Методика преподавание физики атомного ядра в средней школе

">     Для изложения опыта Резерфорда по рассеянию  α-частиц необходимо, чтобы учащиеся уже знали, что такое радиоактивное вещество, которое используется в качестве источника α-частиц. Знания, полученные по радиоактивности школьного курса химии, достаточны для этой цели. Экспериментальные методы изучения самого явления радиоактивности будут рассмотрены несколько позднее. [4]

     Исследование  свойств атомных ядер и нуклонов в настоящее время ведется  при воздействии на них главным  образом ускоренных заряженных частиц, а не продуктов радиоактивного распада (как менее эффективных в этом отношении). Поэтому следует рассмотреть  некоторые типы ускорителей или, из-за недостатка учебного времени, хотя бы один из них — циклотрон. Это  подготовит учащихся к пониманию  способов осуществления ядерных  реакций.

     В следующей за строением атома  главе рекомендуется изучить  явление радиоактивности, свойства α-, β- и γ-излучений, способы их обнаружения: камеру Вильсона, счетчик Гейгера-Мюллера и метод толстослойных фотоэмульсий; радиоактивные превращения, период полураспада, принцип устройства и действия циклотрона. [5]

     Одно  из центральных мест раздела об атоме  должны занять вопросы физики ядра — его состав и ядерные реакции. Здесь важно не простое перечисление частиц, из которых состоит ядро атома, не перечень возможных ядерных реакций, а рассмотрение основополагающих опытов, при помощи которых были получены сведения о составе ядра и ядерных превращениях: опыт по обнаружению нейтронов, эксперимент, приведший к открытию позитронов, опыт Резерфорда по превращению азота в кислород и др. Должны быть рассмотрены основные свойства протонов, нейтронов и позитронов.

     При определении содержания и методов  изучения данного раздела необходимо руководствоваться такими основными  факторами, как научной значимостью  отобранного для изучения материала  и важностью его практических приложений.    

     В процессе изучения атомной физики рассматриваются  такие понятия как строение атома, протон, нейтрон, электрон, состав ядра атома, радиоактивность, деление ядер и многие другие понятия в зависимости  от профиля школы. Все эти вопросы  имеют очень большое значение, так как на их основе создаётся  у учеников расширенное мировоззрение  об окружающем нас мире. [4]

     По  государственному общеобразовательному стандарту минимальный уровень  усвоение знаний по атомной физике для базовых школ разделяют следующим  образом:

     Стандарт  полного базового образования

     Планетарная модель атома. Квантовые постулаты Бора. Лазеры. Модели строения атомного ядра. Радиоактивность. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра. Ядерная энергетика. Влияние ионизирующей радиации на живые организмы. Доза излучения. Закон радиоактивного распада и его статистический характер.  
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Демонстрационные и компьютерные эксперименты при изучении ядерной физики 

     Демонстрационный  эксперимент должен являться основной составляющей экспериментального курса  физики, как правило, все основные физические понятия должны демонстрироваться  на опыте. Хороший демонстрационный опыт, проведенный во время теоретического изложения и отражающий физическое явление, позволяет преодолеть часто  возникающий на начальной стадии обучения формальный подход к физике. Демонстрационные опыты, как известно, формируются накопленные ранее  предварительные представления, которые  к началу изучения физики далеки и  у всех учащихся бывают одинаковыми  и безупречными. На протяжении всего  курса изучения физики эти опыты  накопляют и расширяют кругозор учащихся. Они зарождают правильные начальные представления о новых  физических явлениях и процессах, раскрывают закономерности, знакомят с методами исследования, показывают устройство и действия некоторых новых приборов и установок, иллюстрируют практическое применение физических законов. Все  это конкретизирует, делает более  понятным и убедительным теоретическое  изучение материала, возбуждает и поддерживает интерес к физике.

     Однако  поставить реальную демонстрацию по атомной физике довольно-таки сложно по причине опасности проведения для здоровья человека.

     Существуют  два выхода из такой ситуации:

     1.Для  обеспечения наглядности при  изучении физики широко применяют  “материальные” модели, в которых  рассматриваются не сами изучаемые  явления, а их аналоги. [6]

     Этот  метод хорошо может применяться  при изучении атомной физики. Примером такой демонстрации может служить  аналогия строения атомного ядра и беспорядочного расположения детей (в равных количествах мальчиков и девочек) в центральном круге баскетбольной площадки.

     Мальчики  будут олицетворять протоны, а девочки  нейтроны. Если же попросить детей  собраться в кучки мальчики с  мальчиками, а девочки с девочками, тогда в сутолоке они начнут толкаться  и строй вытянется в овал, что  является аналогией деления ядер.

     Ещё одним примером такой модели может  бать капельная модель ядра, где  строение ядра рассматривается как  капля жидкости.

     

     Данные  модели являются не плохой альтернативой  для показа демонстраций. Однако главным  минусом модельного эксперимента является то, что не ко всему можно сделать  аналогию и механические модели искажают свойства микромира. [7]

     2. Для того, что бы показать любой  эксперимент по атомной физике  во всей его полноте прибегают  к компьютерному моделированию. 

     С точки зрения преподавателя очевидное, лежащее на поверхности достоинство  компьютерного моделирования заключается  в возможности создавать впечатляющие и запоминающиеся зрительные образы. Такие наглядные образы способствуют пониманию изучаемого явления и  запоминанию важных деталей в гораздо большей степени, нежели соответствующие математические уравнения. Моделирование позволяет придать наглядность абстрактным законам и концепциям, привлечь внимание учащихся к тонким деталям изучаемого явления, ускользающим при непосредственном наблюдении. Графическое отображение результатов моделирования на экране компьютера одновременно с анимацией изучаемого явления или процесса позволяет учащимся легко воспринимать большие объемы содержательной информации. [8] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Методика  применения компьютерных моделей в структуру преподавания атомной физики

 

     Изучение  атомной физики начинается со строения атома. Учитель рассказывает историю  открытия атомов. Далее рассматриваются  различные представления о структуре, и содержании атома. В момент объяснения того что атомы состоят из положительно заряженного ядра и движущегося  по орбитам отрицательно заряженных электронов включают модель «Строение  атома». Показ анимации можно произвести в два подхода:

     - первый, при воспроизведении модели сопровождать её комментариями, (рис.1) 

     

                             Рис.1

     - второй, для закрепления понятия, воспроизвести модель без комментариев. Эту же анимацию демонстрирует при изучении строении ядра атома. В этот раз ученикам становится понятно, что такое нуклоны и почему атом в целом нейтрален. Данная тема является основополагающей в изучении атомной физики и поэтому компьютерная модель должна как можно ярче дать представление об атоме. (Рис.2). 
 

     

                 Рис.2

     Далее рассматривается энергия связи  нуклонов в ядре. Вводится понятие  удельной энергии связи. Ученики  записывают определение в тетрадь. Далее для объяснения сущности энергии  связи учитель разбирает тему синтез и деление ядер. И для наглядности, что такое синтез и деление, поочередно включают соответствующие анимации. Анимации показывают на примере простой модели как происходит синтез и что получается в итоге, аналогично показывается и деление ядер. Во время показа обе анимации должны сопровождаться комментариями учителя. (Рис.3)(Рис.4).

     

     Рис.3 

Рис.4

     Следующим по порядку идет введение понятия  радиоактивный распад. Учитель даёт определения альфа, бета распаду  и гамма-излучению. Учениками все  определения записываются в тетрадь. Учителем объясняется что при альфа распаде выделяется атом гелия, при бета - один электрон. Это важно закрепить, чтобы учащиеся в дальнейшем не путались. (Рис.5) 

     

     Рис.5 

     После темы «Радиоактивность» происходит рассмотрение вопроса « Закон  радиоактивного распада». Вводится понятие  периода полураспада. И также  выводится и объясняется формула  закона радиоактивного распада. Ученики  всё записывают в тетрадь. А для  визуального представления включают одноименную анимацию, которая показывает, как с течением времени убывает  количество радиоактивных атомов. (Рис.6)

     

     Рис.6  

     При изучении темы «Ядерный реактор», можно  воспользоваться озвученной анимацией, которая находится в разделе  видео. Это даст наглядное представление  ученикам о принципе работы ядерного реактора.(рис.7)

     

     Рис.7

     На  уроке обобщения и систематизации знаний по рассматриваемому нами подразделу, ученикам ещё раз показываются поочередно все анимации данной темы для того, чтобы у них сложилась полноценная  картина изученного ими материала. Во время повторного показа можно  останавливать анимации и просить  учеников объяснить увиденное ими  явление. [9]

     Также разработанные программы могут служить и для самостоятельного обучения. Для каждой анимации присутствует теоретический материал, что облегчит понимание увиденного учениками. 

5. Особенности методики изучения ядерной физики 

     5.1. Физика атомного ядра. Состав атомного ядра 

     Изучение  темы целесообразно начать с ознакомления учащихся с составом и свойствами ядра атома. Это позволит изучаемые  явления (радиоактивность, ядерные  реакции и т. д.) не только описать, но и объяснить.

     В начале изложения нового материала  напоминают школьникам о явлении  радиоактивности (свидетельствующем  о сложном строении ядра и нарушившем представление о неизменности атомов) и об открытии в 1910 г. английским ученым Ф. Содди изотопов, наведшем на мысль, что ядро построено из частиц, атомная масса которых равна единице, т. е. из протонов. При этом учитель должен учесть, что с понятиями «изотопы», «атомная масса» учащиеся знакомы из курса химии. В ходе рассказа вводят понятие «массовое число». Можно упомянуть, что β- радиоактивность наталкивала на мысль, что в состав ядра входят электроны. Однако эта модель оказалась несостоятельной.