🗊Презентация Кванттық физика тарихы және тарихи деректерді физика пәнін оқытуда қолдану әдістемесін оқыту

Оңтүстік Қазақстан мемлекеттік педагогикалық университеті Орындаған: 110-14 тобы Физика мамандығының 4 курс студенті Тұтқыш Мадина Берікқызы   Ғылыми жетекшісі ф.м.ғ.к., доцент Рамазанова Сара Акзамовна

Дипломдық жұмыстың тақырыбының өзектілігі. Кванттық физиканың даму тарихы және тарихи деректерді физика пәнін оқытуда пайдаланудың маңыздылығы орасан зор. Физика пәнін оқытуда тарихи деректерді қолдану мынандай мәселелерді шешуге: оқыту үдерісінде жастардың танымдылығын, тәрбиелігін, дамытушылығын, олардың ғылыми көзқарастарын, патриоттық, интернационалдық, адамгершілік, ғылымға деген сүйіспеншіліктерін қалыптастыруға мүмкіндік береді.

Зерттеу міндеттері:

Бірінші тарауда : «Кванттық физиканың даму тарихы» қарастырылған. Оның ішінде мынандай тақырыптар кеңінен қамтылған: «XIX ғасырдағы физикада ашылған жаңалықтар», «Абсолют қара дененің сәуле шығаруы», «Фотон теориясы», «Фотоэффект», «Комптон эффектісі», «Радиоактивтілік», «Ренген сәулелері», «Электронның шығуы», «Резерфорд тәжірибесі» , «Корпускалық- толқындық дуализм». Бірінші тарауда : «Кванттық физиканың даму тарихы» қарастырылған. Оның ішінде мынандай тақырыптар кеңінен қамтылған: «XIX ғасырдағы физикада ашылған жаңалықтар», «Абсолют қара дененің сәуле шығаруы», «Фотон теориясы», «Фотоэффект», «Комптон эффектісі», «Радиоактивтілік», «Ренген сәулелері», «Электронның шығуы», «Резерфорд тәжірибесі» , «Корпускалық- толқындық дуализм». Екінші тарауда : «Мектепте физика курсын оқыту барысында тарихи деректерді физика пәнін өткенде қолдану әдістемесі» келтірілген. Заманауи педагогикалық ғылымда және мектеп тәжірибесінде тарихилық принципін жүзеге асыру мәселесінің жағдайын талдау кезінде тарихилық таным тәсілі ретінде орта мектепте физикадан оқу бағдарламасының мазмұнын анықтауда қажетті шарт болып табылатыны анықталды.

«Кванттық физиканың даму тарихы» Кванттық физика ерекшеленетін бұрынғы теориялар енгізе отырып, қарапайым кванта қолданылу теориясы ретінде тек 20-ғасырдың басынан бастап қолданыла бастады. Бірақ оның эксперименттік түп-тамыры алыс сонау 19 ғасырдан басталған. Кванттық физика классикалық физикаға қарағанда танып білудің жоғары деңгейі болып табылады. Ол көптеген классикалық көзқарастарға шектеу қойды, сондықтан да XXI ғасырда мектептегі физика бөлімінде кванттық физиканың элементтері оқытылуы керек. Әйтпесе мектеп оқушыларының физикадан алған білімдері XIX-XX ғасырдағы деңгейде қалып қояды. Жалпы орта білім беретін мектептің жаңа бағдарламасында кванттық физика материалдарына назар аударылды. Онда екі тақырыптың мазмұны жаңартылып «Кванттық физика» жеке бөлім болды. Кванттық физика физикалық теориялардың ішіндегі кең ауқымды теория болып табылады. Себебі, ол классикалық физикаға қарағанда үлкен ауқымды көлемдегі физикалық құбылыстарды толық түсініріп бере алады. Бірақта кванттық физика классикалық физиканы жоққа шығармайды, тек оның қолданылатын аймағын шектейді. «Кванттық физика» бөлімі политехникалық білім беруде де маңызды мәселелерді шешеді.

«XIX ғасырдағы физикада ашылған жаңалықтар» XIX ғасырда оптика тарихындағы ең басты оқиға толқындық теориясының жеңісі болды. Ағылшын физигі Томас Юнг (1773-1829) интерференциялық теорияның басты теориялық баптарын тұжырымдады және Ньютонның түрлі-түсті сақиналарының қалай пайда болатындығын түсіндіріп берді. Ол жарықтың толқын ұзындығының жуық мәнін тұңғыш анықтады. XIX ғ соңы XX ғ. басында жаратылыстануда төңкеріске әкеліп соққан бір топ физикалық құбылыстар ашылды. Кеңістік, уақыт, зат құрылысы жайында жаңа түсініктер пайда болды. 1895 ж. неміс физигі Ренген (1845-1925ж.ж) көрінбейтін, бірақ күшті өткіш сәулелерді ашты. Неміс ғалымы Лауэ рентген сәулелерінің кристалдардағы дифракциясын бақылап, рентген сәулелері де электромагниттік толқындар екендігін, тек спектрдің көрінетін аймағындағы толқындарға қарағанда өте қысқа электромагниттік толқындар екендігін өзінің эксперименттерінде дәлелдеп берді. XIX ғасырдың екінші жартысында электродинамика жасалған соң ғана электромагниттік құбылыстар практикада кең қолданыла бастады. А.С.Поповтың радионы ойлап шығаруы жаңа теория принциптерінң аса маңызды қолдануларының біріне жатады. XIX ғасырдың басында жарық сәуленің корпускалық және толқындық теорияларының арасындағы «күрес» толқындық теорияның жеңісімен аяқталды. Бұған ағылшын ғалымы Томас Юнгтің (1773-1829) және француз физигі Френельдің (1788-1827) ашқан жарық сәуленің интерференциясы мен дифракциясының толқындық теориясының түсініктемесі себепші болды.

Абсолют қара дененің сәуле шығаруы. Температуралық жарық теориясы үшін абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілетін білудің мәні зор, өйткені сол арқылы қара емес денелердің сәуле шығарғыштығын іздестіруге болады. Табиғатта толқын ұзындығы қандай екеніне қарамай барлық сәулелерді түгел жұтатын абсолют қара дене кездеспейді. Қара дене деп саналатын нақты денелер тек көрінетін сәулелерді ғана жақсы жұтады, соның өзінде де оларды толық жұтпайды. Мысалы, қара күйде көрінетін жарықтың 0,99 үлесін ғана жұтады, инфрақызыл жарықты нашар жұтады. Алайда абсолют қара дене ролін атқара алатын денені қолдан жасауға болады, мысалы кішкене тесігі бар үлкен қуыс дене абсолют қара дене орнына жүре алады. Абсолют қара дененің сәуле шығару заңдары? Абсолют қара дененің эксперимент арқылы табылған сәуле шығару қисығын сан жағынан талдау нәтижесінде, XIX ғасырдың аяқ кезінде, мынадай 3 заң тағайындалды. Стефан-Больцман заңы. Абсолют қара дененің толық жарқырауы (R) оның төртке дәрежеленген абсолют температурасына пропорционал. (1) Виннің заңы. Абсолют қар денің спектрлік сәуле шығарғыштық қабілетінің максимал мәніне әйкес келетін толқын ұзындығы () оның Т абсолют температурасына кері пропорционал. (2) Абсолют қара дененің спектрлік сәуле шығарғыштық қабілетінің максимал мәні )max оның беске дәрежеленген Т абсолют температурасына пропорционал: (3) Мұндағы С- тұрақты шама, толқын ұзындығы мкм-мен алынса онда: .

Фотон теориясы. Көптеген жарық құбылыстары жарықтың элементар бөлшегі- фотондардың негізінде түсіндіріледі. Жарықтың кванттық теориясының негізінде жарық квантының (фотон) W энергиясы мен электромагниттік толқынның ν тербеліс жиілігі арасындағы байланысты көрсететін Планк формуласы жатады. Ол былайша жазылады: мұндағы Дж*сек Планк тұрақтысы. Масса және энергияның өзара байланысынан (1) формуладан мынаны аламыз: (2) Фотонның импульсі абсолюттік шамасы бойынша оның энергиясының жарық жылдамдығына қатынасына тең: импульстің бағыты жарықтың таралу бағытымен сәйкес келеді. Сонымен, қорытындылай келе, фотон жарықтың элементар бөлшегі ретінде энергия, масса, импульс және импульс моментіне ие болатынын айтуға болады. Қазіргі заманғы мәліметтерге байланысты, фотондардың электрлік заряды, магнит моменті, электрлік диполь моменті болмайды. Вакуумдағы фотонның өмір сүру уақыты шексіз. Бұл фотонның тұрақты бөлшек екенін және өзіндік ыдырауға түспейтінін көруге болады.

Фотоэффект.

Комптон эффектісі. Классикалық теория бойынша, шашыраған сәулелер мен түскен сәулелердің тербеліс жиіліктері бірдей болуға тиіс. Олай болса, шашыраған рентген сәулелерінің құрамы, түскен рентген сәулелерінің құрамындай болуы керек. Алайда, шашыраған рентген сәулелерінің спектрін зерттей келгенде, бұл қағиданың кейбір жағдайда орындалмайтыны белгілі болды. Атап айтқанда графит, парафин сияқты заттардан шашыраған қатаңдау рентген сәулелерінің қүрамында, толқынның үзындығы бастапқы түскен сәулелердікіндей және толқын одан да гөрі ұзынырақ сәулелер бар екені анықталды. Осындай рентген сәулелері шашыраған кезде, олардын. толқын үзындығының өзгеруін 一 Комптон құбылысы деп атайды. Бұл құбылысты алғаш рет Комптон 1923 жылы ашты. Комптон тәжірибесінің сызбасы 4—суретте келтірген. Диафрагмалар жүйесінен өткен жіңішке рентген сәулесі “ жеңіл” шашыратқыш К затына түседіде, одан φ бұрышымен шашырап, рентген спекгрографының Д қабылдағышына барады. Комптонның тәжірибесі түскен сәуленің λ толқын үзындығынан, шашыраған сәуленің толқын ұзындығының үзынырақ екенін және - λ айырымы тек қана шашырау бүрышы φ-ден тәуелді екенін көрсетті. = - λ = 2 * sin²(φ/2) мүндағы - комптондық толқын үзындығы.

Радиоактивтілік .Ренген сәулелері. 1886 жылы француз физигі Анри Беккерель (1852-1905 жж.) радиоактивтік құбылысты ашты, бірақ ол көп жылдар түсінігін таппады. Алғаш бұл еш мәні жоқ құбылыс сияқты болып көрінді, ал шын мәнінде ол атом ғасырының жаңа дәуірлеу кезеңі екенін ешкім байқамады. Ғалымдар радиоактивтілікті зерттей келіп, атом қыртысының терең қабаттарына дейін өте алды. Осы құбылысты француз физигі П. Кюри (1859-1906 жж. ) және Мария Склодовская –Кюри (1867-1934 жж. ) сонымен қатар көрнекті ағылшын ғлымы Э. Резерфорд (1871-1937 жж.) сияқты ғалымдар зерттей отырып, радиоактивтіліктің себептерін және оның негізгі қасиеттерін анықтады. Радиоактивтілік – атом ядроларының өздігінен басқа ядроларға түрленіп, түрлі сәулелер шығару құбылысы. Радиоактивті сәулеленудің 3 түрі белгілі. Атап айтқанда, оларға мыналар кіреді: α сәулелену- гелий ядроларының ағыны; α-бөлшектің заряды +2е, ал массасы гелий изотобының массасымен сәйкес келеді. β сәулелену- шапшаң электрондар ағыны. γ сәулелену- толқын ұзындығы өте қысқа м болатын қысқатолқынды электромагниттік сәулелер және соның салдарынан корпускалық қасиеті айқын байқалады, γ-кванттардың (фотондардың ) ағыны болып табылады. Вильгельм Рентген (1845-1923)- неміс физигі, ол 1895ж қысқа толқынды электромагниттік сәулелер-рентген сәулелерін ашқан. Рентген сәулелерінің ашылуы физиканың соңғы кездегі дамуына, атап айтқанда, радиоактивтіліктің ашылуына зор ықпал жасады. Физика саласындағы бірінші Нобель сыйлығы Рентгенге берілді. Рентген өзінің ашқан жаңалығының медицина практика жүзінде тез қолданылуына себепші болады. Рентген сәулелерін шығарып алу үшін қзінің жасап шығарған алғашқы рентген түтігінің жалпы түрі осы кезге дейін сол алғашқы қалпында сақталған. Қазір біздің еліміздегі барлық азаматтар жылына бір рет флюорографиядан өтуге тиіс. Рентген сәулелерінің жәрдемімен адам ауырғанын сезе бастаудан бұрын, ауруды алдын ала анықтап білу үшін, кеуде клеткаларының суреті түсіріледі.

Корпускалық- толқындық дуализм.

Мектепте физика курсын оқыту барысында тарихи деректерді пайдалану.

Мектеп оқулығы және бағдарламасы. Мектепте физика пәні негізінен 7-11 сыныптар да оқытылады. Қазіргі уақытта мектепте 7 сыныптар физика сабағын жаңартылған бағдарлама бойынша оқып жатыр. Ал 8-11 сыныптар бұрынғы бағдарлама негізінде оқып жатыр. «Кванттық физика» орта мектептің 11-сыныбында өтіледі. 11- сыныпта   барлығы – 102 сағат, аптасына - 3 сағат  физика сабағы болады.               

11-сыныптың физика кітабының VI тарауының Жарықтың кванттық теориясының негіздері бөлімінің ішіндегі §28 Кванттық теория туралы ұғым тақырыбына модульдік оқыту сабақ жоспарын жасадым. XX- шы ғасырдың 80 – жылдардың аяғында 90 – шы жылдардың басында педагогика ғылымына тағы да бір технологиялық ғылымның саласы дәлірек айтқанда, “модуль” термині енді. “Модуль” бұл (грек сөзі “modulus” – өлшем) деген мағынаны білдіреді. 11-сыныптың физика кітабының VI тарауының Жарықтың кванттық теориясының негіздері бөлімінің ішіндегі §28 Кванттық теория туралы ұғым тақырыбына модульдік оқыту сабақ жоспарын жасадым. XX- шы ғасырдың 80 – жылдардың аяғында 90 – шы жылдардың басында педагогика ғылымына тағы да бір технологиялық ғылымның саласы дәлірек айтқанда, “модуль” термині енді. “Модуль” бұл (грек сөзі “modulus” – өлшем) деген мағынаны білдіреді. Модульдік оқыту технологиясының ерекшеліктері: •білім меңгерту емес, тұлғаның танымдық қабілеттерін және танымдық үдерістерді арнайы жасалған оқу және танымдық жағдайлар арқылы дамыту; •тұлғаның қауіпсіздігін, өзін-өзі өзектілендіру, өзін-өзі бекіту, қарым-қатынас, ойын – танымдық және шығармашылық қажеттіліктерін қанағаттандыру; •белсенді сөздік қорын дамыту (ауызша және жазбаша); •дарынды балалармен тұрақты және жүйелі жұмыс істеу мүмкіндігін тудырады. Ең алдымен сабақтың жоспарымен таныстыратын болсам, модульдік сабақ жоспарымды жалпы 2 сағатқа жоспарладым . 1 сағат ішінде өтілетін сабақта №1-4 модульден тұрса, 2 сағат ішінде №5-10 модульден тұрады.

Орта мектепте кванттық физиканы оқытуда компьютерлік бағдарламаны қолдану әдістемесі. Физиканы мектепте оқыту әдістемесі - педагогика ғылымдары жүйесінің бір тармағы болып саналады. «Орта мектепте кванттық физика курын оқытуда компьютерлік бағдарламаларды тиімді қолдану» тақырыбын зерттеу барысындағы зерттеу нысаны 9-11 сыныптардағы кванттық физика курсы болатын. Алдымызға қойған мақсатымыз кванттық физика курсын оқытуда компьютерлік қолданудың тиімді әдістемесін жасау және негіздеу болатын. Зерттеу жұмысымда оқытуда компьютерлік бағдарламаларды қолдану арқылы кванттық физика бөлімін оқытудың тиімді әдістері жасалды. Лабораториялық жұмыстар және практикалық жұмыстарды орындауға арналған “Открытая физика”, “Живая физика”, “Физика в картинках ” бағдарламаларын қолдану әдістері жасалды. Бірақ аталған бағдарламалар кванттық физика курсындағы тақырыптарды толығымен түсіндіруге жеткіліксіз. Осы мақсатта мектеп физика пәні мұғаліміне көмекші болатын, Turbo Pascal, Q Basic бағдарламалау тілін қолданып есептерді шығару әдістемесі жасалды.

1 есеп жазу

2 есеп жазу

Қорытынды. Кванттық физиканың даму тарихы және тарихи деректерді мектеп физика курсында қолдану тақырыбын толық дерлік зерттедім. Дипломдық жұмысымда мен алдымен кванттық физиканың дамуы тарихына тоқталып түсіндіріп өттім, кейін мектепте сабақ өту барысында тарихи деректерді қолданудың қаншалықты тиімді екенін туралы да айтып өттім. Мектепте 11- сыныбында кванттық физика тарауы оқытылады, мен сол тараудың ішінен «Кванттық теория туралы ұғым» тақырыбын модульдік жүйеге салып сабақ жоспарын құрастырдым. Ал «А. С. Поповтың радионы ойлап табуы.» тақырыбына дәстүрлі сабақ жоспарын жасадым. Орта мектепте кванттық физиканы оқытуда компьютерлік бағдарламаларды қолдану бұл қазіргі заманның талабы деп айтуға болады. Өйткені қазіргі кезде бұл компьютер барлық мамандықтарда кеңінен қолданылады. Бұл компьютерлік технологияны пайдаланып қана қоймай, қазіргі кезде әр сабақты жүргізгенде қолданамыз. Сондықтан да мектеп оқушыларына бұл қай жағынан қарасақ та өте тиімді деп ойлаймын. Себебі оқушы әрі кванттық физиканыны терең түсінеді, әрі компьтерде түрлі бағдарламаларды қолдана алады. Зерттеу жұмысымда оқытуда компьютерлік бағдарламаларды қолдану арқылы кванттық физика бөлімін оқытудың тиімді әдістері жасалды. Кванттық физика курсын оқыту барысында әрбір физикалық құбылысты немесе процесті сипаттайтын модельдерді компьютерде жасауға және оларды оқу процесінде тиімді қолдануға болады.