Методологические аспекты преподавания квантовой физики

УДК 535.215.1:378.147

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРЕПОДАВАНИЯ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ

В.В. Коваленко, С.В. Ковыршина

В работе рассматриваются состояние, проблемы и вопросы развития современного естественно - научного образования. На основе постоянно совершенствующихся направлений проведения физического эксперимента предложены актуализированные методы изучения квантового явления - фотоэлектрического эффекта - с количественной интерпретацией результатов тестирующего лабораторного эксперимента, адаптированные для студентов младших курсов.

Ключевые слова: физика, внешний фотоэлектрический эффект, вольт-амперная характеристика, зависимость.

Совершенствование образовательного процесса в изучении физики требует обновления традиционных форм преподавания путем внедрения новых образовательных технологий, что позволит сделать содержание курса более информативным и наглядным, поможет в развитии технологического мышления.

Основой современной физики является квантовая теория поля, цель которой - описание движения элементарных частиц. Для более плодотворного изучения и исследования проблем современной физики необходимо, как справедливо заметил В. Гейзенберг, историческое описание развития квантовой теории для того, чтобы осмыслить такие понятия как реальность, пространство и время. В свете этого уместно обозначить принципы отбора учебного материала, который явился бы основанием для формирования общих компетенций будущего специалиста.

Изучение квантовой физики позволяет углубить знания и представления о строении материи, познакомиться с исследованиями М. Планка, Н. Бора, Э. Резерфорда и др.

Очень часто в теоретической физике присутствует так называемый «математический подгон», своеобразное упорядочивание. «Подгон» и «принцип Маха» (А.Эйнштейн) позволяют иногда считать разные теории равнозначными (например, теории Птолемея и Коперника).

Методика преподавания физики занимается исследованием процесса и закономерностей, изучением основ физики.

Исторически курс физики строился по нескольким подходам: линейный (радиальный), концентрический, ступенчатый. Линейный сохранился до сих пор и предполагает систематическое и последовательное изложение тем и проблем курса. Концентрический излагает материал на уровне теорий и абстракций с более углубленным использованием математики. Ступенчатый подход - самый молодой, впервые он был предложен в 1910 г. А.В. Цингером. Его особенность заключается в том, что он объединяет первые два, акцентируя внимание на систематичности изложения с учетом возрастных особенностей обучающихся.

В процессе преподавания физики необходимо руководствоваться деятельностным подходом, который предполагает самостоятельный поиск студентов, решение, анализ, обобщение поставленных задач.

Одним из важных компонентов преподавания физики в ВУЗе является изложение материала с помощью эксперимента и технических средств обучения. И такая ситуация наблюдается сегодня, в неклассической физике, где на первый план выходит эксперимент, который «одновременно является и методом и основанием неклассической науки» [1, с.114].

Н.В. Бряник отмечает следующие особенности эксперимента:

1) «принципиальная неустранимость субъекта исследования из результатов эксперимента;

2) многоаспектная сложность, разветвленность исследуемых явлений, из чего вытекает необходимость многообразия различных подходов в его изучении;

3) в многообразии аспектов обязательно присутствие диаметрально противоположных признаков, которые схватываются в едином явлении в соответствии с принципом дополнительности» [1, с.117].

Необходимо заметить, что при проведении эксперимента студенты учатся самостоятельно планировать свою работу, что позволяет сформировать такие компетенции как умение анализировать, синтезировать, сравнивать, сопоставлять, обобщать, приобретать новые знания, проводить расчеты, владеть приборами и оборудованием, делать выводы, использовать информационные технологии.

Согласно С.В. Вонсовскому [1, с.115], в квантовой теории прибор играет значительную

роль.

Применяемая установка по экспериментальному исследованию внешнего фотоэффекта

представляет собой модернизированный прибор, сочетающий в себе функции измерения силы фототека, напряжения на фотоэлементе, освещенности на фотокатоде и пр. Использование данной установки в процессе выполнения лабораторной работы помогает более качественно осуществить достижение следующих задач:

• изучить явление фотоэффекта;

• построить составляющие - прямой и обратной ветвей - вольтамперной характеристики для различных частот (длин волн) падающего полихроматического излучения;

• построить зависимость «задерживающая разность потенциалов - линейная частота» и «фототок-длина волны»;

• определить значение постоянной Планка и ее сравнение с известным табличным значением;

• определить красную границу фотоэффекта и работу выхода электронов из металла катода и сравнение их с известными значениями.

Электромагнитное излучение обладает двойственной природой. При взаимодействии с веществом оно проявляет себя как поток частиц - фотонов с энергией Е и импульсом Р, равными Е = Ь, Р = Ьк.

Под действием электромагнитного излучения электроны могут вылетать из вещества. Это явление называют фотоэффектом.

Впервые на явление фотоэффекта обратил внимание Г. Герц в 1887 году. Изучение открытия было продолжено А.Г. Столетовым. А. Эйнштейн разработал теорию фотоэффекта на основе идей квантовой физики.

С точки зрения квантовой теории света взаимодействие света с электронами вещества можно рассматривать как неупругое столкновение фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, в результате единичного акта столкновения электрон приобретает дополнительную энергию.

Известные типовые зависимости «сила тока - напряжение», вольт-амперные характеристики (ВАХ) изображаются графически в виде монотонных плавных кривых, состоящих из двух ветвей - прямой, лежащей в положительной полуплоскости декартовой системы координат, и обратной - в отрицательной полуплоскости (рис. 1, 2) [2, с.38, 3, с.122]. Такая форма ВАХ соответствует двум режимам измерений - при прямом и обратном подключении электродов фотоэлемента. При этом увеличение напряжения на катоде сопровождается уменьшением тока, который при достижении нуля изменяет направление и растет по модулю с постепенным выходом кривой на насыщение. Такой интересный факт объясняется действием механизма эмиссии электронов с анода под действием рассеянного в фотоэлементе света. Можно говорить о работе двух подключенных антипараллельно основного и побочного фотоэлементов, индуцирующих фотоэлектрический ток, представляющий собой «суперпозицию» антинаправленных токов.

Рисунок 1 - Вольт-амперные характеристики фотоэлемента при различных значениях

частоты падающего излучения

Таким образом, значение модуля задерживающей разности потенциалов (из) будет определяться не в точках, где 1фото=0 (традиционный подход), а там, где кривая переходит в участок со слабым наклоном (рис.3) для отдельных значений длин полихроматической волны, что устанавливается в реальном эксперименте.

I

Рисунок 2 - Вольт-амперные характеристики фотоэлемента при различных значениях

светового потока

нА

1

М

-I

-5 -4 -3 -2 -I

Рисунок 3 - Изображение обратной ветви ВАХ

Для полноценной интерпретации явления фотоэлектрического эффекта, особенно в случаях его исследования в условиях облучения фотоэлемента электромагнитными волнами различной частоты (длины волны) и различной интенсивности светового потока, необходимо получать отдельную зависимость «сила фототока - напряжение» - прямую ветвь ВАХ (рис.5). Именно раздельное рассмотрение и анализ вида кривых распределения способствует понять, когда, в какой момент фототок, достигая насыщения (выхода на стабильные значения), сигнализирует о достижении и прекращении процесса вырывания фотоэлектронов с поверхности катода в независимости от значений интенсивности падающего излучения.

ну -11110[ I

1ф, МКА

Рисунок 4 - Фрагмент графической зависимости «напряжение на фотоэлементе - сила фототока» (обратной ветви ВАХ), полученной при тестировании установки по изучению

явления внешнего фотоэффекта

о щ *t*t*t*t*1 f—P

Рисунок 5 - Прямая ветвь ВАХ - зависимости «сила фототока - напряжение», полученная в реальном лабораторном эксперименте при изучении явления внешнего

фотоэффекта

Следует отметить, что описанный выше современный формат выполнения лабораторного эксперимента в этом смысле является классическим [4, с.221], но одновременно предоставляющим широкие возможности более глубокого осмысления получаемых результатов как на качественном, так и количественном уровнях, на основе сопоставления данных независимых экспериментов. Предлагаемые методы складываются из процессов построения зависимости «задерживающая разность потенциалов - частота света» и кривой спектральной чувствительности материала фотокатода «фототок - длина волны света».

Таким образом, основной целью использования физических приборов в учебном лабораторном процессе является способствование максимальному развитию способностей студентов на основе саморегуляции, формированию целостной естественнонаучной картины мира, научного фундамента для успешного прогнозирования собственной профессиональной деятельности.

In work the condition, problems and questions of development modern are considered it is natural - scientific education. On the basis of constantly being improved directions of carrying out physical experiment the staticized methods of studying of the quantum phenomena - photo-electric effect - with quantitative interpretation of results of the testing laboratory experiment, adapted for junior students are offered. As a result of application of new approach to experimental studying of the phenomena of quantum physics value of a constant of Planck and experimental dependences of characteristics of a photoeffect are received well being coordinated with the theory. The key words: physics, outer photo-electric effect, volt-ampere characteristic, dependence.

Список литературы

1. Бряник Н.В. Особенности эксперимента «неклассической науки»//Эпистемология и философия науки, 2012. Т. ХХХ1. №1. С.108-125.

2. Савельев И.В. Курс общей физики. СПб.: Лань, 2007. Т.5. 327 с.

3. Иродов И.Е. Квантовая физика. М.: Физматлит, 2002. 271 с.

4. Барсукова К.А. Лабораторный практикум по физике: Учебное пособие для студентов вузов / К.А. Барсукова, Ю.И. Уханов. М.: Высшая школа, 1988. 350 с.

Об авторах

Коваленко В. В.- доктор физико - математических наук, доцент Сибирского государственного индустриального университета, vikt.kowalencko@yandex.ru,

Ковыршина С. В.- кандидат философских наук, доцент Сибирского государственного индустриального университета, kov.s.v@mail.ru