Geum.ru

Н. Ю. Модели уроков по квантовой физике с элементами медиаобразования (2000). Соколова Н. Ю. Модели урок

Вид материалаУрок
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6
Инфракрасные световоды испытаны в ряде новых приборов для измерения низких температур, для медицинской и технической диагностики, спектрального контроля и анализа газов и жидкостей, использованы для передачи длинноволнового излучения технологических лазеров".
а). Озаглавьте текст.
б). Как бы вы пояснили выражения: "аморфные полупроводники", "высокочистые оптические материалы", "работают в широком диапазоне".

2 Ознакомьтесь с информацией.
"Небольшой приборчик - трансплантируемый под кожу стимулятор сердечной деятельности - спас жизнь многим, но раз в несколько лет операцию приходится повторять, чтобы сменить подсевшую батарейку.
В университете Осаки (Япония) ведутся эксперименты со стимулятором, подзаряжаемым светом. Под кожу внедряют солнечную батарейку - тонкую пластинку размерами два на два сантиметра. Освещая ее лучом лазера в течение двух часов, можно подзарядить стимулятор на 22 часа работы. Лазер взят инфракрасный, с длиной волны 860 нанометров: этот невидимый свет хорошо проникает через кожу.
В Японии около 200 тысяч человек носят сердечные стимуляторы. Болезни сердца молодеют, все большему числу японцев среднего возраста приходится подключать стимулятор, а это значит, что на протяжении жизни придется либо многократно делать операции со сменой батарейки, либо найти способ ее подзарядки".
а). В чем заключается принцип действия солнечной батарейки?
б). Как вы думаете, почему в качестве источника света выбран лазер?
в). Назовите достоинства и недостатки такого способа борьбы с болезнями сердца.
г). Как, по-вашему, почему "болезни сердца молодеют" в последнее время? Каковы основные правила гигиены сердечно-сосудистой системы человека?

3. Ознакомьтесь с информацией.
"Сверхтонким лучом лазера, которым управлял компьютер, немецкие инженеры смогли вырезать шестеренку из человеческого волоса. Диаметр выбранного волоса - примерно 0,07 миллиметра".
а). Озаглавьте текст.
б). Нужны ли подобные эксперименты? Для чего?

4. Ознакомьтесь с информацией.
"Физики из университета г. Мангейма (Германия) нашли новое, необычное применение клеящей ленте (скотчу). Они использовали ее для записи больших объемов информации. В центр обычного рулончика скотча помещается поворотная оптическая система, состоящая из объектива с призмой, через которую луч светящего сверху лазера может точно фокусироваться на всех витках прозрачной ленты. Построчно проходя по всей длине ленты, импульсы излучения точечно ее нагревают до 1700С. В месте нагрева необратимо изменяются отражающие свойства ленты: на ней возникают ряды особых (отличающихся от фона) "точек" микронного размера, благодаря чему и записывается информация. Записанное может быть "прочитано" другим лазером. Запись и чтение ведутся на скорости 300 км/ч. На одном стандартном ролике ленты можно записать до 3 Гбит информации, что соответствует утроенному объему Библии.
Изобретение немецких физиков можно применять не только в компьютерах: к выпуску готовится цифровая видеокамера с записью изображений на рулончик скотча".
а). Озаглавьте текст.
б). Выполните к нему схематический рисунок.
в). Почему для передачи информации используется лазер? Можно ли его заменить другим источником света?

Урок можно закончить просмотром диафильма "Лазеры и их применение в народном хозяйстве".
Для домашнего выполнения предлагаются задания:
1. По материалам урока, сообщений учащихся, сообщений СМИ составить схему "Применение лазеров". Дополните схему своими примерами, найденными в информационных сообщениях СМИ. (При составлении обратить внимание на полноту информации и эстетическую выдержанность схемы.) Примером такой схемы может быть следующая (5, с. 128):
Составьте описание лабораторной работы "Определение малых размеров тел (толщины волоса, проволоки, нити) при помощи лазера" (Воспользуйтесь тем, что данная работа является обратной по отношению к ЛР "Измерение длины световой волны" (1, с.239-241))
Предлагаем вам примерное описание такой работы.
Название: "Определение малых размеров тел (толщины волоса, проволоки, нити) при помощи лазера".
Цель работы: измерить толщину волоса (проволоки, нити) при помощи лазера.
Оборудование: лазер, экран, линейка, мерная лента, волос (нить, проволока).
Подготовительная работа. Для наблюдения явления дифракции на малом препятствии собирается установка (см. ниже).
Установка может располагаться на демонстрационном столе, ученической парте. Экран желательно расположить на расстоянии не менее 2 м (очевидно - чем дальше, тем лучше). На экране, в том месте, где будет наблюдаться дифракционная картина, целесообразно прикрепить линейку.
Если луч лазера направить на препятствие малых размеров, на экране наблюдаются дифракционные спектры нескольких порядков.

Длину волны лазера можно узнать по паспорту прибора (если это сделать невозможно, то перед проведением данной работы придется произвести определение длины волны лазерного излучения при помощи дифракционной решетки).
Известно, что

где d- размер препятствия, k-порядок спектра, j- угол, под которым наблюдается максимум.

т.к.j<5о

Расстояние a отсчитывается с помощью измерительной ленты от препятствия до экрана, расстояние b - по линейке экрана от центрального максимума до максимума 1-ого, (2-ого и т. д.) порядка.
Проведение работы.
1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов:

Длина волныl, м Порядок спектра, k a, м b, м d, м d ср, м


2. Соберите установку по схеме.
3. Узнайте по паспорту длину волны лазерного излучения.
4. Включите лазер, соблюдая меры предосторожности.
5. Наблюдайте дифракционный спектр, измерьте a и b.
6. Вычислите искомую величину для разных порядков спектра.
7. Найдите ее среднее значение.
8. Вычислите погрешность.

Выполнение такой работы может быть вынесено для домашнего эксперимента. У некоторых учащихся дома есть лазеры (брелоки, указки, медицинские аппараты). Поэтому после предварительного обсуждения описаний лабораторной работы, таким учащимся можно предложить выполнить ее дома.
Возможен вариант этой работы - "Определение размеров звуковой дорожки CD при помощи лазера". В этом случае CD служит отражательной дифракционной решеткой, все остальное по сути остается прежним.
Такую работу в виде эксперимента легко проделать в классе, оценив при этом искомые величины.

Очень объемный материал для домашнего выполнения не следует задавать к следующему уроку. Для его выполнения можно предоставить 1-2 недели.
Урок 14
Тема: Повторительно-обобщающий урок по теме "Создание квантовой теории"
Цели урока:
a) Обучения: приобщить учащихся к достижениям современной науки, систематизировать и обобщить знания.
b) Развития: развивать память, наблюдательность, логическое мышление.
c) Воспитания: способствовать расширению кругозора учащихся.
d) Медиаобразования: формировать умение вычленять главное в информационном сообщении, отчленять его от "белого шума", формировать умение аргументировать собственные высказывания.

Обобщающий рассказ учителя о развитии представлений о строении вещества от Демокрита до Бора Замечательно иллюстрируется первой частью (1-8 кадры) диафильма "Понятие об элементарных частицах". При объяснении корпускулярно-волнового дуализма частиц вещества помогут 29-30 кадры того же диафильма.
Примером современных достижений квантовой физики может служить информация СМИ:
"Американские физики из Массачусетского технологического института создали первый в мире "атомный лазер", который излучает не свет, а пучки атомов.
Оптический лазер, появившийся около сорока лет назад, генерирует поток абсолютно одинаковых и "идущих в ногу" квантов света - фотонов… Лазерные фотоны летят в строго определенном направлении, позволяя создавать очень интенсивные пучки света. Теперь физикам удалось получить аналогичный пучок атомов…
В соответствие с квантовой теорией, у любой частицы есть так называемая дебройлевская длина волны…
Физики из группы Кеттерле захватывали атомы натрия магнитной ловушкой и охлаждали их. При охлаждении длина дебройлевской волны увеличивается. Когда температура достигает нескольких миллионных долей градуса выше абсолютного нуля, длины этих волн становятся настолько большими, что они перекрываются, и вся группа атомов начинает вести себя как единое целое…
Между световым и атомным лазером есть принципиальное различие. Фотоны можно создавать, а атомы нет, поэтому количество атомов в лазере не увеличивается, и, выпуская пучок атомов, необходимо возобновлять их запасы. Кроме того, при взаимодействии атомов друг с другом пучок их расширяется. И, наконец, на атомы действуют силы притяжения Земли, и если пустить пучок горизонтально, то он будет отклоняться вниз.
Рано говорить и о возможных промышленных применениях "атомного лазера". После создания обычного лазера было высказано сотни идей о его использовании, но никто не мог предвидеть, что он будет считывать цены во всех приличных супермаркетах…
Атомный лазер работает пока медленно, но в принципе можно помечтать и о фабричном производстве на его основе. Тут, правда, есть одна сложность: "атомный лазер", в отличие от светового, может работать лишь в абсолютном вакууме. Однако никакие "но" не могут снизить восторгов по поводу открытия нового физического явления."
а). Что автор статьи подразумевает под выражением "одинаковые и "идущие в ногу" кванты света?
б). Есть ли смысл в подобных открытиях и экспериментах? Приведите обоснованные аргументы "за" и "против".
Для домашнего задания может быть предложено составление таблицы:
-Пользуясь записями на уроках, материалом учебника, справочником Еноховича, дополнительной литературой составить хронологическую таблицу "Создание квантовой теории".
Такая таблица может выглядеть так:

Год Некоторые знаменательные события в истории создания квантовой теории Ученый
1859 Открыт спектральный анализ Г.Кирхгоф,Р.Бунзен
1888 Открыт закон фотоэффекта А.Г.Столетов
1900 Выдвинута гипотеза об испускании атомами электромагнитной энергии отдельными порциями М.Планк
1905 Выдвинута гипотеза о квантовом характере светового излучения, дано уравнение фотоэффекта А.Эйнштейн
1911 Создана планетарная модель атома Э.Резерфорд
1913 Предложена квантовая теория атомаЭкспериментально доказана дискретность уровней энергии атомов Н.БорД.Франк, Г.Герц
1922 Открыто явление "Эффект Комптона" А.Комптон
1924 Высказана гипотеза о том, что сочетание волновых и корпускулярных свойств является общим свойством любых материальных объектов Луи де Бройль
1926 Получено основное уравнение квантовой механики Э.Шредингер
1939 Указана возможность использования явления вынужденного излучения для усиления электромагнитных волн В.А.Фабрикант
1954 Созданы квантовые генераторы на пучке молекул аммиака Н.Г.Басов, А.М.Прохоров, Г.Таунс

Урок 15
Тема: Методы наблюдения и регистрации радиоактивных излучений.
Цели урока:
a) Обучения: Познакомить учащихся с устройством и принципом действия камеры Вильсона, счетчика Гейгера, пузырьковой камеры, методом фотоэмульсии, формировать умение по трекам микрообъектов определять некоторые свойства.
b) Развития: формировать умение выделять главное, развивать все виды памяти, наблюдательность, вырабатывать умение работать с дополнительной литературой, развивать монологическую речь, развивать умение слушать и слышать друг друга.
c) Воспитания: способствовать формированию коммуникативной и эмоциональной культуры.
d) Медиаобразования: формировать умение находить требуемую информацию в различных источниках, трансформировать информацию, видоизменять ее объем, форму, знаковую систему, носитель и др., исходя из цели коммуникационного взаимодействия и особенностей аудитории, для которой она предназначена. Формировать умение вычленять главное в информационном сообщении, отчленять его от "белого шума". Формировать умение извлекать из предложенной информации данные и представлять ее в табличной или др. форме. Формировать умение систематизировать предложенную или самостоятельно подобранную информацию.

Новая тема урока может быть представлена сообщениями учащихся об отдельных методах наблюдения и регистрации радиоактивных излучений. Для подготовки к выступлению используется материал учебника и дополнительной литературы по физике. Кроме того, учащиеся подбирают кадры диафильма "Трековые приборы в ядерной физике", которыми они иллюстрируют свои рассказы.
Для остальных учащихся ставится задача:
-Во время прослушивания сообщений составьте таблицу, указав в ней название метода, кем и когда открыт, принцип действия, виды регистририруемых излучений. Таблица может иметь следующий вид:

№ Когда открыт метод Кто открыл метод Прибор Принцип действия Функции
1 Гейгер Счетчик Гейгера Ударная ионизация Счет частиц (b,g)
2 1912 Вильсон Камера Вильсона Конденсация переохлажденного пара Наблюдение треков частиц (a)
3 1952 Д.Глейзер Пузырьковая камера Вскипание перегретой жидкости Наблюдение треков частиц
4 20-е Л.В.МысовскийА.П.Жданов Толстослойные фотоэмульсии Фотохимические реакции Наблюдение треков частиц
5 1959 С.ФукуиС.Миямото Искровая камера Разряд в газе при его ударной ионизации Наблюдение треков частиц
6 Сцинтилляционный счетчик Свечение экрана, покрытого люминофором Наблюдение треков частиц

На второй половине урока демонстрируется кинофильм "Методы регистрации ионизирующих излучений", после просмотра которого в составленные таблицы вносятся дополнения. В конце урока или на перемене таблицы можно выборочно проверить.
Для обобщения материала урока, можно продемонстрировать следующую таблицу (5, с.159).
Урок 16
Тема: Открытие радиоактивности. a-, b-, и g-излучения.
Цели урока:
a) Обучения: ввести понятие естественной и искусственной радиоактивности, изучить свойства явления радиоактивности, вскрыть их природу, сформировать умение определять продукты ядерных реакций. Ознакомить школьников с историей открытия радиоактивности, с личностью ученых, раскрыть трудности изучения радиоактивности, значение открытия радиоактивности для развития квантовой физики. Продолжить развитие интереса к процессу физического познания на примерах истории науки, продолжить формирование интеллектуальных умений выделять главное, систематизировать изученное.
b) Развития: формировать умение выделять главное, развивать наблюдательность, память.
c) Воспитания: рассказать о жизни и работе М.Склодовской-Кюри и др. ученых как примере беззаветного служения науке
d) Медиаобразования: формировать умение составлять план информационного сообщения, предлагать форму его изложения, адекватную содержанию. Формировать умение извлекать из предложенной информации данные и представлять ее в табличной или др. форме.

Изучение нового материала можно начать с кинофрагмента "Открытие радиоактивности". Перед рассказом учителя, который желательно сочетать с использованием книг "В поисках первоначал" А.Томилина (4, с.99-106) и "Мария Склодовская-Кюри" (7), учащиеся получают задание:
-По рассказу учителя об открытии и исследовании явления радиоактивности составьте план-конспект.
Для домашнего выполнения предлагается задание:
-Составьте таблицу "Сравнительная характеристика a-, ?-, ?-излучений".

Вид излучения a b g
Физическая природа Ядра атома гелия Электроны Электромагнитные волны
Поведение в магнитном поле Слабо отклоняются Сильно отклоняются Не отклоняются
Скорость v<Масса покоя (отн. ед.) 4 1/1800 0
Заряд (отн.ед.) 2 -1 0
Проникающая способность Небольшая Больше, чем у a-частиц Наибольшая
Урок 17
Тема: Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада.
Цели урока:
a) Обучения: ввести понятие "период полураспада", познакомить учащихся с законом радиоактивного распада, показать его проявление в природе и применения в жизни человека.
b) Развития: развивать умение работать с табличным материалом, дополнительной литературой, развивать умение использовать теоретические знания для решения задач.
c) Воспитания: способствовать расширению кругозора учащихся.
d) Медиаобразования: формировать умение понимать задания в различных формулировках и контекстах, находить требуемую информацию в различных источниках, представлять ее в табличной форме, устанавливать ассоциативные связи между информационными сообщениями.

Во время возможного тихого опроса по домашнему заданию остальным учащимся учитель предлагает задание:
-Пользуясь таблицей справочника "Естественная радиоактивность" (2, с.189), дополните свою таблицу в тетради.
В таблице справочника содержатся очень интересные данные о радиоактивных излучениях: указаны скорости, с которыми отдельные частицы вылетают из ядер, их энергии, массы, проникающая способность. Например, указано, что g-лучи пронизывают насквозь тело человека, b-лучи проникают на глубину до 6 см, а a-лучи могут проникать в биологические ткани не дальше 0,1 мм.
Для знакомства с радиоуглеродным методом, как одним из применений закона радиоактивного распада может быть предложена следующая информация (8, с. 158):
"Для оценки возраста объектов в пределах 60000 лет применяют радиоуглеродный метод. Его суть состоит в следующем. Известно, что в углекислом газе СО2 , содержащемся в атмосфере Земли, присутствуют не только стабильные атомы 12С и 13С, но и радиоактивный изотоп углерода 14С с периодом полураспада 5700 лет. Из-за распада его количество должно было бы убывать. Однако эта убыль компенсируется образованием новых ядер, образующихся из атмосферного азота под действием космических лучей. По этой причине содержание 14С в воздухе с течением времени не меняется. Не меняется его концентрация и в поглощающих его растениях, а, следовательно, и в организмах потребляющих их животных и людей. Однако после гибели процесс усвоения атмосферного углерода прекращается, и содержание 14С в мертвых организмах начинает уменьшаться по закону радиоактивного распада. Поэтому, измерив в той или иной находке органического происхождения содержание радиоуглерода 14С, сложно определить и возраст данной находки. Если, например, процентное содержание 14С уменьшилось вдвое, то это означает, что соответствующий возраст равен t=T=5700 лет, если вчетверо -то t=2T=11400 лет и т.д.
За разработку радиоуглеродного метода геохронологии американский физик Фрэнк Либби в 1960 году был удостоен Нобелевской премии. С помощью его метода удалось осуществить датировку самых разных событий в истории Земли и культуры человечества, начиная от определения возраста древнейших наскальных рисунков гробниц египетских фараонов и кончая установление эпохи ледниковых периодов и временем вымирания доисторических животных"

Для выполнения задания по нижеследующей информации необходимо учащимся рассказать краткую предысторию: некоторое время назад на книжных развалах появились книги академика РАН А.Т.Фоменко, математика из МГУ, в которых перелопачивается вся мировая история, и в первую очередь - история России. Фоменко пытается доказать, что все исторические события происходили в другое время (со смещением в тысячу лет) и в другом месте. Несмотря на то, что Отделение истории РАН выразило общее мнение об этих изысканиях, как не имеющих к науке никакого отношения, его книги о "новой хронологии" выходят массовыми тиражами, на них лежит "печать качества" МГУ и РАН, их издание субсидирует Российский фонд фундаментальных исследований, их пропагандируют средства массовой информации.

Ознакомьтесь с информацией.
"Радиоуглеродный метод определения возраста апробирован в археологии тысячами анализов. Тем не менее, Фоменко по этому поводу снисходительно пишет: "Метод, возможно, является более или менее эффективным лишь при анализе чрезвычайно древних предметов, возраст которых достигает … сотен тысяч лет". Между тем любой студент-физик знает, что период полураспада радиоуглерода - всего 5730 лет. Поэтому любое вещество на Земле, имеющее возраст в "сотни тысяч лет", радиоуглерода уже не содержит, и анализировать его радиоуглеродным методом - абсолютная бессмыслица. С такой же "легкостью необыкновенной" расправляется академик-математик и с другими важными методами определения возраста…"
а). Какой точки зрения придерживаетесь вы - Фоменко или автора статьи? Обоснуйте свой ответ.
б). Как, по-вашему, легко ли фальсифицировать историю? Почему многие люди доверяют подобной информации? Кому адресованы эти книги?
в). Для чего это делается?

В качестве задач на написание уравнений радиоактивных распадов гораздо предпочтительнее выполнить задания на основе информационных сообщений из СМИ:
1. Ознакомьтесь с информацией.
"В лаборатории GSI (г.Дармштат, Германия) открыт шестой новый элемент - 112-ый, самый тяжелый из когда-либо полученных... Это изотоп, ядро которого содержит 112 протонов и 165 нейтронов, с атомной массой 277, близкий по химическим свойствам цинку, кадмию и ртути, однако в отличие от них его атом менее чем за тысячную долю секунды распадается, испуская альфа частицы, и превращается сначала в новый изотоп элемента N 110 с атомной массой 273, а затем - в новый изотоп элемента N 108 с атомной массой 269. После еще трех альфа-распадов на известные изотопы цепочка его превращений останавливается на фермии (элемент с атомным номером 100 и массой 253)."
а). Сколько элементов включает периодическая система Менделеева?
б). В чем, по-вашему, причина нестабильности нового элемента?
в). Напишите последовательно все превращения нового элемента.

2. Ознакомьтесь с информацией.
"Египетские и американские специалисты измерили содержание радиоактивного газа радона во внутренних помещениях египетских пирамид. В трех из семи изученных пирамид найдено повышенное содержание радона - от 816 до 5809 беккерелей на кубический метр воздуха.
Радон возникает при распаде урана, содержащегося во многих горных породах, особенно в граните. Этот газ нередко встречается и в подвалах жилых домов, и даже в комнатах, если дом стоит на скальном грунте. Безопасными считаются уровни до 200 беккерелей на кубометр, а если радона больше, необходима усиленная вентиляция. Радиоактивный газ может вызвать рак легких.