Научно-методический анализ темы школьного курса физики "Ядерная физика и элементарные частицы"

 

Тема

Научно-методический анализ темы школьного курса физики «Ядерная физика и элементарные частицы»

Оглавление

Введение

. Анализ структуры и содержание темы: «Ядерная физика и элементарные частицы»

.1 Основные цели школьного курса ядерной физики

.2 Структура темы «Ядерная физика и элементарные частицы»

.3 Формирование основных видов знаний

.3.1 Состав ядра атома

.3.2 Энергия связи атомных ядер. Ядерные силы

.3.3 Получение и использования радиоактивных изотопов. Ядерный реактор

.3.4 Элементарные частицы

.4 Формирование основных умений и навыков учебной работы учащихся при изучении темы

.5 Формирования познавательного интереса учащихся и развитие творческих способностей по теме «Ядерная физика и элементарные частицы»

. Методические разработки по теме «Ядерная физика и элементарные частицы»

.1 Урок изучения нового материала «Строение атомного ядра. Ядерные реакции»

.2 Урок решения задач по теме «Строение атомного ядра. Энергия связи ядер»

.3 Урок контроля знаний

.4 Урок - конференция по теме: «Атомная энергетика: проблемы экологии»

Заключение

Литература

Введение

«Мельчайшие частицы материи слепляются в результате сильнейшего притяжения, образуя частицы большего размера, но уже менее склонные к притяжению; многие из этих частиц могут опять слепляться, образуя ещё большие частицы с ещё большие частицы с ещё меньшим притяжением друг к другу и так далее в разных последовательностях, пока эта прогрессия не закончится на самых больших частицах, от которых зависят уже и химические реакции и цвет естественных тел, и, которые образуют, наконец, тела ощутимых размеров. Если так, то в природе должны существовать посредники, помогающие частицам вещества близко слепляться друг с другом за счет сильного притяжения. Обнаружение этих посредников и есть задача экспериментальной философии».

И. Ньютон

Ядерная энергия играет исключительную роль в современном мире: ядерное оружие оказывает влияние на политику, оно нависло угрозой над всем, живущим на Земле. А пока человечество стремится утолить свои непрерывно растущие потребности в энергии путем беспредельного развития ядерной энергетики, радиоактивные отходы загрязняют нашу планету. В действительности жизнь на Земле всегда зависела от ядерной энергии: ядерный синтез питает энергией Солнце, радиоактивные процессы в недрах Земли нагревают ее жидкое ядро и влияют на подвижность материковых плит. Ядерная энергия выделяется, во-первых, при радиоактивном распаде и делении атомного ядра, а во-вторых, в процессе синтеза - слияния легких ядер в более тяжелые.

Основная цель данной работы заключается в рассмотрении и анализе методике изучения темы: «Ядерная физика и элементарные частицы»

Основные задачи для достижения поставленной цели:

.Изучить литературу по теме «Ядерная физика и элементарные частицы»

.Описать особенности изучения темы «Ядерная физика и элементарные частицы»

.Разработать методические материалы для применения в учебной работе по физике.

1Анализ структуры и содержание темы: «Ядерная физика и элементарные частицы»

.1Основные цели школьного курса ядерной физики

.Освоение теоретических знаний по курсу «Ядерная физика»

.Изучить основные понятия и законы физики ядра.

.Овладение умениями применять полученные знания для объяснения природных процессов, принципа действия современных реакторов и приборов для регистрации элементарных частиц, для решения задач по данному курсу физике.

.Развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей, навыков самостоятельной работе с информацией, использование информационных технологий для моделирования физических процессов.

.Воспитание убежденности в том, что все природные процессы возможно объяснить при помощи физики, математически смоделировать физические процессы, уважения к ученым, сделавшим ключевые открытия в данной области науки, патриотических чувств от открытий сделанных белорусскими учеными.

.Применять полученные знания для решения физических задач, для обеспечения безопасности жизни, рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.[1]

1.2Структура темы «Ядерная физика и элементарные частицы».

В теме «Ядерная физика и элементарные частицы», в соответствии с действующей учебной программой[2], изучаются следующие подтемы:

ØПротонно-нейтронная модель строения ядра атома.

ØЭнергия связи ядра атома.

ØЯдерные реакции. Законы сохранения в ядерных реакциях. Энергетический выход ядерных реакций.

ØРадиоактивность. Закон радиоактивного распада. Альфа- , бета-радиоактивность, гамма-излучение.

ØДеление тяжелых ядер. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор. Реакции ядерного синтеза.

ØИонизирующие излучения. Элементы дозиметрии.

ØЭлементарные частицы и их взаимодействия. Ускорители заряженных частиц.

Проводятся демонстрации, опыты, компьютерные модели:

ØНаблюдение треков в камере Вильсона (компьютерная модель).

ØУстройство и действие счетчика ионизирующих частиц.

ØФотографии треков заряженных частиц.

ØЯдерный реактор.

1.3Формирование основных видов знаний

1.3.1.Состав ядра атома.

Изучение темы целесообразно начать с ознакомления учащихся с составом и свойствами ядра атома. Это позволит изучаемые явления (радиоактивность, ядерные реакции и т. д.) не только описать, но и объяснить.

В начале изложения нового материала напоминают школьникам о явлении радиоактивности (свидетельствующем о сложном строении ядра и нарушившем представление о неизменности атомов) и об открытии в 1910 г. английским ученым Ф. Содди изотопов, наведшем на мысль, что ядро построено из частиц, атомная масса которых равна единице, т. е. из протонов. При этом учитель должен учесть, что с понятиями «изотопы», «атомная масса» учащиеся знакомы из курса химии. В ходе рассказа вводят понятие «массовое число» и напоминают принцип устройства масс-спектрографа, с которым они знакомились в X классе. Можно упомянуть, что ?- радиоактивность наталкивала на мысль, что в состав ядра входят электроны. Однако эта модель оказалась несостоятельной.

Далее сообщают, что в 1932 г. Д. Чедвик открыл новую элементарную частицу - нейтрон, незначительно отличающуюся от протона по массе и не имеющую заряда, что позволило советскому физику Д. Д. Иваненко и независимо от него В. Гейзенбергу предложить протонно-нейтронную модель ядра, общепринятую сегодня. Итак, с современной точки зрения ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре того или иного атома определяется порядковым номером Z элемента в периодической системе Менделеева, а число нейтронов равно разности между массовым числом А и числом протонов Z.

Знакомя с протонно-нейтронной моделью ядра, необходимо конкретизировать ее отдельными примерами и ознакомить с условным обозначением ядер в виде. Например, в ядре гелия Не (порядковый номер 2, массовое число 4) содержится два протона и 2 = 4-2 нейтрона.

Познакомив учащихся с процессом распада нейтрона необходимо рассказать о том, что, хотя свободный протон - частица устойчивая, внутри ядра (заимствуя энергию у окружающих частиц) протон может распадаться на нейтрон и две другие частицы - позитрон и нейтрино.

Рассматривая более подробно свойства протона и нейтрона, вводят современное представление о существовании лишь одной ядерной частицы - нуклона, находящегося в разных зарядовых состояниях: нейтральном (нейтрон) и заряженном (протон), а это дает возможность объяснить механизм ?-распада, не откладывая на конец курса[3].

Еще изучая опыт Резерфорда по рассеянию ?-частиц, учащихся знакомят с такими характеристиками ядра, как заряд и размеры, в этом месте курса физики представляется интересным знакомить школьников с плотностью ядерного вещества. Сделать это нетрудно. Предположим, что ядро состоит из частиц примерно одинакового размера, находящихся на равных расстояниях друг от друга, так что на каждую частицу приходится один и тот же эффективный объем.

Полезно обратить внимание школьников, что плотность ядерного вещества всех ядер одинакова.

1.3.2.Энергиясвязиатомных ядер. Ядерные силы

Большое внимание следует уделять понятиям, энергии связи ядра и удельной энергии связи, ибо это очень важно для объяснения энергетического выхода ядерных реакций. Чтобы учащиеся поняли лучше вопрос об энергии связи, необходимо напомнить им о потенциальной энергии взаимодействия (Земли и тела, электрона и ядра) и рассказать о том, что любые устойчивые системы частиц обладают энергией связи (например, молекула). Однако лишь в ядрах энергия связи достигает больших значений.

Энергия связи ядра, по определению, равна энергии, которую нужно затратить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны без сообщения им кинетической энергии. Эта же энергия (по закону сохранения и превращения энергии) выделяется при образовании ядер.

Внимание учащихся обращают на то, что масса покоя ядра меньше суммы масс покоя составляющих его нуклонов, т. е. энергия связи частиц в ядре - величина отрицательная. Однако часто ограничиваются модулем этой величины и подсчитывают ее по формуле

В ходе объяснения материала целесообразно предложить учащимся самостоятельно рассчитать энергию связи для разных элементов. Для облегчения расчетов надо прежде показать, что дефекту масс в 1 а. е. м. соответствует энергия ?931 МэВ = = 931*106 эВ. Тогда расчет энергии связи ядра производят довольно просто. Например, для ядра гелия

?m=(2mp + 2mn) - mя = (2*1,007276 + 2*1,008665) - 4,002600 = 0,029282 а. е. м. Этому дефекту масс соответствует энергия связи

E= 931 МэВ/а.е.м.*0,029282 а. е. м. ?27 МэВ

На следующем уроке целесообразно предложить учащимся рассчитать удельную энергию связи некоторых элементов и убедиться, что в среднем она равна 8 МэВ/нуклон. Для урана удельная энергия связи имеет меньшее значение (примерно 7,6 МэВ/нуклон). Ядра атомов элементов, находящихся в середине периодической системы Менделеева (например, криптона), наиболее прочны. Их энергия связи близка к 8,7 МэВ/нуклон.

Этот расчет (особенно при наличии микрокалькуляторов) не занимает много времени, если энергия связи этих элементов была подсчитана на предыдущем уроке, но он способствует уяснению графика зависимости удельной энергии связи от массового числа и полезен при объяснении устойчивости элементов, находящихся в середине периодической системы.

При изучении ядра атома необходимо ознакомить учащихся с ядерными силами. Для облегчения усвоения материала целесообразно сравнивать ядерные силы с уже известными электромагнитными и гравитационными силами. Желательно, называя то или иное свойство сил, указывать, из каких опытных фактов оно вытекает.

Приведем план раскрытия этого материала.

. Ядро атома, как известно, состоит из протонов и нейтронов.

Число протонов в ядре разнопорядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева, и, например, для урана заряд ядра равен 92 е. Так как размер ядра очень мал, а кулоновская сила возрастает пропорционально то электростатическая сила отталкивания между протонами в ядре достаточна велика. Между тем ядра атомов - устойчивые образования. Это и заставляет предположить, что между нуклонами в ядре действуют еще другие, ядерные силы, которые способны преодолеть силу кулоновского отталкивания между протонами. Интенсивность ядерных сил в 137 раз больше сил электростатического отталкивания протонов,

.Ядерные силы зарядово-независимы, т. е. взаимодействие протона с нейтроном, нейтрона с нейтроном, протона с протоном примерно одинаково. В этом можно убедиться, рассчитав энергию связи трития и изотопа гелия . Первый из них содержит 1 протон и 2 нейтрона, а второй 2 протона и 1 нейтрон, а общее число взаимодействующих нуклонов равно 3 в каждом ядре. Энергия связи трития 8,49 МэВ, а гелия - 7,72 МэВ; разницу в 0,77 МэВ объясняют кулоновским отталкиванием протонов в ядре гелия.

.Ядерные силы короткодействующие. Они действуют лишь на малых расстояниях (1,5-2,2)*10-15 м. При удалении протона из ядра (как только расстояние между ними становится более 4,2*10-15м) ядерные силы перестают действовать, протон и ядро взаимодействуют между собой лишь с силой электростатического отталкивания.

.Из того факта, что удельная энергия связи не возрастает в ядрах пропорционально числу нуклонов А, следует, что для ядерных сил характерно насыщение, т. е. каждый нуклон взаимодействует лишь с ближайшими «соседями», а не со всеми нуклонами, находящимися в ядре[4].

При изучении свойств ядра полезно учащихся ознакомить с капельной моделью ядра (в ознакомительном плане). Необходимые для этого знания (короткодействие ядерных и молекулярных сил, свойственное обеим этим силам насыщение, плотность вещества одинакова для всех ядер) школьники получили. В дальнейшем капельную модель ядра можно использовать для объяснения деления ядер (на качественном уровне).

1.3.3.Получение ииспользования радиоактивных изотопов. Ядерный реактор

Основным средством получения радиоактивных изотопов являются ядерные реакции. Ядерными реакциями называют превращения атомных ядер, вызванные взаимодействием их друг с другом или с элементарными частицами. Ядерные реакции протекают обычно в два этапа. На первом этапе частица-снаряд проникает в ядро-мишень, в результате чего образуется составное ядро, находящееся в возбужденном состоянии. На втором этапе промежуточное ядро переходит в менее возбужденное состояние и испускает при этом некоторую другую частицу. Продукты ядерных реакций часто радиоактивных[5].

Использованию радиоактивных изотопов посвящают обычно один урок. Его лучше провести в виде конференции, к которой отдельные школьники по заданию учителя готовят небольшие сообщения.

План этой конференции может быть различным для сельских и городских школ.

В сельской школе целесообразно прослушать доклады на следующие темы:

1) Предпосевная радиоактивная обработка семян и ее влияние на урожайность.

)Радиоактивная обработка овощей как средство удлинения сроков их хранения.

)Использование ?-облучения в селекционной работе.

)Использование радиоактивных препаратов для борьбы с вредными насекомыми и болезнями растений[6].

В городских школах можно предложить следующие темы докладов:

1)Использование радиоактивных препаратов в качестве индикаторов протекания технологических процессов (метод «меченых атомов»).

)Гамма-дефектоскопия.

)Радиоактивные измерительные приборы (уровнемеры, плотномеры, толщиномеры и т. д.).

)Радиационно-химическая обработка материалов с целью придания им заданных свойств и создания новых материалов (древесной пластмассы, прочных защитных покрытий, изоляционных пленок и т. д.)[6].

Докладчиков консультируют и рекомендуют им литературу. Можно использовать публикации из раздела «Новости науки и техники» журнала «Физика в школе»[7]. Каждый из докладчиков должен проиллюстрировать свое сообщение хотя бы одним подробно рассмотренным примером (с использованием поясняющего рисунка, схемы и т. д.). В качестве иллюстративного материала можно использовать отдельные кадры презентации «Этот мирный добрый атом» и кинофрагмент «Применение радиоактивных изотопов».

В подготовке конференции принимают участие все учащиеся класса. Поэтому целесообразно дать общее задание классу: о каких новых применениях радиоактивных препаратов вы читали в последнее время в периодической печати? Как радиоактивные препараты используют в медицине?

Результат проведения этой конференции - убеждение учащихся в широком использовании радиоактивных изотопов, понимании перспективности этих методов и принципов действия радиоактивных приборов и сущности технологических процессов, ведущихся с использованием радиоактивных материалов.

Ядерный реактор (физические основы ядерной энергетики)[8]. Для понимания физических основ ядерной энергетики учащиеся должны усвоить, что:

) реакция деления тяжелых ядер энергетически выгодна, так как удельная энергия связи для них примерно на 1 МэВ меньше удельной энергии связи элементов, находящихся в середине периодической системы. Поэтому наблюдается самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана, но вероятность его мала;

2)при попадании в ядро урана теплового нейтрона процесс деления становится более вероятным;

)механизм деления ядра может быть понят на основе капельной модели ядра;

)при делении ядер урана выделяется колоссальная энергия: 1 МэВ на каждый нуклон или ?200 МэВ на каждый атом урана, а при полном делении ядер 1 г урана 2,3*104 кВт*ч (8,3*1010 Дж);

)при делении ядер урана, кроме ядер-осколков, образуются два-три нейтрона; это приводит к тому, что реакция становится цепной;

)увеличение массы урана (или другого ядерного горючего) до размеров критической массы приводит к взрыву;

)труднее осуществить управляемую цепную реакцию. Для этого требуется замедлить нейтроны, появляющиеся в процессе реакции; обеспечить защиту обслуживающего персонала от мощного излучения, источником которого является урановая среда; разработать систему охлаждения, научиться управлять ходом реакции и решить ряд других важных проблем.

Устройство, в котором поддерживается управляемая цепная реакция, называют ядерным или атомным реактором. Схему устройства двухконтурного ядерного реактора учащиеся должны знать.

Ядерный реактор - составная часть атомных электростанций. При объяснении устройства и работы атомных электростанций используют настенную таблицу «Атомная электростанция». При рассказе подчеркивают, что АЭС обладают следующими преимуществами: они «сжигают» мало горючего и имеют большую мощность (до 1-2 МВт на один реактор). КПД их, как и любых тепловых станций, сравнительно невысок (не превышает 40%).

В заключение рассказывают учащимся о перспективах ядерной энергетики, о мощности построенных и строящихся АЭС, о реакторах на быстрых нейтронах, о термоядерных реакторах, о последовательной борьбе Советского правительства за запрещение ядерного оружия.

1.3.4.Элементарные частицы

В процессе изучения курса физики, особенно последнего его раздела, учащихся знакомили со многими элементарными частицами: фотоном, электроном, протоном, нейтроном, нейтрино и др. На данном этапе обучения задача состоит, прежде всего, в том, чтобы повторить и обобщить свойства уже изученных элементарных частиц. Обобщение можно провести по трем их свойствам: массе, электрическому заряду и среднему времени жизни, так как другие характеристики элементарных частиц (спин, магнитный момент) в средней школе не изучают.

При обобщении выделяют три группы частиц.

К первой группе относят фотон - стабильную частицу, не имеющую ни массы покоя, ни электрического заряда. Фотон - квант электромагнитного взаимодействия. Вторую группу составляют легкие частицы - электрон и нейтрино (для электрона указывают значение массы и заряда; масса нейтрино, по последним научным данным, отлична от нуля, но численное ее значение точно не установлено), а третью группу - тяжелые частицы: протон и нейтрон. Все эти частицы стабильны (или квазистабильны), как нейтрон, время жизни которого составляет (898±16) с - величина огромная для области микромира. Они являются тем «материалом», из которого построены атомы вещества, либо осуществляют взаимодействие между заряженными частицами (фотон).

Кроме них, в науке известно большое число (около 400) других элементарных частиц. Их получают в научных лабораториях с помощью очень мощных ускорителей (мощность электронных ускорителей достигает 35 ГэВ, протонных - 500 ГэВ). Учащимся напоминают принцип устройства ускорителя и объясняют, что при соударениях мощных потоков частиц с ядрами «мишени» (или потоков частиц между собой) получают вторичные пучки, содержащие ранее неизвестные атомные ядра и элементарные частицы. Некоторые элементарные частицы обнаружены во вторичном космическом излучении.

Из числа открытых в научных лабораториях частиц интерес для учащихся представляют прежде всего античастицы. Античастицы обладают той же массой, что и соответствующие им частицы, равным, но противоположным по знаку зарядом. Первой открытой античастицей был позитрон - двойник электрона, имеющий то же значение массы, но положительный заряд. Ныне получены в лабораторных условиях антипротон, антинейтроны, а также атомы легких элементов, состоящие из антипротонов, антинейтронов и позитронов (антиводород и др.). Единственная частица, не имеющая своего двойника, - фотон. Все античастицы в пустоте стабильны. Однако взаимодействие античастиц с частицами приводит к их взаимному уничтожению и рождению других частиц.

Например, взаимодействие электрона и позитрона приводит к рождению двух (иногда трех) ?-квантов: e- + e+=2?.

Соответственно взаимно уничтожаются протон и антипротон, нейтрон и антинейтрон, рождая при этом другие частицы. Наша Вселенная состоит из элементарных частиц, античастиц в ней мало. Все остальные элементарные частицы (а их большинство) - крайне нестабильны. Рождаясь в научных лабораториях, они быстро распадаются на стабильные частицы. Среднее время жизни наиболее нестабильных частиц 10-24 с.

Целесообразно ознакомить учащихся с классификацией элементарных частиц. Их делят на три группы. Одни из них, как нуклоны, способны к сильным взаимодействиям. Это пионы, каоны, мезоны, гипероны. Вместе с нуклонами они образуют группу адронов. Вторую труппу составляют частицы, не участвующие в сильном взаимодействии; их шесть: электрон и электронное нейтрино, мюон и мюонное нейтрино, таон и таонное нейтрино.

Третья группа частиц - переносчики взаимодействия. Согласно современным научным представлениям, подобно тому, как электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством обмена фотонами, сильное взаимодействие осуществляется посредством обмена глюонами, гравитационное - с помощью гравитонов, а слабое взаимодействие с помощью промежуточных бозонов. Существование глюонов и гравитонов предсказывают теоретически, экспериментально они еще не обнаружены.

Учащимся можно также рассказать о том, что по данным современной науки истинно элементарными являются электрон и частицы его группы. Адроны (частицы первой группы) состоят из более мелких элементарных частиц - кварков. Кварки имеют дробный заряд -1/3 и +2/3 элементарного заряда е0. Имеются шесть видов кварков, различающихся между собой по массе. Существование кварков ныне также предсказывает теория, но экспериментально они не обнаружены.

Одно из существенных свойств элементарных частиц их способность к взаимным превращениям. Об этом свойстве элементарных частиц упоминалось неоднократно. В качестве конкретных примеров превращений частиц достаточно рассмотреть реакции распада протона и нейтрона, реакцию аннигиляции электрона и позитрона.

1.4Формирование основных умений и навыков учебной работы учащихся при изучении темы

Исходя из действующей программы по физике[1], учащийся должен:

иметь представление:

Øо влиянии ионизирующих излучений на живые организмы;

Øоб использовании ионизирующих излучений;

Øо дозиметрах;

Øо ядерном синтезе;

Øо ядерных частицах и их взаимодействии;

Øоб ускорителях заряженных частиц;

Øо достижениях белорусских ученых в области ядерной физики и физики элементарных частиц;

знать и понимать:

Øсмысл физических понятий: протонно-нейтронная модель ядра, ядерная реакция, энергия связи, дефект масс, энергетический выход ядерной реакции, период полураспада, цепная ядерная реакция деления;

Øсмысл физических явлений и процессов: радиоактивность, радиоактивный распад, деление ядер;

Øсмысл физических законов: радиоактивного распада, сохранения в ядерных реакциях;

уметь:

Øобъяснить принцип действия ядерного реактора;

владеть:

Øпрактическими умениями: решать качественные и расчетные задачи на определение продуктов ядерных реакций, энергии связи атомного ядра, энергетического выхода ядерной реакции, периода полураспада радиоактивных веществ с использованием законов сохранения электрического заряда и массового числа, формулы взаимосвязи массы и энергии.

1.5Формирования познавательного интереса учащихся и развитие творческих способностей по теме «Ядерная физика и элементарные частицы»

Среди множества идей, направленных на совершенствование учебного процесса, идея формирования познавательных интересов учащихся является одной из самых значимых.

Познавательным интересом называют избирательную направленность личности, обращенную к области познания, к ее предметной стороне и самому процессу овладения знаниями.

Интерес учащихся к физике ядра складывается из интереса к явлениям (радиоактивность, деление ядер и прочие), фактам и законам окружающего мира, из стремления познать их сущность на основе теоретического знания, их практического значения и желания овладеть методами познания - как теоретическим, так и экспериментальным.

Можно предположить действие такой схемы воспитания у учащихся увлечения учебным предметом: от любопытства - к удивлению, от него - к активной любознательности и стремлению познать предмет или явление и далее - к прочному знанию и научному поиску.

Очень большое влияние на формирование интересов учащихся оказывают формы организации учебной деятельности (конференции, уроки экскурсии и т.д.). Четкая постановка познавательных задач урока, использование в учебном процессе разнообразных самостоятельных работ, творческих заданий (построений моделей атома и атомного ядра и др.), тестов и т.д. - все это является мощным средством развития познавательного интереса. При такой организации учебного процесса учащиеся переживают целый ряд положительных эмоций, способствующих поддержанию и развитию их интереса к предмету.

Развитие интереса к физике и усиление влияния учебного процесса на становление личности ученика обеспечиваются различными методическими приемами и средствами, среди которых важное место занимают нестандартно проведенные уроки. В целях формирования познавательных способностей проводятся бинарные уроки. В частности, проводя бинарные уроки (физика - математика, физика - химия) дается возможность учащимся проследить межпредметные связи. На таких уроках ярко проявляются логическая зависимость тем и их взаимодополняемость, что позволяет учащимся возможность в процессе обучения самим увидеть те моменты и аспекты учебного материала, которые при изучении одного предмета не могут быть выражены в достаточной степени четко и определенно. Именно в ходе бинарных уроков виднее всего границы и точки соприкосновения отдельных тем и зависимость общеобразовательных и специальных предметов.

Также не надо забывать оразвитии творческихспособностей личности, заинтересованной в самостоятельном познании окружающего мира. Физика ядра дает учащимся немалые возможности открывать для себя новое, необычное и необыкновенно интересное - то, что непременно привлекает внимание, удивляет и поражает[8].

2Методические разработки по теме «Ядерная физика и элементарные частицы»

При планировании уроков по теме «Ядерная физика и элементарные частицы» необходимо руководствоваться примерным календарно-тематическим планированием по учебному предмету "Физика"[9].

2.1.Урок изучения нового материала«Строение атомного ядра. Ядерные реакции»

Урок изучения нового материала является одним из важнейших уроков всей темы и к его подготовки нужно подходить очень тщательно. От того как учитель преподнесёт новый материал будет зависеть степень его усвоения.

Тема урока: «Строение атомного ядра. Ядерные реакции» (11 класс).

Цель урока: Сформировать представление учащихся о строении атомного ядра. Ввести понятие ядерные реакции и показать их значение для жизнедеятельности человека.

Ход занятия:

1.Организационный момент: приветствие, объявление темы урока, напоминание основных правил техники безопасности в кабинете.

.Объяснение нового материала:

Физика - наука о природе, об окружающем нас мире и о Вселенной в целом. Мир чрезвычайно разнообразен. Но как это ни удивительно, вещество звезд точно такое же, как и вещество, из которого состоит Земля. Атомы, слагающие все тела Вселенной, совершенно одинаковы. Живые организмы состоят из тех же атомов, что и неживые. Но никто до сих пор еще не заглянул внутрь атомов настолько, чтобы понять, что они собою действительно представляют. Однако, большое количество экспериментальных данных дает хорошо работающую модель атома. Многие химические и ядерные процессы могут быть объяснены с помощью простой модели строения атома.

Вспомним, что мы знаем о строении атома:

.Модели атома Дж. Томсона и Э. Резерфорда.

.Модель атома водорода по Бору.

Итак, центральной частью атома является ядро. Представление Резерфорда о центральном массивном ядре, окруженном в основном пустотой, остается незыблемым.

В 1932 году В.Гейзенберг и Д.Иваненко предложили протонно-нейтронную модель ядра. Все ядра состоят из положительно заряженных протонови не имеющих заряда нейтронов. В современной ядерной физике эти частицы объединяют общим названием нуклоны. Они имеют практически одинаковую массу 1 а.е.м. = 1,67 * 10 -27кг, d = 10-12 см, Е = mc2 = 1 а.е.м.*С2 = 931,5 МэВ.

Ядро любого химического элемента может быть описано всего двумя числами:

1.Порядковым номером атома в таблице Менделеева - атомный номер Z.

2.Массовым числом - А.

Z - атомный номер показывает число протонов в ядре, он так же численно равен заряду ядра.

А - массовое число представляет собой сумму числа протонов и нейтронов в ядре.

Число нейтронов обозначается буквой N и может быть вычислено как N = A - Z

В то же время, все атомы одного и того же элемента не обязательно содержат одинаковое количество нейтронов. Атомы одного элемента с разным количеством нейтронов называют изотопамиэтого элемента. Например:

Большинство элементов существует в природе как смесь изотопов в разных пропорциях.Если посмотреть в таблицу Менделеева, то мы увидим, что атомные массы химических элементов иногда сильно отличаются от целых чисел. Это означает, что в таблице указано среднее значение массы, с учетом процентного содержания всех изотопов.

А теперь я предлагаю вам на этом этапе нашей работы заполнить карточки «Проверь себя»: (один из вариантов)

1)Известно, что ядро химического элемента содержит 85 протонов и 120 нейтронов. Как называется этот элемент?

2)Заполните пропуски: 12? С; 16?О; 2412? ;108?Аg; 200?Нg; 23892 ?

)Заполните пропущенные клетки в таблице

ИзотопСимволПорядковый номерМассовое числоЧисло нейтроновУглерод - 12126С6126Углерод - 13137Кислород - 16168О816Стронций - 909038Sr3852Йод - 13113153I

Если представить ядро как шарик, внутри которого упакованы протоны и нейтроны, то встает вопрос: Какова природа сил, удерживающих их между собой?

Существование ядер возможно только в том случае, если между частицами действуют силы особой природы. Они не электростатические («+» с «+» отталкиваются). Они не гравитационные (массы частиц очень маленькие). Эти новые силы получили название ядерные силы, порождаемые сильным взаимодействием. Ядерные силы имеют короткодействующий характер и стремятся к нулю, если расстояние между частицами превышает размер ядра. Физики их называют «богатырь с очень короткими руками».

Для того чтобы удалить нуклон из ядра, преодолеть ядерные силы, надо совершить большую работу, т.е. сообщить ядру значительную энергию.

Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные частицы.

Оказывается, что масса ядра всегда меньше суммы масс слагающих его нуклонов. Воспользовавшись уравнением Эйнштейна Е = mc2:

Есв= (Zmp + Nmn - Mя) с2.

В ядерной физике энергию измеряют не в джоулях, а в электрон вольтах (1 эВ - такая энергия у электрона, пролетевшего разность потенциалов в 1В)

Но еще чаще используют понятие удельной энергии, т.к. энергия связи пропорциональна числу частиц в ядре. Рассмотрим график зависимости Есв от массового числа.

В области ядер легких элементов энергия связи растет с ростом номера ядра. В области элементов до железа нуклоны в более тяжелых ядрах связаны сильнее, чем в легких. Поэтому при определенных условиях может протекать ядерная реакция синтеза. Ядерной реакцией называются всевозможные изменения атомных ядер. При реакции синтеза тяжелого ядра из более легких ядер возникает ситуация, когда часть энергии выделяется каким-то образом. Термоядерная реакция слияния ядер водорода. При этой реакции выделяется примерно 25 МэВ энергии. Считается, что этот цикл является главным источником энергии в звездах типа Солнца.

У ядер элементов тяжелее железа энергия связи начинает уменьшаться с ростом номера ядра (это связано с ростом электростатического отталкивания). Поэтому, начиная с некоторого номера, более тяжелые ядра становятся менее стабильными и претерпевают естественный радиоактивный распад.

3.Закрепление полученных знаний:

В конце урока каждому учащемуся предлагается ответить на вопросы теста (один из вариантов):

вопрос: Какое уравнение имеет ядерная реакция для a - распада Pu23894?

Ответы: 1) 238 94 Pu = 234 92 U + a 2) 238 94 Pu = 237 93 Np + a 3) 238 94 Pu = 240 96 Cm + a.

вопрос: Какое уравнение имеет ядерная реакция для b-распада 13153I?

Ответы: 1) 13153 I = 13152Te + b 2) 13153 I = 13154 Xe + b 3) 13153 I = 12750 Sn + b.

3 вопрос: радиоактивный изотоп тория 23290 Th , испытывая шесть a - распадов и четыре b - распада, превращается в стабильный изотоп элемента Х. Чему равны заряд Z и массовое число А этого изотопа?

Ответы: 1) Z = 78, А =212; 2) Z = 82, А = 208; 3) Z = 78, А = 208.

вопрос: Какое соотношение из приведенных ниже справедливо для полной энергии свободных протонов Е р, свободных нейтронов Е nи атомного ядра Ея, составленного из них?

Ответы: 1) Е я < Е р + Е n 2) Е я= Е р + Е n 3) Е я> Е р + Еn

вопрос: Какое из трех типов излучений ( a, b , g ) не отклоняетсямагнитными и электрическими полями?

Ответы: 1) a ; 2) b ; 3) g .

4.Подведение итогов урока:

Подводятся итоги урока и выставляются оценки за работу на уроке.

5.Домашнее задание.

2.2.Урок решения задач по теме «Строение атомного ядра. Энергия связи ядер».

Решение задач в процессе обучения физике имеет многогранные функции- это средство осознания и усвоения изучаемых понятий, явлений и закономерностей, средство отработки знаний и формирования умений применять их на практике, средство повторения пройденного, способ связи курса физики с жизнью и производством во всех его разновидностях, средство создания проблемных ситуаций, предваряющих рассмотрение нового раздела или вопроса. Оно имеет, кроме перечисленных обучающих функций, и ряд воспитывающих: учит трудиться, быть целеустремленным и самостоятельным, творчески активным.[10]

Цели:

Образовательная цель: обобщить и закрепить у учащихся знания о строении атомного ядра, энергии связи ядер.

Воспитательная цель: воспитание устойчивого познавательного интереса к физике.

Развивающая цель: развитие восприятия, памяти, формирование знаний о строении атомного ядра, энергии связи ядер.

Структура урока.

1.Организационный момент - 3 минута.

2.Актуализация знаний - 5минут.

3.Решение задач - 25 минут.

.Самостоятельная работа- 10 минут.

.Домашнее задание - 2 минуты.

Ход урока:

.Проверка присутствующих; настройка на работу.

.Предлагаем вспомнить основные понятия и формулы, которые пригодятся на сегодняшнем уроке.

.Задача 1. Каково строение ядра атома магния? Алюминия?

Решение:

)Ядро состоит из протонов и нейтронов. Заряд ядра обусловлен количеством протонов в ядре, следовательно, он равен порядковому номеру элемента Z.Из символической записи атома магния () следует, чтоZ= 12. Таким образом, в ядре атома магния 12 протонов. По массовому числуА определяют количество нуклонов - сумму протонов и нейтронов. Количество нейтронов в ядре:N= A - Z.

Ядро атома магния состоит из 24 нуклонов(А = 24), нейтронов в ядре магния: 24 - 12 = 12.

)Из символической записи ядра атома алюминия следует, что ядро атома алюминия состоит из 27 нуклонов(А = 27), 13 протонов (Z = 13) и 14 нейтронов (N=A-Z=27-13).

Ответ: В ядре магния: Z = 12 - протонов,N = 12 - нейтронов. В ядре алюминия: Z= 13 - протонов, N =14 - нейтронов.

Задача 2. Чем отличаются ядра изотопов кислорода и ?

Решение:

Используя символическую запись изотопов кислорода, определим число протонов и нейтронов. изотопы кислорода и . Видно, что число протонов в их ядрах одинаково и равно восьми (Z = 8), а число нейтронов соответственно равно

Следовательно, ядра этих изотопов отличаются числом содержащихся в них нейтронов.

Ответ:.

Задача 3 . Вычислите дефект массы ядра кислорода.

Решение:

Дефект массы ядра равен

Из символической записи элемента следует, что A=17 и Z=8, то есть в состав ядра кислорода входит8протонов и 9 нейтронов: N = A - Z = 17-8=9. Тогда выражение для дефекта масс можно записать

=.

Подставим значения массы протона, нейтрона и ядра кислорода.кг.

Ответ:кг.

Задача 4 . Найти энергию связи ядра изотопа магния .

Решение:

Энергия связи ядра

где - дефект массы ядра.

Отсюда

Сравнивая символическую запись изотопа лития с обозначением видим, что А = 7 и Z = 3, то есть в ядре изотопа лития 7 нуклонов, из них 3 протона и 4 нейтрона (N=A-Z).

Подставив значения А и Z в выражение энергии связи, получим

Дж

Ответ:Дж

4.Задача для самостоятельного решения:

Вычислить дефект массы (в а.е.м.) и энергию связи ядра бора(в МэВ).

Решение:

Дефект массы атомного ядра определяется по формуле

Масса ядраМя = Ма - Zme гдеМа - масса нейтрального атома,те - масса электрона.

Тогда Ма - Zme)

Решение задачи можно упростить, если принять во внимание, что масса атома водорода складывается из массы протона и электрона, тогдаmр+mе=m(), в ядре водорода нет нейтронов, следовательно,

Находим в таблицеm( = 1,00783 а.е.м. Энергия связи. Из символической записи ядра бора следует, что Z= 5; А = 11, то есть ядро атома бора состоит из 11 нуклонов: 5 протонов и 6 нейтронов.

?76,3 МэВ

Ответ:?76,3 МэВ

.Запишите домашнее задание в дневники: конспект; упражнение 30 задачи 1, 3, 4,8*. ст. 314 из учебника В.В. Жилко.

2.3.Урок контроля знаний.

Контроль знаний - это проверка знаний данного ученика, предусматривающая их оценку только по результатам его личной учебной деятельности. Максимально учитываются индивидуальные особенности учащихся. Контроль должен быть объективным, требовательным, без заметных искажений истинной картины знаний ученика. Даже при доброжелательном к ним отношении многие ученики волнуются и отвечают хуже, чем знают, что трудно учесть при выставлении оценки. Контроль должен быть систематическим, регулярным на протяжении всего времени обучения школьника в учебном году. Контроль должен быть всесторонним, охватывать все разделы программы. Систематический учет знаний и умений школьников позволяет своевременно обнаружить пробелы в воспитании, осознании и осмыслении, обобщении и систематизации знаний, применении их на практике….Контроль может быть проведём в форме теста.

Тест на тему«Атомное ядро».

Вариант 1

.Кто предложил ядерную модель строения атома?

.А. Н. Д. Бор;

.Б. М. Планк;

.В. А. Столетов;

.Г. Э. Резерфорд.

.Атомное ядро имеет заряд:

.положительный;

.отрицательный;

.не имеет заряда;

.у различных ядер различный.

.Из каких элементарных частиц состоят ядра атомов всех химических элементов? 1. протон;2. нейтрон;3. электрон.

.1;

.1 и 2;

.2 и 3;

.1 и 3.

.Бета излучение - это…

.электроны, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света;

.электромагнитное излучение большой частоты;

.ядро гелия.

.Произошел самопроизвольный распад ядра. Выделилась или поглотилась во время распада энергия?

.выделилась;

.поглотилась;

.осталась неизменной;

.среди ответов А, Б, В нет верного.

.Какой вид радиоактивного излучения наиболее опасен при внутреннем облучении человека?

.? - излучения;

.? - излучения;

.? - излучения;

.все три одинаково опасны.

.Какое неизвестное ядро Х образуется в результате ядерной реакции

?

.;

.;

.;

..

.При бомбардировке изотопа лития ? - частицами происходит ядерная реакция с испусканием нейтронов и образованием ядра изотопа бора…

. ;

.;

.;

..

.Какую частицу надо вставить вместо Х в ядерную реакцию

1.электрон;

.протон;

.нейтрон;

.? - частицу.

10.Ядро какого изотопа образовалось в результате столкновения ? - частиц с ядром бериллия , если кроме этого ядра продуктом реакции был один нейтрон?

.;

.;

.;

..

Вариант 2

1. Почему радиоактивные препараты хранят в толстостенных свинцовых контейнерах?

.свинец поглощает заряженные частицы;

.свинец отражает заряженные частицы;

.свинец вступает в химическую реакцию с заряженными частицами.

. Изотопы - это…

.элементы с одинаковым химическим составом и одинаковой атомной массой;

.элементы с различным химическим составом, но одинаковой атомной массой;

.элементы с одинаковым химическим составом, но с различной атомной массой.

.Нейтрон - это частица,

.имеющая заряд +1, атомную массу 1;

.имеющая заряд - 1, атомную массу 0;

.имеющая заряд 0, атомную массу 0;

.имеющая заряд 0, атомную массу 1.

.Сколько электронов содержится в электронной оболочке нейтрального атома, если в атомном ядре 20 протонов и 17 нейтронов?

.20;

.37;

.17;

.3.

.В каком приборе происхождение ионизирующей частицы регистрируется по возникновению импульса электрического тока в результате возникновения самостоятельного разряда в газе?

.в ионизационной камере;

.в счетчике Гейгера-Мюллера;

.в сцинтилляционном счетчике;

.в камере Вильсона.

.Ядро состоит из 90 протонов и 144 нейтронов. После испускания двух ? частиц, а затем одной ? частицы, это ядро будет иметь:

.85 протонов, 140 нейтронов;

.87 протонов, 140 нейтронов;

.90 протонов, 140 нейтронов;

.87 протонов, 140 нейтронов.

7.Какое недостающее ядро надо вставить вместо Х в ядерную реакцию? .

.;

.;

.;

..

.Определите количество нейтронов в ядре элемента, получившегося в результате трех последовательных ? распадов ядра тория .

1.144;

.140;

.232;

.138.

.При реакции деления ядер урана 235 выделилось 1,204 ? 1026 МэВ энергии. Определите массу распавшегося урана, если при делении одного ядра выделяется 200 МэВ энергии.

.50 кг;

.0,235 кг;

.235 кг;

.0,5 кг.

10.Какая энергия выделяется при преобразовании ядра атома изотопа гелия из свободных, т.е. не взаимодействующих между собой нуклонов, если массы покоя mp = 1,00814 а.е.м.,

mn = 1,00899 а.е.м., мя = 3,01699 а.е.м.

1.7,58 МэВ;

.7,7 МэВ;

.34,18 МэВ/нуклон;

.7 МэВ/нуклон.

2.4.Урок - конференция по теме: «Атомная энергетика: проблемы экологии»

Нетрадиционные формы урока можно рассматривать как одну из форм активного обучения. Это попытка повышения эффективности обучения возможности свести воедино и осуществить на практике все принципы обучения с использованием различных средств и методов обучения.

Для учащихся нетрадиционный урок-переход в иное психологическое состояние, это другой стиль общения положительные эмоции, ощущение себя в новом качества значит новые обязанности и ответственность.

Такой урок - это возможность развивать свои творческие способности и личностные качества, оценить роль знаний и увидеть их применение на практике, ощутить взаимосвязь разных наук, это самостоятельность и совсем другое отношение к своему труду.

Нетрадиционные формы проведения уроков дают возможность не только поднять интерес учащихся к изучаемому предмету, науке, а так же развивать их творческую самостоятельность, обучать работе с различными, самыми необычными источниками знаний.

Цели:

Образовательные:

·Показать неразрывную связь экологии и экономики, необходимость внимания к экологическим мероприятиям в целях ослабления последствий техногенных катастроф;

·Используя знания разных школьных дисциплин, убедить в обязательности рационального природопользования для сохранения здоровья людей;

·Охарактеризовать различные типы электростанций, в том числе АЭС;

·Выявить положительные и отрицательные стороны ядерной энергетики;

·Раскрыть проблемы и выделить пути их решения.

Развивающие:

·Развивать информационно-коммуникационные компетентности;

·Совершенствовать умения самообразования;

·Развивать умения использовать ИКТ в учебном процессе для поиска информации и представления ее в заданной форме.

Воспитательные:

·Формировать ответственность и самостоятельность при подготовке материалов урока;

·Воспитывать эстетические чувства в процессе оформления и подачи материала.

Задачи:

·Сделать учащихся активными участниками занятия;

·Вовлечь как можно больше ребят в самостоятельную активную познавательную и творческую деятельность;

·Дать материал в сжатой форме, обеспечив при этом максимум наглядности и связать изучаемые явления с жизнью.

Подготовка к конференции

За месяц до конференции учащимся предлагаются темы сообщений, они выбирают и начинают подготовку к выступлению.

Вопросы конференции.

1.Общие сведения об атомной энергетике. Экономические проблемы АЭС.

2.Экологические проблемы АЭС.

.Чернобыльская трагедия.

.Экологически чистые электростанции.

Содержание и основная деятельность

Учитель:

«Так не бывает, чтобы экспериментаторы вели свои поиски ради открытия нового источника энергии или ради получения редких или дорогих элементов. Истинная побудительная причина лежит глубже и связана с захватывающей увлекательностью проникновения в одну из величайших тайн.природы».Э.Резерфорд.

Энергетика - эта отрасль промышленности и народного хозяйства, занимающаяся получением, передачей, преобразованием и рациональным использованием энергии. От нее зависит состояние экономики любой страны. Сегодня проблема энергоснабжения стала одной из приоритетных.[11]

Постигая законы природы и используя научно - технический прогресс в своей практической деятельности, человек становится все более могущественным. Современному человеку все под силу. Но технический прогресс имеет и оборотную, «теневую» сторону - возрастает ущерб, наносимый природе: загрязняется атмосфера, на поверхности морей и океанов появляется губительные для водной флоры и фауны пленки нефти, все меньше остается лесов, некоторые виды техники в состоянии уничтожить на Земле все живое, в том числе и человека. Поэтому в наше время как, никогда раньше, приобретают важность нравственные аспекты использование природных ресурсов. Вопросы экологии, разумного, бережного отношения к природе - среде своего обитания[12].

Учащийся рассказывает доклад на тему«Общие сведения об атомной энергетике. Экономические проблемы АЭС».

Учитель:

Следующим вопросом рассматриваемой темы, является «Экологические проблемы АЭС»(Доклад учащегося).

Учитель:

А сейчас более подробно рассмотрим вопрос о трагедии, произошедшей 26 апреля 1986 года на Чернобыльской атомной электростанции.(Доклад учащегося).

Учитель:

С позиций экологической безопасности страны радиоактивное загрязнение - одна из самых главных угроз. И доля атомных энергетических установок в создании этой угрозы очень значительна. Возможно, мы преувеличиваем, но только один Чернобыль полностью оправдывает наше мнение.(Доклад учащегося на тему «Экологически чистые электростанции»)

Заключение:

Учитель:

Таким образом, развитие ядерной энергетики ставит перед человечеством качественно новые экологические задачи:

применять новые технологии при строительстве АЭС;

необходимо вкладывать деньги в разработку новых, более безопасных атомных реакторов;

применять новые методы захоронения радиоактивных отходов.

Предотвращение быстро надвигающегося эколого-экономического кризиса возможно лишь при переходе к широкому прямому использованию нетрадиционных источников энергии - энергии ветра, приливов, Солнца и внутренней энергии Земли.

Подведение итогов:

Учитель:Большое спасибо нашим специалистам! Большое спасибо всем, кто участвовал в обсуждении, за отличную работу! Надеюсь, в скором будущем из вас получатся настоящие мастера своего дела, умеющие решать глобальные проблемы человечества.

Заключение

В самом конце XIX столетия, занимаясь довольно хорошо известным в то время процессом люминесценции, Беккерель неожиданно наткнулся на совершенно новое явление - радиоактивность. Природа преподнесла исследователю подарок -позволила заглянуть в новый, неизведанный мир субатомной физики. Перед исследователями, которые работали в этой области в XX веке, открылся совершенно иной мир, со своими закономерностями, так не похожий на привычный мир, описываемый классической физикой. Оказалось, что установленные новые законы работают не только на очень малых расстояниях, но и определяют физические явления, происходящие в колоссальных масштабах Вселенной. XX век принес много неожиданностей и вряд ли сегодня мы можем предсказать, что готовит нам век XXI.

Литература

1.Теория и методика обучения физике в школе: Частные вопросы: Учебное пособие для студентов пед. вузов / С.Е.Каменецкий, Н.С. Пурышева и др.: М.: Издательский центр «Академия», 2010. - 384 с.

2.Учебные программы для общеобразовательных учреждений с русским языком обучения. Физика 6-11 классы. Астрономия 11 класс -Минск./Национальный институт образования 2009 г.

.К.В.Даутова. Методика изучения физики в средней школе и ее контроль качественными задачами: учебно - методическое пособие. - Уфа: БИРО. 2011.

.А. И. Бугаев. Методика преподавания физики в средней школе- М.: Просвещение, 1994 г.

.В.В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович .Физика.Учебное пособие для 11 класса с русским языком обучения2-е издание, 2004г.

.[электронный ресурс]//www.minedu.unibel.by

.ДемидоваМ.Ю. ,Засов А.В. Журнал «Физика в школе»,Москва,2006г.

.[электронный ресурс]//www.alsak.ru

.Примерное календарно-тематическое планирование по физике \\Фiзiка: праблемывыкладання. - 2010. - № 5

.Бутиков Е.И., Быков А.А., Кондратьев А.С. Физика в примерах и задачах: учебное пособие.-3-е изд., переработ. и доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит., 1989. - 464 с. с илл.

.Бикаревич Е.Ф. Физические основы ядерной энергетики, XI класс- Фiзiка: праблемывыкладання. - 2012. - № 1

.Зиятдинов Ш.Г. Экологическое образование учащихся в процессе обучения физике: Учебное пособие / Под редакцией профессора, доктора педагогических наук Н.С. Пурышевой. - Москва - Бирск, 2005. - 210 с.

Тема Научно-методический анализ темы школьного курса физики «Ядерная физика и элементарные части

Больше работ по теме: