер, І. Є. Тамм, О. Ган, Е. Фермі, Л. Д. Ландау, В. А. Фок, Д. У Скобельцина, А. І. Аліханов, В. І. Векслер, І. У . Курчатов і багато інших. Вивчення їхнього життя і діяльності являє благодатний матеріал для патріотичного та інтернаціонального, а також морального виховання учнів. Нескінченна відданість науці, працьовитість до одержимості, наукова сумлінність, безкорисливість, розуміння своєї відповідальності перед суспільством, скромність в особистому житті властиві були багатьом ученим.
ЛІТЕРАТУРА
1. Ванєєв А.А., Дубіцька Е.Г., Яруніна Є.Ф. Викладання фізики в 10 класі середньої школи. - М., «Просвещение», 1978 р.
2. Каменецький С.Є. Теорія і методика навчання фізики в школі (приватні питання). - М., «ACADEMA», 2000 р.
3. Інтернет
4. Бугайов О.І. Методика викладання фізики в середній школі. - М., 1981 р.
5. Вольштейн С.Л., Качинський А.М. Уроки фізики в 10 класі. - Мінськ, «Народна асвета», 1980р.
де n - число фотонів, що проходять за 1 с через поверхню одиничної площі, звідки
Тому червоне випромінювання проявляється як безперервне, а рентгенівське - як щось дискретне.
Доцільно запропонувати учням передбачити, які (хімічні, біологічні та ін) дії можуть надавати різні види випромінювань.
Для підкреслення дуалізму властивостей світла корисно заповнити таблицю, в якій вказані основні фізичні величини, що відображають діалектичну єдність дискретності (переривчастості) і континуальності (безперервності) матерії. При поясненні особливу увагу звертають на розгляд формул, які об'єднують обидва класи величин.
| Фізичні величини, що використовуються для опису хвильових властивостей світла | Фізичні величини, використовувані для опису квантових властивостей світла | Формули, що об'єднують обидва класу фізичних величин |
| Частота ν Період Т Довжина хвилі λ = υТ | Маса фотона m Швидкість фотона c Імпульс фотона p = mc Енергія фотона |
3.4. Застосування фотоефекту
Учні повинні знати пристрій і принцип - дії двох-фотоелектричних приладів: фотоелементів, в основі яких лежить зовнішній фотоефект, і напівпровідникових фоторезисторів, заснованих на внутрішньому фотоефекті. (Фоторезистори вивчалися в IX класі, і їх пристрій і дію треба лише повторити.) Вентильні фотоелементи не вивчаються; слід, однак, продемонструвати їхню дію на досвіді.
Треба більш-менш докладно зупинитися на різних застосуваннях фотореле і використанні фотоелементів для відтворення звуку, записаного на плівку.
При наявності відповідного обладнання дуже бажано продемонструвати також відтворення звуку з кіноплівки.
Поліно показати на уроці навчальний кінофільм «Фотоелементи та їх застосування». Де показується пристрій вакуумного фотоелемента і фотореле, а також застосування фотореле для автоматичного рахунку виробів, забезпечення безпеки на різальної машині в друкарні та ін Також показано пристрій і дію вентильного фотоелемента та фототелеграфу. Ці моменти можна демонструвати в ознайомчому плані. На уроці можна заслухати повідомлення учнів про окремі застосуваннях фотоефекту.
4. РОЛЬ І ЗНАЧЕННЯ РОЗДІЛУ «КВАНТОВА ОПТИКА»
Квантова механіка - фізична теорія, що відкрила своєрідність властивостей і закономірностей мікросвіту, встановила спосіб опису стану та руху мікрочастинок. Методи квантової механіки знаходять широке застосування в квантовій електроніці, у фізиці Твердого тіла, сучасної хімії. Її широко використовують у фізиці високих енергій, вивчає будову ядра атома і властивості елементарних частинок. Результати цих досліджень знаходять все більше застосування в техніці. Досить згадати успіхи квантової теорії твердих тіл, висновки якої покладені в основу створення нових матеріалів з наперед заданими властивостями (магнітними, полупроводящая, надпровідними і т.д.), лазерів, ядерних реакторів. Квантова фізика є більш високою ступінню пізнання, ніж класична фізика. Вона встановила обмеженість багатьох класичних уявлень. Нині, коли ХХ ст. підходить до кінця, елементи квантової фізики повинні бути включені в шкільний курс. Інакше знання, отримані школярами при вивченні курсу фізики, залишаться на рівні XIX ст. Уявлення учнів про будову і властивості навколишнього світу будуть неповними і неадекватними сучасному науковому знанню про них.
Однак введення основ квантової оптики в середню школу - складна методична задача. Мала наочність квантово механічних об'єктів (частка - хвиля), складність математичного апарату, незвичайність вихідних ідей і понять квантової оптики створюють методичні труднощі. Тому питання квантової оптики дуже обережно вводять в шкільний курс.
Довгий час учні середньої школи отримували уявлення лише про квантової теорії світла (на прикладі фотоефекту). В кінці 40-х рр.. в шкільний курс включили будова атома. Успіхи атомної енергетики призвели до того, що в наступні роки на вивчення цих питань стали виділяти більше часу. Проте обсяг матеріалу зростав за рахунок включення в програму напівемпіричного матеріалу (склад ядра, радіоактивність, ядерні реакції, застосування радіоактивних ізотопів, ланцюгова реакція поділу урану, ядерний реактор, використання ядерної реакції в мирних цілях). У 1972 р. в програму ввели поняття про елементарні частинки. Проте виклад ідей квантової фізики залишалося на колишньому рівні, тобто обмежувалося квантової теорії світла й постулатами Бора, причому перший питання вивчалося в розділі «Оптика», а другий в розділі «Атом та атомне ядро».
Програма загальноосвітньої школи посилює увагу до питань квантової фізики. Вона ввела в шкільний курс окремий розділ «Квантова оптика», який включає в себе вже дві теми, зміст яких значно оновлено. Є питання про будову атома і квантових уявленнях, нехай на якісному рівні, і в базовому курсі фізики.
Основні пізнавальні завдання цього нового розділу - ознайомити учнів зі специфічними законами, що діють в області мікросвіту, і завершити формування уявлень про будову речовини, розпочате у базовій школі. Розглянемо, як вирішують кожну з цих завдань.
При вивченні питань про світлові кванти та діях світла школярів вперше знайомлять з квантової ідеєю. Вони дізнаються, що світло, що в явищах інтерференції і дифракції веде се6я як хвиля, являє собою потік фотонів; енергія фотонів не може приймати довільних значень, вона дискретна, кратна деякої постійної величини h (постійної Планка). Корпускулярні властивості світла виявляються при взаємодії світла з речовиною (у фотоефекті, фотохімічних реакціях і т.п.) тим яскравіше, чим більше енергія фотона. Важливим доказом існування часток світла (фотонів), що володіють певним імпульсом, енергією і масою, є ефект Комптона, вивчення якого вперше в останні роки передбачає шкільна програма.
При вивченні будови атома по Бору учні дізнаються, що енергія електрона в атомі також має дискретний характер, вона квантуется. При вивченні будови атома вони довідаються також, що дуалізм властивостей властивий не тільки фотонам (часткам) світла, але і всім елементарних частинок - електрона, протон, нейтрон і ін
Пояснення корпускулярно-хвильового дуалізму властивостей частинок світла і речовини знайомить їх якісно (без вивчення рівняння Шредінгера) зі своєрідністю руху мікрочастинок: поведінка кожної елементарної частинки описується імовірнісними законами, для неї не можна суворо вказати координату і імпульс, позбавлене сенсу поняття «траєкторія» і т. п. З імовірнісними закономірностями, що діють в області мікросвіту, учні зустрічаються і при вивченні законів радіоактивного розпаду: розпад кожного атома - випадкове явище, для якого можна вказати лише міру його ймовірності, а однією з головних характеристик атома і будь-якої елементарної частки є середній час їх життя. Так поступово знайомлять школярів зі своєрідністю законів, що діють у мікросвіті: корпускулярноволновим дуалізмом властивостей частинок, дискретним характером їх станів, дискретністю величин (на прикладі енергії), імовірнісним характером законів.
Друга пізнавальна завдання розділу - розкрити сучасні уявлення про будову речовини. У базовому курсі фізики будова речовини розглядали в основному на молекулярному рівні. Молекулярно-кінетична теорія пояснювала будову і властивості газів (кількісно), рідин і твердих тіл (на якісному рівні). Про будову атома школярі в базовому курсі фізики отримали лише самі попередні відомості, достатні для розуміння таких явищ, як електризація, електричний струм. У даному розділі учнів знайомлять з будовою речовини на атомному та субатомному рівні. Спочатку вони вивчають будову атома по Резерфорду - Бору, а потім, після обговорення дуалізму властивостей мікрочастинок, отримують і сучасні уявлення про будову атома. Достатня увага в цьому розділі приділяють складом і властивостями ядра атома (його розміром, заряду, масі, щільності, енергії зв'язку, питомої енергії зв'язку та ін.) У кінці розділу учнів знайомлять з основними характеристиками і властивостями елементарних частинок, дають уявлення про сучасну їх класифікації, про роль їх в будові речовини і в передачі взаємодій.
Деякі відомості про ядерній фізиці тепер даються і в базовому курсі фізики.
Розділ «Квантова оптика» вирішує, крім того, важливі завдання політехнічної освіти. При його вивченні учнів знайомлять з пристроєм і принципом дії фотоелементів, з прикладами їх використання в техніці, фізичними основами спектрального аналізу, роботою ядерного реактора і застосуванням ядерної енергії в мирних цілях, з використанням радіоактивних ізотопів у промисловості, сільськогосподарському виробництві, у науці, медицині.
У процесі викладання цього розділу вчитель постійно повинен вирішувати завдання формування наукового світогляду учнів. Для формування наукового світогляду учнів важливо переконати їх в реальному існуванні таких безпосередньо невоспрінімаемих органами почуттів об'єктів, як елементарні частинки. Реальність елементарних частинок доводять тим, що можна експериментально виміряти їх характеристики, передбачити, виходячи з властивостей частинок, різні ядерні реакції і перетворення частинок і не тільки експериментально здійснити теоретично передбачені процеси, але і використовувати їх у практичних цілях. Знайомство з елементарними частинками дає вагоме підтвердження принципу невичерпності матерії, бо учні переконуються в тому, що матеріальні об'єкти та їх властивості вкрай різноманітні, елементарні частки не є «простими», вони мають безліч властивостей і здатні до взаємоперетворення.
Корпускулярно-хвильовий дуалізм властивостей світла і елементарних частинок, взаімопревращаемость елементарних частинок дозволяють розкрити матеріальна єдність світу і діалектичну зв'язок перериваної і безперервного, а підпорядкування всіх ядерних процесів основним законам збереження служить хорошою ілюстрацією принципу незнищенності і несотворімості матерії і руху. Якісна своєрідність законів мікросвіту (імовірнісний характер закономірностей, дискретність станів, відсутність траєкторій і т. д.) дозволяє проілюструвати закон переходу кількісних змін у якісні. Імовірнісний характер квантових закономірностей глибше розкриває принцип взаємного зв'язку явищ, співвідношення між випадковим і необхідним.
У цьому розділі продовжується формування гносеологічного аспекту світогляду. Тут розглядають такі важливі світоглядні питання, як роль ідеальних моделей у процесі пізнання реальної дійсності і межі їх застосування. Модельні уявлення використовують при розгляді будови атома, ядра атома, при розкритті механізму випускання світла атомом, при поясненні поділу ядер і т. п.
Як і у всьому курсі фізики, велику увагу при вивченні цього розділу звертають на роль досвіду в процесі пізнання, на взаємозв'язок теорії і практики, експерименту. Необхідно підкреслювати, що теорія застосовна в тих межах, в яких експериментально підтверджуються випливають з неї слідства. Протиріччя експериментальних фактів теорії служить відправним моментом для її уточнення чи створення нової теорії. Наприклад, вивчаючи оптику, учні переконалися в тому, що явища відбиття заломлення, інтерференції і дифракції добре пояснюються на основі теоретичних уявлень про хвильову природу світла. Проте хвильова теорія світла не пояснює всі закони фотоефекту. Необхідність пояснення нових експериментальних фактів призвела до створення квантової теорії світла. Досвід Резерфорда спростував первинну модель атома, запропоновану Томсоном, а на зміну моделі атома Резерфорда прийшла теорія Бора, яка краще узгоджувалася з експериментальними фактами.
Історія розвитку вчень про світло і про будову атома дозволяє проілюструвати нескінченність процесу пізнання та його діалектичний характер. Співвідношення між абсолютною і відносною істиною необхідно обговорити при ознайомленні учнів з принципом відповідності. Квантова оптика є більш глибокої фізичної теорією, бо вона більш повно пояснює велике коло фізичних явищ, ніж класична оптика. Квантова оптика встановила, що низка подань класичної оптики не є абсолютними, вони хороші лише дл макроскопічних тел. Але квантова фізика не заперечує повністю класичну. Вона лише обмежує область її застосування. Закони класичної механіки та електродинаміки для макротіл залишаються непорушними. Крім того, у граничних випадках висновки квантової фізики збігаються з результатами класичною. При великих квантових числах дискретність «змазується» і процес стає квазібезперервному.
Останній розділ шкільного курсу фізики відкриває великі можливості для виховання і розвитку учнів. Для розвитку мислення учнів у цьому розділі широко використовую такі прийоми, як порівняння, систематизація та класифікація. Наприклад, корисно запропонувати їм порівняти властивості рідин і ядра атома. Виявлення загальних для них властивостей забезпечує краще розуміння школярами краплинної моделі ядра. Порівнювати можна також властивості фотона з властивостями інших елементарних частинок, властивості ядерних сил з властивостями гравітаційних і електромагнітних сил. Результати цих порівнянь відображають у систематизирующих таблицях, узагальнюючих отримані учнями знання з відповідного питання. У кінці вивчення розділу доцільно узагальнити всі отримані знання про будову речовини.
Матеріал розділу надає великі можливості для організації самостійної діяльності учнів. Корисно широко використовувати періодичну систему Менделєєва і запропонувати їм на її основі самостійно визначити склад ядер деяких елементів, розрахувати для них дефект мас, енергію зв'язку, питому енергію зв'язку і т. п. Оціночні розрахунки різних параметрів мікросвіту, широко використовувані в цьому розділі, можуть стати змістом самостійної діяльності учнів у школі і вдома, а аналіз отриманих в них результатів - хороша школа розвитку мислення учнів. Цій же меті служить рішення завдань, які в даному розділі носять переважно тренувальний характер і вимагають акценту на аналізі отриманих даних: корисно зіставляти енергії зв'язку ядер з енергією зв'язку інших систем, наприклад молекул; кінетичну енергію a-частинок з енергією теплового руху молекул; щільність ядерної речовини з відомими плотностями різних речовин і т. п. Результати цього аналізу дозволяють випускникам шкіл краще зрозуміти порядок величин у мікросвіті, осмислити його.
У розвиток квантової фізики внесли внесок багато видатні вітчизняні та зарубіжні вчені: Е. Резерфорд, Н. Бор, П. Кюрі, М. Склодовська-Кюрі, М. Лауе, Луї де Бройль, У Гейзенберг, В. Паулі, П. Дірак, Е. Шредінгер, І. Є. Тамм, О. Ган, Е. Фермі, Л. Д. Ландау, В. А. Фок, Д. У Скобельцина, А. І. Аліханов, В. І. Векслер, І. У . Курчатов і багато інших. Вивчення їхнього життя і діяльності являє благодатний матеріал для патріотичного та інтернаціонального, а також морального виховання учнів. Нескінченна відданість науці, працьовитість до одержимості, наукова сумлінність, безкорисливість, розуміння своєї відповідальності перед суспільством, скромність в особистому житті властиві були багатьом ученим.
ЛІТЕРАТУРА
1. Ванєєв А.А., Дубіцька Е.Г., Яруніна Є.Ф. Викладання фізики в 10 класі середньої школи. - М., «Просвещение», 1978 р.
2. Каменецький С.Є. Теорія і методика навчання фізики в школі (приватні питання). - М., «ACADEMA», 2000 р.
3. Інтернет
4. Бугайов О.І. Методика викладання фізики в середній школі. - М., 1981 р.
5. Вольштейн С.Л., Качинський А.М. Уроки фізики в 10 класі. - Мінськ, «Народна асвета», 1980р.