Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях

(6 ч)

Электромагнитное поле. Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в электрическом поле. Движение заряженной частицы в магнитном поле. Движение заря­женных частиц при наличии электрического и магнит­ного полей. Дрейф частиц.

Демонстрации

Действие электростатического поля на электрические заряды.

Действие магнитного поля на движущиеся электри­ческие заряды.

Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением электронного пучка.

Электронно-лучевая трубка с магнитным управлени­ем электронного пучка.

Осциллограф.

Электростатические и магнитные линзы.

Движение электронных пучков в магнитном поле.

Фрагмент кинофильма «Электронно-лучевая трубка».

Плазма. Основные характеристики плазмы

(6 ч)

Электрический ток в газах. Виды электрических раз­рядов. Плазма. Степень ионизации плазмы. Коллектив­ное движение частиц в плазме. Квазинейтральность плазмы. Дебаевский радиус экранирования. Температу­ра плазмы.

Демонстрации

Несамостоятельный и самостоятельный разряды в газах.

Коронный, дуговой, тлеющий и искровой разряды.

Фрагмент из кинофильма «Плазма — четвертое со­стояние вещества».

Фрагменты из кинофильмов «Плазма в однородном магнитном поле» и «Плазма в неоднородном магнитном поле».

Диапозитивы (слайды), иллюстрации для кодоскопа (графопроектора): «Электрический ток в газах», «Элек­тродинамика».

Методы описания плазмы

(2 ч)

Магнитная гидродинамика и неустойчивости плаз­мы. Магнитное давление. Вмороженность магнитного поля. Число Рейнольдса. Кинетическое описание плаз­мы.

Демонстрации

Действие магнитного поля на плазменный шнур.

Сжатие плазмы магнитным полем.

Действие электрического и магнитного полей на плазму пламени.

Процессы в плазме

(4 ч)

Газовая (идеальная) плазма. Условие идеальной плаз­мы. Колебания в плазме. Ленгмюровская частота коле­баний. Волны в плазме.

Демонстрации

Фрагмент из кинофильма «Плазма — четвертое со­стояние вещества».

Плазма в природе

(4 ч)

Геомагнитное поле. Пояса радиации. Магнитосфера Земли. Магнитные бури и причины их возникновения. Ионосферы Земли. Полярные сияния. Космическая плазма. Солнечный ветер. Космические лучи.

 

78

79

Демонстрации

Изучение магнитного поля Земли. Вращение витка с током в магнитном поле Земли. Проекция диапозитивов: виды полярных сияний. Кинофильм «Полярные сияния». Видеофильмы «Радиационные пояса планеты» и «Уроки из космоса».

Плазма в технике

(6 ч)

Плазменные генераторы (плазматроны): электроду­говые, высокочастотные, магнитогидродинамические. МГД-генератор. Плазменный двигатель. Плазменный дисплей. Проблема управляемого термоядерного синте­за (УТС). Магнитные ловушки. Токамак. Методы нагре­ва плазмы. Лазерный УТС. Электронный УТС.

Демонстрации

Свечение газосветных трубок в поле высокой час­тоты.

Люминесцентная лампа.

Плазменный генератор релаксационных колебаний.

Применение дугового разряда.

Лабораторный практикум

(6 ч)

Лабораторные работы

Измерение отношения заряда электрона к его массе по отклонению плазменного пучка в магнитном поле.

Измерение индукции магнитного поля Земли по от­клонению электронного пучка.

Расчет периода релаксационных электрических коле­баний в R—С-цепи и его экспериментальная проверка.

Регистрация и исследование космических лучей.

Изучение люминесцентной лампы. Сравнение коэф­фициентов световой отдачи люминесцентной лампы и лампы накаливания.

Обобщающее занятие

(1ч)

Физико-техническая конференция по теме «Плазма на Земле и в космосе».

Экскурсии

Возможные объекты: обсерватория, метеорологиче­ская станция, лаборатории НИИ.

Творческие и конструкторские задания

Изготовление действующей модели МГД-генератора.

Аттестация учащихся

Научный уровень предлагаемого курса достаточно высок. Но поскольку это элективный курс, от каждого ученика не требуется воспроизведение всех изучаемых тем курса: кто-то интересуется теоретическими вопроса­ми и с удовольствием будет готовить рефераты и делать доклады, а кому-то более интересно решать задачи или выполнять экспериментальные исследования. Важно, чтобы достижения каждого ученика стали достоянием всех учащихся.

В качестве основной формы оценки достижений уча­щихся предполагается использовать выступления на се­минарах, подготовленные доклады и рефераты, выпол­ненные экспериментальные исследования. По резуль­татам исследовательских заданий желательно, чтобы ученики сделали сообщения на общем занятии с демон­страцией подготовленных экспериментов.

Решение задач в данном курсе не является решаю­щим фактором оценки успешности. Вместе с тем многие задачи, представленные в учебном и методическом по­собиях, позволяют глубже усвоить теоретический мате­риал элективного курса, а также лучше подготовиться к сдаче единого государственного экзамена, поступлению в вуз, продолжению образования.

 

80

81

Литература для учащихся

1. Милантьев В. П., Темко С. В. Физика плазмы.
М.: Просвещение, 1983.

2. Энциклопедический словарь юного физика / Сост.
В. А. Чуянов. М.: Педагогика, 1991.

3. Энциклопедический словарь юного техника / Сост.
Б. В. Зубков, С. В. Чумаков. М.: Педагогика, 1988.

 

4. Энциклопедический словарь юного астронома /
Сост. Н. П. Ептылев. М: Педагогика, 1986.

5. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Части 1
и 2. М.: Аванта+, 2000.

Литература для учителей

1. Алексеев Б. В., Котельников В. А. Зондовый
метод диагностики плазмы. М.: Энергоатомиздат, 1988.

2. Арцимович Л. А. Элементарная физика плазмы.
М.: Атомиздат. 1969.

3. Арцимович Л. А. Что каждый физик должен знать
о плазме. М., 1976.

4. Арцимович Л. А., Лукьянов С. Ю. Движение
заряженных частиц в электрических и магнитных полях.
М: Наука, 1972.

5. Воронов Г. С. Штурм термоядерной крепости. М.:
Наука, 1985.

6. Глазунов А. Т., Фабрикант В. А. Техническое
использование плазмы // Физика и техника. М.: Знание,
1977.

7. Грановский В. Л. Электрический ток в газах. М.:
Наука, 1971.

8. Димитров С. К, Фетисов И. К. Лабораторный
практикум по физике газоразрядной плазмы и пучков
заряженных частиц. М.: МИФИ, 1989.

9. Жданов С. К. и др. Основы физических процес­
сов в плазме и плазменных установках. М.: 2000.

10. Капица П. Л. Плазма и управляемая термоядер­
ная реакция (Нобелевская лекция) // Эксперимент. Те­
ория. Практика. М.: Наука, 1987.

 

11. Романовский М. К. Элементарные процессы и
взаимодействие частиц в плазме. М.: МИФИ, 1984.

12. Фортов В. Е., Якубов И. Т. Неидеальная
плазма. М.: Энергоатомиздат, 1994.

13. Франк-Каменецкий Д. А. Лекции по физике
плазмы. М.: Атомиздат, 1964.

14. Рабинович М. С. Управляемый термоядерный
синтез // Школьникам о современной физике; Сост. В.
А. Угаров. М.: Просвещение, 1974.

15. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Нау­
ка, 1992.

16. Фабрикант В. А. Физика. Оптика. Квантовая
электроника. Избранные статьи. М.: МЭИ, 2000.

17. Физический энциклопедический словарь. М.: Со­
ветская энциклопедия, 1983.

18. Чен Ф. Введение в физику плазмы. М.: Мир,
1987.

Журналы

1. Александров А., Елесин Е. Лед и пламень //
Наука и жизнь. 1987. № 11, 12.

2. Ашкенази Л. МГД-генератор // Квант. 1980. № 11.

3. Баранов В. Б. Что такое солнечный ветер // Со-
росовский образовательный журнал. 1996. № 12.

4. Бойко В. И. Управляемый термоядерный синтез
и проблемы инерциального термоядерного синтеза //
Соросовский образовательный журнал. 1999. № 6.

 

5. Быковский Ю. А. Лазерно-плазменный источ­
ник ионов и ядер // Соросовский образовательный жур­
нал. 1996. № 9.

6. Вокруг света. № 1, 2003. «Океан энергии» (с. 22—
25), «Сияющая ночь» (с. 92—99), «Плазма» (с. 192).

7. Гальпер А. М. Радиационный пояс Земли // Со­
росовский образовательный журнал. 1999. № 6.

8. Герштейн С. С. Загадки солнечных нейтрино //
Соросовский образовательный журнал. 1997. № 8.

9. Гильденбург В. Б. Плазменный резонанс в лабо­
ратории и в верхней атмосфере // Соросовский образо­
вательный журнал. 2000. № 12.

 

82

83

10. Ерухимов Л. М. Ионосфера Земли как космиче­
ская плазменная лаборатория // Соросовский образова­
тельный журнал. 1998. № 4.

11. Железняков В. В. От плазмы солнечной короны
к плазме на нейтронных звездах // Соросовский образо­
вательный журнал. 1997. № 7.

12. Кикоин А. К. Полярные сияния // Квант. 1989.
№5.

13. Кингсепп А. С. Плазма как объект физических
исследований // Соросовский образовательный журнал.
1996. №2.

14. Козловский В. Электрическое действие пламе­
ни//Квант. 1992. № 10.

15. Кочаров Г. Е. О загадках Солнца // Соросовский
образовательный журнал. 1998. № 3.

16. Курт В. Г. Солнце и межзвездная среда // Соро­
совский образовательный журнал. 1999. № 1.

17. Панкратов С. ТОКАМАК — новый шаг // Нау­
ка и жизнь. 1989. № 4.

18. Плотников А. «Термояд» в плазменном шнуре //
Наука и жизнь. 1971. № 3.

«ТОКАМАК-7» — еще один шаг к реактору // Наука и жизнь. 1980. №3.

19. Пудовкин М. И. Солнечный ветер // Соросов­
ский образовательный журнал. 1996. № 12.

20. Райзер Ю. П. Непрерывный оптический
разряд — поддержание и генерация плотной низкотем­
пературной плазмы лазерным излучением // Соросов­
ский образовательный журнал. 1996. № 3.

21. Рожанский В. А. Удержание плазмы в магнит­
ных ловушках // Соросовский образовательный журнал.
2000. № 10.

22. Славатинский С. А. Космические лучи и их
роль в развитии физики высоких энергий и астрофизи­
ки //Соросовский образовательный журнал. 1999. № 10.

23. Шиканов А. С. Лазерный термоядерный син­
тез // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 8.

Интернет-сайты

http: //www.inp.nsk.su/chairs/plasma/bookmark.ru.shtml — сайт «Физика плазмы в Интернете» http: //www.membrana.ru/articles/global/2002/03/07/

150800.html

Холодный ядерный синтез — научная сенсация или фарс?

http: //phys.web. ru/db/msg.html? mid= 1161258

Человек, приручивший термояд (к 100-летию со дня рождения Л. А. Арцимовича).

http: //www.ug.ru/00.25/t48.htm

Идея ТОКАМАК. Термоядерный синтез на Земле близок к осуществлению.

http: //www.inno.ru/newstech.shtml

Двести десять секунд Солнца.

http: //www.academic.ru/misc/enc3p.nsf/ByID/ NT00047D22

Энциклопедия: ТОКАМАК.

http: //nauka.relis.ru/06/0109/06109051.htm

Термояд: сквозь тернии к звездам.

http: //wyw.skc.ru/museum/page3.shtml

На пути в будущее. (Из истории создания первых оте­чественных ТОКАМАКов.)

84

Программа элективного курса «Нанотехнология»

(68 часов) Автор И. В. Разумовская

Пояснительная записка

Элективный курс предназначен для учащихся 11 классов. Курс опирается на знания, полученные уча­щимися при изучении физики, химии и биологии в ос­новной школе, и рассчитан на два полугодия (68 часов, по 2 часа в неделю). Вместе с тем качественный характер курса и самостоятельность содержания ряда его разделов допускает полугодовой курс (34 часа).

Нанотехнология — одна из наиболее динамично раз­вивающихся областей современной физики, по ряду проблем граничащая с химией и биологией. Одновре­менно это основа новой техники, что позволяет гово­рить об очередной технической революции во всех об­ластях жизнедеятельности человека. «По многим про­гнозам, именно развитие нанотехнологий определит облик XXI века, подобно тому как открытие атомной энергии, изобретение лазера и транзистора определили облик XX столетия»¹. Изучение основ нанотехнологий позволяет подготовить новые поколения к осознанному восприятию принципиально изменившегося подхода к созданию материалов и устройств техники XXI в.

Предлагаемый курс позволяет расширить и углубить представления учащихся о влиянии размеров атомных структур на их разнообразные физические свойства (ме­ханические, электрические, магнитные, оптические) и активизировать знания по соответствующим разделам

¹ Алферов Ж. И. и др. Нанострукторы и нанотехноло­гий // Нано- и микросистемная техника. 2003. № 8.

школьного курса физики. Подчеркивается квантовая природа свойств наночастиц. Нано- (или мезо-) структу­ры являются промежуточными между отдельными ато­мами, изучаемыми в школьном курсе химии, и макро­скопическими телами, изучаемыми в курсе физики. Примером природных наноструктур служат многие био­логические объекты. Поэтому данный курс не только со­ответствует общим задачам, стоящим перед обучением физике в старших классах средней школы, но и активи­зирует межпредметные связи физика — химия, физика — информатика и физика — биология. Учащиеся получают возможность познакомиться на качественном уровне с принципиально новыми физическими явлениями и новыми фундаментальными научными проблемами. Од­ной из важнейших особенностей курса является его по­литехническая направленность, конкретная демонстра­ция использования достижений физической науки в но­вейшей технике. Исторический аспект развития нанотехнологий, начиная со знаменитой лекции Ричар­да Феймана в 1959 г. и заканчивая работами нобелевско­го лауреата академика Ж. И. Алферова, позволяет на конкретном примере показать логику развития физиче­ской науки и ее применений и усилить эмоциональную составляющую восприятия материала курса.

Данный курс соответствует задачам, стоящим перед обучением физике в старших классах средней школы, способствует формированию целостной картины мира на разных уровнях размерности физических систем. Изучение процессов самоорганизации при формирова­нии наноструктур и примеры использования биологиче­ских наноструктур как элементов технологии позволяют с единых позиций рассматривать природные и искусст­венные наноструктуры, что способствует формирова­нию общего научного мировоззрения.

Курс полезен для учащихся всех профилей обучения. Для гуманитарного направления можно усилить описа­тельную составляющую курса, для биолого-химических классов сделать дополнительные акценты на химиче­ском и биологическом аспектах курса и т. д.

 

86

87

Основные задачи курса:

приобретение учащимися знаний: о влиянии размеров атомных структур на их физические свойства; о конкрет­ных наноструктурах и перспективах их использования в современной технике; о современных методах наблюде­ния отдельных атомов и манипулирования отдельными атомами; о достижениях и перспективах использования нанотехнологии в технике, биологии, медицине, вычис­лительной технике; об истории развития нанотехнологии и научной деятельности создававших ее ученых;

приобретение общеучебных умений: работать со средствами информации (учебной, справочной, науч­но-популярной литературой, средствами дистанционно­го образования, текущей научной информацией в Ин­тернете); готовить сообщения и доклады, оформлять их и представлять; обобщать знания, полученные при изу­чении физики, химии и биологии; использовать техни­ческие средства обучения и средства новых информаци­онных технологий; участвовать в дискуссии;

формирование представлений об использовании раз­личных физических свойств и особенностей нанострук­тур в современной технике, роли экономического и эко­логического факторов; о роли компьютерного модели­рования в создании новых структур и материалов;

воспитание научного мировоззрения и эстетическое воспитание;

развитие у учащихся функциональных механизмов психики — восприятия, мышления, речи, а также типо­логических и индивидуальных свойств личности: инте­ресов, способностей, в том числе творческих, самостоя­тельности, мотивации.

При проведении занятий целесообразны такие фор­мы обучения, как лекции (вводные к разделам), семина­ры, самостоятельная работа учащихся (коллективная, групповая, индивидуальная), консультации. Учащиеся самостоятельно находят информацию для докладов и сообщений, подбирают и реферируют тексты из учеб­ной, научно-популярной литературы, сайтов Интернета,

компьютерных обучающих программ, выбирают соот­ветствующий иллюстративный материал. Кроме пись­менного представления докладов и сообщений возмож­но их представление в виде общего проекта. Уровень са­мостоятельности при осуществлении этой деятельности учащимися и характер помощи со стороны учителя варьируется в зависимости от их подготовленности и сложности материала.

После изучения курса учащиеся должны:

знать (на уровне воспроизведения) отличительные особенности наноструктур в целом и основные примеры природных и синтезированных наноструктур; основные достижения и перспективы применения нанотехноло­гии в электронике, биологии, медицине, охране окру­жающей среды; историю развития нанотехнологии; имена и основные научные достижения ученых, сделав­ших существенный вклад в ее развитие;

понимать роль нанотехнологии в целом в жизнеде­ятельности человека в XXI в.; принципиальное влияние размеров наночастиц на их физические свойства; перс­пективы так называемого «молекулярного дизайна», включающего наноструктуры как неорганического, так и органического и биологического происхождения;

уметь работать со средствами информации, в том числе компьютерными (уметь искать и отбирать инфор­мацию, систематизировать и корректировать ее, состав­лять рефераты); готовить сообщения и доклады и высту­пать с ними; участвовать в дискуссиях; оформлять сооб­щения и доклады в письменном и электронном виде, подбирать к докладам, сообщениям, рефератам иллюст­ративный материал и корректировать его.

Работа учащихся по представленному курсу оценива­ется в конце первого и второго полугодия с учетом ак­тивности, качества содержания и оформления докладов, выступлений в дискуссиях, подготовленных наглядных материалов.

89

Содержание курса

Класс

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: