Использование компьютерных моделей при изучении темы "Ядерная физика"

7. Лазер; двухуровневая модель

8. Энергия связи ядер

9. Относительность длины

10. Относительность времени

1.3.1 Концепция использования компьютерных интерактивных моделей на уроках физики

Опыт использования компьютерных моделей на уроках физики

Александр Федорович Кавтрев, кандидат физ.-мат. наук, Соросовский учитель, заведующий лабораторией Центра Информационной Культуры г. Санкт-Петербурга

В последнее время можно часто слышать вопросы: "А нужен ли компьютер на уроках физики? Не вытеснят ли компьютерные имитации реальный эксперимент из учебного процесса?" Чаще всего такие вопросы задают учителя, не владеющие информационными технологиями и не очень понимающие, чем могут быть полезны эти технологии в преподавании.

Давайте попробуем ответить на вопрос: "Когда же оправдано использование компьютерных программ на уроках физики?" Мы считаем, что, прежде всего, в тех случаях, в которых возникает существенное преимущество по сравнению с традиционными формами обучения. Одним из таких случаев является использование компьютерных моделей в учебном процессе. Следует отметить, что под компьютерными моделями автор понимает компьютерные программы, которые позволяют имитировать физические явления, эксперименты или идеализированные ситуации, встречающиеся в задачах.

В чем же преимущество компьютерного моделирования по сравнению с натурным экспериментом? Прежде всего, компьютерное моделирование позволяет получать наглядные динамические иллюстрации физических экспериментов и явлений, воспроизводить их тонкие детали, которые часто ускользают при наблюдении реальных явлений и экспериментов. При использовании моделей компьютер предоставляет уникальную, не достижимую в реальном физическом эксперименте, возможность визуализации не реального явления природы, а его упрощённой модели. При этом можно поэтапно включать в рассмотрение дополнительные факторы, которые постепенно усложняют модель и приближают ее к реальному физическому явлению. Кроме того, компьютерное моделирование позволяет варьировать временной масштаб событий, а также моделировать ситуации, не реализуемые в физических экспериментах.

Работа учащихся с компьютерными моделями чрезвычайно полезна, так как компьютерные модели позволяют в широких пределах изменять начальные условия физических экспериментов, что позволяет им выполнять многочисленные виртуальные опыты. Такая интерактивность открывает перед учащимися огромные познавательные возможности, делая их не только наблюдателями, но и активными участниками проводимых экспериментов. Некоторые модели позволяют одновременно с ходом экспериментов наблюдать построение соответствующих графических зависимостей, что повышает их наглядность. Подобные модели представляют особую ценность, так как учащиеся обычно испытывают значительные трудности при построении и чтении графиков.

Разумеется, компьютерная лаборатория не может заменить настоящую физическую лабораторию. Тем не менее, выполнение компьютерных лабораторных работ требует определенных навыков, характерных и для реального эксперимента - выбор начальных условий, установка параметров опыта и т. д.

Большое число компьютерных моделей по всему школьному курсу физики содержится в мультимедийных курсах, разработанных компанией "Физикон": "Физика в картинках", "Открытая физика 1.1", "Открытая физика 2.0", "Открытая астрономия 2.0" и "Открытая химия 2.0". Главной отличительной особенностью этих компьютерных курсов являются многочисленные компьютерные модели - уникальные и оригинальные разработки, которые высоко оценили пользователи во многих странах. (Заметим, что значительное число моделей расположено также на сайте "Открытый колледж" по адресу: http://www.college.ru/).

Компьютерные модели разработанные компанией "Физикон" легко вписываются в урок и позволяют учителю организовать новые, нетрадиционные виды учебной деятельности учащихся. Приведём в качестве примеров три вида такой деятельности:

1. Урок решения задач с последующей компьютерной проверкой. Учитель предлагает учащимся для самостоятельного решения в классе или в качестве домашнего задания индивидуальные задачи, правильность решения которых они могут проверить, поставив компьютерные эксперименты. Самостоятельная проверка полученных результатов, при помощи компьютерного эксперимента, усиливает познавательный интерес учащихся, а также делает их работу творческой, а зачастую приближает её по характеру к научному исследованию. В результате многие учащиеся начинают придумывать свои задачи, решать их, а затем проверять правильность своих рассуждений, используя компьютерные модели. Учитель может сознательно побуждать учащихся к подобной деятельности, не опасаясь, что ему придётся решать ворох придуманных учащимися задач, на что обычно не хватает времени. Более того, составленные школьниками задачи можно использовать в классной работе или предложить остальным учащимся для самостоятельной проработки в виде домашнего задания.

2. Урок - исследование. Учащимся предлагается самостоятельно провести небольшое исследование, используя компьютерную модель, и получить необходимые результаты. Тем более, что многие модели позволяют провести такое исследование буквально за считанные минуты. Конечно, учитель помогает учащимся на этапах планирования и проведения экспериментов.

3. Урок - компьютерная лабораторная работа. Для проведения такого урока необходимо разработать соответствующие раздаточные материалы. Задания в бланках лабораторных работ следует расположить по мере возрастания их сложности. Вначале имеет смысл предложить простые задания ознакомительного характера и экспериментальные задачи, затем расчетные задачи и, наконец, задания творческого и исследовательского характера. При ответе на вопрос или при решении задачи учащийся может поставить необходимый компьютерный эксперимент и проверить свои соображения. Расчётные задачи рекомендуется вначале решить традиционным способом на бумаге, а затем поставить компьютерный эксперимент для проверки правильности полученного ответа. Отметим, что задания творческого и исследовательского характера существенно повышают заинтересованность учащихся в изучении физики и являются дополнительным мотивирующим фактором. По этой причине уроки последних двух типов приближаются к идеалу, так как ученики получают знания в процессе самостоятельной творческой работы, ибо знания необходимы им для получения конкретного, видимого на экране компьютера, результата. Учитель в этих случаях является лишь помощником в творческом процессе овладевания знаниями.

Методика использования компьютерных моделей на уроках

Прежде всего, чрезвычайно удобно использовать компьютерные модели в демонстрационном варианте при объяснении нового материала или при решении задач. Согласитесь, что гораздо проще и нагляднее показать, как тело движется при наличии положительной начальной скорости и отрицательного ускорения, используя модель "Движение с постоянным ускорением" компьютерного курса "Открытая физика", чем объяснять это при помощи доски и мела.

Ведь на экране компьютера кроме движущегося спортсмена, который в соответствии с заданными начальными условиями тормозит, разворачивается и набирает скорость в противоположном направлении, ещё и соответственно изменяется длина и направление вектора его скорости, а также в динамическом режиме строятся графики координаты, модуля перемещения и проекции скорости. А какими ещё средствами можно обеспечить указанную демонстрацию?

Конечно, такие демонстрации будут иметь успех, если учитель работает с небольшой группой учащихся, которых можно рассадить вблизи монитора компьютера или, если в кабинете имеется проекционная техника, позволяющая отобразить экран компьютера на стенной экран большого размера. В противном случае учитель может предложить учащимся самостоятельно поработать с моделями в компьютерном классе или в домашних условиях, что иногда бывает более реально.
Следует отметить, что при индивидуальной работе учащиеся с большим интересом повозятся с предложенными моделями, пробуют все регулировки, как правило, не особенно вникая в физическое содержание происходящего на экране. Как показывает практический опыт, обычному школьнику конкретная модель может быть интересна в течении 3 -5 минут, а затем неизбежно возникает вопрос: А что делать дальше? Опросы, которые проводил автор после такой самостоятельной работы , показали, что учебный эффект незначителен, так как дети при такой работе мало что понимают.

Что же нужно сделать, чтобы урок в компьютерном классе был не только интересен по форме, но и дал максимальный учебный эффект?

Учителю необходимо заранее подготовить план работы с выбранной для изучения компьютерной моделью, сформулировать вопросы и задачи, согласованные с функциональными возможностями модели, также желательно предупредить учащихся, что им в конце урока будет необходимо ответить на вопросы или написать небольшой отчёт о проделанной работе. Идеальным является вариант, при котором учитель в начале урока раздаёт учащимся индивидуальные задания в распечатанном виде.

Какие же виды заданий и учебной деятельности можно предложить учащимся при работе с компьютерными моделями и как организовать эту деятельность?

Виды заданий к компьютерным моделям

В процессе преподавания с использованием мультимедийных курсов "Физикона" нами были разработаны следующие виды заданий для учащихся к компьютерным моделям:

1. Ознакомительное задание. Это задание предназначено для того, чтобы помочь учащемуся понять назначение модели и освоить её регулировки. Задание содержит инструкции по управлению моделью и контрольные вопросы.

2. Компьютерные эксперименты. После того как компьютерная модель освоена, имеет смысл предложить учащимся 1 - 2 эксперимента. Такие эксперименты позволяют учащимся глубже вникнуть в смысл происходящего на экране.

3. Экспериментальные задачи. Далее можно предложить учащимся экспериментальные задачи, то есть задачи, для решения которых необходимо продумать и поставить соответствующий компьютерный эксперимент. Как правило, учащиеся с особым энтузиазмом берутся за решение таких задач. Несмотря на кажущуюся простоту, такие задачи очень полезны, так как позволяют учащимся увидеть живую связь компьютерного эксперимента и физики изучаемых явлений.

4. Расчётные задачи с последующей компьютерной проверкой. На данном этапе учащимся уже можно предложить 2 - 3 задачи, которые вначале необходимо решить без использования компьютера, а затем проверить полученный ответ, поставив компьютерный эксперимент. При составлении таких задач необходимо учитывать как функциональные возможности модели, так и диапазоны изменения числовых параметров. Следует отметить, что, если эти задачи решаются в компьютерном классе, то время, отведённое на решение любой из этих задач, не должно превышать 5 -8 минут. В противном случае, использование компьютера становится мало эффективным. Задачи, требующие более длительного времени для решения, имеет смысл предложить учащимся для предварительной проработки в виде домашнего задания и/или обсудить эти задачи на обычном уроке в кабинете физики, и только после этого использовать их в компьютерном классе.

5. Неоднозначные задачи. В рамках этого задания учащимся предлагается решить задачи, в которых необходимо определить величины двух зависимых параметров, например, в случае бросания тела под углом к горизонту, начальную скорость и угол броска, для того чтобы тело пролетело заданное расстояние. При решении такой задачи учащийся должен вначале самостоятельно выбрать величину одного из параметров с учётом диапазона, заданного авторами модели, а затем решить задачу, чтобы найти величину второго параметра, и только после этого поставить компьютерный эксперимент для проверки полученного ответа. Понятно, что такие задачи имеют множество решений.

6. Задачи с недостающими данными. При решении таких задач учащийся вначале должен разобраться, какого именно параметра не хватает для решения задачи, самостоятельно выбрать его величину, а далее действовать, как и в предыдущем задании.

7. Творческие задания. В рамках данного задания учащемуся предлагается составить одну или несколько задач, самостоятельно решить их (в классе или дома), а затем, используя компьютерную модель, проверить правильность полученных результатов. На первых порах это могут быть задачи, составленные по типу решённых на уроке, а затем и нового типа, если модель это позволяет.

8. Исследовательские задания. Наиболее способным учащимся можно предложить исследовательское задание, то есть задание, в ходе выполнения которого им необходимо спланировать и провести ряд компьютерных экспериментов, которые бы позволили подтвердить или опровергнуть определённые закономерности. Самым сильным ученикам можно предложить самостоятельно сформулировать такие закономерности. Заметим, что в особо сложных случаях, учащимся можно помочь в составлении плана необходимых экспериментов или предложить план, заранее составленный учителем.

9. Проблемные задания. С помощью ряда моделей можно продемонстрировать, так называемые, проблемные ситуации, то есть ситуации, которые приводят учащихся к кажущемуся или реальному противоречию, а затем предложить им разобраться в причинах таких ситуаций с использованием компьютерной модели.

10. Качественные задачи. Некоторые модели вполне можно использовать и при решении качественных задач. Такие задачи или вопросы, конечно, лучше сформулировать, поработав с моделью, заранее.

При регулярной работе с компьютерным курсом из придуманных заданий имеет смысл составить компьютерные лабораторные работы, в которых вопросы и задачи расположены по мере увеличения их сложности. Это занятие достаточно трудоёмкое, но именно такие работы дают наибольший учебный эффект.

Глава II. Методика изучения темы «Ядерная физика» с применением обучающих программ

2.1 Научно-методический анализ темы «Ядерная физика»

компьютерный обучение ядерная физика

История изучения атома. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Н. Бора. Излучение и поглощение света атомами. Атомные и молекулярные спектры. Спектральный анализ и его приложения. Рентгеновское излучение. Атомное ядро. Протонно-нейтронная модель атомного ядра. Нуклоны. Ядерные силы и их особенности. Устойчивость ядер. Физические основы ядерной энергетики. Энергия связи атомного ядра. Способы высвобождения ядерной энергии: синтез легких и разделение тяжелых ядер. Цепная реакция деления ядер урана. Ядерная энергетика и экология. Радиоактивность. Виды радиоактивного излучения. Период полураспада. Получение и применение радио нуклидов. Дозиметрия. Дозы излучения. Радиоактивная защита человека. Элементарные частицы. Общая характеристика элементарных частиц. Классификация элементарных частиц. Кварки. Космическое излучение.

называет основные этапы развития ядерной физики и ее творцов, общие параметры атомных электростанций Украины;

- приводит примеры применения радиоактивных изотопов в производстве и в других науках

- различает естественную и искусственную радиоактивность, ядерные реакции деления тяжелых ядер и синтеза ядер легких изотопов; формулирует постулаты Бора и записывает их;

- может описать опыт Резерфорда и механизмы происхождения различных видов излучения; обосновывать возможность высвобождения атомной энергии и делать вывод о современных экологических проблемах ее использования; характеризовать ядерную модель атома, строение атома ядра, сравнивать свойства протонов и нейтронов; объяснить природу радиоактивного излучения, механизм ядерных реакций деления и синтеза;

- способен (а) наблюдать и пользоваться фотографиями треков элементарных частиц и определять их массу, энергию и электрический заряд; оценить вклад украинских ученых в исследование строения атомов и ядер атомов и становления атомной энергетики; пользоваться бытовым дозиметром, соблюдая правила работы с ним; делать вывод об историческом характере и общественной обусловленности развития физической науки;

- может решать задачи, применяя формулу взаимосвязи массы и энергии; представлять результаты измерения радиоактивного фона в виде радиологической карты местности; исследовать и обобщать экологические проблемы региона, связанные с природным и техногенным радиоактивным фоном и применением радиоактивных изотопов и рентгеновского излучения в медицине, на производстве.

Лабораторная работа. Наблюдение непрерывного и линейчатых спектров вещества. Демонстрации Модель опыта Резерфорда. Строение и действие счетчика ионизирующих частиц. Фотографии треков частиц.

1.1.1 Анализ программ по теме «Ядерная физика»

Квантовая физика по программе Г.Я. Мякишева

Законом об образовании предусмотрена существенная реорганизация всей системы школьного образования, в том числе и физического. Существует пакет разнообразных программ, обеспечивающих различные варианты осуществления как уровневой дифференциации в рамках многоуровневых программ и учебников, так и профильной дифференциации, подразумевающей создание специальных классов и школ с различными уклонами: гуманитарным, естественнонаучным, физико-математическим, техническим и др.

Одной из программ является программа Г.Я. Мякишева. Это традиционная программа по физике для основной общеобразовательной школы. Составлена она на основе обязательного минимума содержания физического образования для основной школы в соответствии с Базисным учебным планом общеобразовательных учреждений. В программе, кроме перечня элементов учебной информации, предъявляемой учащимся, содержится перечень демонстраций, лабораторных работ и школьного физического оборудования, необходимого для формирования у школьников умений, указанных в требованиях к уровню подготовки выпускников основной школы. Автор программы предусматривает раздел “Квантовая физика”, изучению которой отводится 32 часа. Здесь объясняются следующие разделы и темы:

Световые кванты. Тепловое излучение. Постоянная Планка. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Фотоны.

Атомная физика. Строение атома. Опыты Резерфорда. Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода Бора. Трудности теории Бора. Квантовая механика. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм. Дифракция электронов. Лазеры.

Физика атомного ядра. Методы регистрации элементарных частиц. Радиоактивные превращения. Закон радиоактивного распада. Протон-нейтронная модель строения атомного ядра. Энергия связи нуклонов в ядре. Деление и синтез ядер. Ядерная энергетика.

Особенности методики изучения данного раздела определяются местом этого раздела в школьном курсе физики и спецификой изучаемого в нем материала. Квантовую физику изучают в конце школьного курса физики, причём 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, а 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 и т.д.

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 физики также накладывает отпечаток на методику её изучения. В этом разделе учащиеся знакомят со своеобразием свойств и закономерностей микромира, которые противоречат многим представлениям классической физики. 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 диалектика противопоставляет утверждение: и да, и нет. Поэтому нет ничего удивительного в том, что свет в одних условиях ведёт себя как волна, в других -- как поток частиц.

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, а также разъяснять принцип устройства приборов, регистрирующих частицы, ускорителей, атомного реактора, атомной электростанции и т. п. При изучении этого раздела широко используют учебные видеофильмы, диафильмы, а также диапозитивы и настенные таблицы. Очень большие возможности в данном отношении открывает компьютерное моделирование.

2. Программа с углубленным изучением физики

Наряду с традиционными программами большим преимуществом пользуются программы для школ с углубленным изучением физики -- например, программа, авторами которой являются Ю.И. Дик, В.А. Коровин, В.А. Орлов, А.А. Пинский.

Согласно этой программе, в 11-м классе, помимо раздела “Колебания и волны” изучается раздел “Квантовая физика”. Дик и Коровин предлагают изложение материала в световых квантах вести в историческом аспекте. Наличие у фотона не только энергии, но и импульса обосновывается световым давлением и эффектом Комптона. На базе опытов Боте и Иоффе-Добронравова рассматривается вопрос о флуктуациях фотонов. Предполагается анализ корпускулярно-волновой двойственности свойств света и электромагнитного излучения других диапазонов.

При изучении темы “Физика атома” вначале называются факты, которые приводят к квантовой тории атома; это анализ опыта Резерфорда, проблема неустойчивости атома с позиции классической физики, невозможность объяснить происхождение линейчатых спектров. Не ограничиваясь полуклассической теорией Бора, программа вводит учащихся в круг идей квантовой механики. Рассматриваются идеи де Бройля, опыты Девиссона и Джермера, соотношение неопределённостей. Вводится пси-функция, и указан её физический смысл. Решение уравнения Шрёдингера для случая частицы в прямоугольной одномерной потенциальной яме позволяет показать, что принцип квантования энергии -- логическое следствие основных положений квантовой механики. Введение понятий о спине электрона и принципе Паули даёт возможность разъяснить строение периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Идеи Эйнштейна о самопроизвольном и вынужденном излучении используются как база для раскрытия принципа действия оптического квантового генератора.

В теме “Физика атомного ядра” предполагается рассмотрение механизма альфа - и бета-распада, гамма-излучения. При анализе бета-распада вводится понятие о нейтрино, а в связи с гамма-излучением -- понятие об эффекте Мёссбауэра. При изложении свойств ионизирующих излучений рассказывается о принципах дозиметрии и защиты, о проблеме радиофобии. Ядерная энергетика предусматривает знакомство с урановым реактором и синтезом ядер гелия.

Тема “Элементарные частицы” завершает курс физики. В ней вводится понятие о фундаментальных взаимодействиях, излагается современная классификация элементарных частиц, даются начальные сведения об идеях квантовой хромодинамики.

Анализируя данную программу, мы видим, что она предусматривает значительный объём учебного материала, более детально и глубоко излагает материал, не ограничивается одной теорией, а вводит другие теоретические идеи, рассматривает задачи, не включенные в традиционный урок.

3. Физика в самостоятельных исследованиях

Но квантовая физика может вводиться не только в старших классах. Авторы еще одной программы, Н.Е. Важеевская и Н.С. Пурышева, предлагают изучать квантовую физику в 9-м классе. Программа отражает содержание курса физики основной школы. Она учитывает цели обучения физике учащихся основной школы и соответствует государственному стандарту физического образования.

Одной из тем курса физики 9-го класса является тема “Элементы квантовой физики”, её содержание направлено на формирование у учащихся некоторых квантовых представлений и знаний о строении атома и атомного ядра.

Курс физики носит экспериментальный характер, поэтому большое внимание в нем уделено демонстрационному эксперименту и практическим работам учащихся.

В курсе реализована идея уровневой дифференциации. К теоретическому материалу второго уровня, помимо обязательного, т. е. материала первого уровня, отнесены некоторые вопросы истории физики, материал, изучение которого требует хорошей математической подготовки и развитого абстрактного мышления, прикладной материал. Перечень практических работ также включает работы, обязательные для всех, и работы, выполняемые учащимися, изучающими курс на повышенном уровне. В тексте программы выделены первый и второй уровни, при этом предполагается, что второй уровень включает материал первого уровня и дополнительные вопросы.

Для каждого класса предусмотрены дополнительные темы, которые изучаются при условии успешного усвоения учащимися основного материала и наличии времени.

В разделе “Элементы квантовой физики” изучаются следующие темы:

Темы I уровня

· Явление фотоэффекта. Фотон. Фотон и электромагнитные волны. Применение фотоэффекта.

· Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома. Спектры испускания и поглощения. Спектральный анализ.

· Состав и строение атомного ядра. Протон и нейтрон. Заряд ядра. Массовое число ядра. Явление радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения. Биологическое действие излучения. Счетчик Гейгера.

· Ядерные реакции. Деление и синтез ядер.

· Ядерная энергетика.

· Элементарные частицы: фотон, электрон, протон, нейтрон. Взаимные превращения элементарных частиц.

· Темы II уровня

· Законы фотоэффекта. Гипотеза Планка. Давление света.

· Развитие представлений о строении атома. Гипотеза Бора.

· Изотопы. Радиоактивные изотопы, их применение. Понятие о радиоактивном распаде. Методы регистрации радиоактивных излучений.

· Деление ядер. Синтез ядер.

· Частицы и античастицы.

· В этом разделе проводятся фронтальные лабораторные работы:

I уровень

· Наблюдение явления фотоэффекта.

· Наблюдение спектров.

II уровень

1. Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям.

Курс квантовой физики 9-го класса выполняет, главным образом, задачу подготовки учащихся к изучению этого раздела во второй ступени. Главной целью остается подготовка к более глубокому изучению квантовой физики тех учащихся, которые будут изучать этот предмет в старших классах средней школы

Методические рекомендации по изучению темы «Ядерная физика»

Экологические аспекты в разделе "Ядерная физика"

Ермакова Мира Владимировна, учитель физики

Статья отнесена к разделу: Преподавание физики

Человек родился быть господином, повелителем, царем природы, но мудрость, с которой он должен править, не дана ему от рождения: она приобретается учением.

Н.И. Лобачевский

Человечество издавна волновали такие проблемы, как мир и война, отношения с далекими и близкими соседями, открытия в медицине и технике и т.д. Эти проблемы волнуют и сейчас. Но как-то исподволь, незаметно, вопросы экологии вышли на первое место по своей общечеловеческой значимости. Бытует мнение, что вопросами экологии и охраны природы в школе должны заниматься учителя биологии и географии. Но опыт показывает, что большой вклад в дело экологического образования могут внести и преподаватели физики. Вспомним, что в переводе с греческого слово “физика” означает “природа”.

Может быть теперь, пережив ряд экологических катастроф и ощутив на себе последствия неконтролируемых научных исследований, ученые почувствуют вину за развитие своей науки и вернут физике первоначальный смысл. Пришла пора использовать физику как инструмент сохранения окружающей среды.

Традиционно в школьной физике рассматриваются вопросы механики, молекулярной физики, электродинамики, атомной и ядерной физики, в которые естественным образом могут войти вопросы экологического содержания. В рамках биосферной экологии знакомлю учащихся с вопросами загрязнения и самоочищения атмосферы; с физическими методами контроля состояния атмосферы; с методами глобального контроля процессов, происходящими в биосфере Земли, с орбитальных космических станций и спутников.

В рамках промышленной экологии рассматриваю вопросы очистки газопылевых выбросов и их рассеяния через высокие трубы; аспекты выработки электроэнергии на тепловых, гидро - и атомных электростанций; вопросы поиска альтернативных экологически чистых способов получения электроэнергии.

Учебный процесс по физике весьма напряжен. Тем не менее, можно выкроить время для ознакомления учащихся с экологическими сведениями при условии:

· вопросы экологии должны быть органически связаны с содержанием изучаемого материала;

· вопросы экологии излагаются в информативном плане;

· их следует использовать для возбуждения интереса учащихся к изучаемому материалу.

Но есть уроки, которые можно целиком посвятить изучению проблем экологии:

- использование энергетических ресурсов;

- применение изотопов в народном хозяйстве;

- тепловые двигатели и охрана окружающей среды;

- воздушная оболочка и т.д.

Важной задачей экологического образования на уроках физики является развитие мышления учащихся в области разумного природопользования.

На уроках физики необходимо:

· изучать физические явления с точки зрения гармонических отношений человека и природы; рационального природопользования и охраны окружающей среды; осознанных личных действий по охране окружающей среды.

· использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни для: - обеспечения безопасности жизнедеятельности в процессе использования транспортных средств, бытовых электроприборов, средств радио- и телекоммуникационной связи;

· - оценки влияния на организм человека и другие организмы загрязнения окружающей среды.

Полностью безотходное производство так же невозможно, как и вечный двигатель. Секрет природы не в том, что она безотходна, а в том, что неизбежные отходы захоронены так и в таком виде, что они не оказывают вредного воздействия на природу на будущих этапах ее развития.

При изучении раздела ядерной физики вопросам экологии посвящаю целый урок. Решение на уроке физические задачи с экологическим содержанием активизирует познавательную деятельность учащихся, воспитывает бережное отношение к природе и эффективно влияет на формирование высоких моральных качеств (Приложение 1).

На уроке заслушиваем сообщения обучающихся на темы:

1. Чернобыльская катастрофа и ее последствия.

2. Последствия воздействия радиации на организмы человека и животных.

3. Перспективы развития атомной энергетики.

Знакомлю с экологической проблемой Челябинской области.

Производственное объединение “Маяк”

В обстановке холодной войны, противостояния двух мировых держав - США и СССР было создано производственное объединение “Маяк”.

Первый материковый реакторный завод начал работать 19 июня 1948 г. Этот день можно считать днем рождения ПО “Маяк” и атомной индустрии России в целом. В течение ограниченного срока этому предприятию удалось развить и полностью овладеть сложным процессом производства и предоставить материалы для производства атомного оружия. Плутония, который стал нарабатываться в Челябинске-65 с декабря 1948г., к весне 1949г. хватило для сборки в Арзамасе-16 первой советской атомной бомбы, которая была взорвана на Семипалатинском полигоне 29 августа 1949г. Это позволило СССР сильной державой (ядерной державой) и с ним стали считаться.

К большому сожалению, на первом этапе уникального производства были сделаны серьезные ошибки, которые:

- осложнили окружающую обстановку вокруг “Маяка”;

- принесли вред здоровью людей;

- негативно повлияли на образ этого предприятия.

В первые годы работы радиоактивные отходы предприятия напрямую сбрасывались в реку Теча:

- около 7500 жителей этой сильно загрязненной зоны купались в реке;

- вода из нее употреблялась как для полива садов и огородов, так и для приготовления пищи;

- наивысшие уровни г - излучения были зарегистрированы здесь в 1950-1951 гг.

- через сеть рек Теча - Исеть - Обь происходил вынос радиоактивных веществ в Карское море и с морским течением - в другие моря Арктического бассейна;

- в 1994 г. концентрация радиоактивного стронция-90 на отдельных участках превышала фоновую в 100-1000 раз.

Озеро Карачай

После того, как к 1951году стало очевидным сильное загрязнение реки Течи, часть радиоактивных отходов стали сбрасывать в одно из естественных углублений в прилегающей болотистой местности. Так возникло озеро Карачай (бессточное озеро-болото верхового типа). Летом 1951г. до начала сбросов водная поверхность занимала по площади 26,5 га при длине 750 м и ширине 450 м; наибольшая глубина составляла 1,25м. В мае 1962 года площадь акватории достигла приблизительно 51 га (Приложение 3).

Это памятное воскресенье, 29 сентября 1957 г. …

“…Я работал в 3,5 км от места аварии. Я услышал взрыв. На фоне ночного неба мы увидели темно-красные облака, это был не огонь, а излучение. Вместе с офицерами и сотрудниками службы радиационной безопасности мы организовали эвакуацию. …” (Из воспоминаний очевидца)

- было эвакуировано несколько деревень и маленьких городков на расстоянии до 20 км по следу облака;

- это продолжалось около 10 дней;

- примерно 10 000 человек не имели представления, почему их переселяют, возвращаться назад, было строжайше запрещено;

- сразу, как только дома опустели, их сравняли с землей.

Оценка риска последствий аварии 1957 года:

- вследствие теплового взрыва 17 млн. Ku выпало в непосредственной близости от места взрыва;

- около 2 млн. Ku было выброшено на высоту до 1,5 км и выпало в границах полосы длиной около 300 км и шириной от 5 до 50 км (Приложение 3).

- люди в Хиросиме и Нагасаки подверглись кратковременному воздействию очень мощных излучений;

- жители бассейна реки Теча, подвергшиеся облучению при аварии 1957 г., подвергались воздействию радиации многие годы.

- около 2000 чел. получили дозу около 0,5 Зв (50 бэр) каждый;

- плотность загрязнения пораженных территорий на площади 120 км² превысила величину 3,7 МБк/ км²;

- на остальных 23 000 км² радиоактивного следа, где плотность загрязнения превышает 3700 Бк/ км² в настоящее время проживает около 270 000 человек.

Авария 1967 года (Приложение 3) была обусловлена длительной засухой:

- уровень воды в озере Карачай быстро упал;

- обнажились и высохли береговые и донные отложения;

- ветер разнес радиоактивную пыль - примерно 600 Ku радионуклидов;

- площадь загрязнения составила около 3 000 км²;

- пострадало примерно 40 000 жителей.

В 1978-1986 гг. была разработана технология засыпки водоема скальным грунтом с применением специально разработанных полых бетонных блоков ПБ-1 (Приложение 2), позволяющие локализовать подвижные донные отложения. С 1986 г. по настоящее время ведутся работы по засыпке по разработанному проекту.

За время эксплуатации водоема из него в подземные воды поступило около 5 млн. м³ промышленных растворов. Загрязненные растворы из Карачай как бы растекаются по водоупорному горизонту. Дальнейшая миграция загрязнителей происходит в потоке подземных вод и определяется свойствами этого потока. Ореол загрязнения подземных вод вокруг водоема Карачай занимает площадь около 10 км².

Благодаря значительным вложениям собственных средств, ПО “Маяк” решил ряд задач:

- жидкие отходы до их сброса в водоем подвергаются упариванию;

- часть отходов подвергается остекловыванию и вообще не попадают в водоем - хранилища;

- площадь акватории водоема Карачай на конец 2000 г. составляла около 10 га (Приложение 4);

- создан новый водозабор для поселка Новогорный, не влияющий на движение грунтовых вод из водоема Карачай;

- спроектированы и созданы опытно-промышленные установки, на которых были отработаны технологии получения топлива в виде микросфер и гранул.

- застеклованные отходы производства помещают в контейнер и отправляют на хранение;

- все перевозки соответствуют требованиям “Правил безопасной перевозки радиоактивных веществ МАГАТЭ”.

Радиоизотопный завод является одним из главных производителей радиоизотопов и радиоизотопных препаратов. Многие компании в Англии, Франции, США, Германии, числятся в ряду заказчиков у завода.

Ввод в эксплуатацию атомной станции на вторичном топливе позволит:

- решить проблему нераспространения накопленных в результате выполнения военных программ - урана и плутония;

- сделать замкнутым топливный цикл в ядерной энергетике;

- решить вопросы энергообеспеченности в нашей стране.

Вывод:

1. Человек во многом сам виноват в своих трагедиях!

2. Человек должен помнить, что Природа мудра, и, вторгаясь в ее тайны, нельзя нарушать ее законы.

3. В своих действиях нужно руководствоваться правилом: “Не навреди!”

4. Всегда помнить о других людях, ценности жизни, уникальности нашей планеты.

5. Мы должны учиться на ошибках и никогда не совершать их снова!

2.2 Методика использования компьютерных моделей при изучении темы «Ядерная физика»

2.2.1 Состав ядра атома

2.2.2 Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы.

2.2.3 Получение и использование радиоактивных изотопов. Ядерный реактор. Освоение курса “Ядерная физика” с использованием возможностей ИИП “КМ-Школа” Акимова Е.А., методист МОУ ДПОС "Центр медиаобразования" г. Тольятти

Согласно «Концепции модернизации российского образования на период до 2010 года» школьное образование вступило на новый этап своего развития. Введение профильного обучения и набирающая темпы информатизация образования предполагают глубокие изменения, как всего школьного, так и физического образования. В этой связи возникает необходимость в обеспечении педагогов методическими материалами, соответствующими современным тенденциям в образовании, учитывающими идею личностно ориентированного обучения и использования информационных технологий. На практике зачастую изложение учебного материала сводится к догматическим сообщениям фактов. Вследствие этого снижается интерес учащихся к теме «Ядерная физика. Низкое качество знаний учащихся по теме «Ядерная физика» анализом результатов Единого государственного экзамена. Большинство учителей физики, связывают это и с недостаточной наглядностью изучаемых процессов.

В кабинетах физики общеобразовательных учреждений в последние годы значительно расширился набор средств информационных технологий (СИТ), применяемых учителем в учебно-воспитательной работе. СИТ в обучении постоянно совершенствуются в соответствии развитием науки и техники. Широкое применение СИТ - одна из закономерностей, характеризующий учебно-воспитательный процесс по физике на современном этапе информатизации общества.

Анализ зарубежного опыта по применению средств новых информационных технологий (СНИТ) в обучении физики весьма противоречив. С одной стороны, делается значительный упор на использование новейших компьютерных и видео-технологий, с другой - практически отрицается плавный переход от традиционных технологий обучения физике к обучению с применением новейших информационных средств. В отличие от зарубежной методики, российская придерживается принципа преемственности, обеспечивающего плавный переход от традиционных методов обучения физике к технологиям обучения, базирующимся на использовании новых информационных технологий. Согласно отечественным технологиям обучения, главной фигурой учебно-воспитательного процесса остается учитель, перераспределяются лишь его функции, усиливается роль учителя в организации учебно-воспитательного процесса.

Эффективность применения информационных технологий в обучении физике во многом зависит от того, насколько методически грамотно и педагогически оправдано их включение в структуру учебно-воспитательного процесса. В каждом конкретном случае учителю физики приходится самостоятельно определять, с какой целью и как использовать СНИТ на занятиях, для решения каких образовательных и воспитательных задач он обращается к тому, или иному виду СНИТ, какой педагогический результат надеется получить.

Основные цели школьного курса ядерной физики

1. Освоение теоретических знаний по курсу «Ядерная физика»

2. Овладение умениями применять полученные знания для объяснения природных процессов, принципа действия современных реакторов и приборов для регистрации элементарных частиц, для решения задач по данному курсу физике.

3. Развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей, навыков самостоятельной работе с информацией, использование информационных технологий для моделирования физических процессов.

4. Воспитание убежденности в том, что все природные процессы возможно объяснить при помощи физики, математически смоделировать физические процессы, уважения к ученым, сделавшим ключевые открытия в данной области науки, патриотических чувств от открытий сделанных российскими учеными и лауреатами Нобелевской премии.

5. Применять полученные знания для решения физических задач, для обеспечения безопасности жизни, рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.

Гуманитарное назначение физики состоит в том, что она вооружает школьника научным методом познания, позволяющим получать объективные знания об окружающем мире. Знание основ ядерной физике интегрируется с химией, биологией, математикой, историей, астрономией.

Данные цели в полном объеме реализуются при использовании «КМ-школы». «Библиотека электронных наглядных пособий С&М. Физика 7--11», созданное компанией «КиМ» («Кирилл и Мефодий»), -- это электронное средство учебного назначения, содержащее набор информационных объектов (1 453), отражающих физические процессы и явления: видеофрагменты -- 85 шт., рисунки -- 371 шт., анимации -- 78 шт., модели -- 44 шт., диаграммы, схемы и графики -- 53 шт., текстовые описания -- 677 шт., формулы -- 117 шт., объекты интерактивного взаимодействия и игры -- 28 шт. В библиотеке электронных наглядных пособий имеются «Конструктор информационных объектов», «Конструктор презентаций» и «Плеер презентаций».

Конструктор презентаций является основным средством для создания презентаций и представляет собой редактор для формирования наглядных материалов, содержит набор инструментов и сервисов для импорта мультимедиа-объекта через конструктор информационных объектов и редактирования слайдов презентации. Учитель самостоятельно создает из базы данных презентацию к урокам, используя готовые тексты, фотографии, рисунки, анимации, интерактивный эксперимент.

Слайды презентации создаются на основе универсальных шаблонов и представляют собой тематическую группу наглядных материалов, которые могут быть сохранены в индивидуальном портфеле пользователя под любым именем, при этом будет озаглавлен и каждый кадр презентации.

Мультимедиа-библиотека по физике включает компоненты, раскрывающие данную предметную область:

· . реалистический визуальный ряд: фотографии экспонатов, объектов предметной области, портреты ученых; видеофрагменты процессов и явлений предметной области, демонстраций опытов, видеоэкскурсий; объекты виртуальной реальности;

· символьные объекты и деловую графику: схемы, диаграммы, пояснительные тексты, формулы, заголовки и другие элементы, в _том числе создаваемые пользователем с помощью стандартных приложений;

· синтезированный визуальный ряд: двух-, трехмерные статические и динамические модели, представления воображаемых элементов, объектов, скрытых структур, процессов, явлений предметной области (например, в макро- и микромире, в сверхкоротких или очень больших интервалах времени); объекты интерактивного моделирования.

В помощь учителю даны рекомендации по работе с конструктором информационных объектов, конструктором презентаций и плеером презентаций. Данное ППС (программно-педагогическое средство) принципиально расширяет возможности учителя в выборе и реализации средств и методов обучения, включает четыре основных модуля -- Рабочий стол, Хранилище информационных объектов, Конструктор презентаций, Плеер презентаций. ППС не подменяет учителя и не заменяет традиционные печатные учебные пособия, а создает дополнительный информационный канал получения знаний, способствует развитию самостоятельной творческой и исследовательской деятельности учащихся. ППС рассчитано на учащихся 7--11 классов. Синтез мультимедиа-компонентов (текста, звука, видео, анимации и др.), интерактивных форм взаимодействия и компьютерного моделирования обеспечивает возможность восприятия информации на зрительном, слуховом и эмоциональном уровне, что позволяет достичь наилучшего усвоения материала учеником. ППС принципиально расширяет возможности учителя в выборе и реализации средств и методов обучения. Данная программа может быть использована в целях облегчения подготовки и проведения уроков учителем и учениками, как в домашних условиях, так и в условиях школы (лицеи, гимназии и др.), а также для самостоятельной творческой и исследовательской деятельности учащихся.

Возможности применения ИПП «КМ-Школа» на уроках физики.

1. Для изучения теоретического материала

«КМ-Школа» оснащена разработанными шаблонами уроков по всем темам курса «Ядерная физика». Уроки можно проводить с использованием проектора или интерактивной доски.

2. Для овладения умениями применять полученные знания для объяснения природных процессов, принципа действия современных реакторов и приборов для регистрации элементарных частиц, для решения задач по данному курсу физике.

Принцип наглядности является основополагающим при применении информационных технологий в обучении физике. Принцип наглядности получил свое первоначальное развитие и широкую интерпретацию с XVII в. и до настоящего время остается важнейшим принципом дидактики. Требование реализации наглядности в обучении восходит к временам Яна Амоса Коменского (1592 -- 1670) и провозглашено им в «Великой дидактике»: «Поэтому пусть будет для учащихся золотым правилом: все, что только можно, предоставлять для восприятия чувствами, а именно: видимое -- для восприятия зрением, слышимое -- слухом, запахи -- обонянием, подлежащее вкусу -- вкусом, доступное осязанию -- путем осязания. Если какие-либо предметы сразу можно воспринять несколькими чувствами, пусть они сразу схватывают несколькими чувствами»

У разных людей доминирующим может быть тот или иной вид наглядности в зависимости от индивидуальных особенностей. Обучаемый познает окружающий мир с помощью органов чувств, при этом основными являются слух и зрение. Около 90 % всех сведений об окружающем мире человек получает с помощью зрения, 9 % -- с помощью слуха и только 1 % -- с помощью других органов чувств. Следует отметить также, что из всех видов памяти у большинства людей более всего развита зрительная, особенно у детей. Недаром говорят: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать».

«КМ-Школа» включает в себя демонстрации природных явления, которые рассматриваются в курсе ядерной физики. Визуализация процессов распадов:

Объясняя процесс альфа - распада и бета - распада, сопровождая его показом этого слайдов, преподаватель делает более понятным труднодоступный для школьников материал.

Анимация деления ядер урана.

Показ данного фрагмента сопровождается объяснением условий для протекания цепной ядерной реакции:

Цепная реакция деления ядер урана не осуществляется в природном уране, поскольку природный уран на 99,3% состоит из изотопа урана-238 и только на 0,7%из изотопа урана-235. Способность к делению под действием нейтронов, испущенных в процессе деления, обнаруживается только у ядер урана-235. Цепная реакция может развиваться в том случае, если количество урана больше некоторого минимального значения-критической массы.

Демонстрация природы ядерных сил дополняет естественно - научную картину мира:

Интерактивный объект демонстрирует особенности строения ядра:

Природа искусственных радиоактивных превращений:

Природа изотопов: Изотопы- атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре (зарядовое число) и разное число N нейтронов. Водород имеет 3 изотопа. ₁¹Н-протий (в ядре один протон), ₁²Н-дейтерий (протон и нейтрон), ³ ₁Н-тритий (в ядре протон и 2 нейтрона)

Альфа, бета, гамма излучений:

Реакция ядерного синтеза: Основной процесс в звездах, на Солнце.

Для демонстраций принципов работы современных приборов «КМ-Школа» имеет интерактивные и видео-объекты:

Схема циклотрона:

Счетчик Гейгера:

Для проверки знаний в ИПП «КМ-Школа» имеется множество тренажеров и тестов:

Тренажеры

Существенным компонентом СИТ в образовании являются методы непрерывного и интенсивного мониторинга и контроля знаний.

Важнейший элемент мониторинговой системы -- тестирование.

Тест -- это стандартизированное задание, по результатам которого судят о знаниях и умениях обучаемого. Тесты позволяют в кратчайший срок проверить знания больших групп учащихся, выявить пробелы при изложении учебного материала, применить методы математической статистики для оценки степени его усвоения всеми обучаемыми и т.д.

Разработка тестового контроля включает следующие этапы:

определение целей тестирования (прогностические связаны с профильной ориентацией учащихся, диагностические -- с уровневой дифференциацией обучения, ориентированные на обратную связь);

отбор и упорядочивание заданий;