Оглавление.
Введение
Глава 1. Научно-методический анализ темы «Явление радиоактивности»
1.1 Трудности в усвоении материала темы
1.2 Содержание физики атомного ядра в курсе современной школы и требования к обязательному минимуму содержания
1.3 Особенности учебных занятий, форм и методов обучения при изучении явления радиоактивности
Глава 2. Изучение вопросов радиоактивности в школьном курсе физики
2.1 Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц
2.2 Открытие радиоактивности
2.3 Альфа-, Бета-, Гамма-излучения
2.4 Радиоактивные превращения
2.5 Закон радиоактивного распада
2.6 Изотопы
2.7 Открытие нейтрона
2.8 Протонно-нейтронная модель ядра
2.9 Энергия связи атомных ядер
2.10 Ядерные реакции
2.11 Ядерный реактор
2.12 Термоядерные реакции
2.13 Получение радиоактивных изотопов и их применение
2.14 Биологическое воздействие радиоактивного излучения
Заключение
Список использованной литературы
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Введение
Радиоактивность - (от лат. radio - излучаю, radius - луч и activus - действенный), самопроизвольное (спонтанное) превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно - изотоп другого элемента).
О актуальности этой темы в школе можно спорить весьма долго. Но в свете последних событий она очевидна. Человечество, на протяжении всей своей истории старается покорить и подчинить природу. Мы научились добывать, перерабатывать и использовать природные ресурсы, но они иссекаемы, и проблема энергетики остается одним из важнейших приоритетов развития человеческой цивилизации. Когда ведущие страны экспортеры газа и нефти признали, что ресурсов этих ископаемых осталось немного, на помощь пришла атомная энергетика. Но спасет ли она Землю от глобальной нехватки энергии или погубит своими разрушительными «побочными эффектами» неизвестно, увы, никому.
История человечества изобилует крупными катастрофами, войнами, трагедиями государственного и всемирного масштабов, но какие крупнейшие вспомнили бы вы? Великую отечественную войну, цунами, землетрясения и скорее всего Чернобыльскую катастрофу. Трагедия на Чернобыльской атомной станции унесла тысячи жизней - число несравнимое с потерями в ВОВ, но затронула многие страны, и десятки миллионов людей. Теперь это Территория Отчуждения, мертвые города, покинутые земли. На их восстановление до состояния пригодного для жизни уйдут тысячи лет. Сейчас лишь редкие экскурсии имею доступ в зоны относительно чистые от заражения. Это, наверное, немалая этическая проблема, показывать и водить экскурсии по мертвым городам, которые когда-то были родинами, родными городами как тысяч людей, кто-то в них вырос, кто-то жил, кто-то потерял родных в этой катастрофе, но возможно ли понять масштаб трагедии не увидев этого своими глазами? Может быть, кто-то под впечатлением от увиденного решит посвятить жизнь решению проблем безопасности атомной энергетики.
11 марта 2011 года произошла трагедия на атомной станции Фукусима-1 в Японии. Специалисты сразу бросились сравнивать масштабы трагедии с Чернобылем, но только 11 апреля признали, что трагедия на Фукусиме-1 уже превзошла Чернобыль. Десятки тонн радиоактивной воды попали в воды Тихого Океана, территории на десятки километров вокруг станции заражены. Тысячи человек погибли и по прогнозам, в ближайшие годы радиация убьет еще 420 тысяч человек в радиусе 200 километров вокруг станции. Япония пережила атомный удар Соединенных Штатов Америки в конце Второй Мировой Войны, но сможет ли она выстоять перед «ударом мирного атома». Население Японии составляет 127 миллионов человек, но площадь территорий страны не позволяет «законсервировать», закрыть зараженные территории, так как это сделала СССР во времена Чернобыльской катастрофы.
Итак, актуальность темы очевидна. Но стоить вспомнить еще один аспект атомной энергетики. Захоронение радиоактивных отходов.
Франция, Англия и Россия перерабатывают ОЯТ, что не решает проблему накопления отходов, а лишь усугубляет ее. Этот процесс позволяет выделять из отработанного топлива такие ядерные материалы, как уран и плутоний. Но переработка сопровождается побочным производством гигантского количества радиоактивных отходов: в результате переработки тонны ОЯТ образуется более 100 тонн отходов различной степени активности. Единственное в России предприятие по переработке ОЯТ с атомных станций - ПО "Маяк" - располагается в Челябинской области, котороемножествораз закрывали и открывали. По государственным оценкам, там накоплено отходов общей активностью 392 миллиона Кюри, что примерно в 8 раз превышает выброс в результате Чернобыльской аварии. Полностью безопасного способа обращения с радиоактивными отходами до сих пор не разработано.Остекловываниерадиоактивных отходов, единственный условно безопасный способ, разработанный в мире, внедрен в виде единственной маломощной установки, построенной по старой технологии. К тому же, установка на "Маяке" уже долгое время не функционирует. В результате, отходы попросту сливаются в озероКарачай, объявленное ООН "самым грязным местом на планете".
Минатом предлагает ввозитьиностранноеОЯТ именно для переработки. По мнению специалистов этого ведомства, можно рассчитывать на 20,000 тонн отходов, а максимальная прибыль от ввоза составит около 20 миллиардов долларов в течении10 лет. Это без учета "побочных" затрат, таких как транспортировка, строительство хранилищ, заводов по переработке и, собственно, обеспечения самого процесса долговременного хранения. Но в реальности никакой переработки просто не состоится - в России на сегодня отсутствуют необходимые мощности. "Маяк" может перерабатывать 400 тонн ОЯТ в год максимум. Таким образом, для переработки того ОЯТ, котороеввезутпотребуется 50 лет. Приплюсуйте к этому те 14,000 тонн ОЯТ, которые накоплены в России. Но необходимо помнить, что Челябинскому "Маяку" более 50 лет и его оборудование изношено, то есть рассчитывать на него нельзя. Строительство нескольких новых заводов по переработке ОЯТ обойдетсявнесколькомиллиардовдолларов каждый, если конечно ставить на них современные системы безопасности, как это делают на Западе. Такое строительство займет несколько лет, в течениикоторых в Россию будут свозить отходы со всего мира. Есть недостроенный завод РТ-2 в Красноярске, который должен был бы перерабатывать ядерные отходы. Но строительство этого завода заморожено почти 10 лет назад фактически в начальной стадии, он не может существенным образом повлиять на ситуацию. Кроме того, показательна судьба этого долгостроя: где гарантии, что новыйамбициозныйпроект Минатома, включающий в себя строительство дорогих хранилищ, заводов по переработке ядерных отходов, печей дляостекловыванияотходов переработки не будет заморожен через несколько лет по экономическим причинам? В этом случае образуется свалка отходов, с которыми ничего нельзя будет сделать, но на безопасноехранениекоторых ежегодно придется тратить огромное количество денег.
Техническая сторона проблемы такова, что на сегодняшний день Минатом просто не имеет технологий для переработки многих видов отработанного топлива. Дело в том, что ОЯТ различается по типам реакторов. Если говорить об ОЯТ с атомных станций России, то "Маяк" может перерабатывать только топливо с реакторов типа ВВЭР-440 и БН-600. В России 5 реакторов таких типов из 29, а в результате за всю историю советской, а затем российской атомной индустрии было переработано не более 10% произведенных ядерных отходов. Этим и объясняется накопление огромного количества ОЯТ - для переработки нет ни мощностей, ни даже технологий. Топливо с реакторов, которые были разработаны за пределами Советского Союза (а они порой принципиально отличаются от реакторов советского дизайна) вообще никогда не перерабатывалось Минатомом, а, следовательно, невозможно высчитать, во сколько это обойдется. Саму техническую возможность такой переработки еще нужно доказать. Только после этого возможно обсуждение изменений одного из самых прогрессивных экологических законов в мире с целью ввоза иностранных ядерных отходов. А на сегодня - это, несомненно, отходы, а не сырье, ведь переработать их невозможно.
В связи с этим, каждый человек должен быть хотя бы условно подкован в теме радиоактивности. Ведь такими темпами скоро всю планету заполонят хранилища, но какими бы защищенными и экранированными они ни были радиационный фон в целом по планете будет все время расти. Защитить себя от радиации невозможно, но знать о ней как можно больше должны все.
Кроме того, в нашей, Смоленской области, проблема радиации остается весьма острой. Ведь в Десногорске, что всего лишь в 120 километрах от Смоленска функционирует атомная станция. Обслуживающий персонал отшучивается «У нас на станции радиационный фон в полном порядке! У нас Роза Ветров хорошая!» Но за этой шуткой скрываются вполне реальные факты того, что станция вполне серьезно «фонит».
Это еще один «голос» за подробное изучение темы в рамках школы.
Рассмотрим действующие программы для изучения радиоактивности в школьном курсе физики.
Глава 1. Научно-методический анализ темы «Явление радиоактивности»
1.1 Трудности в усвоении материала темы
Раздел «Физика атомного ядра» - один из самых трудных в учебной физике. Объективная сложность и необычность изучаемых явлений приводит к значительным затруднениям в усвоении материала. Специфика учебного материала раздела « Физика атомного ядра» заключается в том, что в нем изучаются достаточно сложные объекты - атом и атомное ядро, элементарные частицы. С трудностями сталкиваются и учителя – сложные явления нужно знать и понимать достаточно глубоко, чтобы доступно объяснять их своим ученикам.
В 2004 / 05 учебном году Кохановым К. А. был проведено тестирование учителей физики города Кирова по кругу вопросов, охватывающих явление радиоактивности (естественная радиоактивность, виды излучений, закон радиоактивного распада, правила смещения). В данном тестировании приняло участие 57 человек. Тестирование позволило выявить наиболее сложные для учителей (и соответственно для учеников) вопросы темы «Явление радиоактивности». Ниже приводим содержание теста, в скобках указан процент выбравших указанный ответ в качестве правильного от общего числа опрошенных, правильный ответ помечен * [К. А. Коханов. Физика атомного ядра и элементарных частиц / Физика, 2007, № 7. С. 33].
1. Куда в Периодической системе элементов сдвигается атом, ядро которого претерпевает γ-распад?
А. влево на одну клетку;
Б. вправо на одну клетку; (4 %)
В*. Никуда не сдвигается; (91 %)
Г. это зависит от числа вылетающих γ-квантов;
Д. влево на две клетки.
2. Куда в Периодической системе элементов сдвигается атом, ядро которого претерпевает один β−-распад?
А. влево на одну клетку; (19 %)
Б*. вправо на одну клетку; (70 %)
В. никуда не сдвигается; (2 %)
Г. вниз на одну клетку;
Д. влево на две клетки. (2 %)
3. Что назыается α-распадом?
А. Любые реакции с участием ядер 24Не; (2 %)
Б*. радиоактивные превращения ядер с испусканием α-частиц; (84 %)
В. распад ядер 24Не; (2 %)
Г. верны ответы А и В;
Д. ядерные реакции, происходящие только за счет сильных взаимодействий. (2 %)
4. Из двух изотопов большей стабильностью обладает тот, у которого:
А. больше энергия покоя; (4 %)
Б. меньше энергия связи;
В. больше энергия связи; (39 %)
Г*. больше удельная энергия связи; (49 %)
Д. меньше и энергия связи, и удельная энергия связи. (4 %)
5. Закон радиоактивного распада имеет вид:
А*. N= N02 – t/ T½;(72 %)
Б. λ = Т½; (2 %)
В. Т½ = ln2 / λ; (7 %)
Г. А = Z+ N;
Д. среди предложенных верного ответа нет. (11 %)
6. Какое из излучений обладает наименьшей проникающей способностью?
А*. α-излучение; (91 %)
Б. β-излучение; (2 %)
В. γ-излучение; (2 %)
Г. проникающая способность излучения зависит от источника излучения;
Д. примерно одинакова.
7. В цепочке радиоактивных превращений элемента 92235Uв элемент 82207Pbсодержится несколько α- и β-распадов. Сколько всего распадов в этой цепочке?
Ответ: 11 (7 α-распадов и 4 β-распада). Следует начинать расчет реакции с массового числа, которое может изменяться только в результате вылета α-частицы. (26 %)
В главе 2 данной работы указана методика введения основных понятий, явлений, законов темы «Явление радиоактивности», которая позволит избежать подобных ошибок у учащихся.
1.2 Содержание физики атомного ядра в курсе современной школы и требования к обязательному минимуму содержания
В настоящее время школа является одиннадцатилетней при обязательном девятилетнем образовании, и физика изучается в 7 – 9 классах основной школы (базовый курс) и в 10 – 11 классах средней школы (профильный курс). Базовый курс призван обеспечить систему фундаментальных знаний основ физической науки и ее применений для всех учащихся независимо от их будущей профессии. 10 – 11 классы работают в условиях профильной дифференциации, поэтому изучение физики в различных школах происходит по разным программам. Это могут быть курсы повышенного уровня, курсы прикладного, профильного характера, курсы для гуманитарных классов.
Основными принципами, положенными в основу изучаемых курсов (конечно, кроме основных дидактических принципов), являются принципы гуманизации, гуманитаризации и дифференциации обучения.
В итоге физика должна предстать перед учеником не только как основа техники, но и как элемент культуры. Дифференциация обучения физике дает возможность учитывать способности, склонности и интересы учащихся [Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы / Под ред. С. Е. Каменецкого, Н. С. Пурышевой. 2000, С. 26].
Теперь в школе нет единой программы курса физики и единого учебника; в распоряжении учителя многообразные программы и учебники. На сегодняшний день разработано несколько вариантов программ по физике как для основной, так и для средней школы, рекомендованные Министерством образования. Ежегодно Министерство образования РФ утверждает Федеральный комплект учебников.
Документом, определяющим содержание физического образования, являются требования к обязательному минимуму этого содержания.
В настоящее время в минимум содержания образовательных программ всех естественных дисциплин включаются элементарные знания о методах естественнонаучного познания.
Важнейшие категории научного познания: явления и факты, понятия, законы, теоретические выводы.
Важнейшие методы научного познания: наблюдение, эксперимент, построение гипотез и моделей, вывод следствий и их проверка.
Планирование, проведение наблюдений и экспериментов; фиксация полученных данных и их систематизация в виде таблиц, графиков, диаграмм; интерпретация полученных результатов и формулировка теоретических выводов.
Экспериментальные факты как основа для выдвижения и проверки правильности гипотез, построение моделей процессов и объектов природы.
В обязательный минимум содержания образовательной области «Физика» по образовательному компоненту «Физика атомного ядра» вошли перечисленные ниже категории научного познания [Программно-методические материалы. Физика. 7–11 классы / Сост. В. А. Коровин, Ю. И. Дик. 1999, С. 15].
Явления и факты: рассеяние альфа частиц в веществе (опыты Резерфорда), альфа-, бета-, гамма-излучения атомных ядер, деление и синтез ядер.
Понятия и величины: атом, атомное ядро, изотопы, электрон, протон, нейтрон.
Модели: планетарная атома, протонно-нейтронная атомного ядра.
Практически важные вопросы: влияние радиоактивных излучений на жизнедеятельность человека, положительные и отрицательные аспекты ядерной энергетики.
Курс физики основной школы изучается в течение трех лет. Это курс, в котором изучаются физические явления и законы; учебный материал группируется вокруг физических явлений, которые располагаются в порядке усложнения форм движения материи. Физические теории находят свое место в курсе физики основной школы, но используются в основном не в виде теоретических схем, а для объяснения или предсказания явлений и законов. Это соответствует познавательным возможностям учащихся данного возраста, уровню их абстрактного мышления, подготовке по математике.
Курс физики основной школы завершается изучением физики атома и атомного ядра, радиоактивности и радиоактивных превращений, атомной энергетики.
Одной из наиболее распространенных и устоявшихся является программа, разработанная Е. М. Гутник, А. В. Перышкиным. По данной программе на изучение курса физики в объеме обязательного минимума содержания основного общего образования требуется 3 учебных года при двух уроках в неделю в каждом классе. При этом следует учесть, что материал 9 класса представлен на двух уровнях сложности. Вопросы второго, т. е. более высокого уровня, в программе заключены в квадратные скобки. Материал, заключенный в квадратные скобки, изучается и отрабатывается только при трех часах физики в неделю (при двух часах он может быть использован для реализации дифференцированного обучения). Ниже приводим содержание раздела «Строение атома и атомного ядра» (14 [21] ч), предусматриваемое программой [Программы для общеобразовательных учреждений: Физика. Астрономия. 7-11 классы / Сост. Ю.И Дик, В.А. Коровин, В. А. Орлов. 2004, С. 51].
Радиоактивность как свидетельство сложного строения атомов. Альфа-, бета- и гамма-излучения.
Опыты Резерфорда. Ядерная модель атома.
Радиоактивные превращения атомных ядер.
Протонно-нейтронная модель ядра. Зарядовое и массовое числа.
[Изотопы. Альфа- и бета-распад. Правило смещения.]
Ядерные реакции. Деление и синтез ядер. Сохранение зарядового и массового чисел при ядерных реакциях.
Энергия связи частиц в ядре. Выделение энергии при делении и синтезе ядер. Излучение звезд. Ядерная энергетика. Экологические проблемы работы атомных электростанций.
Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике. Дозиметрия. Фронтальные лабораторные работы:
5. Изучение деления ядра атома урана по фотографии треков.
6. Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям.
Курс, соответствующий этой программе, изложен в опубликованных издательством «Дрофа» учебниках физики А.В. Перышкина (7 и 8 классы) и А.В. Перышкина, Е. М. Гутник (9 класс). Вопросы физики атомного ядра изложены в учебнике «Физика. 9», которые завершают курс физики основной школы.
В соответствии с Законом РФ «Об образовании» старшие классы (10 - 11) средней школы являются профильными. Сегодня для эффективной организации учебного процесса выделено пять основных профилей: физико-математический, биолого-химический, технический, гуманитарный и основной. Рассмотрим программу для общеобразовательной школы, составленную Г. Я. Мякишевым. На изучение физики в 10 – 11 классах отводится 272 часа в расчете на четыре часа в неделю. Квантовая физика является традиционным разделом программы. Квантовая физика (32 часа) включает в себя изучение световых квантов, атомной физики, физики атомного ядра, элементарных частиц, значения физики для понимания мира и развития производительных сил. Обязательный минимум по физике атомного ядра требует рассмотрения перечисленных ниже вопросов [Программы для общеобразовательных учреждений: Физика. Астрономия. 7 – 11 классы / Сост. Ю. И. Дик, В. А. Коровин, В. А. Орлов. 2004, С. 112]:
Методы регистрации элементарных частиц.
Радиоактивные превращения.
Закон радиоактивного распада.
Протонно-нейтронная модель атомного ядра.
Энергия связи нуклонов в ядре.
Деление и синтез ядер. Ядерная энергетика.
Курс, соответствующий программе Г. Я. Мякишева изложен в переработанных и дополненных учебниках для общеобразовательного профиля старшей школы авторов Г. Я. Мякишева, Б. Б. Буховцева, Н. Н. Сотского. Учебники этих авторов заслужили авторитет при использовании их в качестве основных стабильных учебников для старшей школы. В настоящее время они переработаны в связи с утверждением обязательного минимума содержания среднего (полного) общего образования. Появилась дифференциация учебного материала: введены параграфы для обязательного изучения и параграфы для дополнительного чтения [В. С. Данюшенков и др. 2005, С. 7].
Все вышеизложенное свидетельствует о существенном образовательном, воспитательном и развивающем аспектах данного раздела физики и определяет то серьезное внимание, которое должно быть уделено формированию основных понятий и законов физики атомного ядра в основной и средней школе.
1.3 Особенности учебных занятий, форм и методов обучения при изучении явления радиоактивности
Изменение структуры школьного образования привело к переосмыслению роли основной и старшей школы в формировании физической составляющей естественнонаучного образования. По действующей ныне программе все основные разделы физики изучаются в курсе девятилетней школы, а в 10 – 11 классах предполагается обобщение и систематизация знаний с углубленным изучением отдельных вопросов. Курс основной школы утратил роль пропедевтическую, став базовым, а курсы полной средней школы все более разнятся: одни склоняются в сторону общекультурной составляющей (гуманитарный уровень), другие – в сторону профильной (физико-математический, технический и другие уровни).
Современные достижения науки и техники, огромные темпы прироста новой информации определяют пересмотр содержания предметов, изучаемых в школе. Расширение круга вопросов современной физики, изучаемых в школе, ставит в затруднительное положение скорее учителя, чем учащихся. Возможность обсуждения новейших достижений науки в рамках учебного предмета требует от учителя самостоятельного расширения кругозора и использования нетрадиционных технологий обучения [З. Г. Мастропас, Ю. Г. Синдеев. 2002, С.94].
Возрастные особенности учащихся, обширность привлекаемого для обсуждения материала и временные рамки позволяют успешно использовать модульную технологию обучения. Под модулем понимается логически завершенная часть учебного материала, сопровождающаяся контролем [З. Г. Мастропас, Ю. Г. Синдеев. 2002, С.95]. Основой для формирования того или иного модуля служит программа. Поэтому традиционно разрабатываемые модули по содержательной части совпадают с отдельным разделом (темой). Отличие модуля от отдельной темы в том, что в модуле измеряются и оцениваются все виды работы учащихся, а также их входящий, промежуточный и окончательный уровень. Основными частями модуля являются познавательная, призванная формировать теоретические знания, и учебно-профессиональная, формирующая на основе приобретаемых знаний определяемые программой учебного курса умения и навыки. Добиваться оптимального соотношения между этими частями – основная задача педагога. Контрольные вопросы, охватывающие все виды работ по модулю, составляются на основе понятийной базы соответствующего раздела.
Модульная технология обучения позволяет наиболее продуктивно учесть сквозную взаимосвязь курсов естественнонаучного цикла (физики, химии, математики, биологии).
Эта педагогическая технология основана на изложении учителем учебного материала, необходимого для описания целого круга явлений, структурно-целостностными блоками-модулями информации, и на усвоении его учащимися.
Теоретический материал предлагается изучать блоками, сопровождая его постоянной (в том числе и самостоятельной) работой с учебником и составлением обобщающих таблиц. Крупные блоки позволяют видеть ученику материал в целом: от наблюдения и гипотез через актуализацию знаний и собственные исследования до применения.
В программе по физике говорится о том, что, раскрывая физический закон, учащемуся необходимо привести формулировку и математическое выражение закона, опыты, подтверждающие его справедливость, применения закона на практике, а также указать границы его применимости. Такая схема организует учебный материал..
Оптимальной является лекционно-практическая форма обучения с тематическим контролем, оценкой, коррекцией, обобщением и систематизацией знаний [Полищук И. В. Блочно-модульная система изучения физики в старших классах / Физика в школе. 2004, № 7, С.23]. Кроме того, по ходу изучения нового материала учитель должен организовать решение качественных задач.
Количество лекционных занятий по изучению теоретического курса и практических по решению задач приблизительно одинаково. В конце каждого раздела (блока) проводятся обобщение и систематизация знаний. Их формы таковы: защита рефератов или семинар по обсуждению рефератов и докладов учащихся, игра, турнир, дискуссия или демонстрация и объяснение экспериментов.
Лекция представляет собой одну из наиболее распространенных форм учебных занятий. Использование лекций позволяет излагать материал, содержащий достаточно строгие логические доказательства, а также проводить широкие обобщения учебного материала. В ходе лекций учитель неоднократно прибегает к демонстрационному эксперименту, а также постановке различного вида проблемных заданий. Основное достоинство лекции – возможность при относительно небольших расходах учебного времени компактно изложить сложный материал. Но чрезмерное увлечение лекционной формой учебных занятий приводит к уменьшению объема самостоятельной работы учащихся, снижению их познавательного интереса.
Беседа – другая форма работы, где также определяющим является слово учителя. Но если лекция используется при изложении нового материала, то беседа в гораздо большей степени направлена на закрепление знаний. При проведении беседы развиваются такие качества учащихся, как самостоятельность суждений, активность, умение анализировать и оценивать физические явления. Доля самостоятельной работы учащихся при проведении больше, чем при проведении лекции.
Учебник наряду со словом учителя – важнейший источник знаний школьников. При работе с учебником у учащихся складывается определенная система физических понятий, они приобретают навыки самостоятельной работы с книгой, ищут ответы на возникшие у них вопросы. При изучении и закреплении нового материала работа учащихся с учебником должна быть направлена на краткое конспектирование, составление сравнительных характеристик изучаемых физических понятий и явлений, подготовку ответов по заданию учителя. При обобщающем повторении материала работа с учебником состоит в возобновлении в памяти важнейших частей изученного материала.
Работа с учебником должна отвечать принципу генерализации учебного материала, заключающемуся в усвоении учащимися основных физических законов, понятий, теорий, имеющих максимальную ценность при объяснении явлений, экспериментов, принципов работы технических устройств. Выделение в тексте учебника главного, анализ текста, синтез результатов анализа, абстрагирование от второстепенного материала – основные элементы разбора текста учебника. В процессе самостоятельной работы учащиеся обобщают материал, выделяют главное, определяют факты, понятия, законы, теоретические следствия и практические применения, вокруг которых выстраивается весь материал. Так результатом систематизации материала по физике атомного ядра является схема: открытие А. Беккереля → опыт Резерфорда → протонно-нейтронная модель ядра → энергия связи → ядерные реакции → радиоактивность → использование ядерной энергии и радиоактивных излучений → ядерная энергетика (деление ядер и термоядерный синтез) → энергия Солнца и звезд.
Эффективны такие формы работы с учебником как самостоятельный разбор рисунка, чертежа или схемы, анализ графика физического процесса, составление таблиц.
Усвоение курса физики невозможно без решения школьниками физических задач. Задачи, объединенные по способу задания и решения, можно разделить на качественные, вычислительные, экспериментальные, графические, а также задачи, решаемые с использованием правил размерности [А. И. Бугаев. 1981. С. 213].
Велика роль вычислительных задач, так как к окончанию основной и, тем более, средней школы учащиеся обладают уже достаточной математической подготовкой и владеют большим багажом физических знаний. Необходимо предлагать вычислительные задачи, при решении которых нужно использовать несколько действий, проводить определенную логику физических и математических умозаключений. Все же следует избегать чрезмерно громоздких в математическом отношении задач. Решение вычислительных задач не только способствует закреплению физических знаний, но и определяет формирование навыков быстрых и рациональных вычислений. Важно формировать у учащихся навыки оценки порядка величин и приближенных вычислений, а также вычислений с помощью калькулятора.
Качественные задачи занимают особое место при изучении физики атомного ядра, так как физика атомного ядра изучается в основном на описательном уровне. Решение этих задач направлено, на установление качественных зависимостей между изучаемыми физическими явлениями, что способствует развитию логики мышления школьников. Зачастую решение качественных задач вызывает у учащихся трудности, но в тоже время решение этих задач способствует повышению интереса к физике.
Уроки решения задач лучше проводить в виде практикумов по завершении изучения большой темы [И. Ю. Лебедева, В. Е. Фрадкин. Согласованное планирование для старшей школы. Физика, 2005, № 13. С. 37.]. Учитель, организуя практикум, по теме составляет таблицу с номерами задач по подтемам и трем уровням сложности. Первый урок практикума посвящается разбору основных алгоритмов в рамках данной темы. Их применение иллюстрируется задачами второго уровня сложности. Их решения анализируются и записываются в тетрадь. Далее учащиеся решают самостоятельно, а учитель выполняет роль консультанта. После проверки работ выполняется анализ типичных ошибок и решение наиболее трудных задач.
Задачи играют отнюдь не тренировочную роль; они призваны уточнить изучаемые физические закономерности, осознать изучаемые модели и явления, сформировать общие умения получать и преобразовывать информацию, анализировать физическую ситуацию, искать закономерности.
К тому же школьный курс сохраняется экспериментальным. Только грамотно организованное самостоятельное проведение наблюдений, лабораторных работ, экспериментальных исследований позволяет учащемуся осознать физическое явление, его роль и значение для практики. Натурный эксперимент не может быть заменен никакими компьютерными моделями.
Решение экспериментальных задач, наряду с проведением демонстрационного и лабораторного эксперимента, содействуют закреплению знаний, проверке ими изучаемых теоретических положений.
Физический эксперимент в виде демонстрационных опытов и лабораторных работ является важнейшей, неотъемлимой частью преподавания физики. Успех обучения определяется умелым сочетанием изложения теоретического материала с проведением демонстраций и выполнением учащимися фронтальных лабораторных работ и работ физического практикума.
Особенностью раздела «Физика атомного ядра» является обилие фактического материала. Для облегчения работы предлагается использовать обобщающие таблицы, систематизирующие, уточняющие, дополняющие или иллюстрирующие учебный материал [К. А. Коханов. Энергия ядер. Радиоактивность: Обобщающие таблицы / Физика, 2004, № 16, С. 19 - 23].
Эффективность учебного процесса зависит от сочетания различных форм организации обучения – фронтальных, групповых, индивидуальных. При фронтальной форме организации обучения (например, во время лекции) весь коллектив учащихся, управляемый учителем, работает в одном темпе. Для групповой формы организации (например, для физического практикума) типично разбиение класса на группы. Члены группы имеют обычно общее задание. Группы работают в индивидуальном темпе. При индивидуальной работе (например, при выполнении контрольной работы или при решении задач) учащиеся имеют индивидуальные задания, которые выполняют в зависимости от своих учебных возможностей.
При выборе различных форм обучения надо учитывать учебные возможности всего класса и отдельных учащихся. При организации индивидуальной работы наиболее продуктивно работают сильные учащиеся, фронтальные формы работы позволяют слабым учащимся оставаться «на уровне» с остальными (при этом хорошо успевающие работают вполсилы).
Успешность сочетания различных форм обучения зависит от способности и желания педагога учитывать свой собственный опыт работы с классом. Весьма сложный и довольно объемный материал учителю лучше изложить самому, более простой – использовать для совместной фронтальной работы с классом или индивидуальной работы школьников. В ходе уроков возможна и желательна смена форм обучения и видов учебной работы, это снижает утомляемость учащихся, повышает их интерес и работоспособность.
Необходимое условие развития учащихся в ходе обучения – использование различных форм и методов обучения.
Глава 2. Изучение вопросов радиоактивности в школьном курсе физики.
2.1 Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.
Поскольку во всех школьных учебниках рассмотрение темы происходит примерно одинаковым образом, я хотел бы рассмотреть один из учебников и сравнить его с другими.
Я остановил свой выбор на учебнике Г. Я. Мякишева и Б. Б. Буховцева «Физика 11» Учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений. Издание 14
Я выбрал именно этот учебник, потому что он рекомендован Министерством образования Российской Федерации и когда я учился в школе, я учился именно по этому учебнику и могу оценить его не только как будущий учитель, но и как бывший ученик.
На 270 стр. начинается раздел Квантовая физика, включающий в себя 4 Главы: Глава11. Световые кванты, Глава12. Атомная физика, Глава 13. Физика атомного ядра, Глава 14. Элементарные частицы. Явление радиоактивности мы найдем в Главе 13. Физика атомного ядра.
Мякишев Предлагает начать изучение с методов наблюдения и регистрации элементарных частиц. Строение атомного ядра и элементарные частицы изучаются в учебнике ранее, потому школьники уже имеют подготовленную базу знаний для изучения данной темы.
Любое устройство, регистрирующее элементарные частицы или движущиеся атомные ядра, подобно заряженному ружью, с взведенным курком. Небольшое нажатие на спусковой крючок вызывает эффект, несравнимый с затраченными усилиями – выстрел.
Регистрирующий прибор — это более или менее сложная макроскопическая система, которая может находиться в неустойчивом состоянии. При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое со-стояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу. В настоящее время используется много различных методов регистрации частиц.
В зависимости от целей эксперимента и условий, в которых он проводится, применяются те или иные регистрирующие устройства, отличающиеся друг от друга по основным характеристикам. [Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев. Физика. 11 кл. М.: Просвещение 2005, С 301 ]
Далее в учебнике рассматривается принципиальное устройство и принципы работы разнообразных регистрирующих устройств, таких как: Счетчик Гейгера, Камера Вильсона, Пузырьковая Камера, Метод тонкослойных фотоэмульсий. Так же, автор помечает, о большом разнообразии приборов и сложности их строения.
2.2 Открытие радиоактивности.
Еще в феврале 1896 г. А. Беккерель демонстрировал действие флюоресцирующего сернистого цинка на фотопластинку, завернутую в черную бумагу. Беккерель решил использовать соли урана. Он взял из коллекции минералов своего отца двойной сульфат уранила калия. Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку причудливой формы, покрытую слоем урановой соли, и выставил на несколько часов на яркий солнечный свет. После проявления пластинки на ней было отчетливо видно изображение металлической фигуры, той самой фигуры, которая покрывалась до опыта солью урана. Повторные опыты Беккереля дали аналогичный результат, и 24 февраля 1896 г. он доложил академии о результатах опытов. Казалось, что гипотеза Пуанкаре полностью подтверждается. Но осторожный Беккерель решил поставить контрольные опыты. К концу февраля он приготовил новую пластинку. Но погода была пасмурной и оставалась такой до 1 марта. Утро 1 марта было солнечным, и опыты можно было возобновить. Беккерель решил, однако, проявить пластинки, лежавшие несколько дней в темном шкафу. На проявленных пластинках четко обозначились силуэты образцов минералов, лежавших на непрозрачных экранах пластинок.
Минерал без предварительного освещения испускал невидимые лучи, действовавшие на фотопластинку через непрозрачный экран. Беккерель немедленно ставит повторные опыты. Оказалось, чтo соли урана сами по себе без всякого внешнего воздействия испускают невидимые лучи, засвечивающие фотопластинку и проходящие через непрозрачные слои. 2 марта Беккерель сообщил о своем открытии.
Хочется сразу отметить о разнице в изучении открытия радиоактивности в разных учебниках. Мякишев, рассказывает про опыты и наблюдения Беккереля и далее рассказывает про опыты супругов Кюри, Марии и Пьера, которых можно считать учеными открывшими радиоактивность, и давшими ей это название. Кроме того, в учебнике дается справка-сноска о самой Марии Склодовской-Кюри.
Естественно было попытаться обнаружить, не обладают ли способностью к самопроизвольному излучению другие химические элементы, кроме урана. В 1898 г. Мария Склодовская-Кюри во Франции и другие ученые обнаружили излучение тория. В дальнейшем главные усилия в поисках новых элементов были предприняты Марией Склодовской-Кюри и ее мужем Пьером Кюри. Систематическое исследование руд, содержащих уран и торий, позволило им выделить новый, неизвестный ранее химический элемент — полоний, названный так в честь родины Марии Склодовской-Кюри — Польши.
Наконец, был открыт еще один элемент, дающий очень интенсивное излучение. Его назвали радием (т. е. лучистым). Само же явление самопроизвольного излучения было названо супругами Кюри радиоактивностью.
Радий имеет относительную атомную массу, равную 226, и занимает в таблице Д. И. Менделеева клетку под номером 88. До открытия Кюри эта клетка пустовала. По своим химическим свойствам радий принадлежит к щелочноземельным элементам.
Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными. [Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев. Физика. 11 кл. М.: Просвещение 2005, С 307 ]
В учебнике Л. И. Анциферова «Физика 11» про опыты Кюри упоминается вскользь и даже практически невозможно понять, какой вклад они внесли в науку. [В 1898г французские физики М. Склодовская-Кюри и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний и радий.][Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев. Физика. 11 кл. М.: Просвещение 2005, С 311 ]
Самый лучший рассказ об открытии радиоактивности, на мой взгляд, приведен в учебнике Л.Э. Генденштейна.
Любая наука становится интереснее, если в ней приводить сравнения, ведь для школьников непоказательны и непонятны цифры приведенные в физических величинах. Человек может оценить быстро или медленно едет машина, найдя ответ в задаче, горячее тело или холодное, но сложно представить себе, например, 60Дж – много это или мало. Гейденштейн в своем учебнике все это сравнивает с понятными и простыми вещами.
В учебнике В. А. Касьянова, Допущенном Министерством образования, про супругов Кюри и их основополагающее открытие не говорится ни слова.
Хотелось бы отметить еще не маловажный факт, ни в одном из рассматриваемых мной учебнике нет таблицы Менделеева. Все авторы ссылаются на номера элементов [элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными](3), для наглядности таблицы не хватает.