Научно-методический анализ темы школьного курса физики


Научно-методический анализ темы школьного курса физики

«Ядерная физика и элементарные частицы»

 

Курсовая работа

Студента 4 курсафизико-технического факультета

ГрГУ им. Я. Купала

Дягеля Дмитрия Юрьевича

Научный руководитель:

Старший преподаватель

Курстак Ирина Александровна

Гродно 2011

Оглавление

Введение. 3

1 Анализ структуры и содержание темы: «Ядерная физика и элементарные частицы» 5

1.1 Основные цели школьного курса ядерной физики. 5

1.2 Структура темы «Ядерная физика и элементарные частицы». 5

1.3 Формирование основных видов знаний. 6

1.3.1. Состав ядра атома. 6

1.3.2. Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы. 8

1.3.3. Получение и использования радиоактивных изотопов. Ядерный реактор. 11

1.3.4. Элементарные частицы. 14

1.4 Формирование основных умений и навыков учебной работы учащихся при изучении темы. 17

1.5 Формирования познавательного интереса учащихся и развитие творческих способностей по теме «Ядерная физика и элементарные частицы». 18

2 Методические разработки по теме «Ядерная физика и элементарные частицы». 20

2.1. Урок изучения нового материала «Строение атомного ядра. Ядерные реакции» 20

2.2. Урок решения задач по теме «Строение атомного ядра. Энергия связи ядер». 25

2.3. Урок контроля знаний. 28

2.4. Урок – конференция по теме: «Атомная энергетика: проблемы экологии» 32

Заключение. 37

Литература. 38

 


 

Введение

«Мельчайшие частицы материи слепляются в результате сильнейшего притяжения, образуя частицы большего размера, но уже менее склонные к притяжению; многие из этих частиц могут опять слепляться, образуя ещё большие частицы с ещё большие частицы с ещё меньшим притяжением друг к другу и так далее в разных последовательностях, пока эта прогрессия не закончится на самых больших частицах, от которых зависят уже и химические реакции и цвет естественных тел, и, которые образуют, наконец, тела ощутимых размеров. Если так, то в природе должны существовать посредники, помогающие частицам вещества близко слепляться друг с другом за счет сильного притяжения. Обнаружение этих посредников и есть задача экспериментальной философии».

И. Ньютон

Ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире: ядерное оружие оказывает влияние на политику, оно нависло угрозой над всем, живущим на Земле. А пока человечество стремится утолить свои непрерывно растущие потребности в энергии путем беспредельного развития ядерной энергетики, радиоактивные отходы загрязняют нашу планету. В действительности жизнь на Земле всегда зависела от ядерной энергии: ядерный синтез питает энергией Солнце, радиоактивные процессы в недрах Земли нагревают ее жидкое ядро и влияют на подвижность материковых плит. Ядерная энергия выделяется, во-первых, при радиоактивном распаде и делении атомного ядра, а во-вторых, в процессе синтеза – слияния легких ядер в более тяжелые.

Основная цель данной работы заключается в рассмотрении и анализе методике изучения темы: «Ядерная физика и элементарные частицы»



 

 

Основные задачи для достижения поставленной цели:

1. Изучить литературу по теме «Ядерная физика и элементарные частицы»

2. Описать особенности изучения темы «Ядерная физика и элементарные частицы»

3. Разработать методические материалы для применения в учебной работе по физике.


 

 

1 Анализ структуры и содержание темы: «Ядерная физика и элементарные частицы»

Основные цели школьного курса ядерной физики.

1. Освоение теоретических знаний по курсу «Ядерная физика»

2. Изучить основные понятия и законы физики ядра.

3. 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.

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

5. 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 белорусскими учеными.

6. Применять полученные знания для решения физических задач, для обеспечения безопасности жизни, рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.[1]

Структура темы «Ядерная физика и элементарные частицы».

В теме «Ядерная физика и элементарные частицы», в соответствии с действующей учебной программой[2], изучаются следующие подтемы:

Ø Протонно-нейтронная модель строения ядра атома.

Ø Энергия связи ядра атома.

Ø Ядерные реакции. Законы сохранения в ядерных реакциях. Энергетический выход ядерных реакций.

Ø Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Альфа- , бета-радиоактивность, гамма-излучение.

Ø Деление тяжелых ядер. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор. Реакции ядерного синтеза.

Ø Ионизирующие излучения. Элементы дозиметрии.

Ø Элементарные частицы и их взаимодействия. Ускорители заряженных частиц.

Проводятся демонстрации, опыты, компьютерные модели:

Ø Наблюдение треков в камере Вильсона (компьютерная модель).

Ø Устройство и действие счетчика ионизирующих частиц.

Ø Фотографии треков заряженных частиц.

Ø Ядерный реактор.

Формирование основных видов знаний.

Состав ядра атома.

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» и напоминают принцип устройства масс-спектрографа, с которым они знакомились в X классе. Можно упомянуть, что β- радиоактивность наталкивала на мысль, что в состав ядра входят электроны. Однако эта модель оказалась несостоятельной.

Далее сообщают, что в 1932 г. Д. Чедвик открыл новую элементарную частицу — нейтрон, незначительно отличающуюся от протона по массе и не имеющую заряда, что позволило советскому физику Д. Д. Иваненко и независимо от него В. Гейзенбергу предложить протонно-нейтронную модель ядра, общепринятую сегодня. Итак, с современной точки зрения ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре того или иного атома определяется порядковым номером Z элемента в периодической системе Менделеева, а число нейтронов равно разности между массовым числом А и числом протонов Z.

Знакомя с протонно-нейтронной моделью ядра, необходимо конкретизировать ее отдельными примерами и ознакомить с условным обозначением ядер в виде. Например, в ядре гелия Не (порядковый номер 2, массовое число 4) содержится два протона и 2 = 4—2 нейтрона.

Познакомив учащихся с процессом распада нейтрона необходимо рассказать о том, что, хотя свободный протон - частица устойчивая, внутри ядра (заимствуя энергию у окружающих частиц) протон может распадаться на нейтрон и две другие частицы - позитрон и нейтрино.

Рассматривая более подробно свойства протона и нейтрона, вводят современное представление о существовании лишь одной ядерной частицы — нуклона, находящегося в разных зарядовых состояниях: нейтральном (нейтрон) и заряженном (протон), а это дает возможность объяснить механизм β-распада, не откладывая на конец курса[3].

Еще изучая опыт Резерфорда по рассеянию α-частиц, учащихся знакомят с такими характеристиками ядра, как заряд и размеры, в этом месте курса физики представляется интересным знакомить школьников с плотностью ядерного вещества. Сделать это нетрудно. Предположим, что ядро состоит из частиц примерно одинакового размера, находящихся на равных расстояниях друг от друга, так что на каждую частицу приходится один и тот же эффективный объем.

Полезно обратить внимание школьников, что плотность ядерного вещества всех ядер одинакова.

 

Элементарные частицы.

В процессе изучения курса физики, особенно последнего его раздела, учащихся знакомили со многими элементарными частицами: фотоном, электроном, протоном, нейтроном, нейтрино и др. На данном этапе обучения задача состоит, прежде всего, в том, чтобы повторить и обобщить свойства уже изученных элементарных частиц. Обобщение можно провести по трем их свойствам: массе, электрическому заряду и среднему времени жизни, так как другие характеристики элементарных частиц (спин, магнитный момент) в средней школе не изучают.

При обобщении выделяют три группы частиц.

К первой группе относят фотон — стабильную частицу, не имеющую ни массы покоя, ни электрического заряда. Фотон — квант электромагнитного взаимодействия. Вторую группу составляют легкие частицы — электрон и нейтрино (для электрона указывают значение массы и заряда; масса нейтрино, по последним научным данным, отлична от нуля, но численное ее значение точно не установлено), а третью группу — тяжелые частицы: протон и нейтрон. Все эти частицы стабильны (или квазистабильны), как нейтрон, время жизни которого составляет (898±16) с — величина огромная для области микромира. Они являются тем «материалом», из которого построены атомы вещества, либо осуществляют взаимодействие между заряженными частицами (фотон).

Кроме них, в науке известно большое число (около 400) других элементарных частиц. Их получают в научных лабораториях с помощью очень мощных ускорителей (мощность электронных ускорителей достигает 35 ГэВ, протонных — 500 ГэВ). Учащимся напоминают принцип устройства ускорителя и объясняют, что при соударениях мощных потоков частиц с ядрами «мишени» (или потоков частиц между собой) получают вторичные пучки, содержащие ранее неизвестные атомные ядра и элементарные частицы. Некоторые элементарные частицы обнаружены во вторичном космическом излучении.

Из числа открытых в научных лабораториях частиц интерес для учащихся представляют прежде всего античастицы. Античастицы обладают той же массой, что и соответствующие им частицы, равным, но противоположным по знаку зарядом. Первой открытой античастицей был позитрон — двойник электрона, имеющий то же значение массы, но положительный заряд. Ныне получены в лабораторных условиях антипротон, антинейтроны, а также атомы легких элементов, состоящие из антипротонов, антинейтронов и позитронов (антиводород и др.). Единственная частица, не имеющая своего двойника, - фотон. Все античастицы в пустоте стабильны. Однако взаимодействие античастиц с частицами приводит к их взаимному уничтожению и рождению других частиц. Например, взаимодействие электрона и позитрона приводит к рождению двух (иногда трех) γ-квантов: e- + e+=2γ.

Соответственно взаимно уничтожаются протон и антипротон, нейтрон и антинейтрон, рождая при этом другие частицы. Наша Вселенная состоит из элементарных частиц, античастиц в ней мало. Все остальные элементарные частицы (а их большинство) - крайне нестабильны. Рождаясь в научных лабораториях, они быстро распадаются на стабильные частицы. Среднее время жизни наиболее нестабильных частиц 10-24 с.

Целесообразно ознакомить учащихся с классификацией элементарных частиц. Их делят на три группы. Одни из них, как нуклоны, способны к сильным взаимодействиям. Это пионы, каоны, мезоны, гипероны. Вместе с нуклонами они образуют группу адронов. Вторую труппу составляют частицы, не участвующие в сильном взаимодействии; их шесть: электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино, таон и таонное нейтрино. Третья группа частиц — переносчики взаимодействия. Согласно современным научным представлениям, подобно тому, как электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством обмена фотонами, сильное взаимодействие осуществляется посредством обмена глюонами, гравитационное — с помощью гравитонов, а слабое взаимодействие с помощью промежуточных бозонов. Существование глюонов и гравитонов предсказывают теоретически, экспериментально они еще не обнаружены.

Учащимся можно также рассказать о том, что по данным современной науки истинно элементарными являются электрон и частицы его группы. Адроны (частицы первой группы) состоят из более мелких элементарных частиц — кварков. Кварки имеют дробный заряд -1/3 и +2/3 элементарного заряда е0. Имеются шесть видов кварков, различающихся между собой по массе. Существование кварков ныне также предсказывает теория, но экспериментально они не обнаружены.

Одно из существенных свойств элементарных частиц их способность к взаимным превращениям. Об этом свойстве элементарных частиц упоминалось неоднократно. В качестве конкретных примеров превращений частиц достаточно рассмотреть реакции распада протона и нейтрона, реакцию аннигиляции электрона и позитрона.

 

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…”.Контроль может быть проведём в форме теста.

Тест на тему«Атомное ядро».

Вариант 1

1.Кто предложил ядерную модель строения атома?

1. А. Н. Д. Бор;

2. Б. М. Планк;

3. В. А. Столетов;

4. Г. Э. Резерфорд.

2.Атомное ядро имеет заряд:

1. положительный;

2. отрицательный;

3. не имеет заряда;

4. у различных ядер различный.

3.Из каких элементарных частиц состоят ядра атомов всех химических элементов? 1. протон; 2. нейтрон; 3. электрон.

1. 1;

2. 1 и 2;

3. 2 и 3;

4. 1 и 3.

4.Бета излучение – это…

1. электроны, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света;

2. электромагнитное излучение большой частоты;

3. ядро гелия.

 

5.Произошел самопроизвольный распад ядра. Выделилась или поглотилась во время распада энергия?

1. выделилась;

2. поглотилась;

3. осталась неизменной;

4. среди ответов А, Б, В нет верного.

6.Какой вид радиоактивного излучения наиболее опасен при внутреннем облучении человека?

1. β – излучения;

2. γ – излучения;

3. α – излучения;

4. все три одинаково опасны.

7.Какое неизвестное ядро Х образуется в результате ядерной реакции ?

1. ;

2. ;

3. ;

4. .

8.При бомбардировке изотопа лития α – частицами происходит ядерная реакция с испусканием нейтронов и образованием ядра изотопа бора…

1. ;

2. ;

3. ;

4. .

9.Какую частицу надо вставить вместо Х в ядерную реакцию

1. электрон;

2. протон;

3. нейтрон;

4. α – частицу.

 

10.Ядро какого изотопа образовалось в результате столкновения α - частиц с ядром бериллия , если кроме этого ядра продуктом реакции был один нейтрон?

1. ;

2. ;

3. ;

4. .

 

 

Вариант 2

1.Почему радиоактивные препараты хранят в толстостенных свинцовых контейнерах?

1. свинец поглощает заряженные частицы;

2. свинец отражает заряженные частицы;

3. свинец вступает в химическую реакцию с заряженными частицами.

2.Изотопы – это…

1. элементы с одинаковым химическим составом и одинаковой атомной массой;

2. элементы с различным химическим составом, но одинаковой атомной массой;

3. элементы с одинаковым химическим составом, но с различной атомной массой.

3.Нейтрон – это частица,

1. имеющая заряд +1, атомную массу 1;

2. имеющая заряд – 1, атомную массу 0;

3. имеющая заряд 0, атомную массу 0;

4. имеющая заряд 0, атомную массу 1.

4.Сколько электронов содержится в электронной оболочке нейтрального атома, если в атомном ядре 20 протонов и 17 нейтронов?

1. 20;

2. 37;

3. 17;

4. 3.

5.В каком приборе происхождение ионизирующей частицы регистрируется по возникновению импульса электрического тока в результате возникновения самостоятельного разряда в газе?

1. в ионизационной камере;

2. в счетчике Гейгера-Мюллера;

3. в сцинтилляционном счетчике;

4. в камере Вильсона.

6.Ядро состоит из 90 протонов и 144 нейтронов. После испускания двух β частиц, а затем одной α частицы, это ядро будет иметь:

1. 85 протонов, 140 нейтронов;

2. 87 протонов, 140 нейтронов;

3. 90 протонов, 140 нейтронов;

4. 87 протонов, 140 нейтронов.

7.Какое недостающее ядро надо вставить вместо Х в ядерную реакцию? .

1. ;

2. ;

3. ;

4. .

8.Определите количество нейтронов в ядре элемента, получившегося в результате трех последовательных α распадов ядра тория .

1. 144;

2. 140;

3. 232;

4. 138.

9.При реакции деления ядер урана 235 выделилось 1,204 ∙ 1026 МэВ энергии. Определите массу распавшегося урана, если при делении одного ядра выделяется 200 МэВ энергии.

1. 50 кг;

2. 0,235 кг;

3. 235 кг;

4. 0,5 кг.

10.Какая энергия выделяется при преобразовании ядра атома изотопа гелия из свободных, т.е. не взаимодействующих между собой нуклонов, если массы покоя mp = 1,00814 а.е.м.,

mn = 1,00899 а.е.м., мя = 3,01699 а.е.м.

1. 7,58 МэВ;

2. 7,7 МэВ;

3. 34,18 МэВ/нуклон;

4. 7 МэВ/нуклон.

 

Заключение

В самом конце XIX столетия, занимаясь довольно хорошо известным в то времяпроцессом люминесценции, Беккерель неожиданно наткнулся на совершенно новоеявление - радиоактивность. Природа преподнесла исследователю подарок -позволила заглянуть в новый, неизведанный мир субатомной физики. Передисследователями, которые работали в этой области в XX веке, открылся совершенно иной мир, со своими закономерностями, так не похожий на привычныймир, описываемый классической физикой. Оказалось, что установленные новыезаконы работают не только на очень малых расстояниях, но и определяютфизические явления, происходящие в колоссальных масштабах Вселенной. XX векпринес много неожиданностей и вряд ли сегодня мы можем предсказать, чтоготовит нам век XXI.

 


Литература

1. 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.

2. Учебные программы для общеобразовательных учреждений с русским языком обучения. Физика 6-11 классы. Астрономия 11 класс -Минск./Национальный институт образования 2009 г.

3. К.В.Даутова. Методика изучения физики в средней школе и ее контроль качественными задачами: учебно – методическое пособие. – Уфа: БИРО. 2005.

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

5. В.В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович .Физика.Учебное пособие для 11 класса с русским языком обучения2-е издание, 2004г.

6. [электронный ресурс]//www.minedu.unibel.by

7. ДемидоваМ.Ю. ,Засов А.В. Журнал «Физика в школе»,Москва,2006г.

8. [электронный ресурс]//www.alsak.ru

9. Примерное календарно-тематическое планирование по физике \\Фiзiка: праблемывыкладання. — 2010. — № 5

10. Бутиков Е.И., Быков А.А., Кондратьев А.С. Физика в примерах и задачах: учебное пособие.–3-е изд., переработ. и доп. – М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит., 1989. – 464 с. с илл.

11. Бикаревич Е.Ф. Физические основы ядерной энергетики, XI класс-Фiзiка: праблемывыкладання. — 2008. — № 1

12. Зиятдинов Ш.Г. Экологическое образование учащихся в процессе обучения физике: Учебное пособие / Под редакцией профессора, доктора педагогических наук Н.С. Пурышевой. – Москва – Бирск, 2005. – 210 с.

 

Научно-методический анализ темы школьного курса физики

«Ядерная физика и элементарные частицы»

 

Курсовая работа

Студента 4 курсафизико-технического факультета

ГрГУ им. Я. Купала

Дягеля Дмитрия Юрьевича

Научный руководитель:

Старший преподаватель

Курстак Ирина Александровна

Гродно 2011

Оглавление

Введение. 3

1 Анализ структуры и содержание темы: «Ядерная физика и элементарные частицы» 5

1.1 Основные цели школьного курса ядерной физики. 5

1.2 Структура темы «Ядерная физика и элементарные частицы». 5

1.3 Формирование основных видов знаний. 6

1.3.1. Состав ядра атома. 6

1.3.2. Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы. 8

1.3.3. Получение и использования радиоактивных изотопов. Ядерный реактор. 11

1.3.4. Элементарные частицы. 14

1.4 Формирование основных умений и навыков учебной работы учащихся при изучении темы. 17

1.5 Формирования познавательного интереса учащихся и развитие творческих способностей по теме «Ядерная физика и элементарные частицы». 18

2 Методические разработки по теме «Ядерная физика и элементарные частицы». 20

2.1. Урок изучения нового материала «Строение атомного ядра. Ядерные реакции» 20

2.2. Урок решения задач по теме «Строение атомного ядра. Энергия связи ядер». 25

2.3. Урок контроля знаний. 28

2.4. Урок – конференция по теме: «Атомная энергетика: проблемы экологии» 32

Заключение. 37

Литература. 38

 


 

Введение

«Мельчайшие частицы материи слепляются в результате сильнейшего притяжения, образуя частицы большего размера, но уже менее склонные к притяжению; многие из этих частиц могут опять слепляться, образуя ещё большие частицы с ещё большие частицы с ещё меньшим притяжением друг к другу и так далее в разных последовательностях, пока эта прогрессия не закончится на самых больших частицах, от которых зависят уже и химические реакции и цвет естественных тел, и, которые образуют, наконец, тела ощутимых размеров. Если так, то в природе должны существовать посредники, помогающие частицам вещества близко слепляться друг с другом за счет сильного притяжения. Обнаружение этих посредников и есть задача экспериментальной философии».

И. Ньютон

Ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире: ядерное оружие оказывает влияние на политику, оно нависло угрозой над всем, живущим на Земле. А пока человечество стремится утолить свои непрерывно растущие потребности в энергии путем беспредельного развития ядерной энергетики, радиоактивные отходы загрязняют нашу планету. В действительности жизнь на Земле всегда зависела от ядерной энергии: ядерный синтез питает энергией Солнце, радиоактивные процессы в недрах Земли нагревают ее жидкое ядро и влияют на подвижность материковых плит. Ядерная энергия выделяется, во-первых, при радиоактивном распаде и делении атомного ядра, а во-вторых, в процессе синтеза – слияния легких ядер в более тяжелые.

Основная цель данной работы заключается в рассмотрении и анализе методике изучения темы: «Ядерная физика и элементарные частицы»

 

 

Основные задачи для достижения поставленной цели:

1. Изучить литературу по теме «Ядерная физика и элементарные частицы»

2. Описать особенности изучения темы «Ядерная физика и элементарные частицы»

3. Разработать методические материалы для применения в учебной работе по физике.


 

 

1 Анализ структуры и содержание темы: «Ядерная физика и элементарные частицы»









Последнее изменение этой страницы: 2016-04-07; Нарушение авторского права страницы

infopedia.su не принадлежат авторские права, размещенных материалов. Все права принадлежать их авторам. Обратная связь