№ 191

Иван ЗАХАРОВ,

учитель физики многопрофильного лицея №187 г. Казани

Современный мир ставит перед нами абсолютно разные задачи. Каждый год увеличивается объем информации. Ученикам все труднее входить в современный мир.  В современной школе стало больше уделяться внимания не на знания, получаемые в учебном процессе, а на процесс получения знаний. Только тот, кто сам установил ту или иную закономерность, смог найти причину явления, процесса имеет больший шанс гармонично войти в современный мир. В процессе формирования единой картины мира предметы естественно-научного цикла несут главную роль, именно в преподавании этих предметов происходит больше изменений. Шаблонная подача материала не дает развития эмоциям, и в итоге учащиеся теряют интерес.

Вместе с тем, новые стандарты требуют, чтобы в интерактивных формах проводилось большее количество аудиторных занятий, как в ВУЗах (не менее 20% аудиторных занятий), так и в школе. Эти требования должны быть выполнены по каждой дисциплине.

Понятие «интерактивный» происходит от латинского «interact» («inter» — «взаимный», «act» — «действовать»). Интерактивное обучение – это специальная форма организации познавательной деятельности. Она подразумевает вполне конкретные и прогнозируемые цели. Одна из таких целей состоит в создании комфортных условий обучения, при которых ученик чувствует свою успешность, свою интеллектуальную состоятельность, что делает продуктивным сам процесс обучения.

Так как задача нашей педагогической деятельности – формирование личности, способной адаптироваться в современном мире, то естественно, что без использования интерактивных и информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) в образовательном процессе нам не обойтись.

На уроках физики зачастую бывает недостаточно приборов и материалов для проведения лабораторной работы, а еще больше не хватает времени на проведение работ. В обучении появилась необходимость быстро и качественно дать материал.

Наиболее наглядные интерактивные модели можно найти на сайте PhET.colorodo.edu. Основанный в 2002 году лауреатом Нобелевской премии Карлом Вианом, проект PhETInteractiveSimulations в Университете Колорадо Боулдер создает бесплатные интерактивные математические и научные модели. PhET-симы основаны на обширных исследованиях в области образования и привлекают обучающихся через интуитивную, игровую среду, где учащиеся учатся посредством исследования и открытия.

Компьютерная модель «Строение атома. Опыт Резерфорда»

Модель «Опыт Резерфорда» представляет собой интерактивную модель, где пользователь может сам увидеть резерфордовское рассеяние α-частиц. Данную модель можно использовать как для проведения лабораторных работ, так и для учебной демонстрации. Моделирование резерфордовского рассеивания дает возможность учащимся визуализировать результаты, полученные Эрнестом Резерфордом в ходе его экспериментов по золотой фольге. В данной модели также представлена модель атома Томсона, модель «сливочного пудинга».

В модели атома Резерфорда учащиеся могут исследовать поведение α-частиц, наблюдаемых Резерфордом, когда частицы сталкиваются с ядром атома золота. В модели «сливочного пудинга» учащиеся смогут исследовать то, что Резерфорд предполагал получить в ходе своего эксперимента.

Начнем с атома Резерфорда. На экране показан тонкий кусок металлической фольги над источником α-частиц. В главном окне показан увеличенный вид образца, и у обучающихся есть выбор вида. Можно увидеть, как рассеивается α-частица среди атомов, а также можно настроить вид, чтобы увидеть, как отклоняются α-частицы в поле ядра. Ученики могут пользоваться обозначениями для определения ключевых особенностей модели.  В колонке «Альфа-частица» они могут изменять энергию α-частицы. А в колонке «Атом», используя ползунки, могут изменять количество протонов и нейтронов в ядре атома. С помощью кнопки пользователи могут включить зондирование α-частиц и щелкнуть по кнопке «Следы», чтобы наглядно можно было увидеть движение α-частиц и увидеть взаимодействие с пятью атомами. Хоть и про существование энергетических уровней электронов не было известно во время проведения опыта, они показаны здесь, чтобы помочь ученикам визуализировать отдельные атомы.

Рис. 5. Модель, показывающая рассеивание α-частиц в поле 5 атомов

Обратим внимание на тот случай, когда на экране будет показано одно ядро. Электроны теперь не видны в увеличенном виде. Ученики могут заметить, что большое количество α-частиц сталкивается с ядром, которое не соответствует результатам Резерфорда. Эта функция позволяет ученикам легче исследовать факторы влияющие на отклонение α-частицы. Также как в предыдущем виде, в этом виде можно изменять параметры энергии альфа-частиц, количество протонов и нейтронов, и получить результаты от которых будет зависеть рассеивание α-частиц.

Рис 6. Модель, показывающая рассеяния α-частиц, в поле одного ядра атома.

Также очень полезную функцию может выполнять кнопка для приостановки симуляции и кнопка «шаг вперед», чтобы внимательнее следить за поведением α-частиц.

Выбрав в нижней части экрана модель атома «Сливочный пудинг» мы можем увидеть, что предполагал увидеть Резерфорд в своих опытах. Расположение и функциональность экрана модели атома «Сливочный пудинг» аналогичны предыдущему экрану.  Поле обзора содержит один атом золота с диффузным положительным зарядом, который представлен красной частью модели и электронами, которые представлены синими шарами. Ползунок можно использовать для изменения энергии входящих α-частиц, но на этом экране ученики не смогут настроить количество протонов и нейтронов.

Рис 7. Модель атома Томсона. («Сливочный пудинг»)

Данная модель рассеивания α-частиц даст возможность ученикам лучше визуализировать эксперимент с золотой фольгой Резерфорда, предоставляя им возможность увидеть, как этот эксперимент помогает сформировать понимание строения атома.

Компьютерный эксперимент «Модели атома водорода»

Компьютерный эксперимент «Модели атома Водорода» описывает как ученые выясняли структуру атомов, не имея возможности видеть их. Учащиеся попробуют излучать свет на разные модели атомов, и проверят как предсказание модели соответствует экспериментальным данным.

Примеры учебных целей, которые можно достигнуть:

1. Визуализация различных моделей атома водорода.
2. Объяснить, какие экспериментальные прогнозы производит каждая модель.
3. Объяснить, почему люди верили в каждую модель, и почему каждая историческая модель была неточной.
4. Объяснить связь между физической картиной орбит и диаграммой энергетического уровня электрона.

Запустив модель, сразу же можно увидеть, что происходит в реальном эксперименте при облучении фотонами атома водорода. Программа показывает, где включить пушку, которая направляет на черный ящик с водородом свет. В режиме «Эксперимент» атом скрыт за черным ящиком, а в режиме «Предсказания» представлены различные модели атомов. Начиная с представлений об атоме в античный период и заканчивая моделью атома Шредингера.

Рис 8. «Модели атома водорода» начальное окно.

В предсказаниях первым представлена модель атома «Бильярдный шар». Такую модель атома предсказывали в античности. В частности, в своей главной работе Демокрит описал мир как систему атомов в пустоте, отвергая бесконечную делимость материи. Атомы, согласно этой теории, движутся в пустом пространстве хаотично, сталкиваются и вследствие соответствия форм, размеров, положений и порядков либо сцепляются, либо разлетаются. Образовавшиеся соединения держатся вместе и, таким образом, происходит возникновение сложных тел. Само же движение – свойство, естественно присущее атомам. Тела – это комбинации атомов. Разнообразие тел обусловлено как различием слагающих их атомов, так и различием порядка сборки, как из одних и тех же букв слагаются разные слова. Атомы не могут соприкасаться, поскольку все, что не имеет внутри себя пустоты, является неделимым, то есть единым атомом. Следовательно, между двумя атомами всегда есть хотя бы маленькие промежутки пустоты, так что даже в обычных телах есть пустота. Отсюда следует также, что при сближении атомов на очень маленькие расстояния между ними начинают действовать силы отталкивания. Вместе с тем, между атомами возможно и взаимное притяжение по принципу «подобное притягивается подобным».

Рис 9. Модель атома «Бильярдный шар»

Второй представлена модель атома «Пудинг с изюмом», или по-другому «Модель атома Томсона». В этой модели электрон может поглощать свет с любой частотой, но всегда излучает свет одной частоты.

Рис 10. Модель атома «Пудинг с изюмом»

Третьей представлена модель «Классическая солнечная система». В этой модели учтены все недостатки модели атома Резерфорда, и электрон, согласно электродинамике Максвелла, должен часть своей энергии испускать в виде электромагнитных колебаний, что должно привести к нарушению равновесия между электростатическим притяжением электрона к ядру и центробежной силой, обусловленной вращением электрона вокруг ядра. Для восстановления равновесия электрон должен переместиться ближе к ядру. Следовательно, непрерывно излучая электромагнитную энергию, электрон должен постепенно приближаться к ядру и в конце концов упасть на него – существование атома должно прекратиться.

В модели представлено, как электрон, вращаясь вокруг своего ядра, приближается к ядру, и в конце концов падает на свое ядро. За это время атом ничего не излучает, лишь можно заметить, что энергия электрона падает с приближением к ядру.

.

Рис 11. Планетарная модель атома

Далее представлены три разных, но в то же время похожие модели атомов. Для того, чтобы различить модели атомов, ученикам следует исследовать с помощью спектрометра, как себя ведет водород в трех различных предсказаниях. Направляя белый свет, в спектрометре можно увидеть, как испускаются фотоны. После этого, ученики знакомятся с двумя постулатами Бора, на которых построена полуклассическая модель атома водорода по Бору. Нажав на кнопку «Показывать диаграмму уровней энергии электрона», можно наблюдать переходы из одного энергетического уровня в другой. А направляя монохроматичный свет можно увидеть, как различаются модели. В каждой модели электрон будет поглощать фотон при переходе на более высокий уровень, и при переходе на уровень пониже электрон будет испускать фотон.

Для того, чтобы отобразить длины волн, необходимые для переходов в моделях атома Бора, Де Бройля, Шредингера, в меню «Справка» нужно выбрать «Переходы». Если свет установлен монохроматичный, то ползунок длины волны мигает белым, когда он находится на длине волны, которая может возбуждать электрон из основного состояния.

Боровская модель атома (Модель Бора) – полуклассическая модель атома, предложенная Нильсом Бором в 1913 г. За основу он взял планетарную модель атома, выдвинутую Резерфордом. Однако, с точки зрения классической электродинамики, электрон в модели Резерфорда, двигаясь вокруг ядра, должен был бы излучать энергию непрерывно и очень быстро и, потеряв её, упасть на ядро. Чтобы преодолеть эту проблему, Бор ввёл допущение, суть которого заключается в том, что электроны в атоме могут двигаться только по определённым (стационарным) орбитам, находясь на которых они не излучают энергию, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую.

Рис 12. Модель атома водорода по Бору

Согласно гипотезе де Бройля любой движущийся частице с энергией E и импульсом p соответствует волна с частотой v = E/h, длиной волны λ = h/p   и волновым вектором. Так же как в случае с фотоном, с соответствующей волной связаны частицы, обладающие энергией E=hv и импульсом p=h/λ. В модели атома Де Бройля, электрон представлен в виде волны, в данной модели можно изменять вид обзора модели. Их всего три: радиальный, яркостный, и трехмерный виды.

Рис 13. Модель атома водорода Де Бройля в яркостном виде

Рис 14. Модель атома водорода Де Бройля в трехмерном виде

В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э.Шредингер. К этому времени было экспериментально установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений рассчитывается не траектория движения электрона внутри атома, а вероятность найти электрон-волну в той или иной точке пространства вокруг ядра. Общее у волновой модели Шредингера и планетарной модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. В остальном эти модели не похожи друг на друга. В волновой модели орбиталь – это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%. За пределами этого пространства вероятность встретить такой электрон меньше 5%.

Рис 15. Модель атома Шредингера

Некоторые важные возможности в использовании моделей:

1) для того, чтобы сравнивать различные модели атомов, можно использовать значок камеры и сравнивать различные показания спектрометра.

2) в нижней части модели находится функция изменения скорости процесса.

3) есть возможность приостановить симуляцию, а затем использовать пошаговое изменение процесса для постепенного анализа.

4) для того, чтобы делать демонстрацию лекций, надо установить разрешение экрана 1024 на 768, чтобы симуляция заполнила экран и была легко видна.