Публикации

RCDO.KZ » Публикации » Изучение элементов квантовой физики в средней школе с использованием интерактивных технологий

Изучение элементов квантовой физики в средней школе с использованием интерактивных технологий

ya_socials
Опубликовано:
Автор: seivald0653

Выбор темы данной работы обусловлен тем, что не только по типовой программе, но и в физико-математических классах элементы квантовой физики рассматривается весьма односторонне. Известно, что атомная физика по школьным программам даже в физико-математических классах изучается на уровне теории Бора, которая рассматривается в объеме постулатов. Более того логического перехода от классической волновой оптики (интерференция, поляризация, дифракция и т.д.) к квантовой оптике практически нет, так как в школьном курсе подробно рассматривается только фотоэффект, давление света, вводится характеристики фотонов (масса, импульс, энергия). В то же время понятно, что без анализа теплового излучения и комптоновского рассеяния этот переход к квантовой оптике просто не возможен.

История вопроса такова, что для объяснения фотоэффекта Эйнштейн выдвинул гипотезу о том, что  свет поглощается телом не непрерывно, а порциями – квантами. Однако, это идея была вторичной, т. к. квантовая физика началась с гипотезы Планка о квантовом характере испускания света, без которой невозможен анализ теплового излучения тел.

При рассмотрении теплового излучения сначала вводятся основные характеристики теплового излучения тел (энергетическая светимость, излучательная способность и поглощательная способность), закон Кирхгофа, температурные законы излучения (Стефана-Больцмана и Вина), как экспериментальные.

Анализируются и сравниваются экспериментальные и теоретические зависимости излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны на уровне классической, т.е. волновой оптики, которые противоречат друг другу в области коротких длин волн; в физике это расхождение получило название «ультрафиолетовой катастрофы». Только квантовая теория дает возможность согласовать теорию и эксперимент. И, наконец, очень важную роль в развитии представлении о фотонах, как некоторых элементарных частиц, сыграли опыты американского физика А.Х. Комптона, в которых было показано, что фотоны при соударениях со свободными электронами ведут себя, как частицы с определенными энергией и импульсом. То есть, взаимодействие жестких g-квантов с практически свободными электронами, как результат их упругого соударения, логически завершает корпускулярную теорию света.

Известно, что свет давит на поверхность тела на которое падает (опыты Лебедева). Этот факт (один из немногих), который можно объяснить и с точки зрения волновой, и с точки зрения корпускулярной теории света.

В классической физике свет – электромагнитная волна, т. е. он представляет собой совокупность переменных электрического и магнитного полей, которые перпендикулярны друг к другу и перпендикулярны к скорости волны. Электрическое поле световой волны создает в веществе ток проводимости, а магнитное поле действует на него с силой Ампера.

Если рассматривать световую волну, как совокупность частиц – фотонов, то свет давит на поверхность тела по той же причине, по какой газ давит на стенки сосуда, в котором находится. Фотоны передают телу свой импульс. Интересно отметить, что и эксперимент, и волновая теория света, и корпускулярная теория дают один и тот же результат.

В 1924 году де-Бройль выдвинул гипотезу о том, что волновыми свойствами обладают и свободные электроны. Т. о. на основании анализа теплового излучения тел, фотоэффекта и давления можно сделать вывод о том, что свет – это совокупность частиц – фотонов, которые обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами, в чем заключается «корпускулярно-волновой дуализм».

Возникает вопрос, почему корпускулярно-волновой дуализм присущ только фотонам?

Де-Бройль предположил, что и с потоком свободных электронов связан некоторый волновой процесс, который оказывает влияние на поведение электронов и обуславливает целый ряд их свойств, не совместимых со свойствами квантов. Де-Бройль не установил, какой именно волновой процесс связан с электронами, но указал, как может быть определено значение длины волны этого волнового процесса:

Волны де-Бройля не являются электромагнитными и не имеют аналогии среди всех видов волн, изучаемых в классической физике. Формула де-Бройля – одно из основных, фундаментальных соотношений квантовой механики.

Гипотеза де-Бройля получила экспериментальное подтверждение в целом ряде опытов, обнаруживших дифракционные явления при взаимодействии пучков частиц (электронов, нейтронов, атомов и молекул) с веществом, но в школьном курсе физики рассматривается только теория вопроса.

Вообще говоря, волновые свойства присущи всем телам, в том числе и макроскопическим. Однако, у макроскопических тел при обычных скоростях их движений длина волны де-Бройля оказывается столь малой, что ни в каком эксперименте обнаружить их волновые свойства невозможно.

В. Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел в 1927 году к выводу, что объект микромира невозможно одновременно с любой наперед задней точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, микрообъект не может иметь одновременно и определенные координаты (x, y, z), и определенные соответствующие проекции импульса (px, py, pz).

Из соотношения неопределенностей следует, что, например, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то в этом состоянии соответствующая проекция ее импульса оказывается совершенно неопределенной, и наоборот. Таким образом, для микрочастицы не существует состояний, в которых ее координаты и импульс имели бы одновременно точные значения. Отсюда вытекает и фактическая невозможность одновременно с любой наперед заданной точностью измерить координату и импульс микрообъекта.

Трудно себе представить, как можно было столь сложный материал сделать доступным для школьников без использования интерактивных средств и технологии.

Наши олимпиады

Русский языкДля 1-11 классов, 1-2 курсов Открыть
Казахский языкДля 1-11 классов, 1-2 курсов Открыть
ИнформатикаДля 5-11 классов, 1-2 курсов Открыть
ФизикаДля 7-11 классов, 1-2 курсов Открыть
Математика (алгебра)Для 1-11 классов, 1-2 курсов Открыть
ХимияДля 7-11 классов, 1-2 курсов Открыть
БиологияДля 7-11 классов, 1-2 курсов Открыть
ГеографияДля 5-11 классов, 1-2 курсов Открыть
Английский языкДля 1-11 классов, 1-2 курсов Открыть
История КазахстанаДля 5-11 классов, 1-2 курсов Открыть
Для дошкольниковДля дошкольников от 4 до 6 лет Открыть

Оставить комментарий

Заполните заявку на участие
Язык участия
Обязательное поле (на номере должен быть WhatsApp)
Введен неправильный код
Поле обязательно для заполнения
Добавить еще ученика?
Вы можете внести от 1 до 5 учеников
Поле обязательно для заполнения
Класс / курс *
Поле обязательно для заполнения
Учащиеся дошкольных учреждений
0 класс
1 класс
2 класс
3 класс
4 класс
5 класс
6 класс
7 класс
8 класс
9 класс
10 класс
11 класс
1 курс
2 курс
Предмет1 *
Поле обязательно для заполнения
Будем с буквами дружить (5-6 лет)
600 тенге
Логика для детей 4 лет
600 тенге
Логика для детей 5 лет
600 тенге
Занимательная математика (5 лет)
600 тенге
I love English (5 лет)
600 тенге
Загадки для детей (4-6 лет)
600 тенге
Загадки для детей (7-8 лет)
600 тенге
Тест на развитие речи (5-6 лет)
600 тенге
Тесты на внимание (4-5 лет)
600 тенге
Тесты на внимание (6-7 лет)
600 тенге
Время и возраст (5-6 лет)
600 тенге
Математика для дошкольников (5 лет)
600 тенге
Правила дорожного движения (5-6 лет)
600 тенге
Окружающий мир (4-5 лет)
600 тенге
Веселые цифры (для 4-5 лет)
600 тенге
Братья наши меньшие (для 4-5 лет)
600 тенге
Ищем буквы (для 5 лет)
600 тенге
Веселые загадки (для 4-5 лет)
600 тенге
Логические задачки для первоклассников
600 тенге
Логические задачки для второклассников
600 тенге
Логические задачки для третьеклассников
600 тенге
Логические задачки для четвероклассников
600 тенге
Казахский язык
600 тенге
Русский язык
600 тенге
Английский язык
600 тенге
Математика (алгебра)
600 тенге
Физика
600 тенге
Химия
600 тенге
Биология
600 тенге
Информатика
600 тенге
Познание мира
600 тенге
Добавить еще предмет?
Вы можете выбрать от 1 до 5 предметов
К оплате:
0 тенге.
Внимание! Эти данные будут написаны в грамоте!
Проверьте, верно ли вы написали ФИО участников, название учебного заведения и остальные данные. Данные после участия не меняются
Заявка на участие создана. Сейчас откроется страница оплаты