Методика изучения квантовой оптики в базовой и профильной школах

СОДЕРЖАНИЕ Введение… …………………………………………… …………... ……...3 1. Структура изучения квантово й оптики в школе… …………… …….. 5 2 . Особенности методики изучения квантов ой оптики...........…… ..... .. 7 3 . Методик а изучения вопроса о световых квантах.. ……………........ .10 3.1. Внешни й фотоэффект…………………… .. ……………………... .. . 10 3.2. Эффе кт Комптона…………………………… .. …………………… . 1 8 3.3. Фотоны. Дв ойственность свой ств света…………….. ……………. 21 3.4. П рименение фотоэффекта………… ……………….. ……………… 25 4 . Роль и зн ачение раздела «Квантовая оптика»………..………… … .. 26 Литерат ура……………… ……………………………………………….33 ВВЕДЕНИЕ Место курса физики в школьном образовании определ яется значением физической науки в жизни современного общества, в решающем ее влиянии на темпы развития научно-технического пр огресса. Обучение физике в школе служит целям образования и воспитания л ичности: вооружать учащихся знаниями и умениями, необходимыми для их раз вития, подготовки к работе и пр одолжения образования. В задачи обучения физике входит: а) воспитание учащихся на основе разъяснения роли физики в ускорении нау чно-технического прогресса, раскрытия достижений науки и техники и перс пектив их развития, ознакомления с вкладом отечественных и зарубежных у ченых в развитие физики и техники; б) формирование знаний об экспериментальных фактах, понятиях, законах, т еориях, методах физической науки, современной научной картине мира; техн ики, атомной энергетики, технологии производства и обработки новых мате риалов, с применением физических законов в технике и технологии произво дства; в) формирование умений самостоятельно приобретать и применять знания, н аблюдать и объяснять физические явления, а также умений пользоваться уч ебником, справочной и хрестоматийной литературой; г) формирование некоторых экспериментальных умений: умений пользовать ся приборами и инструментами, обрабатывать результаты измерений и дела ть выводы на основе экспериментальных данных, соблюдать правила техник и безопасности; д) развитие познавательного интереса к физике и технике, творческих спос обностей; формирование осознанных мотивов учения; подготовка к сознате льному выбору профессии на основе тесной связи обучения физике с жизнью. Решение задач образования и развития школьников, подготовки их к труду в озможно лишь при условии усвоении ими основ физической науки. На это нап равлена реализация принципа генерализации учебного материала, такого его отбора и такой методики преподавания, при которых главное внимание у делено изучению основных фактов, понятий, законов, теорий и методов физи ческой науки, обобщению широкого круга физических явлений на основе тео рии. Отсюда вытекает повышение требований к умению учащихся применять о сновные положения науки для самостоятельного объяснения физических яв лений, результатов эксперимента, действия приборов и установок. 1. СТРУКТУРА ИЗУЧЕНИЯ КВАНТОВОЙ ОПТИКИ В ШКОЛЕ Программой п о каждому классу в соответствии с разделами курса определен круг основн ых вопросов, знания которых следует требовать от учащихся. К ним относят ся: а) физические идеи, опытные факты, понятия, законы, которые учащиеся должн ы уметь применять для объяснения физических процессов, свойств тел, техн ических устройств и т. д.; б) приборы и устройства, которыми учащиеся должны уметь пользоваться, фи зические величины, значения которых они должны уметь определять опытны м путем и др.; в) основные типы задач, формулы, которые учащиеся должны уметь применять при решении вычислительных и графических задач; физические процессы, те хнические устройства, которые могут являться объектом рассмотрения в к ачественных задачах. В программе даны примерные нормы оценки знаний и умений учащихся, которы ми необходимо руководствоваться учителю в практической деятельности. Программа предусматривает использование Международной системы едини ц (СИ), а в ряде случаев и некоторых внесистемных единиц, допускаемых к при менению. Распределение учебного времени по темам является примерным. Учителю пр едоставляется право изменять порядок изучения отдельных вопросов внут ри темы, а также использовать по своему усмотрению резервное время, указ анное в программе каждого класса. СТРУКТУРА: Световые кванты , квант овая оптика (II ч) Лекции (3 ч) Фотоэлектрический эффект и его законы. Кванты света. Уравнение фотоэффе кта. Вакуумный и полупроводниковый фотоэлементы. Применения фотоэффек та в технике. Фотон. Корпускулярно-волновой дуализм. Давление света. Опыты Лебедева. Х имическое действие света и его применение. Демонстрации 1. Фотоэлектрический эффект на установке с цинковой пластиной. 2. Законы внешнего фотоэффекта. 3. Устройство и действие полупроводникового и вакуумного фотоэлементов. 4. Устройство и действие фотореле на фотоэлементе. 5. Химическое действие света. Решение задач (4 ч) Письменный зачет (1 ч) Контрольная работа №3 (2 ч) Резерв (1 ч) Лабораторный практикум (10 ч) 2. ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ КВАНТОВОЙ ОПТИКИ Особенности методики изучения данного раздела определяются местом это го раздела в школьном курсе физики и спецификой изучаемого в нем материа ла. Рассмотрим влияние каждого из этих факторов отдельно. Квантовую оптику изучают в конце школьного курса ф изики, причем изучают на количественном уровне впервые. Нигде на протяже нии всего школьного курса физики учащиеся практически не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с дискретностью энергии, со св ойствами ядра атома, с элементарными частицами. Лишь о строении атома и е го ядра школьники получили самые первоначальные представления в базов ом курсе физики и более полные — в курсе химии. Это обстоятельство требу ет от учителя так построить учебный процесс, чтобы при изучении материал а добиваться глубокого и прочного усвоения его учащимися. Необходима пр одуманная работа по закреплению и применению изучаемого материала при решении задач, выполнении лабораторных работ, работе с дидактическим ма териалом и т. д. Пониманию и усвоению раздела способствуют оценочные рас четы, например, длин волн де Бройля, связанных с различными объектами, раз мера ядра, его плотности, энергии связи и т. п. Ныне, когда школы оснащены ми крокалькуляторами и ЭВМ, эти расчеты не занимают много времени, а их резу льтаты часто обладают большой убедительностью. Для повышения качества усвоения материала очень важно опираться на ран ее полученные знания. Например, при изучении правил смещения при радиоак тивном распаде и при изучении ядерных реакций необходимо широко опират ься на законы сохранения массы и заряда. Перед изучением строения атома целесообразно повторить понятие центростремительного ускорения, зако ны Ньютона, закон Кулона, а также те сведения о строении атома, которые уча щиеся получили в базовом курсе физики и при изучении химии. Особенность содержания квантовой оптики также накладывает отпечаток н а методику ее изучения. В этом разделе учащихся знакомят со своеобразием свойств и закономерностей микромира, которые противоречат многим пред ставлениям классической оптики. От школьников для его усвоения требует ся не просто высокий уровень абстрактного мышления, но и диалектическое мышление. Противоречия волна — частица, дискретность — непрерывность рассматривают с позиций диалектического материализма. Поэтому при изу чении этого раздела учителю важно опираться на те философские знания, ко торые имеют учащиеся, чаще напоминать им, что метафизическому противопо ставлению (либо да, либо нет) диалектика противопоставляет утверждение и да, и нет (в одних конкретных условиях — да, в других — нет). Поэтому нет ни чего удивительного в том, что свет в одних условиях (интерференция, дифра кция) ведет себя как волна, в других — как поток частиц. В процессе преподавания квантовой оптики нецелесообразно говорить о с транности микромира, парадоксальности его законов. Это едва ли будет спо собствовать усвоению материала, но может запутать учащихся. Раскрывая с воеобразие законов микромира, отличие их от законов классической физик и, убеждают школьников в естественности этих различий. По этой же причин е с историей становления квантовой механики (насколько трудным, порой му чительным был процесс научного познания микромира) учащихся лучше знак омить лишь после изучения этого раздела. Эта история - еще одно свидетель ство бесконечности процесса познания, относительности истины на каждо м этапе его развития. Она способна убедить школьников в том, что человече ский ум открыл много диковинного в природе и, вероятно, откроет еще больш е. Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процесс е широко использовать различные средства наглядности. Но число демонст рационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень невелико. Поэтому, кроме эксперимента, широко исполь зуют рисунки, чертежи, графики, фотографии треков, плакаты и диапозитивы. Прежде всего необходимо иллюстрировать фундаментальные опыты (опыт Ре зерфорда по рассеянию -частиц, опыты Франка и Герца и др.), а также разъяснять принц ип устройства приборов, регистрирующих частицы, ускорителей, атомного р еактора, атомной электростанции и т. п. При изучении этого раздела широко используют учебные видеофильмы «Фотоэффект», «Фотоэлементы и их приме нение», «Давление света», «Радиоактивность и атомное ядро», «Ядерная эне ргетика в мирных целях», кинофрагменты «Дискретность энергетических у ровней атома (опыт Франка-Герца)», «Природа линейчатых спектров атомов в одорода», диафильмы «Трековые приборы в ядерной физике», «Ускорители за ряженных частиц», «Этот мирный добрый атом», «Строение атома и атомного ядра», а также диапозитивы «Атомное ядро» и настенные таблицы («Атомная электростанция» и др.). Очень большие возможности в данном отношении отк рывает компьютерное моделирование. 3. МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ВОПРОСА О СВЕТОВЫХ КВАНТАХ 3.1. ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕ КТ Фотоэффект, его законы занимают особое место в истории физики. Явление ф отоэффекта было одним из основных среди явлений, исследование которых п ривело к созданию квантовой теории вообще и квантовой теории света в час тности. Фотоэффекту отводят, п оэтому центральное место в начале изучения квантовой оптики. Именно из р ассмотрения закономерностей фотоэффекта обычно в средней школе вводят представление о световых квантах. Сущность явления внешнего фотоэффекта и его главные закономерности за ключаются, как известно, в следующем: под действием электромагнитного из лучения наблюдается испускание (эмиссия) электронов из металлов. Явлени е это практически безынерционно. Число испускаемых электронов определ яется интенсивностью падающего излучения, скорость же вырываемых элек тронов не зависит от интенсивности света и определяется только его част отой. При частоте света меньше определенной (характерной для каждого мет алла) фотоэффект не наблюдается. Эти закономерности были установлены эк спериментально и задолго до создания квантовой теории. Но все попытки об ъяснить их на основе волновых представлений электромагнитной теории с вета терпели неудачу. Обычно в учебной литературе эти закономерности формулируют как два, три (и даже четыре) закона фотоэффекта. Правда, такого строгого деления закон ов на первый, второй, третий (как, например, для законов динамики Ньютона) н е существует. В нумерации законов, их последовательности и числе есть оп ределенный произвол. Формулировки законов приводят как для макропроце ссов (через фототок), так и для микропроцессов (через фотоэлектроны). Приве дем ниже одну из принятых формулировок законов фотоэффекта. 1. Сила фототока насыщения пропорциональна интенсивности света. Количес тво электронов, вырываемых с катода за 1 с, пропорционально поглощаемой з а это время энергии световой волны. 2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частот ой света и не зависит от его интенсивности. 3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая наименьшая частота излучения v 0 , при которой еще возможен внешний фото эффект; значение этой частоты зависит от химической природы вещества и с остояния его поверхности; при частоте излучения, меньшей красной границ ы фотоэффекта ( v < v 0 ), фотоэффект не происходит. 4. Фотоэффект практически безынерционен. Введение новых для учащихся квантовых представлений о свойствах света является непростой методической задачей. Понимание квантовой природы взаимодействия света с веществом «не лежит на поверхности» фотоэффект а, к такому пониманию мы подводим учащихся в результате многоступенчато го логического рассуждения в ходе обсуждения результатов эксперимента . В методике изучения фотоэффекта можно выделить несколько этапов: 1. Знакомство учащихся с самим явлением фотоэффекта. Рассказ об истории е го открытия (Г. Герц). 2. Рассказ о поиске закономерностей этого явления. Исследования А. Г. Столе това. 3. Рассмотрение основных закономерностей фотоэффекта. Показ, вскрытие им еющихся трудностей — невозможность объяснить все законы фотоэффекта с известных уже учащимся позиций (волновой теории света). 4. Выдвижение гипотезы световых квантов. Рассказ о работе А. Эйнштейна. Ура внение фотоэффекта. 5. Объяснение всех закономерностей фотоэффекта с квантовых позиций. 6. Выводы квантовой тёории о природе света. 7. Вакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Применение фотоэффекта в технике. Раскроем основные из этих этапов. К пониманию явления фотоэффекта и его закономерностей лучше всего подв ести школьников с помощью эксперимента. На первом уроке по теме обычно п редлагают серию опытов. 1) Закрепленную на стержне электрометра хорошо очищенную цинковую пласт ину заряжают отрицательно и освещают п отоком ульт рафиолетовых лучей . Наблюдают разряд электрометра . 2) Разряд прекращается, если мы перекрываем поток лучей стеклом. З) Если же сообщить пластине положительный заряд, то при таком же освещен ии разряд электрометра не наблюдается. 4) Разряд происходит тем быстрее, чем больше интенсивность света. 5) Заменив цинковую пластину медной (затем свинцовой), повторяют опыты при тех же условиях (тот же источник света и начальный заряд). Если в школе нет хорошего источника ультрафиолетового излучения и постановка эксперимента на ур оке затруднена, то целесообразно провести объяснение на основе использ ования видеофильма «Фотоэффект», в первых кадрах которого показаны опи санные выше демонстрации. Предложенная последовательность демонстраций (или просмотр кадров вид еофильма) позволяет проводить первый урок по теме методом эвристическо й беседы. В ходе беседы последовательно обсуждают следующие вопросы: почему заря женная пластина может сохранять заряд в течение длительного времени? Ка кими способами можно разрядить пластину? Как объяснить быстрый разряд о трицательно заряженной пластины при ее освещении светом дуги? Будет ли п ри действии ультрафиолетового излучения разряжаться положительно зар яженная цинковая пластина? Почему электрометр не обнаруживает изменен ия заряда в этом случае? Наблюдаем ли мы разряд медной пластины при тех же условиях опыта? Почему прекращается разряд отрицательно заряженной ци нковой пластины, если свет от электрической дуги перекрыть стеклянной п ластиной? Проведенное обсуждение позволяет сделать выводы: 1. Под действием света разряжаются только отрицательно заряженные метал лы. Следовательно, при некоторых условиях свет способен вырывать электр оны из металлов. Это явление называют фотоэффектом. (Здесь же можно расск азать и об истории открытия фотоэффекта.) 2. Разряд начинается одновременно с началом освещения, следовательно, фо тоэффект практически безынерционен. (Точные опыты показали, что время ме жду началом облучения и началом фотоэффекта не превышает 10 -9 с.) 3. Наличие фотоэффекта зависит от рода и обработки освещаемого металла и от спектрального состава излучения, скорость разряда зависит также и от падающей в единицу времени световой энергии. При формулировке выводов приходится избегать понятий «освещенность», «световой поток», так как их по программе общеобразовательной средней ш колы не изучают, а использовать главным образом понятие «энергия светов ой волны» и говорить об энергии, которая за 1 с переносится световой волно й через поперечное сечение, перпендикулярное к направлению распростра нения света (т. е. об интенсивности света). Изучение закономерностей фотоэффекта продолжают на установке, позволя ющей исследовать зависимость силы фототока от приложенного напряжения , интенсивности и спектрального состава излучения. В названном выше виде офильме «Фотоэффект» эта зависимость исследована на установке, подобн ой установке А. Г. Столетова (цинковый диск освещен ультрафиолетовым све том дуговой лампы сквозь латунную сетку; в цепь включен гальванометр и п одано напряжение от аккумуляторной батареи ). На уроке эксперимент проводят с помощью вакуумного фотоэ лемента, для чего собирают установку по схеме, приве денной на рис . Вначале экспериментально устанавли вают существование силы тока насыщения, а затем — его зависимость от ин тенсивности падающего на катод света (первый закон фотоэффекта — закон Столетова). По результатам эксперимента строят графики зависимости сил ы фототока при двух разных интенсивностях света от напряжения U . После этого, освещая фотоэлемент светом определенной частоты, с помощью потенциометра «запирают» фотоэлемент и измеряют запирающее напряжени е, что позволяет определить максимальную скорость вылетающих электрон ов: . Меняя светофильтры, получают при повторении опытов новые данные и убежд ают учащихся в том, что максимальная скорость вылета электронов зависит от частоты падающего света и не зависит от интенсивности света (второй з акон фотоэффекта). Далее приступают к объяснению законов фотоэффекта. Само явление и то, чт о сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающей в единицу вре мени световой энергии - первый закон фотоэффекта, можно объяснить и с вол новых позиций. Объяснение того, почему существует порог фотоэффекта (кра сная граница), почему максимальная начальная скорость (и максимальная ки нетическая энергия фотоэлектронов) не зависит от интенсивности света, а определяется только его частотой (линейно возрастает с частотой), а такж е объяснение безынерционности фотоэффекта не может быть дано на основе волновой электромагнитной теории света. Ведь по этой теории вырывание э лектронов из металла является результатом их «раскачивания» в перемен ном электрическом поле световой волны. Но тогда и скорость и кинетическа я энергия фотоэлектронов должны зависеть от амплитуды вектора напряже нности электрического поля волны и, следовательно, от ее интенсивности, на «раскачку» электрона требуется время, эффект не может быть безынерци онным. Несоответствие экспериментальных фактов сложившейся волновой т еории света доказывало ее несостоятельность и требовало создания ново й теории Далее рассказывают о том, что трудности в объяснении законов фотоэффект а были не единственной причиной создания теории. В 1900 г. М. Планк для объясн ения теплового излучения вынужден был высказать, на первый взгляд, нелеп ую идею, что тело излучает энергию не непрерывно, а отдельными порция (ква нтами). Эта идея противоречила сложившимся представлениям классическо й физики, где процессы и величины, их характеризующие, изменяются непрер ывно. Эту непонятную и поэтому мало кем принятую идею в 1905 г. А. Эйнштейн исп ользовал для объяснения законов фотоэффекта. Он пошел далее М. Планка и у тверждал: свет не только испускается, но и распространяется и поглощаетс я квантами. Иначе говоря, поток монохроматического света, несущий энергию Е , представляет собой поток n частиц (названных позднее ф отонами), каждая из которых обладает энергией hv : . Энергия фото на пропорциональна частоте света. Чем больше частота (меньше длина волны ) излучения, тем большую энергию несет каждый его фотон. Далее Эйнштейн предположил: каждый фотон взаимодействует не со всем вещ еством, на которое падает свет, и даже не с атомом в целом, а с отдельным эле ктроном атома. Фотон отдает свою энергию электрону, а электрон, получив э нергию, вырывается из металла с определенной кинетической энергией. На о снове закона сохранения энергии можно записать следующее уравнение дл я элементарного акта взаимодействия фотона с электроном: , где hv — энергия фотона, A – работа выхода электрона из металла, — максимальная кин етическая энергия, которую может приобрести электрон. После этого объясняют экспериментальные законы фотоэффекта с точки зр ения квантовой теории. Сила фототока насыщения пропорциональна числу э лектронов, вылетающих за 1 с с освещаемой поверхности; интенсивность света — числу ежесекундно пада ющих фотонов. Так как каждый фотон может выбить с поверхности металла ли шь один электрон, то естественно, что сила фототока насыщения (число вырв анных электронов) будет пропорциональна интенсивности света (числу пад ающих фотонов). Важно при этом подчеркнуть, что наблюдают прямую пропорциональность, а н е равенство, так как часть падающих на металл фотонов отражается, а из пог лощенных фотонов не все вырывают из металла свободные электроны. Энерги я части поглощенных фотонов превращается во внутреннюю энергию металл а. Поэтому отношение числа электронов n к числу падающих на металл фо тонов n ф значительно меньше единицы (для чистых металлов примерно в 1000 раз). Далее объясняют, почему наибольшая кинетическая энергия фотоэлектроно в зависит от частоты падающего света, а не от его интенсивности (второй за кон фотоэффекта). Из уравнения Эйнштейна следует: Так как для д анного вещества работа выхода постоянна ( А = const ), то на ибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частот е падающего света. Анализируют случай, когда энергия светового кванта ра вна работе выхода А : и ли Следователь но, вся энергия фотона идет на совершение работы выхода и скорость элект ронов равна нулю. Минимальная (граничная) частота фотоэффекта v 0 рав на А/ h , а максимальная длина волны . При условии v < v 0 и л > л 0 фотоэффекта нет. Это длинноволнова я (красная) граница фотоэффекта. Ее значение зависит только от работы вых ода, т. е. от химической природы металла, и может лежать на любом участке оп тического диапазона. Для каждого вещества есть определенная длинновол новая граница фотоэффекта (третий закон фотоэффекта). Таким образом, уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэ ффекта. Оно позволяет вычислять скорости фотоэлектронов и определять н аибольшую длину волны, при которой еще наблюдается явление фотоэффекта для данного вещества, а также вычислить работу выхода для конкретного ме талла. После анализа уравнения Эйнштейна можно показать, как была осуществлен а экспериментальная проверка этого уравнения. Она состояла в определен ии постоянной Планка из результатов опыта. Так как работа выхода для данного вещества — величина постоянная, то ки нетическая энергия фотоэлектрона является линейной функцией частоты и злучения, падающего на фотоэлемент . Точка В соответствует граничной частоте фотоэффекта, а отрез ок ОС — работе выхода А . Изме рив задерживающее напряжение и определив работу выхода (зная граничную частоту для данного металла), можно по этим данным найти постоянную План ка , , откуда , . Таким образо м, тангенс угла наклона прямой к оси частот равен постоянной Планка, т. е. Для всех металлов этот угол одинаков. При практическом проведении таких измерений встретились большие трудн ости. Первые тщательные измерения постоянной Планка этим методом были в ыполнены в 1915 г. Р. Милликеном. Он получил значение, близкое к тому, какое был о уже известно из теории теплового излучения. В нашей стране в 1928 г. опытами П. И. Лукирского и С. С. Прилежаева была подтвер ждена линейная зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от час тоты падающего света и получено значение постоянной Планка. Для закрепления уравнения Эйнштейна решают задачи на вычисление скоро сти и энергии электронов, красной границы фотоэффекта, работы выхода. 3.2. ЭФФЕКТ КО МПТОНА Формирование представлений о фотоне, начатое при и зучении: фотоэффекта, продолж ают при изучении последующих вопросов курса - э ффекта Комптона, давления света, химического действия света. Особенно важное значение для доказательства квантовых свойств света и меет впервые введенное в программу физики общеобр азовательной средней школы понятие об эффекте Ком птона. До этого данное явление, являющееся решающим подтверждением наличия у фотона импульса, изучалось только на факульта тивном курсе и в классах с углубленным изучением физики. Комптоновский эффект заключается в изменении частоты излучения при ра ссеянии рентгеновских лучей "легкими" веществами (графит, парафин и др.). О собенность этих веществ - относительно слабая связь внешних электронов в атоме с ядрами. Это явление было обнаружено в 1923 г. и подробно исследовано американским физиком А. Комптоном, который установил, что разность част от (длин волн) первичного (падающего) и рассеянного излучения зависит тол ько от угла рассеяния. Интересно отметить, что именно А. Комптон назвал кванты света фотонами. В дальнейшем А. Комптон и независимо П. Дебай теоретически объяснили явлен ия с квантовых позиций, рассматривая рассеяние как результат взаимодей ствия рентгеновских квантов падающего излучения с практически свободн ыми электронами вещества, применяя к этому процессу законы сохранения э нергии и импульса. Полученная зависимость: , где m 0 – масса частицы, на которой происходит рассеяние, прекрасно согласовывалась с э кспериментальными данными. Формулу для изменения длины волны комптоновского рассеяния в школьном курсе не дают, но подходы к ее выводу на основании ра ссмотрения законов сохранения (энергии и импульса) для системы электрон - фотон можно привести. Порядок рассуждений может быть примерно следующим. Объяснить наблюдаемое различие частот первичного и рассеянного излуче ний с волновых позиций не представляется возможным. Действительно, меха низм рассеяния рентгеновского излучения согласно волновой теории свет а можно объяснить только за счет возникновения вторичных электромагни тных волн в результате вынужденных колебаний ("раскачивания") электронов в атомах вещества под действием электрического поля первичной волны. Пр и этом частота рассеянного излучения должна совпадать с частотой перви чного излучения. Если считать поток рентгеновских лучей состоящим из отдельных фотонов, летящих со скоростью света и способных испытывать столкновения с други ми частицами, то следует допустить возможность обмена с ними энергией и импульсом. Рентгеновский фотон с частотой н обладает энергией , массой , импульсом . Энергия электрона д о столкновения m 0 c 2 (где m 0 – масса покоя электрона , так как электрон до столкновения считают неподвижным в данной системе отсчета). При столкновении фотона с электроном происходит передача энергии и имп ульса фотона этому электрону. Электрон приобретает кинетическую энерг ию. Энергия испущенного в результате столкновения фотона меньше началь ной, что приводит к уменьшению его частоты. При элементарном акте рассеяния должен выполняться закон сохранения э нергии и закон сохранения импульса (для системы фотон - электрон, котор ую можно считать изолированной): ; , где m 0 c 2 – по лная энергия неподвижного электрона, m c 2 – полная энергия электрона после ст олкновения с фотоном, – энергия первичного фотона, – энергия фотона по сле столкновения с электроном (рассеянного фотона), и - импульсы первичног о и рассеянного фотонов; - импульс электрона после столкновения с фотоном ( , , ) . Совместное решение этих уравнений, выполненное на основе представлени й о фотоне как частице, способной испытывать столкновения с электроном п о законам релятивистской механики, т. е. с учетом того, что электрон после столкновения приобретает скорость, близкую к скорости света, и его массу рассчитывают по формуле: , дает результ ат, совпадающий с данными эксперимента (с эмпирической формулой Комптон а). Как показывают опыты, каждому фотону, испытывающем у рассеяние на угол ц , сопутст вует появление электрона, движущегося именно с такой скоростью х и под таким углом к направлению пер вичного пучка фотонов, который получается при решении соответствующих уравнений. 3.3. ФОТОНЫ. ДВ ОЙСТВЕННОСТЬ СВОЙСТВ СВЕТА Одна из основных задач учителя при изучении световых квантов и д ей ствий света - ознакомить учащихся со свой ствами фотона и двойственностью свойств света. После изучения фотоэффе кта и явления Комптона обобщают полученные учащимися знания о фотоне и о бсуждают корпускуляр но-волновой дуализм его свой ств . При подготовке к этому уроку школьники повторя ют как уже прой денный до этого материал , так и материал об э лектромагнитных волнах раздела “Электродинамика ”. В ходе беседы учитель подводит их к следующим выводам: 1) Фотон - частица электромагнитного излучения (квант электромагнитного поля). 2) Фотон, будучи квантом электромагнитного поля, существует только в движ ении. Он либо движется со скоростью, равной скорости света в вакууме, либо не существует. Остановить, замедлить и ускорить фотон нельзя, как нельзя увеличить или уменьшить скорость света в вакууме. 3) Эти частицы сравнительно легко могут зарождаться (излучаться) и исчеза ть (поглощаться). Фотоны неделимы. Когда атом испускает или поглощает све т, то это испускание и поглощение происходит только целыми фотонами. Пог лощенный фотон прекращает свое самостоятельное существование, а его эн ергия превращается в какой-либо другой вид энергии. 4) Фотон обладает определенной энергией, массой и импульсом. Энергия фото на . По закону вза имосвязи массы и энергии энергия фотона связана с массой соотношением , следовательно, масс а фотона равна . Масса фотона - мера его энергии. Эту массу нужно рассматривать как полевую массу, обусл овленную тем, что электромагнитное поле обладает энергией. Так как фотон существует только в движении, то у него нет массы покоя. Масс а покоя фотона равна нулю, и в этом принципиальное отличие фотона от част иц вещества. Импульс фотона равен . Импульс - век торная величина. Направление вектора импульса фотона совпадает с напра влением распространения света. Наличие у фотона импульса подтверждает существование светового давления и эффект ом Комптона. Учащиеся должны уяснить, что свет проявляет и волновые и корпускулярные свойства, т. е. он обладает дуализмом свойств. Это находит свое выражение, в частности, в формулах, определяющих корпускулярные характеристики фо тона (энергию, импульс, массу) через частоту: ; ; . В проявлении двойственности свойств света имеется определенная закономерность. Так как энергия отдельного фотона при малых частотах (например, у инфракрас ного света) мала, то для этого диапазона частот корпускулярные свойства проявляются слаб о, а в большей степени проявляются волновые свойства излучения. Интерференцию, дифра кцию, поляризацию такого излучения легко демонстрируют с помощью несло жной аппаратуры, фотохимические же действия обнаружить труднее. При бол ьших частотах (когда энергия отдельного фотона сравнительно велика) кор пускулярные свойства света обнаружить легче. В видимом свете волновые и корпускулярные свойства проявляются примерно в равной степени . Отражение, преломление, давлени е света можно объяснить как на основе волновых, так и на основе корпускулярных представлений. Заметим, что при некоторых условиях в типично волновом явлении обнаружи ваются квантовые свойства света. Например, эти свойства обнаружены в изв естных опытах С. И. Вавилова по квантовым флуктуациям в интер ференционном поле при малых световых потоках. Свои наблюдения флуктуации световых по токов С. И. Вавилов рассматривал как одно из важнейших доказательств ква нтовых свойств излучения. Чтобы учащиеся убедились в этом, полезно предложить им определить часто ту, импульс, энергию фотонов , соответствующих разли чным длин ам волн оптического диапазона. Обсуждение данных поможет школьникам получить более конкретные предст авления о шкале электромагнитных волн и понять, почему в коротковолново й области в большей степени обнаруживаются корпускулярные свойства, а в олновые проявляются слабее. Например, если сопоставит ь излучения двух одинаковых по мощности источников света (кра сного (видимого) и рентгеновского) , то можно увидеть, что энергия фотона рентгеновс кого излучения во много раз больше энергии фотона видимого света и при о динаковой интенсивности плотность фотонов красного света в 1000-100000 раз бол ьше плотности рентгеновского излучения. Из условий равенства интенсивностей следует , где n – чис ло фотонов, проходящих за 1 с через поверхность единичной площади, откуда . Поэтому крас ное излучение проявляется как непрерывное, а рентгеновское – как нечто дискретное. Целесообразно предложить учащимся предсказать, какие (химические, биол огические и др.) действия могут оказывать различные виды излучений. Для подчеркивания дуализма свойств света полезно заполнить таблицу, в которой указаны основные физические величины, отра жающие диалектическое единство дискретности (прерывности) и континуал ьности (непрерывности) материи. При объ яснении особое внимание обращают на рассмотрение формул, объединяющих оба класса величин. Физические величины, испол ьзуемые для описания волновых свойств света Физические величины, использ уемые для описания квантовых свойств света Формулы, объединяющие оба класса физических величин Частота н Период Т Длина волны л = хТ Масса фотона m Скорость фотона c Импульс фотона p = mc Энергия фотона 3.4. ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭФФЕКТА Учащиеся должны знать устройство и принцип - действия двух- фотоэлектрич еских приборов: фотоэлементов, в основе которых лежит внешний фотоэффект, и полупроводниковы х фоторезисторов, основанных на внутреннем фотоэффекте. (Фоторезисторы изучались в IX классе, и их устройство и действие надо лишь повторить. ) Вентильные фотоэлементы не изучают ся; следует, однако, продемонстриров ать их действие на опыте. Надо более или менее подробно остановит ьс я на различных пр именени ях фотореле и использовани и фотоэле ментов дл я воспроиз ведения звука, записанного на пленку. При наличии соответствующ ег о оборудов ания весьма желательно продемонстри р овать также воспроизв едение звука с кинопле нки. П олено показать на уроке учебный кинофильм «Фотоэ ле мент ы и их применение» . Где показывается устройство вакуумно го фо тоэлемента и фотореле, а та кже применение фотореле дл я автоматического счет а изделий , о беспечения безопа сности на резальной машине в типографии и др. Также показано устройство и дейс твие вентильного ф отоэлемента и фототелеграфа. Эт и м ом ент ы можно демо нстрировать в ознакомительном пл ан е. На уроке можно заслушать сообщ ения у чащи хся об отдельных применениях фот оэффекта. 4. РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ РАЗДЕЛА «КВАНТОВАЯ ОПТИКА» Квантовая механика — физичес кая теория, открывшая с воеобразие свойств и законо мерностей ми кромира, установившая способ описания состояния и движения микро частиц. Методы ква нтовой механики находят широкое применение в квантовой электронике, в физике Твер дого тела, современной химии. Ее широко используют в физике высоких энергий, изучающей строен ие ядра а тома и свойства элементарных час тиц. Результаты этих исследований находят все большее при менение в технике. Достаточно вспомнить успехи квантовой теории тверды х тел, выводы которой положены в основу создания новых материалов с зара нее заданными свойствами (магнитн ыми, полупроводя щими, сверхпрово дящими и т.д.), лазеров, ядерных реакт оров. Квантовая физика я вляется более высокой ступ енью познания, нежели классическая фи зика. Она установила ограничен ность мно гих классических представлений. Ныне, к огда ХХ в. под ходит к концу, элементы квантово й физики должны быть включены в школьный курс. Иначе знания, полученные школьниками при и зуч ении курса физики, останутся на уровне X I X в. Пр едставления учащихся о строении и свойствах окружающего мира будут непол ными и неадекватными совре менному научному знанию о них. Однако введение основ квантов ой оптики в среднюю школу — сл ожная м етодическая задача. М ал ая наглядность квантово меха нических объектов (ча стица — волна), сложность математического аппара т а, необычность ис ходн ых идей и понятий квантовой оптики создают методические тру дности. Поэтому вопросы квантовой оптики очень осторожно вводят в школьный курс. Долгое время учащиеся средней школы получали представление лишь о кван товой теории света (на примере фотоэффекта). В конце 40-х гг. в школьный курс включили строение атома. Успехи атомной энергетики привели к тому, что в последующие годы на изучение этих вопросов стали выделять больше времени. Однако объем материала возрастал за счет включ ения в программу полуэмпирического материала (состав ядра, радиоактивн ость, ядерные реакции, примене ние радиоактивных изотопов, цепная реакция деления урана, ядерный реакт ор, использование ядерной реакции в мирных целях). В 1972 г. в программу ввели понятие об элемент а рных частицах. Однако изложение и дей квантовой физики оставалось на прежнем уровне, т. е. ограничивалось к вантовой теор и ей света и посту латами Бора, причем первый вопрос изучался в разделе «Оптика», а второй в разделе «Атом и атомное ядро». Программа общеобразовательной школы усиливает внимание к вопросам ква нтовой физики. Она ввела в школьный курс от д е льный раздел «Квантовая оптика », который включает в себя уже две темы, содержание ко торых значительно обновлено. Есть в о просы о строении атома и квантовых представлениях, пусть на качественном уровне, и в базово м курсе физики. Основные познавательные задачи этого нового раздела - ознакомить учащи хся со специфическими законами, действующими в области микромира, и завершить формирование представл ений о строении вещества, нача тое в базовой школе. Рассмотрим, как решают каждую из этих задач. При изучении вопросов о световых квантах и действиях света школьников впервые знакомят с квантово й идеей. Они узнают, что свет, который в явлениях интерференции и дифракци и ведет се6я как волна, предста вляет собой поток фотонов; энергия фотонов не может принимать произволь ных значений, она дискретна, кр атна некоторой постоянной величине h (постоянной Планка). Корпускулярные свойства света про являются при взаимодействии света с веществом (в фотоэффекте, фотохимических реакциях и т.п.) тем ярче, чем больше энергия фотона. Важным доказательством существования части ц света (фотонов), обладающих опре деленным импульсом, энергией и массой, является эффект Комптона, изучение которого впервые в последние годы пр едусматривает школьная программа. При изучении строения атома по Бору учащиеся узнают, что энергия электро на в атоме также имеет дискретный характер, она квантуется. При изучении строения атома они узнают также, что дуализм свойств присущ не только фо тонам (частицам) света, но и всем элементарным частицам - электрону, протон у, нейтрону и др. Объяснение корпускулярно— волнового дуализма св ойств част иц света и вещества знакомит их качестве нно (без изучения уравнения Шредингера) со своеобразием движения микроч астиц: поведение каждой элеме нтарной частицы описыва е тся вероятностными за конами, для нее нельзя строго ук азать координату и импульс, лиш ено смысла понятие «траектория» и т. п. С вероятностными за кономерностями, действующими в области микромира, учащиеся в стречаются и при изучении з аконов 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 вре мя их жизни. Так постепенно знакомят школьников со своеобразием законов , действующих в микромире: корпускулярноволновым дуализмом свойств ча стиц, дискретным характером их состояний, дискретностью величин (на примере энергии), вероят ностным характером законов. Вторая познавательная задача раздела — раскрыть современ ные представления о строении вещества. В базовом ку рсе физики строение вещества ра ссматривали в осно вном на молекулярном уровне. Молекулярно- кинетиче ская теория объясняла строение и свойства газов (количественно), жидкостей и твердых тел (на ка чествен ном уровне). О строени и атома школьники в базовом ку р се физики получили лишь самые предварительные сведения, дос таточные для понимания таких явлений, как эл ектризаци я, электрический ток. В данном разделе учащихся знакомя т со строением вещества на атомном и субатомном уровне. Вначале они изуч ают строение атома по Резерфорду — Бору, а затем, после обсуждения дуали зма свойств микрочастиц, получают и современные пр едставления о строении атома. Д остаточное внимани е в этом разделе уделяют составу и свойствам ядра атом а (его размеру, заряду, массе, п лотности, эн ергии связи, удельной энергии связи и др.). В конце раздела учащихся знакомят с основными характеристик ами и свойствами элементарных частиц, дают представление о современной их классификации, о роли их в строении веществ а и в п ередаче взаимодействий. Некоторые сведения о ядерной физике теперь да ются и в базовом курсе физики. Раздел «Квантовая оптика » решае т, кроме того, важные задачи политехнического образования. При его изучении учеников зна комят с устройством и принципом действия фотоэлеме нтов, с примерами их использован ия в т ехнике, физическими основами спектрального анализа, работой ядерного р еактора и применением ядерной энергии в мирных цел ях, с использованием радиоактивных изотопов в промышленности, сельскох озяйственном производстве, в науке, медицине. В процессе преподавания этого раздела учитель постоянно должен решать задачу формирования научного мировоззрения учащихся. Для формирования научного мировоззрения учащихся важно убедить их в реальном существов ании таких непосредственно невоспринимаемых органами чувств объектов , как элементарные частицы. Реальность элементарных частиц доказывают т ем, что можно экспериментально измерить их характеристики, предсказать, исходя из свойств частиц, различные ядерные реакции и превращения части ц и не только экспериментально осуществить теоретически предсказанные процессы, но и использовать их в практических целях. Знакомство с элемен тарными частицами дает веское подтверждение принципа неисчерпаемости материи, ибо учащиеся убеждаются в том, что материальные объекты и их сво йства крайне многообразны, элементарные частицы не являются «простыми », они обладают множеством свойств и способны к взаимопревращениям. Корпускулярно-волновой дуализм свойств света и элементарных частиц, вз аимопревращаемость элементарных частиц позволяют раскрыть материаль ное единство мира и диалектическую связь прерывного и непрерывного, а по дчинение всех ядерных процессов основным законам сохранения служит хо рошей иллюстрацией принципа неуничтожимости и несотворимости материи и движения. Качественное своеобразие законов микромира (вероятностный характер закономерност ей, дискретность состояний , от сутстви е траекторий и т. д.) позволяет проиллюстрировать закон перехода количественных изменений в качественные. Вероятн остный характер квантовы х закономерностей глубже раскрывает п ринцип взаимной связи явлений, соотношение между случайным и необходимым . В этом разделе продолжается формирование гн осеологического аспекта мировозз рения. Здесь рассматривают такие важные мировоз з ренческие вопросы, как роль идеальных м оделей в процессе познания реальной дейст вительн ости и пределы их приме нимости. Модель ны е представления используют при рассм отрении строения атома, ядра атома, при раскрытии механизма испускания с вета атомом, пр и объяснении деления ядер и т. п. Как и во всем курсе физ ики, большое внимание при изучении этого раздела обращают на роль опыта в процессе поз нания, на взаимосвязь теории и практики , эксперимен та. Необходимо под черкивать, что теория применима в тех границах, в которых экспериментально подтверждаются вы текающие из нее следствия. Противоречие экспериментальных ф актов теории служит отправным моментом для ее уточнения или создания но вой теории. Например, изучая оптику, учащиеся убедились в том, что явления отражения преломления, интерференции и дифракции хорошо объясняются н а основе теоретических представлений о волновой природе света. Однако в олновая теория света не объясняет все законы фотоэффекта. Необходимост ь объяснения новых экспериментальных фактов привела к созданию кванто вой теории света. Опыт Резерфорда опроверг первоначальную модель атома, предложенную Томсоном, а на смену модели атома Резерфорда пришла теория Бор а, которая лучше согласовы валась с экспериментальными фактами. Ист ория развития учений о свете и о строении атома п озволяе т проиллюстрировать б есконеч ность процесса познания и его диа лектический характер. Соот ношение ме жду абсолютной и отно сительной истиной необходим о обсудить при ознакомлении уча щихся с принципом соответствия. Квантовая оптика является б о лее глубокой физической теорией, ибо она более полн о объясняе т большой круг физи ческих явлений, нежели классическая оптика. Квантовая оптика установила, что ряд представлений класс иче ской оптики не являются абсолютными, они хороши лишь дл макроскопических тел. Но квантовая физика не отрицает полно стью классическую. Она лишь ограничи вает область ее примене ния. Законы классической ме ханики и электродинамики для ма к ротел остаются незыблемыми. Кроме того, в предельных случая х выводы квантовой физики совп адают с результатами классической. При больших квантовых числах дискре тность «смаз ы вается » и процесс становится квазинепрерыв ным. Последний раздел школь ного курса ф изики открывает боль шие возможности для воспитания и развития учащихся. Для раз вития мышления учащихся в этом разделе ш ироко использую такие приемы, как сравнение, систем атизация и классификация . Нап ример, полезно предложить им сравнить свойства жидкосте й и ядра атома. Выяв ление об щих для них свойств об еспечивает лучшее понимание школьника ми капельной модели ядра. Срав нивать мож но также свойства фотона со свойствами других элементарных частиц, свой ства ядер ных сил со свойствами гравитацион ных и электромагнитных сил . Результа ты этих сравнений от ра жа ют в систематизирующи х таблицах, обобщающих получен ныё учащимися знания по соответствую щему вопросу. В конц е изучёния раздела целесообраз но обобщить все полученные знания о строе ни и вещества. Материа л раздела предоставляет большие возможности для организации самостоятельной деятельности учащихс я. Полезн о широко использоват ь периодическую систему Менделеева и предложить им на ее основе самосто ятельно определить состав ядер некоторых элементов, рассчитать для них дефект масс, энергию связи, удельную энергию связи и т. п. Оценочные расчет ы различных параметров микромира, широко используемые в этом разделе, мо гут стать содержанием самостоятельной деятельности учащихся в школе и дома, а анализ полученных в них результатов — хорошая школа развития мы шления учащихся. Этой же цели служит решение задач, которые в данном разд еле носят по преимуществу тренировочный характер и требуют акцента на а нализе полученных данных: полезно сопоставлять энергии связи ядер с эне ргией связи других систем, например молекул; кинетическую энергию -частиц с энерг ией теплового движения молекул; плотность ядерного вещества с известны ми плотностями различных веществ и т. п. Результаты этого анализа позвол яют выпускникам школ лучше понять порядок величин в микромире, осмыслит ь его. В развитие квантовой физики в несли вклад многие выдающиеся отечественные и зарубежные ученые: Э. Резе рфорд, Н. Бор, П. Кюри, М. Склодовская-Кюри, М. Лауэ, Луи де Бройль, В Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак, Э. Шредингер, И. Е. Тамм, О. Ган, Э. Ферми, Л. Д. Ла ндау, В. А. Фок, Д. В Скобельц ы н, А. И. Ал иханов, В. И. Векслер, И. В. Курчатов и многие другие. Изучение их жизни и деят ельност и представляет благодатный ма териал для патриотического и интернационального, а также нрав ственного воспитания учащи хся. Бесконечная преданность науке, трудолюбие до о держимости , научная добросовестность, бескорысти е, понимание своей ответствен ности перед общество м, скромност ь в личной жизни свойственны были многи м ученым. ЛИТЕРАТУРА 1. Ванеев А.А., Дубицкая Э.Г., Ярунина Е.Ф. Преподавание физики в 10 классе средней школы . - М., «Просвещение», 1978 г. 2. Каменецкий С.Е. Теория и методика обучения физики в школе (частные вопросы) . - М., « ACADEMA » , 2000 г. 3. Интернет 4. Бугаев А.И. Методика преподавания физики в средней школе. - М., 1981 г. 5. Вольштейн С.Л ., Качинский А.М. Уроки физики в 10 классе. – Минск, «Народная асвета», 1980г.