Элементы квантовой теории в современной школе

Цели и задачи раздела программы квантовая физика в профильных классах общеобразовательной школы.

Данный раздел является заключительным в школьном курсе физики. Он признан, систематизировать и обобщать огромный багаж знаний построению вещества, накопленных школьниками на протяжении всего физики и химии. В этом разделе должны быть раскрыты важные диалектические выводы о познаваемости мира, учащиеся должны получить представление об идеях квантовой теории. Одной из центральных методических задач, при изучении данного раздела является формирование у школьников понятия о дискретном характере изучения и поглощении света, и о значении квантовой теории в современной физике.

Последний раздел школьного курса физики оказывает влияние на воспитание и развития школьников. Для развития мышления широко используются такие приемы как сравнение, систиматезирование, классификация. Например, полезно предложить сравнивать свойства жидкости и ядра атома (модель жидкой капли).

Материал раздела предоставляет большие возможности для организации самостоятельной деятельности школьников Полезно широко использовать периодическую систему Менделеева и предложить учащимся самостоятельно определить состав ядер некоторых элементов на ее основе.

Так как данным разделом завершается весь курс физики, то он приобретает большое значение в формировании научного мировоззрения школьников, в раскрытии современной картины мира.

Особое значение при изучении этого направления приобретает проблема наглядности моделирования выступают графические образы, энергетические уровни, облако вероятности, потенциальная кривая. Это дает возможность повысить уровень абстрактного мышления школьников.

На изучения раздела квантовая физика в школьном курсе общеобразовательной школы отводится тридцать два часа по программе Мякишева Г. Я., в профилирующих классах отведено сорок шесть часов. Программа общеобразовательной школы усиливает внимание к вопросам квантовой физики, в профильных классах, этот раздел разделен на три темы. Первая тема «Cветовые кванты. Действие света. Корпускулярно-волновой дуализм». Центральной задачей этой темы является формирование у школьников понятия о дискретном характере излучения и поглощения энергии, о квантах света, о квантовой теории и ее значения в современной физике.

Изучение фотоэффекта, законов, которым подчиняется это явление, их объяснение на основе квантовой теории света, изучение химического действия света и его давления представляют большие возможности для развития понятия фотон (квант света), формирование которого было начато еще в курсе биологии VIII класса и в курсе химии Х класса, а также для раскрытия перед учащимися правомерности использование закона сохранения и превращение энергии применительно к объяснению световых явлений.

Одна из важнейших задач темы — ознакомление одиннадцатиклассников с применением явления фотоэффекта, в технике, химического действия света, с ролью фотосинтеза в природе и способами использования этого явления в интересах человека.

В процессе изучения квантовой оптики школьники убеждаются в том, что фотон — это не абстракция, позволяющая удобно описать оптические явления, а реальная частица.

В теме представляется возможным особенно ярко, полно показать школьникам взаимосвязь и взаимообогащение общефизических, релятивистских, квантовооптических и философских понятий — диалектически — противоречивый характер развития науки (на примере представлений о природе света); продемонстрировать школьникам особенности диалектического стиля мышления многих выдающихся ученыхфизиков (М. Планк, А. Эйнштейн, А. Г. Столетов, К. А. Тимирязева и других.).

Ознакомление с жизнью и деятельностью выдающихся прогрессивных ученых, внесших свой вклад в раскрытие сложной природы света и закономерностей, которым подчиняются световые явления, помогают понять учащимся, что настоящий ученый это еще и общественный деятель. Ознакомление с дуализмом свойств света, убеждение в материальности его способствует формированию понятия о современной — полевой физической картине мира.

В мире атома вместо классических законов движения — законов Ньютона — действуют особые квантовые. В наиболее доступной и достаточно наглядной форме они выглядят в волновой теории де Бройля — Шредингера.

Как известно, 1923 году Луи де Бройль высказал гипотезу о волновых свойствах микрочастиц (электронов): движению микрочастиц, имеющих импульс р, сопоставлена некая волна, характеризуемая соотношением де Бройля:

(2.1).

Где h-постоянная Планка, л-длина волны.

Эта идея была навеяна давно известной в физике аналогией Гамильтона между законами геометрической оптики и законами движения корпускул. С другой стороны, в современной оптике установлено единство корпускулярно — волновых свойств света: будучи электромагнитной волной, свет проявляет свойство корпускул (фотонов). Де Бройль предложил, что имеется аналогия не только между механикой и геометрической оптикой, но и между волновой оптикой и движением вещества: волновой оптике следует сопоставить некую волновую механику. Установленные для света отношения:

Е= h (2.2).

Де Бройль распространил и на частицы вещества. Так появилась формула де Бройля.

Корпускулярно — волновая идея де Бройля сформировалась не только под влиянием оптика — механической аналогии, но и в связи со странными для классической механики дискретными энергетическими состояниями электронов в атомах, установленными теорией Бора.

В этой теме изучаются также волновые свойства микрочастиц (электронов, нейтронов, атомов) подтверждены многочисленными опытами по наблюдению дифракционной и интерференционной картин, полученных от пучков частиц. В качестве дифракционных решеток в этих опытах применяются кристаллические тела так же, как и в опытах с рентгеновскими лучами. Возможно следующее распределение материала:

На изучение темы программой предусмотрено 13 часов. В соответствии с этим можно рекомендовать следующее распределение материала темы по урокам:

• 1-й урок. Понятие о квантовой теории (зарождение квантовой теории). Внешний фотоэффект. Вентильный фотоэффект Работы А. Г. Столетова по изучению фотоэффекта.
• 2-й урок. Законы фотоэффекта. Теория фотоэффекта Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Объяснение законов фотоэффекта на основе квантовой теории света.
• 3-й урок. Фотоны. Величины, характеризующие фотон. Опыты С. И. Вавилова по наблюдению флуктуации света.
• 4-й урок. Решение задач на уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
• 5-й урок. Элементарные акты взаимодействия фотонов с частицами вещества на примере взаимодействия фотонов с электронами.
• 6-й урок. Применение фотоэффекта. Фотоэлементы, их применение в автоматике.
• 7-й урок. Запись и воспроизведение звука оптическим методом.
• 8-й урок. Давление света. Опыты П. Н. Лебедева по обнаружению давления света.
• 9-й урок. Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза де Бройля.
• 10-й урок Химическое действие света. Работы П. П. Лазарева по изучению химического действия света. Фотография, ее применение в научных исследованиях, техники и других областях жизни.
• 11-й урок. Решение задач. Фотосинтез.
• 12-й урок. Учебный семинар обобщающего характера по материалу тем' Световые кванты. Действия света «. «Корпускулярно-волновой дуализм»
• 13-й урок. Контрольная работа по темам Световые кванты. Действия света. Корпускулярно-волновой дуализм

Вторая тема, которая рассматривается в квантовой физике, — это «физика атома «. В данной теме систематизируются и обобщаются знания школьников по строению вещества, полученные на протяжении всего курса химии и физики, должны быть раскрыты диалектические выводы о качественном своеобразии законов микромира и их познаваемости, получены представления об идеях квантовой теории.

Состояние микрочастиц описываются в квантовой механике волновой функцией, квадрат модуля которой и определяет вероятность пребывания частицы в данном месте и в данное мгновение. Волновая функция вычисляется с помощью уравнения Шредингера.

Данная тема подводит итог в формировании научного мировоззрения школьников, обобщает связь химических свойств атомов со структурой электронных оболочек вещества, электрические и магнитные свойства вещества, а также линейчатый спектр атомов и спектральный анализ. Все эти факты и явления определяют то большое значение, которое имеет в современной науке учение о строении атома.

Изучение явлений на субатомном уровне раскрывает идею познаваемости природы и неисчерпаемости материи, формируя тем самым диалектическое мышления школьников.

На изучение программы в профильном классе предусмотрено 6 часов, в данной работе предлагается увеличить до 9 часов, так как эта тема дает возможность произвести количественные расчеты (постулаты Бора, опыт Томсона).

В соответствии с этим рекомендуется следующее распределение материала:

• 1-й урок. Повторение вопросов химии и физики, связанных со структурой атомов.
• 2-й урок. Открытие электрона. Модель атома Томсона, ее недостатки.
• 3-й урок. Строение атома. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома.
• 4-й урок. Лабораторная работа на тему опыты Резерфорда.
• 5-й урок. Недостатки планетарной модели. Квантовые постулаты Бора.
• 6-й урок. Решение задач по теме квантовые постулаты Бора.
• 7-й урок. Модель атома водорода по Бору. Стационарные состояния и их экспериментальное подтверждение.
• 8-й урок. Объяснение некоторых явлений на основе квантовых представлений.
• 9-й урок. Семинар на тему современная модель атома.

Третья тема, которая рассматривается в разделе квантовая физика — строение ядра, элементарные частицы, ядерный реактор. Квантовая природа микрочастиц проявляется и в ядерной физике. При описании ядерных явлений действует определенный набор чисел (так называемых магических), характеризующих структуру и свойства ядер. Вероятностный характер микропроцессов проявляется в статистическом законе радиоактивного распада.

На изучение темы программой предусмотрено 20 часов, возможно следующее распределение материала:

• 1-й урок. Методы наблюдения и регистрация частиц.
• 2-й урок. Радиоактивность.
• 3-й урок. Закон радиоактивного распада.
• 4-й урок. Решение задач на закон радиоактивного распада.
• 5- урок. Открытия нейтрона.
• 6-й урок. Свойства нейтрона и протона.
• 7-й урок. Состав ядра. Изотопы.
• 8-й урок. Энергия связи ядер.
• 9-й урок. Ядерные реакции.
• 10-й урок. Искусственная радиоактивность.
• 11-й урок. Энергетический выход ядерных реакций.
• 12-й урок. Реакция деления ядер.
• 13-й урок. Цепная реакция деления ядер.
• 14-й урок. Ядерный реактор. АЭС.
• 15-й урок. Решение задач по теме деление ядер.
• 16-й урок. Получение радиоактивных изотопов и использование их в сельском хозяйстве, промышленности, науке и медицине. Понятие о дозе излучения и биологической защите.
• 17-й урок. Что такое элементарная частица? Свойства элементарных частиц, методы их изучения.
• 18-й урок. Открытие позитрона, античастица. Распад нейтрона. Открытие нейтрино. квантовый физика радиоактивный
• 19-й урок Превращение частиц вещества в кванты поля и обратные превращения.
• 20-й урок. Обобщения по теме квантовая физика.

Остановимся более подробно на второй теме, в которой изучаются представления об атоме, модель Томсона, открытие электрона, опыты Резерфорда, планетарная модель атома, постулаты Бора, модель атома водорода по БоруЗоммерфельду.

Эта тема в школьном курсе не раскрыта полностью, не освещены такие вопросы как открытие электрона (которое имеет большое значение для развития представлений о строении атома), изучается только два постулата Бора и не учитывается взаимосвязь между спектрами и строением атома, а также ничего не говориться о модернизации теории Бора. Следует рассказать основные открытия, которые внесли большой вклад в эволюцию представлений об атоме, а также о первых атомных моделях, рассказать о дальнейшем развитии представлений об атоме, и о современной модели атома.