Физика

Согласно постулату Бора

Современные учебники физики дл средней школы

Какая физика интересует современного школьника? Опросы показали, что большинство из них считают интересными уроки нестандартные, с элементами игры, состязательности, юмора, когда демонстрируются эффектные опыты, сообщаются исторические сведения и привлекается “смежная” с физикой информация.

Подготовить и провести такой урок учителю теперь не так уж сложно. Созданы и опубликованы программы курсов физики, с базисной составляющей физического образования, обязательной для всех, и профильной, рассчитанной на учеников конкретных способностей и склонностей.

Учителя получили право выбора программ и учебников, а издательство “Просвещение” обеспечивает это право выпуском параллельных учебников нового поколения разных авторских коллективов – многоуровневых и интегрированных. Для базовой девятилетней школы (7-9-е классы) создано четыре комплекта таких учебников:

А.В.ПЕРЫШКИН, Н.А.РОДИНА

Стабильные учебники физики известных авторов, проверенные в многолетней практике преподавания в школе, являются первым звеном школьного физического образования (7-9-е классы). Доступны учащимся как с естественно-математическими, так и с гуманитарными способностями.

М.М.БАЛАШОВ

Учебники нового типа существенно отличаются от учебников Перышкина А.В. и Шахмаева Н.М. эмоциональным изложением материала. В текст включены вопросы и творческие задания. Автор обращается к истории науки, личностям ее творцов и даже анализирует физические примеры из художественной литературы, спорта и жизни. Изложение ведется на двух уровнях сложности.

Н.М.ШАХМАЕВ и др.

Учебники созданы для девятилетней школы по авторской программе, разработанной академиком Н.М.Шахмаевым. Теоретический материал учебника опирается на физический демонстрационный эксперимент и домашние опыты.

Коллектив авторов под ред. А.А.ПИНСКОГО, В.Г.РАЗУМОВСКОГО.

Впервые созданные интегрированные учебники физики и астрономии по новой системе физического и астрономического образования для базовой девятилетней школы (7-9-е классы) могут быть рекомендованы для гуманитарных школ и классов.

В основу методики изложения учебного материала положен метод научного познания. Ему посвящен специальный раздел, дальше этот метод используется по всему курсу. В отличие от действующих учебников в книге реализовано органическое единство физического и астрономического материала, что способствует формированию научного мировоззрения.

В содержание учебника 7-го класса входят основные понятия – скорость, масса, сила, работа, мощность, энергия, давление и основные принципы и законы – относительность движения, сохранение энергии, законы Гука, Паскаля, Архимеда.

Учебник 8-го класса посвящен изучению строения вещества, тепловым и электромагнитным явлениям. Специальная глава посвящена строению Солнечной системы. В связи с явлением электромагнитной индукции рассмотрены основы электротехники.

Учебник 9-го класса посвящен изучению механических и электромагнитных колебаний и волн, основам радиотехники и радиоастрономии, элементам волновой и геометрической оптики, основам механики и ядерной физики. Завершается книга главой о строении и развитии Вселенной. В основу методики изложения материала положен метод современного научного познания.

Изложение материала учебников дифференцировано по сложности. Есть обязательный уровень базового образования и есть дополнительный материал для углубленного изучения. Дифференцированы также вопросы для самоконтроля, качественные и расчетные задачи, лабораторные работы, домашние экспериментальные задания. Достаточное число практических работ обеспечивает необходимый обьем знаний и умений.

По обьему и уровню изложения материала учебники соответствуют международному стандарту школьного физического образования.

Эти учебники вышли в издательстве “Просвещение” в качестве пробных (1994-1996 гг.), а с 1997 г. включены в федеральный комплект учебников.

В качестве примера представляем материал из учебника А.А.Пинского, В.Г.Разумовского “Физика и астрономия” для 9-го класса.

Происхождение линейчатых спектров

i. После того как было обнаружено, что каждому веществу в газообразном состоянии соответствует характерный набор линий в спектре испускания или поглощения, возник вопрос: нельзя ли найти какие-то закономерности, которые позволят вычислить соответствующую длину волны (или частоту)? В 1855 г., анализируя спектр водорода, И.Бальмер нашел, что длины волн четырех линий видимого участка спектра можно описать формулой

,

где = 364,60 нм; n = 3, 4, 5, 6. Эту серию в дальнейшем стали называть серией Бальмера.

Формула Бальмера впервые указала на роль целых чисел в спектральных закономерностях. Это сыграло важную роль в развитии учения о строении атомов. Однако в конце xix – начале xx в. смысл этих целых чисел оставался еще загадочным.

ii. В 1890 г. И.Ридберг придал серии Бальмера более удобный вид, записав ее для частот спектральных линий спектра водорода:

, n = 3, 4, 5, 6, …,

где r = 3,288 . 1015 Гц – постоянная Ридберга. Если подставить в указанную формулу n = 3, то получим частоту, а соответственно и длину волны красной линии в видимом участке спектра водорода, которая обозначается ha. При n = 4 получим частоту и длину волны зеленой линии hb, при n = 5 – синей линии hg, при n = 6 – фиолетовой линии hd. При n = 7, 8, 9 и т.д. получим частоты и длины волн линий спектра, соответствующих ультрафиолетовому участку.

Оказалось, что формула Бальмера дает великолепные результаты. С точностью до четырех-пяти значащих цифр расчетные данные совпадают с экспериментальными.

iii. В 1908 г. В.Ритц предсказал спектральную серию водорода в инфракрасном участке спектра, записав ее в виде

, n = 4, 5, 6, … .

Эту серию в том же году обнаружил и исследовал Ф.Пашен. Она названа серией Пашена.

iv. Все указанные эмпирические закономерности требовали теоретического обоснования. Необходимо было ответить на следующие вопросы: почему каждому веществу соответствуют характерные линии спектра? Почему линии в спектрах испускания и поглощения совпадают? Иными словами, почему вещество способно поглощать свет только с такими частотами, которые оно способно испускать? Какой смысл имеют целые числа в сериях Бальмера и Пашена? Какова связь между спектральными закономерностями и строением атомов вещества?

Дать ответы на все эти вопросы сразу оказалось весьма сложно. Двадцать лет потребовалось для их решения. Первый и решающий шаг сделал Н.Бор в 1913 г. Затем усилиями ряда ученых, в том числе и самим Н.Бором, В.Гейзенбергом и Э.Шредингером, была создана квантовая механика, которая полностью решила проблему строения атомов, молекул, кристаллов и в том числе структуры спектров.

Квантовая механика является довольно сложной теорией, изложить которую полностью в данном учебнике невозможно, поэтому мы ограничимся рассмотрением идей, изложенных в первой работе Н.Бора.

v. Итак, Н.Бор пришел к выводу: линейчатые спектры испускаются атомами вещества, т.е. электроны в атоме переходят из одного состояния в другое. В связи с этим он выдвинул два предположения, которые названы постулатами.

Первый постулат (постулат стационарных состояний). Атом может находиться в особых, стационарных состояниях (слово “стационарный” образовано от латинского слова stationarius – неподвижный.) Находясь в этих состояниях, он не излучает и не поглощает электромагнитные волны. Каждому стационарному состоянию соответствует определенное значение энергии – энергетический уровень.

Второй постулат (правило частот). При переходе атома из одного стационарного состояния с энергией en в другое стационарное состояние с энергией er испускается или поглощается один квант энергии:

hv = en – er,

где h = 6,626 . 10-34 Дж.с – постоянная Планка.

Понятие квант (слово “квант” образовано от латинского слова quantum – сколько) означает наименьшее количество какой-либо величины, например, наименьшая порция энергии e = hv, поглощаемая или излучаемая системой, собственная частота которой равна v. Понятие квантование энергии ввел М.Планк в 1900 г., а в 1905 г. А.Эйнштейн выдвинул идею, согласно которой монохроматическая электромагнитная волна частотой v состоит из отдельных порций – квантов излучения – с энергией e = hv. В настоящее время квант электромагнитного излучения называется фотоном (слово “фотон” образовано от греческих слов phos и photos – свет).

Испускание кванта электромагнитного излучения (фотона) происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, поглощение кванта – при переходе атома из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией.

vi. Согласно первому постулату Бора, энергия атома не может принимать любые произвольные значения. Существует только некоторый определенный набор значений энергий – набор энергетических уровней. Графически энергетические уровни принято изображать, как это показано на рисунке. Здесь также показан схематически переход атома с более высокого энергетического уровня e3 на более низкий энергетический уровень e1, сопровождающийся испусканием кванта с энергией hv3.1 = e3 – e1. Переход же атома с более низкого энергетического уровня e2 на более высокий энергетический уровень e4 сопровождается поглощением кванта с энергией hv4.2 = e4 – e2.

Очевидно, что у атомов данного химического элемента в связи с особенностями распределения электронов на электронных оболочках имеется свой характерный набор энергетических уровней. Следовательно, атомам этого химического элемента будут соответствовать характерные линии в спектре испускания, отличные от линий в спектре другого элемента.

Аналогично обьясняется тот факт, что линии в спектрах испускания и поглощения совпадают. В самом деле, частоты волн, соответствующие этим линиям в спектре, определяются одними и теми же энергетическими уровнями. Поэтому атомы могут поглощать электромагнитные волны только с теми частотами, которые они способны сами испускать.

Учительница физики Раиса Гавриловна Лопатина и ее коллега физик и школьный психолог Сергей Михайлович Медведев работают в 41-й средней школе станицы Варениковской Краснодарского края. Педагоги решили поделиться своим опытом и прислали в редакцию словарь терминов, толкования которых нет в школьных учебниках физики.

Надеемся, что их совместный труд окажется полезным и интересным для всех читателей-физиков “Методической кухни” “УГ”.

ачнем с того, что учитель, используя терминологию и построение фраз, доступных для учеников определенного возраста, рассчитывает на их отклик. Наверное, бесспорным является и то, что по достижении того или иного уровня развития ребята должны свободно оперировать соответствующей этому уровню терминологией. Сюда включаются значение данного термина, а также смысл, который приобретает слово в том или ином контексте. Так ли это на самом деле?

Используя на уроках даже очень распространенные термины, есть риск быть не понятыми нашими детьми. А специальные термины или комментарии в учебниках? На наш взгляд, они либо недостаточны, либо не освещают значение того или иного слова.

Например, ученикам, оказывается, интересно узнать, что слово “газ” произошло от греческого слова “хаос”. Предложил этот термин Ван-Гельмонт (xvii век) для характеристики вещества, способного распространяться по всему обьему.

Не стоит откладывать в долгий ящик работу “по узнаванию” физического термина. Ее можно начать в 7-м классе. Для этого возраста характерен большой интерес к новому предмету, и ученики с удовольствием получают новую информацию. Кроме того, известно, что с возрастом продуктивность запоминания при опоре на слово увеличивается.

У ребят вырабатывается уважение к слову. Ведь, оказывается, каждое слово имеет свою историю, определенное значение.

Речь учителя становится четкой, продуманной: приходится “отвечать” за все сказанное. На появление нового слова ученики сразу же реагируют и спрашивают его значение.

Словарь терминов

7-й класс: “Физика 7”, Перышкин А.В., Родина Н.А., 10-е издание, М.: Просвещение, 1989 г.

Атом – гр. atomos – неделимый

Вектор – лат. vector – везущий, несущий

Газ – голл.учен. Ван-Гельмонт (xvii век) предложил от греч. слова “хаос” – вещество, способное распространяться по всему доступному пространству

Гипотеза – греч. hupothesis – предположение, которое может стать или не стать научной теорией.

Лаборатория – лат. laborare – работать

Масса – лат. massa – ком, кусок

Механика – греч. mechanike, mechane – орудие, сооружение

Метр – греч. metron – мера

Пресс – лат. pressus – давление

Температура – лат. temperatura – состояние

Траектория – лат. trajectus – передвижение

Шлюз – нем. sсhleuse – подвижные ворота для удержания и пропуска воды

Энергия – греч. energia – деятельность.

8-й класс: “Физика 8”, Перышкин А.В., Родина Н.А., 10-е изд., М.: Просвещение, 1989 г.

Агрегатное, агрегат – лат. aggregatus – присоединенный

Диоптрия – греч. diopter – видящий насквозь

Нейтральный – лат. neutralis – ни тот, ни другой

Обьектив – лат. objectum – предмет

Резистор – лат. resistere – сопротивляться

Реостат – греч. rheos – поток + statos – стоящий

Турбина – лат. turbineus – вихреобразный

Фокус – лат. focus – очаг

Элемент – лат. elementum – стихия, первоначальное вещество.

9-й класс: “Физика 9”, Кикоин И.К., Кикоин А.К., М.: Просвещение, 1990 г.

Акустика – греч. akustikos – слуховой

Амплитуда – лат. amplitudo – пространность

Вертикаль – лат. verticalis – вершинный

Гармонические – греч. harmonia – связь, созвучие, соразмерность

Гравитация – лат. gravitas – тяжесть

Динамика – греч. dynamikos – силовой

Импульс – лат. impulsus – толчок

Кинематика – греч. kinematos – движение

Координаты – лат. co – вместе ordinatus – упорядоченный

Локатор – лат.locus – место

Материя – лат. materialis – вещественный

Период – греч. periodos – обход

Реактивный – лат. re – против – actio – действие

Резонанс – лат. resonare – дающий отзвук

10-й класс: “Физика 10”, Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., М.: Просвещение, 1990 г.

Макроскопический – греч. makros – длинный, большой + skopeo – смотрю

Адиабатный – греч. adiabatos – непереходимый

Баланс – фр. balanse – весы, приход и расход

Концентрация – лат. con – с /co/ + centrum – центр, сосредоточение

Модуль – лат. modulus – мера

Экви – лат. aequis – равный

11-й класс: “Физика 11”, Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., М.: Просвещение, 1989 г.

Детектор – лат. detector – раскрывающий, обнаруживающий

Интерференция – лат. inter – между + fereus (ferentis) – несущий, переносящий.

Инфра – лат. infra – под

Квант – нем. quantum – количество, масса, лат. – quantum – сколько

Кинескоп – греч. kineo – привожу в движение + skopeo – смотрю

Когерер – англ. coherer – сцепляющий, связывающий

Модуляция – лат. modulatio – измерение, мера в музыке и в риторике

Постулат – лат. postulatum – требуемое

Спектр – лат. spectrum – видимое, видение

Трансформатор – лат. transformare – преобразовывать

Ультра – лат. ultra – далее, более, сверх.