Муниципальное образование город-курорт Анапа
МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА № 5
Разработка урока по физике в 11 профильном физико-математическом классе.
Тема: Гипотеза де Бройля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга.
Корпускулярно-волновой дуализм.
Учитель физики МБОУ СОШ № 5
Козина Ирина Юрьевна
г.-к. Анапа 2012 г.
Пояснительная записка
Работа для участия во Всероссийском конкурсе профессионального мастерства педагогов «Мой лучший урок» по физико-математическому направлению.
Урок по физике. Тема: Гипотеза де Бройля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Корпускулярно-волновой дуализм.
Урок разработан для учащихся 11 профильного физико-математического класса средней общеобразовательной школы на основе
Рабочая программа I вида по физике для 10-11 классов профильного уровня разработана на основе государственной программы по физике , авторы программы В.С. Данюшенков, О.В. Коршунова (см. Программы общеобразовательных учреждений «Физика. Астрономия. 7-11кл.»/ Сост. Ю.И. Дик, В.А. Коровин, М.: Дрофа, 2009).
Данная программа по физике предусматривает 170 учебных часов в год (5 часов в неделю).
Поскольку учебник, используемый для обучения в 10-11 классе физико-математического профиля Автор Г.Я. Мякишев,Б.Б. Буховцев Физика 11 Москва «Просвещение» 2012 содержит недостаточно материала для раскрытия данной темы, то мною при подготовке к уроку были использованы дополнительные источники:
1.Физика 11 . С.В. Громов М «Просвещение» 2012
2.Физика 11 . Касьянов М «Просвещение» 2012
Структура, технология и содержание урока:
1. Тема урока: Гипотеза де Бройля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Корпускулярно-волновой дуализм.
2. План урока:
I. Актуализация знаний по предыдущей теме: Модель атома водорода по Бору Трудности теории Бора. Квантовая механика
Методы: частично-поисковая беседа, фронтальный опрос
II. Постановка проблемы: Наблюдение туннельного эффекта в микромире
2.1. Корпускулярно-волновой дуализм
Метод: ролевая игра « Я-частица, ты-волна»
2.2. Гипотеза де Бройля
Метод: проблемное изложение с использованием ИКТ, мозговой штурм.
2.3.Соотношение неопределенностей Гейзенберга
Метод: проблемное изложение с использованием ИКТ
III Формирование практичекого опыта: применимы ли законы квантовой механики к микромиру
Метод: решение задач
IV. Рефлексия.
3. Цели и задачи: методе познания д т
Содержательного характера:
- Актуализировать знания учащихся о предмете квантовой механики и ее трудностях, о двойственной природе света в процессе ролевой игры;
- Сформировать представление о квантовой механике как особом способе познания мира, недоступного обычному восприятию;
- Распространить знания о корпускулярно-волновом дуализме и на материальные объекты при изучении гипотезы де-Бройля;.
- Расширить представления о микромире при изучении соотношений неопределенностей Гейзенберга;
Методологического характера:
- В рамках системно-деятельностного подхода сформировать алгоритмы творческого и системного мышления (сопоставление фактов, анализ и синтез, разрешение
проблемных ситуаций);
- Формирование теоретического мышления при ознакомлении с математическим аппаратом квантовой механики;
- Развивать речь, умение формулировать и высказывать мысль, делать обобщения и выводы
- Создать условия для пробуждения поисковой активности, выработать навыки поиска, обработки и применения новой информации, сформировать стремление к
самообразованию и саморазвитию.
- Добиться появления чувства гордости и преклонения перед законами природы, показать причинно-следственную связь между силой интеллекта и открытием основных
физических теорий
4. Методы обучения и формы организационной учебной деятельности:
Методы:
- Информационно-рецептивный при изложении материала с использованием информационно-иллюстративной презентации ;
- Объяснительно-побуждающий, призывающий к диалогу между учителем и учениками, основанный на обращение к пройденному материалу (разрешение сложившейся в
науке т.н. «ультрафиолетовой катастрофы»)
- Проблемный при разрешении проблем: обладание материальными частицами волновых свойств, прохождении частицы через потенциальный барьер;
- Репродуктивный при решении задач на соотношение неопределенностей Гейзенберга;
- Частично-поисковый во время анализа опытов по рассеянию электронов Дэвиссона, Джермера, Томсона
Форма и тип урока:
- Комбинированный.
5. Оборудование урока:
- Интерактивное мультимедийное оборудование для трансляции презентации урока
6. Литература и электронные носители
- Виртуальная школа Кирилла и Мефодия 2005 г
Ход урока:
I Организационный момент. Актуализация знаний ( 5 минут)
- Здравствуйте, ребята! Сегодня мы с вами продолжим погружаться в удивительный мир современной квантовой физики, что поставит перед нами необходимость обсуждения таких основополагающих понятий, как реальность, пространство и время.
Сегодня мы попытаемся обсудить идеи современной физики, рассмотреть философские выводы из них.
- Итак, давайте вспомним, с каким явлением, которое, казалось бы, не стоит особого внимания, связано появление квантовой физики? (излучение АЧТ)
- с какими затруднениями были связаны попытки объяснения этого явления? ( классические законы физики оказались не в состоянии объяснить наблюдаемое явление, возникла т.н. «ультрафиолетовая катастрофа»)
- Кто и как смог разрешить возникшее в науке противоречие? ( Макс Планк, предположив, что энергия излучается квантами с энергией E=hν)
- Как физики того времени отреагировали на гипотезу Планка? (посчитали ее неестественной и искусственной)
- Кто из ученых в дальнейшем использовал гипотезу Планка? (А. Эйнштейн при построении теории фотоэффекта и Н. Бор при формулировке постулатов, объясняющих устойчивость атома)
- В чем состояли трудности теории Бора? (применима только к атому водорода)
II Изучение нового материала
2.1 Корпускулярно-волновой дуализм (10 мин)
- На прошлом уроке мы с вами проследили непростую судьбу научного открытия Макса Планка. Ведь ему, можно сказать, повезло, что в его теорию поверил А.Эйнштейн, и в 1905 году дал теоретическое объяснение фотоэффекта, используя гипотезу Планка о световых квантах.
- Итак, перед нами опять встает вопрос: что же такое свет: волны или потоки частиц?
А сейчас я предлагаю проверить ваши знания. Для этого вы делитесь на 2 команды- сторонники Гюйгенса и сторонники Ньютона. Разделились? Молодцы!
Правила игры заключаются в следующем. Сторонники ученого должны буквально «забросать» противников доказательствами или волновой или корпускулярной природы света. Например, команда Гюйгенса заявляет : «Свет-это волна. Ведь пучки света при пересечении никак не взаимодействуют друг с другом. Состоял бы свет из частиц, они бы при пересечении обязательно рассеялись» В ответ команда Ньютона парирует доказательством корпускулярной природы света. Таким образом, учащиеся должны актуализировать свои знания о таких явлениях, как пересечение световых пучков, интерференция, дифракция, поляризация, прямолинейное распространение света, излучение и поглощение света, фотоэлектрический эффект, эффект Комптона. (эффект Комптона был рассмотрен как доклад одного ученика на предыдущем уроке. Поскольку к ролевой игре по плану урока ученики заранее не готовились, то мультимедийные презентации того или иного явления учитель предоставляет сам.)
Учитель подводит итоги игры, объявляет, что все выступления в конце урока обязательно будут оценены.
2.2. Гипотеза де Бройля ( 10 мин)
- Уважаемые ученые, что же это получается? Если мы в понедельник изучаем интерференцию, то свет-это волна, а в четверг- фотоэффект, то свет-это частица? (Прил. 2)
Как же нам выйти из этого противоречия?
Современная физика отвечает на эти вопросы так: свет-это поток фотонов, а фотоны -это кванты электромагнитного излучения, обладающие одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Нам трудно себе это представить, ведь физика макромира всегда разграничивала объекты, имеющие волновую природу (свет, звук), и объекты, имеющие дискретную структуру (любые материальные объекты). Поэтому мы с вами должны выйти на новый уровень мышления, ведь природа оказывается богаче нашего воображения.
Кванты света- это не волны, но это и не корпускулы в ньютоновском смысле слова. Это особые частицы, энергия и импульс которых определяютя через волновые характеристики- частоту и длину волны:
E= hν ; p=h/λ.
Но на этом развитие представлений о корпускулярно- волновом дуализме не останавливаестя. В очередной раз мы отдаем должное силе человеческого ума. Так, в 1923 г. Французский физик Луи де Бройль высказал гипотезу, которая могла стоить ему карьеры, настолько вздорной на тот момент она показалась другим ученым. Он обобщил представление о корпускулярно-волновом дуализме на все материальные частицы (Прил. 3)
- Что же получается, и мы с вами, если вздумали побегать, должны излучать волны? Не кажется ли этот факт вздорным? (чтобы ответить на этот вопрос, учащиеся прикидывают порядок степени длины излучаемой ими при беге волны. )
Вы убеждаетесь, что с какой бы олимпийской скоростью вы ни бегали, и какой бы массой не обладали, говорить о том, что ваша длина имеет какой-то смысл, невозможно. Однако, гипотеза де Бройля не противоречит законам классической механики, просто применять ее для макрообъектов нет никакого смысла.
Как мы знаем, любая гипотеза нуждается в опытном обосновании. Давайте представим себя учеными того времени. Ведь для того, чтобы наблюдать волновые свойства микрочастиц, к примеру, дифракцию электронов, необходимо, чтоб препятствие было соизмеримо с длиной волны
- Оценим дебройлевскую волну для электрона ( порядка длины волны рентгеновских лучей)
- Подумайте, где же можно взять такое препятствие? (учащиеся высказывают разные версии, приходим к решению использовать кристаллическую решетку) Учитель демонстрирует слайд 4 (опыты К. Девиссона, Л. Джермера)
- Молодцы, вот мы с вами наблюдаем дифракционную картину. А вы уверены, что нас не раскритикуют с подобным открытием и почему? (ученики догадываются, что это может быть и дифракционная картина от рентгеновского излучения, а вовсе не от электронов)
- Как же нам отделить «зерна от плевел»? (приходим к решению посмотреть на дифракционную картину, включив магнитное поле)
2.3.Соотношение неопределенностей Гейзенберга (5 мин)
-Итак, мы с вами уже понимаем, что, занимаясь квантовой физикой, мы должны расширить наше воображение и выйти за рамки обыденного мышления. Так, в нашем реальном мире, мы утверждаем, что можем одновременно определить и координату, и импульс частицы. Вы согласны?
А вот в мире микрочастиц не все так просто! (слайд 5).
Давайте проведем мысленный эксперимент. Пусть наша задача- определить местоположение электрона. Мы можем взять супермощный электронный микроскоп. Но смотреть-то мы будем сами, значит, нам придется посветить на электрон. А что с ним при этом произойдет, вы и сами догадываетесь! (электрон поглотит фотон, у него увеличится энергия, значит скорость и в том месте мы вряд ли его уже найдем)
- Ну вот вы уже и готовы заниматься теоретической физикой . Именно так размышлял американский физик Вернер Гейзенберг и в 1927 году сформулировал свои мысли в виде так называемых соотношений неопределенностей Гейзенберга (слайд 6)
-Получается, что нельзя одновременно определить координату и импульс частицы, а также за какой-то промежуток времени точно определить ее энергию в микромире. И как бы нам этого не хотелось, и каких бы технических возможностей не появлялось, этого сделать нельзя. Так устроена природа. Давайте вспомним, сколько еще таких «нельзя» есть в физике? ( достичь абсолютного нуля, построить вечный двигатель, превысить скорость света и др.).
Если ученый не пытается противопоставлять себя природе, а подчиняется ее требованиям, его имя навсегда остается в науке, а не в рассказах о жалких попытках создать вечный двигатель. Давайте посмотрим примеры создания фундаментальных физических теорий (слайд 7)
III Формирование практичекого опыта: применимы ли законы квантовой механики к микромиру (10 минут)
- Заканчивая наш урок, мы должны с вами дать ответы на следующие вопросы:
1.Что произойдет при попытке локализовать электрон в сколь угодно малой области пространства? Иными словами, сможем ли мы поймать и удерживать электрон, находящийся на орбите в атоме?
2.Даже если мы представим себе такую ситуацию, и представим себе электрон, прижатый к ядру, какая у него при этом будет скорость и энергия?
3.Сможет ли обычный шарик, имеющий массу, к примеру, 10 г., пробить стенки спичечной коробки? Предлагаю вам ответить на эти вопросы, работая в группах. И пусть эти вопросы не кажутся вам из области фантастики, они решаются в одно действие через формулу соотношения неопределенностей Гейзенберга.
IV. Рефлексия. (5 мин)
- Давайте подведем итог. К чему пришла первая группа? ( При попытке устремить неопределенность координаты к нулю скорость микрочастицы стремится к бесконечности)
Таким образом, мы с вами подошли к понятию туннельного эффекта- преодоление частицей области локализации или просачивание через потенциальный барьер. Это значит, что микрочастицы могут проходить сквозь стены? Да и теоретически мы с вами тоже? Что же нам скажет вторая группа?
Вторая группа докладывает, что шарик в коробочке будет иметь настолько ничтожную скорость (порядка минус 31 степени), что шарик даже не сдвинется с места. Значит, не только шарику, но и нам с вами, остается только мечтать об этом.
Третья группа убеждается, что при попытке приблизить электрон к ядру его энергия принимает невероятно большое значение.
- А теперь мы с вами можем ответить на простой вопрос: почему мы не проваливаемся под пол? Оказывается, при попытке прижимать электроны к ядру, возникает так называемое квантово-механическое отталкивание, которое мы называем просто силой упругости.
- Наш урок заканчивается. Изменилось ли ваше мировоззрение, ведь мы сегодня так глубоко проникли в тайны природы? На следующем уроке мы ознакомимся с тем, как достижения квантовой физике применяются в технике. Домашнее задание для всех : п. 95,96 учебника, записи в тетради. Желающие приготовят доклад с презентациями о туннельных диодах. Прослушайте оценки за урок. Оценивается как подготовка домашнего задания, так и ваша активность при решении задач, которые перед нами возникали на уроке.
Всем спасибо за внимание.