Статья "Анализ школьных программ по физике в разделе «Квантовая физика»"

1. Квантовая физика по программе Г.Я. Мякишева

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

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

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

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

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

Особенности методики изучения данного раздела определяются местом этого раздела в школьном курсе физики и спецификой изучаемого в нем материала. Квантовую физику изучают в конце школьного курса физики, причём изучают на количественном уровне впервые. Нигде на протяжении всего школьного курса физики учащиеся практически не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с дискретностью энергии, со свойствами ядра атома, с элементарными частицами. Лишь о строении атома и его ядра школьники получили самые первоначальные представления в базовом курсе физики, а более полные — в курсе химии. Это обстоятельство требует от учителя так построить учебный процесс, чтобы при изучении материала добиваться глубокого и прочного усвоения его учащимися. Необходима продуманная работа по закреплению и применению изучаемого материала при решении задач, выполнении лабораторных работ и т.д.

Для повышения качества усвоения материала очень важно опираться на ранее полученные знания. Например, при изучении правил смещения при радиоактивном распаде и при изучении ядерных реакций необходимо широко опираться на законы сохранения массы и заряда. Перед изучением строения атома целесообразно повторить понятие центростремительного ускорения, законы Ньютона, закон Кулона, а также те сведения о строении атома, которые учащиеся получили в базовом курсе физики и при изучении химии.

Особенность содержания квантовой физики также накладывает отпечаток на методику её изучения. В этом разделе учащиеся знакомят со своеобразием свойств и закономерностей микромира, которые противоречат многим представлениям классической физики. От школьников для его усвоения требуется не просто высокий уровень абстрактного мышления, но и диалектическое мышление. Противоречия “волна-частица”, дискретность-непрерывность” рассматривают с позиций диалектического материализма. Поэтому при изучении этого раздела учителю важно опираться на те философские знания, которые имеют учащиеся, чаще напоминать им, что метафизическому противопоставлению диалектика противопоставляет утверждение: и да, и нет. Поэтому нет ничего удивительного в том, что свет в одних условиях ведёт себя как волна, в других — как поток частиц.

Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Но число демонстрационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень невелико. Поэтому, кроме эксперимента, широко используют рисунки, чертежи, графики, фотографии треков, плакаты и диапозитивы. Прежде всего, необходимо иллюстрировать фундаментальные опыты, а также разъяснять принцип устройства приборов, регистрирующих частицы, ускорителей, атомного реактора, атомной электростанции и т. п. При изучении этого раздела широко используют учебные видеофильмы, диафильмы, а также диапозитивы и настенные таблицы. Очень большие возможности в данном отношении открывает компьютерное моделирование.

2. Программа с углубленным изучением физики

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

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

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

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

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

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

3. Физика в самостоятельных исследованиях

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

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

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

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

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

В разделе “Элементы квантовой физики” изучаются следующие темы:

• Явление фотоэффекта. Фотон. Фотон и электромагнитные волны. Применение фотоэффекта.
• Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома. Спектры испускания и поглощения. Спектральный анализ.
• Состав и строение атомного ядра. Протон и нейтрон. Заряд ядра. Массовое число ядра. Явление радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения. Биологическое действие излучения. Счетчик Гейгера.
• Ядерные реакции. Деление и синтез ядер.
• Ядерная энергетика.
• Элементарные частицы: фотон, электрон, протон, нейтрон. Взаимные превращения элементарных частиц.

• Темы II уровня
• Законы фотоэффекта. Гипотеза Планка. Давление света.
• Развитие представлений о строении атома. Гипотеза Бора.
• Изотопы. Радиоактивные изотопы, их применение. Понятие о радиоактивном распаде. Методы регистрации радиоактивных излучений.
• Деление ядер. Синтез ядер.
• Частицы и античастицы.
• В этом разделе проводятся фронтальные лабораторные работы:

• Наблюдение явления фотоэффекта.
• Наблюдение спектров.

1. Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям.

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

• Программы для общеобразовательных учреждений (физика, астрономия). – М.: Дрофа, 2002.
• Теория и методика обучения физике в школе. Частные вопросы. / Под ред. С.Е. Каменецкого. – М.: ACADEMIA, 2000.
• Оксфордская иллюстрированная энциклопедия. – М.: Дом Инфра – М, Весь мир, 2000.
• Материал из Интернета
• Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 11 класс. – М.: Просвещение, 2001.
• Рыдник В.И. Что такое квантовая механика. – М.: Советская Россия, 1963.
• Нильс Бор и развитие физики./ Под ред. В.Паули. – М.: Иностранная литература, 1958.
• Компанеец А.С. Что такое квантовая механика. – М.: Наука,1977.
• Свиридов В.В. Концепции современного естествознания. – Воронеж: АОНО “Институт менеджмента, маркетинга и финансов”,2001.
• Спасский Б.И. История физики. – М.: Высшая школа,1977. – Ч. 2.
• Клайн Б. в поисках. Физики и квантовая теория. – М.: Атомиздат, 1971.
• Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. – М.: Наука, 1985.
• Физика микромира: Маленькая энциклопедия. – М.: Советская энциклопедия, 1980.
• Тарасов Л.В. Современная физика в средней школе. – М.: Просвещение, 1990.
• Яровский Б.М. Основные вопросы современного школьного курса физики. – М.: Просвещение,1990
• Сауров Ю.А., Мултановский В.В. Квантовая физика. Модели уроков. – М.: Просвещение, Учебная литература, 1996.