Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
магистерская.docx
Скачиваний:
8
Добавлен:
22.02.2016
Размер:
887.37 Кб
Скачать

59

ПЛАН

Вступ ………………………………………………………………………………3

РОЗДІЛ І. КОМП’ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ В ОСВІТІ

1.1 Використання ІТ в освіті……………………………………………………..6

1.2 Зв'язок між фізикою і інформатикою…………………………………….…7

1.3 Методологічна і дидактична складові віртуального експерименту……....8

РОЗДІЛ ІI. ВИКОРИСТАННЯ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ПРИ ВИВЧЕННІ ТЕМИ «КВАНТОВА ФІЗИКА »

2.1 Формування квантових уявлень…………………………………………..10

2.1.1 Фотоефект. Рівняння Ейнштейна……………………………………..10

2.1.2 Будова атома …………………………………………………………….12

2.1.2.1 Дослід Резерфорда (теорія будови атома та моделі атома)……….12

2.1.2.2 Постулати Бора……………………………………………..………..16

2.1.2.3 Дослід Франка і Герца……………………………………………….18

2.1.2.4 Спін електрона. Дослід Штерна і Герлаха………………………....19

2.2 Вивчення теми «Фізика атомного ядра»……………………………...…..21

2.2.1 Моделі атомного ядра………………………………………………....21

2.2.2 Радіоактивність. Закони радіоактивного розпаду……………...……25

2.2.3 Ядерні реакції…………………………………………………………..30

2.3 Ядерні реакції у житті людини……………………………………………32

2.3.1 Ядерний реактор………………………………………………….……32

2.3.2 Атомна бомба…………………………………………………………..35

РОЗДІЛ ІV. ЕЛЕКТИВНИЙ КУРС НА ТЕМУ « КОМП’ЮТЕРНА ПІДТРИМКА ВИВЧЕННЯ ТЕМИ «БУДОВА АТОМА»

4.1 «Комп’ютерна підтримка вивчення теми "Будова атома"»………...…38

4.2 Результати проведення атестації після проходження елективного курсу «Комп’ютерна підтримка вивчення теми "Будова атома"»……………….…46

4.3 Правила техніки безпеки при роботі за комп’ютером………………...50

Висновок

Список використаної літератури

ВСТУП

Впровадження нових технологій у навчальний процес сприяє всебічному розвитку й формуванню світогляду учнів,студентів. Сучасний розвиток інформаційних технологій дає можливість застосовувати їх на уроках фізики як в основній школі так і в університеті.

Фізика – наука експериментальна, для її вивчення необхідно використовувати досліди. Добре відомо, що курс фізики включає розділи, вивчення і розуміння яких вимагає розвиненого образного мислення, уміння аналізувати, порівнювати. Насамперед мова йде про такі розділи, як «Ядерна фізика» і «Квантова фізика» і ін. Багато явищ в умовах фізичного кабінету не можуть бути продемонстровані,виникають значні труднощі при постановці та виконанні демонстраційних дослідів з розділів, які пов’язані з неможливістю спостерігати без спеціальних приладів і необхідних умов для їх здійснення. В результаті учні,студенти зазнають труднощів при вивченні цих тем, оскільки не взмозі їх уявити. Частковим рішенням цієї проблеми є моделювання дослідів на комп’ютері, так звана комп’ютерна підтримка вивчення складних тем та дослідів квантової фізики.

Комп'ютер може не лише створити модель таких явищ, а й дозволити змінювати умови протікання процесу, "прокрутити" із оптимальною для засвоєння швидкістю. Найдоцільнішим є використання комп'ютерної моделі для демонстрацій під час пояснення нового матеріалу, розв'язування практичних задач. Найбільш фундаментальними дослідами квантової фізики є досліди Резерфорда, Франка і Герца, Штерна і Герлаха,ефект Комптона, фотоефект.Дуже важливими у ядерній фізиці є дослідження радіоактивності,ядерних реакцій та ядерного реактора.

Краще і простіше, а також наочніше показати, як електрон за моделлю Бора перескакує в атомі з орбіти на орбіту, що супроводжується поглинанням чи випромінюванням кванта, ніж пояснювати це за допомогою дошки і крейди. А якщо взяти до уваги те, що ця модель дає можливість одночасно показати переходи електрона й на інші орбіти в динамічному режимі роботи електронних рівнів і вигляд спектральних ліній, тоді стає зрозумілим, що подану демонстраційну модель неможливо забезпечити іншими засобами., або дослід Резерфрда по бомбардуванню альфа-частинками тонких металевих пластинок, показує як альфа частинки розсіюються в речовині,і в результаті Е. Резерфорд припустив, що атом має складну будову, схожу на Сонячну систему: всередині його міститься позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються електрони.

На сайті нашого університету є розроблений навчально-методичний посібник «Квантова фізика» автор Соколенко О.І.. В якому розглянуті всі розділи квантової фізики:квантові властивості випромінювання,хвильові властивості мікрочастинок, будова атомів, фізика атомного ядра,елементарні частинки. У кожному з цих розділів коротко розглянуті основні питання теорії, подані основні формули з розділу і методичні вказівки щодо розв’язування задач,а також наведені приклади типових задач.

Практика показала що цей посібник має широкий спектр використання як студентами так і магістрантами нашого ВУЗу,для більш ефективного використання навчального посібника була необхідність доповнити його комп’ютерними демонстраційними матеріалами анімаціями,візуалізаціями та відео фрагменти явищ,що і будо виконано в даній роботі.

Всі демонстраційні матеріали було апробовано при викладанні квантової фізики в «ДНЗ Одеський професійний ліцей морського транспорту» і в «Південноукраїнському національному педагогічному університеті імені К.Д. Ушинського» на 4 курсах спеціальності «фізика менеджмент»,а також на асистентській практиці з фізики магістрантами. Як показали результати контролю якість і упішність знань підвищилась на 3%-6%.

Я вважаю що тема моєї магістерської роботи є актуальною.

Метою даної магістерської роботи є забезпечення вивчення квантової фізики використовуючи засоби комп’ютерного моделювання, обґрунтування необхідності використання комп’ютерних моделей при вивченні фізики.

Об'єкт дослідження: Забезпечення навчального процесу з тем квантової фізики з використанням засобів комп’ютерного моделювання.

Предмет дослідження: Форми, методи та засоби реалізації вивчення квантовоъ фізики за допомогою комп’ютерного моделювання.

Гіпотеза дослідження використання комп’ютерного моделювання при викладанні квантової фізики повинно підвищити ефективність і якість засвоєння знань формування відповідних умінь та навичок. Відповідно до предмету і гіпотези дослідження були визначенні його конкретні завдання:

1. Провести аналіз літературних джерел, наукових праць, статей з питання використання комп’ютерних моделей при викладанні фізики.

2. Розглянути психолого-педагогічні аспекти ефективного використання комп’ютерного моделювання при викладанні фізики.

3. Розробка методичних рекомендацій, щодо використання комп’ютерного моделювання.

РОЗДІЛ І. КОМПЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ В ОСВІТІ

1.1 Використання ІТ в освіті

Інформатизація освіти вимагає підвищення якості навчального процесу, здійснення відповідних досліджень і розробок сучасних методів навчання, заснованих на використанні інформаційних технологій, до рівня вимог постіндустріального суспільства. Це передбачає залучення учнів і студентів до інформаційної культури, побудова в їхній свідомості наукової картини світу, оволодіння сучасними методами обробки інформації. В інформатиці під інформаційною (комп'ютерною) технологією розуміють технологію переробки інформації на ЕОМ, в результаті яких виходить новий інформаційний продукт (текстовий, графічний, звуковий або відео-файл).

Система віртуальної реальності занурює студента в уявну тривимірну модель реального світу. Вона забезпечує "безпосередню" взаємодію з різними об'єктами цього світу і маніпулювання ними. Це якісно змінює механізм сприйняття і осмислення одержуваної інформації, сприяє формуванню чуттєво-наочного образу досліджуваного явища. Мультимедійні засоби навчання повинні відповідати дидактичним вимогам науковості, доступності, проблемності, наочності, свідомості, систематичності і послідовності навчання.

1.2 Зв'язок між фізикою і інформатикою

Як вже зазначалося, викладання фізики, в першу чергу атомної і ядерної, пов'язано з вивченням обчислювальної техніки та сучасних технологій збирання, зберігання, обробки і передачі інформації.

Фізика – наука експериментальна. Сучасні інформаційні технології дозволяють створювати моделі різних фізичних об'єктів, явищ і процесів і відображати їх на екрані ПК з можливістю варіювати параметри. За допомогою інтерфейсних блоків і датчиків фізичних величин можна виконувати і реальний експеримент, а також дистанційно керувати реальними об'єктами, здійснювати автоматизований контроль, обробляти результати досліджень і т.д. У зв'язку з цим під навчальним фізичним експериментом зараз розуміється не тільки традиційний натурний (демонстраційний і лабораторний) експеримент, але і чисто комп'ютерний, віртуальний. Особливо ефективний останній у разі неможливості проведення натурного експерименту через відсутність обладнання, небезпеки для здоров'я, тривалості виконання, складності математичного обрахунку результатів і т.д.

Крім того, комп'ютерний експеримент, як уже було сказано, надає широкі можливості варіювання параметрів процесу, що просто неможливо зробити в натурі.

Атомна і ядерна фізика належать до таких розділів фізики вивчення яких, повинно супроводжуватися експериментальними дослідженнями.

Віртуальні експерименти значно прискорюють процес освоєння досліджуваного матеріалу. Ніяка кількість вирішених завдань з фізики не може замінити досвіду, придбаного при проведенні експериментальних досліджень. Комп'ютер можна розглядати як універсальний лабораторний стенд.

1.3 Методологічна і дидактична складові віртуального експерименту

Унікальні особливості віртуально інформаційного середовища (мультимедіа, інтелектуальність, моделінг, інтерактив, комунікативність, продуктивність) визначають безперечну ефективність її застосування в будь-якій сфері пізнавальної діяльності,в тому числі і в проведенні лабораторних фізичних експериментів.

Зазначимо переваги і недоліки віртуального фізичного експерименту. Такий експеримент дозволяє:

Вивчати складні фізичні явища на рівні, доступному розумінню, виключаючи звернення до їх нерідко громіздкого математичного опису;

«Досліджувати» явище навіть у тих випадках, коли проведення реального експерименту ускладнене або недоцільно (наприклад, робота ядерного реактора, рух космічних об'єктів, вивчення поведінки тіл при великих тисках,дослідження мікроскопічних об'єктів, і т.д.);

Зупиняти і відновлювати експеримент з метою аналізу проміжних результатів і можливої ​​зміни його ходу;

Вивчати явище в динаміці(тобто спостерігати його розвиток в просторі і часу);

Здійснити операцію, неможливу в натурному експерименті – змінювати просторово-часові масштаби протікання явища;

Задавати необхідні умови проведення експерименту і параметри досліджуваної системи об'єктів, не побоюючись за її стан, а також безпеку і збереження компонентів експериментальної установки;

Супроводжувати модельний експеримент візуальної інтерпретацією закономірних зв'язків між параметрами досліджуваної системи(у формі динамічних графіків, діаграм, схем тощо);

Досліджувати явище в «чистому» вигляді, точно відтворюючи необхідні умови його протікання;

Акцентувати, завдяки ефектам мультимедіа, увагу учнів на головному в досліджуваному явищі і сприяти тим самим більш глибокому розумінню його сутності.

При використанні інтерактиву як функції нового середовища навчання до раніше вказаним перевагам віртуального експерименту додаються нові:

Забезпечення діяльнісного підходу до навчання, орієнтованого на розвиток ключових компонентів навчальної активності студентів:зокрема інтересу до навчання, вміння планувати свої дії, виконувати і контролювати якість їх виконання;

Розвиток пізнавальної самостійності студентів, визначальною успіх у реалізації їх навчальної активності;

Створення умов для творчої діяльності студентів.

Слід зазначити, що введення даного типу фізичного експерименту в курсі фізики має і недоліки:

практичне здійснення віртуальних експериментів буває утруднено у зв'язку з недостатнім рівнем комп'ютерного забезпечення ;

не отримується навички практичної роботи з реальним дослідницьким обладнанням;

низька в порівнянні з натурним експериментом ступінь наочності.

РОЗДІЛ ІI. ВИКОРИСТАННЯ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ПРИ ВИВЧЕННІ ТЕМИ «КВАНТОВА ФІЗИКА»

2.1 Формування квантових уявлень

2.1.1 Фотоефект. Рівняння Ейнштейна

Фотоефект — явище «вибивання» світлом електронів із металів. Це повне або часткове вивільнення електронів від зв'язків з ядрами атомів речовини внаслідок дії на неї електромагнітного проміння (світла, рентгенівського чи гамма-променів).

Рис.1.Вибивання фотоелектронів із металевої пластини.

Вперше прямий вплив світла на електрику виявив німецький фізик Генріх Герц під час дослідів з електроіскровими вібраторами. Герц встановив, що заряджений провідник, освітлений ультрафіолетовим промінням, швидко втрачає свій заряд, а електрична іскра виникає в іскровому проміжку при меншій різниці потенціалів. Помічене явище було описане Герцом в його статтях 1887–1888 років, але залишилося без пояснення, оскільки фізичну природу його він не знав. Не зуміли правильно пояснити дію світла на заряди і німецький фізик Гальвакс, італійський фізик Рігі. Англійський фізик Лодж, який, демонструючи в 1894 році досліди Герца в своїй знаменитій лекції «Творіння Герца», лише припустив хімічну природу явища. І це недивно, осклільки електрон буде відкритий Джозефом Джоном Томсоном лише в 1897 році, а без згадки про електрон пояснити фотоефект неможливо.

Проте 26 лютого 1888 року російський учений Олександр Григорович Столєтов (1839–1896) здійснив дослід, що наочно продемонстрував зовнішній фотоефект і показав істинну природу та характер впливу світла на електрику. Перші досліди з світлом  Столєтов проводив із звичним електроскопом. Освітлюючи електричною дугою Петрова цинкову пластину, заряджену негативно і сполучену з електроскопом, він виявив, що заряд швидко зникав, тоді як позитивний заряд не знищувався.

Припустімо, що при опроміненні світлом з поверхні вилітають електрони. Тоді при освітлені негативної цинкової пластинки електрони вилітають і ще додатково відштовхуються електричним полем пластинки. Тому негативний заряд швидко зникає. Інша річ із позитивним зарядом. Якщо електрон вилетів, то його з одного боку притягує електричне поле пластинки, з другого його виліт не зменшує, а збільшує позитивний заряд пластинки.

Столєтов назвав відкритий ефект активно-електричним розрядом. Електронна природа фотоефекту була показана в 1899 році Дж. Дж. Томсоном і в 1900 році Ленардом.

Для постановки точних дослідів Столєтов створив експериментальний прилад, що став прообразом сучасних фотоелементів. Прилад складався з двох плоскопаралельних дисків, один з яких був сітчастий і пропускав світлове випромінювання.

До дисків підводилася напруга від 0 до 250 В, причому до суцільного диска підключався негативний полюс батареї. При освітленні суцільного диска ультрафіолетовим світлом включений у коло чутливий гальванометр відзначав протікання струму, незважаючи на наявність повітря між дисками. Продовжуючи досліди, Столєтов встановив залежність фотоструму від величини напруги батареї та інтенсивності світлового пучка. Подальші роботи привели до створення першого у світі фотоелемента, що був скляним балоном з кварцовим вікном для пропускання ультрафіолетового проміння. Всередину балона поміщалися електроди, один з яких був чутливий до світла, газ відкачувався.

Дослідження фотоефекту дозволили сформулювати три його характерні закони.

1. Кількість фотоелектронів прямо пропорційна інтенсивності світла.

2. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, кінетична енергія фотоелектронів прямо пропорційна частоті світла.

3.Для кожної речовини існують порогові значення частоти та довжини хвилі світла, які відповідають межі існування фотоефекту; світло з меншою частотою та більшою довжиною хвилі фотоефекту не викликає.

Оскільки це порогове значення завжди ближче до червоного світла, то йому дали назву червона межа фотоефекту.

Зрозуміло, що червона межа фотоефекту існує завдяки притягуванню електронів до ядер. Разом з тим, останній закон не можна пояснити на основі уявлення про світло як неперервні плавні коливання у вакуумі-ефірі: такі хвилі мали довго розгойдувати електрони до того моменту, коли швидкість останніх стала б достатньою для відриву від металу.

Повне пояснення фотоефекту належить Альберту Ейнштейну, який використав ідею німецького фізика Макса Планка про те, що світло випромінюється і поширюється окремими порціями — квантами, які отримали назву фотонів. Для обчислення енергії кванта світла Макс Планк запропонував просту формулу:

де -енергія фотона,h — стала Планка, — лінійна частота.

Ейнштейн висловив припущення, що фотоефект відбувається внаслідок поглинання фотоном одного кванта, а інші кванти не можуть брати участь у цьому процесі. Тоді енергія одного кванта світла (фотона) витрачається на подолання бар'єру (виконання роботи виходу, відриву від матеріалу) і надання кінетичної енергії фотоелектрону.

Це дозволило йому записати закон збереження енергії для процесу — наведене вище рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

Щоб вивільнити електрон із металу йому необхідно передати енергію, більшу за роботу виходу.

Теоретичне пояснення явища дав Альберт Ейнштейн, за що отримав Нобелівську премію. Ейнштейн використав гіпотезу Макса Планка про те, що світло випромінюється порціями (квантами) із енергією, пропорційною частоті.

Припустивши, що світло і поглинається такими ж порціями, він зміг пояснити залежність швидкості вибитих електронів від довжини хвилі опромінення.

,

де ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу.