МПК Магнитопорошковый метод. Удк 372. 8 53 16 ббк 74. 262. 22 С серия Классический курс основана в 2007 году
 Скачать 6.65 Mb.
|
|
Глава XIV. ОБОБЩЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ В конце изучения курса физики планируют и проводят обобщения знакомят школьников с современной физической картиной мира. Отчасти обобщения делаются и при повторении материала. Важно и то, что потребность в генерализации знаний и приёмов деятельности всё время растёт. Вот почему ряд уроков в конце курса можно объединить названной темой. При построении учебного процесса рекомендуется смелее читать классические лекции, организовывать доклады школьников, вести диалоги, знакомить с современной литературой по физике, те. строить нестандартные уроки. Понимание мировоззренческой и технологической значимости физики должно остаться у учеников и после окончания школы. Урок 1. Физический мири его познание Урок строится как школьная лекция с элементами беседы. Ниже приводится развёрнутый план занятия. На урок желательно подобрать фрагмент видеофильма, хорошие слайды или таблицы. Физический мир По мере развития цивилизации происходило расширение мира физических знаний в него входили новые области пространства с новыми объектами и явлениями. Например. (В таблице 49 определены эти области.) Таблица Область пространства, м Типичные объекты Типичные явления Область знания Мегамир 10 18 —10 Макромир 10 –8 —10 Микромир Галактики, метагалактики, гравитационные и электромагнитные поля Несколько групп разных объектов а) звёзды, планеты б) тела и макро- частицы в) молекулы, атомы г) электромагнитное поле Элементарные частицы атомы, ядра атомов Механическое движение а) Механическое движение б) превращения жидкостей, газов, твёрдых тел в) взаимодействие г) электрический ток, свет, радиоволны Движение и взаимодействие элементарных частиц ядерные реакции Астрофизика. Общая теория относительности физика. Электродинамика. СТО. Радиотехника, электротехника Квантовая физика. СТО. Физика элементарных частиц. Физические явления и их причины С опорой на таблицу можно выделить и конкретизировать группы физических явлений, раскрыть их многообразие. Следует выделить а) явления, выраженные в явном перемещении объектов в пространстве механическое движение и др б) явления, выраженные в изменении параметров системы, — нагревание газа. В итоге причиной всех явлений оказывается взаимодействие объектов. Познаваемость мира, средства познания Физика как наука всё время поступательно развивается. Можно выделить следующие характеристики этого развития а) рост объёма знаний, создание новых и изменение старых систем знаний б) усиление ведущей роли теоретических знаний в) резкий рост прикладных физических знаний г) абсолютность и относительность любого знания, модельный характер физических знаний и границы применимости знаний д) усиление влияния научных знаний на практику Логику обучения лучше всего проиллюстрировать с помощью схемы факты — модель — следствия. Физический эксперимента) функции б) развитие в) примеры фундаментальных опытов. Из теоретических методов лучше всего остановиться на выделении моделирования, в частности на моделях объектов, которые изучались в школьном курсе физики. Новые открытия в физике. Следует познакомить школьников с одним-двумя новыми открытиями, порекомендовать что-то из новых книг. Главная мысль — развитие физики продолжа- ется. Домашнее задание самостоятельно изучить § Урок 2. Понятие об элементарных частицах. Классификация элементарных частиц Задачи урока ознакомить с элементарными частицами как единственными представителями материи на уровне пространственных размеров и расстояний, меньших 10 –15 м раскрыть общие свойства элементарных частиц и дать их классификацию. Ход урока На протяжении изучения курса физики учащиеся не раз встречались с элементарными частицами. Уже на первой ступени изучались электроны далее понятие электрона использовалось во многих случаях. В квантовой физике учащиеся узнали о протоне и нейтроне. Для поддержания познавательной активности учащихся на уроке нужно обеспечить смену их деятельности, сочетать информационный материал (рассказ, сообщение) с репродуктивным (ответы на вопросы, самостоятельная работа с учебником) и проблемным (постановка проблем, выдвижение гипотез и т. д. Для многократного применения вводимых понятий времени в курсе уже нет, поэтому следует больше связывать новое с ранее изученным Изложение нового материала. По мере углубления в строение вещества наука открыла молекулы, атомы, выяснила, что атом состоит из ядра и электронов, наконец, установила сложное строение ядра, в которое входят протоны и нейтроны. Если рассматривать строение вещества с учётом этих сведений, то для микромира на уровне малых расстояний, порядкам, можно заключить, что вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Материя представлена в природе не только веществом, но и электромагнитным полем. Электромагнитное поле также состоит из частиц — фотонов Микрочастицы — электроны, протоны, нейтроны, фотоны называются элементарными частицами. Слово элементарная означает простейшая, лежащая в основе материи все материальные объекты — тела, поля — состоят из этих частиц. При введении этого термина предполагалось, что внутренняя структура у элементарных частиц отсутствует, те. они ни из чего не состоят. Сейчас понятие об элементарности уточнено, о чём будет сказано далее. В настоящее время открыто более 400 микрочастиц, по размерам, массе, электрическому заряду (и некоторым другим свойствам) близких к перечисленным выше. Все они также называются элементарными Характерная особенность большинства элементарных частиц их нестабильность. Все частицы, кроме фотонов в пустоте, электронов, протонов, нейтронов (в ядре) и нейтрино, самопроизвольно распадаются, превращаясь в конце концов в стабильные. Эти процессы подобны радиоактивному распаду ядер. Среднее время жизни нестабильных элементарных частиц чрезвычайно мало. Долгоживущими или относительно стабильными считаются частицы, время жизни которых 10 –6 —10 –14 с, а существуют и частицы, живущие всего 10 –22 —10 –23 с. Нейтрон вне ядра также неустойчив среднее время его жизни мин, но по сравнению со временем жизни короткоживущих частиц это очень большой срок Понятно, что если Вселенная когда-то возникла, то за время её существования до наших дней все нестабильные элементарные частицы распались бы, превратились в стабильные или исчезли, отдав свою энергию тепловому движению стабильных частиц вещества. Откуда же берутся короткоживущие частицы Их открыли и получают как в ядерных реакциях, таки враз- личных реакциях со стабильными элементарными частицами. Реакция происходит, когда одна элементарная частица сталкивается с другой или самопроизвольно распадается. В результате реакции образуются новые частицы, происходит взаимное превращение частиц. В качестве примера реакции распада приведём следующую + + где нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Антинейтрино и нейтрино — это частицы сочень малой массой покоя, в тысячи раз меньшей самой лёгкой частицы — электрона. Они электронейтральны. Нейтрино — стабильная частица. Долгое время после теоретического предсказания действия нейтрино не удавалось зафиксировать на опыте. Наконец в 1956 г. была осуществлена реакция + + + ɶn в которой образовался нейтрон и положительно заряженный электрон — позитрон. Позитрон обнаруживается в опыте, встречаясь с электроном он исчезает вместе с электроном + ® g 2 Реакция называется аннигиляцией электронно-позитронной пары в результате образуются два фотона, которые фиксируются специальными счётчиками. Ещё одна присущая всем элементарным частицам особенность наличие у каждой частицы двойника — античастицы. Если частица электрически заряжена, то античастица несёт противоположный по знаку заряд. Существуют античастицы и у незаряженных частиц. При встрече взаимодействие частицы и античастицы приводит к их аннигиляции, тек исчезновению, превращению в фотоны или другие частицы. В настоящее время античастицы обнаружены почти для всех известных частиц, в том числе получены антипротон и антинейтрон. Получен даже атом, состоящий из античастиц, — антигелий, так что в принципе можно говорить о возможности существования антивещества. Соединение вещества с антивеществом должно привести к переходу вещества в полек аннигиляции вещества в рамках законов сохранения энергии, импульса, электрического заряда при этом выделяется энергия, эквивалентная массе покоя mc 2 4. Далее следует заполнить и расшифровать таблицу Обсуждаются размеры частиц. По современным данным, фотоны и лептоны не обнаруживают в опытах протяжённости и внутренней структуры. В этом отношении их можно отнести к истинно элементарным (первичным) частицам. Мезоны и барионы имеют размеры порядкам. Опыты по рассеянию на них электронов очень высокой энергии, подобные опытам Резерфорда, приводят к выводу о наличии внутренней структуры мезонов и барионов. Можно сказать, что они не элементарны, а состоят из субэлементарных частиц, получивших название «кварки». Мы не затрагиваем при изучении элементарных частиц второе макроскопическое поле, существующее в природе, — гравитационное. Теоретически установлено, что на микроуровне оно состоит из квантов поля, называемых гравитонами. Это, как и фотоны, частицы без массы покоя и заряда. Однако гравитон экспериментально не обнаружен Домашнее задание § Урок 3. Движение и взаимодействие элементарных частиц Задачи урока ознакомить с типами фундаментальных взаимодействий, раскрывая их особенности и отличия друг от друга дать представления о механизме и переносчиках взаимодействия установить связь типов взаимодействий с классами элементарных частиц. Ход урока Учащиеся знают об основных (фундаментальных) силах природы гравитационных и электромагнитных. При изучении ядра подчёркивалось, что ядерные силы, соединяющие нуклоны в прочное ядро, не сводятся к электромагнитным или гравитационным, а являются самостоятельным типом фундаментальных сил. При знакомстве с элементарными частицами на предыдущем уроке учащиеся узнали о взаимодействиях между элементарными частицами, в результате которых происходят их взаимопревращения, были рассмотрены и классы элементарных частиц. Для объяснения нового материала потребуется наличие у учащихся представлений о нестабильности элементарной частицы и её самопроизвольном распаде с образованием других частиц, о реакциях с элементарными частицами в результате их взаимодействия. Эти вопросы надо повторить при опросе 252 II. Изложение нового материала. Рассмотрим, в чём состоит взаимодействие элементарных частиц, как оно происходит, к каким результатам приводит Взаимодействие микрочастиц приводит к изменению их энергии и импульса, к превращению одних частиц в другие в реакциях с элементарными частицами. Взаимодействие ответственно и за образование сложных систем из более простых микрочастиц атома из ядра и электронов, ядра из нуклонов, барионов и мезонов из кварков. Процессы самопроизвольного распада ядер и элементарных частиц — это тоже результат внутреннего взаимодействия между составными частями ядра или элементарными частицами Как же осуществляется взаимодействие между элементарными частицами Как и чем оно передаётся между частицами на некотором расстоянии? В классической физике предполагалось, что два тела мгновенно действуют друг на друга на расстоянии с некоторыми силами закон всемирного тяготения, закон Кулона. В электродинамике передача взаимодействия уточнена переносчиком взаимодействия является электромагнитное поле (для силы всемирного тяготения гравитационное. Сила действует на тело со стороны поля в точке, где тело находится. В микромире материальные объекты представлены только элементарными частицами. Как же осуществляется взаимодействие между двумя элементарными частицами, находящимися на некотором расстоянии друг от друга, например отталкивание одного электрона от другого, притяжение электронов к протону? Так как, кроме элементарных частиц, на микроуровне строения материи нет никаких других материальных объектов, то две элементарные частицы, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга, могут взаимодействовать только с помощью третьей, испускаемой одной и поглощаемой другой частицей. Эту третью частицу называют квантом поля данного взаимодействия. Так, квантом известного нам электромагнитного поля является фотон. Он передаёт взаимодействие между электронами, позитронами, протонами и другими заряженными частицами. Квантом поля ядерных сил является мезон (см. таблицу элементарных частиц. При передаче мезонов между нуклонами осуществляется их притяжение на расстоянии 10 –15 м. На большие расстояния мезоны отойти от нуклонов не могут, поэтому макроскопического поля ядерных сил нет Один из важных вопросов физики элементарных частиц и вообще всей современной физики заключается в определении числа основных, или фундаментальных, взаимодействий. Несмотря на разнообразие объектов нашего мира, несмотря на разнообразие проявлений их взаимодействий между собой, существует лишь четыре типа фундаментальных взаимодействий сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. В таблице 51 приведены некоторые характеристики типов взаимодействий Таблица 51 Взаимодействие Интенсивность (относительная) Радиус действия, м Характерное время реакций с элементарными частицами, с Сильное Электромагнитное Слабое Гравитационное 1 10 –2 10 –10 10 –38 10 –15 10 –18 10 –23 10 –20 Радиус действия — это диапазон расстояний, на которых взаимодействие проявляется. Знак бесконечности показывает, что существует макроскопическое поле, взаимодействие имеет место на макроскопических расстояниях. Приведём примеры взаимодействий. Мы уже знаем реакцию распада нейтрона + + она вызвана слабым взаимодействием. Благодаря этой реакции осуществляется распад ядер, а благодаря обратному превращению протонов в нейтроны — процессы термоядерного слияния протонов в ядра атомов более тяжёлых элементов на Солнце, при этом выделяется энергия, питающая всю Солнечную си- стему. За счёт слабого взаимодействия распадаются многие относительно стабильные частицы m ± , p ± , K ± и др. Характерная особенность слабых процессов — участие в них нейтрино. В настоящее время экспериментально открыты переносчики слабого взаимодействия. Ими оказались очень массивные частицы (до 100 масс протона, носящие название промежуточных бозонов W + , W – , Z Такие массивные частицы не могут удаляться от участвующей в слабом взаимодействии элементарной частицы на расстояние, большее 10 –18 м, поэтому в макромире соответствующих слабым взаимодействиям полей нет. (Сейчас установлено, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют на микроуров- не общую природу, ив настоящее время они объединены водно электрослабое взаимодействие.) Гравитационное взаимодействие распространяется на все макротела и микрочастицы, но ввиду малости по сравнению с другими оно при взаимодействии элементарных частиц незаметно. Реакций, происходящих за счёт гравитационного взаимодействия, мы не знаем. В электромагнитном взаимодействии участвуют все классы частиц лептоны, мезоны, барионы, если частицы несут электрический заряд. Мы знаем множество проявлений электромагнитного взаимодействия в макромире и микромире. Так, в микромире электромагнитное взаимодействие приводит к образованию атомов и молекул, к излучению и поглощению света атомами и молекулами. К нему же относится реакция аннигиляции + ® рассеяние фотонов на электронах (эффект Комптона + + ´ g В сильном взаимодействии участвуют мезоны и барионы (общее название — адроны. Лептоны в сильном взаимодействии не участвуют. Ядерные силы — это одно из очень важных проявлений сильного взаимодействия. Нуклоны соединяются в ядрах благодаря сильному взаимодействию. Происхождение ядерного взаимодействия объясняется процессами обмена мезоном — пионом — между нуклонами, прич м возможны четыре типа обмена « p + p 0 , n « n + p 0 , p « n + p + , n « p + Слабое взаимодействие универсально, те. в нём участвуют все элементарные частицы (кроме фотонов. Однако оно мало и незаметно там, где есть электромагнитное и сильное. Существуют процессы с элементарными частицами, в которых не участвует ни сильное, ни электромагнитное взаимодействие они вызваны только слабым взаимодействием. Это прежде всего процессы самопроизвольного распада некоторых микрочастиц относительно долгоживущих (с временем жизни t от 10 –16 до 10 –10 с Во всех взаимодействиях строго выполняются известные нам законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда. Их применяют при расчётах реакций с элементарными частицами. Кроме названных, выполняются и другие законы сохранения. Рассмотрим два новых. Всем барионам присваивается новая характеристика — барионное число (или барионный заряд) +1, антибарионам — –1. Сумма барионных чисел замкнутой системы элементарных частиц сохраняется при всех взаимодействиях. Барионный заряд лептонов и фотонов равен нулю. Всем лептонам приписывается лептонное число (или лептонный заряд) +1, антилептонам — –1. Остальные частицы имеют нулевой лептонный заряд. Сумма лептонных чисел замкнутой системы элементарных частиц сохраняется при всех взаимодействиях. Это значит, что барион не может превратиться в лептон, и наоборот Законы сохранения можно рассмотреть на конкретных примерах при выполнении заданий. Какие из приведённых реакций возможны сточки зрения известных нам законов сохранения + + + + + + – + – + ® n ® n ® µ – e 255 2. Нейтральный пион распадается в результате электромагнитного взаимодействия на два фотона + ® Какой закон сохранения запрещает образование только одного фотона. Почему при аннигиляции электронно-позитронной пары образуются два кванта. Могут ли в реакции с лептонами образоваться только барионы без антибарионов. Почему при реакциях распада, кроме электронов, образуется антинейтрино, ас позитронами — нейтрино 6. При изучении элементарных частиц желательно познакомить школьников с важнейшими экспериментами. Советуем изобразить схемы соответствующих опытов или установок. В заключение урока важно обратить внимание школьников на проблему элементарности элементарных частиц, порекомендовать дополнительный материал, подвести итоги изученного с помощью таблицы 50. Вопросы для повторения почему лептоны называют истинно элементарными частицами Какие законы сохранения применимы к взаимодействию элементарных частиц Взаимодействуют ли кварки? Домашнее задание § 97*, Урок 4. Современная физическая картина мира При наличии мировоззренческих обобщений в разных частях курса урок выглядит как повторение и углубление по форме он может быть проведён как лекция с элементами беседы. Ниже приведём краткий план. Область и объекты физического познания. Школьник рассказывает материал первого урока. Понятие о физической картине мира (ФКМ) как наиболее общей модели материи, движения и взаимодействия типичных объектов. В состав ФКМ как системы знаний входят а) исходные идеи б) представления об области познания в) основные понятия, законы г) основные выводы. Основные понятия, законы, теории современной ФКМ. 4. Мировоззренческие выводы Четыре фундаментальные теории позволяют в целом объяснить все известные явления мира. Домашнее задание Заключение по выбору учителя конкретизация примерами отдельных положений лекции. Урок 5*. Физика и научно-технический прогресс На основе изученного содержания, использованных ранее таблиц, с учётом интересов школьников могут быть предложены 5—7 тем для выступлений. Примеры вклада физики в то или иное направление развития цивилизации обсуждают фронтально Часть ОСНОВЫ АСТРОНОМИИ Для эффективного изучения вопросов астрономии необходимы широкое использование современного иллюстративного материала (хороши ресурсы Интернета, организация самостоятельной деятельности школьников при решении задач, в том числе и на повторение, подготовка докладов и рефератов. Ниже приводится самый экономный вариант планирования учебного процесса. Важно подчеркнуть, что в учебнике материал астрономии хорошо выстроен, изложен содержательно, но кратко, на информационном уровне. Структурирование материала в основном соответствует известной программе Е. П. Левитана. В целом на 8 часов (уроков) по учебнику приходится 11 параграфов. При подготовке занятий желательно использовать книги по преподаванию астрономии известных авторов Е. П. Левитана, Б. А. Воронцова-Вельяминова, А. В. Засова, ЭВ. Кононовича, Е. К. Страута. |