ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………………........…...3

Глава I. Методика изучения раздела «Квантовая физика в средней школе»…...............................................................………………………........………..6

1.1 Значение и  роль изучения квантовой физики в средней школе………….......….7

1.2 Особенности методики изучения раздела «Квантовая физика».........................12

1.3 Использование  современных компьютерных технологий  при изучении лазеров в средней  школе.…………………………………...............................................…….14

Выводы по I главе…………………………………………………...................……...16

Глава II. Методическая разработка урока на тему «Лазеры».…...........………..17

Выводы по II главе……………………………………………………..................…..25

Заключение…………………………………………………………………….......….26

Приложения…………………………………………………………………........…...27

Литература……………………………………………………………………........….30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее  время, когда ученые физики стремятся  приблизиться к пониманию строения и свойств окружающей нас материи, проводят многочисленные эксперименты по столкновению частиц, назрела необходимость активизации творческого потенциала учащихся средних школ в процессе обучения физике. Следует создавать технологии обучения, ориентированные на возможно более полное использование учебного' физического эксперимента, направленные на формирование научного мировоззрения, подготавливающие к решению самых сложных технологических задач.

Одна  из важнейших тем, изучаемых в  школьном курсе физики, связана с  лазерами. Квантовые генераторы света — лазеры, были созданы в начале шестидесятых годов прошлого столетия. Их уникальные свойства обусловили широкое применение этих приборов в науке, промышленности и бытовой жизни. Сегодня без использования лазеров невозможно представить ни одной современной отрасли, лазерные технологии лежат в основе производства современных компьютеров, устройств для чтения и записи CD и DVD дисков, лазерных принтеров, мышек, указок, и многих других устройств, которыми постоянно пользуются учащиеся школ. Высокая степень монохроматичности, когерентности и направленности лазерного излучения позволила создавать приборы для диагностики и лечения различных заболеваний, использовать лазер как уникальный современный медицинский инструмент. Для обеспечения обороноспособности нашей родины созданы спутниковые системы связи, разработаны различные системы наведения и автопилоты, работа которых также основана на применении лазеров. Примером использования оптических квантовых генераторов (ОКГ) в промышленности могут служить высокоточные дальномеры, современные аппараты для сварки, резки и термообработки материалов, устройства для производства микросхем. От студенческих лабораторий, до установок управляемого термоядерного синтеза и космических исследований - везде лазеры являются незаменимым рабочим инструментом.

В школьном курсе физики изучению лазеров уделяется  крайне мало времени, в большинстве  учебных программ на изучение данной темы отведено не более трех часов. Отсутствуют или практически  отсутствуют наглядные пособия, лабораторные работы и физический практикум. Все это приводит к тому, что у выпускников школ оказываются несформированными на требуемом уровне соответствующие знания и экспериментальные умения.

В тоже время программа развития системы  непрерывного образования в России до 2010 года требует обеспечения преемственности формирования научных знаний и умений, позволяющих применять их в различных областях практической деятельности.

Вопросы лазерного излучения рассмотрены  в работах Н.Г. Басова, О.В. Богданкевича, Б.М. Булла, А.И. Изнара, А.С. Красникова, Б.М. Миркина, Ю.М. Попова, A.M. Прохорова, В.А. Степанова, Л.В.Тарасова, Б.Ф. Федорова и др. Однако содержащийся в них материал, не соответствует уровню подготовки учащихся старших классов, требует гораздо более высокой математической подготовки, интеграции знаний из смежных наук.

Отбор содержания необходимого учебного материала, его структурирование, разработка методов  преподавания остается нерешенной задачей  в современной профильной средней  школе. В сегодняшних социально-экономических условиях развития общества, учебный курс, посвященный проблеме создания лазеров, их устройству и применению в различных сферах деятельности человека позволит наряду с развитием личностных качеств учащихся, их мышления, ценностных ориентации, значительно расширить их знания и экспериментальные умения, повысить интерес к предмету. Сделать это возможным оказалось благодаря использованию новых информационных технологий в обучении физике, компьютерному моделированию, автоматизации физических учебных экспериментов, дистанционному обучению, удаленным формам контроля и прочим.

В последнее  время, проблеме использования новых  информационных технологий в обучении физике посвящено большое число  исследований, результаты которых отражены в работах Л.И. Анциферова, А.А. Богуславского, Д.В. Баяндина, Э.В. Бурсиана, Ю.А. Воронина, Ю.А. Гороховатского, В.А. Извозчикова, А.С. Кондратьева, В.В. Лаптева, А.И. Назарова, В.В. Лаптева, Р.В. Майера, Ю.С. Песоцкого, О.В. Поваляева, И.В. Роберт, А.В. Смирнова, К. Стафеева, С В . Степанова, Г.Н. Степановой, А.И. Фишмана А.С. Чирцова, P.M. Чудинского и др. Однако вопросы методики использования информационных технологий при изучении оптических квантовых генераторов в средней школе исследованы еще недостаточно полно.

Таким образом, актуальность данной работы обусловлена противоречием между задачами повышения уровня знаний и экспериментальных умений учащихся, связанных с изучением лазеров в средней школе с одной стороны, и существующей методикой изучения лазеров в средней школе, не позволяющей в полной мере решать эти задачи, с другой стороны.

Объектом  исследования является процесс обучения физике учащихся средних школ.

Предмет исследования: методика изучения лазеров в школьном курсе физики с применением новых информационных технологий.

В основу работы положена гипотеза исследования, согласно которой повысить уровень  знаний учащихся, развить их экспериментальные  умения и активизировать познавательный интерес при изучении лазеров  удастся если:

• создать адаптированный учебный курс по данной теме для профильных классов средней школы;
• использовать современные компьютерные технологии в рамках данного курса;

 

Цель  исследования состоит в разработке методики изучения лазеров в средней школе с использованием новых информационных технологий.

Задачи  исследования:

1. Проанализировать  состояние методики изучения  оптических квантовых генераторов  в школе и выявить основные  трудности в преподавании данного  раздела.

2. Осуществить  обзор учебного материала по  лазерам.

3. Изучить  опыт применения новых информационных технологий в обучении физике и определить возможности их использования при изучении оптических квантовых генераторов.

Методы  исследования: обобщение, структурирование, анализ, синтез.

Методологическая  база: законы квантовой механики, законы механики больших скоростей, законы строения атомного ядра, явление усиления электромагнитных колебаний при помощи вынужденного излучения атомов и молекул.

Структура работы: работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы из 16 источников. В I главе описывается роль и значение квантовой физики в школьном курсе,  рассматриваются особенности методики изучения данного раздела и использование современных компьютерных технологий при изучении лазеров. Во II главе представлена методическая разработка урока на тему «Лазеры».

Практическая  значимость исследования: результаты исследования могут быть полезны для студентов ФМФ, учащихся, углублённо изучающих физику.

Работа  включает 2 таблицы. В приложение включены следующие материалы: Задачи, которые могут быть использованы при изучении данной темы и примерные варианты теста для проверки знаний учащихся. 
 

ГЛАВА I. МЕТОДИКА  ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА "КВАНТОВАЯ ФИЗИКА"

В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ

1.1 Значение и роль изучения квантовой физики в средней школе.

 

Квантовая механика - физическая теория, открывшая своеобразие свойств и закономерностей микромира, установившая способ описания состояния и движения микрочастиц. Методы квантовой механики находят широкое применение в квантовой электронике, в физике твердого тела, современной химии. Ее широко используют в физике высоких энергий, изучающей строение ядра атома и свойства элементарных частиц. Результаты исследования находят все большее применение в технике. Достаточно вспомнить успехи квантовой теории твердых тел, выводы которой положены в основу создания новых материалов с заранее заданными свойствами (магнитными, полупроводящими, сверхпроводящими и т. д.), квантовые генераторы, ядерные реакторы. Квантовая физика является более высокой ступенью познания, нежели классическая физика. Она установила ограниченность многих классических представлений.

Однако  введение основ квантовой физики в среднюю школу - сложная методическая задача. Малая наглядность квантовомеханических объектов (частица - волна), сложность  математического аппарата, необычность ее исходных идей и понятий создают методические трудности. Поэтому вопросы квантовой физики очень осторожно вводят в школьный курс.

Основные  познавательные задачи этого раздела - ознакомить учащихся со специфическими законами, действующими в области микромира, и завершить формирование представлений о строении вещества.

При изучении вопросов о световых квантах и  действиях света школьников впервые  знакомят с квантовой идеей. Они  узнают, что свет, который в явлениях интерференции и дифракции ведет себя как волна, представляет собой поток фотонов; энергия фотонов не может принимать произвольных значений, она дискретна, кратна некоторой постоянной величине h (постоянной Планка). Корпускулярные свойства света проявляются при взаимодействии света с веществом (в фотоэффекте, фотохимических реакциях и т.п.) тем ярче, чем больше энергия фотона. Важным доказательством существования частиц света (фотонов), обладающих определенным импульсом, энергией и массой, является эффект Комптона, изучение которого впервые в последние годы предусматривает школьная программа.

При изучении строения атома по Бору учащиеся узнают, что энергия электрона в атоме  также имеет дискретный характер, она квантуется. При изучении строения атома они узнают также, что дуализм свойств присущ не только фотонам (частицам) света, но и всем элементарным частицам – электрону, протону, нейтрону и др.

Объяснение  корпускулярно-волнового дуализма свойств частиц света и вещества знакомит их качественно (без изучения уравнения Шредингера) со своеобразием движения микрочастиц: поведение каждой элементарной частицы описывается вероятностными законами, для нее нельзя строго указать координату и импульс, лишено смысла понятие «траектория» и т.п. с вероятностными закономерностями, действующими в области микромира, учащиеся встречаются и при изучении законов радиоактивного распада: распад каждого атома – случайное явление, для которого можно указать лишь меру его вероятности, а одной из главных характеристик атома и любой элементарной частицы является среднее время их жизни. Так постепенно знакомят школьников со своеобразием законов, действующих в микромире: корпускулярно-волновым дуализмом свойств частиц, дискретным характером их состояний, дискретностью величин (на примере энергии), вероятностным характером законов.

Вторая  познавательная задача раздела –  раскрыть современные представления  о строении вещества. В базовом  курсе физики строение вещества рассматривали  в основном на молекулярном уровне. Молекулярно-кинетическая теория объясняла  строение и свойства газов (количественно), жидкостей и твердых тел (на качественном уровне). О строении атома школьники в базовом курсе физики получили лишь самые предварительные сведения, достаточные для понимания таких явлений, как электризация, электрический ток. В данном разделе учащихся знакомят со строением вещества на атомном и субатомном уровне. Вначале они изучают строение атома по Резерфорду – Бору, а затем, после обсуждения дуализма свойств микрочастиц, получают и современные представления о строении атома. Достаточное внимание в этом разделе уделяют составу и свойствам ядра атома (его размеру, заряду, массе, плотности, энергии связи, удельной энергии связи и др.). В конце раздела учащихся знакомят с основными характеристиками и свойствами элементарных частиц, дают представление о современной их классификации, о роли их в строении вещества и в передаче взаимодействий.

Раздел "Квантовая физика" решает, кроме  того, важные задачи политехнического образования. При его изучении учеников знакомят с устройством и принципом действия фотоэлементов, с примерами их использования в технике, физическими основами спектрального анализа, работой ядерного реактора  и применением ядерной энергии в мирных целях, с использованием радиоактивных изотопов в промышленности, сельскохозяйственном производстве, в науке, медицине.