Добавить материал и получить бесплатное свидетельство о публикации в СМИ
Эл. №ФС77-60625 от 20.01.2015
Инфоурок / Физика / Другие методич. материалы / Магистерская диссертация по теме "Ядро для больших и маленьких"

Магистерская диссертация по теме "Ядро для больших и маленьких"

Идёт приём заявок на самые массовые международные олимпиады проекта "Инфоурок"

Для учителей мы подготовили самые привлекательные условия в русскоязычном интернете:

1. Бесплатные наградные документы с указанием данных образовательной Лицензии и Свидeтельства СМИ;
2. Призовой фонд 1.500.000 рублей для самых активных учителей;
3. До 100 рублей за одного ученика остаётся у учителя (при орг.взносе 150 рублей);
4. Бесплатные путёвки в Турцию (на двоих, всё включено) - розыгрыш среди активных учителей;
5. Бесплатная подписка на месяц на видеоуроки от "Инфоурок" - активным учителям;
6. Благодарность учителю будет выслана на адрес руководителя школы.

Подайте заявку на олимпиаду сейчас - https://infourok.ru/konkurs

  • Физика

Поделитесь материалом с коллегами:


МИНОБРНАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физический факультет

кафедра физики



Дворядкина Дарья Александровна


«Ядро от «А» до «Я» (образовательный контент для средней школы)»



МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ

по направлению 44.04.01 (050100) Педагогическое образование

магистерская программа Физическое образование



Научный руководитель -

доцент кафедры физики, к.ф.-м.н.

Мастропас Зинаида Петровна


Рецензент –

профессор кафедры общей физики, д.ф.-м.н.

Богатин Александр Соломонович





Ростов-на-Дону

2015 г.

Содержание

Содержание 2

I. Введение 3

II. Основная часть 5

Глава 1. Теоретические и методические основы раздела «Физика атомного ядра». 5

1.1.Открытие ядра 13

1.2.Заряд атомного ядра 17

1.3.Масса атомного ядра 19

1.4.Размеры ядра и распределение плотности ядерной материи 21

1.5.Энергия связи и устойчивость ядер 25

1.6.Силы, связывающие нуклоны в ядре 33

2. Методические рекомендации по применению электронно-образовательного ресурса 38

2.1. Общие вопросы построения учебного электронного модуля 38

2.2. Общее описание электронного учебного модуля «Ядро от «А» до «Я»» 42

2.3. Возможности применения ЭУМ на уроках физики 49

2.4. Выбор технологии электронного обучения 58

III. Заключение 66

Литература 67





I. Введение

Главной задачей учителя физики всегда было дать учащимся систему знаний, включающую основы физики на современном уровне ее развития: описание физических явлений; важнейшие законы, касающиеся различных форм движения материи; главные физические теории; фундаментальные опыты и факты, подтверждающие их; сведения из истории физики о развитии основных представлений и главнейших открытиях; методы исследования физических явлений и, наконец, практические применения рассматриваемых закономерностей.

Место школьной физики в системе общеобразовательных предметов определяется особенностями положения физики среди других наук. Физика как наука о наиболее общих законах природы, выступая в качестве учебного предмета в школе, вносит существенный вклад в систему знаний об окружающем мире. Ее изучение частично начинается еще в курсе младшей школы и продолжается в средней и старшей, пополняя знания, умения и навыки учащихся.

Поиски новых путей в преподавании всегда были важной проблемой успешной пропаганды знаний. Преподавание, следуя развитию науки, должно непрерывно видоизменять свои методы, ломать традиции, искать новые формы. Однако в этом процессе необходимо проявлять большую осторожность. Выдвигая новые технологии образования, нужно постоянно помнить о требованиях к выпускнику, к его конечным знаниям, обеспечивающим поступление в любой ВУЗ. Неотъемлемым качеством всякого урока должны быть понятные всем ученикам в классе конечная цель урока и путь ее достижения. Более того, каждый учащийся должен заранее знать, на сколько уроков рассчитана изучаемая тема, и каковы будут требования учителя к конечному результату. При этом необходимо учитывать, что каждый урок должен давать знания, часть из которых подготавливает ученика к следующему занятию, поскольку принцип преемственности в обучении не должен быть нарушен. Эффективность учебно-воспитательного процесса зависит не только от направленности и устремленности школьников, но и от их познавательной самостоятельности. Помимо этого, важную роль в процессе обучения играет умение преподавателя заинтересовать обучающихся предметом. Всего вышеуказанного можно достичь лишь в том случае, если учащиеся будут чётко осознавать важность изучения данной дисциплины, а преподаватель найдёт ту стратегию подхода к ним, которая максимализирует степень и уровень получаемых знаний.

Целью написания магистерской работы является анализ, и выбор наиболее эффективных методов преподавания раздела «Физика атомного ядра» курса физики средней образовательной школы, разработка методических рекомендаций для учителя и учащихся по изучению основных понятий раздела.

Для успешного достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

  1. Анализ методических разработок и образовательных ресурсов, ориентированных на их использование в рамках одной ступени обучения.

  2. Построение вертикали развития понятий ядерной физики.

  3. На основе всестороннего анализа учебного материала по физике ядра разработка многоуровневого образовательного ресурса для школьника и учителя.

II. Основная часть

Глава 1. Теоретические и методические основы раздела «Физика атомного ядра».



В современной физике есть год, который называют «годом чудес». Это 1932-й год. Одним из таких «чудес» этого года было открытие нейтрона и создание нейтронно-протонной модели атомного ядра. В результате произошло выделение из атомной физики самостоятельного, бурно развивающегося направления – ядерной физики.

Ядерная физика изучает структуру и свойства атомных ядер. Она исследует также взаимопревращения атомных ядер, происходящие в результате как радиоактивных распадов, так и различных ядерных реакций. К ядерной физике тесно примыкает физика элементарных частиц, физика и техника ускорителей заряженных частиц, ядерная энергетика [1].

Исследуя атомное ядро, ядерная физика использует различные теоретические модели, которые могут показаться противоречащими друг другу. Немецкий физик М. Борн предложил в 1936 г. гидродинамическую модель атомного ядра, согласно которой ядро уподобляется капле заряженной плотной жидкости, состоящей из интенсивно взаимодействующих между собой нуклонов (нейтронов и протонов). Как и в капле обычной жидкости, поверхность капли-ядра может колебаться, что при некоторых условиях приводит к развалу ядра. Американский физик М. Гепперт-Майер и одновременно немецкий физик И. Йенсен разработали в 1950 г. оболочечную модель атомного ядра, в которой нуклоны ядра движутся независимо друг от друга в некоем усредненном поле ядерной силы. Подобно электронам в атоме, нуклоны заполняют различные оболочки, каждая из которых характеризуется определённым значением энергии. Стремясь примирить взаимно исключающие исходные положения гидродинамической и оболочечной моделей, датские физики О. Бор и Б. Моттельсон, а также американский физик Дж. Рейнуотер разработали в начале 1950-х гг. так называемую обобщенную модель атомного ядра [2]. Сообразно данной модели, ядро состоит из сердцевины – стабильной внутренней доли (нуклоны полностью переполненныхоболочек) и «внешних» нуклонов, передвигающихся в поле, создаваемом нуклонами сердцевины. Под воздействием наружных нуклонов сердцевина ядра сможет растянуться, принимая форму вытянутого или же, наоборот, сплюснутого эллипсоида; сможет испытать колебания.

Весьма важной обширной составной частью ядерной физики является нейтронная физика. Она занимается ядерными реакциями, происходящими под действием нуклонов. Поскольку нейтрон электрически нейтрален, электронное поле ядра-мишени не отталкивает его, поэтому даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приблизиться к ядру на расстояния, при которых начинают проявляться ядерные силы. Нейтронная физика исследует также взаимодействие очень медленных нейтронов с веществом (энергия таких нейтронов порядка 0,01 эВ и меньше). Получаемые в этих исследованиях данные по рассеянию нейтронов веществом используются для выявления атомной структуры и характера движения атомов в различных кристаллах, жидкостях и отдельных молекулах [3].

Современная ядерная физика достаточно четко распадается на две органически взаимосвязанные «ветви» – теоретическую и экспериментальную ядерную физику. Теоретическая ядерная физика «работает» с моделями атомного ядра и ядерных реакций; она опирается на фундаментальные физические теории, созданные в процессе исследования физики микромира. Экспериментальная ядерная физика использует богатейший арсенал современных исследовательских средств, включая в себя ядерные реакторы (как источники мощных пучков нейтронов), ускорители заряженных частиц (как источники пучков ускоренных электронов, протонов, ионов, а также мезонов и гиперонов), разнообразные детекторы частиц, возникающих в ядерных реакциях [4]. Ядерно-физические исследования имеют огромное чисто научное значение, позволяя человеку глубже проникать в тайны строения материи. В то же время эти исследования необычайно важны и в практическом отношении (в ядерной энергетике, медицине и т.д.)

При определении содержания и методов изучения данного раздела в школьном курсе необходимо руководствоваться такими основными факторами, как научной значимостью отобранного для изучения материала и важностью его практических приложений.

Выделим основные цели изучения школьного курса ядерной физики:

1. Освоение теоретических знаний по курсу «Ядерная физика»

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

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

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

5. Применять полученные знания для решения физических задач, для обеспечения безопасности жизни, рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды [5.1].

Законом об образовании учтена немаловажная реорганизация всей системы школьного образования, в том числе и физического. Присутствует пакет разнообразных программ, обеспечивающих всевозможные варианты воплощения как уровневой дифференциации в масштабах многоуровневых программ и учебников, так и профильной дифференциации, подразумевающей создание особых классов и средних учебных заведений с разными уклонами: гуманитарным, естественнонаучным, физико-математическим, тех. и др. Одной из программ является программа Г.Я. Мякишева. Это традиционная программа по физике для основной общеобразовательной школы [5.1]. Составлена она на базе неотъемлемого минимального количества содержания физического образования для основной школы, согласно с базовым учебным проектом общеобразовательных учреждений. В программе, помимо ассортимента деталей учебной информации, предъявляемой учащимся, находится ассортимент презентаций, лабораторных работ и школьного физического оборудования, важного для формирования у подростков умений, предписанных в притязаниях к уровню подготовки выпускников главный школы. Автор программы предусматривает раздел «Физика ядра», на изучение которого отводится 10 часов. В раздел входят следующие темы:

  • Методы регистрации элементарных частиц.

  • Радиоактивные превращения.

  • Закон радиоактивного распада.

  • Протон-нейтронная модель строения атомного ядра.

  • Энергия связи нуклонов в ядре.

  • Деление и синтез ядер.

  • Ядерная энергетика.

Особенности методики изучения данного раздела определяются местом этого раздела в школьном курсе физики и спецификой изучаемого в нем материала. Физику ядра изучают в конце школьного курса физики, причём изучают на количественном уровне впервые. Нигде на протяжении всего школьного курса физики учащиеся практически не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с дискретностью энергии, со свойствами ядра атома, с элементарными частицами. Лишь о строении атома и его ядра школьники получили самые первоначальные представления в базовом курсе физики, а более полные — в курсе химии [5.2]. Это обстоятельство потребует от учителя так выстроить учебный процесс, чтоб при исследовании материала достигать глубочайшего и крепкого усвоения его учащимися. Необходима продуманная работа по закреплению и применению изучаемого материала при решении задач, выполнении лабораторных работ и т.д.

Для увеличения качества усвоения материала чрезвычайно важно опираться на раньше приобретенные познания. К примеру, при исследовании правил смещения при радиоактивном распаде и при исследовании ядерных реакций нужно обширно опираться на законы сохранения массы и заряда. Перед изучением строения атома целесообразно повторить понятие центростремительного ускорения, законы Ньютона, закон Кулона, а также те сведения о строении атома и ядра, которые учащиеся получили в базовом курсе физики и при изучении химии.

Особенность содержания физики ядра кроме того накладывает след на методику её исследования. В данном разделе учащиеся знакомят со своеобразием параметров и закономерностей микромира, что противоречат почти всем представлениям традиционной физики. От школьников для усвоения такого материала требуется не просто высокий уровень абстрактного мышления, но и диалектическое мышление. Противоречия “волна-частица”, “дискретность-непрерывность” рассматривают с позиций диалектического материализма. Поэтому при изучении этого раздела учителю важно опираться на те философские знания, которые имеют учащиеся, чаще напоминать им, что метафизическому противопоставлению диалектика противопоставляет утверждение: и да, и нет. Поэтому нет ничего удивительного в том, что свет в одних условиях ведёт себя как волна, в других — как поток частиц [3].

Для облегчения усвоения понятий ядерной физики нужно будет в учебном процессе обширно применять всевозможные средства наглядности. Но количество демонстрационных опытов, что вполне возможно поставить при исследовании этого раздела в центральной школе чрезвычайно невелико. Потому, помимо опыта, обширно примут на вооружение картинки, чертежи, графики, баннеры. Прежде всего, необходимо иллюстрировать фундаментальные опыты, а также разъяснять принцип устройства приборов, регистрирующих частицы, ускорителей, атомного реактора, атомной электростанции и т. п. При изучении этого раздела широко используют учебные видеофильмы, диафильмы. Очень большие возможности в данном отношении открывает компьютерное моделирование.

Наряду с традиционными программами большим преимуществом пользуются программы для школ с углубленным изучением физики — например, программа, авторами которой являются Ю.И. Дик, В.А. Коровин, В.А. Орлов, А.А. Пинский [5.1].

В разделе “Физика атомного ядра” предполагается рассмотрение механизма альфа - и бета-распада, гамма-излучения. При анализе бета-распада вводится понятие о нейтрино, а в связи с гамма-излучением — понятие об эффекте Мёссбауэра. При изложении свойств ионизирующих излучений рассказывается о принципах дозиметрии и защиты, о проблеме радиофобии. Ядерная энергетика предусматривает знакомство с урановым реактором и синтезом ядер гелия [5.2].

Анализируя эту программу, мы видим, что она предугадывает более важный объём учебного материала, не ограничиваясь одной доктриной, осматривает задачки, не включаемые в программы классических уроков.

Одной из тем курса физики 9-го класса (программа Н.Е. Важеевской и Н.С. Пурышевой [5.3]), является тема «Элементы квантовой физики», её содержание направлено на формирование у учащихся некоторых квантовых представлений и знаний о строении атома и атомного ядра.

Курс физики носит экспериментальный характер, поэтому большое внимание в нем уделено демонстрационному эксперименту и практическим работам учащихся. В курсе реализована идея уровневой дифференциации. К теоретическому материалу второго уровня, помимо обязательного, т. е. материала первого уровня, отнесены некоторые вопросы истории физики, материал, изучение которого требует хорошей математической подготовки и развитого абстрактного мышления. Перечень практических работ также включает работы, обязательные для всех, и работы, выполняемые учащимися, изучающими курс на повышенном уровне. В тексте программы выделены первый и второй уровни, при этом предполагается, что второй уровень включает материал первого уровня и дополнительные вопросы.

Для каждого класса учтены дополнительные темы, что исследуются если соблюдать условие удачного усвоения учащимися ключевого материала и наличии учебного времени.

В разделе “Элементы квантовой физики” изучаются следующие темы:

темы I уровня:

  • Явление фотоэффекта. Фотон. Фотон и электромагнитные волны. Применение фотоэффекта.

  • Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома. Спектры испускания и поглощения. Спектральный анализ.

  • Состав и строение атомного ядра. Протон и нейтрон. Заряд ядра. Массовое число ядра. Явление радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения. Биологическое действие излучения. Счетчик Гейгера.

  • Ядерные реакции. Деление и синтез ядер.

  • Ядерная энергетика.

  • Элементарные частицы: фотон, электрон, протон, нейтрон. Взаимные превращения элементарных частиц.

темы II уровня

  • Законы фотоэффекта. Гипотеза Планка. Давление света.

  • Развитие представлений о строении атома. Гипотеза Бора.

  • Изотопы. Радиоактивные изотопы, их применение. Понятие о радиоактивном распаде. Методы регистрации радиоактивных излучений.

  • Деление ядер. Синтез ядер.

  • Частицы и античастицы.

Предлагаемые фронтальные лабораторные работы:

I уровень

  • Наблюдение явления фотоэффекта.

  • Наблюдение спектров.

II уровень

  • Изучение треков заряженных частиц по готовым фотографиям.

Курс квантовой физики 9-го класса выполняет, главным образом, задачу подготовки учащихся к изучению этого раздела во второй ступени. Главной целью остается подготовка к более глубокому изучению квантовой физики в курсе физики старшей школы.

Для начала рассмотрим лишь основные вопросы физики ядра, которые в той или иной степени освещаются в школьных курсах физики. К ним отнесем:

  • открытие ядра;

  • заряд атомного ядра;

  • масса атомного ядра;

  • размеры ядра и распределение плотности ядерной материи;

  • энергия связи и устойчивости ядер;

  • силы, связывающие нуклоны в ядре.

Для успешного содержательного наполнения дистанционного курса данные темы должны быть рассмотрены на профильном уровне.



    1. Открытие ядра

Первая попытка создания модели атома принадлежит Дж. Томсону (1903). Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределён по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 1). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна [2].

hello_html_m53f98548.jpg

Рисунок 1. Модель атома Дж. Томсона.

Прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909-1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью hello_html_2e28ff68.gif-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса hello_html_2e28ff68.gif-частиц примерно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В этих опытах использовались hello_html_2e28ff68.gif-частицы с кинетической энергией 5 МэВ (рис. 2). Этими частицами бомбардировали фольгу из тяжелых металлов (золото, серебро, медь и др.).

hello_html_m6ae73451.png

Рисунок 2. Опыт Э. Резерфорда.

Ф – золотая фольга, М – микроскоп, Э – экран, К – контейнер с радиоактивным веществом.

Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не изменяют траекторию hello_html_2e28ff68.gif-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения hello_html_2e28ff68.gif-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных hello_html_2e28ff68.gif-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство hello_html_2e28ff68.gif-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие hello_html_2e28ff68.gif-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. Этот результат был неожиданным, т.к. находился в противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределён по всему объёму атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить hello_html_2e28ff68.gif-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на hello_html_2e28ff68.gif-частицу по закону Кулона, возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n hello_html_2e28ff68.gif-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы, вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объёме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 3 иллюстрирует рассеяние hello_html_2e28ff68.gif-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда [1].

hello_html_m692bce0c.jpg

Рисунок 3. Рассеяние hello_html_2e28ff68.gif-частицы в атоме Томсона (а) и в атоме Резерфорда (б).

Таким образом, оказалось, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14-10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объёма атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Вещество, составляющее ядро атома, имеет колоссальную плотность ρ≈1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.


    1. Заряд атомного ядра

Итак, величина положительного электрического заряда атомного ядра hello_html_m41f87df6.gif определяется количеством протонов в ядре (и, следовательно, количеством электронов в атомных оболочках), которое совпадает с порядковым номером элемента в Периодической таблице. Заряд равен hello_html_331eea32.gif, где hello_html_m4554cc98.gif Кл - абсолютная величина элементарного электрического заряда. Заряд определяет химические свойства всех изотопов данного элемента.

Заряд ядра был определен в 1913 Мозли, который измерил с помощью дифракции на кристаллах длину λ волны характеристического рентгеновского излучения для ряда химических элементов, следующих друг за другом в периодической системе элементов. Измерения показали, что hello_html_m74f760af.gif изменяется дискретным образом от некоторой целой величины hello_html_m41f87df6.gif, которая совпадает с порядковым номером элемента и изменяется на единицу при переходе от элемента к соседнему элементу в периодической системе, а для водорода равна единице. Мозли интерпретировал эту величину как заряд ядра.

Закон Мозли, устанавливает простую связь между частотой характеристического рентгеновского излучения hello_html_m124befdb.gif и зарядом ядра hello_html_m41f87df6.gif [1]:

hello_html_79edef1d.gif

hello_html_9e1bd51.gif

где для данной серии излучения постоянные А и В не зависят от элемента.

Закон Мозли определяет заряд ядер химического элемента косвенным образом. Непосредственно заряд ядра можно измерить в опытах по рассеянию hello_html_2e28ff68.gif-частиц на фольгах.

Прямые опыты по измерению заряда ядер на основе закона Кулона были выполнены Чедвиком в 1920. В 1911 Резерфорд, используя закон Кулона, получил формулу [1]:

hello_html_m5de34622.gif

hello_html_52c01fa6.gif

где hello_html_mddb9277.gif - количество hello_html_2e28ff68.gif-частиц, падающих в единицу времени на рассеиватель; hello_html_m17ef66c8.gifколичество рассеянных в единицу времени hello_html_2e28ff68.gif-частиц в телесный угол hello_html_m13f0714e.gif под углом hello_html_m5933b8ea.gif; hello_html_238bc5bd.gif и hello_html_m1c4ce2dc.gif - заряд ядер рассеивателя и их концентрация; hello_html_2040be69.gif и hello_html_26fb074f.gif-скорость и масса hello_html_11d3649f.gif-частиц.

Формула Резерфорда позволила объяснить экспериментальные результаты по рассеянию hello_html_2e28ff68.gif-частиц на тяжелых ядрах.

Рассеиватель в виде кольца (заштриховано на рис. 4) размещался соосно и на равных расстояниях между источником И и детектором hello_html_11d3649f.gif -частиц Д. При измерении количества hello_html_m17ef66c8.gif рассеянных hello_html_11d3649f.gif -частиц отверстие в кольце закрывалось экраном, который поглощал прямой пучок hello_html_11d3649f.gif -частиц из источника в детектор. Детектор регистрировал только hello_html_11d3649f.gif -частицы, рассеянные в телесный угол hello_html_m13f0714e.gif под углом hello_html_m5933b8ea.gif к падающему пучку hello_html_11d3649f.gif -частиц. Затем кольцо перекрывалось экраном с отверстием, и измерялась плотность тока hello_html_2e28ff68.gif-частиц в точке расположения детектора. По полученным данным рассчитывали количество hello_html_mddb9277.gif hello_html_11d3649f.gif -частиц, падающих на кольцо в единицу времени. Таким образом, если известна энергия hello_html_11d3649f.gif -частиц, испускаемых источником, без труда определяется величина hello_html_m41f87df6.gif в формуле (2).

hello_html_904f6fb.png

Рисунок 4. Схема опыта Чедвика по прямому измерению заряда ядра.

    1. Масса атомного ядра

Атом можно рассматривать как шар, состоящий из расположенного в центре чрезвычайно малого ядра и электронной оболочки, подразделенной на слои. Для нейтрального атома число находящихся в атомном ядре протонов, которые являются носителями положительных зарядов, определяет заряд ядра или порядковый номер и равно числу электронов в оболочке. Для измерения масс широко используется атомная единица массы (а.е.м.):

hello_html_m1d4eac0.gif

Эта единица удобна тем, что ее величина близка к массе нуклона.

hello_html_3d4ef6a1.gif

Связь между массой любого тела и его полной энергией дается формулой [1]:

hello_html_cae7110.gif

hello_html_465e6efe.gif

где hello_html_3a823e6b.gif - скорость света в вакууме, hello_html_1adb3dd5.gif - релятивистская масса, hello_html_m558dd74f.gif- скорость движения тела, hello_html_5bca2b90.gif- его масса покоя.

Основные величины имеют следующие значения:

hello_html_7ab68868.gif

hello_html_m5c077194.gif

hello_html_m2857b913.gif

масса покоя протона

hello_html_481fa1f4.gif

масса покоя нейтрона

hello_html_m280fd431.gif

масса покоя электрона

hello_html_m3ffb6cd.gif

hello_html_41b00656.gif

Масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов.

В ядерной физике обычно пользуются не массами ядер, а массами атомов. Это вызвано тем, что невозможно измерить непосредственно массу ядер без связанных с ними электронов, за исключением легчайших. Масса нейтрального атома в пределах точности современных методов измерения масс равна сумме масс ядра и электронов, входящих в атом:

hello_html_54275552.gif

hello_html_m7a590602.gif

где hello_html_50bd140f.gif - энергия связи ядра и электронов, hello_html_71b25824.gif. Таким образом, энергия связи электронов с ядром примерно в 107 раз меньше массы атома и практически не влияет на массу атома.

Массы атомов определяют с помощью приборов - масс-спектрометров.

За атомную массу элемента, состоящего из смеси изотопов, принимают среднее значение атомной массы изотопов с учетом их процентного содержания. Атомная масса меньше суммы масс составляющих атом частиц (протонов, нейтронов, электронов) на величину, обусловленную энергией их взаимодействия (дефект массы).

В ядерных процессах обычного вида (без участия античастиц) число нуклонов сохраняется. Оно равно сумме массовых чисел, взаимодействующих (или образующихся) ядер.


    1. Размеры ядра и распределение плотности ядерной материи

Первые представления о размерах ядра были получены Резерфордом при экспериментальном изучении рассеяния hello_html_2e28ff68.gif-частиц с энергией ~ 5 МэВ при прохождении через тонкую фольгу золота. В результате этих экспериментов Резерфорд пришел к выводу, что в центре атома (рис. 5) имеется область положительного электрического заряда, связанная с большой массой, сконцентрированной в очень малом объеме (по сравнению с объемом атома).

hello_html_4afddae6.png

Рисунок 6. Энергия связи в атомном ядре.

На основании закона Кулона для точечных зарядов можно вычислить наименьшее расстояние hello_html_53f054b7.gif, на которое может подойти к центру ядра hello_html_2e28ff68.gif-частица, летящая точно по направлению к ядру (прицельный параметр b = 0). Для этого следует приравнять ее начальную кинетическую энергию к потенциальной энергии взаимодействия hello_html_2e28ff68.gif-частицы с ядром в момент ее полной остановки:

hello_html_66508197.gif

hello_html_72cdbdd4.gif

Формула (6) верна в предположении неподвижного ядра, когда масса ядра hello_html_1218d57b.gif- массы α-частицы. Приняв кинетическую энергию hello_html_2e28ff68.gif-частицы равной 5 МэВ и положив hello_html_mec199ef.gif (золото), получим hello_html_17fb4996.gif. Естественным было принять эту величину за верхнюю оценку радиуса ядра золота.

Уже первые эксперименты показали, что размеры заряженной части ядра - порядка 10-14 м, что намного меньше радиуса атома, 10-10 м (Например, радиус атома золота в 18000 раз больше радиуса его ядра). Радиус ядра пропорционален A1/3 и, следовательно, плотность ядерного вещества почти постоянна. (Она колоссальна: hello_html_m4f4f3b0a.gif, для сравнения: плотность золота 19,32 г/см3). Кубик ядерной материи со стороной длиной 1 мм весит 200000 тонн. Это говорит об огромных силах, которые необходимы для скрепления вещества такой плотности. Соответственно, любое изменение в ядре (через распад или реакции) может освободить большие количества энергии.

В дальнейшем размеры ядер определялись разными способами. Говоря о размерах ядра, нужно всегда иметь в виду, что это достаточно условная величина. Ядро, как квантовомеханическая система, не имеет определенной границы. Размеры ядер определяют рассеянием hello_html_2e28ff68.gif-частиц, быстрых нейтронов или быстрых электронов на ядрах, по энергетическому спектру hello_html_2e28ff68.gif-частиц и др. Наиболее точными считаются оценки размеров ядра по результатам рассеяния ядрами быстрых нейтронов и электронов. Все опыты подтвердили предположения о приблизительно сферической форме ядра, радиус которого определяется через массовое число hello_html_1d5675e9.gifкак

hello_html_4bd9d3ee.gif

hello_html_36405303.gif

где hello_html_m46c92df1.gif

В опытах по рассеянию быстрых нейтронов на ядрах определяется не радиус ядра, а несколько большее значение радиуса области ядерного взаимодействия, поэтому hello_html_m66c7fd2e.gif Это значение соответствует радиусу действия ядерных сил; оно характеризует расстояние от центра ядра, на котором внешний нейтральный нуклон начинает впервые «ощущать» его воздействие.

При зондировании ядра быстрыми электронами определяется сфера радиуса R, в которой находятся протоны. Поэтому получают несколько меньшее значение hello_html_6f75409c.gifВысокая точность современных методов исследования с помощью рассеяния быстрых электронов с кинетической энергией Те>500 МэВ позволяет оценить не только размер области, занятой протонами, но и распределение плотности ρэ электрического заряда по ядру. Поскольку нет причин стабильному ядру иметь различное распределение плотности протонов и нейтронов, то полученные результаты для протонов представляют по существу распределение плотности ρя ядерного вещества в ядре. Распределение ядерной материи по объёму (радиусу) ядра в центральной области равномерно, но падает в приграничных областях. Функция hello_html_m8e833fd.gif подчиняется распределению Ферми [2]

hello_html_ba6fa4a.gif

hello_html_942a60b.gif

где hello_html_14ad39bb.gif - плотность ядерной материи в центре ядра, hello_html_m3d4a8cd0.gif - радиус ядра, hello_html_m3c48c654.gif - расстояние, на котором плотность ядерной материи спадает в два раза, hello_html_b25e659.gif - параметр диффузности (скорость убывания плотности ядерного вещества).

Спад плотности ядерного вещества от hello_html_m406b8de9.gif для всех ядер происходит на одинаковых расстояниях hello_html_m4e6ce7e5.gif Поэтому у лёгких ядер отсутствует область, где плотность ядерного вещества примерно постоянна.

Ядро не является твёрдой сферой. В центральной области ядра плотность постоянна, но у периферии падает до нуля. Положения центра масс и центра заряда ядра отличаются примерно на 0,1 фм. Так как тяжёлые ядра имеют примерно на 50% больше нейтронов, чем протонов, то массовый радиус больше зарядового. Менее плотный приповерхностный слой ядра имеет иной состав, чем основная материя. Можно ожидать, что протоны вытесняются наружу протонным отталкиванием, а нейтроны смещаются во внутреннюю область ядра.

Плотность ядерной материи в центре ядра hello_html_14ad39bb.gif приблизительно одинакова у всех ядер и составляет ~0.17 нукл./фм3 (рис. 6). Толщина поверхностного слоя у всех ядер тоже примерно одинакова и равна 2.4 фм.


    1. Энергия связи и устойчивость ядер

Ядро представляет систему связанных между собой нуклонов. Возникновение связанного состояния возможно только под действием ядерных сил притяжения, удерживающих нуклоны в ограниченном объеме. Устойчивость связанного состояния обеспечивается тем, что ядро как система из взаимодействующих между собой нуклонов должна иметь минимум полной энергии. Полная энергия Е1 системы из А нуклонов до объединения в ядро, т.е. находящихся между собой на таких расстояниях, когда действием сил между ними можно пренебречь, будет равна (массы выражены в единицах энергии):

hello_html_m40e6d7d9.gif

hello_html_6e568f14.gif

где mi - массы нуклонов, из которых образовано ядро.

После объединения нуклонов в ядро массой М полная энергия составит

hello_html_17ad08ee.gif

hello_html_m1816b470.gif

а изменение энергии системы будет равно

hello_html_2b805dd1.gif

hello_html_m6ef4cbb2.gif

Работа сил притяжения вызывает переход системы в состояние с меньшей энергией, поэтому величина ΔЕ <0 будет равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра и передается в окружающее пространство. Наоборот, чтобы разрушить ядро и удалить нуклоны на такие расстояния, где их можно считать свободными, потребуется затратить энергию |ΔЕ|. Полная энергия связи ядра

hello_html_47d757d3.gif

hello_html_m4458e396.gif

Для устойчивого ядра полная энергия связи положительна и равна той энергии, которую надо затратить, чтобы разделить ядро на все составляющие его нуклоны. Если ΔW>0 то ядро устойчиво, если ΔW<0 нуклоны ядра будут разлетаться подобно свободным частицам. Масса ядра и его устойчивость определяются тем, насколько величина энергии притяжения между нуклонами превышает суммарную кинетическую энергией движения нуклонов в ядре.

Экспериментально полученные массы всегда меньше значений, вычисленных как сумма масс частиц, составляющих ядро. Эта разность масс (дефект массы) равна:

hello_html_77623a07.gif

hello_html_m78b9bb4a.gif

и эквивалентна энергии связи hello_html_m49f1f7ad.gif.

Энергия связи - разность между энергией связанной системы частиц и суммарной энергией этих частиц в свободном состоянии. Для устойчивых систем энергия связи отрицательна и тем больше по абсолютной величине, чем прочнее система.

Знание дефекта массы позволяет определить величину энергии, выделяющейся в ядерных реакциях. Точные значения масс атомных ядер (в том числе протона) определяются с помощью масс-спектрометров – приборов, в которых используются фокусирующие свойства электрического и магнитного полей по отношению к движению заряженных частиц. Точное значение массы нейтрона получено из рассмотрения ядерных реакций, протекающих с участием нейтронов.

В основе модели ядра лежит представление о ядре, как о сферической капле, заряженной несжимаемой ядерной жидкости.

Если энергию связи атома разделим на число нуклонов, то получим среднее значение энергии связи на один нуклон

hello_html_7fa7deb5.gif

hello_html_2af1170f.gif

Удельная энергия связи hello_html_3de2ddb9.gif быстро возрастает при малых hello_html_m3f479b3e.gif, и уже для ядер с hello_html_m76e263f3.gif имеет примерно постоянное значение, близкое к 8 МэВ/нуклон, т.е. hello_html_79ba8008.gif .

Зависимость энергии связи на один нуклон от числа нуклонов проходит через максимум (рис.7).

Максимум удельной энергии связи приходится на ядра с массовыми числами 55÷60 и спадает к обоим краям кривой. Для нуклидов с hello_html_700a64cd.gif, т.е. для группы элементов hello_html_m4cd640bf.gif, энергия связи на нуклон имеет максимальное значение (8,6 МэВ). Это указывает на то, что данные элементы по своим ядерно-физическим свойствам являются наиболее устойчивыми. Энергия связи на нуклон для нуклидов с четным числом нуклонов всегда выше среднеарифметического значения соответствующих величин для соседних нуклидов с нечетным числом нуклонов.

hello_html_384a5e83.png

Рисунок 7. Зависимость средней энергии связи в расчете на один нуклон от массового числа

Резкое уменьшение hello_html_m60097a56.gifв области малых hello_html_m3f479b3e.gif (1 МэВ у дейтерия) объясняется поверхностными эффектами. Нуклоны у поверхности ядра не полностью насыщают все свои возможные связи. Этот эффект уменьшает полную энергию связи на величину, пропорциональную числу нуклонов в поверхностном слое. Роль поверхностных эффектов возрастает с увеличением отношения площади поверхности к объему, т.е. при переходе к легким ядрам. На этом участке кривой hello_html_m60097a56.gifнаблюдаются резкие «пики», отвечающие ядрам hello_html_1af9b62c.gif которые указывают на кластерную структуру этих ядер. Для этих ядер энергетически выгодным оказывается объединение нуклонов в hello_html_2e28ff68.gif-частичные кластеры hello_html_522f711a.gif. Справа от максимума величина hello_html_mc54c367.gif плавно уменьшается, достигая для самого тяжелого природного элемента - урана значения 7,5 МэВ/нуклон. Это уменьшение объясняется электрическим отталкиванием протонов. Поскольку кулоновские силы не обладают свойством насыщения, то при переходе к тяжелым ядрам удельная энергия связи убывает из-за роста электростатической энергии взаимного расталкивания протонов, величина которой пропорциональнаhello_html_3b444f16.gif. В ядрах с малым числом протонов она незначительна, но существенно влияет на прочность ядер в области тяжелых ядер.

Из наличия максимума у зависимости hello_html_m547f6b6c.gifследует важный вывод о двух энергетически выгодных процессах:

1) для наиболее тяжелых ядер возможен процесс деления на два более легких;

2) нескольким легчайшим ядрам, наоборот, энергетически выгодно сливаться друг с другом в более тяжелые ядра (синтез ядер). Оба процесса протекают с выделением большого количества энергии в форме кинетической энергии продуктов реакции. Так, в реакции синтеза ядер гелия из дейтерия и трития выделяется энергия 17,6 МэВ, или 3,5 МэВ на нуклон. Деление ядер урана сопровождается выделением энергии около 200 МэВ, или 1 МэВ на нуклон.

Энергия удельной связи нуклонов в ядре примерно в миллион раз превышает энергию связи валентных электронов в атоме, равную ~ 10 эВ для большинства атомов. Поэтому энергия, выделяющаяся в ядерных реакциях, примерно в миллион раз превышает энергию химических реакций, что и определяет практическое значение использования ядерных реакций в качестве источника энергии.

Устойчивость ядер существенно зависит от параметра hello_html_3b2f1b83.gif -отношения чисел нейтронов и протонов. Ядра лёгких нуклидов наиболее устойчивы при hello_html_m7d80f2eb.gif. С ростом массового числа всё более заметным становится электростатическое отталкивание между протонами, и область устойчивости сдвигается к значениям hello_html_383a7706.gif (рис. 8).

Для наиболее тяжёлых ядер hello_html_m1de69ff9.gif

Если рассмотреть таблицу стабильных нуклидов, встречающихся в природе, можно обратить внимание на их распределение по чётным и нечётным значениямhello_html_m5d0d0552.gifи hello_html_mddb9277.gif. Все ядра с чётными значениями этих величин являются ядрами лёгких нуклидов hello_html_2570d993.gif.

Среди изобар с нечётными hello_html_m3f479b3e.gif, как правило, стабилен лишь один. В случае же чётных hello_html_m3f479b3e.gif часто встречаются по два, три и более стабильных изобар, следовательно, наиболее стабильны чётно-чётные, наименее - нечётно-нечётные. Эти явления свидетельствует о том, что как нейтроны, так и протоны проявляют тенденцию группироваться парами с антипараллельными спинами, что приводит к нарушению плавности вышеописанной зависимости энергии связи от hello_html_m3f479b3e.gif [1].

hello_html_70ab6366.png

Рисунок 8. Зависимость числа нейтронов hello_html_mddb9277.gif от числа протонов hello_html_m41f87df6.gif в атомных ядрах hello_html_m520a9d.gif Справа – шкала периодов полураспада.


hello_html_m41f87df6.gif

hello_html_m1b61fe02.gif

hello_html_m3f479b3e.gif

Число нуклидов

Чётное

Чётное

Чётное

167

Чётное

Нечётное

Нечётное

55

Нечётное

Чётное

Нечётное

53

Нечётное

Нечётное

Чётное

4


Таким образом, чётность числа протонов или нейтронов создаёт некоторый запас устойчивости, который приводит к возможности существования нескольких стабильных нуклидов, различающихся соответственно по числу нейтронов для изотопов и по числу протонов для изотопов. Также чётность числа нейтронов в составе тяжёлых ядер определяет их способность делиться под воздействием нейтронов.

Энергия связи одного присоединяемого или отделяемого от ядра нуклона может зависеть от четности числа имеющихся в составе ядра протонов и нейтронов. Детальный анализ удельной энергии связи как функции hello_html_m3f479b3e.gif и hello_html_112365b9.gifпозволил сделать заключение о наибольшей устойчивости ядер с четным числом протонов и нейтронов (т.н. четно-четные ядра). Эти ядра имеют удельную энергию связи, примерно на 1 МэВ большую, чем соседние ядра, у которых либо hello_html_mddb9277.gif, либо hello_html_112365b9.gif- нечетные (Ч-Н и Н-Ч ядра) и имеют наибольшую распространенность в природе. Этот факт свидетельствует о том, что объединение внутри ядра одноименных нуклонов в пары (эффект спаривания) обусловлен действием между ними добавочных ядерных сил и является энергетически выгодным процессом, увеличивающим удельную энергию связи приблизительно на 1 МэВ. Промежуточное положение по величине удельной энергии связи и распространенности в природе занимают четно-нечетные и нечетно-четные ядра, количества которых равны. Наименьшие значение удельной энергии связи и количества стабильных нуклидов (четыре) имеют нечетно-нечетные ядра.

Заслуживают внимания особо высокие значения удельной энергии связи, даже на фоне четно-четных ядер, для ядер с содержанием нейтронов и (или) протонов, равным 2, 8, 20, 50, 82, 126 (только для нейтронов). Эти числа (и соответствующие ядра) получили название магических. Элементы с магическими ядрами являются наиболее устойчивыми и имеют большую распространенность в природе. Например, олово, атомный номер которого hello_html_m6e3f3a1c.gif, имеет 10 стабильных изотопов. Наблюдается наибольшее число стабильных изотопов для hello_html_m614c7ac8.gif. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, у которых и число нейтронов, и число протонов равно одному из магических чисел, например, hello_html_17d26517.gif

Общее правило дает возможность рассчитать энергию связи в ядре любого из нуклонов или группы связанных нуклонов. Например, средняя энергия связи для нейтрона равна:

hello_html_mdf76cc5.gif

hello_html_64c408ae.gif

для протона:

hello_html_md849d2c.gif

hello_html_46d7db7.gif

Эти величины положительны для всех ядер, не испытывающих радиоактивного распада с испусканием отдельных нуклонов (нуклоностабильные ядра), а равенство их нулю дает границы области существования таких ядер. В величины hello_html_m541faefe.gif не равны друг другу. Например, энергия связи hello_html_2e28ff68.gif-частицы с ядром урана 238U отрицательна:

hello_html_m5ee95090.gif

hello_html_42934832.gif

что свидетельствует о нестабильность ядра урана относительно α-распада.

У ядер, следующих за висмутом (hello_html_m750a886e.gif), из-за большого числа протонов полная стабильность оказывается вообще невозможной. Сравнение энергий связи для легких и тяжелых ядер показывает энергетическую выгодность слияния (синтеза) первых и разделения на части (реакция деления) вторых. В стабильных ядрах между зарядом hello_html_m41f87df6.gif и массовым числом hello_html_m3f479b3e.gif существует соотношение вида

hello_html_4ae4fcfe.gif

hello_html_3588329f.gif

При отклонении от этого соотношения ядро проявляет свойство hello_html_32bf8daf.gifили hello_html_748392e3.gif - радиоактивности.


    1. Силы, связывающие нуклоны в ядре

По законам физики электрические силы, притягивающие отрицательно заряженные электроны к положительно заряженному ядру атома, должны были бы заставлять собранные в ядре положительно заряженные частицы — протоны — разлетаться в стороны друг от друга.

Однако, вопреки этим законам, протоны, находясь в пределах ядра атома, вместо того, чтобы разлетаться, почему-то удерживаются все вместе и зачастую столь сильно, что нужно приложить огромную энергию, для того чтобы их разъединить или выбить из ядра хотя бы один протон.

Эти силы не могут быть электрическими. Так как даже, если бы у половины протонов в ядре атома положительные заряды вдруг поменялись на отрицательные, то и в этом случае они стали бы притягиваться друг к другу с силами, лишь раз в сорок слабее тех сил, которые фактически удерживают одинаково заряженные протоны в ядре атома. Следовательно, силы эти не электрические. Может быть, силы тяготения? Но они оказываются еще менее приемлемыми, так как силы тяготения, существующие между двумя частицами в ядре атома, вследствие их малости, в 1037 раз слабее сил, удерживающих частицы на самом деле.

Значит, между ядерными частицами (нуклонами) - действуют особые силы. Это ядерные силы иначе называют сильным взаимодействием. Если не учитывать довольно слабое электростатическое отталкивание, то сильное взаимодействие протона с протоном, протона с нейтроном и нейтрона с нейтроном будет в любом из этих случаев одним и тем же. Это взаимодействие называется нуклон-нуклонным.

Сведения о ядерных силах были получены из данных о рассеянии нуклонов на нуклонах, а также из исследования свойств атомных ядер. Рассмотрим некоторые свойства ядерных сил:

  1. Ядерные силы, выступая в качестве одного из проявлений
    сильного взаимодействия, оказываются
    интенсивными. Они на 2 - 3 порядка мощнее электромагнитных сил. Ядерные силы обеспечивают существование атомных ядер со средней энергией связи около 8 МэВ, составляю­щей примерно 10-2 от энергии покоя нуклона hello_html_m3a065f4a.gif МэВ. Электромагнитные силы приводят к образованию атома водорода, в котором энергия связи электрона равна 13,6 эВ, что составляет около 10-5 от его энергии покоя hello_html_m47901dc3.gif МэВ. Отношение характерных коэффициентов 10-2 и 10-5 дает величину ~103.

  2. В отличие от электромагнитных сил, ядерные силы имеют конечный радиус действия hello_html_46120f1c.gif м, т. е. являются короткодействующими.

  3. Для ядерных сил принимается двухчастичное приближение, т. е. гамильтониан взаимодействия между А нуклонами представляется в виде суммы гамильтонианов всех парных взаимодействий:

hello_html_727c77fc.gif

hello_html_145894fb.gif

В хорошем приближении ядерные силы можно считать потенциальными. Это означает, что пренебрегается:

  • эффектами запаздывания, требующими введения понятия поля или «размазывания» механических характеристик нуклонов по какому-то конечному промежутку времени;

  • внутренней структурой нуклонов, требующей привлечения концепций современной модели кварков. Эффекты запаздывания начинают сказываться с энергией порядка 300 МэВ, а внутренняя структура нуклонов проявляется при энергиях выше 1 ГэВ, тогда как характерные ядерные энергии составляют всего около 10 МэВ.

Ядерные силы обладают обменным свойством, т.е. притяжение между нуклонами сменяется на малых расстояниях их отталкиванием.

Свойство насыщения. Данный нуклон притягивает небольшое число своих соседей и отталкивает остальные частицы.

В некоторых задачах для описания ядерных сил оказывается
точным весьма грубое
приближение центрального поля, соответствующее тому, что потенциал U ядерного взаимодействия нуклонов считается зависящим только от расстояния между ними: hello_html_m4c32eb5d.gif Соответствующие силы в ядерной физике называют силами Вигнера. Имеющимся опытным данным удовлетворяют несколько различных потенциалов hello_html_417d5cf.gif, от которых требуется, чтобы они достаточно быстро убывали с расстоянием. Среди них наиболее распространен­ными являются прямоугольная потенциальная яма и потенциал Юкавы [2]:

hello_html_5aec32b7.gif

hello_html_m3a37d0ea.gif

Для расчетов используют и более сложные функции, но на сверхма­лых расстояниях все они подвергаются одной существенной модифи­кации. Ядерные силы являются нецентральными, т. е. они зависят не только от расстояния между нуклонами и от взаимной ориентации их спинов, но и от ориентации спинов относительно прямой, соединяющей нуклоны. Нецентральную часть ядерного взаимодействия называют тензорными силами.

Ядерные силы обладают зарядовой независимостью. Зарядовой независимостью называется равенство ядерных сил, действующих между протоном и протоном, между нейтроном и нейтроном и между протоном и нейтроном. Впервые зарядовая независимость была обнаружена на основе анализа эксперимента по протон - протонному и нейтрон - протонному рассеянию (Г. Брейт, Э. Кондон и Р. Презент, 1936 г.). В настоящее время зарядовая независимость ядерных сил подтверждена большой совокупностью опытных данных [2].

Это свойство не означает полную тождественность систем hello_html_74bdaa59.gif, даже в пренебрежении электро­магнитным взаимодействием. Всякое состояние системы двух протонов или двух нейтронов действительно совпадает по своим свойствам с некоторым состоянием системы протон — нейтрон. Но обратное неверно: среди состояний системы hello_html_1395e8af.gif существуют такие, которые не имеют аналогов в системах hello_html_m3d2cef64.gif Таким образом, окончательный вывод из зарядовой независимости ядерных сил гласит: если состояние системы hello_html_1395e8af.gif описывается антисимметричной волновой функцией, то оно тождественно по своим свойствам некоторым состоянием hello_html_m3d2cef64.gif (в пренебрежении электромагнитным взаимодействием).

  1. Изоспиновая инвариантность. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов: если спины нуклонов антипараллельны, то ядерные силы оказываются вдвое слабее, нежели при параллельных спинах нуклонов.

Суммируя все вышесказанное, можно утверждать, что потенциал взаимодействия между двумя нуклонами имеет сложный вид. Он зависит, прежде всего, от расстояния hello_html_m3c48c654.gif между нуклонами hello_html_417d5cf.gif; от взаимной ориентации спинов нуклонов hello_html_4ef6ba0c.gifhello_html_m53d4ecad.gifи hello_html_43adc102.gif (соответствующий член в потенциале обозначен hello_html_m549fa090.gif);содержит член, описывающий нецентральную часть взаимодействия (тензорный член hello_html_43a76cad.gif); содержит вклад спин-орбитальных сил (hello_html_69388709.gif). Кроме того, данное взаимодействие зависит от скорости и является зарядонезависимым. Это все приводит к тому, что потенциал нуклон-нуклонного взаимодействия имеет вид;

hello_html_m413d1648.gif

((21)

где hello_html_417d5cf.gif— это центральный потенциал, зависящий только от расстояния между нуклонами. Он наиболее важен и формируется в результате комбинации плавно меняющегося потенциала притяжения на сравнительно больших (hello_html_6e670bea.gif фм) расстояниях и резко растущего потенциала отталкивания на малых (hello_html_3a0f247b.gif фм) расстояниях. Каждое из следующих слагаемых имеет радиальный множитель, описывающий как притяжение, так и отталкивание нуклонов.

Радиальная зависимость по­тенциала hello_html_417d5cf.gifпоказана на рис. 9. Минимум потенциала лежит при hello_html_4db91dfd.gif фм и его глубина в этой точке - 70-80 МэВ. При hello_html_m6f01e5cb.gif фм потенциал резко возрастает, быстро достигая сотен МэВ. При hello_html_2d173256.gif фм отрицательный потенциал плавно (асимптотически) приближается с ро­стом hello_html_m3c48c654.gif к нулю. Этот участок потенциала отвечает силам притяже­ния. Среднее расстояние между нуклонами в ядре около 2 фм.

hello_html_237fd659.png

Рисунок 9. Радиальная зависимость по­тенциала V(r).

2. Методические рекомендации по применению электронно-образовательного ресурса

2.1. Общие вопросы построения учебного электронного модуля

Физика рассматривается как фундамент естественнонаучного образования, философии естествознания и научно-технического прогресса. Физика как наука имеет собственной предметной областью единые закономерности природы во всем разнообразии явлений находящегося вокруг нас мира. Закономерности психического становления детей требуют, чтоб при исследовании ими естественнонаучных предметов содержание познаний, их структура, основы, способы и формы преподавания опирались на фундаментальные закономерности природы. Те же закономерности психического становления ребят демонстрируют, что естественнонаучное образование считается базовым, оно нужно для направленного становления сознания и вовсе не быть может заменено иным.

В процессе преподавания важно обучить подростков использовать ключевые положения науки для самостоятельного обоснования физических явлений, последствий опыта, воздействия устройств и установок. Выделение ключевого материала в каждом разделе курса физики подсобляет учителю направить свой взгляд учащихся на те вопросы, что они обязаны глубоко и крепко усвоить. Физический опыт считается органической долею школьного курса физики, актуальным способом изучения.

Конкретные содержание и структура курса физики могут быть различными, но самой перспективной и целесообразной считают такую организацию обучения, когда учащиеся начинают изучение физики в интегрированном курсе и продолжают его в систематическом курсе, построенном по ступенчатому признаку (со спиральными и линейными элементами) в порядке усложнения рассматриваемых форм движения материи при систематизации учебного материала вокруг фундаментальных физических теорий. При этом, главными остаются вопросы: какие идеи принять за основу курса? Какие требования принять в качестве основополагающих при отборе и распределении учебного материала? В каком порядке его следует изучать? Каким образом реализовать дифференциацию обучения физике? Как излагать сведения по технике и связанной с ней технологии?

На эти вопросы учитель вынужден отвечать себе и учащимся при изучении всех разделов физики. Но сложнее всего ответы даются при изучении физики ядра.

Первичные сведения о строении вещества ребята получают уже на стадии дошкольного образования, потому при исследовании этого вопроса в школе нужно будет выстроить вертикаль становления понятий ядерной физики. Имеющиеся методические разработки и образовательные ресурсы, как правило, нацелены на их применение в масштабах одной ступени изучения.

При определении содержания и методов изучения данного раздела необходимо руководствоваться такими основными факторами, как научной значимостью отобранного для изучения материала и важностью его практических приложений.

В процессе исследования ядерной физики рассматриваются такие понятия как модели атома, состав ядра атома, радиоактивность, деление ядер и прочие понятия в зависимости от профиля школы. Все данные вопросы имеют чрезвычайно большое значение, т.к. на их базе создаётся у учеников расширенные представления о находящемся вокруг нас мире. Некие вопросы атомной и ядерной физики нужно осматривать еще в курсе младшей школы, что имеет собственные проблемы.

При изучении любого раздела физики демонстрационный эксперимент должен являться основной составляющей экспериментального курса физики; как правило, все основные физические понятия должны демонстрироваться на опыте. Хороший демонстрационный опыт, проведенный во время теоретического изложения и отражающий физическое явление, позволяет преодолеть часто возникающий на начальной стадии обучения формальный подход к физике. На протяжении всего курса изучения физики опыты накапливают и расширяют кругозор учащихся [6]. Они зарождают правильные начальные представления о новых физических явлениях и процессах, раскрывают закономерности, знакомят с методами исследования, показывают устройство и действия некоторых новых приборов и установок, иллюстрируют практическое применение физических законов. Все это конкретизирует, делает более понятным и убедительным теоретическое изучение материала, возбуждает и поддерживает интерес к физике.

Однако поставить реальную демонстрацию по ядерной физике довольно-таки сложно по причине опасности проведения для здоровья человека.

Существуют два выхода из такой ситуации:

1.Для обеспечения наглядности при изучении физики широко применяют “материальные” модели, в которых рассматриваются не сами изучаемые явления, а их аналоги.

Этот метод хорошо может применяться при изучении атомной физики. Примером такой демонстрации может служить аналогия строения атомного ядра и беспорядочного расположения детей (в равных количествах мальчиков и девочек) в центральном круге баскетбольной площадки.

Мальчики будут олицетворять протоны, а девочки нейтроны. Если же попросить детей собраться в кучки мальчики с мальчиками, а девочки с девочками, тогда в сутолоке они начнут толкаться и строй вытянется в овал, что является аналогией деления ядер.

Ещё одним примером такой модели может быть капельная модель ядра, где строение ядра рассматривается как капля жидкости.

Эти модели считаются удовлетворительной кандидатурой для показа презентаций. Впрочем, основным минусом модельного опыта считается тогда, что не ко всему вполне возможно сделать аналогию и механические модели искажают свойства микромира.

2. Для того, чтобы показать любой эксперимент по атомной физике во всей его полноте, прибегают к компьютерному моделированию.

С позиции учителя неоспоримое, лежащее на поверхности достоинство компьютерного моделирования содержится в возможности творить внушительные и незабываемые визуальные образы. Такие приятные образы содействуют пониманию изучаемого действа и запоминанию существенных составных частей в значительно большей степени, чем подходящие математические уравнения. Моделирование позволяет придать наглядность абстрактным законам и концепциям, привлечь внимание учащихся к тонким деталям изучаемого явления, ускользающим при непосредственном наблюдении. Графическое отображение результатов моделирования на экране компьютера одновременно с анимацией изучаемого явления или процесса позволяет учащимся легко воспринимать большие объемы содержательной информации [7].

На основе всестороннего анализа учебного материала по физике ядра нами разработан многоуровневый образовательный ресурс для школьника и учителя. Составленный по принципу кейс-пакета, он позволяет использовать как отдельные его элементы на разных ступенях обучения, начиная с начальной школы, так и в целом на уроках обобщения и систематизации знаний. В зависимости от реализуемых целей обучения, фрагменты ресурса могут быть использованы как для базового, так и для повышенного уровня формирования исследовательских компетенций учащихся.


2.2. Общее описание электронного учебного модуля «Ядро от «А» до «Я»»

Электронный учебный модуль «Ядро от «А» до «Я»» для учащихся средней школы представляет собой многоуровневый электронный учебник. Целью создания данного ЭУМ - оказание помощи учителям в подготовке и проведении уроков физики; учащимся в выполнении домашнего задания, самообразовании; родителям в проверке качества знаний своих детей по темам из раздела «Физика атомного ядра».

ЭУМ разделен на уровни, каждый из которых содержит определенный объем информации. Содержание раздела зависит от возраста учащегося. Каждый блок учебного модуля разделен на 3 уровня, и в зависимости от профиля школы можно воспользоваться определенным набором информации.

hello_html_m6daff3bc.png

Рисунок 10. Ведение


Первый уровень предназначен для изучения физики атомного ядра учащимися общих средних образовательных учебных заведений, не имеющих профиля углубленного изучения. Информация на таком уровне полностью отвечает всем базовым требованиям стандартов физического образования.

hello_html_459e2f5e.png

Рисунок 11. Представление строения вещества

Второй уровень рассчитан на школы с гуманитарным уклоном, для тех классов, где на изучение физики отводится минимальное количество часов, то есть 36 или 70 уроков в год.

hello_html_704b690f.png

Рисунок 12. Сведения об агрегатных состояниях вещества.

Третий уровень предназначен для углубленного изучения физики ядерных процессов в классах с физико-математическим уклоном, а также профильных лицеях, где количество часов не меньше 105 в год, то есть 3 урока в неделю.

hello_html_m6de6ecd.png

Рисунок 13. Демонстрация опыта Резерфорда.

В отличие от обычного учебника, в который входят только текстовая и частично графическая информация, электронный образовательный модуль содержит следующие компоненты:

- теоретическая часть;

- экспериментальную часть;

- практическую часть.

Теоретическая часть представляет собой текстовую информацию, которую можно прочитать самостоятельно или прослушать. Некоторые темы сопровождаются видеоматериалом. Так же можно одним нажатием мыши получить краткий опорный конспект по теме в виде схем, графиков и основных определений.

hello_html_410ea526.png

Рисунок 14. Молекулы одного и того же вещества.

Мультимедиа-библиотека, являющаяся основой ЭУМ, включает компоненты, раскрывающие данную предметную область:

  • реалистический визуальный ряд: фотографии экспонатов, объектов предметной области, портреты ученых; видеофрагменты процессов и явлений предметной области, демонстраций опытов, видео экскурсий; объекты виртуальной реальности;

    hello_html_4dbcf44a.png

    Рисунок 15. Опыт с марганцовкой.

  • символьные объекты и деловую графику: схемы, диаграммы, пояснительные тексты, формулы, заголовки и другие элементы, в том числе создаваемые пользователем с помощью стандартных приложений;

  • синтезированный визуальный ряд: двух-, трехмерные статические и динамические модели, представления воображаемых элементов, объектов, скрытых структур, процессов, явлений предметной области (например, в макро- и микромире, в сверхкоротких или очень больших интервалах времени); объекты интерактивного моделирования.

Так как провести наглядные демонстрационные опыты по физике атомного ярда является затруднительным в силу размеров объектов микромира, а также угрозы здоровью человека, которую несет ядерная энергия, в ЭУМ предлагается проведение виртуальных опытов и лабораторных работ. Каждая экспериментальная работа имеет своей целью подтвердить теоретический материал, поэтому снабжена четким планом выполнения и подсказками, которые всплывают при необходимости по ходу работы.

hello_html_2f6ffd8a.png

Рисунок 15. Визуализация броуновского движения.

Под практической частью подразумевается решение физических задач раздела физика атомного ядра. В ЭУМ представлены основные типы физических задач (расчетные, графические, теоретические, экспериментальные). Каждый тип сопровождается примером решения такой задачи. Для большего удобства всегда есть возможность посмотреть алгоритм решения задачи определённого типа.

hello_html_m650b25e4.png

Рисунок 16. Решение расчетных задач.

2.3. Возможности применения ЭУМ на уроках физики

  1. Для изучения теоретического материала

ЭУМ оснащен разработанными шаблонами конспектов по всем темам курса «Ядерная физика». Уроки можно проводить с использованием проектора или интерактивной доски.

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

Принцип наглядности является основополагающим при применении информационных технологий в обучении физике. Принцип наглядности получил свое первоначальное развитие и широкую интерпретацию с XVII в. и до настоящего время остается важнейшим принципом дидактики. Требование реализации наглядности в обучении восходит к временам Яна Амоса Коменского (1592 — 1670 гг.) и провозглашено им в «Великой дидактике»: «Поэтому пусть будет для учащихся золотым правилом: все, что только можно, предоставлять для восприятия чувствами, а именно: видимое — для восприятия зрением, слышимое — слухом, запахи — обонянием, подлежащее вкусу — вкусом, доступное осязанию — путем осязания. Если какие-либо предметы сразу можно воспринять несколькими чувствами, пусть они сразу схватывают несколькими чувствами» [8].

У разных людей доминирующим может быть тот или иной вид наглядности в зависимости от индивидуальных особенностей. Обучаемый познает окружающий мир с помощью органов чувств, при Прямая соединительная линия 82Прямая соединительная линия 81Прямая соединительная линия 80этом основными являются слух и зрение. Около 90 % всех сведений об окружающем мире человек получает с помощью зрения, 9 % — с помощью слуха и только 1 % — с помощью других органов чувств. Следует отметить также, что из всех видов памяти у большинства людей более всего развита зрительная, особенно у детей. Недаром говорят: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать» [9].

ЭУМ включает в себя демонстрации природных явления, которые рассматриваются в курсе ядерной физики.

Рассмотрим основное содержание раздела «Ядерная физика для старших школьников и их родителей».

Визуализация процессов распадов:

Объясняя процесс альфа - распада и бета – распада, сопровождая его показом слайдов, преподаватель делает более понятным труднодоступный для школьников материал.

Анимация деления ядер урана. Показ данного фрагмента сопровождается объяснением условий для протекания цепной ядерной реакции:

Например, цепная реакция деления ядер урана не осуществляется в природном уране, поскольку природный уран на 99,3% состоит из изотопа урана-238 и только на 0,7%из изотопа урана-235. Способность к делению под действием нейтронов, испущенных в процессе деления, обнаруживается только у ядер урана-235. Цепная реакция может развиваться в том случае, если количество урана больше некоторого минимального значения - критической массы.Демонстрация природы ядерных сил дополняет естественно - научную картину мира.

Интерактивный объект демонстрирует особенности строения ядра.

Природа искусственных радиоактивных превращений

Природа изотопов.

Например, изотопы- атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре (зарядовое число) и разное число hello_html_mddb9277.gif нейтронов. Водород имеет 3 изотопа. hello_html_3fac7018.gif-протий (в ядре один протон), hello_html_m639558fd.gif-дейтерий (протон и нейтрон), hello_html_518004f0.gif-тритий (в ядре протон и 2 нейтрона).

Альфа, бета, гамма излучения.

Реакция ядерного синтеза: основной процесс в звездах, на Солнце.

Для демонстраций принципов работы современных приборов ЭУМ имеет интерактивные и видео-объекты: схема циклотрона; счетчик Гейгера.

Для проверки знаний в ЭУМ помимо практической части имеется некоторое количество тренажеров и тестов по всем темам раздела.

Существенным компонентом в образовании являются методы непрерывного и интенсивного мониторинга и контроля знаний.

Важнейший элемент мониторинговой системы — тестирование.

Тест — это стандартизированное задание, по результатам которого судят о знаниях и умениях обучаемого. Тесты позволяют в кратчайший срок проверить знания больших групп учащихся, выявить пробелы при изложении учебного материала, применить методы математической статистики для оценки степени его усвоения всеми обучаемыми и т.д.

Разработка тестового контроля включает следующие этапы:

  • определение целей тестирования (прогностические связаны с профильной ориентацией учащихся, диагностические — с уровневой дифференциацией обучения, ориентированные на обратную связь);

  • отбор и упорядочивание заданий;

  • компоновка тестов по блокам;

  • апробация;

  • проведение тестовых испытаний.

При выборе критериев оценки учитываются мыслительные навыки, которые должны быть получены учащимися в процессе обучения: информационные (узнает, вспоминает); понимания (объясняет, показывает); применения (демонстрирует); анализа (обдумывает, рассуждает); синтеза (комбинирует, моделирует); сравнительной оценки (сравнивает по параметрам).

В процессе усвоения учебного материала обучаемый последовательно достигает четырех уровней усвоения, в зависимости от этого тесты разделяют на четыре уровня сложности:

  • первый уровень означает приобретение обучаемым знаний — знакомств, с помощью которых он способен узнавать то или иное явление в ряду ему подобных. Для достижения этого требуется обязательная опора на конкретное явление, информация о котором была представлена в процессе обучения;

  • второму уровню соответствуют знания, с помощью которых обучаемый может воспроизводить учебную информацию по памяти;

  • третий уровень означает приобретение обучаемым способности решать типовые задачи, используя для этого усвоенные им в процессе обучения способы их решения;

  • на четвертом уровне, обозначаемом как уровень трансформации или творчества, обучаемый способен творчески использовать полученные знания, умения и навыки в новых, нетипичных ситуациях [10].

Тесты, разработанные с учетом уровней усвоения, позволяют оценить качество усвоения. Прямая соединительная линия 79При составлении тестов должны учитываться следующие требования:

  • строгое соответствие источникам информации, которыми пользуются учащиеся;

  • простота — каждое задание должно заключаться в требовании от испытуемого ответа только на один вопрос;

  • однозначность — формулировка задания должна исчерпывающим образом разъяснять поставленную перед испытуемым задачу, причем язык и термины обозначений, графические изображения и иллюстрации задания и ответов к нему должны быть безусловно и однозначно понятными учащимся.

Опыт показывает, что и сами ученики предпочитают тестирование другим методам контроля знаний, считая его наиболее объективным. Удобно проводить тестирование на компьютере, но при этом требуется начальная подготовка учащегося как пользователя персонального компьютера. Ученик, никогда не работавший с тестами на компьютере, часто допускает ошибки не из-за незнания предмета, а из-за неумения работать с тестами.

Существует две формы организации тестов, которые условно можно назвать «выбери ответ из предлагаемых вариантов» и «напиши правильный ответ». Вторая форма сложнее и длительнее для тестируемого, так как предполагает наличие хороших навыков работы на компьютере и абсолютную грамотность ученика при выдаче ответа. Каждый ответ может иметь различную степень подробности, и оценка правильности ответа будет затруднена.

Поэтому, как правило, используется первая форма организации тестов, которая обеспечивает относительно простой диалог с тестируемым и, как следствие, быстроту прохождения теста, поскольку для выдачи ответа достаточно нажать клавишу с номером правильного ответа, выбрав его среди предложенных. Такая простота выдачи ответа не отвлекает учащегося от предметной сути поставленного перед ним вопроса.

Преимущество такой организации тестирующей программы заключается еще и в простом критерии правильности ответа: совпадение номеров действительно правильного ответа на вопрос теста и ответа, данного учеником. Однако такая форма имеет недостаток — наличие «скрытой» подсказки на вопрос — выбирать ответ легче, чем самостоятельно записывать его. Поэтому следует тщательно выбирать варианты ответов. Хотя бы некоторые из них должны быть достаточно правдоподобны и учитывать наиболее часто встречающиеся ошибки, допускаемые учащимися.

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

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

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

Преподавание такой науки, как физика, нельзя уложить в точно очерченные рамки типового перечня учебно-наглядных пособий. Настоящий учитель всегда будет искать новые пути для проверки своих методических идей, что обычно связано с самостоятельным изготовлением новых учебно-методических пособий. Такая работа в кабинете физики является одним из главных признаков методического и научного роста педагога [6]. Самостоятельно изготовленные средства могут заменить недостающие промышленно изготовленные дидактические информационные средства.

Использование самостоятельно изготовленных дидактических информационных средств во время уроков позволяет в ряде случаев заметно повысить качество проведения уроков физики, расширяет методические возможности учителя и по методическим соображениям они могут быть даже лучше включенных в основную коллекцию наглядных пособий.

Самостоятельно изготовленные дидактические информационные средства, за разработку которых берется учитель, в зависимости от его профессиональной подготовки и опыта работы, по уровню сложности и степени новизны можно условно разделить на три категории. К первой относят простейшие самодельные дидактические информационные средства, копируемые по образцу или описанию, данному в методической литературе. Вторая категория охватывает доработки, изменения, вносимые учителями в уже имеющиеся шаблоны. Третья категория сложности предполагает самостоятельное проведение полностью авторской разработки и изготовления нового дидактического информационного средства [6].

Учителя, как правило, отказываются от повторения сценариев дидактических информационных средств, которые выпускаются промышленностью серийно и могут быть приобретены через торговую сеть. Дело в том, что, копируя сценарий промышленно выпускаемого дидактического информационного средства в школьных условиях, в лучшем случае удастся создать средство, которое будет не хуже.

Более правильным является иной подход, в соответствии с которым областью творчества учителя становится разработка уникальных, не существующих на данный момент дидактических информационных средств.

Прямая соединительная линия 78Прямая соединительная линия 77Прямая соединительная линия 76Прямая соединительная линия 75Прямая соединительная линия 74Прямая соединительная линия 73Прямая соединительная линия 72Прямая соединительная линия 71Работа учителя над созданием самодельного нового дидактического информационного средства является школой самообучения искусству представления учебной информации.

В процессе создания дидактического информационного средства можно выделить следующие основные этапы:

  1. определение цели разработки;

  2. изучение опыта других учителей;

  3. выработка творческих решений;

  4. изготовление опытного образца;

  5. опытная проверка;

  6. доработка образца;

  7. проверка нового дидактического информационного средства в учебном процессе.

Первый этап — выяснение цели разработки, определение функций и задач, для выполнения которых создается самодельное дидактическое информационное средство. От того, насколько четко будет сформулирована творческая задача, зависит эффективность поиска путей ее решения.

Второй этап — изучение опыта других учителей по созданию аналогичных дидактических информационных средств. Учет этого опыта значительно сокращает время разработки, позволяет выявить и сопоставить достоинства и недостатки имеющихся информационных решений. Задачей учителя на этом этапе является отбор таких информационных решений, которые наиболее соответствовали бы его дидактическому замыслу, возможностям аппаратных средств кабинета физики и умениям учителя или его помощников [11].

В итоге информационного поиска учитель может остановиться на уже опробованном другими учителями варианте, приемлемом для него в методическом отношении. Заниматься поиском самостоятельного решения рационально тогда, когда после изучения существующих творческих решений выясняется, что ни одно из них по каким-то причинам непригодно. В этом случае за основу берется совершенно новая идея, базирующаяся на иных принципах по сравнению с теми, на которых уже действуют существующие дидактические информационные средства.

Третий этап самый ответственный. Используя полученную информацию, анализируя собственные подходы к решению поставленной задачи и свои возможности, учитель останавливается на; каком-то определенном творческом решении. Идея будущего дидактического информационного средства материализуется в сценариях, а при необходимости — и в информационных моделях. При этом принимаются во внимание эксплуатационные качества будущих информационных носителей дидактического средства, учитываются характеристики тех аппаратных средств, совместно с которыми предполагается использовать новое средство.

Четвертый этап, самый трудоемкий, заключается в изготовлении опытного образца дидактического информационного средства. На этом этапе могут возникнуть трудности с приобретением нужныx информационных носителей, созданием условий для записи и воспроизведения, согласованием возможностей аппаратных средств кабинета физики и т.п.

Пятый этап — пробное испытание готового образца. На этом этапе для консультаций привлекаются опытные учителя физики и методисты. Цель этапа — проверить правильность избранного методического решения, оценить соответствие педагогическим требованиям к дидактическим информационным средствам.

Шестой этап состоит в доработке опытного образца по результатам его испытания. При этом устраняются выявленные методические недостатки, уточняются отдельные информационные и эксплуатационные характеристики.

Седьмой этап — завершающий. В его ходе проводят педагогический эксперимент — проверку нового дидактического информационного средства в учебном процессе, и выясняют, насколько оно соответствует цели, поставленной при его разработке. Выясняются его возможности для решения методических задач учителя. Проводят уроки с его использованием. Если оказывается, что ожидаемый результат получен, то новое дидактическое информационное средство вводится учителем в практику своей работы и в практику работы педагогического коллектива [11].

В зависимости от сложности создаваемого дидактического информационного средства отдельные из рассмотренных этапов могут дополняться другими действиями, или, наоборот, оказаться свернутыми, или отсутствовать вовсе.

Данный ЭУМ создавался в соответствии с этими этапами и полностью отражает потребность в визуализации и простоте подачи учебного материала такого сложного раздела как физика атомного ядра.

2.4. Выбор технологии электронного обучения

В настоящее время существуют две основные ветки систем организации электронного обучения:

  • коммерческие LMS\LCMS;

  • свободно распространяемые LMS\LCMS.

Коммерческие LMS\LCMS

Данные системы представляют собой коммерческие разработки, ориентированные на использование в дистанционном обучении, либо в организации электронного обучения в рамках учебного заведения. На отечественном рынке представлено несколько таких систем.

Битрикс: Управление сайтом” – CMS, получившая широкое распространение и большую известность. Продукт доступен в различных по мощности версиях, которые отличаются друг от друга набором модулей (и, следовательно, возможностями). Пакет “Старт” стоит 199 у.е., а наиболее продвинутый “Бизнес” – 1699 у.е. Доступны версии, работающие не только с MySQL, но и с Oracle (цена таких редакций гораздо выше: например, пакет “Бизнес” стоит уже 7999 у.е.) “Битрикс” отличается достаточно серьезными возможностями, позволяющими решать практически любые задачи. Однако разработку дизайна сайта и его первоначальную настройку могут провести только дорогостоящие специалисты (не обойтись тут, скажем, без PHP-программиста). Так же система весьма требовательна к ресурсам сервера [12].

NetCat” – в данный момент CMS выпускается в версии 2.3, а первая была разработана в далеком 1999 году. Покупателям доступно три различных по набору модулей редакции – “Standart” (300 у.е.), “Plus” (750 у.е.) и “Extra” (1200 у.е.), а также нечто вроде демо-версии, которую не стоит принимать всерьез – “Small Business” (4 у.е.) Данная CMS также достаточно функциональна, удобна и проста в освоении. Ко всем пакетам (исключая “Small Business”) “прилагается” квалифицированная поддержка по горячей телефонной линии и всеми другими удобными для пользователей способами. При разработке сайта и (особенно сложного и многофункционального) требуются усилия программистов (PHP и MySQL).

inDynamic 2.3” – весьма серьезная по возможностям и достаточно удобная CMS, однако и стоимость ее достаточно высока: базовая поставка доступна за 1100 у.е., расширенная – 1500-3500, а максимальная комплектация системы модулями обойдется в 9000 (и выше) у.е. Как видно из широкого разброса цен, разработчики этой CMS следуют индивидуальному подходу в работе с заказчиком, предоставляя именно такую комплектацию, которая необходима в каждом конкретном случае. Сайты, построенные на основе этой системы, обладают рядом преимуществ перед большинством других (среди столь же продвинутых в этом отношении можно назвать лишь Amiro.CMS) с точки зрения поискового продвижения.

Amiro.CMS” – сбалансированная и многофункциональная CMS, обладающая многими серьезными преимуществами, среди которых можно назвать и глубокий уровень контроля над сайтом через веб-интерфейс, высокий уровень юзабилити, ориентация на поисковую оптимизацию, невысокая цена решений (от 90 до 499 у.е. за пакеты с различными наборами модулей, причем возможны варианты с арендой и помесячной оплатой). “Amiro.CMS” проста в эксплуатации и настройке (PHP-программирование не требуется), но дает полный спектр возможностей по управлению содержанием сайта. К недостаткам можно отнести то, что сайт на базе Amiro.CMS можно безболезненно перенести не на каждый хостинг.

Система "Прометей" - это программная оболочка, которая не только обеспечивает дистанционное обучение и тестирование слушателей, но и позволяет управлять всей деятельностью виртуального учебного заведения, что способствует быстрому внедрению дистанционного обучения и переходу к широкому коммерческому использованию.

Лидирующие позиции системы дистанционного обучения "Прометей" обусловлены тем, что она объединила все составляющие эффективного обучения:

  • передовые методики;

  • новейшие технологии;

  • мощные средства управления.

В настоящее время система дистанционного обучения "Прометей" используется различными учебными заведениями и корпорациями из России и стран СНГ. Интерфейс переведен на несколько национальных языков, среди которых русский, украинский, казахский, узбекский (латиница и кириллица) и английский [13].

В отличие от многих других программных продуктов, Система дистанционного обучения "Прометей" может официально использоваться в любых, в том числе учебных и государственных, организациях, так как имеет сертификат "Росинфосерт" о соответствии требованиям, предъявляемым к программным средствам систем дистанционного обучения нормативным документом СТУ 115.005-2001. Данный нормативный документ подписан совместно уполномоченными ответственными лицами Министерства образования РФ (Управление информационных технологий в образовании) и Министерства РФ по связи и информатизации (Департамент информатизации). Цена базового пакета от $3000.

В современных условиях массовое использование таких систем отечественными вузами не представляется возможным в силу их высокой стоимости и жестких аппаратных требований. Также коммерческие системы предоставляют ограниченное количество образовательных лицензий.

Кроме того, коммерческие системы предоставляют весьма ограниченные возможности для расширения и масштабирования возможностей.

Свободно распространяемые LMS\LCMS

На основе анализа существующих OpenSource систем LMS\LCMS нами были выделены следующие: ATutor, Claroline, Dokeos, LAMS, Moodle, OLAT, OpenACS, Sakai. Основными критериями отбора были выбраны степень поддержки системы и многоязыковое сопровождение.

ATutor (http://www.atutor.ca/) представляет собой свободно распространяемую web-ориентированную систему управления учебным контентом, разработанную с учетом идей доступности и адаптируемости. Администраторы могут обновить или инсталлировать Atutor за несколько минут, разработать собственные шаблоны оформления системы. Преподаватели могут быстро собирать, структурировать содержание учебного материала для проведения занятий on-line. Обучаемы работают с гибкой, адаптивной средой обучения.

Claroline (http://www.claroline.net/)(Classroom Online) – платформа построения сайтов дистанционного обучения, созданная с учетом пожеланий преподавателей. Приложение было создано в институте педагогики и мультимедиа католического университета в Лувене. Продукт бесплатен и доступен. Требует установки PHP/MySQL/Apache Система была протестирована в среде Mandrake Linux 8.1, Windows 98 и NT с установленным EasyPHP. Она может принять до 20000 учащихся. Claroline позволяет создавать уроки, редактировать их содержимое, управлять ими. Приложение включает генератор викторин, форумы, календарь, функцию разграничения доступа к документам, каталог ссылок, систему контроля за успехами обучаемого, модуль авторизации [13].

Dokeos (http://www.dokeos.com/) – платформа построения сайтов дистанционного обучения, основанная на ветке (fork) Claroline (версии 1.4.2.). Ветка представляет собой клон свободно распространяемого программного продукта, созданный с целью изменить приложение-оригинал в том или ином направлении.

Dokeos – результат работы некоторых членов первоначальной команды разработчиков Claroline, которые задумали:

  • изменить ориентацию приложения. Теперь оно подойдет скорее организациям, чем университетам. Дело в том, что Claroline прекрасно адаптирована для университетской среды, что выражается в поддержке большого количества учеников и курсов. Dokeos, как нам кажется, больше ориентирован на профессиональную клиентуру, например, на персонал предприятия.

  • организовать (скорее выставить на продажу) набор дополнительных сервисов для платформы. Название Dokeos относится как к приложению, так и к сообществу, которое предлагает набор различных сервисов к платформе: хостинг, интегрирование контента, разработка дополнительных модулей, тех. поддержка и т.д.

Dokeos бесплатен и останется таковым, поскольку лицензия Claroline (GNU/GPL) предполагает, что ветки подпадают под ту же лицензию. Поскольку ветка была выделена недавно, оба приложения сейчас относительно похожи друг на друга, хотя некоторые различия в эргономике, построении интерфейса, функционале уже начинают проявляться [14].

LAMS (http://www.lamscommunity.org). Спецификация IMS Learning Designбыла подготовлена в 2003 году. В ее основу положены результаты работы Открытого университета Нидерландов (Open University of the Netherlands – OUNL) по языку образовательного моделирования «Educational Modelling Language» (EML), при помощи которого описывается «метамодель» разработки учебного процесса [15].

На основе данной спецификациибыла создана «Система управления последовательностью учебных действий» Learning Activity Management System (LAMS). LAMS предоставляет преподавателям визуальные средства для разработки структуры учебного процесса, позволяющие задавать последовательность видов учебной деятельности.

LAMS представляет собой революционно новое приложение для создания и управления электронными образовательными ресурсами. Она предоставляет преподавателю интуитивно понятный интерфейс для создания образовательного контента, который может включать в себя различные индивидуальные задания, задания для групповой работы и фронтальную работу с группой обучаемых [16].

Moodle (http://moodle.org/) – приложение, предназначенное для организации online-уроков и обучающих web-сайтов. Проект был задуман для распространения социо-конструктивистского подхода в обучении.

Если резюмировать очень кратко, этот подход предполагает, что

  • новые знания могут приобретаться только на основе ранее приобретенных знаний и уже имеющегося индивидуального опыта

  • процесс обучения будет намного эффективнее, когда обучаемый передает другими словами или объясняет другим полученные знания.

То есть при использовании этого подхода вы опираетесь на тот опыт ученика, который больше всего подходит для усвоения нужного материала, а не просто публикуете и модифицируете информацию, которую ученик должен усвоить. Такой подход позволяет вам также сделать так, чтобы каждый участник учебного процесса мог поочередно быть и учителем, и учеником. Функция преподавателя может измениться: вместо источника знаний он превращается в "центр влияния" и модель классной культуры. Преподаватель должен найти индивидуальный контакт с каждым учеником, адаптируясь под его образовательные потребности. К тому же преподаватель обязан направлять дискуссии и совместную деятельность таким образом, чтобы коллективно достичь целей обучения.

Moodle годится для использования более классических стилей обучения, в частности, гибридного обучения, что превращает систему в дополнение к презентационному обучению [15].

К тому же система пригодна для создания сайтов с мультиязычным содержимым.

Moodle функционирует на всех компьютерах, где можно установить PHP и запустить базу данных MySQL или PostgreSQL.

Web-сайт Moodle бесплатно оказывает пользователям платформы качественную поддержку. Этому способствует многочисленное сообщество.

OLAT (http://www.olat.org). Разработка системы началась еще в 1999 году в University of Zurich, Switzerland, где она является основной образовательной платформой электронного обучения.

OpenACS (http://openacs.org)(Open Architecture Community System) это система для разработки масштабируемых, переносимых образовательных ресурсов. Она является основой для многих компаний и университетов, занимающихся использованием технологий электронного обучения.

Sakai (http://sakaiproject.org/) представляет собой онлайн систему организации учебного образовательного пространства. Sakai является системой с полностью открытым исходным кодом, которая поддерживается сообществом разработчиков. В систему интегрирована поддержка стандартов и спецификаций IMS Common Cartridge, SCORM [17].

Системы с открытым кодом позволяют решать те же задачи, что и коммерческие системы, но при этом у пользователей есть возможность доработки и адаптации конкретной системы к своим потребностям и текущей образовательной ситуации.



III. Заключение

Основная часть этой работы состоит из двух частей. В первой рассматриваются ключевые вопросы физики ядра, к которым определены открытие, заряд, масса, объемы, энергия взаимосвязи атомного ядра, также ядерные силы. Во второй – методические советы по разработке учебного курса для дистанционного изучения.

В нынешнее время становления компьютерных технологий чрезвычайно мало программ посвящено исследованию ядерной физики. И те, что есть, содержат внутри себя только небольшую часть того, что нужно ученикам для понимания этого подраздела.

Результатом нашей работы считается творение фрагмента программы по ядерной физике для базисных и профильных школ с комфортной навигацией красочно представленного теоретического и практического материала.

Составляющие этого ресурса были частично приняты на вооружение в моей педагогической практике на уроках физики в 7 классе как подготовку к пониманию более трудоемких понятий, этих как молекула, атом, взаимодействие частиц вещества, диффузия, броуновское движение.

Разработанный курс может раскрывать доступ к нестандартным источникам информации, увеличивать эффективность самостоятельной работы, выдавать абсолютно свежие возможности для творчества, обретения и укрепления разных умений, а учителям дает возможность продавать сознательно новейшие формы и способы обучения.

Также данный курс может быть использован:

  • для контроля учащихся;

  • на стандартном уроке;

  • для актуализации знаний;

  • для самостоятельной работы учащихся.

Литература

  1. В.А. Хангулян, И.С. Шапиро, Избранные вопросы теории ядра. Часть 1, Москва (2009).

  2. Л.Б. Окунь, Физика элементарных частиц. 2-е изд, Москва (2002). 

  3. В.И. Григорьев, Г.Я. Мякишев, Силы в природе, Москва, «Наука», (1983).

  4. Д.В. Сивухин, Общий курс физики, Атомная и ядерная физика (2-е изд), МФТИ, Москва (2011).

  5. Программы для общеобразовательных учреждений:

    1. В.А. Коровин, В.А. Орлов, Программы для общеобразовательных учреждений. Физика. Астрономия. 7-11 кл. Москва, (2008), с. 51, с.112

    2. Н. В. Шаронова, Е. П. Левитан, Физика. 10 – 11 классы, (2009), с.3.

    3. Н.Е. Важеевская, Н.С. Пурышева, Физика 9 кл. Москва, (2011).

  1. В.П. Беспалько, Педагогика и прогрессивные технологии обучения, Москва (1995).

  2. И.М. Ибрагимов, Информационные технологии и средства дистанционного обучения, Академия, (2007), с. 336.

  3. Ю.Д. Корнюшкин, Основы современной физики. Учебное пособие, Москва (2005).

  4. З.П. Мастропас, Ю.Г. Синдеев, Физика: Методика и практика, Феникс, Ростов-на-Дону (2002).

  5. Ю.В. Новиков, Природа и человек, Просвещение, Москва (1991).

  6. В.А. Сластенин, И.Ф. Исаев, А.И. Мищенко, Е.Н. Шиянов, Педагогика: Учебное пособие для студентов и педагогических учебных заведений, Просвещение, Москва (1997).

  7. С.В. Агапонов, Д.Л. Кречман, eLearningServer 3000 для организации систем дистанционного обучения, Научно-методическая конференция «Интернет и современное общество» (IMS — 2002), Санкт-Петербург (ноябрь 2002).

  8. С.В. Агапонов, З. О. Джалиашвили, Д.Л. Кречман, И.С. Никифоров, Е.С. Ченосова, А.В. Юрков, Средства дистанционного обучения. Методика, технология, инструментарий, Петербург (2003), с. 336. http://ifets.ieee.org/russian/depository/v8_i4/html/1.html

  9. Якушев «Анализ технологий и систем управления электронным обучением» http://inno.cs.msu.su/implementation/it-university/07/

  10. LMS and LCMS: В чем разница? http://www.distance-learning.ru/db/el/B254358DE85FFE70C325723B0032F739/doc.html

  11. Введение в проблематику дистанционного обучения (ДО)

http://www.distancelearning.ru/db/el/7EEF8DFAD10899CFC3256C840052529E/doc.html

  1. Теория и практика онлайн нового обучения: Learning Content Management Systems

http://www.distancelearning.ru/db/el/74680D276CB4380DC32571D8002E91CE/doc.html

  1. А. В. Якушин. Использование LMS в учебном процессе педагогического вуза.

http://2006.edu-it.ru/docs/2/02_05_Yakushin.doc

  1. Рынок систем дистанционного образования

http://www.cnews.ru/reviews/free/edu/it_russia/


Самые низкие цены на курсы профессиональной переподготовки и повышения квалификации!

Предлагаем учителям воспользоваться 50% скидкой при обучении по программам профессиональной переподготовки.

После окончания обучения выдаётся диплом о профессиональной переподготовке установленного образца (признаётся при прохождении аттестации по всей России).

Обучение проходит заочно прямо на сайте проекта "Инфоурок".

Начало обучения ближайших групп: 18 января и 25 января. Оплата возможна в беспроцентную рассрочку (20% в начале обучения и 80% в конце обучения)!

Подайте заявку на интересующий Вас курс сейчас: https://infourok.ru/kursy

Автор
Дата добавления 26.10.2015
Раздел Физика
Подраздел Другие методич. материалы
Просмотров307
Номер материала ДВ-100215
Получить свидетельство о публикации

УЖЕ ЧЕРЕЗ 10 МИНУТ ВЫ МОЖЕТЕ ПОЛУЧИТЬ ДИПЛОМ

от проекта "Инфоурок" с указанием данных образовательной лицензии, что важно при прохождении аттестации.

Если Вы учитель или воспитатель, то можете прямо сейчас получить документ, подтверждающий Ваши профессиональные компетенции. Выдаваемые дипломы и сертификаты помогут Вам наполнить собственное портфолио и успешно пройти аттестацию.

Список всех тестов можно посмотреть тут - https://infourok.ru/tests

Похожие материалы

Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.
Специальное предложение
Вверх