Методика изучения оптических квантовых генераторов

В процессе преподавания этого раздела учитель  постоянно должен решать задачу формирования научного мировоззрения учащихся. Для  формирования научного мировоззрения  учащихся важно убедить их в реальном существовании таких непосредственно невоспринимаемых органами чувств объектов, как элементарные частицы. Реальность элементарных частиц доказывают тем, что можно экспериментально измерить их характеристики, предсказать, исходя из свойств частиц, различные ядерные реакции и превращения частиц и не только экспериментально осуществить теоретически предсказанные процессы, но и использовать их в практических целях. Знакомство с элементарными частицами дает веское подтверждение принципа неисчерпаемости материи, ибо учащиеся убеждаются в том, что материальные объекты и их свойства крайне многообразны, элементарные частицы не являются "простыми", они обладают множеством свойств и способны к взаимопревращениям.

Корпускулярно-волновой дуализм свойств света и элементарных частиц, взаимопревращаемость элементарных частиц позволяют раскрыть материальное единство мира и диалектическую связь прерывного и непрерывного, а подчинение всех ядерных процессов основным   законам   сохранения служит   хорошей   иллюстрацией принципа неуничтожимости и несотворимости материи и движения.

В этом разделе продолжается формирование гносеологического аспекта мировоззрения. Здесь рассматривают такие важные мировоззренческие вопросы, как  роль идеальных моделей в процессе познания реальной действительности и пределы их применимости. Модельные представления используют при рассмотрении строения атома, ядра атома, при раскрытии механизма испускания света атомом, при объяснении деления ядер и т.п.

Как и  во всем курсе физики, большое внимание при изучении этого раздела обращают на роль опыта в процессе познания, на взаимосвязь теории и практики, эксперимента. Необходимо подчеркивать, что теория применима в тех границах, в которых экспериментально подтверждаются вытекающие из нее следствия. Противоречие экспериментальных фактов теории служит отправным моментом для ее уточнения или создания новой теории. Например, изучая оптику, учащиеся убедились в том, что явления отражения и преломления, интерференции и дифракции хорошо объясняются на основе теоретических представлений о волновой природе света. Однако волновая теория света не объясняет все законы фотоэффекта. Необходимость объяснения новых экспериментальных фактов привела к созданию квантовой теории света. Опыт Резерфорда опроверг первоначальную модель атома, предложенную Томсоном, а на смену, модели атома Резерфорда пришла теория Бора, которая лучше согласовалась с экспериментальными фактами.

История развития учений о свете и о  строении атома позволяет проиллюстрировать  бесконечность процесса познания и  его диалектический характер. Соотношение между абсолютной и относительной истиной необходимо обсудить при ознакомлении учащихся с принципом соответствия. Квантовая физика является более глубокой физической теорией, ибо она более полно объясняет большой круг физических явлений, нежели классическая физика. Квантовая механика установила, что ряд представлений классической физики не являются абсолютными, они хороши лишь для макроскопических тел. Но квантовая физика не отрицает полностью классическую. Она лишь ограничивает область ее применения. Законы классической механики и электродинамики для макротел остаются незыблемыми. Кроме того, в предельных случаях выводы квантовой физики совпадают с результатами классической. При больших квантовых числах дискретность "смазывается" и процесс становится квазинепрерывным.

Последний раздел школьного курса физики открывает  большие возможности для воспитания и развития учащихся. Для развития мышления учащихся в этом разделе  широко используют такие приемы, как  сравнение, систематизация и классификация. Например, полезно предложить им сравнить свойства жидкостей и ядра атома. Выявление общих для них свойств обеспечивает лучшее понимание школьниками капельной модели ядра. Сравнивать можно также свойства фотона со свойствами других элементарных частиц, свойства ядерных сил со свойствами гравитационных и электромагнитных сил. Результаты этих сравнений отражают в систематизирующих таблицах, обобщающих полученные учащимися знания по соответствующему вопросу. В конце изучения раздела целесообразно обобщить все полученные знания о строении вещества.

 Материал раздела предоставляет большие возможности для организации самостоятельной деятельности учащихся. Полезно широко использовать периодическую систему Менделеева и предложить им на ее основе самостоятельно раскрыть состав ядер некоторых элементов, рассчитать для них дефект масс, энергию связи, удельную энергию связи и т. п. Оценочные расчеты различных параметров микромира, широко используемые в этом разделе, могут быть содержанием самостоятельной деятельности учащихся в школе и дома, а анализ полученных в них результатов - хорошая школа развития мышления учащихся. Этой же цели служит решение задач, которые в данном разделе носят по преимуществу тренировочный характер и требуют акцента на анализе полученных данных: полезно сопоставлять энергии связи ядер с энергией связи других систем, например молекул; кинетическую энергию α-частиц с энергией теплового движения молекул; плотность ядерного вещества с известными плотностями различных веществ и т. п. Результаты этого анализа позволяют выпускникам школ лучше понять порядок величин в микромире, осмыслить своеобразие микромира.

В развитие квантовой физики внесли свой вклад  многие выдающиеся отечественные и  зарубежные ученые: Э. Резерфорд, Н. Бор, П. Кюри, М. Складовская-Кюри, М. Лауэ, Луи де Бройль, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак, Э. Шредингер, И. Е. Тамм, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, О. Гаи, Э. Ферми, Л. Д. Ландау, В. А. Фок, Д. В. Скобельцын, А. И. Алиханов, В. И. Векслер, И. В. Курчатов и многие другие. Изучение их жизни и деятельности представляет благодатный материал для патриотического и интернационального, а также нравственного воспитания учащихся.  

1.2 Особенности методики изучения раздела «Квантовая физика». 

Особенности методики изучения данного раздела определяются местом этого раздела в школьном курсе физики и спецификой в нем материала.

Квантовую физику изучают в конце школьного  курса физики, причем изучают на количественном уровне впервые. Нигде  на протяжении всего школьного курса  физики учащиеся 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 и 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, работе с дидактическим материалом и т.д. Пониманию и усвоению раздела способствуют оценочные расчеты, например, длин волн де Бройля, связанных с различными объектами, размера ядра, его плотности, энергии связи и т.п. Ныне, когда школы оснащены микрокалькуляторами и ЭВМ, эти расчеты не занимают много времени, а их результаты часто обладают большой убедительностью. 

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 ее изучения. В этом разделе учащихся 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 (либо да, либо нет) диалектика противопоставляет утверждение: и да, и нет (в одних конкретных условиях - да, в других - нет). Поэтому нет ничего удивительного в том, что свет в одних условиях (интерференции, дифракции) ведет себя как волна, в других - как поток частиц.

В процессе преподавания квантовой физики нецелесообразно  говорить о странности микромира, парадоксальности его законов. Это едва ли будет  способствовать усвоению материала, но может запутать учащихся. Раскрывая  своеобразие законов микромира, отличие их от законов классической физики, убеждают школьников в естественности этих различий. По этой же причине с историей становления квантовой механики учащихся лучше знакомить лишь после изучения этого раздела.

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 проиллюстрировать фундаментальные опыты (опыт Резерфорда по рассеянию α-частиц, опыты Франка и Герца и др.), а также разъяснять принцип устройства приборов, регистрирующих частицы, ускорителей, атомного реактора, атомной электростанции и т.п. при изучении этого раздела широко используют учебные видеофильмы «Фотоэффект», «Фотоэлементы и их применение», «Давление свойства», «Радиоактивность и атомное ядро», «Ядерная энергетика в мирных целях», кинофрагменты «Дискретность энергетических уровней атома (опыт Франка-Герца)», «Природа линейчатых спектров атомов водорода» и настенные таблицы. Очень большие возможности в данном соотношении открывает компьютерное моделирование. 

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

Современный уровень развития информационных и  коммуникационных технологий способствует решению ряда важнейших методических задач, таких, как интенсификация уровня наглядности преподаваемого материала. Компьютерные технологии позволяют учащимся более глубоко изучить сложные для понимания физические явления, предоставляют широкие возможности по созданию, хранению и структурированию объемных баз данных (например, компьютерных слайдов или видеоматериалов), а также осуществить контроль полученных знаний с помощью компьютерного тестирования.

Одним из наиболее сложных для понимания  учащимися разделов физики является раздел «Лазеры». Развитие квантовой электроники привело к повсеместному внедрению лазерной техники в науке, промышленности и быту. Однако в школьном курсе физики данный раздел не изучается должным образом. Широкое распространение лазеров в повседневной жизни (лазерные принтеры, лазерные дальномеры, указки и т.д.) и отсутствие проработанной методики изучения данной темы в школе позволили сделать вывод о необходимости создания более полного курса для средней школы.

Введение  элективных курсов связано, прежде всего, с удовлетворением образовательных интересов, потребностей и склонностей каждого школьника. Именно они, по существу, и являются важнейшим средством построения индивидуальных образовательных программ, так как в наибольшей степени связаны с выбором каждым школьником содержания образования в зависимости от его интересов, способностей и последующих жизненных планов. Разработанный А.В.Ельцовым, И.А.Захаркиным, А.М.Шуйцевым и Р.В.Уфимским элективный курс рассчитан на 20 часов, он состоит из шести основных тем и включает в себя компьютерные динамические картины и слайды, видеоматериалы, компьютерные физичесике эксперименты, демонстрационные моделирующие программы, позволяющие дополнить физический экстперимент или заменить его при нехватке оборудования, электронный учебник для самостоятельной работы учащихся. Для самоконтроля учащихся разработаны компьютерные тесты по каждой теме элективного курса. Это позволяет учащимся контролировать уровень своих знаний, выявлять в них пробелы.

В содержание курса входит 6 разделов: структура  лазеров и их классификация, оптический резонатор, способы получения инверсной заселенности в различных средах, динамика процессов и свойства излучения лазеров, лазеры и нелинейная оптика, оптическая голография.

Разработаны компьютерные слайды по каждой из вышеперечисленных тем. Подготовлены видеоматериалы по применению лазеров (надпись даты выпуска минеральной воды на этикетке пластиковых бутылок, выжигание лазерным лучом гравюр на различных поверхностях, фильм о лазерном оборудовании для резки и сверления металлов компании IRON, применение лазерной техники в Вооруженных Силах, лазерная хирургия глаза).

Учитывая  сложность постановки опытов по лазерам, в дополнение к существующим опытам предлагается использовать компьютерные модели, позволяющие виртуально изучать  процессы, происходящие при работе лазера. Использование компьютерных динамических картин и программ различного типа предоставляет возможность увидеть в динамике протекание различных трудных для понимания физических явлений, положенных в основу работы лазера. 
 

Выводы по I главе

Одним из наиболее сложных для понимания  учащимися разделов физики является раздел «Лазеры». Особенности методики изучения данного раздела определяются местом этого раздела в школьном курсе физики и спецификой в нем  материала. Для повышения качества усвоения материала очень важно опираться на ранее полученные знания. Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Последний раздел школьного курса физики открывает большие возможности для воспитания и развития учащихся. Для развития мышления учащихся в этом разделе широко используют такие приемы, как сравнение, систематизация и классификация.