Методика изучения квантовой оптики в базовой и профильной школах

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. АКМУЛЛЫ»

(ГОУ ВПО «БГПУ им. М. АКМУЛЛЫ»)

 

Факультет физико-математический

Кафедра общей физики

Специальность физика

Курс IV

САДУЛИН ВЕНЕР АХМЕТОВ

МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ КВАНТОВОЙ ОПТИКИ В БАЗОВОЙ И ПРОФИЛЬНОЙ ШКОЛАХ

КУРСОВАЯ РАБОТА

Научный руководитель к.п.н., доцент

Даутова Б.В.

Уфа 2008

СОДЕРЖАНИЕ

 

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

1. Структура изучения квантовой оптики в школе……………………..5

2. Особенности методики изучения квантовой оптики...........…….......7

3. Методика изучения вопроса о световых квантах..…………….........10

3.1. Внешний фотоэффект……………………..……………………......10

3.2. Эффект Комптона……………………………..…………………….18

3.3. Фотоны. Двойственность свойств света……………..…………….21

3.4. Применение фотоэффекта…………………………..………………25

4. Роль и значение раздела «Квантовая оптика»………..……………..26

Литература……………………………………………………………….33

ВВЕДЕНИЕ

 

Место курса физики в школьном образовании определяется значением физической науки в жизни современного общества, в решающем ее влиянии на темпы развития научно-технического прогресса. Обучение физике в школе служит целям образования и воспитания личности: вооружать учащихся знаниями и умениями, необходимыми для их развития, подготовки к работе и продолжения образования. В задачи обучения физике входит:

а) воспитание учащихся на основе разъяснения роли физики в ускорении научно-технического прогресса, раскрытия достижений науки и техники и перспектив их развития, ознакомления с вкладом отечественных и зарубежных ученых в развитие физики и техники;

б) формирование знаний об экспериментальных фактах, понятиях, законах, теориях, методах физической науки, современной научной картине мира; техники, атомной энергетики, технологии производства и обработки новых материалов, с применением физических законов в технике и технологии производства;

в) формирование умений самостоятельно приобретать и применять знания, наблюдать и объяснять физические явления, а также умений пользоваться учебником, справочной и хрестоматийной литературой;

г) формирование некоторых экспериментальных умений: умений пользоваться приборами и инструментами, обрабатывать результаты измерений и делать выводы на основе экспериментальных данных, соблюдать правила техники безопасности;

д) развитие познавательного интереса к физике и технике, творческих способностей; формирование осознанных мотивов учения; подготовка к сознательному выбору профессии на основе тесной связи обучения физике с жизнью.

Решение задач образования и развития школьников, подготовки их к труду возможно лишь при условии усвоении ими основ физической науки. На это направлена реализация принципа генерализации учебного материала, такого его отбора и такой методики преподавания, при которых главное внимание уделено изучению основных фактов, понятий, законов, теорий и методов физической науки, обобщению широкого круга физических явлений на основе теории. Отсюда вытекает повышение требований к умению учащихся применять основные положения науки для самостоятельного объяснения физических явлений, результатов эксперимента, действия приборов и установок.

1.  СТРУКТУРА ИЗУЧЕНИЯ КВАНТОВОЙ ОПТИКИ В ШКОЛЕ

Программой по каждому классу в соответствии с разделами курса определен круг основных вопросов, знания которых следует требовать от учащихся. К ним относятся:

а) физические идеи, опытные факты, понятия, законы, которые учащиеся должны уметь применять для объяснения физических процессов, свойств тел, технических устройств и т. д.;

б) приборы и устройства, которыми учащиеся должны уметь пользоваться, физические величины, значения которых они должны уметь определять опытным путем и др.;

в) основные типы задач, формулы, которые учащиеся должны уметь применять при решении вычислительных и графических задач; физические процессы, технические устройства, которые могут являться объектом рассмотрения в качественных задачах.

В программе даны примерные нормы оценки знаний и умений учащихся, которыми необходимо руководствоваться учителю в практической деятельности.

Программа предусматривает использование Международной системы единиц (СИ), а в ряде случаев и некоторых внесистемных единиц, допускаемых к применению.

Распределение учебного времени по темам является примерным. Учителю предоставляется право изменять порядок изучения отдельных вопросов внутри темы, а также использовать по своему усмотрению резервное время, указанное в программе каждого класса.

СТРУКТУРА:

Световые кванты, квантовая оптика(II ч)

Лекции (3 ч)

Фотоэлектрический эффект и его законы. Кванты света. Уравнение фотоэффекта. Вакуумный и полупроводниковый фотоэлементы. Применения фотоэффекта в технике.

Фотон. Корпускулярно-волновой дуализм. Давление света. Опыты Лебедева. Химическое действие света и его применение.

Демонстрации

1. Фотоэлектрический эффект на установке с цинковой пластиной.

2. Законы внешнего фотоэффекта.

3. Устройство и действие полупроводникового и вакуумного фотоэлементов.

4. Устройство и действие фотореле на фотоэлементе.

5. Химическое действие света.

Решение задач (4 ч)

Письменный зачет (1 ч)

Контрольная работа №3 (2 ч)

Резерв (1 ч)

Лабораторный практикум (10 ч)

2. ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ КВАНТОВОЙ ОПТИКИ

Особенности методики изучения данного раздела определяются местом этого раздела в школьном курсе физики и спецификой изучаемого в нем материала. Рассмотрим влияние каждого из этих факторов отдельно.

Квантовую оптику изучают в конце школьного курса физики, причем изучают на количественном уровне впервые. Нигде на протяжении всего школьного курса физики учащиеся практически не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с дискретностью энергии, со свойствами ядра атома, с элементарными частицами. Лишь о строении атома и его ядра школьники получили самые первоначальные представления в базовом курсе физики и более полные — в курсе химии. Это обстоятельство требует от учителя так построить учебный процесс, чтобы при изучении материала добиваться глубокого и прочного усвоения его учащимися. Необходима продуманная работа по закреплению и применению изучаемого материала при решении задач, выполнении лабораторных работ, работе с дидактическим материалом и т. д. Пониманию и усвоению раздела способствуют оценочные расчеты, например, длин волн де Бройля, связанных с различными объектами, размера ядра, его плотности, энергии связи и т. п. Ныне, когда школы оснащены микрокалькуляторами и ЭВМ, эти расчеты не занимают много времени, а их результаты часто обладают большой убедительностью.

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

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

В процессе преподавания квантовой оптики нецелесообразно говорить о странности микромира, парадоксальности его законов. Это едва ли будет способствовать усвоению материала, но может запутать учащихся. Раскрывая своеобразие законов микромира, отличие их от законов классической физики, убеждают школьников в естественности этих различий. По этой же причине с историей становления квантовой механики (насколько трудным, порой мучительным был процесс научного познания микромира) учащихся лучше знакомить лишь после изучения этого раздела. Эта история - еще одно свидетельство бесконечности процесса познания, относительности истины на каждом этапе его развития. Она способна убедить школьников в том, что человеческий ум открыл много диковинного в природе и, вероятно, откроет еще больше.

Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Но число демонстрационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень невелико. Поэтому, кроме эксперимента, широко используют рисунки, чертежи, графики, фотографии треков, плакаты и диапозитивы. Прежде всего необходимо иллюстрировать фундаментальные опыты (опыт Резерфорда по рассеянию a-частиц, опыты Франка и Герца и др.), а также разъяснять принцип устройства приборов, регистрирующих частицы, ускорителей, атомного реактора, атомной электростанции и т. п. При изучении этого раздела широко используют учебные видеофильмы «Фотоэффект», «Фотоэлементы и их применение», «Давление света», «Радиоактивность и атомное ядро», «Ядерная энергетика в мирных целях», кинофрагменты «Дискретность энергетических уровней атома (опыт Франка-Герца)», «Природа линейчатых спектров атомов водорода», диафильмы «Трековые приборы в ядерной физике», «Ускорители заряженных частиц», «Этот мирный добрый атом», «Строение атома и атомного ядра», а также диапозитивы «Атомное ядро» и настенные таблицы («Атомная электростанция» и др.). Очень большие возможности в данном отношении открывает компьютерное моделирование.