Повторительно-обобщающий урок "О, эти кванты!"
план-конспект урока по физике (11 класс) на тему

ПОВТОРИТЕЛЬНО – ОБОБЩАЮЩИЙ УРОК  В  11 КЛАССЕ  “О, эти кванты!”

Не всякому помогает случай.

                                         Судьба одаривает только подготовленные умы.

                                                                                     (Луи Пастер)  (слайд 2)

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УРОКА:

•  обобщить и систематизировать материал по основам квантовой физики;
• научить выявлять положительные и отрицательные стороны научных исследований, открытий и технологических достижений;
• продолжить формирование интереса к научным познаниям;
• воспитывать гражданскую активность и чувство патриотической гордости за весомый вклад отечественных учёных в развитие квантовой физики     (слайд 3)

ОБОРУДОВАНИЕ И НАГЛЯДНОСТЬ:

 гальванометр зеркальный, термопара, спиртовка, селеновый фотоэлемент, маломощный осветитель с лампочкой на 6В, батарейка карманного фонаря, ключ, соединительные провода;

компьютер, таблица “Фоторезисторы и терморезисторы ”,портреты учёных, словарь физических терминов.

План урока:

1. Актуализация знаний   7 мин
2. Обобщение ранее изученного     10 мин
3. Разноуровневая самостоятельная работа    7 мин
4. Работа учащихся с программой КиМ “Физика”, раздел «Квантовая физика»   10 мин
5. Парадокс «кота Шрёденгера»                   3 мин
6. Подведение итогов урока        5 мин
7. Итоговое обобщение           3 мин

I . Актуализация знаний                                        (слайд 4)

Допишите формулы:

1. ... = hν
2. Р = m…
3. Е = …c2
4. hc/λ =         А + …
5. … = Ек - Еp
6. λm = hc/…
7. νmin = А/…                

Озаглавьте записанные формулы.

Ответьте на вопросы:                                (слайд 5-6)

1.Назовите факты, опыты и явления, подтверждающие квантовые свойства света.

2. Что понимают под внешним фотоэффектом?

3. В 1905 году А. Эйнштейн дал простое уравнение, вскрывающее сущность фотоэффекта. Если А1 –работа, потребная для вырывания электронов из атома и А2 –работа, необходимая для выведения электронов сквозь поверхностный слой вещества, то кинетическая энергия фотоэлектронов, вырывающихся наружу, будет:

        Ек = hν – ( A1+A2)

   Исходя из этого уравнения, объясните:

А) Как зависит Ек от частоты излучения?

Б) Чем будет отличаться механизм фотоэффекта при облучении вещества рентгеновскими лучами УФ излучением?

4. Как объяснить резкое увеличение электропроводности селена под воздействием радиации?

Ответ: если электроны под воздействием радиации вырываются из атомов, но при этом остаются внутри тела, а не вырываются наружу, то электропроводность вещества возрастает. На этом основан принцип селенового фотоэлемента.

II. Обобщение изученного ранее.

Проблемный вопрос.

В чём отличие классического понятия реальности от понимания реальности и измерения в квантовой физике?

  В ходе урока попытаемся дать ответ на этот вопрос при подведении итогов.

1. Сообщение ученика: Тепловые детекторы и фотодетекторы.       (слайд 7)

       Тепловые детекторы предшествовали квантовым. Их история началась в 1800 году, когда Уильям Гершель /1738 – 1822/, используя призму и ртутный термометр, открыл инфракрасное излучение. Но первый настоящий детектор появился лишь в 1830 году, когда итальянские физики Леопольдо Нобели и Македонио Меллони сконструировали первые термоэлементы, которые представляют собой совокупность термопар, соединённых вместе. В качестве фотодетектора может служить селеновый фотоэлемент.

  Постановка демонстрационного опыта по обнаружению электрического тока с помощью зеркального гальванометра, подсоединённого сначала к термопаре, а затем к селеновому фотоэлементу.                            (слайд 8-9)

Проблемные вопросы к данному опыту: (слайд 10-11)

А) В чём причина появления тока в обоих случаях?

 Б) Каков механизм термотока и фототока?

Ответ: термоЭДС, ответственная за ток в термопаре, прямо пропорциональна разности температур между спаями;

Фотодекторы - это устройства, которые работают на основе фотоэффекта, принадлежат к классу квантовых детекторов, так как в них используется непосредственное квантовое взаимодействие света с веществом.

2. Фотоэффект                                                     (слайд 12)

Учитель: физические механизмы излучения света достаточно многообразны. Попытки с классической точки зрения объяснить излучение абсолютно чёрного тела потерпели неудачу, приведя к известному закону излучения Планка и квантовой теории.

Макс Планк пытается примерить два начала термодинамики с теорией электромагнетизма. Однако за хорошую упаковку надо платить. Чтобы закон излучения удовлетворял экспериментальным данным по излучению чёрного тела, Планк в 1900 году вынужден ввести новую постоянную величину ( постоянную Планка h = 6,63-34Дж∙ с).

      Какую гипотезу выдвигает Планк об излучении?

Ответ: электромагнитное излучение происходит не непрерывно, а отдельными порциями – квантами.

Учитель: ни Планк, никто другой не понимают в тот момент, что, завершив построение основ термодинамики, они стали родоначальниками новых представлений об энергии и оказались на пороге нового мира - квантовой физики.

Открытие фотоэффекта взбудоражило умы многих учёных, среди которых был А. Г. Столетов (краткое сообщение ученика об открытии фотоэффекта).

Учитель: у вас есть уникальная возможность смоделировать опыты Столетова, используя компьютер, и ответить на вопросы, мучившие учёного многие месяцы.           (слайд 13)

Работа учащихся за компьютером с программой КиМ “Физика”, раздел «Квантовая физика».

    Фрагментарно повторяют темы «Фотоэффект», «Давление света» и  «Лазеры».

Учитель координирует действия учащихся, ведёт индивидуальную работу по выявлению степени восприятия материала каждым учеником.

Вопросы по компьютерной программе:                                 (слайд 14-15)

1. В каком случае интенсивность света, падающего на катод в экспериментальной установке А. С. Столетова больше?
2. В чём суть идей М. Планка?
3. Что означает в нашем понимании III – ий закон фотоэффекта?
4. На что расходуется энергия фотона?
5. Что такое фотон?
6. Как рассчитать энергию и импульс фотона?
7. Как изменяется давление света с увеличением интенсивности излучения в опытах  П. Н. Лебедева? С чем это связано?
8. Обладает ли фотон массой покоя?
9. Какова скорость фотона при взаимодействии света с веществом? /Комптоновское рассеяние /.
10. Каковы основные свойства, отличающие лазеры от прочих источников света? / монохроматичность, интенсивность, узконаправленность излучения /.
11. Какой из рисунков отражает трёхуровневую схему энергетических переходов?

     После завершения работы с компьютером ученикам предлагается разноуровневая самостоятельная работа.  (приложение 1)

Начальный уровень – выполняется в виде тестов с выбором ответа;

Средний уровень – включает в себя несложные задачи, при решении которых необходимо получить ответ. /Тесты прилагаются /.

    Зная ответы, можно быстро оценить работы учащихся, предложив предварительно провести проверку в парах.

3. Учитель зачитывает  ненаписанную глав у к роману « 12 стульев». / эмоциональное погружение /.  (Фрагмент прилагается).

Задание: заслушав литературный фрагмент, попытайтесь перечислить замеченные ошибки.

4. Парадокс «кота Шрёдингера»

     Парадоксы квантовой физики связаны с особенностями квантовых измерений. В начале ХХ века выдающиеся физики Эйнштейн, Шрёдингер, Бор, Гейзенберг, Паули и другие считали необходимым тратить время  и силы для разрешения квантовомеханических парадоксов. Широко известен парадокс « кота Шрёдингер».

Учитель зачитывает фрагмент из статьи “Странности квантового мира и тайна познания ” из приложения “Физика” № 20/2006, стр.41

Учитель: Что можно считать в описанном парадоксе измерением?

Ответ: всю описанную процедуру.

Учитель: А что можно считать результатом измерения?

Ответ: То, что видит экспериментатор, открыв ящик.

Заключение: драматичность ситуации с гибелью кота лишь усиливает психологическое воздействие на экспериментатора. На самом деле парадоксальность возникает в любом квантовом измерении.

2. Подведение итогов.

     А. Эйнштейн, который так и не принял до конца философию квантовой теории, тем не менее, заложил начало двум фундаментальным  положениям: понятию фотона / 1905г. / и стимулированного излучения / 1917г. /. Без этих понятий нельзя, например, описать работу лазера. Нильс Бор – наиболее страстный приверженец квантовой теории, создал первую квантовую модель атома. Многие учёные внесли свой вклад в создание квантовой теории.

   На экран проецируются « Основные этапы создания квантовой физики» /Приложение №2 /.

Итоговое обобщение.

   Изучение фундаментальных опытов – это один из способов научного познания, который позволил нам на уроке вести научный поиск проблемного характера. Возвращаясь к проблеме урока. Можно сделать заключение:

  В классической теории то, что мы получаем при измерении, реально существовало и до измерения. В квантовой физике реальность творится при измерении. В частности, устройства квантовой криптографии ( способ тайного письма) позволяет абсолютно защитить информацию от несанкционированного прослушивания, а квантовый компьютер позволяет решать задачи, для решения которых на классических компьютерах не хватит даже времени жизни Вселенной!

Домашнее задание: заполнить таблицу «Квантовые действия» /Приложение № 3 /.

Словарь новых терминов.       (слайд 16)

1. Релаксация – постепенное возвращение в состояние равновесия какой-либо системы после прекращения действия возмущения.
2. Фотон ( гр. свет ) – элементарная частица – квант электромагнитного поля.
3. Лазер – прибор для получения чрезвычайно интенсивных и узконаправленных пучков монохроматического излучения.
4. Инверсия – нарушение нормального порядка двух элементов в перестановке.

Приложение №2.

Основные этапы создания квантовой механики.                                  

• Квантование энергии: Макс Планк, 1900г. (премия 1918)         (слайд 17)
• Фотоны: Альберт Эйнштейн,1905г. (премия 1921г.)
• Атомные уровни: Нильс Бор, 1913 г. (премия 1922г.)
• Корпускулярно-волновой дуализм: Луи де Бройль, 1923-1924гг. (премия 1929г.)
• Принцип запрета: Вольфганг Паули, 1924-1925гг. (премия 1945г.)
• Матричная механика и принцип неопределённости: Вернер Гейзенберг, 1925г. и 1927г.   (премия 1932г.)
• Волновая функция: Эрвин Шрёдингер, 1926г. и Поль Дирак 1926-27гг. (совместная премия 1933г.)
• Вероятностная интерпретация волновой функции: Макс Борн, 1926г. (премия 1954г.)
• Математически строгая формулировка квантовой механики: Джон фон Нейман, 1927-1932гг.

Литература:

1. приложение «Физика» №№ 18,19,20.24/2006г.
2. приложение «Физика» № 10/2004г.