Методика использования компьютерных моделей на примере курса квантовой физики в 11 классе

Если частота света  меньше некоторой определенной для  данного вещества минимальной частоты n_min, то фотоэффект не происходит ("красная граница фотоэффекта"):

       или       

У щелочных металлов красная  граница лежит в диапазоне  видимого света.

 

• Комптоновское рассеяние. Программа позволяет изучить явление рассеяния g - квантов на свободных электронах и познакомиться с понятием комптоновской длины волны (постоянная Комптона). Возможно изменение ряда параметров компьютерного эксперимента: длины волны падающего излучения и угла рассеяния фотона. На экран дисплея выводится график зависимости интенсивности рассеянного излучения от длины волны фотона, рассеянного под заданным углом.

 

 

Теория:

Явление Комптона состоит  в изменении длины волны рентгеновских  лучей, происходящем при их рассеянии  на электронах, входящих в состав легких атомов. Это явление было открыто  в 1923 г. Комптоновское рассеяние  объясняется на основе представления  о фотонах, имеющих энергию hν и импульс , где h=6.63*10 ^-34Дж*c - постоянная Планка, n- частота фотона. Процесс рассеяния сводится к столкновению фотонов с электронами, которые можно приближенно считать свободными.

Расчет, выполненный на основе законов сохранения энергии и  импульса, приводит к следующему соотношению:

,

где ν -длина волны падающего излучения, λ′ - длина волны рассеянного излучения, m- масса электрона, с - скорость света, q - угол рассеяния.

Величина  нм - называется постоянной Комптона.

В спектре рассеянного  излучения наряду со смещенной спектральной линией с длиной волны λ′  наблюдается и несмещенная спектральная линия с длиной волны l. Наличие несмещенной линии объясняется тем, что часть фотонов рассеивается на электронах, сильно связанных с атомами. Соотношение интенсивностей смещенной и несмещенной линий зависит от рода материала.

Явление Комптона является ярким  подтверждением квантовой теории.

 

• Постулаты Бора. Программа предназначена для изучения квантовых свойств атомных систем. Она позволяет познакомиться с понятием энергетических уровней атома водорода с правилом квантования стационарных боровских орбит, а также с квантовыми переходами между уровнями.

 

 

• Квантование электронных орбит. Компьютерная программа предназначена для ознакомления с квантовыми постулатами Бора и теорией де Бройля о двойственной природе микрообъектов, то есть о наличии у них корпускулярных и волновых свойств. Программа иллюстрирует правило квантования круговых боровских орбит в атоме водорода, которое с точки зрения де Бройля сводится к утверждению о существовании стоячих электронных волн на стационарных орбитах.

 

• Волновые свойства частиц. Программа представляет компьютерный эксперимент по прохождению электронного пучка через одну или две щели. Она позволяет познакомиться с проявлением двойственной природы микрообъектов, то есть наличием у них волновых и корпускулярных свойств. Иллюстрируется принцип неопределенности Гейзенберга.

 

 

 

 
 

• Дифракция электронов. Программа иллюстрирует основную концепцию современной квантовой физики - понятие двойственной природы всех материальных объектов. Она моделирует явление рассеяния электронов в кристаллах с помощью мысленного эксперимента по дифракции электронных волн на одномерной решетке. Показано, что дифракционная картина образуется в результате вероятностного процесса. Предусмотрена возможность изменения периода решетки и скорости электронов.

                                                                                                                                                                                                  

 
На экран дисплея выводятся  значение длины волны электронов и график

распределения интенсивности  в дифракционной картине. 

• Лазер: двухуровневая модель. Компьютерная программа представляет модель различных процессов, возникающих при распространении резонансного светового пучка в квантовой системе с двумя энергетическими уровнями: поглощение фотонов, спонтанное и стимулированное излучение. Программа позволяет познакомиться с понятиями накачки, инверсной населенности уровней и усилителя света.

 

 

• Энергия связи ядер. Программа предназначена для ознакомления с понятием энергии связи ядер и дефекта массы. На экран выводятся графики зависимости числа нейтронов от числа протонов в стабильных ядрах и зависимости удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа. Программа позволяет подбирать различные сочетания чисел нейтронов и протонов для образования стабильного ядра и определить для этого ядра формулу химического элемента и удельную энергию связи.

 

 

• Относительность длины. Программа позволяет изучить постулаты специальной теории относительности Эйнштейна - принцип относительности и принцип постоянства скорости света. Программа моделирует эксперимент по измерению длины твердого тела двумя наблюдателями, находящимися в различных инерциальных системах отсчета. Возможно изменение относительной скорости систем отсчета. Результат измерения длины стержня в движущейся системе отсчета выводится на экран дисплея.

 

• Относительность времени. Программа позволяет познакомиться с одним из важных следствий специальной теории относительности Эйнштейна - относительностью промежутков времени. На экране дисплея представлен эксперимент по измерению интервала времени между двумя событиями наблюдателями в различных системах отсчета. Результаты измерения собственного времени и времени по часам движущегося наблюдателя выводятся на экран дисплея.

 

 

Так же в каждую модель входит по одной задаче, а завершает курс две видеозаписи эксперимента с точным объяснением темы.

 

• Серия Бальмера водорода.

 

 

• Деление ядер. 
  

 

Прежде всего, на основе вашего календарного плана определите, какие  компьютерные модели вы сможете использовать при объяснении нового материала и/или предложить учащимся для работы в компьютерном классе. Далее имеет смысл к каждой выбранной модели составить таблицу, в которую следует занести названия параметров, которые может изменять пользователь, задавая при этом начальные условия экспериментов, обозначения этих параметров, пределы и шаг их изменения. В эту таблицу также следует занести аналогичную информацию о параметрах модели, которые рассчитываются компьютером при выполнении экспериментов, и выводятся на экран монитора. Для создания такой таблицы нужно открыть соответствующую модель, определить диапазоны изменения регулируемых параметров, а затем провести несколько экспериментов с крайними значениями этих параметров, чтобы определить предельные значения и шаг расчёта рассчитываемых параметров.

 

План-конспект урока «Фотоэффект.  
Применение фотоэффекта»

 

Цель  урока: формирование знаний о квантовой природе света на примере явления - фотоэффект.

Задачи:

- обучающие: формировать у учащихся понятие о явлении фотоэффекта, познакомить с опытами по наблюдению фотоэффекта, его законов.

- воспитательные: способствовать формированию коммуникативной культуры учащихся. 

-развивающие: способствовать формированию информационной культуры учащихся и развитию умения анализировать, сравнивать, делать выводы.

Тип урока:   изложение нового материала.

Формы работы учащихся: индивидуальная, фронтальная.

 Необходимое техническое  оборудование: мультимедийное проекционное оборудование, доступ к  сети Интернет. 

 Структура  и ход  урока

Таблица 1.

№	<p class="Norm