Экспериментальное изучение фотоэффекта в школе методом научного познания

Основные положения метода научного познания по Разумовскому. Психолого-педагогические особенности учащихся старших классов. Пути развития личностных качеств на уроках физики. Учебный эксперимент по фотоэффекту и условия его проведения, его результаты.

Рубрика Педагогика
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 10.09.2012
Размер файла 1,1 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Развитие познавательных и творческих способностей учащихся должно занимать важное место в работе учителя. Введенный в программу научный метод познания должен способствовать этому. Научный метод - это ключ для развития познавательной и творческой инициативы учащихся в процессе обучения. Он позволяет школьникам самостоятельно мыслить и действовать.

В работе предложена методика преподавания учащимся основ метода научного познания при изучении явления внешнего фотоэффекта. Суть современного метода научного познания в физике кратко сформулирована А. Эйнштейном в 1952 г. Теория фотоэффекта, построенная им в 1905 г., свидетельствует о том, что уже в молодые годы А. Эйнштейн был одним из создателей этого метода. Именно благодаря методу научного познания ему удалось решить проблему, которая была камнем преткновения для развития физики в начале прошлого столетия. Эти факты дают основание надеяться, что учебное исследование явления внешнего фотоэффекта на основе научного метода познания даст возможность школьникам не только объяснить фотоэффект - явление, которое противоречит всему ранее изученному ими о природе света, - но и понять разницу между обыденным «здравым смыслом» и научным объяснением явления.

Моя работа посвящена изучению метода научного познания и использованию этого метода при обучении физике в средней школе.

Проблема повышения качества обучения учащихся всегда была и остается актуальной. В последние годы интерес к решению этой проблемы возрос, поскольку по-новому стал вопрос о целях образования и воспитания. На современном этапе основные цели обучения физике составляют раскрытие общекультурной значимости физики и формирование на этой основе научного мировоззрения и научного мышления.

При обучении в школе научный метод познания является для ученика одновременно объектом изучения и средством овладения учебным материалом.

Процесс научного познания в содержании курса основной школы можно представить следующей схемой (за основу мы берем цикл познания, сформулированный В.Г. Разумовским). Согласно ей сначала идет:

- накопление фактов, выявленных при исследовании какой-то группы явлений;

- затем выдвижение обоснованного предположения - гипотезы - в виде функциональной зависимости между величинами, либо в виде модели изучаемого объекта или явления;

- далее вывод из гипотезы логически вытекающих следствий, которые позволяют объяснить наблюдаемые явления или предвидеть новые явления;

- и экспериментальная проверка гипотезы и вытекающих из неё следствий - эксперимент.

Коротко: опытные факты - гипотезы - теоретические следствия - эксперимент.

Цель работы: методика изучения явления внешнего фотоэффекта в школе на основе научного метода познания.

Предмет исследования: изучение внешнего фотоэффекта на основе научного метода познания, которое даст возможность школьникам не только объяснить фотоэффект, но и понять разницу между обыденным «здравым смыслом» и научным объяснением явления.

Объект исследования: учебный эксперимент по фотоэффекту.

Практическая значимость: состоит в том, что материалы дипломной работы могут быть использованы в учебном процессе и на факультативных занятиях.

Структура: дипломная работа состоит из введения, двух глав, выводов, заключения и списка литературы.

ГЛАВА 1. ДИДАКТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ ПРИ ОБУЧЕНИИ ФИЗИКЕ

Методика обучения физике в России и в передовых капиталистических странах развивается по пути вооружения учащихся методами научного исследования в единстве с усвоениями знаний. Только ознакомившись с общей схемой и методами научного познания природы, ученик может понять соотношение абсолютного и относительного в научных знаниях. При этом условии возможна активизация познавательной деятельности ученика на уроках. Поэтому объектами изучения в курсе физики на доступном для учащихся уровне должны быть методы познания, построения моделей (гипотез) и их теоретического анализа. В данной главе рассмотрим взаимосвязь методов обучения и методов научного познания и основные положения научного познания.

1.1 Взаимосвязь методов обучения и методов научного познания

Физика - наука пользуется теоретическими и экспериментальными методами исследования. Логика этих методов одинаково важна и для научного, и для учебного познания. Соотношение процесса обучения и научного познания (в том числе соотношения функции научных и учебных методов познания) показывает как общность многих черт, так и принципиальное их отличие. Методы научного познания представляют собой совокупность приемов и операций получения нового знания, а также способы построения системы научного знания.

Учебное познание отличается от научного, прежде всего тем, что новизна результата познания носит субъективный характер. Она значима для познающего субъекта - ученика. Кроме того, движение школьника от незнания к знанию происходит под руководством учителя с помощью различных методов обучения, организующих деятельность учащихся и определяющих методы учебного познания, используемые ими. Выбор учителем соответствующих методов, приемов, средств обучения осуществляется с учетом наиболее короткого пути ученического познания, наиболее рационального сочетания (с точки зрения целей обучения) теоретического знания и эксперимента, индукции и дедукции, логических и интуитивных умозаключений в их диалектическом единстве.

Процесс познания в науке осуществляется на двух уровнях: эмпирическом и теоретическом.

Для эмпирического уровня познания характерны следующие методы: наблюдение фактов - выдвижение гипотезы - абстрагирование и идеализация - экспериментальная проверка гипотезы - эмпирическое обобщение.

На теоретическом уровне познания преобладают методы: теоретический анализ готовых результатов научного познания - выдвижение гипотезы - моделирование - мысленный эксперимент - теоретическое обобщение - выводы (следствия).

В процессе обучения - и в содержании, и в системе методов и методических приемов отражаются элементы процесса познания (через методологию знания и методы обучения). Помогает понять логику методов познания и соответствующих методов и приемов обучения, а также установить методологические пути перехода от одного этапа процесса познания к другому гносеологическая формула цикла познания: факты - гипотеза - теоретические следствия - эксперимент.

При всем различии процессов научного познания ученого-исследователя и школьника у них есть и принципиально общее. И ученый, и школьник должны отдавать себе отчет, к какой категории относится имеющаяся информация, а также полученные на каждом этапе познания новые сведения: есть ли это установленные или проверяемые опытные факты, или это гипотеза, или логические выводы из принятой модели изучаемого явления. Достоверность научной информации: фактов, их интерпретаций, теоретических моделей и выводов - неодинакова. Установленные факты наиболее устойчивы в науке. При появлении новых знаний они изменяются, при этом меняется и вся научная концепция.

Содержание и смысл понятий также зависят от объема имеющейся информации и опыта, как исторического, так и индивидуального, а их интерпретация преобразуется как в науке, так и в процессе образования каждого человека.

Таким образом, современная теория познания нужна не только исследователю, она нужна всякому, постигающему современные достижения науки. Школьнику тоже необходимо понимание не только различных категорий теории познания, их неразрывной связи и взаимозависимости, но и циклического характера развития процесса познания, его психологических особенностей, роли языка, а также соотношения познаваемого объекта, получаемой информации о нем и собственных суждений. Необходимо не только различать, но и понимать связь категорий познания. Важно также составить суждение о роли интуиции и логических доказательств на различных этапах процесса познания.

В процессах познания исследователя и ученика принципиальное сходство также состоит в том, что познание для всех и всегда индивидуально, оно зависит от предшествующего опыта каждого. Все одинаково хором могут заучить стихотворение, закон или правило, но понимание смысла заученного всегда будет индивидуально, поскольку зависит от индивидуального опыта и индивидуальных способностей.

1.2 Основные положения метода научного познания по Разумовскому

В.Г. Разумовский выделяет следующие основные положения научного познания, которые должны быть поняты и усвоены школьниками для самостоятельного овладения научным знанием:

Научное познание имеет циклический характер и состоит из взаимосвязанных звеньев: наблюдение и анализ фактов, формулировка проблемы, выдвижение гипотезы, теоретический вывод следствий, их экспериментальная проверка, установление эмпирических законов и применение теории на практике;

Научное знание от верования отличается выверенностью фактов, обоснованностью теоретических положений, логической строгостью выводов и подтверждением на практике;

Научное познание базируется на прежнем опыте и поэтому модельно; в процессе развития науки при получении новых фактов модели объектов и явлений развиваются, уточняются и меняются, меняется и их интерпретация;

Совпадение теоретических выводов с результатами опыта подтверждает применимость построенной модели в данной области, но не свидетельствует об окончательном познании объекта или явления;

В научном познании одинаково важны как интуитивная догадка при выдвижении гипотез и при поиске способов применения теории на практике, так и строгие логические преобразования при выводе теоретических следствий и научных предсказаний.

Все это должно стать естественным результатом обучения в самостоятельной познавательной деятельности.

1.3 Психолого-педагогические особенности учащихся старших классов

Старший школьный возраст - это пора поисков и открытий. Старшеклассники любят исследовать и экспериментировать, творить и создавать новое, оригинальное. Они с большим интересом занимаются в различных научных обществах, в школах «юных математиков» и других юношеских объединениях.

Большинство старшеклассников высказываются в пользу активных и самостоятельных форм деятельности: дискуссий, лабораторно-практических работ, изучения первоисточников.

Дискуссия - не только средство познания, но и средство самовыражения, условие формирования убеждений. Самостоятельность мысли, взглядов формируется в процессе аргументации своей точки зрения.

Из характеристики познавательной деятельности старших школьников видно, что старшеклассники готовы к тому, чтобы проникать в сущность явлений, вскрывать причины, делать выводы. Это - проявление исследовательского отношения к предмету.

Процесс обучения старшеклассников должен всё время рассматриваться с точки зрения того, насколько он готов к самообразованию. Если в младших классах стояла задача «учить учиться», то в старших классах установка на то, чтобы «учить учиться самостоятельно», т.е. формировать технику самообразования, формировать рациональные приёмы работы с учебным материалом (конспектирование, пользование справочными материалами, работа с книгой, написание рефератов, тезисов). Очень важно учить старших школьников планировать свою работу, выбирать индивидуальный оптимальный режим дня, рационально использовать своё время.

1.4 Особенности учебной деятельности старшеклассника

Обучение детей в старших классах средней школы охватывают возраст от 14-15 до 17 лет. Учебная деятельность остаётся основным видом деятельности старшего школьника. У старшеклассников, по сравнению с подростками, интерес к учению повышается. Это связано с тем, что складывается новая мотивационная структура учения.

Ведущее место занимают мотивы, связанные с самоопределением и подготовкой к самостоятельной жизни. Эти мотивы приобретают личностный смысл и становятся действенными.

Высокое место в мотивационной структуре занимают такие широкие социальные мотивы, как стремление стать полноценным членом общества, приносить пользу людям, Родине, убеждённость в практической значимости науки для общества.

Сохраняют свою силу и мотивы, лежащие в самой учебной деятельности, интерес к содержанию и процессу учения.

Наряду с интересом к фактам, что характерно и для подросткового возраста, у старшего школьника проявляется интерес к теоретическим проблемам, к методам научного исследования, к самостоятельной поисковой деятельности по решению сложных задач.

Такая познавательная мотивация может распространяться на все предметы, на цикл каких-либо предметов или на отдельный предмет. Избирательность познавательных интересов старших школьников очень часто связана с жизненными планами, профессиональными намерениями, которые, в свою очередь, способствуют формированию учебных интересов, изменяют отношение к учебной деятельности.

Итак, для мотивационной сферы старшего школьника характерно сочетание и взаимопроникновение широких социальных мотивов и познавательных мотивов, заключённых в самом учебном процессе. В старшем школьном возрасте на первый план выдвигается произвольная мотивация, т.е. всё чаще учащийся руководствуется сознательно поставленной целью, своими намерениями.

Говоря о познавательной деятельности, Л.И. Божович отмечает, что «нет ни одной интеллектуальной операции в познавательной деятельности старшего школьника, которой не было бы у подростка». В самом деле, старший школьник так же, как и подросток, мыслит понятиями, пользуется различными мыслительными операциями, рассуждает, логически запоминает и т.д., хотя и в этом отношении есть сдвиги. Как же изменяется содержательная сторона?

Если подросток хочет знать, что собой представляет то или иное явление, то старшие школьники стремятся разобраться в разных точках зрения этого вопроса и составить собственное мнение. Старшие школьники всегда хотят установить истину. Им становиться скучно, если нет интересных задач «для ума». Дать старшекласснику такие задачи - вот вопрос, который должен волновать учителя.

Старших школьников привлекает сам ход анализа, способы доказательства не меньше, чем конкретные сведения.

Многим из них нравится, когда преподаватель заставляет их выбирать между разными точками зрения, требует обоснования тех или иных утверждений; они с готовностью, даже с радостью, вступают в спор и упорно защищают свою позицию.

В процессе обучения необходимо учитывать возможности старших школьников, их запросы, стремления, уровень умственного развития. У старшего школьника проявляется интерес к теоретическим проблемам, к методам научного исследования, к самостоятельной поисковой деятельности по решению сложных задач. Построение процесса познания учебного предмета на основе научного метода познания обеспечивает необходимый переход от пассивного метода обучения к активному методу, от репродуктивного к творческому.

Развитие личности учащихся, прежде всего, предполагает развитие его мышления и мировоззрения, в частности, научного мышления и научного мировоззрения.

Условием формирования научного мышления и научного мировоззрения учащихся при изучении физики является умение структурировать информацию, выделять в ней главные, ключевые моменты. Это особенно важно при изучении физической теории, в которой ученики должны видеть ядро, условия существования, следствия, практическое приложение и т.д. Все это возможно при использовании метода научного познания.

1.5 Пути развития личностных качеств на уроках физики

Важнейшей целью процесса обучения является развитие личности учащегося. Преподавание физики в средней школе открывает огромные возможности для достижения этой цели благодаря особенностям физической науки и ее глубокой связи с современным научно-техническим прогрессом.

Развитие личности учащихся, прежде всего, предполагает развитие его мышления и мировоззрения.

Вообще, развитие мышления школьников всегда было одной из задач обучения, решая которую учитель пытался на конкретном учебном материале научить школьников сравнивать, анализировать, классифицировать, обобщать и т.п. Все названные умения - это функции формальной логики, поэтому традиционно в школе учителя занимались формированием формально-логического мышления учащихся. В основе этого типа мышления лежит эмпирическое обобщение, фиксирующее внешние признаки, внешние зависимости вещей; сущность же вещи (объекта, явления) может быть раскрыта только при рассмотрении процесса ее развития и взаимодействия с другими вещами. Иначе говоря, сущность явления может вскрыть только диалектическое, т.е. научное мышление, основанное на теоретическом обобщении.

Поэтому, учитывая специфику содержания физического образования, на материале которого в рамках средней школы в наибольшей степени возможно развитие научного, теоретического мышления, будем говорить в дальнейшем о развитии именно научного мышления и мировоззрения школьников.

При правильном преподавании физика больше других предметов учит научному методу познания. Благодаря тому, что физика изучает наиболее простые формы движения материи, на учебных занятиях есть возможность показать весь процесс познания сути явления от возникновения проблемы до ее решения и его проверки. Учебный процесс овладения основами физики как науки обладает уникальными потенциальными возможностями для знакомства учащихся с методом научного познания и на его основе развития способностей к познавательной и творческой деятельности. Поэтому нужно отметить исключительную важность включения в стандарт школьного образования сведений о научном методе познания.

При обучении в школе научный метод познания является для ученика одновременно объектом изучения и средством овладения учебным материалом.

К сожалению учебно-воспитательные возможности обучения физике реализуются далеко не полностью. Физика, как и другие предметы, преподаются репродуктивными методами: путем заучивания теории и решения тренировочных задач по формулам. Демонстрационными опытами и лабораторными работами не уделяется должного внимания. Это ведет к снижению интереса школьников к предмету и к ухудшению качества результатов обучения.

Постоянный поиск истинности знаний (понятий, законов и выводов) достигается в науке исключительно благодаря их неразрывной связи со всей суммой экспериментальных данных. В школе это достигается демонстрационными опытами и самостоятельными исследованиями учащихся в форме лабораторных работ и практикума. Не случайно во всем мире формальное преподавание "книжной физики" без эксперимента презрительно называется "меловой физикой". Еще в 1900 году в докладе подкомиссии по реформе школы О.Д. Хвольсон подчеркивал: "Преподавание физики, в котором эксперимент не составляет основы и краеугольного камня всего изложения, должно быть признано бесполезным и даже вредным". К сожалению, вследствие ряда причин в последние годы в нашей стране во многих школах преподавание физики ведется именно этим "методом". «Меловой метод» обучения прямо сказывается на качестве подготовки школьников. Самый низкий процент успеваемости оказывается как раз по тем разделам курса физики, которые усвоить без наблюдения явлений и эксперимента невозможно.

Отмечаются также и следующие недостатки в подготовке учащихся:

- заучивание материала подряд и не понимание различия степени достоверности различных категорий научной информации: фактов, гипотез, законов и принципов, моделей, теоретических выводов и результатов эксперимента;

- отсутствие представления о модельном отражении действительности в научном познании;

- отсутствие навыков мыслить моделями: теоретически объяснять, предвидеть, предсказывать;

- неспособность отличить научное знание от непроверенной информации;

- непонимание соотношения между знанием и истиной.

Ознакомление школьников с методом научного познания и его применение в обучении не только решает указанные проблемы, но и открывает широкие возможности для реализации важнейшего направления современной так называемой личностной педагогики. В обучении эта реализация состоит в максимально возможном предоставлении учащимся инициативы, независимости и свободы в процессе познания и, что особенно важно, ощущения радости творчества. Владея методом познания, ученик ощущает себя равным в правах с учителем на научные суждения. Это способствует раскованности и развитию познавательной инициативы ученика, без которой не может идти речи о полноценном процессе формирования личности.

При обучении школьников в классе учитель организует учебный процесс для всех учащихся, но процесс познания и творчества индивидуален. Для каждого ученика в отдельности этот процесс настолько успешен, насколько этот отдельный ученик владеет методом познания. Овладение учащимися методом научного познания делает для них процесс обучения осмысленным и поэтому комфортным, делает ученика уверенным в своих силах. Переход от опыта к теории и от теории к опыту возможен лишь благодаря интуиции! При условии, что при таком переходе создается полезная абстрактная модель или установка для эксперимента, каждый такой переход следует считать актом творчества.

Здесь уместно вспомнить ставшее афоризмом высказывание А. Пуанкаре о различии функций мыслительной деятельности человека: логика доказывает, а интуиция творит. Учет этого обстоятельства применительно к преподаванию позволяет значительно повысить его эффективность.

Интуитивный процесс творческого поиска и озарения сопровождается эмоцией, которая в соответствии с теорией П.В. Симонова в зависимости от предчувствия близости решения или дальности его имеет положительную или отрицательную окраску радости или разочарования. Творческий процесс овладения научным знанием в процессе исследования, в процессе постановки и решения проблем методом модельных гипотез и проектов с их экспериментальной проверкой имеет радостную победную окраску, если есть достаточно сильная мотивация при постановке проблемы и достаточные базовые знания, умения и навыки для решения проблемы. Напротив, в случае повторяющихся неудач отрицательные эмоции настолько сильны, что способны подавить познавательный интерес. Это учитывает каждый опытный учитель, обеспечивая успех в творческом поиске ученика. Учить радостно - значит учить победно! Это чувство устойчиво сопровождает человека, если его творческие усилия чаще всего бывают, не напрасны. Научный метод познания - это не только ключ к успеху в обучении, но и источник устойчивого интереса к предмету. Интерес - это форма проявления познавательной потребности. Он часто бывает у школьников мотивом учебной деятельности.

Метод познания, который обеспечивает раскрытие сущности явления по его внешнему проявлению и, наоборот, получение нужного явления на основе его сущности, выраженной моделью, формулой или графиком, всегда вызывает глубокий интерес учащихся.

Творческие задачи способствуют реализации практической направленности образования, поскольку их решение всегда становится мостом, соединяющим либо опыт с теорией, либо теорию с опытом.

Практическая направленность образования способствует глубокому овладению научными знаниями, поскольку, как показано А.Н. Леонтьевым, "осознается то, что является предметом осуществляющего действия". Именно поэтому передовые учителя физики издавна организовывали кружки и факультативные занятия по выбору, в которых учащиеся занимались техническим творчеством.

Практическая направленность образования реализуется на основе фундаментальной науки как компетентность в области ее приложений. При изучении физики школьники знакомятся в теории и на практике с важнейшими направлениями научно-технического прогресса: механизация и автоматизация производства, электротехника, радиотехника, гидро-, теплоэнергетика, а также ядерная энергетика и др.

Научный метод познания - ключ к организации сознательной познавательной деятельности учащихся. Развитие познавательной инициативы учащихся на основе метода научного познания является главным принципом предлагаемой методики обучения.

Построение процесса познания учебного предмета учеником на основе научного метода познания обеспечивает необходимый переход от пассивного метода обучения к активному методу, от репродуктивного метода к творческому методу.

В то время как информационный репродуктивный метод обучения заведомо лишает учащихся творческой инициативы, обучение на основе научного метода позволяет преодолеть этот недостаток.

Таким образом, из выше сказанного следует, что:

В основе методики организации процесса научного познания при обучении лежит сформулированный В. Г. Разумовским принцип цикличности: факты - модель (гипотеза) - следствия и условия- эксперимент.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА В ШКОЛЕ НА ОСНОВЕ НАУЧНОГО МЕТОДА ПОЗНАНИЯ

2.1 Научный метод познания в физике и теория внешнего фотоэффекта

Современный научный метод познания - это вершина достижений человеческой культуры. Этот метод прошел долгий исторический путь развития - от Платона до Н. Коперника, Г. Галилея, И. Ньютона и их последователей. Наиболее полное и ясное изложение современного научного метода познания дано А. Эйнштейном. А. Эйнштейн в 1952 г. в частном письме изобразил схему современного научного метода познания (рис. 1) и пояснил ее следующими словами:

фотоэффект физика учебный эксперимент

Рис. 1

«(1) Нам даны Е - непосредственные данные нашего чувственного опыта. (2) A - это аксиомы, из которых мы выводим заключения. Психологически A основаны на E. Но никакого логического пути, ведущего от E к A, не существует. Существует лишь интуитивная (психологическая) связь, которая постоянно «возобновляется».

(3) Из аксиом A логически выводятся частные утверждения S, которые могут претендовать на строгость.

(4) Утверждения S сопоставляются с E (проверка опытом).

Строго говоря, эта процедура относится к внелогической (интуитивной) сфере, ибо отношение понятий, содержащихся в S, к непосредственным данным чувственного опыта E по своей природе нелогично».

Таким образом, А. Эйнштейн показал, что процесс научного познания составляет замкнутый цикл, который начинается с эксперимента E и кончается экспериментом E. Он состоит из четырех этапов:

1) сбор экспериментальных данных и постановка проблемы;

2) выдвижение гипотезы-аксиомы;

3) математическое развитие гипотезы, логический вывод из нее следствий;

4) экспериментальная проверка гипотезы и ее следствий.

В этом цикле исследование явлений, догадка об их закономерной связи A, строгие логические выводы следствий S и экспериментальная проверка E тесно связаны. При анализе этой схемы становится понятной важность интуиции, догадки в научном познании при переходах от опыта к теории и от теории к эксперименту. Ведь именно интуиция приводит к новизне открытия, к творчеству!

А. Эйнштейн показал, что аксиомы - гипотезы A в физической науке выдвигаются исследователями интуитивно на основе выделения и обобщения некоторой группы экспериментальных данных E как догадка, а теоретические выводы S из аксиом делаются в соответствии с законами логики, как в математике. Поэтому, с одной стороны, гипотеза обладает познавательной мощью объяснения и предвидения, а с другой стороны, поскольку она строится на догадке, сама требует экспериментальной проверки.

На это обстоятельство обращали внимание многие известные современники А. Эйнштейна. На различную роль интуиции и логики в научном творчестве указывал французский ученый А. Пуанкаре. Он, в частности, писал: «В самой науке интуиция остается, за исключением нескольких привилегированных умов, главным инструментом изобретения, в то время как анализ все более стремится стать единственным законным инструментом доказательства...»

Между тем учебный процесс чаще всего строится так, что из содержания предмета выбрасываются все проблемы и все «не логичное». Об этом писал академик РАО В.А. Фабрикант: «Вопрос о соотношении между наукой и образованием далеко не прост. Когда мы говорим о высоком научном уровне изложения учебного материала, то зачастую под этим понимаем сугубо логизированную схему результатов развития науки. Однако при этом в учебниках, как правило, тщательно вытравляют следы того реального пути, которым шла наука для получения соответствующих результатов. Тем самым у учащихся создается неверное представление о научном методе. Мы их, по существу, знакомим с методом изложения научных результатов, а не с методом их получения». Обучение школьников научному методу познания помогает решить эту важную проблему.

Виртуозное владение методом научного познания позволило А. Эйнштейну уже в молодые годы построить теорию внешнего фотоэффекта. Попытки современных ему ученых в объяснении внешнего фотоэффекта натыкались на «противоречие» между фактом дискретности явления фотоэффекта и уже экспериментально доказанной волновой теорией света. Гениальность А. Эйнштейна состояла в том, что он не оказался «в плену» одной гипотезы, которая была доказана экспериментально для оптических явлений по распространению света. Он предположил, что для объяснения возникновения и превращения света нужна другая гипотеза.

Вот как он сам об этом писал: «Волновая теория света, оперирующая с непрерывными функциями точки, прекрасно оправдывается при описании чисто оптических явлений и, вероятно, едва ли будет заменена какой-либо иной теорией. Но все же не следует забывать, что оптические наблюдения относятся не к мгновенным, а к средним по времени величинам. Поэтому, несмотря на полное подтверждение экспериментом теории дифракции, отражения, преломления, дисперсии и т.д., может оказаться, что теория света, оперирующая непрерывными пространственными функциями, приведет к противоречию с опытом, когда ее будут применять к явлениям возникновения и превращения света. Я и в самом деле думаю, что опыты, касающиеся «излучения черного тела», фотолюминесценции, возникновения катодных лучей при освещении ультрафиолетовыми лучами и других групп явлений, связанных с возникновением и превращением света, лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно».

На эту мысль А. Эйнштейна навела «квантовая гипотеза» М. Планка. Вот как он сам позднее об этом говорил: «...Планк показал, что для установления соответствующего опытам закона теплового излучения нужно воспользоваться методом расчета, несовместимость которого с принципами классической механики становилась все более ясной. Этим методом расчета Планк ввел в физику, так называемую квантовую гипотезу, которая за прошедшее с тех пор время была блестяще подтверждена». Историей последующих экспериментальных исследований теория А. Эйнштейна была полностью обоснована.

2.2 Цикл научного познания при изучении физики

Схема А. Эйнштейна научного метода познания в целях обучения должна быть конкретизирована. Познание физических явлений реально осуществляется как в теории, так и в эксперименте, которые равноправны и взаимно дополнительны.

В основе физической теории конкретного явления лежат факты - положения, истинность которых установлена в эксперименте и в других теориях. Факты объясняются теоретической моделью явления, включающей качественную физическую и количественную математическую модели. Модель является гипотезой, непосредственное экспериментальное обоснование которой невозможно. Поэтому из модели выводят следствия, которые носят как качественный, так и количественный характер и нуждаются в экспериментальной проверке.

Эксперимент также состоит из нескольких этапов. В первую очередь необходимы разработка и создание условий эксперимента. Выполнение эксперимента приводит к получению его результата.

Вслед за этим следуют анализ и интерпретация полученного результата, дающие новые факты и позволяющие встроить их в существующую систему знаний.

Поэтому полный цикл научного познания в физике состоит из двух равноценных компонентов: теории и эксперимента, причем теория включает факты, модель и следствия, а эксперимент - условия, результат и интерпретацию (рис.2). Методика обучения циклу научного познания должна содержать несколько ключевых моментов.

Рис. 2

Во-первых, переход от фактов к модели необходимо осуществлять в совместной деятельности с учащимися, всемерно поощряя самостоятельность школьников в выдвижении правдоподобных гипотез. При этом следует помнить, что если бы в свое время начинающий исследователь А. Эйнштейн оглядывался на признанные авторитеты Юнга, Френеля, Максвелла, то квантовой теории фотоэффекта он бы не создал.

Во-вторых, при переходе от следствий теории к условиям эксперимента необходимо ознакомить учащихся с возможностями современной учебной лаборатории. Тогда школьники смогут догадаться, как нужно поставить опыт, чтобы проверить конкретное следствие теории. Не следует забывать, что именно догадка А.Г. Столетова о необходимости создания таких условий, при которых в явлении фотоэффекта измеряется не разность потенциалов, а фототок, принесла ему мировой успех.

В-третьих, система экспериментов, обосновывающих физическую теорию, должна быть разбита на демонстрационные (Д), лабораторные (Л) и внеурочные (В) опыты, что позволит организовать достаточно эффективный учебно-воспитательный процесс, органично включающий проектную деятельность школьников.

Раскроем содержание цикла научного познания на примере учебной теории и учебного эксперимента, относящихся к явлению внешнего фотоэффекта.

2.3 Учебная теория фотоэффекта

2.3.1 Факты: существование фотоэффекта

Рассматривают учебные эксперименты, доказывающие факт существования фотоэффекта и позволяющие построить теоретическую модель этого явления.

Опыт 1 (В). Спектр излучения ртутной лампы. Предлагают учащимся с помощью спектроскопа прямого зрения пронаблюдать видимый спектр ртутной лампы, состоящий из слабой красной и ярких желтой, зеленой и фиолетовых линий. Перекрывают световой пучок ультрафиолетовым фильтром и в темноте показывают, что под действием невидимого излучения лист белой бумаги люминесцирует синим светом. Заменяют ультрафиолетовый фильтр оконным стеклом и демонстрируют, что люминесценция бумаги ослабевает, но не прекращается. Делают вывод, что ультрафиолетовый фильтр и оконное стекло пропускают ближний ультрафиолет. Говорят, что полный спектр ртути тщательно изучен и длины волн спектральных линий надежно измерены (рис. 3).

Рис. 3

Опыт 2 (В). Спектры пропускания светофильтров. Учащиеся, перекрывая щель спектроскопа последовательно красным, оранжевым, желтым и фиолетовым светофильтрами, приближенно определяют коротковолновые границы их спектров пропускания (рис. 3, пунктир). Используя табличные значения длин волн ртутного спектра: лк = 691 нм, ло = 577 нм, лж = 546 нм, лф = 405 нм, по формуле вычисляют максимальные значения частот света ртутной лампы, пропускаемого светофильтрами: vк = 4,34•1014 Гц, vо = 5,20•1014 Гц, нж = 5,49•1014 Гц, vф = 7,41•1014 Гц.

Сообщают школьникам, что наименьшая длина волны, которую пропускает ультрафиолетовый фильтр, луф = 366 нм и ей соответствует частота нуф = 8,20•1014 Гц. Но кроме этой линии в ультрафиолетовой области ртутного спектра имеются только две относительно яркие линии, длины волн которых 254 и 265 нм (рис. 3).

Опыт 3 (Д). Влияние света на искровой разряд. Высоковольтный преобразователь подключают к регулируемому источнику стабилизированного напряжения. Выводы преобразователя соединяют с металлическими никелированными шарами. Включают источник питания и увеличивают напряжение до тех пор, пока между шарами не начнет проскакивать искра. Уменьшают напряжение ровно настолько, чтобы разряд прекратился.

Рис. 4

Направляют свет ртутной лампы на отрицательный электрод и обнаруживают, что искровой разряд возобновляется (рис. 4). Если световой пучок направить на положительный электрод, перекрыть ладонью, куском оконного стекла или ультрафиолетовым фильтром, то разряд опять прекращается.

Так как стекло пропускает видимый свет и не пропускает дальний ультрафиолет, то опыт показывает, что направленное на отрицательный металлический электрод ультрафиолетовое излучение ртутной лампы максимальной частоты способствует появлению искрового разряда.

Говорят, что аналогичный эксперимент в 1887 г. поставил Г.Герц. Обнаруженное им явление впоследствии получило название фотоэлектрического эффекта.

Опыт 4 (Д). Разряд отрицательно заряженного тела. На стержне электрометра располагают никелированный шар и заряжают его отрицательным зарядом. Направляют на шар свет ртутной лампы и наблюдают, что электрометр разряжается. Перекрывают лампу оконным стеклом - разряд прекращается (рис. 5). Заряжают электрометр положительным зарядом. Вновь освещают никелированный шар ртутной лампой - электрометр не разряжается. Делают вывод, что обнаружен экспериментальный факт, заключающийся в том, что под действием ультрафиолетового излучения тело теряет отрицательный заряд и не теряет положительный.

Рис. 5

Подобный опыт впервые еще в 1888 г. поставил итальянский физик В. Гальвакс. Он, кроме того, обнаружил, что незаряженное тело под действием ультрафиолета приобретает небольшой положительный заряд. В том же году А. Риги создал первый фотоэлемент, состоящий из цинковой пластинки и расположенной параллельно ей металлической сетки. В его опытах освещение фотоэлемента приводило к изменению разности потенциалов между электродами. Наконец, наш соотечественник А.Г. Столетов догадался, что при фотоэффекте лучше измерять не разность потенциалов, а возникающий фототок, и в 1888- 1889 гг. провел детальные исследования этого явления.

Рис. 6

Опыт 5 (В). Существование фототока. Поверхность цинковой пластинки тщательно зачищают шкуркой. Устанавливают пластинку в держатель из диэлектрика и параллельно ей закрепляют металлическую сетку. Цинковая пластинка будет катодом, а сетка - анодом получившегося воздушного фотоэлемента (рис. 6).

Подсоединяют фотоэлемент к регулируемому источнику питания через гальванометр, в качестве которого используют мультиметр, переведенный в режим измерения напряжения. Освещают фотоэлемент светом ртутной лампы и постепенно повышают напряжение (рис. 7).

Рис. 7

Демонстрируют, что с ростом напряжения сила тока вначале увеличивается, но затем ее рост прекращается. Это означает, что достигнут ток насыщения. При уменьшении расстояния между лампой и фотоэлементом ток насыщения увеличивается.

Необычное поведение электрического тока в цепи с фотоэлементом обнаружил А.Г. Столетов и доказал, что ток насыщения пропорционален интенсивности света, падающего на фотоэлемент.

2.3.2 Модель: теория Эйнштейна

В совместном обсуждении с учащимися выдвигают гипотезу и, используя ее, дают объяснение установленным в эксперименте фактам.

Во всех проделанных опытах фотоэффект наблюдался, когда металл был заряжен отрицательно, т.е. имел избыток свободных электронов. При освещении ультрафиолетом металл терял отрицательный заряд. Интуиция подсказывает, что свет выбивает электроны из металла. Это может происходить, если допустить, что свет является потоком частиц - фотонов. В таком случае к явлению фотоэффекта можно попытаться применить закон сохранения энергии.

Сами по себе электроны не вылетают из отрицательно заряженного металла, хотя между одноименно заряженными электронами действуют силы отталкивания. Значит, чтобы фотон выбил из металла электрон, его энергия должна быть больше определенного порогового значения:

ЕЦ > A, (1)

которое называется работой выхода электрона из металла.

Если раскалить металл, то скорость теплового движения возрастет настолько, что электроны станут покидать его. Это явление называется термоэлектронной эмиссией и в принципе позволяет определить работу выхода электрона. Подобные и другие эксперименты показали, что по масштабам макромира работа выхода электронов очень мала и составляет по порядку величины единицы электронвольт: для натрия ? 2,35 эВ, для цинка ? 4,24 эВ, для меди ? 4,40 эВ, для никеля ?4,50 эВ.

Вместе с учащимися приходят к выводу, что если фотон выбивает электрон, то часть энергии фотона расходуется на совершение электроном работы выхода, а часть - на сообщение электрону кинетической энергии.

Опыты 3-5 свидетельствуют, что электроны из металлов выбиваются только ультрафиолетовыми фотонами, для которых длина волны меньше, а частота больше, чем для видимого света. Опираясь на экспериментальный факт, что энергия фотонов возрастает с ростом их частоты, высказывают предположение, что в первом приближении можно считать энергию фотонов пропорциональной частоте света:

Еф = hн (3)

Из опытов 3 и 4 следует, что фотоэффект с никеля происходит при длине волны света, не превышающей лmax = 265 нм (рис. 3), которой соответствует частота света.

Тогда минимальная энергия ультрафиолетовых фотонов, выбивающих электроны из никеля, должна быть равна работе выхода: hvmin = A. Отсюда коэффициент пропорциональности в формуле (3):

Учащимся говорят, что экспериментальное обоснование квантовой теории теплового излучения, созданной в 1900 г. немецким физиком М. Планком, дало для постоянной Планка значение:

h = = 6,62 •10-34 Дж•с. (4)

Теперь закон сохранения энергии для взаимодействия фотон - электрон в металле (2) можно записать в таком виде:

Сообщают учащимся, что, размышляя о фотоэффекте и сходных явлениях, А. Эйнштейн в 1905 г. догадался, что, несмотря на надежно обоснованную многочисленными экспериментами волновую теорию света, можно предположить, что «энергия света распределяется по пространству дискретно», т.е. сосредоточена в отдельных частицах ? фотонах.

Тогда физическую модель фотоэффекта можно представить следующим образом. Поток фотонов падает на металл. Часть фотонов отражается от его поверхности и выбывает из игры. Другая часть поглощается и исчезает, а их энергия расходуется на нагревание металла. Но некоторые фотоны взаимодействуют с электронами. При этом возможны разные ситуации, но если фотон выбивает электрон из металла, то его энергия расходуется только на совершение электроном работы выхода и придание ему кинетической энергии.

Этой физической модели соответствует математическая модель (5), которую принято называть уравнением Эйнштейна.

2.3.3 Следствия: ожидаемые закономерности фотоэффекта

Обращают внимание учащихся на то, что построенная выше модель ? всего лишь догадка, обоснованная правдоподобными рассуждениями. Непосредственное экспериментальное подтверждение этой догадки невозможно, так как нельзя пронаблюдать взаимодействие фотона с отдельным электроном и затем измерить скорость электрона. Чтобы убедиться в правильности модели, нужно вывести такие следствия, которые могут быть проверены экспериментом. К сведению учащихся сообщают, что современный Эйнштейну научный мир отнюдь не сразу с одобрением воспринял его теорию фотоэффекта. Потребовалось почти два десятка лет, чтобы она оказалась экспериментально обоснованной настолько, что стала общепризнанной.

Рассуждая вместе с учащимися, выясняют, каким образом теоретическую модель фотоэффекта можно сравнить с реальностью. При необходимости задают наводящие вопросы: «Должна ли величина фототока зависеть от интенсивности света? Что можно сказать о кинетической энергии выбитых электронов? Любые ли фотоны выбивают электроны из данного металла?» Так в диалоге получают основные следствия модели Эйнштейна.

Если на каждый выбитый электрон приходится один фотон, то чем больше фотонов в световом пучке, тем больше должно быть выбитых электронов.

Количество электронов можно определить по силе фототока насыщения, так как при токе насыщения все выбитые в единицу времени светом из катода электроны достигают анода. Число фотонов определяется интенсивностью света. Из теоретической модели фотоэффекта следует, что сила фототока насыщения должна быть пропорциональна интенсивности света, падающего на фотоэлемент.

Из уравнения Эйнштейна (5) вытекает, что кинетическая энергия выбитых светом электронов должна быть пропорциональной частоте света и не должна зависеть от его интенсивности. Кинетическую энергию электронов в учебной лаборатории можно определить только одним способом: создать такое тормозящее электрическое поле, которое задерживает их и возвращает назад на катод. Тогда задерживающая разность потенциалов Uз должна удовлетворять условию:

. (6)

Уравнение Эйнштейна (5) показывает, что если частота света меньше порогового значения нmin <то фотон не может выбить электрон из металла.

Из модели Эйнштейна следует, что время взаимодействия фотона с электроном очень мало, поэтому фотоэффект должен быть практически безынерционным. Приходят к выводу, что если в эксперименте удастся подтвердить эти следствия и получить значение постоянной Планка, соответствующее другим экспериментам, то модель Эйнштейна будет в достаточной степени обоснована и получит право называться физической теорией.

2.4 Учебный эксперимент по фотоэффекту и условия его проведения

Опыты с воздушным фотоэлементом, с которым работал А. Г. Столетов, дадут не слишком точные результаты. Поэтому целесообразно использовать современный вакуумный фотоэлемент, например типа СЦВ-4 (рис. 8) или его аналог.

Рис. 8

Он состоит из стеклянного баллона, в котором создан глубокий вакуум и расположены два электрода. Катод, выполненный из сурьмы и цезия, нанесен на внутреннюю поверхность баллона и выглядит в виде блестящего слоя. Анод представляет собой петлю из металлической проволоки. Сложный сурмяно-цезиевый катод применяется для того, чтобы уменьшить работу выхода электрона и сделать фотоэлемент чувствительным не только к ультрафиолетовому, но и к видимому свету.

Условимся поданное на фотоэлемент напряжение, при котором анод имеет положительный потенциал относительно катода, называть прямым; напряжение, при котором анод фотоэлемента имеет отрицательный потенциал относительно катода, будем называть обратным. В соответствии с этим ток через фотоэлемент, текущий от анода к катоду, будем называть прямым, а от катода к аноду - обратным.

Рис. 9

Рис. 10

На рис. 9, 10 представлена функциональная и принципиальная схема экспериментальной установки для исследования фотоэффекта. Свет от источника 1 проходит через светофильтр 2 и попадает на фотоэлемент 3. В верхнем положении переключателя SA1 включен только потенциометр R1, и на фотоэлемент подается прямое напряжение. Величина прямого напряжения регулируется потенциометром R1 от нуля до максимального значения, которое дает источник. В нижнем положении переключателя на фотоэлемент подается обратное напряжение, а последовательно с потенциометром включен резистор R2. Сопротивление этого резистора примерно в два раза больше, чем потенциометра, поэтому наибольшее значение обратного напряжения примерно в три раза меньше, чем прямого. Вольтметр измеряет напряжение на потенциометре, гальванометр измеряет силу фототока. Параллельно гальванометру включен конденсатор C, снижающий помеху сетевого напряжения частотой 50 Гц.

В качестве гальванометра можно использовать мультиметр типа М-838, переведенный в режим вольтметра. В таком режиме его внутреннее сопротивление составляет 1 МОм, следовательно, когда мультиметр показывает напряжение 1 мВ, через него идет ток силой = 1 нА. Если взять другой мультиметр, например типа DT9207 A, то в режиме вольтметра его внутреннее сопротивление 10 МОм, и когда он показывает напряжение 1 мВ, сила тока, идущего через него, составляет 0,1 нА. Прежде чем идти дальше, нужно исследовать сам вакуумный фотоэлемент.

Опыт 6 (Д). Существование внешнего фотоэффекта. Подают на фотоэлемент прямое напряжение и направляют на него свет. При этом появляется электрический ток. Изменяют полярность напряжения на фотоэлементе на противоположную и демонстрируют, что фототок уменьшается практически до нуля. Отсюда следует, что фототок появляется за счет выбивания светом электронов из катода.

Опыт 7 (Л). Прямая вольтамперная характеристика фотоэлемента. Вольтамперная характеристика фотоэлемента - это зависимость силы фототока от напряжения на фотоэлементе при постоянной интенсивности света, падающего на фотоэлемент.

Рис. 11

Направляют на фотоэлемент свет и постепенно повышают прямое напряжение от нуля. Вводят значения напряжения и соответствующие им значения силы тока в компьютерную программу Excel. Получают график (рис. 11), из которого видно, что сначала фототок растет быстро, затем его рост прекращается, достигнув значения тока насыщения.

Объясняют его тем, что при малых напряжениях не все вылетевшие из катода электроны достигают анода. При достаточно больших напряжениях все фотоэлектроны попадают на анод. Поэтому ток насыщения характеризует число электронов, выбитых светом в единицу времени с поверхности катода.

Опыт 8 (Л). Нулевой ток фотоэлемента. Устанавливают нулевое напряжение на фотоэлементе и уменьшают предел измерения (т.е. увеличивают чувствительность) гальванометра. При этом обнаруживают небольшой прямой ток. Делают вывод, что даже при отсутствии напряжения на фотоэлементе небольшая часть электронов, выбитых светом с катода, попадает на анод.

Опыт 9 (В). Обратная вольтамперная характеристика фотоэлемента. Подают на фотоэлемент обратное напряжение и, увеличивая его в пределах от 0 до примерно 2 В, определяют соответствующие значения тока. Обнаруживают, что начиная с некоторого значения обратного напряжения через фотоэлемент течет обратный ток! С помощью компьютера строят соответствующую вольтамперную характеристику (рис. 12) и делают вывод, что она подобна прямой, причем обратный ток насыщения существенно меньше прямого.

Рис. 12

Объясняют обнаруженную закономерность тем, что внутри баллона фотоэлемента в вакууме вещество катода испаряется и частично оседает на аноде. При освещении фотоэлемента свет внутри баллона рассеивается и при любых условиях частично попадает на анод, вызывая выбивание с него электронов. При больших прямых напряжениях эти электроны возвращаются обратно на анод и не влияют на прямой ток. При обратных напряжениях выбитые с анода электроны попадают на катод, образуя обратный ток. Так как этих электронов сравнительно мало, то уже при небольших обратных напряжениях обратный ток достигает насыщения.

Результирующий обратный фототок I, который измеряется гальванометром, есть сумма прямого I пр и обратного I об токов, показанных на рис. 12 пунктиром. Площадь анода фотоэлемента значительно меньше площади катода, поэтому количество выбитых с анода электронов существенно меньше, чем с катода.

По мере увеличения обратного напряжения между анодом и катодом фотоэлемента не только уменьшается ток прямых электронов, но и растет ток обратных электронов. Когда эти токи становятся равными, общий фототок обращается в нуль. Очевидно, это значение обратного напряжения Uо меньше задерживающего Uз. Опыт 10 (В). Задерживающая разность потенциалов. На фотоэлемент подают обратное напряжение и убеждаются, что определение задерживающей разности потенциалов Uз по вольтамперной характеристике фотоэлемента (см. рис. 12) затруднительно. Замечают, что при изменении обратного напряжения от 0 до Uо обратный ток возрос от 0 до I об и стал равен прямому I. Высказывают предположение, что прямой и обратный токи при изменении обратного напряжения изменяются одинаково, так как они определяются главным образом площадью поверхности анода фотоэлемента. Тогда для уменьшения прямого тока до нуля обратное напряжение нужно увеличить еще на Uо, т.е. сделать в два раза больше, чем Uо.


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.