Учебные предметы: информатика + физика.
Класс: 11.
Ресурсное обеспечение: ПК, подключенный к локальной сети, среда разработки Python (PyCharm), смартфон, раздаточный материал.
Учебная цель: развитие умения обучающихся применять полученные знания по языку программирования Python при моделировании эксперимента.
Планируемые результаты
Предметные:
- систематизировать знания, умения обучающихся по темам: списки, строки, словари python, подключение модулей, файлы в Python;
- применять приобретенные знания, умения, навыки для моделирования ситуации;
- расширить представления о практическом применении физики и информатики.
Метапредметные результаты:
- умение самостоятельно определять для себя задачи, развивать мотивы своей познавательной деятельности;
- умение самостоятельно планировать этапы решения проблемы для получения оптимального результата;
- умение оценивать результат решения задачи; вносить корректировку в алгоритм и отлаживать его при изменении входных данных;
Коммуникативные:
- организовывать и планировать учебное сотрудничество с учителем и одноклассниками;
- обмениваться знаниями между одноклассниками для принятия рациональных совместных решений;
- развивать умение точно и грамотно выражать свои мысли;
- воспринимать текст с учетом поставленной учебной задачи
Регулятивные:
- определять целевые установки учебной деятельности, выстраивать эффективный алгоритм действий;
- корректировать деятельность: вносить изменения в процесс с учетом возникших трудностей и ошибок, намечать способы их устранения.
Познавательные:
- самостоятельно выделять и формулировать познавательную цель;
- использовать общие приёмы решения задач;
- ориентироваться в разнообразии способов решения задач;
- выбирать наиболее эффективные по памяти и по времени способы решения задач
Личностные:
- формирование устойчивой мотивации к обучению;
- умение контролировать процесс и результат учебной деятельности;
- формирование навыков самоанализа и самоконтроля;
- развитие интереса для участия уроке, повышение уровня самооценки благодаря реализованным задачам;
- формирование коммуникативных навыков при сотрудничестве со сверстниками
Ход урока
1. Организационный этап (2 мин)
Содержание этапа: Приветствие обучающихся, проверка готовности к уроку.
Ученикам поясняется форма урока и содержание последующей работы.
Вы находитесь в научной лаборатории, в которой создан ускоритель частиц - «Большой адронный коллайдер»
Цель нашего эксперимента: Столкновение в коллайдере пучков протонов, идентифицирование новых частиц, определение их количества и массы.
2. Этап актуализации знаний (5 мин)
Постановка цели и задач урока. Мотивация учебной деятельности обучающихся.
Теоретический аспект
Слово «коллайдер» происходит от английского collide - сталкиваться. В коллайдере два пучка частиц летят навстречу друг другу и при столкновении энергии пучков складываются.
Почему коллайдер называется адронным?
Среди элементарных частиц есть семейство адронов. К нему относятся протоны и нейтроны, из которых состоят ядра всех атомов, а также разнообразные мезоны. Важное свойство адронов - то, что они не являются по-настоящему элементарными частицами, а состоят из кварков, «склеенных» глюонами.
Разогнать в адронном коллайдере можно далеко не всякий адрон, а только тот, что имеет электрический заряд. Например, нейтрон - частица нейтральная, что видно из названия, и электромагнитное поле на него не действует. Поэтому главными объектами эксперимента станут протоны (ядра атомов водорода) и тяжёлые ядра свинца.
Как он устроен?
Два пучка движутся во встречных направлениях по двум кольцевым трубам. Ничто не должно мешать движению частиц, поэтому воздух из труб откачан до глубокого вакуума. Столкновения могут происходить только в четырёх точках, где трубы пересекаются. Столкновение двух частиц «лоб в лоб» - событие довольно редкое. Когда пересекаются два пучка по 100 миллиардов частиц в каждом, сталкиваются всего 20 частиц. Но поскольку пучки пересекаются примерно 30 миллионов раз в секунду, ежесекундно может происходить 600 миллионов столкновений.
Зачем он нужен?
Взаимодействие и превращения известных на сегодняшний день элементарных частиц неплохо описывает теория, называемая Стандартной моделью. Но на некоторые вопросы эта теория ответить не может. Например, она не может объяснить, почему одни частицы имеют большую массу, а другие не имеют её вовсе. Есть гипотеза, что за массу отвечает особая частица - бозон Хиггса. Её-то и надеются обнаружить физики при столкновении протонных пучков с большой энергией.
Роль бозона Хиггса
Бозон Хиггса был последней частицей открытой в Стандартной Модели. Это критический компонент теории. Его открытие помогло подтвердить механизм того, как фундаментальные частицы приобретают массу. Эти фундаментальные частицы в Стандартной Модели являются кварками, лептонами и частицами-переносчиками силы.
В столкновениях пучков тяжёлых ядер физики надеются создать условия Большого взрыва - отправной точки развития Вселенной. Считается, что в первые мгновения после взрыва существовала лишь кварк-глюонная плазма. По прошествии одной сотой доли микросекунды кварки объединились по три и образовали протоны и нейтроны. До сих пор ни в одном эксперименте не удалось «расколоть» протон и выбить из него отдельные кварки. Но как знать, быть может, Большой адронный коллайдер справится с этой задачей - ведь при столкновении ядер свинца предполагается достичь температуры, в сто тысяч раз превышающей температуру в центре Солнца.
То, что вещество состоит из неделимых частиц - атомов, предположил древнегреческий ученый Демокрит (кстати, «атом» в переводе с древнегреческого означает «неделимый»). Но лишь через многие столетия физики доказали, что так оно и есть. Потом обнаружилось, что атом на самом деле разделить можно, - он состоит из электронов и ядра, а ядро - из протонов и нейтронов. Но и они, как выяснилось, не самые мелкие частицы и в свою очередь состоят из кварков. Физики считают, что кварки - предел деления материи и ничего меньше на свете нет. А соединяются кварки между собой с помощью глюонов (от английского glue - клей).
Физика элементарных частиц изучает самые крошечные объекты в природе. Размер атома равен 10-10 м, размер атомного ядра - 10-14 м, размеры протона и нейтрона - 10-15 м, электроны меньше 10-18 м, а кварки меньше 10-19 м. Чтобы сравнить эти числа, представим, что диаметр протона будет равен примерно 10 см. Тогда электроны и кварки окажутся меньше 0,1 мм, а весь атом будет иметь 10 км в поперечнике.
Промоделируем работу большого адронного коллайдера c целью найти новую частицу бозон Хиггса. Из истории: бозон Хиггса был открыт 4 июля 2012 года
Учебная цель урока: развитие умения обучающихся применять полученные знания по языку программирования Python при моделировании эксперимента.
Как достичь поставленной цели? Необходимо решить несколько задач на языке Python.
3. Этап выполнения обучающимися поставленных задач (23 мин)
Задача
На доске выведена таблица с последовательными действиями участников. Обучающиеся, рассевшись за компьютеры по группам самостоятельно пишут фрагменты искомой программы и передают файлы по сети к следующей за ней группе строго в указанной последовательности.
Пока ожидают файл пишут код к своей программе для тренировки в скорости написания кода.
Последовательность файлов:
| 1 группа |
1.txt, 1.py |
→ |
2 группа |
1.txt,
|
→ |
3
|
1.txt,
|
→ |
4 группа |
1.txt,
|
|
Идентификация частиц |
Протоны |
Красный (К) |
|
Нейтроны |
Голубой (Г) |
|
|
Верхний Кварк |
Зелёный (З) |
|
|
Нижний кварк |
Лиловый (Л) |
|
|
Электроны |
Синий (С) |
|
|
Бозон Хиггса |
Чёрный (Ч) |
|
|
1 группа |
Создайте текстовый файл 1.txt со строками из букв К, Г, З, Л, С, Ч не более чем 100 символов в строке. Количество строк не более 10.
|
Ставим эксперимент, производим несколько столкновений в БАК.
|
|
2 группа |
Создайте словари по каждой строке текстового файла 1.txt, где Ключ - это буква, Значение количество повторов буквы в строке. Результат записать в файл 2.py |
|
|
3 группа |
Создайте файла, к котором данные расположите в виде таблицы. Другими словами словари из файла 2.py представьте в табличном виде. Сохраните 3.py |
Идентифицируйте ключ-значение. |
|
4 группа |
Используя данные из файла 3.py найдите массу полученных частиц.
|
протон 1,673 · 10-27 кг |
|
нейтрон 1, 675 · 10-27 кг |
||
|
верхний Кварк 3,922 * 10-30 кг |
||
|
нижний кварк 8.379 * 10-30 кг |
||
|
электрон 9,31 *10-31кг |
||
|
Бозон Хиггса 2*10-25 кг |
4. Результат урока. Рефлексия. Демонстрация готового продукта (5 мин)
Содержание этапа: Акцентирование внимания на практическом применении информатики в физики при решении жизненных задач.
Представитель 4-й группы презентует готовый продукт. Оценивается успешность достижения цели.
Выставление оценок представителям групп.
Каждый участник со своего мобильного телефона открывает ссылку, в которой предлагается рефлексивный анализ урока. https://docs.google.com/forms/d/1UrTF8RIaxBTv3b6xg_ASpqthWW325uG9-4LRngO5IOE/edit?usp=sharing
Данный урок содержит интеграцию предметов физики и информатики.
«Интеграция - процесс сближения и связи наук, происходящий наряду с процессами дифференциации, представляет собой высокую форму воплощения межпредметных связей на качественно новой ступени обучения» (Н.С. Сердюкова).
Интегрированные уроки развивают потенциал самих обучающихся, побуждают к активному познанию окружающей действительности, к осмыслению и нахождению причинно-следственных связей, к развитию логики, мышления, коммуникативных способностей. В большей степени, чем обычные, они способствуют развитию речи, формированию умения работать в группах, а также сравнивать, обобщать, делать выводы.
5. Интернет-источники
1) https://www.nkj.ru/archive/articles/14495/ (Наука и жизнь, «Лоб в лоб» на скорости света)
3) Файл с решениями задач https://drive.google.com/file/d/1upUhRH79CGNiOqCOxHpAoQ7XhXN3Pr_Y/view?usp=sharing