Научно-методический анализ темы "Основы СТO. Фотоны. Действия света" в курсе физики средней общеобразовательной школы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ЯНКИ КУПАЛЫ»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Научно-методический анализ темы «Основы СТO» «Фотоны. Действия света» в курсе физики средней общеобразовательной школы

Студента 4 курса 2 группы Шаракова Михаила Игоревича

Научный руководитель: Курстак Ирина Александровна,

Старший преподаватель кафедры лазерной физики и спектроскопии

Гродно 2015



Оглавление

Введение

1. Методический анализ структуры и содержания тем «Основы СТО» «Фотоны. Действия света»

1.1 Основные задачи изучения темы «Основы СТО» «Фотоны. Действия света»

1.2 Структура темы «Основы СТО», «Фотоны. Действия света»

1.3 Методика изучения основных понятий и законов

1.3.1 Принцип относительности Галилея и электромагнитные явления

1.3.2 Постулаты Эйнштейна

1.3.3 Преобразования Лоренца

1.3.4 Пространство и время в СТО

1.3.5 Взаимосвязь массы и энергии

1.3.6 Фотоэффект

1.3.7 Квантовая гипотеза Планка

1.3.8 Фотоны. Корпускулярно-волновой дуализм

1.4 Формирование основных умений и навыков учебной работы учащихся при изучении темы

1.5 Формирования познавательного интереса учащихся и развитие творческих способностей по теме «Основы СТО. Фотоны. Действия света»

2. Методические разработки по теме «Основы СТО. Фотоны. Действия света»

Заключение

Литература

фотон электромагнитный познавательный учащийся



Введение

Данные разделы «Основы СТО» «Фотоны. Действия света» изучаются в 11 классе, на изучение которых отводится в сумме 10 часов. Изучение данных разделов (особенно СТО) может вызвать поначалу недоумение, однако потом у учащихся будет появляться все больший интерес к этим разделам. «Замедление времени» - первое что вызовет необычайный интерес у учащихся. После изучения темы у учащихся должна сформироваться картина мира на макро уровне. Безусловно, знания по СТО невозможно (во всяком случае сейчас) применить на практике, однако, данные знания сильно помогают сейчас работе «Глобальной системе позиционирования (GPS)». Знания о природе света, фотонов используются и развиваются сегодня очень интенсивно, например лазерная техника, оптические приводы.

Целью работы является рассмотрение структуры, содержания и анализ методики изучения раздела «Основы СТО» «Фотоны. Действия света».

Основными задачами для достижения данной цели являются:

· Изучить литературу по теме: «Основы СТО. Фотоны. Действия света»

· Рассмотреть особенности структуры и содержания раздела «Основы СТО. Фотоны. Действия света» в курсе физики средней школы.

· Разработать конспекты уроков по изучению данных тем.



1. Методический анализ структуры и содержания тем «Основы СТО» «Фотоны. Действия света»

1.1 Основные задачи изучения темы «Основы СТО» «Фотоны. Действия света»

· Образовательные: формирование знаний и умений применять законы СТО и объяснение явлений, связанных с действием света.

· Развивающие: развить творческое мышление, интеллектуальные способности учащихся.

· Воспитательные: воспитание убежденности в том, что природные процессы, которые мы не можем наблюдать при помощи наших органов чувств, можно описать и объяснить с помощью физики и математики.

1.2 Структура темы «Основы СТО», «Фотоны. Действия света»

В теме «Основы СТО», в соответствии с учебной программой [1], изучаются следующие подтемы:

ь Принцип относительности Галилея и электромагнитные явления.

ь Постулаты Эйнштейна.

ь Преобразования Лоренца.

ь Пространство и время в специальной теории относительности.

ь Закон взаимосвязи массы и энергии.

В теме «Фотоны. Действия света», в соответствии с учебной программой [1], изучаются следующие подтемы:

ь Фотоэффект.

ь Экспериментальные законы внешнего фотоэффекта.

ь Квантовая гипотеза Планка.

ь Фотон.

ь Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

ь Давление света.

ь Корпускулярно-волновой дуализм.

Проводятся демонстрации, опыты, компьютерные модели:

ь Фотоэлектрический эффект.

ь Законы внешнего фотоэффекта.

ь Устройство и действие фотореле.

ь Давление света.

1.3 Методика изучения основных понятий и законов

1.3.1 Принцип относительности Галилея и электромагнитные явления

Изучение элементов теории относительности рекомендуется начинать с повторения того материала об относительности, который знаком учащимся, а именно: некоторые физические величины, характеризующие механическое движение и электромагнитное взаимодействие (координата, скорость, перемещение, импульс тела, кинетическая энергия, работа, индукция магнитного поля и т.д.) относительны, т.е. зависят от выбора системы отсчета, а другие (ускорение, заряд и т.д.) - инвариантны, т.е. не зависят от выбора системы отсчета; все законы механики справедливы относительно инерциальных систем отсчета и никаким механическим опытом, проводимым в данной системе отсчета, нельзя обнаружить, движется эта система равномерно и прямолинейно или покоится (принцип относительности Галилея).

Важно понять, распространяется ли принцип относительности Галилея на явления электродинамики или нет. Точнейшие опыты показывали, что обнаружить «абсолютное» движение электромагнитной (световой) волны невозможно, привилегированной системы отсчета не существует. Принцип относительности должен выполнятся и для электромагнитных явлений. Но другие опытные факты свидетельствовали, что скорость света c не зависит от скорости источника и имеет одно и то же значение во всех инерциальных системах отсчета, а это входит в явное противоречие с классическим законом сложения скоростей - одним из основных следствий принципа относительности Галилея [2].

1.3.2 Постулаты Эйнштейна

Специальная теория относительности доказала, что законы электродинамики, как и законы механики, справедливы относительно любых инерциальных систем отсчета. А одновременно она явилась поле глубокой теорией пространства и времени.

СТО построена по методу принципов, то есть в основу ее кладут два постулата, которые опираются на опытные факты и, исходные положения этой теории, ею не объясняются.

В учебной литературе встречаются различные формулировки принципа относительности - главные постулаты теории Эйнштейна. Наиболее распространены три:

1) Все инерциальные системы отсчета равноправны: во всех инерциальных системах не только механические, но и все другие явления природы протекают одинаково (обобщенный принцип относительности Эйнштейна).

2) Никаким физическим опытом, проводимым в инерциальной системе отсчета, нельзя установить, движется эта система или находится в покое.

3) Все физические законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Хотя все эти формулировки эквивалентны, наилучшей является третья, ибо она лучше отражает суть дела. Ведь протекание явления определяется не только действующими законами, но и начальными условиями. С этим учащиеся уже знакомы из механики. Например, свободно падающее тело относительно Земли описывает прямую линию, а относительно равномерно движущегося вагона - параболу [2].

1.3.3 Преобразования Лоренца

; ; ; .

Эти уравнения были найдены нидерландским физиком Хендриком Лоренцом и называются преобразованиями Лоренца. Отметим, что при малых скоростях (v<<c) преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея, справедливые в классической механике [6].

С помощью преобразований Лоренца можно получить релятивистский закон сложения скоростей. Приведем без вывода формулу, выражающую этот закон для простого частного случая. Пусть некоторый объект (тело, частица, световой импульс и так далее) движется относительно системы K со скоростью v навстречу системе K' (так что векторы v и V имеют противоположные направления). Тогда, согласно СТО, модуль скорости этого объекта относительно системы K' будет равен:

.

1.3.4 Пространство и время в СТО

Изложение этого вопроса начинают с создания проблемной ситуации. Пусть точечный источник cвета находится в начале отсчета системы K и испускает свет в тот момент, когда начала отсчета систем и штрих совпадали. Система движется относительно системы со скоростью . Каким будет фронт волны через промежуток времени, равный t?

Очевидно, с точки зрения наблюдателя, находящегося в системе K, фронт волны будет представляет собой сферу радиусом r=ct с началом в точке O. Но так как скорость света во всех системах отсчета одинакова, то наблюдатель системе K' увидит фронт волны сферы того же радиуса, но с центром в точке O'. Но не может же сферический фронт волны одновременно иметь центр в точке O и O'.

Итак, одновременность пространственно разделенных событий относительна. Представление об абсолютном времени, которое течет в навсегда заданным темпе совершенно независимо от материи и ее движения, несостоятельно. Свет достигает точек сферической поверхности с центром О одновременно лишь с точки зрения наблюдателя, находящегося в покое относительно системы K. Для наблюдателя, связанного с системой K' свет переходит в эти точки неодновременно.

Разумеется, проектирование обратное: системе K свет достигает точек поверхности сферы с центром в О₁ в различные моменты времени, а не одновременно, как это представляется наблюдателю в системе K'.

Школьники склонны считать, что неподвижный наблюдатель всегда находится на Земле, в то время как для понимания идей специальной теории относительности важно подчеркнуть равноправие и движение всех инерциальных систем отсчета, а неподвижным наблюдателем в ней считают собственного наблюдателя, то есть того, что находится в той же системе отсчета, где находятся часы, масштабы и происходят интересующие нас события. Это обстоятельство очень важно для уяснения сути рассматриваемого материала.

Замедление времени. Несостоятельность представлений классической физики об абсолютном времени, которое течет якобы во всех системах отсчета одинаково, обнаруживают в преобразованиях интервала времени при переходе от одной системы отсчета к другой. Для вывода соответствующей формулы вначале рассматривают движение светового сигнала в собственной системе отсчета и отмечают, что свет прошел путь L за время t₀ (рисунок 1).

рисунок 1

Затем этот же процесс рассматривается с точки зрения наблюдателя, находящегося в системе отсчета K, относительно которой система отсчета K' вместе с вагоном движется со скоростью v. С его точки зрения свет движется не по вертикали AB, а по наклонному направлению AD, так как во время прохождения светом расстояние от точки A до зеркала B вагон освещается в пространстве на расстояние vt (рисунок 2).

рисунок 2

Из рассмотрения этого рисунка можно записать:

или ,

Откуда после преобразования получают:

.

Время t₀, отсчитываемое в той же системе отсчета, где происходит явление, называют собственным временем. Внимание школьников обращают на то, что в любой другой системе отсчета, движущейся относительно системы K, интервал времени больше (t> t₀), то есть часы идут медленнее. В этом и состоит релятивистский эффект замедления времени в движущихся системах отсчета.

Эффект сокращения длины. Пусть вагон AB движется относительно платформы с постоянной скоростью v (рисунок 3). Чему равна длина движущегося вагона с точки зрения инерциальной системы отсчета, связанной с платформой.

рисунок 3

Не останавливая вагон, все на платформу метки M и N так, чтобы метка M находилась под точкой A вагона, а метка N - под точкой B в один и тот же момент времени по часам платформы. Длину движущегося вагона в системе отсчета «платформа» определим как расстояние l между этими метками (l=MN). Согласно обычным представлениям при любой скорости v длина l и собственная длина вагона l₀ (то есть длина вагона в той системе отсчета, в которой он покоится) равны между собой.

Релятивистская теория утверждает, что это не так. Согласно СТО величины l и l₀ связаны соотношением:

.

Это явление называется лоренцевым (или релятивистским) сокращением длины. Заметим, что при этом поперечные размеры тела не изменяются [2].

1.3.5 Взаимосвязь массы и энергии

Напоминают учащимся известные им из курса математики формулы и показывают, что при скорости v << c, когда пренебрегают более высокими степенями отношения v/c, справедливы соотношения:

и .

Тогда из формулы

Получают

.

Умножая левую и правую части равенства на c², получают

,

Где - кинетическая энергия, - собственная энергия, а - полная энергия частицы. Полная энергия частицы - величина относительная:

.

Анализируя формулу E=mc², подчеркивают, что энергия и масса взаимосвязаны. При увеличении энергии тела на величину ДE его масса возрастает на величину . В силу того, что c² очень большая величина, изменение массы при соударениях, нагревании и многих других физических процессах ничтожно мало (в этом на конкретных примерах следует убедить учащихся). Однако даже небольшое изменение массы влечет за собой выделение колоссальной энергии. Формула E=mc² находит широкое применение для расчета энергетического выхода ядерных реакций.

Закон сохранения энергии СТО читают так: сумма кинетической и собственной энергии тела есть величина постоянная, или полная энергия (E=mc²) - величина постоянная. Одновременно с полной энергии сохраняется и масса

.

Заканчивай рассмотрения этих вопросов, целесообразно обобщить полученные знания, сопоставляя положения специальной теории относительности с положениями классической механики. При повторение и обобщение знаний подчеркивают, что специальная теория относительности является завершенной физической теорией, постулаты и основные следствия которой подтверждены совокупностью экспериментальных фактов. Она является более общей теории пространства, времени и движения, нежели классическая механика. СТО указала на ограниченность представлений классической механики об абсолютном пространстве и времени и установила их неразрывную связь. Она доказала относительность таких величин, как интервал времени, длина отрезка, масса, которые в классической механике считались абсолютными, уточнила закон сложения скоростей, обобщила и принцип относительности, открыл закон взаимосвязи массы и энергии (E=mc²), нашедшие применения ядерной физики [2].

1.3.6 Фотоэффект

Фотоэффект, его законы занимают особое место в истории физики. Явление фотоэффекта было одним из основных среди явлений, исследование которых привело к созданию квантовой теории вообще и квантовой теории света в частности. Сущность явления внешнего фотоэффекта и его главные закономерности заключаются, как известно, в следующем: под действием электромагнитного излучения наблюдается испускание (эмиссия) электронов из металлов. В нумерации законов фотоэффекта, их последовательности и числе есть определенный произвол. Формулировки законов приводят как для макропроцессов (через фототок), так и для микропроцессов (через фото-электроны). Приведем ниже одну из принятых формулировок законов фотоэффекта.

1. Фототок насыщения пропорционален освещенности катода. Число фотоэлектронов, вырываемых с катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая наименьшая частота, света л₀, при которой еще возможен внешний фотоэффект; эта величина зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности; при частоте света меньше красной границы фотоэффекта (л<л₀) фотоэффект не происходит.

4. Фотоэффект практически безынерционен.

В методике изучения фотоэффекта можно выделить несколько этапов:

1. Знакомство учащихся с самим явлением фотоэффекта. Рассказ об истории его открытия (Г. Герц).

2. Рассказ о поиске закономерностей этого явления. Исследования А. Г. Столетова.

3. Рассмотрение основных закономерностей фотоэффекта. Показ, вскрытие имеющихся трудностей - невозможность объяснить все законы фотоэффекта с известных уже учащимся позиций (волновой теории света).

4. Выдвижение гипотезы световых квантов. Рассказ о работе А. Эйнштейна. Уравнение фотоэффекта.

5. Объяснение всех закономерностей фотоэффекта с квантовых позиций:

6. Выводы квантовой теории о природе света.

7. Вакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Применение фотоэффекта в технике.

К пониманию явления фотоэффекта и его закономерностей лучше всего подвести школьников с помощью эксперимента. На первом уроке по теме обычно предлагают серию опытов (рисунок 4):

рисунок 4

1) Закрепленную на стержне электрометра хорошо очищенную цинковую пластину заряжают отрицательно и освещают потоком ультрафиолетовых лучей. Наблюдают разряд электрометра.

2) Разряд прекращается, если мы перекрываем поток лучей стеклом.

3) Если же сообщить пластине положительный заряд, то при таком же освещении разряд электрометра не наблюдается.

4) Разряд происходит тем быстрее, чем больше интенсивность света.

5) Заменив цинковую пластину медной (затем свинцовой), повторяют опыты при тех же условиях (освещенность, начальный заряд).

В ходе беседы последовательно обсуждают следующие вопросы: почему заряженная пластина может сохранять заряд в течение длительного времени? Какими способами можно разрядить пластину? Как объяснить быстрый разряд отрицательно заряженной пластины при ее освещении светом дуги? Будет ли при освещении ультрафиолетом так же разряжаться положительно заряженная цинковая пластина? Почему электрометр не обнаруживает изменения заряда в этом случае? Наблюдаем ли мы разряд медной пластины при тех же условиях опыта? Почему прекращается разряд отрицательно заряженной цинковой пластины, если свет от электрической дуги перекрыть стеклянной пластиной?

Проведенное обсуждение позволяет сделать выводы:

1. Под действием света разряжаются только отрицательно заряженные металлы. Следовательно, при некоторых условиях свет способен вырывать электроны из металлов. Это явление называют фотоэффектом. (Здесь же можно рассказать и об истории открытия фотоэффекта.)

2. Разряд начинается одновременно с началом освещения, следовательно, фотоэффект практически безынерционен. (Точные опыты показали, что время между началом облучения и началом фотоэффекта не превышает 10^-9 с.)

рисунок 5

3. Наличие фотоэффекта зависит от рода и обработки освещаемого металла и от спектрального состава излучения, скорость разряда зависит также и от падающей в единицу времени световой энергии.

Изучение закономерностей фотоэффекта продолжают на установке (рисунок 5), позволяющей исследовать зависимость фототока от приложенного напряжения, интенсивности и спектрального состава излучения. Вначале экспериментально устанавливают существование тока насыщения, а затем - его зависимость от интенсивности падающего на катод света (первый закон фотоэффекта - закон Столетова).

По результатам эксперимента строят графики зависимости силы тока от интенсивности света и от напряжения (рисунок 6).

После этого, освещая фотоэлемент светом определенной частоты, с помощью потенциометра "запирают" фотоэлемент и измеряют запирающее напряжение, что позволяет определить максимальную скорость вылетающих электронов:

.

Меняя светофильтры, получают при повторении опытов новые данные и убеждают учащихся в том, что скорость вылета электронов зависит от частоты падающего света и не зависит от интенсивности света (второй закон фотоэффекта).

рисунок 6

Далее приступают к объяснению законов фотоэффекта. Само явление и то, что фототок насыщения прямо пропорционален падающей в единицу времени световой энергии - первый закон фотоэффекта, можно объяснить и с волновых позиций. Объяснение того, почему существует порог фотоэффекта (красная граница), почему максимальная начальная скорость (и максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов) не зависит от интенсивности света, а определяется только его частотой (линейно возрастает с частотой), а также объяснение безынерционности фотоэффекта не может быть дано на основе волновой электромагнитной теории света. Ведь по этой теории вырывание электронов из металла является результатом их "раскачивания" в переменном электрическом поле световой волны. Но тогда и скорость и кинетическая энергия фотоэлектронов должны зависеть от амплитуды вектора напряженности Е электрического поля волны и, следовательно, от ее интенсивности, на "раскачку" электрона требуется время, эффект не может быть безынерционным. Несоответствие экспериментальных фактов сложившейся волновой теории света доказывало ее несостоятельность и требовало создания новой теории.

Далее рассказывают о том, что трудности в объяснении законов фотоэффекта были не единственной причиной создания новой теории. В 1900 г. М. Планк для объяснения теплового излучения вынужден был высказать, на первый взгляд, нелепую идею, что тело излучает энергию не непрерывно, а отдельными порциями (квантами). Эта идея противоречила сложившимся представлениям классической физики, где процессы и величины, их характеризующие, изменяются непрерывно. Эту непонятную и поэтому мало кем принятую идею в 1905 г. А. Эйнштейн использовал для объяснения законов фотоэффекта. Он пошел далее М. Планка и утверждал: свет не только испускается, но и распространяется и поглощается квантами.

Иначе говоря, поток монохроматического света, несущий энергию Е, представляет собой поток n частиц (названных позднее фотонами), каждый из которых обладает энергией hн:

E=nhн.

Энергия фотона пропорциональна частоте света. Чем больше частота (меньше длина волны) излучения, тем большую энергию несет каждый его фотон. Энергия фотонов длинноволнового излучения меньше.

Далее Эйнштейн предположил: каждый фотон взаимодействует не со всем веществом, на которое падает свет, и даже не с атомом в целом, а с отдельным электроном атома. Фотон отдает свою энергию электрону, а электрон, получив энергию, вырывается из металла с определенной кинетической энергией. На основе закона сохранения энергии можно записать следующее уравнение для элементарного акта взаимодействия фотона с электроном:

,

где - энергия фотона, А - работа выхода электрона из металла, - кинетическая энергия электрона.

После этого объясняют экспериментальные законы фотоэффекта с точки зрения квантовой теории. Сила фототока насыщения равна числу электронов, вылетающих за единицу времени с освещаемой поверхности; интенсивность света - числу ежесекундно падающих фотонов. Так как каждый фотон может выбить с поверхности металла лишь один электрон, то естественно, что сила фототока насыщения (число вырванных электронов) будет пропорциональна интенсивности света (числу падающих фотонов).

Важно при этом подчеркнуть, что наблюдают прямую пропорциональность, а не равенство, так как часть падающих на металл фотонов отражается, а из поглощенных фотонов не все вырывают из металла свободные электроны. Энергия части поглощенных фотонов превращается во внутреннюю энергию металла. Поэтому отношение числа электронов к числу падающих на металл фотонов значительно меньше единицы (для чистых металлов примерно в 1000 раз).

Далее объясняют, почему наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего света, а не от его интенсивности (второй закон фотоэффекта). Из уравнения Эйнштейна следует:

.

Так как для данного вещества работа выхода постоянна (A=const), то наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте падающего света. Анализируют случай, когда энергия светового кванта численно равна работе выхода A:

или

Следовательно, вся энергия фотона идет на совершение работы выхода и скорость электронов равна нулю. Минимальная (граничная) частота фотоэффекта н₀ равна , а максимальная длина волны . При условии н < н₀ и л > л₀ фотоэффекта нет. Это длинноволновая (красная) граница фотоэффекта. Ее значение зависит только от работы выхода, т. е. от химической природы металла, и может лежать на любом участке оптического диапазона. Для каждого вещества есть определенная длинноволновая граница фотоэффекта (третий закон фотоэффекта).

Таким образом, уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Оно позволяет вычислять скорости фотоэлектронов и определять наибольшую длину волны, при которой еще наблюдается явление фотоэффекта для данного вещества, а также вычислить работу выхода для конкретного металла [2].

1.3.7 Квантовая гипотеза Планка

Квантовые представления были впервые введены немецким физиком Максом Планком при разработке теории теплового излучения. Планк сделал фундаментальное предположение, что энергия любой колебательной системы, совершающей гармонические колебания с частотой н (осциллятора), может принимать лишь определенные дискретные значения, отличающиеся на целое число элементарных порций - квантов энергии:

Где n - целое положительное число, h - коэффициент пропорциональности, который называют постоянной Планка. Это фундаментальная постоянная. Ее значение: h=(6,62606957±0,00000029)·10^-34Дж·с.

Следовательно, отдельный осциллятор может обладать не любой энергией, а лишь энергией, кратной . Таким образом впервые появилась идея о квантовании энергии [2].

1.3.8 Фотоны. Корпускулярно-волновой дуализм

Одна из основных задач учителя при изучении темы "Световые кванты. Действия света" - ознакомить учащихся со свойствами фотона и двойственностью свойств света. После изучения фотоэффекта и явления Комптона обобщают полученные учащимися знания о фотоне и обсуждают корпускулярно-волновой дуализм его свойства. При подготовке к этому уроку школьники повторяют как уже пройденные вопросы этой главы, так и главу "Электромагнитные “волны” раздела “Электродинамика”. В ходе беседы учитель подводит их к следующим выводам:

1) Фотон - частица электромагнитного излучения (квант электромагнитного поля).

2) Фотон, будучи квантом электромагнитного поля, существует только в движении. Он либо движется со скоростью, равной скорости света в вакууме, либо не существует. Остановить, замедлить и ускорить фотон нельзя, как нельзя увеличить или уменьшить скорость света в вакууме.

3) Эти частицы сравнительно легко могут зарождаться (излучаться) и исчезать (поглощаться). Фотоны неделимы. Когда атом испускает или поглощает свет, то это испускание и поглощение происходит только целыми фотонами. Поглощенный фотон прекращает свое самостоятельное существование, а его энергия превращается в какой-либо другой вид энергии.

4) Фотон обладает определенной энергией, массой и импульсом. Энергия фотона E=hн. По закону взаимосвязи массы и энергии энергия фотона связана с массой соотношением Е=mс², следовательно, масса фотона равна

.

Масса фотона - мера его энергии. Эту массу нужно рассматривать как полевую массу, обусловленную тем, что электромагнитное поле обладает энергией.

Так как фотон существует только в движении, то у него нет массы покоя. Масса покоя фотона равна нулю, и в этом принципиальное отличие фотона от частиц вещества. Импульс - векторная величина. Направление вектора импульса фотона совпадает с направлением распространения света. Наличие у фотона импульса подтверждает существование светового давления и эффекта Комптона.

Учащиеся должны уяснить, что свет проявляет и волновые и корпускулярные свойства, т. е. он обладает дуализмом свойств. Это находит свое выражение, в частности, в формулах, определяющих корпускулярные характеристики фотона (энергию, импульс, массу) через частоту:

.

В проявлении двойственности свойств света имеется определенная закономерность. Так как энергия отдельного фотона при малых частотах (например, у инфракрасного света) мала, то для этого диапазона частот корпускулярные свойства проявляются мало, а в большей степени проявляются волновые свойства излучения. Интерференцию, дифракцию, поляризацию такого излучения легко демонстрируют с помощью несложной аппаратуры, фотохимические же действия обнаружить труднее. При больших частотах (когда энергия отдельного фотона сравнительно велика) корпускулярные свойства света обнаружить легче. В видимом свете волновые и корпускулярные свойства проявляются примерно в равной мере. Отражение, преломление, давление света можно объяснить как на основе волновых, так и корпускулярных представлений.

Заметим, что при некоторых условиях в типично волновом явлении обнаруживаются квантовые свойства света. Например, эти свойства обнаружены в известных опытах С. И. Вавилова по квантовым флуктуациям в интерференционном поле при малых световых потоках. Свои наблюдения флуктуации световых потоков С. И. Вавилов рассматривал как одно из важнейших доказательств квантовых свойств излучения.

Чтобы учащиеся убедились в этом, полезно предложить им определить частоту, импульс, энергию фотонов различных длин волн оптического диапазона. Данное задание и необходимые сведения для его выполнения можно задать таблицей:

Вид излучения	Длина волны л, м	Частота н, Гц	Масса фотона m, кг	Энергия фотона е, Дж	Импульс фотона p, кг·м/с
Инфракрасное Видимое Ультрафиолетовое Рентгеновское

Обсуждение данных таблицы поможет школьникам получить более конкретные представления о шкале электромагнитных волн и понять, почему в коротковолновой области в большей степени обнаруживаются корпускулярные свойства света, а волновые проявляются слабее [2].



1.4 Формирование основных умений и навыков учебной работы учащихся при изучении темы

Исходя из действующей программы по физике[1], учащийся должен:

(Основы СТО)

иметь представление:

ь об относительности одновременности;

знать и понимать:

ь постулаты Эйнштейна и следствия преобразований Лоренца; смысл физических законов: взаимосвязь массы и энергии;

владеть:

ь практическими умениями: решать качественные, расчетные задачи на определение сокращения длины, замедления времени в различных инерциальных системах отсчета, на применение закона взаимосвязи массы и энергии с использованием формул: сокращения длины, замедления времени, взаимосвязи массы и энергии.

(Фотоны. Действия света)

иметь представление:

ь о тепловом излучении и квантовой гипотезе Планка;

ь о применении фотоэффекта

ь о корпускулярно-волновом дуализме;

знать и понимать:

ь смысл физических понятий: фотон, фотоэффект, красная граница фотоэффекта, работа выхода, давление света; смысл физических законов: внешнего фотоэффекта;

уметь:

ь объяснять смысл физических явлений: внешний фотоэффект;

владеть:

ь практическими умениями: решать качественные, графические, расчетные задачи на определение энергии и импульса фотона, красной границы фотоэффекта, задерживающего потенциала, работы выхода с использованием уравнения Эйнштейна для фотоэффекта.

1.5 Формирования познавательного интереса учащихся и развитие творческих способностей по теме «Основы СТО. Фотоны. Действия света»

На современном этапе развития школьного образования проблема активной познавательной деятельности учащихся приобретает особо важное значение в связи с высокими темпами развития и совершенствования науки и техники, потребности общества в людях образованных, иными словами, обладающих вариативностью действий и комбинаторикой мышления, способных мыслить самостоятельно и свободных от стереотипов. Выполнение такого рода задач становиться возможным только в условиях активного обучения, стимулирующего умственную деятельность учащихся, которое осуществляется с помощью интенсивных методов обучения и способствует формированию познавательного процесса к приобретению знаний и учебной деятельности. Познавательный интерес представляет собой важнейшую для развития личности сторону. В интеллектуальной деятельности, протекающей под влиянием познавательных интересов, проявляется: активный поиск; догадка; исследовательский поиск; готовность к решению задачи.

Важной особенностью познавательного интереса является также и то, что центром его бывает такая познавательная задача, которая требует от ребёнка поисковой и творческой работы.

С целью формирования способностей школьников в процессе обучения необходимо сочетать предметно - познавательную и творческую деятельность учащихся. Целенаправленная тренировка гибкости мышления, использование фантазии, интуиции, воображения, исследовательских методов обучения - всё это способствует развитию способностей учащихся.

Таким образом, для развития творческой и познавательной активности учащихся необходимо организовать их познавательную деятельность таким образом, чтобы ориентировать учащихся на самостоятельное овладение новой для них информации.

Познавательный интерес - избирательная направленность личности на предметы и явления, окружающие действительность. Эта направленность характеризуется постоянным стремлением к познанию, к новым, более полным и глубоким знаниям. Систематически укрепляясь и развиваясь познавательный интерес становится основой положительного отношения к учению. Познавательный интерес носит поисковый характер. Под его влиянием у человека постоянно возникают вопросы, ответы на которые он сам постоянно и активно ищет. При этом поисковая деятельность школьника совершается с увлечением, он испытывает эмоциональный подъем, радость от удачи. Познавательный интерес положительно влияет не только на процесс и результат деятельности, но и на протекание психических процессов - мышления, воображения, памяти, внимания, которые под влиянием познавательного интереса приобретают особую активность и направленность.

Познавательный интерес - это глубинный внутренний мотив, основанный на свойственной человеку врожденной познавательной потребности. Наличие интереса является одним из главных условий успешного протекания учебного процесса и свидетельством его правильной организации. Отсутствие интереса у школьников является показателем недостатков в организации обучения. Многочисленными исследованиями доказано, что интерес стимулирует волю и внимание, помогает более быстрому и прочному запоминанию. Однако значение познавательного процесса выходит далеко за рамки учебного процесса. В триединой задаче: обучения, умственного развития и воспитания личности - интерес является связующим звеном между тремя ее сторонами. Именно благодаря интересу, как знания, так и процесс их приобретения могут стать движущей силой интеллекта и важным фактором воспитания всесторонне развитой личности. Итак, каковы же основные условия, при которых возникал бы и развивался интерес к учению?

1. Развитию познавательных процессов, любви к изучаемому предмету и к самому процессу умственного труда способствует такая организация обучения, при которой ученик вовлекается в процесс самостоятельного поиска и открытия новых знаний, решает задачи проблемного характера.

2. Учебный труд, как и всякий другой, интересен тогда, когда он разнообразен.

3. Для появления к изучаемому предмету необходимо понимание важности, целесообразности изучения данного предмета в целом и отдельных его разделов.

4. Чем больше новый материал связан с усвоенными ранее знаниями, тем он интереснее для учащихся. Связь изучаемого с интересами, уже существовавшими у школьников ранее, также способствует возникновению интереса к новому материалу.

5. Слишком легкий или слишком трудный материал не вызывает интереса. Обучение должно быть трудным, но посильным.

Что же понимается под творческой деятельностью учащихся в обучении?

Творчество -- самая высокая ступень познавательной и практической деятельности учащихся. Цель творческой деятельности -- не только дальнейшее совершенствование полученных знаний, но и всемерная активизация мышления учащихся, развитие их познавательных способностей. Творческая познавательная деятельность, кроме того, предполагает выявление новых сторон изучаемых явлений, расширение и углубление знаний. Творчески работающие учащиеся не ограничиваются учебником, хотя формально от них в ряде случаев больше ничего не требуется, а обращаются к научной литературе, справочникам. В процессе работы над учебником они находят вопросы, требующие дополнительного изучения, и проводят, пусть и скромные, но самостоятельные исследования. Обучение должно проводиться таким образом, чтобы у учащихся пробуждался интерес к знаниям, возрастала потребность в более полном и глубоком их усвоении, развивалась инициатива и самостоятельность в работе, чтобы в процессе обучения учащиеся не только овладевали установленной системой научных знаний, умений и навыков, но и развивали свои познавательные способности и творческие силы, постоянно совершенствовали методы самостоятельной работы.



2. Методические разработки по теме «Основы СТО. Фотоны. Действия света»

Урок изучения нового материала.

Урок изучения нового материала является одним из важнейших уроков всей темы и к его подготовки нужно подходить очень тщательно. От того как учитель преподнесёт новый материал будет зависеть степень его усвоения. Урок по заявленной теме является первым по плану. Вопросы содержания урока изучаются впервые.

Особенность предъявленной методической разработки урока заключается в том, что объяснение нового материала происходит в форме диалога, что позволяет максимально задействовать внимание учеников, а так же хорошо усвоить знания.

Методическая разработка урока представлена в «Приложении 1».

Урок решения задач.

Решение задач в процессе обучения физике имеет многогранные функции- это средство осознания и усвоения изучаемых понятий, явлений и закономерностей, средство отработки знаний и формирования умений применять их на практике, средство повторения пройденного, способ связи курса физики с жизнью и производством во всех его разновидностях, средство создания проблемных ситуаций, предваряющих рассмотрение нового раздела или вопроса. Оно имеет, кроме перечисленных обучающих функций, и ряд воспитывающих: учит трудиться, быть целеустремленным и самостоятельным, творчески активным.

Содержание плана-конспекта представлено в «Приложении 2».

Урок контроля знаний.

Контроль знаний -- это проверка знаний данного ученика, предусматривающая их оценку только по результатам его личной учебной деятельности. Максимально учитываются индивидуальные особенности учащихся. Контроль должен быть объективным, требовательным, без заметных искажений истинной картины знаний ученика. Даже при доброжелательном к ним отношении многие ученики волнуются и отвечают хуже, чем знают, что трудно учесть при выставлении оценки. Контроль должен быть систематическим, регулярным на протяжении всего времени обучения школьника в учебном году. Контроль должен быть всесторонним, охватывать все разделы программы. Систематический учет знаний и умений школьников позволяет своевременно «обнаружить пробелы в воспитании, осознании и осмыслении, обобщении и систематизации знаний, применении их на практике».

Методическая разработка урока представлена в «Приложении 3».

Урок-исследование.

В рамках исследовательского метода обучения познавательная активность учащихся превращается, с одной стороны, в одну из важнейших целей и, с другой стороны, в один из необходимых элементов педагогического процесса. При исследовательском методе обучения мышление учащихся активизируется путем создания проблемных ситуаций и их исследование, формирования постоянного познавательного интереса, освоения учащимися навыков работы с неизвестным, проблемами и противоречиями, что в итоге при правильном подходе формирует основу личности.

Методическая разработка урока в «Приложении 4».

Урок обобщения и систематизации знаний.

Обобщение знаний в учебном процессе решает две задачи: способствует более глубокому и осознанному усвоению знаний и формированию определенных приемов мышления. В процессе обобщения знаний учебный материал предстает перед учащимися в систематизированном виде, чему способствует установление связи между изученными понятиями, законами и теориями, определение границ их применимости, четкое выделение особенностей тех или иных явлений, их сходство с другими и отличия от них.

В ходе обобщения знаний развиваются мышление и познавательные способности школьников, выполняются такие мыслительные операции, как анализ, синтез, абстрагирование, конкретизация и т.п. Это открывает большие возможности для формирования научного мировоззрения учащихся, поскольку позволяет завершить формирование у них представлений о современной физической картине мира, показать в ней место каждой изученной теории.

Методическая разработка урока представлена в «Приложении 5».

Нетрадиционный урок.

Нетрадиционный урок - это импровизированное учебное занятие, имеющее нетрадиционную структуру.

Данные уроки могут применять в любом классе. Педагогическое творчество учителя, освобождаясь от шаблона, создает интересные примеры нестандартных форм обучения, что позволяет учителю вернуть утраченный интерес к изучению физики. Ни программа, ни учебник, ни методическое пособие не могут предоставить готовую схему урока. Учитель должен сам сконструировать его, учитывая условия обучения и состав учащихся. Учителю нужно в какой-то степени отойти от стандартного урока, внести что-то новое, что могло бы привлечь внимание, активизировать деятельность учащихся, заставить их мыслить, искать, действовать.

Методическая разработка урока представлена в «Приложении 6».



Заключение

В курсовой работе были рассмотрены вопросы современной физики. Основные знания по данной теме были сформулированы уже в ХХ веке. Тема «Основы СТО. Фотоны. Действия света» является сложной для представления и изучение материала происходит на теоретическом уровне.

В процессе изучения, учащиеся должны иметь представления о физических понятиях данной темы. При этом они должны знать это и понимать, а так же уметь применять свои знания при решении экспериментальных и практических заданиях.

При разработке было уделено внимание межпредметным связям, а именно, соответствующему уровню математической подготовки учащихся.

Использование в разработках методические приемы могут быть использованы при изучении других тем.

Дидактические материалы могут быть использовано при подготовке и проведения уроков на педагогической практике.



Литература

1. Учебные программы для общеобразовательных учреждений с русским языком обучения. Физика 6 - 11 классы. Астрономия 11 класс. М.: Национальный институт образования 2009 г.

2. Каменецкий, C. Е. Теория и методика обучения физике в школе: Частные вопросы: Учебное пособие для студентов пед. вузов / С. Е. Каменецкий, Н. С. Пурышева [и др.]. М.: Издательский центр «Академия», 2000. 384 с.

3. Бугаев, А. И. Методика преподавания физики в средней школе/ А. И. Бугаев. М.: Просвещение, 1994 г.

4. Демидова, М. Ю. Журнал «Физика в школе». / Демидова М. Ю., Засов А. В. Москва, 2006г.

5. Поспелов Н. Н., Поспелов И. Н. Формирование мыслительных операций старшеклассников. М.: Педагогика, 1989, 152 с.

6. В.В Жилко, Л.Г. Маркович, Физика. Учебное пособие для 11 класса.

7. [Электронный ресурс]. http://compendium.su/physics/11klas/index.html.

8. [Электронный ресурс]. http://adu.by.

Размещено на Allbest.ru