Информационно-коммуникационные технологии
в педагогическом образовании

АКТИВИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ИЗУЧЕНИЯ АТОМНОЙ И ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ В СОВРЕМЕННОЙ ШКОЛЕ

Физика атомного ядра – важный и обширный раздел современной физики, для которого особенно характерно соединение теоретических и экспериментальных методов исследования. В нём широкое применение находят наряду с законами и формулами классической механики и электродинамики законы и формулы релятивистской динамики, квантовой механики.

Изучение ядерной физики в школе существенно не только из-за её практических приложений, но и потому, что в этом разделе расширяются представления о фундаментальных силах природы, о глубинных законах строения материи. При изучении строения ядра человеку открывается новый мир физических объектов – мир элементарных частиц.

Одна из важных задач изучения физики атомного ядра состоит в том, чтобы показать, что при переходе к масштабам атомных ядер и элементарных частиц нам приходится встречаться со скоростями, близкими к скорости света в вакууме, с большими запасами ядерной энергии, с огромными плотностями «ядерного вещества» и с процессами, протекающими в течение малых промежутков времени. Эти масштабы должны стать привычными для учащихся.

Объем научной информации по физике атомного ядра огромен. В школьном курсе учащиеся знакомятся лишь с избранными вопросами, главным образом с экспериментальными данными, которые позволяют сформировать некоторые фундаментальные понятия, дающие общее представление об этой области физических знаний, и разъяснить, где и как они используются в практических целях.

Формирование умений работать со школьной учебной физической задачей является важнейшей целью физического образования, а организация деятельности учащихся по решению задач является одним из условий обеспечения у них глубоких и прочных знаний.

Важным средством наглядности является научная документация, применяющаяся в ядерной физике: фотографии следов атомных частиц, образованных в камере Вильсона и пузырьковой камере, которые помещены в магнитное поле; следы этих частиц в фотоэмульсиях (фотоэмульсионный метод); записи импульсов тока от счетчика Гейгера – Мюллера. Анализ этих фотографий и записей, а также их использование для различного рода самостоятельных упражнений дают возможность познакомить учащихся с методом регистрации и идентификации частиц, убедиться им в реальности процессов микромира. Самостоятельная работа с таким раздаточным материалом обладает дидактическими достоинствами и открывает большие методические возможности.

Экспериментальные методы атомной и ядерной физики представляют особый интерес – физический и методологический. Они дают представления о принципах устройства и масштабах приборов, установок и сооружений, предназначенных для изучения физики атомного ядра, и убеждает в безграничности познания человеком природы.

Физика атомного ядра имеет широкий выход в практику (ядерная энергетика, радиоизотопный метод). Ее законы все в больших масштабах используются в естественных науках – астрофизике, радиационной химии, геологии, физике элементарных частиц  и в ряде других наук.

Важной задачей изучения физики атомного ядра в средней школе является показ всеобщности явлений, процессов и законов ядерной физики, показ того, что они имеют не локальный, местный, а земной характер. Например, ядерные реакции, осуществляемые на Земле в относительно малых масштабах, реализуются на звездах в огромных размерах. Ускорение электрически заряженных частиц происходит в больших и уникальных технических сооружениях на Земле, и вместе с тем первичные частицы космического излучения ускоряются в магнитных полях космического пространства. Хотя масштабы эффектов на много порядков различаются друг от друга, релятивистские эффекты наблюдаются не только в специальных лабораторных условиях, но и во Вселенной. Поэтому учебный материал по ядерной физике дает выход в астрофизику.

Вопросы астрофизики могут быть использованы, например, на заключительном уроке «Современная научная картина мира». Их можно привлекать в качестве иллюстрирующих примеров при изучении ряда разделов курса физики. Вопросы же ядерной физики могут быть использованы в соответствующих главах курса астрономии, например в главе, в которой изучаются источники звездной энергии. Изложение вопросов астрофизики будет способствовать формированию научного мировоззрения учащихся.

Атомная теория занимает особое положение в курсе физики. Она не только венчает этот курс, но и лежит в основе большинства его разделов. Это позволяет выяснить механизм и природу многих явлений при изучении различных областей физики. Это освобождает учащихся от запоминания многих частностей и дает возможность самим разобраться в различных проявлениях молекулярных и атомных процессов.

Еще до изучения раздела «Физика атомного ядра» в школьном курсе рассматриваются: строение атома, дискретность энергии в микромире, импульс и масса фотона, основы теории относительности. Наконец, некоторые вопросы физики атомного ядра распределены по всему курсу, где они по физическому содержанию вписываются в логику соответствующих глав.

Атомное строение вещества изучается в курсах химии и физики. Для того чтобы избежать дублирования учебного материала, он разделен между этими курсами. К курсу химии отнесены все вопросы, связанные со строением электронной оболочки атома и последовательностью ее заполнения в соответствии с периодической системой химических элементов Д.И. Менделеева, а дискретные уровни энергии атома, происхождение линейчатых спектров, а также вопросы атомного ядра отнесены к курсу физики. Строение атома и его ядра рассматривается на основе анализа таких фундаментальных экспериментов, как опыт Резерфорда по изучению углового рассеяния α-частиц, опыты Франка и Герца по обнаружению дискретных энергетических состояний атомов, опыт по открытию нейтронов, опыт Андерсона, которым был открыт позитрон, опыты Ирен Кюри и Фредерика Жолио-Кюри, открывших искусственную позитронную радиоактивность, и др.

При построении учебного процесса со многих точек зрения рационально реализовать системный подход при отборе содержания уроков. Сначала изучают ядро как физическую систему со своим составом и взаимодействиями элементов, затем рассматриваются различные процессы – ядерные реакции. При этом параллельно изучаются характеристики объектов и явлений, рассматриваются экспериментальные средства их определения. В самом конце темы приходит черёд практическим следствиям. Проведение лабораторной работы предполагается, хотя она и не обозначена в учебнике.

Учебный материал раздела «Физика атомного ядра» может быть разделен на четыре группы вопросов:

• структура и свойства ядер атомов;
• ядерные процессы;
• экспериментальная ядерная техника;
• прикладная ядерная физика.

При изучении физики атомного ядра предполагается дальше развивать знания учащихся о ядерной модели атома и законе взаимосвязи массы и энергии, а также изучить следующие вопросы:

• экспериментальные методы обнаружения и идентификации атомных частиц;
• явление радиоактивности;
• состав ядра и свойства нуклонов, из которых оно состоит;
• ядерные реакции и их энергия;
• практические применения ядерной энергии и радиоактивных изотопов.

Урок — целостная, логически законченная часть образовательного пространства, ограниченная определенными рамками времени, в которой представлены все основные элементы учебно-воспитательного процесса: содержание, средства, методы, организационные моменты. На уроке решаются задачи обучения, вос­питания и развития учащихся. От выбора форм и методов обучения будет зависеть и качество урока.

Перед каждым учителем стоит проблема подбора  таких  форм  и методов работы, которые приводили бы к достижению положительного результата. Одним из таких методов работы является организация учебного  процесса  на основе использования опорных конспектов.

Опорный конспект представляет собой лист с рисунками, формулами, отдельными фразами и словами, в которых закодирована определенная информация.

Опорный конспект – метод обучения, обеспечивающий взаимодействие педагога и учащегося на основе предельного обобщения, кодирования, «свертывания» знаний с помощью условных знаков, символов, схем, графиков, таблиц и их последующего «развертывания», полноценного воспроизведения в сознании учащихся.

• Опора – ориентировочная основа действия, способ внешней организации внутренней мыслительной деятельности человека.
• Опорный сигнал – ассоциативный символ, имеющий некоторое смысловое значение.
• Опорный конспект – это система опорных сигналов в виде краткого условного конспекта информации, представляющая собой наглядную конструкцию, заменяющая систему фактов, понятий, идей.

Опорный конспект благодаря своей наглядности и технологичности способствует доступности и логичности объяснения нового материала. Использование опорных конспектов позволяет учителю наглядно представить весь изучаемый материал учащимся и сконцентрировать их внимание на наиболее трудных местах, многократно повторять изученное, провести оперативный контроль усвоения материала. Включение трёх видов памяти – зрительной, слуховой и моторной – приводит к успешному усвоению школьниками учебного материала.

Основными требованиями к составлению опорного конспекта являются:

• Лаконичность (ограничивает содержание в опорном конспекте печатных знаков – не более 400). Под печатным знаком понимается точка, цифра, стрелка, буква, но не слово, которое уже представляет собой опорный сигнал. В конспекте находит отражение лишь самое главное в этой теме, изложенное с помощью символов, схем, формул, ассоциаций.
• Структурность (материал излагается цельными блоками (связками) и содержит 4 - 5 связок). Структура их расположения должна быть удобной и для запоминания, и для воспроизведения, и для проверки.
• Унификация (введение определенных знаков-символов для обозначения ключевых или часто повторяющихся слов).
• Автономность (с одной стороны, обеспечивает возможность воспроизводить каждый блок в отдельности, мало затрагивая другие блоки, с другой, – все блоки между собой связаны логически).
• Ассоциативность (при составлении опорного конспекта следует подбирать ключевые слова, предложения, ассоциации, схемы. Иногда удачный образ позволяет оживить в памяти рассказ по ассоциации).
• Непохожесть (разнообразие опорных конспектов и блоков по форме, структуре, графическому исполнению).
• Доступность воспроизведения (избегание вычурных шрифтов, сложных чертежей и оборотов речи, буквенные обозначения сводятся до минимума).

Примерный порядок составления опорного конспекта следующий:

• первичное ознакомление с материалом изучаемой темы по  тексту учебника, картам, дополнительной литературе;
• выделение главного в изучаемом материале, составление обычных кратких записей;
• подбор к данному тексту опорных сигналов в виде отдельных слов, определённых   знаков, графиков, рисунков;
• продумывание схематического способа кодирования знаний, использование различного   шрифта и т.д.;
• составление опорного конспекта.

Приведем некоторые примеры опорных конспектов раздела «Физика атомного ядра».

Опорный конспект 1.

МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

1. Принцип действия

         2. Газоразрядный счетчик Гейгера

         3. Камера Вильсона (1912 г.)

Поршень пар перенасыщенный. Ионы – центр конденсации  вдоль пути частицы след (трек).  П.Л. Капица и Д.В. Скобельцын – камеру Вильсона в однородное магнитное поле.

         4. Пузырьковая камера (Д. Глезер, амер. – 1952 г.)

Жидкость при , нет кипения, т.к. велико . Поршень  жидкость перегретая. Ионы – центр парообразования  вдоль пути частицы  след (трек). Преимущество: большая плотность рабочего вещества  треки короче  наблюдают серию превращения частиц.

         5. Метод толстослойных фотоэмульсий (Л.В. Мысовский и А.П. Жданов)

Кристаллики  расщепляются под действием элементарных частиц  скрытое изображение  при проявлении восстанавливается металлическое серебро  трек (аналог фотографии).

Большая плотность фотоэмульсии  треки короткие.

Преимущество: время экспозиции велико  можно регистрировать редкие явления.

Опорный конспект 2.

РАДИОАКТИВНОСТЬ

• самопроизвольное превращение одних ядер в другие,
• сопровождаемое испусканием различных частиц

1. Открытие радиоактивности и первые исследования

1896 г. – А. Беккерель (фр.).                                                           

898 г. – М. Кюри и П. Кюри (фр.) – излучение .

         2. Природа и свойства  –излучений

–частицы:

•   природа: ядра атома 
•    км/с
•   отклоняются в электрическом и магнитном полях
•   малая проникающая способность (задерживаются слоем бумаги 0,1 мм)

–лучи:

•   природа: электроны
•   скорости различны  расширение пучка в магнитном поле
•   отклоняются в электрическом и магнитном полях (сильнее –частиц)
•   большая проникающая способность (задерживаются слоем  в несколько см)

–лучи:

•   природа: электромагнитные волны
•    км/с
•   не отклоняются в электрическом и магнитном полях
•   большая проникающая способность (задерживаются слоем свинца в несколько см)

         3. Закон радиоактивного распада

Период полураспада  – время, за которое распадается половина радиоактивных атомов (4,5 млрд лет, =1600 лет). – закон радиоактивного распада.

         4. Изотопы (занимающие одинаковые места):

• одинаковые химические свойства ( одинаково);
• различные физические свойства ( атома разная).

Пример: водород – дейтерий – тритий.

Предположение о существовании: Ф. Содди (англ.) – 1911 г.

Подтверждение: опыт Томсона (англ.) – 1912 г.

Опорный конспект 3.

ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ

ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА

Опорный конспект 4.

ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Первая искусственно осуществленная человеком ядерная реакция Э.Резерфордом в 1919 г.

.

НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

            При любых ядерных реакциях соблюдаются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда.

Одним из способов развития познавательной самостоятельности учащихся являются многовариантные самостоятельные работы. Многовариантность даёт возможность учителю организовать работу наиболее эффективным образом, составляя для учеников индивидуальные задания. При этом каждый из них рассчитывает только на собственные силы. Это развивает самостоятельность учащихся и повышает объективность оценки, выставляемой учителем. Само задание даётся в общем виде, но к нему выдается отдельный набор данных для каждого ученика. В этих наборах данных все числа соответствуют определенным первоначальным условиям, которых дети не знают. Поэтому все ответы также соответствуют этим условиям.

Радиоактивность. Ядерные реакции

Задача 1. Определите удельную энергию связи ядра изотопа.

Задача 2. Первоначальная масса радиоактивного изотопа, имеющего период полураспада , равна . Число атомов, распавшихся за время , составляет . Вычислите значение величины, обозначенной *.