в каком классе изучается квантовая физика
Статья «Анализ школьных программ по физике в разделе «Квантовая физика»»
Разделы: Физика
1. Квантовая физика по программе Г.Я. Мякишева
Законом об образовании предусмотрена существенная реорганизация всей системы школьного образования, в том числе и физического. Существует пакет разнообразных программ, обеспечивающих различные варианты осуществления как уровневой дифференциации в рамках многоуровневых программ и учебников, так и профильной дифференциации, подразумевающей создание специальных классов и школ с различными уклонами: гуманитарным, естественнонаучным, физико-математическим, техническим и др.
Одной из программ является программа Г.Я. Мякишева. Это традиционная программа по физике для основной общеобразовательной школы. Составлена она на основе обязательного минимума содержания физического образования для основной школы в соответствии с Базисным учебным планом общеобразовательных учреждений. В программе, кроме перечня элементов учебной информации, предъявляемой учащимся, содержится перечень демонстраций, лабораторных работ и школьного физического оборудования, необходимого для формирования у школьников умений, указанных в требованиях к уровню подготовки выпускников основной школы. Автор программы предусматривает раздел “Квантовая физика”, изучению которой отводится 32 часа. Здесь объясняются следующие разделы и темы:
Световые кванты. Тепловое излучение. Постоянная Планка. Фотоэффект. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Фотоны.
Атомная физика. Строение атома. Опыты Резерфорда. Квантовые постулаты Бора. Модель атома водорода Бора. Трудности теории Бора. Квантовая механика. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм. Дифракция электронов. Лазеры.
Особенности методики изучения данного раздела определяются местом этого раздела в школьном курсе физики и спецификой изучаемого в нем материала. Квантовую физику 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. Это обстоятельство требует от учителя так построить учебный процесс, чтобы при изучении материала добиваться глубокого и прочного усвоения его учащимися. Необходима продуманная работа по закреплению и применению изучаемого материала при решении задач, выполнении лабораторных работ и т.д.
Для повышения качества усвоения материала очень важно опираться на ранее полученные знания. Например, при изучении правил смещения при радиоактивном распаде и при изучении ядерных реакций необходимо широко 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, которые учащиеся получили в базовом курсе физики и при изучении химии.
Особенность содержания квантовой физики также накладывает отпечаток на методику её изучения. В этом разделе учащиеся знакомят со своеобразием свойств и закономерностей микромира, которые противоречат многим представлениям классической физики. От школьников для его усвоения 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.
Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Но число демонстрационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень невелико. Поэтому, кроме эксперимента, широко используют рисунки, чертежи, графики, фотографии треков, плакаты и диапозитивы. 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, а также диапозитивы и настенные таблицы. Очень большие возможности в данном отношении открывает компьютерное моделирование.
2. Программа с углубленным изучением физики
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.
Согласно этой программе, в 11-м классе, помимо раздела “Колебания и волны” изучается раздел “Квантовая физика”. Дик и Коровин предлагают изложение материала в световых квантах вести в историческом аспекте. Наличие у фотона не только энергии, но и импульса обосновывается световым давлением и эффектом Комптона. На базе опытов Боте и Иоффе-Добронравова рассматривается вопрос о флуктуациях фотонов. Предполагается анализ корпускулярно-волновой двойственности свойств света и электромагнитного излучения других диапазонов.
При изучении темы “Физика атома” вначале называются факты, которые приводят к квантовой тории атома; это анализ опыта Резерфорда, проблема неустойчивости атома с позиции классической физики, невозможность объяснить происхождение линейчатых спектров. Не ограничиваясь полуклассической теорией Бора, программа вводит учащихся в круг идей квантовой механики. Рассматриваются идеи де Бройля, опыты Девиссона и Джермера, соотношение неопределённостей. Вводится пси-функция, и указан её физический смысл. Решение уравнения Шрёдингера для случая частицы в прямоугольной одномерной потенциальной яме позволяет показать, что принцип квантования энергии — логическое следствие основных положений квантовой механики. Введение понятий о спине электрона и принципе Паули даёт возможность разъяснить строение периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Идеи Эйнштейна о самопроизвольном и вынужденном излучении используются как база для раскрытия принципа действия оптического квантового генератора.
Тема “Элементарные частицы” завершает курс физики. В ней вводится понятие о фундаментальных взаимодействиях, излагается современная классификация элементарных частиц, даются начальные сведения об идеях квантовой хромодинамики.
Анализируя данную программу, мы видим, что она предусматривает значительный объём учебного материала, более детально и глубоко излагает материал, не ограничивается одной теорией, а вводит другие теоретические идеи, рассматривает задачи, не включенные в традиционный урок.
3. Физика в самостоятельных исследованиях
Но квантовая физика может вводиться не только в старших классах. Авторы еще одной программы, Н.Е. Важеевская и Н.С. Пурышева, предлагают изучать квантовую физику в 9-м классе. Программа отражает содержание курса физики основной школы. Она учитывает цели обучения физике учащихся основной школы и соответствует государственному стандарту физического образования.
Одной из тем курса физики 9-го класса 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, прикладной материал. 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 предусмотрены дополнительные темы, которые изучаются при условии успешного усвоения учащимися основного материала и наличии времени.
В разделе “Элементы квантовой физики” изучаются следующие темы:
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 тех учащихся, которые будут изучать этот предмет в старших классах средней школы.
Решение заданий ЕГЭ по квантовой физике
Максим Устюжанин
Больше всего старшеклассников в ЕГЭ по физике пугает последнее, 32 задание. Его тема — квантовая физика. На первый взгляд эта тема кажется сложной и запутанной, но мы постараемся с ней разобраться. 32 задание весит целых три первичных балла, и важно их не упустить!
Меня зовут Максим, и я преподаю физику в учебном центре MAXIMUM. За 4 года работы преподавателем я подготовил более 200 учеников по всей России, многие из которых учатся в престижных университетах нашей страны. Сегодня я научу вас решать 32 задание ЕГЭ по физике.
Нам понадобится разобраться с блоками ЕГЭ «Квантовая физика» и «Электродинамика». Услышав слово «фотоэффект», многие ученики удивляются. Что это такое? Это связано с фотоаппаратом? У кого этот эффект возникает? В этой статье мы увидим, что квантовая физика в ЕГЭ не так страшна: для решения заданий нужно совсем небольшое количество теории и формул. Но сначала чуть подробнее поговорим о специфике задания.
Хочешь круто подготовится к ЕГЭ? Вам поможет учебный центр MAXIMUM! Все наши преподаватели сами сдавали этот экзамен на хороший балл. Мы ежегодно изучаем изменения ФИПИ и корректируем курсы, исходя из этого. Читайте подробнее про наши курсы и выбирайте подходящий!
32 задание ЕГЭ по физике: немного статистики
Зачем вообще нужно это задание? Заглянем в кодификатор ФИПИ. Там говорится, что задание №32 проверяет умение решать физические задачи, знание и глубокое понимание электрических и квантовых законов, формул и графиков. А также способность анализировать физические явления, выражать из формул искомые величины и рассчитывать их.
Задание №32 стоит целых 3 балла, а это достаточно много, учитывая, что максимальный первичный балл — 52. На решение задачи выделяется 15-25 минут, включая оформление в бланк ответов №2. Средний процент выполнения составляет 16%, и это самый низкий показатель в ЕГЭ по физике. В моей практике многие ученики, написав начальную диагностику, решают блок «Квантовая физика» в 10% случаев.
Почему 32 задание ЕГЭ по физике решают только 10% учеников?
Какие темы необходимо изучить для решения заданий по квантовой физике?
Чтобы разобраться с квантовой физикой для ЕГЭ, необходимо изучить три темы:
Самая главная формула для 32 задания ЕГЭ по физике — уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:
Давайте подробнее разберемся в этой формуле.
Объяснение этого эффекта дал Эйнштейн, использовав гипотезу Планка о том, что свет — это поток особых частиц, фотонов. Энергия света, то есть энергия фотона равна hv, где h — это постоянная Планка, которая есть в справочных материалах, а v — это частота света. Именно эта энергия фотона частично передавалась электрону, и он вылетал из металла.
Важное слово — частично. Дело в том, что электроны не лежат на поверхности металла, а сидят где-то внутри. Чтобы достать их из глубины металла, нужно тоже затратить энергию, которая называется работой выхода. Оставшаяся энергия пойдет на то, чтобы разогнать электрон до определенной скорости.
То есть эта формула — просто закон сохранения энергии, который вы изучали в механике!
Кроме знаний квантовой физики, необходимо знать об электрическом и магнитном поле, фазовых переходах, а также разбираться в связи между частотой, длиной волны и скоростью света. О них я подробнее расскажу, когда буду разбирать примеры заданий.
Как оформлять вторую часть ЕГЭ по физике?
Чтобы получить 3 балла за решение задачи, необходимо обязательно обратить внимание на оформление задачи. Многие ученики могут получить 2 или даже 1 балл, если не соблюдают требования ФИПИ.
Алгоритм выполнения 32 задания ЕГЭ по физике
Этот алгоритм подойдет вам для решения любой задачи части 2 и поможет избежать ошибок по невнимательности.
Прототипы задания 32 и их решения
Задача 2. Препарат с активностью 1,7⋅10 11 частиц в секунду помещён в металлический контейнер массой 0,5 кг. За 2 ч температура контейнера повысилась на 5,2 К. Известно, что данный препарат испускает α-частицы с энергией 5,3 МэВ, причём практически вся энергия α-частиц переходит во внутреннюю энергию контейнера. Найдите удельную теплоёмкость металла контейнера. Теплоёмкостью препарата и теплообменом с окружающей средой пренебречь.
Теперь вы знаете, что такое 32 задание ЕГЭ по физике! Оказывается, квантовая физика в ЕГЭ не так страшна, как многие думают. Если хотите разобраться в остальных темах по физике, обратите внимание на наши онлайн-курсы. Уже более 150 тысяч выпускников подготовились с нами к ЕГЭ. Кстати, у меня на курсах MAXIMUM тоже можно поучиться!
Темы школьной физики
В 7 классе идет поверхностное ознакомление и введение в курс физики. Рассматриваются основные физические понятия, изучается строение веществ, а также сила давления, с которой различные вещества действуют на другие. Кроме того изучаются законы Паскаля и Архимеда.
В 8 классе изучаются различные физические явления. Даются начальные сведения, о магнитном поле и явления, при которых оно возникает. Изучается постоянный электрический ток и основные законы оптики. Отдельно разбираются различные агрегатные состояния вещества и процессы, происходящие при переходе вещества из одного состояния в другое.
9 класс посвящен основным законам движения тел и взаимодействия их между собой. Рассматриваются основные понятия механических колебаний и волн. Отдельно разбирается тема звука и звуковых волны. Изучается основы теории электромагнитного поля и электромагнитные волны. Кроме того происходит знакомство с элементами ядерной физики и изучается строение атома и атомного ядра.
В 10 классе начинается углубленное изучение механики (кинематики и динамики) и законов сохранения. Рассматриваются основные виды механических сил. Происходит углубленное изучение тепловых явлений, изучается молекулярно-кинетическая теория и основные законы термодинамики. Повторяются и систематизируются основы электродинамики: электростатика, законы постоянного электрического тока и электрический ток в различных средах.
11 класс посвящен изучению магнитного поля и явления электромагнитной индукции. Подробно изучаются различные виды колебаний и волн: механические и электромагнитные. Происходит углубление знаний из раздела оптики. Рассматриваются элементы теории относительности и квантовая физика.
Значение изучения квантовой физики в средней школе и особенности методики ее изучения (стр. 1 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 |
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА «КВАНТОВАЯ ФИЗИКА»
ЗНАЧЕНИЕ ИЗУЧЕНИЯ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ И ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ
В курсе физики строение вещества рассматривали в основном на молекулярном уровне. Молекулярно-кинетическая теория объясняла строение и свойства газов (количественно), жидкостей и твердых тел (на качественном уровне). В данном разделе учащихся знакомят со строением вещества на атомном и субатомном уровне. В теме «Атом и атомное ядро» они изучают вначале строение атома по Резерфорду-Бору, а затем, после обсуждения дуализма свойств микрочастиц, получают и современные представления о строении атома. Достаточное внимание в этом разделе уделяют составу и свойствам ядра атома (его размеру, заряду, массе, плотности, энергии связи, удельной энергии связи и др.). В конце раздела учащихся знакомят с основными характеристиками и свойствами элементарных частиц, дают представление о современной их классификации, о роли их в строении вещества и в передаче взаимодействий.
Раздел «Квантовая физика» решает, кроме того, важные задачи политехнического образования. При его изучении учеников знакомят с устройством и принципом действия фотоэлементов, с примерами их использования в технике, физическими основами спектрального анализа, ядерным реактором и применением ядерной энергии в мирных целях, с использованием радиоактивных изотопов в промышленности, сельскохозяйственном производстве, в науке, медицине.
Знакомство с элементарными частицами дает веское подтверждение принципа неисчерпаемости материи, ибо учащиеся убеждаются в том, что материальные объекты и их свойства крайне многообразны, элементарные Частицы не являются «простыми», они обладают множеством свойств и способны к взаимопревращениям.
Корпускулярно-волновой дуализм свойств света и элементарных частиц, взаимопревращаемость элементарных частиц позволяют раскрыть материальное единство мира и диалектическую связь прерывного и непрерывного, а подчинение всех ядерных процессов основным законам сохранения служит хорошей иллюстрацией принципа неуничтожимости и несотворимости материи и движения.
Как и во всем курсе физики, большое внимание при изучении этого раздела обращают на роль опыта в процессе познания, на взаимосвязь теории и практики, эксперимента. Необходимо подчеркивать, что теория применима в тех границах, в которых экспериментально подтверждаются вытекающие из нее следствия. Противоречие экспериментальных фактов теории служит отправным моментом для ее уточнения или создания новой теории. Например, изучая оптику, учащиеся убедились в том, что явления отражения и преломления, интерференции и дифракции хорошо объясняются на основе теоретических представлений о волновой природе света. Однако волновая теория света не объясняет все законы фотоэффекта. Необходимость объяснения новых экспериментальных фактов привела к созданию квантовой теории света. Опыт Резерфорда опроверг первоначальную модель атома, предложенную Томсоном, а на смену, модели атома Резерфорда пришла теория Бора, которая лучше согласовалась с экспериментальными фактами.
Квантовая физика является более глубокой физической теорией, ибо она более полно объясняет большой круг физических явлений, нежели классическая физика. Квантовая механика установила, что ряд представлений классической физики не являются абсолютными, они хороши лишь для макроскопических тел. Но квантовая физика не отрицает полностью классическую. Она лишь ограничивает область ее применения. Законы классической механики и электродинамики для макротел остаются незыблемыми. Кроме того, в предельных случаях выводы квантовой физики совпадают с результатами классической. При больших квантовых числах дискретность «смазывается» и процесс становится квазинепрерывным.
ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА
Квантовую физику изучают в конце школьного курса физики, причем изучают впервые. Нигде на протяжении всего школьного курса физики учащиеся не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с дискретностью энергии, со свойствами ядра атома, с элементарными частицами.
Для повышения качества усвоения материала очень важно опираться на ранее полученные знания. Например, при изучении правил смещения при радиоактивном распаде и при изучении ядерных реакций необходимо широко опираться на законы сохранения массы и заряда. Перед изучением строения атома целесообразно повторить понятие центростремительного ускорения, законы Ньютона, закон Кулона, и т. д.
Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Но число демонстрационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень невелико. Поэтому, кроме эксперимента, широко используют рисунки, чертежи, графики, фотографии треков, плакаты и диапозитивы.
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ВОПРОСА О СВЕТОВЫХ КВАНТАХ
ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ
Фотоэффект, его законы занимают особое место в истории физики. Явление фотоэффекта было одним из основных среди явлений, исследование которых привело к созданию квантовой теории вообще и квантовой теории света в частности. Сущность явления внешнего фотоэффекта и его главные закономерности заключаются, как известно, в следующем: под действием электромагнитного излучения наблюдается испускание (эмиссия) электронов из металлов. В нумерации законов фотоэффекта, их последовательности и числе есть определенный произвол. Формулировки законов приводят как для макропроцессов (через фототок), так и для микропроцессов (через фото-электроны). Приведем ниже одну из принятых формулировок законов фотоэффекта.
1. Фототок насыщения пропорционален освещенности катода. Число фотоэлектронов, вырываемых с катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.
2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.
Методика изучения раздела «квантовая физика» в школьном курсе значение изучения квантовой физики
Главная > Документ
| Информация о документе | |
| Дата добавления: | |
| Размер: | |
| Доступные форматы для скачивания: |
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА «КВАНТОВАЯ ФИЗИКА»
ЗНАЧЕНИЕ ИЗУЧЕНИЯ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
В СРЕДНЕЙ ШКОЛЕ И ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ
В курсе физики строение вещества рассматривали в основном на молекулярном уровне. Молекулярно-кинетическая теория объясняла строение и свойства газов (количественно), жидкостей и твердых тел (на качественном уровне). В данном разделе учащихся знакомят со строением вещества на атомном и субатомном уровне. В теме «Атом и атомное ядро» они изучают вначале строение атома по Резерфорду-Бору, а затем, после обсуждения дуализма свойств микрочастиц, получают и современные представления о строении атома. Достаточное внимание в этом разделе уделяют составу и свойствам ядра атома (его размеру, заряду, массе, плотности, энергии связи, удельной энергии связи и др.). В конце раздела учащихся знакомят с основными характеристиками и свойствами элементарных частиц, дают представление о современной их классификации, о роли их в строении вещества и в передаче взаимодействий.
Раздел «Квантовая физика» решает, кроме того, важные задачи политехнического образования. При его изучении учеников знакомят с устройством и принципом действия фотоэлементов, с примерами их использования в технике, физическими основами спектрального анализа, ядерным реактором и применением ядерной энергии в мирных целях, с использованием радиоактивных изотопов в промышленности, сельскохозяйственном производстве, в науке, медицине.
Знакомство с элементарными частицами дает веское подтверждение принципа неисчерпаемости материи, ибо учащиеся убеждаются в том, что материальные объекты и их свойства крайне многообразны, элементарные Частицы не являются «простыми», они обладают множеством свойств и способны к взаимопревращениям.
Корпускулярно-волновой дуализм свойств света и элементарных частиц, взаимопревращаемость элементарных частиц позволяют раскрыть материальное единство мира и диалектическую связь прерывного и непрерывного, а подчинение всех ядерных процессов основным законам сохранения служит хорошей иллюстрацией принципа неуничтожимости и несотворимости материи и движения.
Как и во всем курсе физики, большое внимание при изучении этого раздела обращают на роль опыта в процессе познания, на взаимосвязь теории и практики, эксперимента. Необходимо подчеркивать, что теория применима в тех границах, в которых экспериментально подтверждаются вытекающие из нее следствия. Противоречие экспериментальных фактов теории служит отправным моментом для ее уточнения или создания новой теории. Например, изучая оптику, учащиеся убедились в том, что явления отражения и преломления, интерференции и дифракции хорошо объясняются на основе теоретических представлений о волновой природе света. Однако волновая теория света не объясняет все законы фотоэффекта. Необходимость объяснения новых экспериментальных фактов привела к созданию квантовой теории света. Опыт Резерфорда опроверг первоначальную модель атома, предложенную Томсоном, а на смену, модели атома Резерфорда пришла теория Бора, которая лучше согласовалась с экспериментальными фактами.
Квантовая физика является более глубокой физической теорией, ибо она более полно объясняет большой круг физических явлений, нежели классическая физика. Квантовая механика установила, что ряд представлений классической физики не являются абсолютными, они хороши лишь для макроскопических тел. Но квантовая физика не отрицает полностью классическую. Она лишь ограничивает область ее применения. Законы классической механики и электродинамики для макротел остаются незыблемыми. Кроме того, в предельных случаях выводы квантовой физики совпадают с результатами классической. При больших квантовых числах дискретность «смазывается» и процесс становится квазинепрерывным.
В развитие квантовой физики внесли свой вклад многие выдающиеся отечественные и зарубежные ученые: Э. Резерфорд, Н. Бор, П. Кюри, М. Складовская-Кюри, М. Лауэ, Луи де Бройль, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак, Э. Шредингер, И. Е. Тамм, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри, О. Гаи, Э. Ферми, Л. Д. Ландау, В. А. Фок, Д. В. Скобельцын, А. И. Алиханов, В. И. Векслер, И. В. Курчатов и многие другие. Изучение их жизни и деятельности представляет благодатный материал для патриотического и интернационального, а также нравственного воспитания учащихся.
ОСОБЕННОСТИ МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА
Квантовую физику изучают в конце школьного курса физики, причем изучают впервые. Нигде на протяжении всего школьного курса физики учащиеся не встречались с дуализмом свойств частиц, вещества и поля, с дискретностью энергии, со свойствами ядра атома, с элементарными частицами.
Для повышения качества усвоения материала очень важно опираться на ранее полученные знания. Например, при изучении правил смещения при радиоактивном распаде и при изучении ядерных реакций необходимо широко опираться на законы сохранения массы и заряда. Перед изучением строения атома целесообразно повторить понятие центростремительного ускорения, законы Ньютона, закон Кулона, и т.д.
Для облегчения усвоения квантовой физики необходимо в учебном процессе широко использовать различные средства наглядности. Но число демонстрационных опытов, которые можно поставить при изучении этого раздела, в средней школе очень невелико. Поэтому, кроме эксперимента, широко используют рисунки, чертежи, графики, фотографии треков, плакаты и диапозитивы.
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ ВОПРОСА О СВЕТОВЫХ КВАНТАХ
ВНЕШНИЙ ФОТОЭФФЕКТ
Фотоэффект, его законы занимают особое место в истории физики. Явление фотоэффекта было одним из основных среди явлений, исследование которых привело к созданию квантовой теории вообще и квантовой теории света в частности. Сущность явления внешнего фотоэффекта и его главные закономерности заключаются, как известно, в следующем: под действием электромагнитного излучения наблюдается испускание (эмиссия) электронов из металлов. В нумерации законов фотоэффекта, их последовательности и числе есть определенный произвол. Формулировки законов приводят как для макропроцессов (через фототок), так и для микропроцессов (через фото-электроны). Приведем ниже одну из принятых формулировок законов фотоэффекта.
1. Фототок насыщения пропорционален освещенности катода. Число фотоэлектронов, вырываемых с катода за единицу времени, пропорционально интенсивности света.
2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. такая наименьшая частота, света λ0, при которой еще возможен внешний фотоэффект; эта величина зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности; при частоте света меньше красной границы фотоэффекта (λ 0 ) фотоэффект не происходит.
4. Фотоэффект практически безынерционен.
В методике изучения фотоэффекта можно выделить несколько этапов:
1. Знакомство учащихся с самим явлением фотоэффекта. Рассказ об истории его открытия (Г. Герц).
2. Рассказ о поиске закономерностей этого явления. Исследования А. Г. Столетова.
4. Выдвижение гипотезы световых квантов. Рассказ о работе А. Эйнштейна. Уравнение фотоэффекта.
5. Объяснение всех закономерностей фотоэффекта с квантовых позиций:
6. Выводы квантовой теории о природе света.
7. Вакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Применение фотоэффекта в технике.
К пониманию явления фотоэффекта и его закономерностей лучше всего подвести школьников с помощью эксперимента. На первом уроке по теме обычно предлагают серию опытов:
1) Закрепленную на стержне электрометра хорошо очищенную цинковую пластину заряжают отрицательно и освещают потоком ультрафиолетовых лучей. Наблюдают разряд электрометра.
2) Разряд прекращается, если мы перекрываем поток лучей стеклом.
3) Если же сообщить пластине положительный заряд, то при таком же освещении разряд электрометра не наблюдается.
4) Разряд происходит тем быстрее, чем больше интенсивность света.
5) Заменив цинковую пластину медной (затем свинцовой), повторяют опыты при тех же условиях (освещенность, начальный заряд).
В ходе беседы последовательно обсуждают следующие вопросы: почему заряженная пластина может сохранять заряд в течение длительного времени? Какими способами можно разрядить пластину? Как объяснить быстрый разряд отрицательно заряженной пластины при ее освещении светом дуги? Будет ли при освещении ультрафиолетом так же разряжаться положительно заряженная цинковая пластина? Почему электрометр не обнаруживает изменения заряда в этом случае? Наблюдаем ли мы разряд медной пластины при тех же условиях опыта? Почему прекращается разряд отрицательно заряженной цинковой пластины, если свет от электрической дуги перекрыть стеклянной пластиной?
Проведенное обсуждение позволяет сделать выводы:
1. Под действием света разряжаются только отрицательно заряженные металлы. Следовательно, при некоторых условиях свет способен вырывать электроны из металлов. Это явление называют фотоэффектом. (Здесь же можно рассказать и об истории открытия фотоэффекта.)
3
. Наличие фотоэффекта зависит от рода и обработки освещаемого металла и от спектрального состава излучения, скорость разряда зависит также и от падающей в единицу времени световой энергии.
По результатам эксперимента строят графики зависимости силы тока от интенсивности света и от напряжения.
После этого, освещая фотоэлемент светом определенной частоты, с помощью потенциометра «запирают» фотоэлемент и измеряют запирающее напряжение, что позволяет определить максимальную скорость вылетающих электронов.
Меняя светофильтры, получают при повторении опытов новые данные и убеждают учащихся в том, что скорость вылета электронов зависит от частоты падающего света и не зависит от интенсивности света (второй закон фотоэффекта).
Далее рассказывают о том, что трудности в объяснении законов фотоэффекта были не единственной причиной создания новой теории. В 1900 г. М. Планк для объяснения теплового излучения вынужден был высказать, на первый взгляд, нелепую идею, что тело излучает энергию не непрерывно, а отдельными порциями (квантами). Эта идея противоречила сложившимся представлениям классической физики, где процессы и величины, их характеризующие, изменяются непрерывно. Эту непонятную и поэтому мало кем принятую идею в 1905 г. А. Эйнштейн использовал для объяснения законов фотоэффекта. Он пошел далее М. Планка и утверждал: свет не только испускается, но и распространяется и поглощается квантами.
Иначе говоря, поток монохроматического света, несущий энергию Е, представляет собой поток n частиц (названных позднее фотонами), каждый из которых обладает энергией h.
Энергия фотона пропорциональна частоте света. Чем больше частота (меньше длина волны) излучения, тем большую энергию несет каждый его фотон. Энергия фотонов длинноволнового излучения меньше.
Далее Эйнштейн предположил: каждый фотон взаимодействует не со всем веществом, на которое падает свет, и даже не с атомом в целом, а с отдельным электроном атома. Фотон отдает свою энергию электрону, а электрон, получив энергию, вырывается из металла с определенной кинетической энергией. На основе закона сохранения энергии можно записать следующее уравнение для элементарного акта взаимодействия фотона с электроном:
Важно при этом подчеркнуть, что наблюдают прямую пропорциональность, а не равенство, так как часть падающих на металл фотонов отражается, а из поглощенных фотонов не все вырывают из металла свободные электроны. Энергия части поглощенных фотонов превращается во внутреннюю энергию металла. Поэтому отношение числа электронов к числу падающих на металл фотонов значительно меньше единицы (для чистых металлов примерно в 1000 раз).
Далее объясняют, почему наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты падающего света, а не от его интенсивности (второй закон фотоэффекта). Из уравнения Эйнштейна следует: так как для данного вещества работа выхода постоянна, то наибольшая кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте падающего света. Анализируют случай, когда энергия светового кванта численно равна работе выхода.
Следовательно, вся энергия фотона идет на совершение работы выхода и скорость электронов равна нулю. Красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода, т. е. от химической природы металла, и может лежать на любом участке оптического диапазона. Для каждого вещества есть определенная длинноволновая граница фотоэффекта (третий закон фотоэффекта).
Таким образом, уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Оно позволяет вычислять скорости фотоэлектронов и определять наибольшую длину волны, при которой еще наблюдается явление фотоэффекта для данного вещества, а также вычислить работу выхода для конкретного металла.
После анализа уравнения Эйнштейна можно показать, как была осуществлена экспериментальная проверка этого уравнения. Она состояла в определении постоянной Планка из результатов опыта.
При практическом проведении таких измерений встретились большие трудности. Первые тщательные измерения постоянной Планка этим методом были проведены в 1915 г. Р. Милликеном. Он получил значение, близкое к тому, какое было уже известно из теории теплового излучения.
В
нашей стране в 1928 г. опытами П. И. Лукирского и С. С. Прилежаева была подтверждена линейная зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты падающего света и получено значение постоянной Планка.
Для закрепления уравнений Эйнштейна решают задачи на вычисление скорости и энергии электронов, красной границы фотоэффекта, работы выхода.
ЭФФЕКТ КОМПТОНА
Особенно важное значение для доказательства квантовых свойств света имеет впервые введенное в программу физики одиннадцатилетней средней школы понятие об эффекте Комптона.
Интересно отметить, что именно А. Комптон назвал кванты света фотонами. В дальнейшем А. Комптон и независимо П. Дебай теоретически объяснили явления с квантовых позиций, рассматривая рассеяние как результат взаимодействия рентгеновских квантов падающего излучения с практически свободными электронами вещества, применяя к этому процессу законы сохранения энергии и импульса. 
Порядок рассуждений может быть примерно следующим.
Объяснить наблюдаемое различие частот первичного и рассеянного излучений с волновых позиций не представляется возможным. Действительно, механизм рассеяния рентгеновского излучения согласно волновой теории света можно объяснить только за счет возникновения вторичных электромагнитных волн в результате вынужденных колебаний («раскачивания») электронов в атомах вещества под действием электрического поля первичной волны. При этом частота рассеянного излучения должна совпадать с частотой первичного излучения.
Если считать поток рентгеновских лучей состоящим из отдельных фотонов, летящих со скоростью света и способных испытывать столкновения с другими частицами, то следует допустить возможность обмена с ними энергией и импульсом. 
При столкновении фотона с электроном происходит передача энергии и импульса фотона этому электрону. Электрон приобретает кинетическую энергию. Энергия испущенного в результате столкновения фотона меньше начальной, что 
приводит к уменьшению его частоты.
ФОТОНЫ. ДВОЙСТВЕННОСТЬ СВОЙСТВ СВЕТА
2) Фотон, будучи квантом электромагнитного поля, существует только в движении. Он либо движется со скоростью, равной скорости света в вакууме, либо не существует. Остановить, замедлить и ускорить фотон нельзя, как нельзя увеличить или уменьшить скорость света в вакууме.
3) Эти частицы сравнительно легко могут зарождаться (излучаться) и исчезать (поглощаться). Фотоны неделимы. Когда атом испускает или поглощает свет, то это испускание и поглощение происходит только целыми фотонами. Поглощенный фотон прекращает свое самостоятельное существование, а его энергия превращается в какой-либо другой вид энергии.
Учащиеся должны уяснить, что свет проявляет и волновые и корпускулярные свойства, т. е. он обладает дуализмом свойств. Это находит свое выражение, в частности, в формулах, определяющих корпускулярные характеристики фотона (энергию, импульс, массу) через частоту.
В проявлении двойственности свойств света имеется определенная закономерность. Так как энергия отдельного фотона при малых частотах (например, у инфракрасного света) мала, то для этого диапазона частот корпускулярные свойства проявляются мало, а в большей степени проявляются волновые свойства излучения. Интерференцию, дифракцию, поляризацию такого излучения легко демонстрируют с помощью несложной аппаратуры, фотохимические же действия обнаружить труднее. При больших частотах (когда энергия отдельного фотона сравнительно велика) корпускулярные свойства света обнаружить легче. В видимом свете волновые и корпускулярные свойства проявляются примерно в равной мере. Отражение, преломление, давление света можно объяснить как на основе волновых, так и корпускулярных представлений.
Заметим, что при некоторых условиях в типично волновом явлении обнаруживаются квантовые свойства света. Например, эти свойства обнаружены в известных опытах С. И. Вавилова по квантовым флуктуациям в интерференционном поле при малых световых потоках. Свои наблюдения флуктуации световых потоков С. И. Вавилов рассматривал как одно из важнейших доказательств квантовых свойств излучения.
Чтобы учащиеся убедились в этом, полезно предложить им определить частоту, импульс, энергию фотонов различных длин волн оптического диапазона.
Для подчеркивания дуализма свойств света полезно заполнить таблицу, в которой указаны основные физические величины, отражающие диалектическое единство дискретности (прерывности) и континуальности (непрерывности) материи.