| Природа неистощима в своих выдумках. |
И. Ньютон |
И это чудо, что, несмотря на поразительную сложность мира, мы можем обнаруживать в его явлениях определённую закономерность. Э. Шредингер.
Тип урока: Урок-практикум с использованием исследовательских заданий для реализации проблемы идентификации микрочастиц.
Способ организации работы: Обучение в сотрудничестве в малых группах сменного состава.
Продолжительность занятия: 2 урока.
Класс: 11.
Цели и задачи урока:
- Научить учащихся исследовать треки заряженных частиц по их длине, толщине, искривлению в магнитном поле. Научить идентифицировать частицы по их трекам с помощью готовых фотографий: рассчитывать удельные заряды частиц, импульсы, энергии, определять знак заряда, пользуясь разнообразными методами измерения радиусов кривизны треков, методами расчёта косых столкновений на основе законов сохранения импульса и энергии и определения энергии микрочастиц по кривым “пробег-энергия” для данной среды.
- Продолжить формирование практических навыков и интеллектуальных умений измерять физические величины, характеризующие микрочастицы (“взвешивание миров и атомов …”).
- Содействовать развитию мышления учащихся, активизации познавательной деятельности путем использования частично-поискового метода при решении проблемной ситуации с использованием исследовательских заданий разного уровня сложности (личностно– ориентированных); способствовать дальнейшей дифференциации и индивидуализации процесса обучения.
- Развивать у учащихся способность обобщать и систематизировать полученные из анализа треков на фотографиях сведения, формировать выводы и заключения, подбирать доказательства для выдвигаемых положений.
- Продолжить формирование мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств микромира. Научить учащихся выявлять причинно-следственные связи в познаваемости явлений микромира, раскрыть значение сведений о микрообъектах для науки и техники.
- Продолжить развитие коммуникативных качеств личности путем использования парно-групповой работы над заданиями в группах сменного состава. Способствовать сотрудничеству в парах и группах, обеспечить условия как для самостоятельного получения значимой для всей группы информации, так и для выработки общего вывода из предложенного задания.
Оцениваются:
- Академические успехи (общий вывод – успехи группы, индивидуальная работа над заданием – успехи каждого).
- Успехи в сотрудничестве:
а) Взаимопомощь.
б) Умение совместно решать возникшую проблему.
в) Умение делать совместный вывод.
Материалы и оборудование:
- Фотографии с треками заряженных частиц, калька, микрокалькуляторы, линейки, треугольники, циркули, информационно-методические материалы. Презентация “Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям”, компакт-диск “Открытая физика” ООО “ФИЗИКОН”, 1996-2001 гг., (под редакцией профессора МФТИ С.М. Козела)
Ход урока:
Вступительное слово учителя: Атомы и микрочастицы настолько малы, что не только не поддаются восприятию ни одним из наших органов чувств, но их не различить даже в электронный микроскоп. Откуда же у нас подробная информация о микромире? Почему мы с такой уверенностью говорим о свойствах и параметрах атомов, ядер, элементарных частиц? Когда физики говорят, что объекты микромира чрезвычайно малы (для сравнения: микрочастица – яблоко – земной шар), движутся с огромными скоростями, а процессы в микромире чрезвычайно быстротечны, то как они получают эту информацию, как измеряют величины, характеризующие микрочастицы? Какие приборы используют? Каким образом устанавливают законы ядерных взаимодействий? Нет сомнения, что законы микромира познаваемы; есть много в физике микромира неразрешенных проблем, но уже сегодня она – наука инженерная. Ученые построили лазер, извлекли из небытия ядерную энергию, построив ядерный реактор, совместными усилиями пытаются решить проблему управляемого термоядерного синтеза, сегодня искусственно созданы трансурановые элементы и радиоактивные изотопы. Какова же “кухня” важнейших открытий в ядерной физике?
1.Отчёт о проделанной работе группы теоретиков.
Вступительное слово учителя: Ученый – экспериментатор с помощью тонкой чувствительной аппаратуры, не видя саму микрочастицу, по ее следам, оставленным в веществе, определяет как факт прохождения частицы через вещество, так и параметры и свойства (заряд, массу, энергию; как двигалась, происходило ли столкновение и каков его результат и т.д.) микрочастиц. Принцип действия разных приборов различен, но общее для всех них – это усиление эффектов, производимых микрочастицей при прохождении через вещество (ее следов) до величин, способных влиять на наши органы чувств.
Сообщение 1. Взаимодействие микрообъектов с веществом. Способы регистрации заряженных частиц, - квантов и нейтронов. [9]
Материал для сообщения можно взять на ресурсе в Интернет
- http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/new/a11.htm
- http://uc.jinr.ru/librarykul.htm
Сообщение 2. Принцип действия трековых приборов, их достоинства и недостатки. [7], [11], [12]
Материал для сообщения можно взять на ресурсе в Интернет
- http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/new/a15.htm
- http://www.n-t.org/ri/kr/mg11.htm
- http://www.smb-support.org/bp/arhiv/2/det.htm http://www.krugosvet.ru/articles/22/1002278/1002278a4.htm
Вступительное слово учителя: Первичной обработкой экспериментальных данных занимается область ядерной физики, называемая кинематикой превращения элементарных частиц. Кинематика не ставит задачи разгадать все загадки и тайны взаимоотношений частиц, симметрии природы и др., но позволяет с опорой на общефизические понятия и законы на основе точных расчётов и выкладок измерять параметры микрочастиц и идентифицировать их, помогает увидеть то, что не под силу аппаратуре; физик, вооружённый знанием кинематики, видит во много раз больше и обладает, порой, даром предвидения (открытие новых микрочастиц).
Сообщение 3. Изучение треков заряженных частиц. [2]
- Материал для сообщения можно взять на ресурсе в Интернет http://sm.aport.ru/scripts/template.dll?r=%E4%EB%E8%ED%E0+%F2%F0%E5%EA%EE% E2+%E7%E0%F0%FF%E6%E5%ED%ED%FB%F5+%F7%E0%F1%F2%E8%F6& id=46355972&Rt=4&Site=1& DocNum=1&DocID=5834849&HID=4
- http://phys.web.ru/db/msg.html?mid=1169723 (Открытие позитрона: исторические сведения) http://cnit.ssau.ru/organics/chem1/22_kvmex.htm (Движение микрочастиц с точки зрения квантовой механики).
Вступительное слово учителя: Законы сохранения играют в ядерной физике особую роль: это и инструмент познания, и критерий истинности (если приборы показывают, что энергия или импульс после взаимодействия или превращения не сохраняются, то это значит, что была одна, а то и несколько незамеченных частиц). При переходе от макромира к микромиру законы сохранения начинают действовать особенно эффективно. В микромире действует принцип: “Всё, что не запрещено законами сохранения, обязательно происходит.
Сообщение 4. Движение заряженных частиц в магнитном поле. (CD “Открытая физика” )
Материал для сообщения можно взять на ресурсе в Интернет
- http://www.ispu.ru/library/physics/tom2/3_1.html
- http://phys.web.ru/db/msg.html?mid=1174896 (Скобельцын Д.В.: биографические сведения)
- http://kvant.mccme.ru/1979/04/ dvizhenie_zaryazhennyh_chastic_v_elektricheskom_i_magnitnom_polyah.htm
Сообщение 5. Законы сохранения в ядерной физике. Методика изучения столкновений микрочастиц. [3], [4], [13]
Материал для сообщения можно взять на ресурсе в Интернет.
- http://www.college.ru/physics/op25part2/ content/chapter6/section/paragraph8/theory.html
- http://www.philsci.univ.kiev.ua/biblio/Lakatos/11-2.html (Роль законов сохранения в ядерной физике).
Работа в микрогруппах под руководством теоретиков.
Вступительное слово учителя: Современная физика на основе математических методов исследования, соединённых с физическим экспериментом, позволяет “на лету” измерить, идентифицировать почти “неизмеримое” - элементарные частицы. Если нет возможности самому проделать и проверить, то возникает иллюзия понимания. Чтобы понять механизм получения информации, предлагаю выполнить следующие задания:
Задание 1. Идентифицировать частицы по их трекам в магнитном поле. Научиться судить о движении микрочастиц по толщине и кривизне трека.
Задание 2. Идентифицировать частицы по их трекам в магнитном поле. Научиться определять знак заряда, направление движения, изменение кинетической энергии микрочастиц.
Задание 3. Изучить фотографии, содержащие “звёзды распада”. Научиться идентифицировать ядра распада. Убедиться в объективности методов приближённого определения радиусов кривизны треков.
На фотографии (рис.1) запечатлены треки частиц, полученных при распаде атомных ядер (так называемые “звёзды” распада), в камере Вильсона. Распады ядер вызваны действием нейтронов с энергией 90 МэВ, двигавшихся в направлении, указанном стрелкой. На снимке видны три “звезды” распада и полный пробег одного протона с начальной кинетической энергией 1,8 МэВ. Камера помещена в однородное магнитное поле с индукцией 1,3 Тл, направленное перпендикулярно фотографии.
Рис. 1
Вариант 1.
Рассмотрите трек и определите направление движения протона.
Вычислите по известной энергии протона радиус окружности на начальном этапе его движения.
Измерьте одним из способов радиус окружности на начальном этапе движения протона. Сделайте вывод о правомерности его использования.
Почему кривизна трека протона меняется к концу движения? Подтвердите предположение расчётом.
В звезде распада а произошла реакция: ? +
n > 3
n + 2
H + 2
He. Допишите реакцию и определите, какие следы, исходящие из звезды, принадлежат протонам и какие ? – частицам.
Вариант 2.
Определите направление силовых линий магнитного поля. Почему протон в однородном магнитном поле движется по дуге окружности, а следы других частиц искривлены?
Укажите причины, по которым толщина и кривизна трека частиц увеличиваются к концу пробега.
Измерьте одним из способов радиусы кривизны трека протона на начальном и конечном этапах движения и вычислите его импульс в начале и конце пути. Каково изменение импульса протона? Подтверждает ли полученный результат ваше предположение?
Как по трекам частиц, образующим звезду распада, можно идентифицировать ядро распада? Какие законы следует применять?
Какое ядро распалось в точке в под действием нейтронов, если из центра звезды исходят следы четырёх а – частиц? Почему треки 1 и 2 имеют разную длину и толщину?
Задания для контроля.
Как изменяются энергия и импульс частиц в процессе их движения в вещественной среде? Если треки обрываются, означает ли это остановку частиц?
Насколько, по вашему мнению, объективен метод приближённого определения радиусов кривизны треков?
Каким образом можно идентифицировать ядра распада? Какие физические законы, выполняющиеся в ядерных реакциях, помогают это сделать?
Как можно получить информацию о продуктах распада, если известны ядра распада?
Задание 4. Научиться анализировать движение релятивистских частиц (на примере позитрона).
Задание 5. Научиться анализировать фотографии столкновений микрочастиц (“вилок”), применяя законы сохранения импульса и энергии.
Задание 6. Проверить выполнимость закона сохранения импульса при столкновениях микрочастиц и определить характер столкновения (упругое, неупругое).
На фотографии (рис. 2) представлено взаимодействие а - частицы с некоторым ядром, наблюдаемое фотоэмульсионным методом. Соотношение между энергией частицы и длиной её пробега в фотоэмульсии приведено на полученных экспериментально кривых “пробег – энергия” (график 1 – для а - частиц). Релятивистскими эффектами для частиц, представленных на фотографии, можно пренебречь.
Рис. 2
Вариант 1.
Измерьте угол рассеяния а-частицы. Какие особенности треков позволяют различить углы рассеяния и отдачи?
Определите пробег а - частицы после соударения в миллиметрах и, пользуясь масштабом, выразите её в микрометрах.
Определите энергию а - частицы после соударения (в МэВ) с помощью кривых “пробег – энергия” (рис. 1).
Почему определённому значению энергии частицы соответствует фиксированная длина её пробега в данной среде? Можно ли использовать предложенные кривые “пробег – энергия” для а-частиц, движущихся в камере Вильсона?
Вычислите импульс а-частицы после столкновения, считая её нерелятивистской частицей.
Вариант 2.
Установите по фотографии, каким частицам принадлежат треки. Идентифицируйте ядро отдачи.
Определите пробег ядра отдачи после соударения в миллиметрах и, пользуясь масштабом, выразите её в микрометрах.
Как зависит длина трека от свойств среды? В чём преимущество фотоэмульсионного метода от других методов регистрации треков заряженных частиц?
Определите энергию ядра отдачи после соударения (в МэВ) с помощью кривых “пробег – энергия” (рис. 2).
Вычислите импульс ядра отдачи после столкновения, считая его нерелятивистской частицей.
Вариант 3.
Как влияет характер излучения на длину трека в однородной среде, например, в фотоэмульсии? Чем определяется длина трека данного сорта частиц?
Определите пробег а-частицы до столкновения и оцените её энергию по кривым “пробег – энергия”. В чём недостаток этого способа определения энергии?
Определите пробег и кинетическую энергию а-частицы по кривым “пробег – энергия” после её столкновения и рассчитайте по этим данным кинетическую энергию а-частицы до столкновения. Сравните полученные результаты, оцените достоверность определения кинетической энергии каждым способом.
Определите импульс а-частицы до её столкновения с ядром отдачи, считая а-частицу нерелятивистской частицей. Как доказать, что а-частица может считаться нерелятивистской частицей?
Можно ли по фотографии отличить упругие столкновения от неупругих?
Задания для контроля.
Перенесите на кальку следы частиц и в определённом масштабе (4 мм - 10
кг·м/с) постройте векторы импульсов частиц. По правилу параллелограмма найдите равнодействующий импульс.
Проверьте, выполняется ли закон сохранения импульса в данном взаимодействии. В каком случае можно утверждать, что закон сохранения импульса выполняется?
Установите характер взаимодействия частиц (упругое, неупругое), сравнив суммарную кинетическую энергию частиц после взаимодействия с кинетической энергией а-частицы перед соударением. На каком основании можно сделать вывод о характере столкновения?
Какую дополнительную информацию о частицах можно получить по виду треков?
Задание 7. Научиться анализировать фотографии столкновения микрочастиц (“вилок”) с помощью кривых “пробег-энергия” для данной среды”.
Организация работы: каждая группа экспериментаторов получает одно задание, каждый член группы при этом выполняет свою часть задания (вариант). Группа теоретиков оказывает консультативную помощь. Обратите внимание: от результатов индивидуальной работы каждого будет зависеть как результат групповой, так и коллективной работы. С другой стороны, каждый из вас сможет пользоваться результатами и групповой, и коллективной самостоятельной работы в последующей деятельности. Поэтому чрезвычайно важны не только ваши академические успехи, но и успехи в сотрудничестве.
3. Подведение итогов
Отчёт лидеров групп о выполнении задания (см.
задания для контроля), обсуждение и обобщение
результатов групповой и коллективной работы.
Использование результатов коллективной
самостоятельной работы при выполнении заданий
для самоконтроля
Заключительное слово учителя: На сегодняшнем занятии мы лишь соприкоснулись с одной из областей физики микромира, но, думаю, это соприкосновение сделает вас более “зрячими”, ибо вы научились извлекать информацию из, казалось бы, совершенно идентичных снимков. Теперь вы можете оценить силу человеческого ума, его изобретательность и гениальную простоту найденных решений, в основе которых лежит, самоотверженный труд многих поколений учёных.
Какие исследования в физике микромира ведутся сегодня? Какие проблемы предстоит решать в будущем? На сегодняшний день измерено то, что легко измерить. Предстоит научиться измерять “неизмеримое”. Эта проблема тесно связана с проблемой дальнейшего развития техники измерений, привлечения новых теоретических воззрений и расчётного аппарата. Необходимо повышать точность измерений. С повышением точности измерений ядерных констант связано, например, решение проблемы о тождественности элементарных частиц одного сорта (так, с повышением точности измерения атомных масс, были открыты изотопы). Актуальны проблемы регистрации очень редких процессов и экспериментального исследования структуры элементарных частиц и др.
В настоящее время перед учёными стоят задачи не столько строительства “мировых машин” - ускорителей - для накопления информации в новом энергетическом диапазоне, сколько задачи обработки и упорядочения существующей информации, её всестороннего анализа, построение стройной системы знаний о предмете исследования – теории. Возможно, что оптимальный путь состоит в интенсификации теоретических исследований с помощью электронно-вычислительной техники, в применении вычислительных “экспериментов”.
Что даёт обществу в целом дальнейшее развитие микрофизики? Как могут реализовываться её достижения в производственной сфере? До каких пор увеличение расходов на её развитие будет содействовать общим интересам человечества, развитию общества в целом? Ограничивается ли значение микрофизики её мировоззренческой ролью? Это дискуссионные вопросы, ответить на которые сможет только будущее. Но, как показывает опыт, открытия в фундаментальных науках оказывают решающее влияние на технику и развитие общества.
4. Домашнее задание
Выполнить задание “Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям”, используя рис. 8.16 учебника физики для 11-го класса под ред. А.А. Пинского для школ и классов с углублённым изучением физики. Какие вопросы можно поставить и решить, анализируя предложенные треки?
(Пролонгированное). Индивидуальное задание по решению задач. Консультативную помощь можно найти на ресурсе в Интернет http://www.ibmh.msk.su/vivovoco/quantum/2001.01/PRKT_1_01.PDF
При подготовке урока использована литература:
- Н. А. Родина. Изучение физики атомного ядра в школе. М.: Просвещение, 1966.
- Н. А. Родина. Физика атомного ядра. М.: Просвещение, 1976.
- А. И. Бугаев, В. И. Савченко. Лабораторные работы по ядерной физике в практикуме X класса. /Физика в школе. 1975, № 2. Стр. 54 – 61.
- А. И. Бугаев, В. И. Савченко. Метод толстослойных фотоэмульсий в учебном эксперименте по ядерной физике. / Физика в школе. 1977, № 2.Стр. 64 – 68.
- Фронтальные экспериментальные задания по физике: 10 класс: Дидактический материал: Пособие для учителя / В. А. Буров, А. И. Иванов, В. И. Свиридов; Под ред. В. А. Бурова. М.: Просвещение, 1987.
- Квантовая физика. Э. Вихман. Перевод с англ., Главная редакция физико-математической литературы изд-ва “Наука”, 1974.
- И. Беккерман. Невидимое оставляет след. М.: Атомиздат, 1970.
- Ф. С. Завельский. Взвешивание миров, атомов и элементарных частиц. М.: Атомиздат, 1970.
- А. И. Абрамов. Измерение “неизмеримого”. М.: Атомиздат, 1972.
- Г. И. Копылов. Всего лишь кинематика. М.: Наука, 1981 (Библиотечка “Квант”).
- А. А. Боровой. Как регистрируют частицы. М.: Наука, 1981 (Библиотечка “Квант”).
- Э. И. Дубовой. Таинственный мир элементарных частиц. М.: Атомиздат, 1979.
- В. М. Дерябин. Законы сохранения в физике. М.: Просвещение, 1982 (Мир знаний).
- Статьи из журнала “Квант” и др.