Обучение

ПРОГРАММЫ

ЭЛЕКТИВНЫХ КУРСОВ

ФИЗИКА

ПРОФИЛЬНОЕ
ОБУЧЕНИЕ

КЛАССЫ

d
p
о ф а

МОСКВА
2005

УДК 372.853 ББК
74.262.22 П78

Серия основана в 2004 году

Составитель В. А. Коровин

Программы
элективных курсов. Физика. 9—11 клас-П78 сы. Профильное обучение / сост. В. А. Коровин. — М.: Дрофа, 2005. - 125, [3] с. - (Элективные курсы). ISBN
5-7107-9610-7

В сборник программ элективных курсов по физике включе­но тринадцать авторских программ.

В каждой программе раскрывается содержание курса, рекомен­дуются наиболее эффективные формы и методы его организации.

Пособие адресовано учителям физики, работающим в профиль­ных классах, а также может быть использовано для организации вне­классной работы по физике.

УДК 372.853 ББК 74.262.22

© ООО «Дрофа», 2005

ISBN
5-7107-9610-7

Предисловие

Основным вопросом организации профильного обу­чения в настоящее время является определение струк­туры и направлений профилизации, а также модели организации профильного обучения. При этом следу­ет учитывать не только стремление наиболее полно учесть индивидуальные интересы, способности, склон­ности старшеклассников (что ведет к созданию большо­го числа различных профилей), но и ряд факторов, сдерживающих такую дифференциацию образования: введение единого государственного экзамена, утвержде­ние стандарта общего образования, необходимость ста­билизации перечня учебников, обеспечение профильно­го обучения соответствующими педагогическими кадра­ми и др.

В отличие от привычных моделей школ с углублен­ным изучением отдельных предметов, когда один-два предмета изучаются по углубленным программам, а ос­тальные — на базовом уровне, реализация профиль­ного обучения возможна только при условии отно­сительного сокращения учебного материала непро­фильных предметов, изучаемых для завершения базовой общеобразовательной подготовки учащихся.

Модель общеобразовательного учреждения с про­фильным обучением на старшей ступени предусма­тривает возможность разнообразных комбинаций учеб-

ных предметов, что и будет обеспечивать гибкую систе­му профильного обучения. Эта система должна вклю­чать в себя следующие типы учебных предметов: базовые общеобразовательные, профильные и элективные курсы.

Базовые общеобразовательные
предметы явля­ются обязательными для всех учащихся во всех профи­лях обучения. Предлагается следующий набор обяза­тельных общеобразовательных предметов: математика, история, русский и иностранный языки, физическая культура, а также интегрированные курсы обществове­дения (для естественно-математического, технологиче­ского и иных возможных профилей), естествознания (для гуманитарного, социально-экономического и иных возможных профилей).

Профильные общеобразовательные
— предметы повышенного уровня, определяющие направленность каждого конкретного профиля обучения. Например, физика, химия, биология — профильные предметы в ес­тественнонаучном профиле и т. д. Профильные учебные предметы являются обязательными для учащихся, вы­бравших данный профиль обучения.

Содержание указанных двух типов учебных предме­тов составляет федеральный компонент государственно­го стандарта общего образования.

Элективные
— обязательные для посещения курсы по выбору учащихся, входящие в состав профиля обуче­ния на старшей ступени обучения. Реализуются за счет школьного компонента учебного плана и выполняют две функции. Одни из них могут «поддерживать» изучение основных предметов на заданном стандартом профиль­ном уровне, другие предназначены для внутренней спе­циализации обучения и построения индивидуальных об­разовательных программ. Количество элективных кур­сов, предлагаемых в составе профиля, должно быть избыточно по сравнению с числом курсов, которые обя­зан выбрать учащийся. По элективным курсам единый государственный экзамен не проводится.

При этом примерное соотношение объемов базовых общеобразовательных, профильных общеобразователь­ных предметов и элективных курсов определяется про­порцией 50 : 30 : 20.

Настоящий сборник программ элективных курсов окажет учителям существенную помощь в организации профильного обучения, а школьникам — в выборе раз­личных наборов базовых общеобразовательных, профиль­ных предметов и элективных курсов, которые в совокуп­ности и составят его индивидуальную образовательную траекторию.

Программа элективного курса «Физика и медицина»

(12 часов)
Автор С. М. Новиков

Пояснительная записка

Элективный курс предназначен для учащихся 9 клас­сов общеобразовательных школ в качестве предпро-фильной подготовки. Предполагает такое развитие школьников, которое обеспечивает переход от обучения к самообразованию.

Основные цели курса:

знакомство с основными методами применения фи­зических законов в медицине;

развитие познавательного интереса к современной медицинской технике и проблемам здравоохранения;

формирование умения выдвигать проблемы и гипоте­зы, строить логические умозаключения, пользоваться индукцией, дедукцией, методами аналогий.

Ожидаемыми результатами элективных за­
нятий являются:

получение учащимися представлений о проявлении физических законов и теорий в медицине, методах науч­ного познания природы;

развитие познавательных интересов, интеллектуаль­ных и творческих способностей на основе опыта само­стоятельного приобретения новых знаний, анализа и оценки новой информации;

сознательное самоопределение ученика относитель­но профиля дальнейшего обучения или профессиональ­ной деятельности.

Содержание элективного курса базируется на мате­риале курса физики, изучаемом в основной школе,

в соответствии с программой общего образования по физике.

Знания учащихся по результатам изучения курса оце­нивают с помощью тестирования.

Содержание курса

9 класс

Невесомость и перегрузки. Центрифугирование

{1ч)

Функционирование организма человека в условиях одновременного воздействия силы тяжести и силы реак­ции опоры. Особенности поведения человеческого орга­низма при невесомости, когда органы человека не ока­зывают давления друг на друга. Движение тела человека в условиях невесомости. Ориентация тела человека при безопорном «плавании» в невесомости.

Неинерциальные системы отсчета. Особенности по­ведения человеческого организма при перегрузках. Оп­тимальные положения тела человека при разных пере­грузках. Использование центрифуг в космической ме­дицине для подготовки людей к работе в условиях перегрузок. Центрифугирование — процесс отделения (сепарации) мелких частиц от жидкостей, в которых они находятся. Применение центрифуг в медико-биологиче­ских исследованиях для разделения биополимеров, ви­русов и субклеточных частиц.

Вестибулярный аппарат

как инерциальная система

ориентации человека

(1ч)

Структура уха человека. Составляющие вестибуляр­ного аппарата, расположенного во внутреннем ухе. Ре­акция вестибулярного аппарата на равнодействующую сил, действующих на человека. Восприятие человеком

состояния невесомости и перегрузок посредством вести­булярного аппарата как необычных состояний, к кото­рым необходимо приспособиться.

Сочленения и рычаги в опорно-двигательном аппарате человека

(1ч)

Фаланги п&чьцев как пример одноосных соединений. Проявление двухосного соединения при вращении чере­па вперед и назад. Шаровой шарнир в тазобедренном суставе человека как пример трехосного соединения. Рычаги первого, второго и третьего родов в организме человека.

Удержание человеком равновесия с помощью сово­купности рычагов, входящих в опорно-двигательную систему человека.

Работа и мощность человека. Эргометрия

(1ч)

Работа и мощность человека при кратковременных и продолжительных усилиях. Статическая и динамическая работа мышц человека. Эргометры — приборы для изме­рения работы человека или отдельных его членов. Вело-эргометр.

Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения

(1ч)

Природа звука. Виды звука: тоны (музыкальные зву­ки), шумы, звуковые удары. Физические характеристики звука. Тембр и громкость звука. Обертоны. Порог слы­шимости. Действие звука на человеческий организм в зависимости от уровня интенсивности звука. Звуковое давление. Физические основы устройства аппарата речи и слуха человека. Физические основы звуковых методов исследования в медицине. Стетоскоп и фонен-

доскоп. Применение ультразвука в медицине. Особен­ности воздействия инфразвуковых колебаний на орга­низм человека.

Физические основы клинического метода

измерения давления крови. Физические свойства нагретых и холодных сред,

используемых для лечения.

Применение низких температур в медицине

(2 ч)

Физические основы измерения давления крови в плечевой артерии. Систолическое и диастолическое (верхнее и нижнее) давление в артерии. Сфигмотоно-метр с ртутным манометром. Сфигмотонометр с метал­лическим мембранным манометром. Измерение кровя­ного давления с помощью электронной аппаратуры.

Абсолютная и относительная влажность. Оптималь­ный воздушно-тепловой режим для жизнедеятельности человеческого организма. Методы контроля воздуш­но-теплового режима. Способы искусственного измене­ния абсолютной и относительной влажности.

Применение в лечении сред с большой удельной теп­лоемкостью (вода, грязи, солевые растворы), а также сред с большой удельной теплотой фазового превраще­ния (парафин, лед). Использование низкотемпературно­го метода (криогенная медицина) разрушения ткани при замораживании и размораживании (удаление миндалин, бородавок и т. п.).

Механические свойства твердых тел и тканей орга­низма.

Физические основы электрокардиографии

(1ч)

Биоэлектрические потенциалы в клетках и тканях че­ловека. Определение состояния сердечной деятельности с помощью биопотенциалов. Принцип работы медицин­ских приборов, регистрирующих биопотенциалы. Реги­страция электрического поля сердца на точках поверх-

ности тела человека с помощью электродов. Электро­кардиограмма как временные зависимости напряжения в разных точках поверхности тела человека.

Электростимуляторы. Стимуляторы центральной нервной системы (электросон, электронаркоз), нерв­но-мышечной системы, сердечно-сосудистой системы (кардиостимуляторы, дефибрилляторы) и т. д.

Оптическая система глаза
и некоторые ее особенности

Цч)

Строение глаза человека. Аккомодация — приспособ­ление глаза к четкому видению различно удаленных предметов (наводка на резкость). Расстояние наилучше­го зрения. Острота зрения и способы ее проверки. Чув­ствительность глаза к свету и цвету. Близорукость и даль­нозоркость — дефекты зрения, способы их исправления. Оптические иллюзии.

Волоконная оптика и ее использование в медицин­ских приборах.

Использование рентгеновского
излучения в медицине. Тепловое излучение тел

(1ч)

Устройство рентгеновской трубки, принцип ее рабо­ты. Рентгенодиагностика — просвечивание внутренних органов человека с диагностической целью. Рентгено­скопия — рассмотрение изображения на рентгенолюми-несцирующем экране. Рентгенография — фиксирование изображения на фотопленке. Рентгенотерапия — приме­нение рентгеновского излучения для уничтожения зло­качественных образований.

Источники теплового излучения, применяемые для лечебных целей. Теплоотдача организма. Понятие о тер­мографии. Инфракрасное излучение и его применение в медицине. Ультрафиолетовое излучение и его примене­ние в медицине.

Использование токов высокой частоты в лечебных целях. Высокочастотная физиотерапевтическая элек­тронная аппаратура, аппараты электрохирургии. Лазеры и их применение в медицине.

Использование радиоактивных изотопов
в медицине

(2 ч)

Радиоактивность. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом. Методы, использующие изотоп­ные индикаторы (меченые атомы) с диагностическими и исследовательскими целями. Методы, использующие ионизирующее излучение радиоактивных изотопных материалов для биологического действия с лечебной целью. Гамма-топограф (сцинтиграф) — прибор для об­наружения распределения радиоактивных изотопов в разных органах тела человека. Применение изотопных индикаторов для исследования обмена веществ в орга­низме человека.

Защита от ионизирующего излучения. Дозиметриче­ские приборы. Защита от альфа-, бета- и гамма-излуче­ний. Защита от рентгеновского излучения. Ионизирую­щее действие космических лучей. Причины, порождаю­щие космические лучи. Радиационные пояса Земли.

Демонстрации

Невесомость.

Модель центрифуги.

Колеблющееся тело как источник звука.

Запись колебательного движения.

Практическое применение ультразвука.

Сфигмоманометр и сфигмотонометр.

Измерение влажности воздуха психрометром и гигро­метром.

Человеческий глаз как оптический аппарат (на моде­ли).

Волоконная оптика.

Применение ультрафиолетового излучения.

10

11

Применение инфракрасного излучения.

Получение электрических колебаний высокой часто­ты с помощью генератора УВЧ.

Полупроводниковый лазер.

Ионизирующее действие радиоактивного излучения.

Устройство и принцип действия счетчика ионизи­рующих частиц.

Аттестация учащихся

Знания учащихся по окончании изучения курса можно оценить с помощью предлагаемого теста.

1. Космический корабль после выключения ракетных двигателей движется вертикально вверх, достигает верх­ ней точки траектории и затем движется вниз. На каком участке траектории в корабле наблюдается состояние невесомости? Сопротивлением воздуха пренебречь.

1) Только во время движения вверх; 2) только во вре­мя движения вниз; 3) только в момент достижения верх­ней точки траектории; 4) во время всего полета с нерабо­тающими двигателями.

2. В космическом корабле, летящем к далекой звезде с постоянной скоростью, проводят экспериментальное исследование колебаний пружинного маятника. Будут ли отличаться результаты этого исследования от анало­ гичного, проводимого на Земле?

1) Нет, не будут, результаты будут одинаковыми при любых скоростях корабля; 2) будут отличаться вслед­ствие релятивистских эффектов, если скорость корабля близка к скорости света; нет, при малых скоростях ко­рабля результаты будут одинаковыми; 3) да, так как в ко­рабле на маятник действует еще и сила инерции; 4) да, так как из-за отсутствия взаимодействия с Землей маят­ник не будет колебаться.

3. Шприцем набирают воду из стакана. Почему вода поднимается вслед за поршнем?

1) Молекулы воды притягиваются молекулами по­ршня; 2) поршень своим движением увлекает воду;

3) под действием атмосферного давления; 4) среди при­ веденных объяснений нет правильного.

4. Мы можем услышать звуковой сигнал от источни­ ка, скрытого за препятствием. Этот факт можно объяс­ нить, рассматривая звук как:

1) механическую волну; 2) поток частиц, вылетающих из источника звука; 3) поток молекул, составляющих воздух и движущихся от источника звука поступательно;

4) вихревой поток воздуха, идущий из источника звука.

5. Повышение влажности приводит к нарушению теплового обмена человека с окружающей средой. Это связано с тем, что при этом изменяется:

1) удельная теплоемкость воздуха; 2) скорость испа­рения влаги с поверхности тела; 3) атмосферное давле­ние; 4) содержание кислорода в воздухе.

6. Оптимальное значение относительной влажности для человека с точки зрения медицины 40—60%. Какое количество воды при данных значениях находится в 1 м3
воздуха при температуре 200 °С? Плотность насыщен­ ного водяного пара при данной температуре равна 17,3 г/м3
.

1) 6,92 г и 10,38 г; 2) 69,2 г и 103,8 г; 3) 0,692 г и 1,038 г; 4) 17,3 г и 17,3 г.

7. При лечении электростатическим душем к элект­ родам прикладывается разность потенциалов 100 В. Ка­ кой заряд проходит между электродами за время проце­ дуры, если известно, что электрическое поле совершает при этом работу, равную 1800 Дж?

1) 180 000 Кл; 2) 18 Кл; 3) 1900 Кл; 4) 1700 Кл.

8. Мальчик читал книгу в очках, расположив книгу на расстоянии 25 см, а сняв очки, — на расстоянии 12,5 см. Какова оптическая сила его очков? Считать мышечное напряжение глаз в обоих случаях одинаковым.

1) 1 дптр; 2) 2 дптр; 3) 3 дптр; 4) 4 дптр.

9. Расположите в порядке возрастания длины волны электромагнитные излучения разной природы: а) инф­ ракрасное излучение Солнца; б) рентгеновское излуче­ ние; в) излучение СВЧ-печей.

12

13

1) а, б, в; 2) б, а, в; 3) в, б, а; 4) эти излучения не явля­ются электромагнитными волнами.

10. Коренное население Африки имеет темный цвет кожи. Это связано:

1) только с воздействием ультрафиолетового излуче­ния Солнца на кожу; 2) с тем, что при данном цвете ко­жи устанавливается оптимальный тепловой режим орга­низма человека; 3) с тем, что при данном цвете кожи че­ловек лучше «сливается» с окружающей местностью; 4) только с воздействием инфракрасного излучения солнца.

11. На рентгеновском снимке размеры изображений предмета всегда:

1) больше его истинных размеров; 2) меньше его ис­тинных размеров; 3) равны его истинным размерам.

12. Какой вид излучения; альфа-, бета- или гамма-, представляет для человека наибольшую опасность при непосредственном контакте?

1) гамма-излучение; 2) бета-излучение; 3) альфа-из­лучение; 4) гамма- и бета-излучения.

13. При реакции самопроизвольного деления атомно­ го ядра происходит:

1) испускание ядром электромагнитных волн; 2) раз­деление ядра на ядро меньшей массы и альфа-частицу;

3) разделение ядра на два соразмерных по массе ядра;

4) любой из указанных процессов.

3. Бялко А. В.
Наша планета — Земля. М.: Наука, 1983.

4. Грегори Р.
Разумный глаз / Пер. с англ. М.: Мир, 1972.

5. Зверева С. В.
В мире солнечного света. Л.: Гидро- метеоиздат, 1988.

6. Маковецкий П. В.
Смотри в корень! / Сборник любопытных задач и вопросов. М.: Наука, 1984.

7. Полищук В. Р.
Как исследуют вещества. М.: Нау­ ка, 1989.

8. Ремизов А. Н.
Курс физики, электроники и ки­ бернетики для медицинских институтов: Учебник. М.: Высшая школа, 1982.

9. Хилькевич С. С.
Физика вокруг нас. М.: Наука, 1985.

КОДЫ ПРАВИЛЬНЫХ ОТВЕТОВ

10 11 12 13 2 2 13 1

Номер вопроса 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Вариант ответа 41312124

Литература

1.
Блудов М. И.
Беседы по физике: Книга для уча­ щихся старших классов средней школы / Под ред. Л. В. Тарасова. М.: Просвещение, 1992.

2. Богданов К. Ю.
Физик в гостях у биолога. М.: Наука, 1986.

14

Программа элективного курса «История физики в России»

{35 часов)
Авторы: В. А. Орлов, О. Ф. Кабардин

Пояснительная записка

Предлагаемый элективный курс предназначен для учащихся 10—11 классов общеобразовательных учреж­дений естественнонаучного или естественно-математи­ческого профиля. Курс основан на знаниях и умениях, полученных учащимися при изучении физики в основ­ной и средней школе. В процессе занятий школьники научатся готовить рефераты и доклады по избранным те­мам, выполнять опыты с использованием простых фи­зических приборов, анализировать полученные экспе­риментальные результаты и делать из них выводы, ис­кать информацию по выбранной теме.

Основная цель курса
— познакомить учащихся с вкладом российских ученых в развитие физики, повысив тем самым их интерес к изучению физики и чувство гор­дости за отечественную науку.

В курсе физики средней школы роль российских уче­ных освещается в связи с общим ходом развития физи­ки. В предлагаемом элективном курсе акцент сделан на изучении истории отечественной физики, начиная от М. В. Ломоносова до современных ученых-физиков.

Основные задачи курса:

расширить представления о материальном мире и ме­тодах научного познания природы на основе знакомства с историей открытий российских физиков;

развить интеллектуальные и творческие способности учащихся в процессе самостоятельного приобретения знаний и умений по физике с использованием различ-

ных источников информации, в том числе средств сов­ременных информационных технологий;

научить проводить наблюдения, планировать и вы­полнять эксперименты, выдвигать гипотезы и строить модели для объяснения экспериментальных фактов;

воспитать навыки сотрудничества в процессе сов­местной работы, уважительного отношения к мнению оппонента, способности давать морально-этическую оценку фактам и событиям.

Ожидаемыми результатами элективных за­
нятий являются:

получение представлений о вкладе российских уче­ных в развитие физики, методах научного познания природы и современной физической картине мира;

развитие познавательных интересов, интеллектуаль­ных и творческих способностей на основе опыта само­стоятельного приобретения новых знаний, анализа и оценки новой информации;

сознательное самоопределение ученика относитель­но профиля дальнейшего обучения или профессиональ­ной деятельности;

приобретение опыта поиска информации по задан­ной теме, составления реферата и устного доклада по со­ставленному реферату, навыков проведения опытов с ис­пользованием простых физических приборов и анализа полученных результатов.

Изучение данного курса предполагает не столько приобретение учащимися дополнительных знаний по физике, сколько развитие у них способностей самостоя­тельно приобретать знания, критически оценивать полу­ченную информацию, излагать свою точку зрения по об­суждаемому вопросу, выслушивать другие мнения и кон­структивно обсуждать их. Поэтому ведущими формами занятий могут быть семинары и практические занятия. Темы предстоящих семинаров объявляются заранее, и каждому учащемуся предоставляется возможность вы­ступить с основным сообщением на одном из занятий. На семинарских занятиях целесообразно демонстраци-

16

2 Физика 9—11 кл.

17

онный эксперимент, иллюстрирующий те опыты, кото­рые были проведены ученым-физиком, вклад которого рассматривается на данном семинаре, сопровождать выступлениями школьников.

Практическое знакомство учащихся с эксперимен­тальным методом изучения природы возможно в форме небольших самостоятельных наблюдений, опытов и ис­следований. При этом для выполнения следует предла­гать в первую очередь такие опыты и эксперименты, ко­торые подводят школьников к установлению законо­мерностей, открытых российскими учеными (закону Джоуля — Ленца, выражению для скорости ракеты, впервые полученному К. Э. Циолковским). Школьни­кам можно предлагать задания на моделирование ракет­ной установки, радиоприемника А. С. Попова, электро­двигателя Б. С. Якоби. Исследовательские задания мож­но предлагать в качестве индивидуальных или группо­вых работ для двух-трех учащихся по их выбору для вы­полнения в течение нескольких занятий.

Опыты, наблюдения и самостоятельные исследова­ния рассчитаны на использование типового оборудова­ния кабинета физики. Желательно проводить экспери­ментальные исследования, подобные тем, которые проводили российские ученые-физики. Возможности школьного физического кабинета позволяют это сде­лать, так как школьные приборы часто по своему качест­ву превосходят многие приборы, которыми пользова­лись ученые при открытии физических законов.

В курсе по истории физики основное внимание на­правлено на изучение личности ученого и его творений на фоне той эпохи, в которой он жил, а также ее техни­ческих возможностей. Поэтому элективные занятия должны быть организованы не как процесс передачи го­товой дополнительной суммы знаний, а как процесс са­мостоятельной познавательной и творческой деятель­ности учащихся на основе использования материалов из истории физики. Для этого в учебное пособие к электив­ному курсу кроме материалов по истории физики долж-

ны войти задания для проведения практических занятий и хрестоматийные материалы. Изучение роли россий­ских ученых в истории физики позволяет обобщить зна­ния по всем разделам физики, так как российские уче­ные внесли существенный вклад практически во все об­ласти физической науки.

Ж. И. Алферов назвал три великих открытия XX в., которые не только определили научно-технический прогресс во второй половине XX в., по-новому объяснив многие вещи в физике, но и привели к масштабным со­циальным изменениям и во многом предопределили современное развитие как передовых стран, так и прак­тически всего населения земного шара.

1. Открытие деления ядер урана под воздейст­ вием нейтронного облучения,
в разработку способов практического использования которого внесли сущест­ венный вклад российские ученые Игорь Васильевич Курчатов, Яков Борисович Зельдович, Юлий Борисович Харитон и другие.

2.
Открытие транзистора
привело к наступле­ нию постиндустриального периода развития общества. Значительную роль в развитии физики полупроводни­ ков сыграли открытия российских физиков Абрама Фе­ доровича Иоффе и Якова Ильича Френкеля.

3. Открытие лазерно-мазерного принципа
сде­ лано в 1954—1955 гг. практически одновременно Нико­ лаем Геннадиевичем Басовым, Александром Михайло­ вичем Прохоровым в России и Чарлзом Таунсом в США.

В 1970 г. в России впервые в мире появились полу­проводниковые лазеры, работающие в непрерывном ре­жиме при комнатной температуре на основе так назы­ваемых полупроводниковых гетероструктур, исследо­ванных российским физиком Жоресом Ивановичем Алферовым, и разработана волоконно-оптическая связь.

18

19

Содержание курса

10(11) класс

Начало развития естествознания в России

(Зч)

Организация Петербургской академии наук. Иссле­дования М. В. Ломоносова по молекулярной физике, оптике, электричеству.

Разработка теоретических основ аэрогидродинамики. Создание К. Э. Циолковским теории реактивного дви­жения и межпланетных полетов.

Индивидуальные экспериментальные задания

Экспериментальная проверка уравнения Бернулли.

Демонстрация полета ракеты.

Экспериментальная проверка формулы Циолковс­кого.

Исследования российских ученых в области электродинамики

(8 ч)

Открытие электрической дуги. Исследования элект­рических и магнитных превращений. Разработка элект­рических машин и источников света. Работы В. В. Пет­рова, Э. X. Ленца, Б. С. Якоби, П. Н. Яблочкова, А. Н. Лодыгина, М. И. Доливо-Добровольского. Откры­тие радио А. С. Поповым.

Индивидуальные экспериментальные задания

Демонстрация электрической дуги.

Демонстрация правила Ленца.

Экспериментальная проверка закона Джоуля — Ленца.

Изучение принципа действия трансформатора.

Конструирование и демонстрация модели электро­двигателя.

Демонстрация принципа действия трехфазного гене­ратора.

Демонстрация принципа действия трехфазного элек­тродвигателя.

Конструирование модели приемника А. С. Попова.

Исследования российских ученых

в области квантовой оптики, квантовых явлений в жидкостях и твердых телах

{10 ч)

Открытие законов фотоэффекта А. Г. Столетовым. Открытие светового давления П. Н. Лебедевым. Работы С. И. Вавилова по доказательству квантовой природы света. Открытие явления усиления электромагнитных волн при прохождении через среду с инверсным распре­делением атомов. Создание квантовых генераторов. Ра­боты В. А. Фабриканта, Н. Г. Басова, А. М. Прохорова.

Исследования российских ученых в области физики полупроводников. Работы А. Ф. Иоффе, Ж. И. Алферова.

Исследования по теории конденсированных сред и физики низких температур. Работы Л. Д. Ландау и П. Л. Капицы.

Индивидуальные экспериментальные задания

Изучение работы люминесцентной лампы.

Демонстрация явления фотоэффекта.

Демонстрация свойств лазерного излучения.

Демонстрация радиометра Крукса.

Измерение работы выхода электрона.

Демонстрация приборов, использующих излучение полупроводниковых лазеров.

Исследования российских ученых в области физики атома и атомного ядра

(10 ч)

Открытие периодической системы элементов Д. И. Менделеевым. Работы Я. И. Френкеля и Д. Д. Ива­ненко по теории строения атомного ядра. Эффект Вави­лова — Черенкова. Открытие явления комбинационного рассеяния света. Работы Я. Б. Зельдовича, Ю. Б. Харито-

20

21

на, И. В.
Курчатова по осуществлению цепных ядерных реакций. Исследования В. А. Фабриканта, В. И. Вексле-ра, А. Д. Сахарова, Л. А. Арцимовича в области физики элементарных частиц и управляемого термоядерного синтеза.

Индивидуальные экспериментальные задания
Демонстрация следов альфа-частиц в камере Виль­сона.

Демонстрация кругового движения электронов в маг­нитном поле.

Обобщающая конференция

(2 ч)

Резерв времени

(2 ч)

Аттестация учащихся

Наиболее подходящей для элективных занятий может быть зачетная форма оценки достижений учащихся на основе выступлений на семинарах, посвященных жизни и деятельности российских физиков, и результатов са­мостоятельного выполнения экспериментальных зада­ний. При написании отчетов о выполненных экспери­ментах учащиеся должны выделять главные признаки наблюдаемых явлений, формулировать обязательные ус­ловия осуществления опыта, кратко и логически после­довательно излагать свои мысли.

Итоговый зачет ученику по всему элективному курсу можно выставлять, например, по таким критериям: не менее одного выступления с докладом на семинарах и выполнение не менее одного индивидуального экспери­ментального задания.

Предлагаемые критерии оценки работы учащихся на элективных занятиях не являются обязательными. Учи­тель может устанавливать другие критерии на основе своего опыта и с учетом состава группы.

Литература для учащихся

1.
Хрестоматия по физике /Под ред. профессора Б. И. Спасского: Учебное пособие для учащихся. М.: Просвещение, 1982.

2. Энциклопедия для детей. Физика. Т. 16. М.: Аванта,

2000.

3. Энциклопедический словарь юного физика. М.:

Педагогика, 2002.

Литература для учителя

1. Басов Н. Г., Афанасьев Ю. В.
Световое чудо века. М.: Педагогика, 1984.

2. Дорфман Я. Г.
Всемирная история физики с на­ чала XIX до середины XX в. М.: Наука, 1979.

3. Ильин В. А.
История физики. М.: ACADEMIA, 2003.

4. Капица П. Л.
Эксперимент, теория, практика. Статьи и выступления. М.: Наука, 1987.

5. Кудрявцев П. С.
История физики. Т. I—III. M.: Просвещение, 1956—1971.

6. Лазарев П. П.
Очерки истории русской науки / Под ред. С. И. Вавилова и М. П. Воларовича. М.: АН СССР, 1950.

7. Люди русской науки. Очерки о выдающихся деяте­ лях естествознания и техники / Под ред. И. В. Кузнецо­ ва. М.: ГИ ФМЛ, 1961.

8. Мещанский В. Н., Савелова Е. В.
История фи­ зики в средней школе. М.: Просвещение, 1981.

9. Развитие физики в России. Т. I—II. М.: Просвеще­ ние, 1970.

10. Развитие физики в СССР. Кн. 1 и 2. М.: Наука,

1967.

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

12. Храмов Ю. А.
Физики. Биографический спра­ вочник. М.: Наука, 1983.

22

23

Соросовский образовательный журнал

1. Андреев В. М.
Фотоэлектрическое преобразова­ ние солнечной энергии. 1996. № 7.

2. Бойко В. И.
Управляемый термоядерный синтез и проблемы инерциального термоядерного синтеза 1999. № 6.

3. Горелик В. С.
Комбинационное рассеяние света 1997. №6.

4. Денисов С. П.
Излучение «сверхсветовых» частиц (эффект Черенкова). 1996. № 2.

5. Слабко В. В.
Принципы голографии. 1997. № 7.

6. Сэм М. Ф.
Лазеры и их применение. 1996. № 6.

Программа элективного курса

«История физики и развитие

представлений о мире»

(Открытие мира)

(70 ч)
Автор О. Ф. Кабардин

Пояснительная записка

Элективный курс предназначен для учащихся 10—11 классов общеобразовательных учреждений, проявляю­щих интерес к физике и астрономии, желающих позна­комиться с историей развития представлений человека о мире, в котором мы живем.

Курс опирается на знания и умения, полученные уча­щимися при изучении физики в основной школе. В про­цессе занятий школьники научатся находить информа­цию по заданной теме, подготовить рефераты и доклады по избранным темам, выполнять опыты с использовани­ем простых физических приборов и инструментов, ана­лизировать полученные экспериментальные результаты и делать из них выводы. Изучение элективного курса по­может сознательному выбору профиля дальнейшего обу­чения или профессиональной деятельности выпускника средней школы.

В тех школах, в которых не организуются элективные занятия по данной программе, учитель физики может использовать материалы курса для занятий по обяза­тельной программе, а также предлагать индивидуальные задания по интересам учащихся.

Программа курса состоит из введения и пяти разде­лов: античная наука, гелиоцентрическая система мира, механическая картина мира, полевая картина мира, квантовая картина мира.

25

Основные задачи курса:

углубление знаний о материальном мире и методах научного познания природы;

развитие познавательных интересов, интеллектуаль­ных и творческих способностей учащихся в процессе са­мостоятельного приобретения знаний и умений по фи­зике и астрономии.

В процессе занятий школьники должны научить­ся выдвигать гипотезы и строить модели для объясне­ния экспериментальных фактов, обосновывать свою позицию по обсуждаемому вопросу; овладеть навы­ками сотрудничества и совместной работы, уважитель­ного отношения к мнению оппонента в процессе дис­куссии.

Ожидаемыми результатами элективных за­
нятий являются:

формирование представлений о методах научного по­знания природы и современной физической картине мира;

развитие познавательных интересов, интеллектуаль­ных и творческих способностей на основе опыта само­стоятельного приобретения новых знаний;

воспитание духа сотрудничества, сознательное само­определение ученика относительно профиля дальней­шего обучения или профессиональной деятельности.

В процессе занятий школьники научатся находить информацию по заданной теме, составлять рефераты и устные доклады по составленному реферату, проводить опыты с использованием простых физических приборов и инструментов, анализировать полученные результаты и делать из них выводы.

Основным содержанием курса является знакомство с историей открытий в области физики и астрономии, оказавших влияние на развитие человеческой цивилиза­ции. Курс опирается на знания и умения, полученные учащимися при изучении физики в основной школе. Элективные занятия должны быть организованы не как процесс передачи готовой дополнительной суммы зна-

ний, а как процесс самостоятельной познавательной и творческой деятельности учащихся на основе использо­вания материалов из истории физики.

Для знакомства с оригинальными материалами из истории физики учащимся нужно читать труды ученых, статьи в научных журналах. Желательно, чтобы необ­ходимые материалы были собраны в отдельные хресто­матии.

Успешное самостоятельное решение теоретической проблемы или выполнение эксперимента, являвшегося исторически важным этапом в развитии физики, долж­но способствовать приобретению учащимися уверен­ности в собственных силах и способностях.

Основными формами занятий являются семинары и практические занятия. Темы предстоящих семина­ров объявляются за несколько недель и каждому учаще­муся предоставляется возможность выступить с докла­дом на одном из занятий. Для того чтобы в дискуссии по обсуждаемой проблеме приняло участие как можно больше школьников, следует готовить выступления нескольких докладчиков, отстаивающих альтернатив­ные точки зрения. Поэтому тему следующего семинара и список дополнительной литературы нужно сообщать за­ранее.

Успех семинаров во многом зависит от подготови­тельной работы учителя с основными докладчиками. До занятия учителю необходимо прочитать подготовлен­ный текст доклада, обсудить с докладчиком наиболее трудные вопросы, провести репетицию устного выступ­ления и ответов на возможные вопросы и возражения. После такой подготовки докладчик во время выступле­ния чувствует себя уверенно и свободно, получает удов­летворение от проделанной работы.

Практическое знакомство учащихся с эксперимен­тальным методом изучения природы наиболее продук­тивно в форме проведения самостоятельных опытов и исследований. В программу включены опыты и экспе-

26

27

рименты, сыгравшие решающую роль в истории откры­тия новых физических явлений, установления новых за­конов, подтверждения или опровержения физических теорий. Самостоятельное выполнение исторического эксперимента поможет учащемуся понять, что он обла­дает способностями, необходимыми для совершения на­учных открытий. Конкретное знакомство со многими примерами открытий в физике должно сформировать представления о том, как делаются научные открытия, каковы роль случая и настойчивости в достижении пос­тавленной цели. В качестве индивидуальных или груп­повых работ можно предлагать исследовательские зада­ния для двух-трех учащихся по их выбору для выполне­ния в течение нескольких занятий.

При рассмотрении примеров развития физических идей, от возникновения гипотезы для объяснения экс­периментальных фактов к физической модели, затем к теории, выводу следствий из нее и экспериментальной проверке этих следствий, формируются представления о соотношении теории и практики в процессе познания мира.

Особое внимание на элективных занятиях по данной программе следует уделить рассмотрению этапов выдви­жения гипотез и построения физических моделей для объяснения новых, неизвестных науке фактов. Примеры из истории физики должны помочь пониманию особой важности роли интуиции, фантазии, образного мышле­ния на этапах встречи с чем-то новым, ранее неизвест­ным. Принципиально новое в науке не выводится логи­чески из ранее известного, требует ломки привычных представлений. На начальном этапе возникновения но­вые теории обычно кажутся опирающимися на фантас­тические гипотезы и весьма сомнительные модели. Для открытия нового в науке нужно сохранить детскую спо­собность к полету свободной фантазии, воспитать в себе не только чувство уважения к великим творцам науки, но и чувство собственного достоинства, смелость, готов-

ность отстаивать собственные взгляды и убеждения по проблемам науки без оглядки на любые научные автори­теты прошлого и настоящего.

Содержание курса

10(11)
класс

Введение

(2 ч)

Диспут на тему «Каковы причины возникновения и развития науки о природе?».

Античная наука

(6 ч)

Мифологические объяснения мира. Различия мифо­логического и научного подхода к объяснению мира.

Развитие представлений о строении вещества. Идея первоначал и атомистическое учение. Идея несотвори-мости и неуничтожимости атомов как идея сохранения вещества.

Геоцентрическая система мира. Открытие шарооб­разности Земли и уединенности ее в мировом простран­стве. Измерения радиуса Земли и оценка расстояний до небесных тел. Первые шаги к созданию гелиоцентриче­ской системы мира.

Пространство, время и движение в античной науке. Практические приложения античной механики.

Темы семинаров

«Первоначала вещей» и атомы.

Геоцентрическая система мира.

Экспериментальное задание

1. Измерение плотности вещества.

Астрономические наблюдения

Знакомство с созвездиями и наиболее яркими звезда­ми Северного полушария.

Обнаружение суточного вращения звездного неба.

28

29

Наблюдения собственных движений Луны, Солнца и планет.

Творческое задание

Определение расстояния от Земли до Луны и разме­ров Луны.

Работа в компьютерном классе

Моделирование видимых движений планет, Солнца и Луны относительно звезд с помощью компьютерной программы.

Гелиоцентрическая система мира

(6 ч)

Система мира Коперника. Развитие учения Коперни­ка: Джордано Бруно, Галилео Галилей, Иоганн Кеплер. Утверждение учения Коперника в России.

Открытие закона всемирного тяготения и развитие гелиоцентрической системы мира. Доказательства дви­жения Земли.

Экспериментальное задание

2. Измерение массы Земли.

Тема семинара

Доказательства вращения Земли вокруг своей оси и обращения вокруг Солнца.

Механическая картина мира

(18 ч)

Эксперимент и теория в процессе познания природы. Превращение физики из наблюдательной науки в науку экспериментальную.

Атмосферное давление. Свойства газов.

Механика Ньютона. Открытие законов сохранения импульса и механической энергии. Механическая те­ория теплоты. Молекулярно-кинетическая теория. Ме­ханическая картина мира.

Тема семинара

Законы сохранения импульса и механической энергии.

Экспериментальные задания

3. Исследование зависимости скорости падения тел от их массы.

4. Исследование зависимости пройденного при паде­ нии пути от времени движения тел, от их массы.

5. Измерение атмосферного давления.

6. Исследование зависимости атмосферного давле­ ния от высоты над уровнем моря.

7. Исследование зависимости объема газа от давления при постоянной температуре.

8. Исследование движения шара, подвешенного на нити.

9. Исследование неупругого столкновения шаров.

10. Оценка средней скорости теплового движения молекул воздуха.

Полевая картина мира

(16 ч)

Развитие представлений о природе электрических и магнитных явлений. Открытие способов создания по­стоянного электрического тока. Открытия взаимосвязей электрических и магнитных явлений. Электромагнитная индукция. Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Электромагнитная природа света.

Экспериментальные обоснования специальной тео­рии относительности. Релятивистские законы сохране­ния.

Темы семинаров

Развитие представлений о природе электричества и магнетизма.

Релятивистская картина мира.

Экспериментальные задания

11
. Исследование взаимодействия постоянного маг­ нита с магнитной стрелкой.

12. Изготовление гальванических источников тока.

13. Исследование действия электрического тока на магнитную стрелку.

30

31

14. Наблюдение магнитного взаимодействия токов.

15. Исследование явления электромагнитной индук­ ции.

16. Обнаружение индукционных токов в магнитном поле Земли.

17. Измерение длины световой волны.

Квантовая картина мира

(16 ч)

Кванты. Фотон. Открытие электрона. Открытие атомного ядра. Строение атома. Модель атома Бора. Волновые свойства частиц. Квантовая механика.

Элементарные частицы и их взаимные превращения. Фундаментальные взаимодействия и фундаментальные элементарные частицы. Квантовая картина мира.

Строение и эволюция Вселенной. Гипотеза о Боль­шом взрыве.

Темы семинаров

Квантовая картина мира.

Элементарные частицы.

Эволюция Вселенной.

Экспериментальные задания

18. Измерение работы выхода электрона.

19. Измерение элементарного электрического заряда.

20. Наблюдение ос-частиц с помощью камеры Виль­ сона.

Резерв времени

(6 ч)

Аттестация учащихся

Занятия по выбору учащихся проводятся для удовлет­ворения их индивидуальных интересов к изучению фи­зики и ее практических приложений, развития познава­тельных и творческих способностей. Овладение допол­нительным объемом знаний и умений при этом является лишь сопутствующим процессом. Поэтому на электив-

ных занятиях необязательно оценивать в.баллах выступ­ления на семинарах, отчеты о выполненных экспери­ментальных исследованиях. На уроке вполне доста­точным может быть устное одобрение результатов выполненной работы, выражение удовлетворения или восхищения достижениями учащихся. Для себя же учи­телю полезно вести учет всех видов работ, выполненных каждым учащимся, и качества выполнения в какой-либо форме. Однако во многих случаях составление кратких письменных отчетов о проделанных опытах и получен­ных результатах весьма полезно, так как при их напи­сании школьники учатся выделять главные этапы осуществления эксперимента, кратко и логически по­следовательно излагать свои мысли. По результатам вы­полнения исследовательских заданий полезно практи­ковать краткие сообщения на общем занятии группы с демонстрацией выполненных экспериментов. Такое со­общение и является возможной формой отчета о резуль­татах исследования.

Наиболее соответствующей специфике элективных занятий является зачетная форма оценки достижений учащихся. Критерии итогового зачета по всему курсу должны быть известны ученику с начала занятий. На­пример, можно объявить, что для зачета нужно не менее одного или двух раз выступить с докладом на семинарах и выполнить не менее половины предложенных опытов и экспериментальных заданий. Разумеется, приведен­ный пример критериев для зачета не является обязатель­ным. Учитель может устанавливать свои правила на ос­нове собственного опыта и с учетом состава группы.

Литература

1. Аристотель.
Физика. О небе. Соч. в четырех то­ мах. Т. 3. М.: Мысль, 1981.

2. Асмус В. Ф.
Античная философия. М.: Высшая школа, 1978.

3. Бор Нильс.
Избранные научные труды в двух то­ мах. М.: Наука, 1970—1971.

32

3 Физика 9—11 кл.

33

4. Галилео Галилей.
Диалог о двух главнейших сис­ темах мира — птолемеевой и коперниковой. М. — Л.- ГИТТЛ, 1948.

5. Дорфман Я. Г.
Всемирная история физики. М.: Наука, 1974.

б.Дуков В. М.
Электрон. М.: Просвещение, 1966.

7. Кудрявцев Л. С.
История физики. Т. 1—3. М.: Просвещение, 1956—1971.

8. Липсон Г.
Великие эксперименты в физике. М.: Мир, 1972.

9. Лукреций.
О природе вещей. М: Издательство АН СССР, 1958.

10. Льоцци М.
История физики. М.: Мир, 1970.

11. Материалисты Древней Греции. Собрание текстов Гераклита, Демокрита и Эпикура. М.: ГИПЛ, 1955.

12. Роджерс Эрик.
Физика для любознательных. М.: Мир, 1970.

13. Храмов Ю. А.
Биография физики. Киев: Техни­ ка, 1983.

14. Энциклопедия для детей. Астрономия. М.: Аван- та, 2001.

15. Энциклопедия для детей. Физика. М.: Аванта, 2002.

16. Эрнест Резерфорд.
Избранные научные труды. М.: Наука, 1972.

17. Эйнштейн А.
Физика и реальность. Сборник статей. М.: Наука, 1965.

Интернет-сайты

http://www.kmgosvet.ru

http://www.stella2000.com

CD-ROM Scientific American Librari PLANETARIUM

Программа элективного курса

«Измерение физических величин»

(70 часов)

Авторы: С. И. Кабардина, Н. И. Шефер

Пояснительная записка

Данный курс предназначен для учащихся 10—11 классов общеобразовательных учреждений естествен­нонаучного или естественно-математического профиля.

Цель курса
— предоставление учащимся возмож­ности удовлетворить индивидуальный интерес к изуче­нию практических приложений физики в процессе по­знавательной и творческой деятельности при прове­дении самостоятельных экспериментов и исследова­ний.

Основная задача курса
— помощь учащимся в обоснованном выборе профиля дальнейшего обучения.

На элективных занятиях школьники на практике по­знакомятся с теми видами деятельности, которые явля­ются ведущими во многих инженерных и технических профессиях, связанных с практическим применением физики. Опыт самостоятельного выполнения сначала простых физических экспериментов, затем заданий ис­следовательского и конструкторского типа позволит ли­бо убедиться в правильности предварительного выбора, либо изменить свой выбор и попробовать себя в ка­ком-то ином направлении.

Содержание курса построено по принципу от просто­го к сложному таким образом, чтобы школьники не только приобрели новые умения и навыки, но и научи­лись их творчески применять.

35

При этом теоретические занятия целесообразны лишь на первом этапе при формировании группы и оп­ределении интересов и способностей учащихся.

Основными же формами занятий должны стать прак­тические работы учащихся в физической лаборатории и выполнение простых экспериментальных заданий по ин­тересам в домашних условиях. На эти виды работ предпо­лагается выделить не менее 70% учебного времени.

На практических занятиях при выполнении лабора­торных работ учащиеся смогут приобрести навыки пла­нирования физического эксперимента в соответствии с поставленной задачей, научатся выбирать рациональ­ный метод измерений, выполнять эксперимент и обра­батывать его результаты. Выполнение практических и экспериментальных заданий позволит применить при­обретенные навыки в нестандартной обстановке, стать компетентными во многих практических вопросах.

Развитию способностей самостоятельно приобретать знания, критически оценивать полученную информа­цию, излагать свою точку зрения по обсуждаемому вопросу, выслушивать другие мнения и конструктивно обсуждать их помогут семинарские занятия. Каждому участнику семинарского занятия предоставляется воз­можность выступить в роли докладчика или содокладчи­ка, референта или консультанта.

При выполнении лабораторных работ физического практикума, посвященных исследованиям некоторых процессов и явлений в физике, учащиеся могут попро­бовать себя в решении индивидуальных эксперимен­тальных и конструкторских задач, работая настолько са­мостоятельно, насколько они пожелают и смогут. Ре­зультаты исследований представляют на классном или школьном конкурсе творческих работ.

Все виды практических заданий рассчитаны на ис­пользование типового оборудования кабинета физики и могут выполняться в форме лабораторных работ или в качестве индивидуальных экспериментальных заданий по выбору.

Учебное пособие может быть полезным для учащихся при решении задач, встречающихся в повседневной жизни людей, таких как правильное измерение темпера­туры, измерение артериального кровяного давления, проверка исправности электроприборов. Мы хотим по­казать учащимся, что они могут стать компетентными во многих практических вопросах уже сейчас. Предлагае­мые задачи простые, но для их решения необходимо творческое применение знаний.

Элективный курс направлен на воспитание у школь­ников уверенности в своих силах и умение использовать разнообразные приборы и устройства бытовой техники в повседневной жизни, а также на развитие интереса к внимательному рассмотрению привычных явлений, предметов. Желание понять, разобраться в сущности яв­лений, в устройстве вещей, которые служат человеку всю жизнь, неминуемо потребует дополнительных зна­ний, подтолкнет к самообразованию, заставит наблю­дать, думать, читать, изобретать.

Авторы сознательно включили в программу курса из­быточный материал для того, чтобы учитель мог творче­ски отнестись к выбору материала в соответствии с уров­нем подготовленности учащихся и их интересами, нали­чием оборудования в кабинете физики и в соответствии с собственными интересами.

Содержание курса

10(11)
класс

Методы измерения физических величин

(28 ч)

Основные и производные физические величины и их измерения. Единицы и эталоны величин. Абсолютные и относительные погрешности прямых измерений. Изме­рительные приборы, инструменты, меры. Инструмен­тальные погрешности и погрешности отсчета. Классы

36

37

точности приборов. Границы систематических погреш­ностей и способы их оценки. Случайные погрешности измерений и оценка их границ.

Этапы планирования и выполнения эксперимента. Меры предосторожности при проведении эксперимен­та. Учет влияния измерительных приборов на иссле­дуемый процесс. Выбор метода измерений и изме­рительных приборов.

Способы контроля результатов измерений. Запись результатов измерений. Таблицы и графики. Обработка результатов измерений. Обсуждение и представление полученных результатов.

Измерения времени. Методы измерения тепловых величин. Методы измерения электрических величин. Методы измерения магнитных величин. Методы изме­рения световых величин. Методы измерения в атомной и ядерной физике.

Лабораторные работы

1. Измерение длины с помощью масштабной линей­ ки и микрометра.

2. Оценка границ погрешности при измерениях силы тока.

3. Измерение электрического сопротивления с по­ мощью омметра.

4. Исследование полупроводникового диода.

5. Измерение коэффициента трения скольжения.

6. Изучение движения системы связанных тел.

7. Исследование зависимости силы тока от напряже­ ния на концах нити электрической лампы.

8. Исследование зависимости периода колебаний ма­ ятника от его массы, амплитуды колебаний и длины.

9. Измерение времени реакции человека на световой сигнал.

10. Измерение теплоты плавления льда.

11. Измерение электрических величин с помощью цифрового мультиметра.

12. Измерение индукции магнитного поля.

13. Измерение освещенности при помощи фотоэле­ мента.

14. Регистрация ядерных излучений.

Физические измерения в повседневной жизни

(12 ч)

Измерение температуры в быту. Влажность воздуха и способы ее измерения. Исследование работы сердца. Источники электрического напряжения вокруг нас. Бы­товые электроприборы. Бытовые источники света.

Лабораторные работы

15. Исследование зависимости показаний термометра от внешних условий.

16. Измерение влажности воздуха.

17. Измерение артериального кровяного давления.

18. Изучение принципа работы электрической зажи­ галки.

19. Изучение принципа работы лампы дневного света.

Экскурсия в диагностические кабинеты поликлиники или больницы

(2 ч)

Физический практикум

(22 ч)

Лабораторные работы

20. Измерение кинетической энергии тела.

21. Измерение индуктивности катушки.

22. Измерение амплитуды и периода электрических колебаний с помощью электронного осциллографа.

23. Исследование явления термоэлектронной эмиссии.

24. Измерение работы выхода электрона.

25. Исследование свойств лазерного излучения.

26. Исследование линейчатого спектра излучения.

27. Определение периода полураспада естественного радиоактивного изотопа.

38

39

Экспериментальные задания

Изготовление модели газового термометра.

Опыт с радиометром Крукса.

Исследование параметров «черного ящика» на посто­янном токе.

Исследование параметров «черного ящика» на пере­менном токе.

Изготовление модели автомата пожарной сигнализа­ции.

Расчет и испытание модели автоматического устрой­ства для регулирования температуры.

Исследование радиоактивной загрязненности.

Резерв времени

(6 ч)

Аттестация учащихся

Особенностям элективных занятий наиболее соот­ветствует зачетная форма оценки достижений учащихся. Зачет по выполненной лабораторной работе целесооб­разно выставлять по представленному письменному от­чету, в котором кратко описаны условия эксперимента, в систематизированном виде представлены результаты измерений и сделаны выводы.

По результатам выполнения творческих эксперимен­тальных заданий, кроме письменных отчетов, полезно практиковать сообщения на общем занятии группы с де­монстрацией выполненных экспериментов, изготовлен­ных приборов. Для подведения общих итогов занятий всей группы возможно проведение конкурса творческих работ. На этом конкурсе учащиеся смогут не только про­демонстрировать экспериментальную установку в дейст­вии, но и рассказать о ее оригинальности и возможнос­тях. Здесь особенно важно оформить свой доклад графи­ками, таблицами, кратко и эмоционально рассказать о самом главном. На общешкольных конкурсах могут быть представлены, например, работы биологов, хими­ков, литераторов. В этом случае появляется возможность

увидеть и оценить свой труд и себя на фоне других инте­ресных работ и таких же увлеченных людей.

Итоговый зачет ученику по всему элективному курсу можно выставлять, например, по таким критериям: вы­полнение не менее половины лабораторных работ; вы­полнение не менее одного экспериментального задания исследовательского или конструкторского типа; актив­ное участие в подготовке и проведении семинаров, дис­куссий, конкурсов.

Предлагаемые критерии оценки достижений учащих­ся могут служить лишь ориентиром, но не являются обя­зательными. На основе своего опыта учитель может ус­танавливать иные критерии.

Литература

1. Бутырский Г. А., Сауров Ю. А.
Эксперимен­ тальные задачи по физике. 10—11 кл. общеобразоват. уч­ реждений: Кн. для учителя. М.: Просвещение, 1998.

2. Всероссийские олимпиады по физике. 1992—2001 / Под ред. С. М. Козела, В. П. Слободянина. М.: Вербуй — М, 2002.

3. Кабардин О. Ф., Орлов В. А.
Эксперименталь­ ные задания по физике. 9—11 кл.: Учебное пособие для учащихся общеобразовательных учреждений. М.: Вербуй —М, 2001.

4. Физика. Ч. 1. Вселенная / Пер. с англ.; Под ред. А. С. Ахматова. М.: Наука, 1973.

5. Физический практикум для классов с углубленным изучением физики. 10—11 кл. / Ю. И. Дик, О. Ф. Кабар­ дин, В. А. Орлов и др.; Под ред. Ю. И. Дика, О. Ф. Ка- бардина. М.: Просвещение, 2002.

6. Роджерс Эрик.
Физика для любознательных. Т. 1. Материя, движение, сила / Под ред. Л. А. Ариимовича. М: Мир, 1969.

40

Программа элективного курса

«Фундаментальные эксперименты

в физической науке»

{34 н)

Авторы: Н. С. Пурышева,
Н. В. Шаронова, Д. А. Исаев

Пояснительная записка

Данный курс предназначен для учащихся 10— 11 классов общеобразовательных учреждений как гумани­тарного, так и физико-математического профиля. В процессе обучения школьники познакомятся с исто­рией развития физики, становлением и эволюцией фи­зической науки, с биографиями ученых, расширят свои представления об экспериментальном методе познания в физике, роли и месте фундаментального эксперимента в становлении физического знания, взаимосвязи теории и эксперимента, научатся выполнять некоторые фунда­ментальные опыты с использованием физических при­боров, что будет способствовать формированию у них экспериментальных умений. Применение компьютер­ного моделирования позволит учащимся выполнять ис­следования с помощью компьютера, значительно рас­ширив их представления о возможностях и границах компьютерного эксперимента.

Основные задачи курса:
дать представление о цик­ле научного познания, месте эксперимента в нем, соот­ношении теории и эксперимента; роли и месте фунда­ментальных опытов в истории развития физической нау­ки; истории развития физики; научной деятельности ученых и биографиях ученых, а также о роли фундамен­тальных опытов в научно-технологическом прогрессе; научить планировать эксперимент; отбирать приборы

для выполнения эксперимента; выполнять экспери­мент; применять математические методы к решению те­оретических задач; работать со средствами информации (учебной, хрестоматийной, справочной, научно-по­пулярной литературой, программно-педагогическими средствами, средствами дистанционного образования); готовить сообщения и доклады, оформлять и представ­лять их; готовить и представлять эксперимент как натур­ный, так и модельный, использовать технические сред­ства обучения и средства новых информационных тех­нологий; участвовать в дискуссии; сформировать у учащихся научное мировоззрение; способствовать их нравственному и эстетическому воспитанию.

При этом основными формами обучения должны стать семинары, практические занятия по выполнению лабораторных работ и решению задач. Учащиеся само­стоятельно ищут информацию для подготовки докладов и сообщений, готовят эксперимент, подбирают кино- и видеофильмы, диафильмы и слайды, компьютерные программы.

При выполнении лабораторных работ как с реальны­ми физическими приборами, так и с компьютерными моделями организуется исследовательская деятельность по экспериментальному установлению зависимостей между величинами. Учащиеся осуществляют все этапы этой деятельности: от постановки задачи, выдвижения гипотезы или гипотез, планирования эксперимента, вы­бора средств выполнения эксперимента, сборки уста­новки, наблюдений и измерений, фиксации результатов эксперимента до анализа результатов эксперимента и выводов. При этом в зависимости от владения учащими­ся исследовательским методом степень самостоятель­ности при ее осуществлении и характер помощи со сто­роны учителя могут быть различными.

Помимо исследовательского метода целесообразно использование частично-поискового, проблемного из­ложения, а в отдельных случаях информационно-иллю-

42

43

стративного. Последний метод применяется в том слу­чае, когда у учащихся отсутствует база, позволяющая ис­пользовать продуктивные методы.

После изучения курса учащиеся должны:

знать
(на уровне воспроизведения) имена ученых, поставивших изученные фундаментальные опыты, даты их жизни, краткие биографические данные, основные научные достижения;

понимать
роль фундаментальных опытов в разви­тии физики; место фундаментальных опытов в структуре физического знания; цель, схему, результат и значение конкретных изученных фундаментальных опытов;

уметь
выполнять определенные программой иссле­дования с использованием физических приборов и компьютерных моделей; демонстрировать опыты; рабо­тать со средствами информации (осуществлять поиск и отбор информации, конспектировать ее, осуществлять ее реферирование); готовить сообщения и доклады; вы­ступать с сообщениями и докладами; участвовать в дис­куссии; подбирать к докладам и рефератам иллюстра­тивный материал, оформлять сообщения и доклады в письменном виде.

Работу учащихся оценивают с учетом их активности, качества подготовленных докладов и выступлений.

Содержание курса

10(11)
класс

Эксперимент и теория
в естественнонаучном познании

(2 ч)

Цикл естественнонаучного познания. Теоретиче­ский и экспериментальный уровни познания. Теорети­ческие и экспериментальные методы познания, их место в цикле познания, связь между ними.

Роль эксперимента в познании. Виды исторических физических опытов. Фундаментальные опыты по физи­ке, их роль в науке и место в процессе естественнонауч­ного познания.

Фундаментальные опыты
в механике

(4 ч)

Зарождение экспериментального метода в физике. Роль фундаментальных опытов в становлении классиче­ской механики.

Опыты Галилея по изучению движения тел. Мыслен­ный эксперимент Галилея и закон инерции. Открытие Ньютоном закона всемирного тяготения и опыт Кавен-диша. Опыты Гюйгенса по изучению колебательного движения. Эмпирический базис как структурный эле­мент физической теории.

Фундаментальные опыты
в молекулярной физике

(8 ч)

Возникновение атомарной гипотезы строения веще­ства. Опыты Броуна по изучению теплового движения молекул. Опыт Релея по измерению размеров молекул. Опыты Перрена по измерению массы молекул и опреде­лению постоянной Авогадро. Опыт Штерна по измере­нию скорости движения молекул. Экспериментально и теоретически полученное распределение молекул по скоростям. Победа молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Опыты по исследованию свойств газов. Опыты Бой-ля. Опыты Румфорда. Опыты Джоуля по доказательству эквивалентности теплоты и работы.

Фундаментальные опыты как основа научных обоб­щений.

44

45

Фундаментальные опыты в электродинамике

(6 ч)

Опыты Кулона по электростатическому взаимодейст­вию. Опыты Рикке, Иоффе, Милликена, Мандельшта­ма, Папалекси, Толмена, Стюарта, лежащие в основе электронной теории проводимости. Опыты Ома, позво­лившие установить закон постоянного тока. Различие между ролью фундаментальных опытов в науке и в про­цессе изучения основ наук.

Опыты Ампера, Эрстеда и Фарадея по электромагне­тизму. Опыты Герца по излучению и приему электромаг­нитных волн. Фундаментальные опыты как подтвержде­ние следствий теории в структуре физической теории.

Фундаментальные опыты в оптике

(6 ч)

Краткая история развития учения о свете. Опыты, по­служившие основой возникновения волновой теории света. Опыты Ньютона по дисперсии света. Опыты Ньютона по интерференции света. Опыты Юнга. Опыты по поляризации света.

Проблема скорости света в физической науке. Астро­номические наблюдения и лабораторные опыты по из­мерению скорости света.

Фундаментальные опыты в квантовой физике

(6 ч)

Зарождение квантовой теории. Экспериментальное изучение теплового излучения. Опыты Столетова и Гер­ца по изучению явления и законов фотоэффекта. Опыты Лебедева по измерению давления света.

Опыты Резерфорда по зондированию вещества и мо­дель строения атома. Опыты Франка и Герца и модель атома Бора.

Фундаментальные опыты и формирование нового стиля научного мышления.

Демонстрации

Различные виды механического движения.

Свободное падение (трубка Ньютона).

Колебательное движение маятников.

Модель броуновского движения.

Модель опыта Штерна.

Электризация тел.

Взаимодействие электрических зарядов.

Взаимодействие проводников с током (опыт Ампера).

Взаимодействие проводника с током и магнита (опыт Эрстеда).

Явление электромагнитной индукции (опыты Фа­радея).

Дисперсия света.

Опыты по интерференции и дифракции света.

Поляризация света.

Явление фотоэффекта и законы фотоэффекта.

Лабораторные работы

1. Исследование закономерностей броуновского дви­ жения с использованием компьютерной модели.

2. Измерение размеров молекул (опыт Рэлея).

3. Исследование взаимодействия электрических за­ рядов (опыт Кулона) с использованием компьютерной модели.

4. Исследование явления электромагнитной индук­ ции (опыты Фарадея) с использованием физических приборов и компьютерной модели.

5. Измерение скорости света с использованием компьютерного моделирования. Изучение явления дис­ персии (с использованием физических приборов и компьютерного моделирования).

6. Исследование явления интерференции с использо­ ванием компьютерного моделирования.

7. Исследование явления дифракции с использовани­ ем компьютерного моделирования.

8. Исследование явления фотоэффекта с использова­ нием компьютерного моделирования.

46

47

9. Изучение строения атома с использованием компьютерного моделирования опытов Резерфорда. Примерные темы докладов и рефератов

1. Моделирование в физике.

2. Галилей — основоположник экспериментального метода исследования в физике.

3. Фундаментальные опыты и эволюция физической картины мира.

4. Фундаментальные опыты и развитие электродина­ мики.

5. Фундаментальные опыты и развитие взглядов на природу света.

6. Фундаментальные опыты в структуре физической теории.

7. Ньютон и Гук: противостояние гениев.

8. Мифы и реальность из жизни Галилея.

Резерв времени

(2 ч)

Литература

1. Боголюбов А. N.
Механика в истории человечест­ ва. М.: Наука, 1978.

2.
Вавилов С. И.
Исаак Ньютон: 1643—1727. М.: Наука, 1989.

3. Гиндикин С. Г.
Рассказы о физиках и математи­ ках. М.: Наука, 1985.

4. Голин Г. М., Филонович С. Р.
Классики физи­ ческой науки (с древнейших времен до начала XX в.). М.: Высшая школа, 1989.

5. Дягилев Ф. М.
Из истории физики и жизни ее творцов. М.: Просвещение, 1986.

6. Иоффе А. Ф.
О физике и физиках: Статьи, вы­ ступления, письма. Л.: Наука, 1985.

7. Каганов М. И., Френкель В. Я.
Вехи истории физики твердого тела. М.: Знание, 1981.

8. Кляус Е. М.
Поиски и открытия: Т. Юнг, О. Фре­ нель, Дж. К. Максвелл, Г. Герц, П. Н. Лебедев, М. Планк, А. Эйнштейн. М.: Наука, 1986.

9. Кошманов В. В.
Георг Ом. М.: Просвещение,

1980.

10. Погребысская Е. И.
Оптика Ньютона. М.: Нау­ ка, 1981.

11. Собесяк Р.
Шеренга великих физиков. Краков: Наша ксенгарня, 1973.

12. Томилин А. Н.
Мир электричества. М.: Дрофа, 2004.

13. Филонович С. Р.
Кавендиш, Кулон и электроста­ тика. М.: Знание, 1989.

14. Филонович С. Р.
Шарль Кулон. М.: Просвеще­ ние, 1988.

15. Храмов Ю. А.
Физики: Биографический спра­ вочник. М.: Наука, 1983.

16. Хрестоматия по физике / Под ред. Б. И. Спасско­ го. М.: Просвещение, 1982.

17. Чернощекова Т. М.
Абрам Федорович Иоффе. М.: Просвещение, 1983.

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

48

4 Физика 9—11 кл.

Программа элективного курса

«Равновесная и неравновесная

термодинамика»

(35 часов)

Авторы: В. Л. Орлов, Г. Г. Никифоров

Пояснительная записка

Элективный курс разработан для удовлетворения ин­дивидуальных интересов учащихся 10 классов к физике и ее практических приложений на основе углубленного изучения термодинамики.

Основные цели курса:

развитие представлений о физической картине мира на основе знакомства с фундаментальной физической теорией — термодинамикой;

реализация внутрипредметных и межпредметных связей, так как при изучении термодинамики актуализи­руются не только знания из разных разделов физики, но и из других наук: прежде всего химии и биологии;

развитие познавательных интересов, интеллектуаль­ных и творческих способностей на основе ознакомления учащихся с современными достижениями науки и тех­ники, связанными с изучением и применением законов термодинамики, в процессе решения физических задач и самостоятельного приобретения новых знаний, вы­полнения экспериментальных исследований, подготов­ки докладов, рефератов и других творческих работ.

Свое название термодинамика получила от двух гре­ческих слов: «терме» и «динамис». Первое означает «теп­лота», второе — «сила» или «работа». В настоящее время трудно назвать область физики, в которой бы не исполь­зовались методы термодинамики. Как бы сложно ни бы-

ло изучаемое явление, к какой бы отрасли познания оно ни относилось: к любому ли разделу физики — от астро­физики до теплофизики или электроники, к любой ли отрасли химии — от технической химии до сложнейших биохимических процессов — всюду и всегда наиболее важным, существенным, основным будет переход, пре­вращение одного вида энергии в другой вид.

Путем строгих логических заключений, методами ма­тематических выводов термодинамика устанавливает связь между самыми разнообразными свойствами веще­ства, позволяет на основании изучения одних, легко из­меряемых величин, вычислять другие, важные и необхо­димые, но трудно измеримые или даже недоступные не­посредственному измерению. Термодинамика, конечно, может быть по праву отнесена к физическим наукам, но в ней существуют разделы: химическая термодинамика и техническая термодинамика.

Основным методом изложения теоретического мате­риала курса является активный диалог учителя с учащи­мися, предполагающий постановку проблемы с после­дующим обсуждением вариантов ее разрешения. Жела­тельно проводить занятия на сдвоенных уроках.

Использование лекционной формы целесообразно лишь при изучении наиболее сложных теоретических разделов курса. Основной же формой занятий должны стать семинары и экспериментальные исследования, способствующие развитию умений самостоятельно при­обретать знания, критически оценивать полученную ин­формацию, излагать свою точку зрения по обсуждаемо­му вопросу, выслушивать другие мнения и конструктив­но обсуждать их.

Темы предстоящих семинаров целесообразно объяв­лять заранее и предоставлять каждому учащемуся воз­можность выступить с основным сообщением на одном из занятий. Кроме основного докладчика выступает один или несколько содокладчиков или оппонентов, от­стаивающих альтернативную точку зрения. При такой организации семинара становится возможной дискуссия

50

51

по обсуждаемой проблеме, в которой могут принять участие все учащиеся.

Удачными для организации дискуссии могут слу­жить, например, такие темы, как «Два метода изучения свойств вещества. Достоинства и недостатки каждого метода», «Теплоемкости газов в классической и совре­менной физике», «Энтропия — это тень энергии или ца­рица мира?», «Энтропия и информатика, кибернетика и генетика».

Практическое знакомство учащихся с эксперимен­тальным методом изучения природы наиболее продук­тивно в форме проведения самостоятельных экспери­ментальных исследований (как классных, так и домаш­них).

Большое внимание уделяется решению задач по тер­модинамике, поиску необходимой информации в лите­ратуре, Интернете и др.

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 учащихся пред­полагается использовать результаты выступлений на се­минарах, подготовленные доклады и рефераты, выпол­ненные экспериментальные исследования. Решение за­дач в данном курсе не является решающим фактором оценки успешности деятельности школьника. 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.

Содержание курса

10 класс

Два метода изучения свойств вещества: статистический и термодинамический

(2 ч)

Объяснение нагревания газа при быстром сжатии с точки зрения статистического и термодинамического методов. Взаимопроникновение этих методов в молеку­лярной физике.

Тепловое равновесие. Нулевой закон (начало) термодинамики

(2 ч)

Классификации систем макроскопических тел. Обра­тимые и необратимые процессы. Равновесные и нерав­новесные состояния системы. Температура — функция состояния. Тепловое равновесие. Нулевое начало (за­кон) термодинамики.

Исследование

Наблюдение процесса установления термодинамиче­ского равновесия. Оборудование:
калориметр, термо­метр, небольшой сосуд с теплой водой.

Закон сохранения энергии — основа термодинамического метода

(2 ч)

Модели в термодинамике. Открытие закона сохране­ния энергии Гельмгольцем, Джоулем и Майером. Урав­нение теплового баланса.

Исследование

Построение графика зависимости температуры воды от времени при ее нагревании электрическим нагревате­лем известной мощности. Оценка удельной теплоемкос-

52

53

ти воды. Оборудование:
измерительный цилиндр с водой, калориметр, термометр, часы, источник тока, электрический нагреватель (спираль).

Первый закон (начало) термодинамики

(6 ч)

Внутренняя энергия — функция состояния системы. Способы изменения внутренней энергии. Работа в тер­модинамике. Первый закон термодинамики. Примене­ние первого начала термодинамики к изотермическому, изохорному, изобарному, адиабатному процессам.

Исследования

1. Построение графика зависимости давления газа от объема в квазистатическом процессе и измерение рабо­ ты газа. Оборудование:
лабораторный прибор для изу­ чения газовых законов, состоящий из цилиндра с порш­ нем и манометра, барометр.

2. Сравнение изотермического и адиабатного сжатий газа. Оборудование:
прибор для исследования газовых законов.

Проблема теплоемкости

(4 ч)

Молярная теплоемкость. Теплоемкость при постоян­ном объеме и постоянном давлении. Теорема Майера. Классический закон равнораспределения энергии по степеням свободы и границы его применимости. Закон Дюлонга — Пти.

Исследования

1.
Измерение удельной теплоты плавления льда. Оборудование:
калориметр, термометр, цилиндр из­ мерительный, сосуд с теплой водой, сосуд с тающим льдом.

2. Экспериментальная проверка закона Дюлонга — Пти. Оборудование:
калориметр, термометр, тела из алюминия, стали, меди, сосуд с горячей водой (один на класс).

Исследование (домашнее)

Измерение удельной теплоемкости зерен кофе. Обо­рудование:
кофемолка, кофе в зернах, весы, часы.

Второй закон (начало) термодинамики

(4 ч)

Особенности внутренней энергии. Свободная энер­гия. Поверхностное натяжение и свободная энергия. Статистическая интерпретация второго закона термоди­намики.

Исследования

1. Оценка свободной энергии поверхностного слоя жидкости. Оборудование:
весы, гири, проволока П-об- разная, чашка с песком, сосуд с водой.

2. Изучение самопроизвольного перехода из упорядо­ ченного состояния к беспорядочному. Оборудование:
коробок со спичками.

3. Изучение самопроизвольного перехода из упорядо­ ченного состояния к беспорядочному. Оборудование:
пробирка, 10 шариков.

Третий закон (начало) термодинамики. Второй закон термодинамики
и тепловая смерть Вселенной

(4 ч)

Применение второго начала для анализа некоторых термодинамических процессов. Энтропия — мера не­упорядоченности системы. Механизмы понижения энт­ропии.

Исследование

Оценка изменения энтропии при изотермическом сжатии. Оборудование:
сосуд со льдом, термометр, часы.

54

55

Тепловые машины

(4 ч)

Тепловые машины: тепловой двигатель, холодильные установки, тепловой насос. Тепловой двигатель и второе начало термодинамики. КПД теплового двигателя. Фор­мула Карно. Проблемы энергетики и охрана окружаю­щей среды.

Исследование (домашнее)

Измерение холодильного коэффициента бытового холодильника. Оборудование:
холодильник компрес­сионный, полиэтиленовые мешочки, термометр, часы.

Элементы неравновесной термодинамики

(7 ч)

Самоорганизация открытых систем. Периодические процессы в неравновесных системах. Бифуркации и ат­тракторы. Энтропия и информация. Энтропия, кибер­нетика и генетика.

Исследование

Наблюдение процесса роста кристаллов из раствора. Оборудование:
микроскоп школьный, насыщенные растворы хлорида натрия, хлорида аммония, гипосуль­фита, предметные стекла, стеклянные палочки.

Литература

1. Алексеев Г. Н.
Энергия и энтропия. М.: Знание, 1978.

2. Алексеев Г. Н.
Энерго-энтропика. М.: Знание, 1983.

Программа элективного курса «Оптика»

(34 часа)

Авторы: В. А. Алешкевич, Н. С. Пурышева

Пояснительная записка

Элективный курс адресован учащимся 11 класса фи­зико-математического, физико-химического, инженер­но-технологического и подобных профилей, федераль­ный компонент базисного учебного плана которых включает 5 часов физики в неделю. Он рассчитан на 34 учебных часа (2 часа в неделю в течение полугодия) и проводится за счет часов школьного компонента учеб­ного плана. Наиболее целесообразно его изучение во втором полугодии 11 класса после того, как знания по оптике сформированы у учащихся в рамках базового курса физики.

Цели курса:

углубление знаний учащихся в области волновой и геометрической оптики, расширение представлений о квантовых свойствах света, знакомство с современными достижениями оптики, оптической техникой и ее при­менениями.

Основные задачи курса:

дать представления об истории развития учения о свете; о законах геометрической оптики, основных принципах работы оптических систем, формирующих изображение; о волновых свойствах света, их проявле­нии при распространении света в средах и оптических устройствах; о квантовых свойствах света и их проявле­нии при излучении и поглощении света;

научить: осуществлять поисковую деятельность при решении теоретических задач: формулировать задачу,

57

строить адекватную модель, применять математические методы к ее решению; анализировать полученный результат и границы применимости использованной модели;

выполнять экспериментальные исследования: само­стоятельно формулировать задачу, выбирать метод ис­следования, планировать эксперимент, отбирать прибо­ры для его выполнения, осуществлять эксперимент, ана­лизировать его результаты и погрешности измерений;

работать с доступными средствами информации (пе­чатными и электронными);

готовить сообщения и доклады, оформлять и пред­ставлять их с использованием современных технических средств и информационных технологий;

работать в группе при выполнении эксперимента, подготовке докладов и сообщений, разработке проектов, участвовать в дискуссиях;

сформировать представления о значении результатов исследований и новейших достижений в оптике для на­учно-технического прогресса;

развить способности и интересы учащихся и их учеб­ную мотивацию.

Содержание курса согласовано с государственными стандартами общего среднего образования и примерны­ми программами по физике для профильного уровня. Кроме того, при его определении учитывалось содержа­ние материала по оптике, представленное в различных учебно-методических комплектах, рекомендованных к использованию учащимися, изучающими физику на профильном уровне.

Курс включает введение и три раздела: «Волновая оп­тика», «Геометрическая оптика» и «Квантовые свойства света». Каждый раздел содержит теоретический и при­кладной материал, перечни демонстраций и лаборатор­ных работ. Хотя формально некоторые дидактические единицы, включенные в программу элективного курса, совпадают с дидактическими единицами в программах базовых курсов физики для основной и старшей школы,

содержание материала и логика его изложения сущест­венно отличаются от базовых курсов. Курс завершается проведением обобщающих занятий методологического характера.

При проведении занятий целесообразно использо­вать различные формы организации учебной деятель­ности. Теоретический материал излагают на лекциях; на семинарских занятиях обсуждаются теоретические про­блемы, заслушиваются и обсуждаются доклады и сооб­щения учащихся. На практических занятиях учащиеся решают задачи и выполняют экспериментальные иссле­дования. Существенная роль отводится самостоятель­ной работе учащихся при изучении материала, решении задач и т. п., а также при подготовке докладов и сообще­ний, написании рефератов.

Основными методами обучения являются частично поисковый и исследовательский. В то же время при изучении теоретического материала используются ин­формационно-иллюстративный метод и проблемное из­ложение.

В зависимости от оснащения кабинета физики лабо­раторные работы можно проводить в виде фронтального эксперимента либо физического практикума. Лабора­торные работы носят в основном исследовательский ха­рактер и выполняются с использованием типового обо­рудования школьного физического кабинета и компью­терных программно-педагогических средств.

Решение задач может сопровождать изучение теоре­тического материала, а может быть организовано в кон­це рассмотрения каждого раздела программы в виде практикума по решению задач. Возможно и сочетание этих двух организационных форм.

58

59

Содержание курса

11 класс

Введение

(4 ч)

История развития учения о свете. Эксперименталь­ное определение скорости света. Опыты по обнаруже­нию эфира. Инвариантность скорости света.

Волновая оптика

(10 ч)

Электромагнитная природа света. Видимая, инфра­красная и ультрафиолетовая области спектра.

Интерференция света. Когерентность. Интерферо­метры и их применение.

Дифракция света. Принцип Гюйгенса — Френеля. Распространение волновых пучков. Приближение гео­метрической оптики. Построение Гюйгенса.

Дифракционная решетка. Основные типы решеток, их характеристики.

Спектральные приборы с пространственным разло­жением спектра; их применение. Распространение света в среде. Дисперсия света. Распространение коротких световых импульсов в диспергирующих средах.

Поглощение света. Цвета тел.

Геометрическая оптика

(10 ч)

Отражение света. Закон отражения света. Плоское и сферическое зеркала. Построение изображений в плоском и сферическом зеркалах. Правило знаков в геометрической оптике. Применение сферических зер­кал.

Преломление света. Закон преломления света. Тон­кая линза. Построение изображений, получаемых с по-

мощью тонкой линзы. Оптическая сила тонкой линзы. Формула тонкой линзы.

Оптические приборы, формирующие изображение: фотоаппарат, проекционный аппарат, лупа, микроскоп, телескоп. Разрешающая способность оптических прибо­ров. Электронный микроскоп.

Полное внутреннее отражение. Призмы. Волоконные световоды и их применение.

Оптические явления: миражи, радуга.

Квантовые свойства света

(8 ч)

Фотон. Постулаты Бора. Опыты Франка и Герца.

Тепловое излучение. Формула Планка. Законы теп­лового излучения.

Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Усиление света. Лазеры.

Источники света и их характеристики.

Глаз как оптическая система. Спектральная чувстви­тельность глаза.

Обобщающие занятия

(2 ч)

Корпускулярно-волновой дуализм свойств света и принцип дополнительности. Геометрическая оптика — предельный случай волновой оптики, границы приме­нимости геометрической оптики. Принцип соответст­вия.

Демонстрации

Компьютерная модель опыта Майкельсона по изме­рению скорости света («Открытая физика»).

Обнаружение и свойства инфракрасного излучения.

Обнаружение и свойства ультрафиолетового излу­чения.

Интерференция в тонких пленках.

Кольца Ньютона.

60

61

Получение интерференционной картины с помощью бипризмы Френеля.

Компьютерные модели экспериментов по интерфе­ренции («Открытая физика», «Живая физика»).

Дифракция света на щели.

Дифракция света на нити.

Дифракция света на дифракционной решетке.

Компьютерные модели экспериментов по дифракции («Открытая физика», «Живая физика»).

Дисперсия света.

Закон отражения света.

Изображения, получаемые с помощью плоского и сферического зеркал.

Закон преломления света.

Изображения, получаемые с помощью тонкой линзы.

Полное внутреннее отражение света.

Компьютерные модели оптических приборов («Жи­вая физика»).

Распределение энергии в спектре.

Законы фотоэффекта.

Лабораторные работы

1. Компьютерный эксперимент по изучению интер­ ференции света («Открытая физика»).

2. Компьютерный эксперимент по изучению дифрак­ ции света («Открытая физика»).

3. Изучение спектров испускания и поглощения.

4. Исследование изображения, получаемого с по­ мощью сферического зеркала.

5. Исследование изображения, получаемого с по­ мощью тонкой линзы.

6. Сборка моделей микроскопа и телескопа.

7. Исследование явления фотоэффекта («Открытая физика»).

Примерные темы рефератов

1. Исследования Ньютона в области оптики.

2. Применение ультрафиолетового излучения в меди­ цине.

3. Применение волоконных световодов.

4. Исследования явления фотоэффекта А. Г. Столето­ вым и Г. Герцем.

5. Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс — лауреаты Нобелевской премии 1964 г. за исследования в области квантовой электроники.

6. Д. Габор — лауреат Нобелевской премии 1971 г. за создание голографии.

Аттестация учащихся

Важной в методическом плане является оценка ре­зультатов работы учащихся. Очевидно, полезно ввести накопительную систему оценки их достижений. В соот­ветствии с требованиями к подготовке учащихся можно предложить следующую схему аттестации.

Вид деятельности	Уровни и критерии	Баллы
Решение физических задач	Умение решать качественные, графические, вычислитель­ные задачи с применением изученных законов
Объяснение работы технических устройств	Умение объяснять принципы работы оптических приборов и технологий, основанных на законах оптики
Выполнение исследований с использованием физических приборов	Умение формулировать цель исследования, его гипотезу, планировать эксперимент, оценить полученные резуль­таты, делать выводы
Выполнение исследований с использованием программно-педа­гогических средств	Умение формулировать цель исследования, его гипотезу, планировать эксперимент, оценить полученные резуль­таты, делать выводы
Демонстрация опытов	Умение формулировать цель демонстрации, подобрать приборы, выделить демонст­рируемое явление, объяснить результат

62

63

Продолжение таблицы

Вид деятельности	Уровни и критерии	Баллы
Поиск и отбор информации	Привлечение различных ис­точников информации, соот­ветствие отобранной инфор­мации теме доклада или сооб­щения
Конспектирова­ние информации и подготовка рефератов	Умение выделить основное в отобранной информации и изложить в письменной фор­ме
Подготовка сообщений и докладов в письменном виде	Умение структурировать ин­ формацию, представлять ее в логической последователь­ности, подбирать и представ­лять иллюстративный матери­ал
Выступление с сообщениями и докладами	Умение структурировать ин­формацию, представлять ее в логической последователь­ности, четко и кратко изла­гать мысли, иллюстрировать рисунками, схемами, делать компьютерную презентацию
Участие в дискуссиях	Умение задавать вопросы, от­вечать на вопросы, высказы­вать и обосновывать свою точку зрения

Программа элективного курса

«Исследование ультразвука

низкой частоты»

{32 часа)

Авторы: В. В. Майер,
Е. И. Вараксина

Пояснительная записка

Элективный курс предназначен для учащихся 10 классов и обеспечивает теоретическое и эксперимен­тальное изучение способов получения, физических свойств и практического применения ультразвука ни­зкой частоты, непосредственно примыкающего к верх­ней границе слышимого диапазона. Он расширит зна­ния учащихся об упругих волнах и познакомит с обшир­ной областью современной физической науки и ее приложениями, поможет развитию исследовательских умений учащихся, овладению ими основами метода на­учного познания.

Ультразвуковые волны являются частным случаем упругих волн и имеют свойства как общие для всех упру­гих волн, так и специфические, проявляющиеся только в ультразвуковом диапазоне. Ультразвук лишь вскользь упоминается в школьном курсе физики, хотя нередко встречается в природе, широко используется в науке и технике. Поэтому получение учащимися достаточно полных представлений об основных явлениях ультра­акустики в диапазоне, непосредственно примыкающем к звуковому, обеспечивает тесную связь с материалом школьного курса и приближает их к переднему краю науки, способствует формированию целостной естест­веннонаучной картины мира, политехническому воспи­танию, дальнейшей профориентации.

65

Изучение основ ультраакустики повысит эффектив­ность формирования фундаментальных понятий темы «Колебания и волны», будет способствовать развитию исследовательских умений учащихся, подготовит их к поступлению в высшие учебные заведения.

Оборудование для учебного эксперимента с ультра­звуком низкой частоты отличается простотой и доступ­ностью, поэтому может быть изготовлено самими уча­щимися под руководством учителя. Это оборудование позволяет выполнять учителю демонстрационные экс­перименты, а учащимся проводить учебные экспери­ментальные исследования.

Основные цели курса:

расширить естественнонаучные представления уча­щихся, познакомив их с явлениями, имеющими боль­шое научное и прикладное значение;

на основе рассмотрения явлений ультраакустики углубить знания и развить умения по всем разделам школьного курса физики;

способствовать развитию творческих способностей, интереса к физике, формированию мировоззрения, ус­воению сущности метода научного познания природы.

Основные задачи:

обучающие:
обобщение, систематизация, углубле­ние знаний о колебаниях и волнах; формирование пред­ставлений о способах получения ультразвука различной частоты, его свойствах, применении; углубление знаний по всем разделам школьного курса физики (механика, молекулярная физика, электродинамика, оптика, кван­товая физика); формирование умения комплексного применения знаний при решении учебных теоретиче­ских и экспериментальных задач;

развивающие:
развитие специальных умений уча­щихся (экспериментальных, практических и т. д.); раз­витие общеучебных умений: самостоятельной работы, использования источников информации; организаци­онных: планирования, самоконтроля; развитие общело­гических умений: способностей к абстрагированию, ин-

дукции, дедукции; развитие мышления: критичности, самостоятельности и т. д.; формирование интереса к предмету; развитие творческих способностей, конструк­торских, исследовательских умений;

воспитательные:
расширение кругозора; воспита­ние самостоятельности; развитие аккуратности, воли, внимания; развитие мировоззрения; политехническое воспитание.

После изучения курса учащиеся должны:

знать
основные понятия волнового движения; ульт­раакустические явления в природе; способы получения ультразвука; физические свойства ультразвуковых волн; учебные теории явлений ультраакустики; практическое применение ультразвука;

уметь
выполнять учебные исследования явлений ультраакустики в соответствии с циклом научного по­знания; объяснять явления, происходящие при распро­странении ультразвуковых волн; решать физические за­дачи, связанные с колебательными и волновыми явле­ниями разной природы.

Рекомендуемые формы обучения:
рассказ, беседа, учебная дискуссия, работа с книгой, демонстрация, ла­бораторный и практический методы. Возможны школь­ные и внешкольные организационные формы обучения: домашняя самостоятельная работа, кружковые занятия, самостоятельные учебные исследования.

На занятиях в школе и для самостоятельной работы используют физические приборы, дидактические мате­риалы (описания приборов, технологии изготовления, инструкции к лабораторным экспериментам, теоретиче­ские и экспериментальные задачи, задания для органи­зации учебных исследований; научную, научно-попу­лярную и учебную литературу).

66

67

Содержание курса

10 класс

Курс состоит из 16 занятий по два часа и условно мо­жет быть разделен на четыре части: введение, получение ультразвука, физические свойства ультразвука и приме­нение ультразвука. В каждой изучаемой теме выделены учебная физическая теория, учебный физический экспе­римент и методика их применения в учебном процессе, ориентированная на организацию учебных исследова­ний школьников.

Звуковые и ультразвуковые волны в природе,
науке, технике, медицине, технологии

(2 ч)

Формирование общих представлений о целях, зада­чах, содержании и методике изучения элективного курса.

Упругие волны и их основные характеристики

(2 ч)

Введение и обоснование понятий: уравнение волны, элонгация, амплитуда, частота, период, длина волны, волновое число, фазовая скорость. Формирование по­нятий: энергия, плотность энергии, интенсивность, акустическое сопротивление, звуковое давление, звуко­вое поле, волна смещений, волна скоростей, волна давлений.

Способы получения ультразвука

(2 ч)

Механические, термические, электродинамические, пьезоэлектрические, магнитострикционные и другие из­лучатели ультразвука. Сравнение их между собой и с из­лучателями звука.

Магнитострикционныи излучатель ультразвука

(2 ч)

Прямой и обратный магнитострикционныи эффект, четность магнитострикционрого эффекта, конструкция и принцип действия учебного магнитострикционного излучателя ультразвука низкой частоты.

Ультразвуковой генератор низкой частоты

(2 ч)

Понятия: автоколебательная система, колебатель­ный контур, положительная и отрицательная обратная связь, переменная индуктивность, резонанс, биполяр­ный транзистор, усилитель мощности. Принципиальная схема и конструкция ультразвукового генератора низкой частоты, выполненного на двух транзисторах.

Исследование ультразвукового генератора

(2 ч)

Определение диапазона рабочих частот генератора, диапазона выходных напряжений, оценка выходной мощности генератора, снятие осциллограммы напряже­ний в разных точках схемы, настройка генератора в ре­зонанс с магнитострикционным излучателем. Проверка и настройка генераторов, изготовленных учащимися.

Резонансное возбуждение магнитострикционного излучателя

(2 ч)

Понятия: стоячая волна в стержне; узлы и пучности смещений и давлений в стоячей волне; скорость про­дольной волны в стержне. Настройка генератора в резо­нанс с вибратором излучателя. Исследование стоячей ультразвуковой волны в вибраторе. Зависимость коэф­фициентов отражения и пропускания и. акустических сопротивлений граничащих сред.

68

69

Исследование колебаний вибратора магнитострикционного излучателя

(2 ч)

Способы определения амплитуды колебаний вибра­тора магнитострикционного излучателя. Оценка ампли­туды по высоте подскока стального шарика на вибрато­ре. Проверка и настройка изготовленных учащимися магнитострикционных излучателей в совместной работе с генераторами.

Магнитострикционный излучатель в качестве источника ультразвуковой волны

(2 ч)

Волны, возбуждаемые вибратором магнитострикци­онного излучателя в тонких упругих пластинках. Ви­зуализирование бегущей волны методом сложения с опорной волной с использованием легкого сыпучего порошка. Частота, длина и фазовая скорость волны. По­нятие волновой поверхности или поверхности равной фазы.

Исследование явления интерференции ультразвука

(2 ч)

Интерференционное распределение интенсивности ультразвука, получаемое возбуждением в тонкой упру­гой пластинке двух когерентных волн. Исследование ин­терференции ультразвуковых волн от реального источ­ника и его мнимого изображения в крае пластинки.

Исследование изгибных волн в пластинках

(2 ч)

Получение фигуры Хладни. Определение скорости изгибной волны. Изучение дисперсии изгибных волн.

Исследование ультразвуковых волн методом Кундта

(2 ч)

Метод Кундта визуализации стоячей ультразвуковой волны в воздухе. Исследование движения частиц в ульт­развуковом поле. Изучение поведения жидкости в стоя­чей ультразвуковой волне. Измерение скорости звука в газах.

Ультраакустические эффекты второго порядка

(2 ч)

Ультразвуковой ветер, силы, действующие на тела в ультразвуковом поле, радиационное давление ультразву­ка; ориентирующее действие ультразвука.

Стоячая ультразвуковая волна в жидкости

(2 ч)

Методы визуализации стоячей ультразвуковой волны в жидкости. Ультразвуковой интерферометр.

Ультразвуковая кавитация

(2 ч)

Ультразвуковая кавитация в жидкостях. Звукокапил-лярный эффект, сонолюминесценция. Практическое применение ультразвуковой кавитации для диспергиро­вания, эмульгирования, очистки, пайки.

Практическое применение ультразвука

(2 ч)

Возможности практического применения ультразву­ка для образования горючей смеси, сварки, обработки твердых и хрупких материалов, прецизионного переме­щения предметов, в движителях и т. д.

70

71

Демонстрации

Введение основных характеристик упругой волны.

Обратный магнитострикционный эффект.

Прямой магнитострикционный эффект.

Резонансное возбуждение вибратора.

Визуализация бегущей волны на тонком упругом листе.

Явление интерференции упругих волн в тонкой плас­тинке.

Фигуры Хладни.

Ориентирующее действие ультразвука на взвешенные в жидкости чешуйки.

Ультразвуковой ветер.

Стоячая ультразвуковая волна в воздухе.

Интерференция ультразвуковых волн в жидкости.

Модель ультразвукового интерферометра.

Стоячая волна в волноводе.

Образование кавитационных пузырей.

Звукокапиллярный эффект.

Сонолюминесценция.

Диспергирующее действие ультразвука.

Получение эмульсий и суспензий.

Ультразвуковая очистка.

Сверление стекла при помощи ультразвука.

Лабораторные работы

1. Изготовление магнитострикционного излучателя ультразвука. Проверка работоспособности излучателя с промышленным генератором ультразвуковой частоты.

2. Изготовление ультразвукового генератора низкой частоты. Налаживание генератора, определение пара­ метров.

3. Изучение генератора и излучателя ультразвука: на­ стройка в резонанс; наблюдение поведения легкого ме­ таллического предмета на торце вибратора при настрой­ ке в резонанс; распыление капли жидкости; другие спо­ собы обнаружения колебаний вибратора.

4. Изучение явлений, способствующих излучению ультразвука магнитострикционным излучателем: опре-

деление скорости ультразвука в феррите; определение собственной частоты излучателя; условия возникнове­ния стоячей волны в вибраторе; подмагничивание виб­ратора; определение расположения пучностей и узлов в стержне; изменение коэффициента отражения у торца вибратора; исследование зависимости частоты звука, получаемого при помощи стеклянной трубки, от длины трубки. Изучение зависимости коэффициентов отраже­ния и пропускания от акустических сопротивлений гра­ничащих сред.

5. Исследование волн в тонкой упругой пластинке: визуализация бегущей волны, наблюдение отражения, дифракции, интерференции, определение разности хо­ да, длины и скорости изгибной волны. Изучение фигур Хладни; исследование явления дисперсии.

6. Исследование ориентирующего действия ультра­ звука, коагуляции сферических частиц в ультразвуковом поле, методов визуализации ультразвуковой волны в жидкости.

7. Изучение практического применения ультразвука в технике, медицине, технологии.

Литература

1. Баулин И.
За барьером слышимости. М.: Знание, 1971.

2.
Буров В. А., Зворыкин Б. С, Кузьмин А. П.,
Покровский А. А., Румянцев И. М.
Демонстрацион­ ный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. 1. Механика, теплота / Под ред. А. А. Покров­ ского. М.: Просвещение, 1971.

3. Клюкин И. И.
Удивительный мир звука. Л.: Судо­ строение, 1986.

4. Красилъников В. А.
Звуковые и ультразвуковые волны в воздухе, воде и твердых телах. М.: Физматгиз, 1960.

5. Майер В. В.
Простые опыты с ультразвуком. М.: Наука, 1978.

72

73

6. Майер В. В.
Кумулятивный эффект в простых опытах. М.: Наука, 1989.

7. Маркосова Н. М.
Изучение ультразвука в курсе физики средней школы: Пособие для учителей /Под ред. В. Ф. Ноздрева. М.: Просвещение, 1982.

8. Рыдник В. И.
О современной акустике: Кн. для внеклассного чтения. VIII—X кл. М.: Просвещение, 1979.

9. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / Глав. ред. И. П. Голямина. М.: Советская энциклопедия, 1979.

10. Хорбенко И. Г.
В мире неслышимых звуков. М.: Машиностроение, 1971.

11. Хорбенко И. Г.
Звук. Ультразвук. Инфразвук. М.: Знание, 1986.

Программа элективного курса

«Плазма - четвертое состояние

вещества»

(35 часов)

Авторы: В. Л. Орлов,
С. В. Дорожкин

Пояснительная записка

Данный курс предназначен для учащихся 10—11 классов общеобразовательных средних школ естествен­нонаучного или естественно-математического профиля и изучается во втором полугодии 10 класса или в первом полугодии 11 класса.

Основные задачи курса:

развитие представлений школьников о физической картине мира на основе знакомства с четвертым состо­янием вещества;

расширение, углубление и обобщение знаний о стро­ении вещества;

реализация внутри предметных и межпредметных связей, так как при изучении плазменного состояния ве­щества актуализируются не только знания из разных разделов физики, но и из других наук, прежде всего хи­мии и астрономии;

развитие познавательных интересов, интеллектуаль­ных и творческих способностей на основе ознакомления учащихся с современными достижениями науки и тех­ники, связанными с изучением и применением плазмы, в процессе решения физических задач и самостоятель­ного приобретения новых знаний, выполнения экспери­ментальных исследований, подготовки докладов, рефе­ратов и других творческих работ.

75

Учебный материал по физике плазмы имеет огромное познавательное и мировоззренческое значение, а также большой практический интерес. На этом материале ре­шаются такие педагогические проблемы, как создание политехнической направленности школьного курса фи­зики, формирование естественнонаучной картины ми­ра, развитие познавательной активности и самостоя­тельности школьников.

В основном курсе физики изучить на достаточном уровне эти вопросы не представляется возможным из-за недостатка времени. Поэтому элективный курс является хорошей возможностью дополнить знания учащихся о четвертом состоянии вещества — плазме и сформиро­вать у них более полное представление о физической картине мира.

Важной задачей данного элективного курса наряду с углублением понятия о строении вещества является формирование у школьников умений находить сведения по избранной теме в книгах, журналах и электронных источниках информации, готовить рефераты, выступать с докладами, проводить экспериментальные исследова­ния, анализировать полученные результаты и формули­ровать выводы.

Основным методом изложения теоретического мате­риала курса является активный диалог учителя с учащи­мися, предполагающий постановку проблемы с после­дующим обсуждением вариантов ее разрешения. Прак­тика показывает эффективность совмещения лекции и диалога при работе с небольшой группой учащихся.

Лекционно-семпнарские занятия следует сопровож­дать демонстрациями, обсуждением докладов и рефе­ратов, подготовленными школьниками, выполнением творческих исследовательских и конструкторских зада­ний, просмотром кино- и видеофильмов.

Использование лекционных занятий целесообразно лишь при изучении наиболее важных в теоретическом отношении разделов курса. Поэтому основными форма­ми занятий должны стать семи нары и эксперименталь-

ные исследования. Они способствуют развитию умений самостоятельно приобретать знания, критически оцени­вать полученную информацию, излагать свою точку зре­ния по обсуждаемому вопросу, выслушивать другие мне­ния и конструктивно обсуждать их.

Темы предстоящих семинаров целесообразно объяв­лять заранее и предоставлять каждому учащемуся воз­можность выступить с основным сообщением на одном из занятий. Желательно, чтобы кроме основного доклад­чика выступали другие содокладчики или оппоненты, отстаивающие альтернативную точку зрения. При такой организации семинара в дискуссии по обсуждаемой про­блеме могут принять участие все учащиеся.

Удачными для организации дискуссии могут слу­жить, например, такие темы, как «Движение заряжен­ных частиц в электрическом и магнитном полях», «Электрические разряды в газах», «Космическая плаз­ма», «Полярные сияния», «Солнечный ветер», «Плаз­менный магнитогидродинамический генератор», «Уп­равляемый термоядерный синтез», «Холодный термо­ядерный синтез — «за» и «против» и др.

Практическое знакомство учащихся с эксперимен­тальным методом изучения природы наиболее продук­тивно в форме небольших самостоятельных наблюде­ний, опытов и исследований. Исследовательские и кон­структорские задания можно предлагать в качестве индивидуальных или групповых работ для двух-трех уча­щихся по их выбору для выполнения в течение несколь­ких занятий.

Предполагается использование активных методов изучения материала: выполнение лабораторных работ физического практикума, решения задач по каждой те­ме, использование метода проектов с применением иг­ровых элементов, поиск необходимой информации в ли­тературе, Интернете и др.

76

77

Содержание курса

10(11)
класс

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

11 класс

Понятие о нанообъектах и наноматериалах

(6 ч)

Наноструктуры — объекты, промежуточные между молекулами и макроскопическими телами. Примеры природных и синтезированных наноструктур (ДНК, частицы природных глин, фуллерены, магнитные клас­теры и др.). Особенности физических свойств нано­структур, связанные с их размерами (размерный эф­фект). Роль поверхности. Проявления квантовых эф­фектов. Новая парадигма получения материалов сборкой «снизу вверх».

Нанотехнология — основа техники будущего. Перс­пективы создания и использования материалов, систем и устройств со структурой в наномасштабе. Понятие о процессах самоорганизации и их роль (самосборка) в формировании наноструктур. Концепция Дрекслера: нанороботы и их самовоспроизводство.

Экспериментальные методы —
«глаза» и «пальцы» нанотехнологии

(8 ч)

Туннельный эффект и принцип работы сканирующе­го туннельного микроскопа (СТМ). История создания СГМ. Устройство СТМ. Примеры их применения.

Атомный силовой микроскоп (АСМ). Принцип рабо­ты, устройство, режимы работы. Определение методом АСМ структуры природных и искусственных нанообъ-ектов. Манипулирование с помощью АСМ отдельными атомами.

Магнитный силовой микроскоп и его возможности. Оптический микроскоп ближнего поля, преодоление дифракционного предела. Оптический и магнитный пинцеты.

Фуллерены и нанотрубки

(8 ч)

История открытия фуллеренов. Строение и особен­ности электронной структуры. Углеродные нанотрубки. Фуллерены и углеродные нанотрубки — новая аллотроп­ная форма углерода. Методы получения углеродных на-нотрубок.

Зависимость электрических свойств углеродных на-нотрубок от их строения. Использование углеродных на-нотрубок в наноэлектронике (гетеропереход, дисплей и пр.). Сверхпроводимость нанотрубок.

Теоретическая прочность твердых тел и высокопроч­ные материалы. Прочность углеродных нанотрубок, перспективы использования их механических свойств.

Неуглеродные нанотрубки, особенности их структу­ры и свойств. Наноконтейнеры на базе фуллеренов и на­нотрубок. Перспективы их использования в биологии и медицине. Многослойные нанотрубки.

Применение нанотрубок в качестве весов, кантилеве-ров и пр.

Магнитные кластеры
и магнитные наноструктуры

(8 ч)

Магнитные кластеры на основе железа и марганца, особенности их магнитных свойств («мезоскопические магниты»). Магнитные кластеры и запоминающие уст­ройства с высокой плотностью записи информации.

Суперпарамагнетизм. Явление туннелирования маг­нитного момента в ферромагнитных наночастицах. На-номатериалы с эффектом гигантского магнитного со­противления (магнитные мультислои), их использова­ние для записи и чтения информации. Использова­ние магнитных кластеров, изолированных внутри на­нотрубок.

Применение магнитных нанокластеров в медицине.

90

91

Наномембраны и вторичные структуры на их основе. Нанопроволоки

(4 ч)

Использование ускоренных ионов для получения трековых полимерных наномембран; применения нано-мембран.

Получение с помощью электролиза вторичных струк­тур — нанопроволок. Магнитное сопротивление в на-нопроволоках и наномостиках. Нанопроволоки (нано-нити) на основе дрожжевых белков.

Квантовые точки, полупроводниковые сверхрешетки

(6 ч)

Самосборка германиевых «пирамид». Квантовые компьютеры, кубиты. Полупроводниковые сверхрешет­ки — новый тип полупроводников. Композиционные и легированные сверхрешетки, их использование. Отри­цательное электросопротивление.

Фотонные кристаллы — оптические сверхрешетки

(8 ч)

Дифракционная решетка как одномерная фотонная структура. Качественное представление о дифракции на двумерной и трехмерной фотонной структуре. «Зонная теория» для фотонов: фотонные проводники, изолято­ры, полупроводники и сверхпроводники.

Перспективы применения фотонных кристаллов для построения лазеров нового типа, оптических интеграль­ных схем, хранения и передачи информации. История создания и исследования фотонных кристаллов. Клас­терная сверхрешетка опала.

Применение драгоценных камней в квантовых опти­ческих технологиях XX—XXI
вв.

Консолидированные наноструктуры

(6 ч)

Наночастицы и кластеры металлов. Магические чис­ла. Понятие о фрактальной размерности. Металл-поли­мерные нанокомпозиты, наноструктурные твердые сплавы, наноструктурные защитные покрытия и пр.

Нанотехнология в биологии и медицине

(10 ч)

Использование сканирующей микроскопии для ис­следования микроскопических структур и процессов в биологических системах. Нанороботы в организме че­ловека. Наноактюаторы (наномоторы), использующие биологические наноструктуры. Тканевая инженерия (создание биологических тканей). Нанотехнология изго­товления ДНК-чипов и расшифровка геномов человека и растений. Нанотехнология и охрана окружающей сре­ды (наноструктуры с иерархической самосборкой для адсорбции атомов тяжелых металлов, нанопористые ма­териалы для очистки воды, наносенсоры и пр.).

Теория и компьютерное моделирование наноструктур

(2 ч)

Развитие нанотехнологии в России и других странах мира

(2 ч)

Средства обучения

Слайды (диапозитивы).

Графические иллюстрации.

Сайты в Интернете, распечатки сайтов.

Научно-популярная литература.

Дидактические материалы.

Учебники по физике, химии, биологии для старших классов средней школы.

Компьютерная обучающая программа «Открытая фи­зика».

92

93

Темы докладов и рефератов

1. История развития нанотехнологии, основные этапы.

2. Устройство АСМ, демонстрация изображений атомных структур, полученных на АСМ (поверхность кремния; «загон для скота», демонстрирующий волно­ вую природу электронов на поверхности меди и др.).

3. Зонная структура углеродных нанотрубок и их электрические свойства.

4. Использование биологических объектов при полу­ чении наноструктур и нанодвигателей.

5. Новые методы записи и считывания информации на основе нанотехнологии.

6. Наносенсоры — достижения и перспективы.

7. Нобелевские лауреаты в области нанотехнологии.

8. Квантовые эффекты в наноструктурах.

9. Новая парадигма получения структур и материалов «снизу вверх».

Программа элективного курса «Физика в биологии и медицине»

(68 часов)

Авторы: Е. Б. Петрова, Н. С. Пурышева

Пояснительная записка

Элективный курс адресован учащимся 10—11 классов естественнонаучного (биолого-химического, медицин­ского и т. п.) профиля. Курс рассчитан на 68 часов (1 час в неделю) в каждом классе и проводится за счет часов школьного компонента учебного плана. Курс может проводиться также во втором полугодии 10 класса и в первом полугодии 11 класса по 2 часа в неделю.

Целесообразность изучения предлагаемого курса обусловлена значением знаний по биофизике, медицин­ской и биологической физике и биологии не только для учащихся, планирующих поступление в вузы соответст­вующих профилей для успешного последующего в них обучения, но и каждого человека для понимания про­цессов, происходящих в живом, в том числе человече­ском организме, и успешного управления этими процес­сами.

Живые системы отличаются многообразием и имеют очень сложную структуру. Различные уровни организа­ции таких систем могут быть выделены на основе раз­личных критериев. Самым распространенным является выделение уровней организации живых систем на осно­ве критерия масштабности.

Молекулярный
уровень составляет предмет изуче­ния молекулярной биологии. Важнейшей проблемой на этом уровне является изучение механизмов передачи генной информации и ее практическое использование при помощи генной инженерии и биотехнологии.

95

Клеточный и субклеточный
уровни отражают процессы функционирования клеток и внутриклеточ­ные механизмы.

Организменный и органно-тканевый
уровни описывают строение, физиологию, поведение и индиви­дуальность отдельных особей, функции и строение орга­нов и тканей живых существ.

Популяционно-видовой
уровень ограничивается рассмотрением особей одного вида, свободно скрещи­вающихся между собой. Этот уровень составляет ядро исследований эволюции живого, его исторического раз­вития.

Сообщества различных видов, занимающие отдель­ные участки Земли с определенным составом живых и неживых организмов, составляют уровень биогеоце­
нозов.

Биосферный
уровень включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их при­родной средой.

Само понятие «структурные уровни» организации живого предложили еще в 1920-е гг. американские фило­софы Г. Браун и Р. Солларс. Кроме различий по классам сложности и закономерностям функционирования, они выдвинули идею иерархической соподчиненности уров­ней вхождения каждого последующего в предыдущий с образованием единого целого.

Основная цель элективного курса
— формиро­вание у учащихся представлений о единстве природы и наук о ней, представлений о том, что физические законы лежат в основе химических и биологических методов ис­следования, о том, что физические методы широко при­меняются в биологических и химических исследовани­ях, в медицинской практике. Достижение этой цели по­зволит показать общность законов, применимых к явлениям живой и неживой природы.

В соответствии с этой целью в процессе изучения данного элективного курса создаются условия для реше­ния следующих образовательных задач:

углубление и расширение знаний учащихся по меха­нике, термодинамике, электродинамике, оптике;

приобретение умений: планировать эксперимент; от­бирать приборы для выполнения эксперимента; выпол­нять эксперимент; применять математические методы к решению теоретических задач;

приобретение учащимися информационных и ком­муникативных умений;

развитие творческих способностей учащихся, форми­рование у них исследовательских умений, интереса к ес­тественнонаучному познанию.

Содержание курса согласовано с государственными стандартами общего среднего образования и примерны­ми программами по физике для базового уровня и пред­полагает изучение и сравнительный анализ физических процессов, происходящих в различных объектах живой природы. Иллюстрируется и доказывается общность и универсальность физических законов. Это дает учащим­ся возможность осознать место человека в окружающем мире. У них формируется общая система знаний о мире, отражающая взаимосвязь различных форм движения материи на основе межпредметных связей физики и биологии, физики и медицины. Дается представление о современных медицинских диагностических и терапев­тических методиках, в основе которых лежат достиже­ния современной физики. Лабораторные работы, вы­полняемые в элективном курсе, в основном посвящены изучению физических возможностей человека и учат школьников более осознанно применять на практике физические законы.

96

97

Содержание курса

10 класс

Введение

(4 ч)

Значение для человека знаний по биологии, биофи­зике и медицинской и биологической физике. Истори­ческие межнаучные связи: физики и медицины, физики и биологии (примеры деятельности известных ученых: Ньютона, Юнга, Гельмгольца и др.).

Место человека в биосфере. Управление в системе «Человек» как в физической системе.

Основные информационные каналы. Проблемы пе­редачи информации. Особенности передачи информа­ции в живых системах. Работы В. И Вернадского и А. Л. Чижевского.

Механические характеристики человека: кинематические, динамические, энергетические

(12 ч)

Геометрическое и физическое подобие. Анализ подо­бия в биологических системах. Основы биостатики. Биостатика растений. Биостатика животных. Биомеха­ника движений человека.

Кинематика, динамика и энергетика движения чело­века. Кинематика, динамика и энергетика движения жи­вотных. Статокинезиметрия, физические основы, диаг­ностика и лечение.

Тепловые характеристики человека

(4 ч)

Температура человека. Распределение температу­ры по телу человека. Нормальная температура тела чело­века. Реакция человека на низкие и высокие темпера­туры.

Человек и физические поля окружающего мира

(10 ч)

Естественные источники электромагнитного излуче­ния. Взаимодействие электромагнитных излучений с ве­ществом. Действие излучений различной частоты на че­ловека. Виды и свойства радиоактивных излучений; за­щита от них. Использование электромагнитных и ра­диоактивных излучений в медицине (физические осно­вы современных диагностик). Электромиография: фи­зические основы, диагностические методики.

Собственные физические поля организма человека

(10 ч)

Виды физических полей тела человека. Их источники и характеристики. Низкочастотные электрические и магнитные поля. Инфракрасное излучение. Электромаг­нитные излучения СВЧ-диапазона. Оптическое излуче­ние тела человека. Акустические поля человека.

Периодические процессы в организме человека

(9 ч)

Различные ритмы в организме человека. Внутренние ритмы организма. Внешние источники регулирование внутренних ритмов человека.

Информация и принципы регуляции в биологических системах

(10 ч)

Кибернетическая система. Ее свойства. Принцип ав­томатической регуляции в живых системах. Информа­ция. Информационные потоки в живых системах. Кана­лы связи человека. Биотические датчики. Зрительный канал. Слуховой канал. Перспективные диагностиче­ские и терапевтические методики, использующие совре­менные достижения физики. Тенденции развития меди­цинской техники.

98

99

Обобщающее занятие

(1ч)

Физический практикум

(8 ч)

Лабораторные работы

Измерение характеристик тела человека: объема, плотности, площади поверхности (2 ч).

Измерение механической работы при прыжке в высо­ту (1 ч).

Измерение мощности, развиваемой при подъеме по лестнице (1ч).

Измерение мощности, развиваемой при беге на дис­танцию 60м (1ч).

Изучение прибора для измерения давления, измере­ние давления человека (2 ч).

Термометрия. Исследование суточных колебаний температуры человека (1 ч).

11 класс

Введение

(4 ч)

Подсистемы, входящие в систему «Человек». Регули­рование и координирование взаимодействия подсистем. Биотические и биологические датчики.

Нервная система

(4 ч)

Распространение электрических импульсов. Гормо­нальная система.

Система кровообращения

(4 ч)

Основы гидродинамики. Моделирование течения вязкой жидкости по трубам. Форменные элементы кро­ви и их характеристики. Современные диагностики ге-

матологии и реологии, основанные на вязкости крови. Моделирование крови: физические и математические модели.

Электрическая активность органов

(6 ч)

Внешние электрические поля органов. Физические основы электрокардиографии. Методы исследования электрической активности мозга.

Зрительная система

(10 ч)

Оптическая система глаза. Бинокулярность. Цвето­вое зрение. Различия зрительной системы животных. Особенности приема и передачи зрительной информа­ции в живых объектах. Сравнение механизмов приема и передачи информации в различных биологических объ­ектах в зависимости от условий обитания.

Слуховая система

(10 ч)

Биомеханика слуха. Слух. Биноуральный эффект. Вестибулярный аппарат. Эхолокация. Особенности приема и передачи слуховой информации в живых объ­ектах. Сравнение механизмов приема и передачи ин­формации в различных биологических объектах в зави­симости от условий обитания.

Биофизика мембран

(10 ч)

Биологические мембраны: структура, свойства. Транспорт веществ через биологические мембраны. Биоэлектрические потенциалы. Механизмы генерации потенциала действия (в организме человека). Сравнение механизма возникновения и распространения потенци­ала действия растений.

100

101

Физический практикум

(7ч)

Лабораторные работы

Исследование свойств эритроцита (2 ч). Исследование зрения (2 ч). Исследование слуха (1ч). Обработка электрокардиограммы (2 ч).

Литература

Х.Аккерман Ю.
Биофизика. М.: Мир, 1964.

2. Антонов В. Ф., Черныш А. М.,

3. Пасеч­ник В. И., Вознесенский С. А., Козлова Е. К.
Прак­тикум по биофизике. М.: Изд. Центр «Владос», 2001.

4. Биофизика / В. Ф. Антонов и др.: Учеб. для студ. высш. учеб. зав. М.: Изд. Центр «Владос», 1999.

5. Глазер Р.
Очерк основ биомеханики. М.: Мир 1988.

6. Гоциридзе Г. Ш.
Практические и лабораторные ра­ боты по физике. 7—11 классы. М.: Классике Стиль, 2002.

7.
Дубровский В. И., Федорова В. Н.
Биомехани­ ка. М.: Изд. Центр «Владос», 2003.

8. Жерарден Л.
Бионика. М.: Мир, 1971.

8. Иваницкий Г. Р.
Мир глазами биофизики. М.: Педагогика, 1985.

9. Ильченко В. Р.
Перекрестки физики, химии и биологии. М.: Просвещение, 1986.

10. Кац Ц. Б.
Биофизика на уроках физики: Книга для учителя. М.: Просвещение, 1988.

11. Ливенцев Н. М.
Курс физики. М.: Высшая шко­ ла, 1975.

12. Морозов В.
Занимательная биоакустика. М.: Знание, 1983.

13. Мэрион Док. Б.
Общая физика с биологически­ ми примерами. М.: Мир, 1986.

14. Ремизов А. Н.
Медицинская и биологическая физика: Учеб. для мед. спец. вузов. М.: Высшая школа 1996.

15. Тарьян И.
Физика для врачей и биологов. Буда­ пешт, 1969.

Программа междисциплинарного

элективного курса «Эволюция сложных систем»

(на базе физики, химии, математики,

информатики, биологии, социологии, ОБЖ, психологии)

(102 часа)
Автор Л. Ф. Комолова

Элективный курс «Эволюция сложных систем» (си­ноним «Синергетика») излагает единый подход к анали­зу и изучению динамики открытых нелинейных и край­не неравновесных сложных систем вне зависимости от их природы (естественнонаучных и «человекомер-ных» — социоэкономических, социокультурных и др.), выявляет общую структуру процессов эволюции — раз­витие через накопление неустойчивостей, бифуркации и самоорганизацию.

Изучение курса способствует формированию у школьников современного мировоззрения, нелинейно­го стиля мышления, целостного фундаментального об­разования.

Это попытка адаптировать к школьной практике но­вейшую научную парадигму последней трети XX и нача­ла XXI в. «Нелинейную динамику» или «Синергику», компьютерное моделирование в качестве метода визу­ализации, исследования и прогнозирования динамики систем различной природы — естественнонаучной и со-циогуманитарной, постановку в практической плоскос­ти проблемы «двух культур» — естественнонаучной и гу­манитарной.

Курс является экспериментальным
в плане поиска и определения его содержания, форм и методов включе-

102

103

ния в школьную практику разработок программного, учебного и методического обеспечения. Необходи­
мость разработки такого курса очевидна:
по­скольку роль самоорганизации в современном научном мышлении в настоящее время считается общепризнан­ной, встает проблема синергетического образования
не только студентов, но и школьников и учителей. Учеб­ные программы курса и учебно-методические матери­алы разрабатываются на основе «Обязательного мини­мума содержания» с учетом отводимого лимита учебного времени, выделяемого за счет школьного компонента и учебных часов, отводимых на изучение экономики. Причем в данном элективном курсе экономика пред­ставлена как традиционными вопросами и темами, так и нетрадиционными: рассмотрением простейших нели­нейных неравновесных экономических и социоэконо-мических систем, математических и компьютерных мо­делей. Последнее способствует переводу школьного экономического знания из русла профессионального в русло фундаментального знания.

Элективный курс разрабатывается и апробируется на базе общеобразовательной школы-лаборатории № 363 с лицейскими физическими классами и интегрирован с лицейским курсом физики.

Курс рассчитан на 102 часа:

9 класс — 34 ч (1 ч в неделю) — пропедевтический курс;

10 класс — 34 ч (1 ч в неделю) — систематический курс;

11 класс — 34 ч (1 ч в неделю) — систематический курс.

Для учащихся общеобразовательных классов изуче­ние курса может быть одноэтапным (68 ч).

По результатам изучения курса работу учащихся оце­нивают с учетом их активности, уровня усвоения мате­риала, качества подготовки и выполнения лабораторных работ, написания рефератов и докладов.

В процессе изучения курса учащиеся должны:

овладеть
основными понятиями и законами;

понимать
роль открытости, нелинейности, неус­тойчивости в процессах эволюции; многофакторность и вероятностный характер реального мира, поливариант­ность путей его развития; значение кризисных ситуаций в эволюции, важность правильного выбора образа дей­ствий для выхода из этой ситуации; конструктивную роль хаоса в процессах динамического развития, позна­ния, творчестве; диалектический характер соотношения устойчивости системы (управления) и изменчивости (самоорганизации, образования новых структур);

получить
навыки работы с компьютером и Интер­нетом;

уметь
составлять математические уравнения про­стейших динамических моделей в непрерывной и диск­ретной формах; работать со средствами информации (искать и отбирать материал, подбирать к нему иллюст­ративный материал для докладов и рефератов); уметь выступать на семинарах с сообщениями и докладами, участвовать в дискуссиях; делать правильный выбор об­раза действий в кризисной ситуации, что является не только показателем образованности,
но и качества
личности.

Основные рекомендуемые формы занятий: лекции, семинары, лабораторный практикум (моделирование на ЭВМ и реальный эксперимент), самостоятельная рабо­та, консультации. Очень полезна самостоятельная ис­следовательская деятельность учащихся в группах.

В зависимости от уровня владения материалом харак­тер помощи со стороны учителя варьируется. Помимо исследовательского метода при изучении отдельных раз­делов целесообразно частично-поисковое, проблемное изложение материала. На начальном этапе в отдельных случаях (пропедевтический курс) можно использовать информационно-иллюстративный способ изложения.

104

105

Содержание курса

9-11 классы

Общее в разном

(2 ч)

Междисциплинарный синергетический подход при изучении явлений различной природы — естественно­научной и социогуманитарной.

Система

(2 ч)

Сложная система. Качественная классификация сис­тем: статическая и динамическая, изолированная и от­крытая, равновесная и неравновесная, линейная и нели­нейная, консервативная, диссипативная. (Иллюстрации из различных областей естественнонаучных и социо­культурных знаний.)

Эволюция (динамика) системы

(2 ч)

Флуктуации. Устойчивость и неустойчивость. Управ­ляющие параметры. Бифуркации. Самоорганизация и деградация. (Иллюстрации из различных областей ес­тественнонаучных и социокультурных знаний.)

Математические способы описания систем

(10 ч)

Дискретные способы (итерации). Непрерывные (ис­пользование понятия производной — дифференциаль­ные уравнения). Вероятностные (стохастические): веро­ятность, алгебра вероятности событий. Функция распре­деления.

Модели систем

(8 ч)

Математические модели. Компьютерное моделирова­ние. «Мягкое моделирование». Иерархия упрощенных моделей. Базовые модели. Модели: Мальтуса (экспонен­циального роста), «демографического взрыва», логисти­ческая, Лоттки — Вольтерра, Лоренца. Использование метода аналогий при моделировании динамики системы.

Графические способы описания динамики моделей

(4 ч)

Временные (осциллографические) зависимости пара­метров динамических процессов. Графические итера­ционные отображения. Разовые диаграммы (фазовые «портреты»).

Качественное описание динамических систем
(на примере маятника)

(4 ч)

Аттрактор. Типы аттракторов. Аттракторы как цели эволюции.

Автоколебания в динамических системах
различной природы

(6 ч)

Ламповый генератор. Автокаталитические химиче­ские реакции. Реакция Белоусова — Жаботинского. «Химические часы». Автоволны. Обратная связь. Пре­дельный цикл.

«Порядок» и «беспорядок» в физических системах

(2 ч)

Энтропия. Изолированная система и принцип воз­растания энтропии. Термодинамическое равновесие.

106

107

Особенности открытых систем

(6 ч)

Диссипативные системы вдали от равновесия. Энтро­пия и информация. Эволюция открытых систем. Деле­ние клетки.

Хаотическое поведение в нелинейных
динамических системах

(2 ч)

Динамический хаос. Странный аттрактор. Критерий «странности». Показатель Ляпунова.

Наглядные образы динамического хаоса

(4 ч)

Сдвиг Бернулли. Преобразование пекаря. Преобразо­вание Энона. Водяное колесо Лоренца.

Фракталы в природе и физике

(4 ч)

Принцип самоподобия. Фрактальная размерность. Фракталы и динамический хаос.

Хаос — фундаментальное свойство
спожноорганизованных систем

(4 ч)

Универсальные сценарии перехода к хаосу. Конст­руктивность хаоса. Хаос и порядок. Самоорганизация и образование структур. Параметры порядка.

Дарвиновская триада «изменчивость,
наследственность, отбор»

(2 ч)

Обобщение триады в естествознании. Роль внешних и внутренних факторов. Роль флуктуации.

Самоорганизация в открытых нелинейных
системах как фазовый переход

(2 ч)

Нарушение симметрии. Антиэнтропийность процес­сов эволюции.

Самоорганизующиеся системы
в неживой и живой природе

(2 ч)

Лазер. Ячейки Бенара. Автокаталитические реакции. Биоценоз, биогеоценоз. Самоорганизация дефектов в твердых телах при различных воздействиях. Самоорга­низующиеся технологии.

Адаптационная эволюция и теория катастроф

(2 ч)

Типы катастроф. Машина катастроф. Виды потери устойчивости. Кризисы и их роль.

Теория риска и выживания.
Детерминизм

(4 ч)

Классическое и современное понимание детерми­низма. Системный подход к познанию окружающего мира.

Синергетическая экономика

(4 ч)

Нелинейная экономическая динамика.

Наука о познании и синергетика

(4 ч)

Мозг и процессы восприятия и мышления как само­организующиеся системы. Хаос и творчество.

108

109

Синергетическое мировоззрение

(2 ч)

Особенности самоорганизации в социальных систе­мах. Целостное мировоззрение. Сближение естествен­нонаучной и гуманитарной форм культуры на базе меж­дисциплинарного синергетического подхода.

Практикум

(20 ч)

Содержание обязательного минимума курса представлено несколькими дисциплинами

Физика

Системы и их качественная классификация. Слож­ность, неравновесность, открытость, нелинейность. Ма­тематические модели. Непрерывные и дискретные моде­ли. Компьютерное моделирование. Детерминированные и стохастические процессы. Статистическое описание макроскопических систем. Свободные колебания без за­тухания и с затуханием. Автоколебания. Обратная связь. Элементы гидродинамики. Турбулентность. Ячейки Бе-нара. Прогнозирование погоды. Фазовое пространство, фазовые диаграммы. Эволюция динамических систем. Динамический хаос. Отображения хаоса. Самоорганиза­ция в открытых неравновесных системах как фазовый переход. Нарушение симметрии. Аттракторы. Предель­ные циклы. Странный аттрактор. Адаптационная эво­люция и теория катастроф. Кризисы и их роль в процес­сах эволюции. Фракталы в природе и в физике.

ОБЖ

Теория риска и выживания.

Математика

Математические способы описания моделей и их ди­намики. Алгебраические и тригонометрические функ-

ции и их графики. Итерации. Использование понятия производной (дифференциальные уравнения). Вероят­ность, алгебра вероятностей событий. Функция распре­деления Гаусса, степенная функция распределения. Элементы комбинаторики. Отображения и теория ката­строф (элементы). Фрактальная геометрия (элементы).

Информатика

Разработка компьютерных программ и математиче­ских моделей на основе итераций и дифференциальных уравнений. Элементы теории информации.

Экономика

Экономика как сложная неравновесная нелинейная динамическая система. Понятийный аппарат экономи­ческой науки. Модели экономических и социоэкономи-ческих систем. Особенности моделей макро- и микро­экономики. Основные типы экономических моделей. Применение метода аналогий в моделировании эконо­мических систем. Математическая модель как концепту­альный инструмент управления моделируемым процес­сом (явлением) через его прогнозирование. Экономи­ческая эволюция через накопление неустойчивостей, бифуркации и самоорганизацию. Детерминистские и стохастические процессы в экономической эволюции. Случайность и необходимость в экономике. Быстрые и медленные переменные в экономическом анализе. Хаос в детерминированных экономических системах. Эко­номические циклы. Плановая и рыночная экономика. Роль политического решения в хаотическом мире.

Биология

Биологическая эволюция через накопление неустой­чивостей, бифуркации и самоорганизацию. Математиче­ские модели и компьютерное моделирование в биологии (экологии). Использование логистической модели и мо­дели Лоттки — Вольтерра при изучении динамики попу­ляций и конкурентной борьбы. Использование синерге-

110

111

тического подхода и компьютерного моделирования в со­четании с натурными наблюдениями при изучении динамики биоценозов.

Химия

Катализ. Автокаталитические реакции. Математиче­ские модели (качественно). Реакция Белоусова — Жаботинского. Химические часы.

Психология

Мозг и процессы восприятия и мышления как само­организующиеся системы. Хаос и творчество. Синерге­тика и развивающее обучение.

Лабораторные работы

Социоэкономический блок

1. Модель эволюции Мальтуса.

2. Модель неограниченного роста с нелинейностью.

3. Коммерческая фирма.

4. Промышленная фирма.

5. Управление ресурсами.

6. Динамический выбор вида транспорта и бифур­ кации.

7. Рабочие и капиталисты (модель Гудвина).

Биологический блок

1. Популяции и переход к динамическому хаосу.

2. Конкуренция популяций («Лисы и кролики»).

3. Закономерности динамики биоценозов.

Физический блок

1. Генератор Ван дер Поля.

2. Генератор автоколебаний.

3. Водяное колесо Лоренца.

Математические модели

1. Модель эволюции Мальтуса.

2. Модель неограниченного роста с нелинейностью.

3. Модель эволюции, описываемая логистическим уравнением.

4. Модель Лоттки — Вольтерра.

5. Модель Лоренца.

Примерные темы докладов и рефератов

1. Моделирование как основа научного метода позна­ ния мира.

2. Самоорганизующиеся системы живой и неживой природы.

3. «Нужно носить в себе еще хаос, чтобы быть в со­ стоянии родить танцующую звезду» (Ф. Ницше).

4. Гармония порядка и хаоса.

5. Золотое сечение и хаос. Числа Фибоначчи.

6. Числа Фибоначчи и химия.

7. Формула красоты.

8. Ритмы сердца и мозга.

9. Гармония небесных сфер.

10. Периодическая система элементов как фрактал.

Литература

1. Арнольд В. И.
Теория катастроф. М.: Наука, 1990.

2. Глейк Дж.
Хаос. СПб.: Аврора, 2001.

3. Занг В. Б.
Синергетическая экономика. М.: Мир,

1999.

4. Кальотти Дж.
От восприятия к мысли. М.:

Мир, 1998.

5. Капица С. П., Курдюмов С. П., Малинец-
кий Г. Г.
Синергетика и прогнозы будущего. М.: УРСС, 2001.

6. Капустин В. С.
Введение в теорию социальной самоорганизации. М.: Изд-во РАГС, 2003.

7. Князева Е. Н., Курдюмов
С. П.
Основания си­ нергетики. СПб.: Алетейя, 2002.

8. Моисеев Н. Н.
Быть или не быть человечеству. М., 1999.

9. Мякишев Г. Я.
Физика. 10 кл. Механика. М.: Дрофа, 2002. С. 480—481.

112

113

, 2003.

Пригожин И.
Познание сложного.

12. Федер Е.
Фракталы. М.: Мир, 1996.

13. Шредер М.
Фракталы, хаос, степенные законы Миниатюры из бесконечного рая. М.: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001.

14. Эбелинг В., Энгель А., Файстель Р.
Физика процессов эволюции. М.: УРСС, 2001.

15. Эткинс П.
Порядок и беспорядок в природе. М.:

Программа элективного курса «Методы решения физических задач»

(68 часов)
Авторы: В. А. Орлов, Ю. А. Сауров

Пояснительная записка

Курс рассчитан на учащихся 10—11 классов профиль­ной школы и предполагает совершенствование подготов­ки школьников по освоению основных разделов физики.

Основные цели курса:

развитие интереса к физике и решению физических задач;

совершенствование полученных в основном курсе знаний и умений;

формирование представлений о постановке, класси­фикации, приемах и методах решения школьных физи­ческих задач.

Программа элективного курса согласована с требова­ниями государственного образовательного стандарта и содержанием основных программ курса физики про­фильной школы. Она ориентирует учителя на дальней­шее совершенствование уже усвоенных учащимися зна­ний и умений. Для этого вся программа делится на не­сколько разделов. Первый раздел знакомит школьников с минимальными сведениями о понятии «задача», дает представление о значении задач в жизни, науке, технике, знакомит с различными сторонами работы с задачами. В частности, они должны знать основные приемы со­ставления задач, уметь классифицировать задачу по трем-четырем основаниям. В первом разделе при реше­нии задач особое внимание уделяется последовательнос­ти действий, анализу физического явления, проговари-ванию вслух решения, анализу полученного ответа. Если

115

в начале раздела для иллюстрации используются задачи из механики, молекулярной физики, электродинамики, то в дальнейшем решаются задачи из разделов курса фи­зики 11 класса. При повторении обобщаются, система­тизируются как теоретический материал, так и приемы решения задач, принимаются во внимание цели повто­рения при подготовке к единому государственному экза­мену. Особое внимание следует уделить задачам, связан­ным с профессиональными интересами школьников, а также задачам межпредметного содержания. При рабо­те с задачами следует обращать внимание на мировоз­зренческие и методологические обобщения: потребнос­ти общества и постановка задач, задачи из истории фи­зики, значение математики для решения задач, ознакомление с системным анализом физических явле­ний при решении задач и др.

При изучении первого раздела возможны различные формы занятий: рассказ и беседа учителя, выступление учеников, подробное объяснение примеров решения за­дач, коллективная постановка экспериментальных за­дач, индивидуальная и коллективная работа по составле­нию задач, конкурс на составление лучшей задачи, зна­комство с различными задачниками и т. д. В результате школьники должны уметь классифицировать предло­женную задачу, составлять простейшие задачи, последо­вательно выполнять и проговаривать этапы решения за­дач средней сложности.

При решении задач по механике, молекулярной фи­зике, электродинамике главное внимание обращается на формирование умений решать задачи, на накопление опыта решения задач различной трудности. Развивается самая общая точка зрения на решение задачи как на описание того или иного физического явления физиче­скими законами. Содержание тем подобрано так, чтобы формировать при решении задач основные методы дан­ной физической теории.

Содержание программных тем обычно состоит из трех компонентов. Во-первых, в ней определены задачи

по содержательному признаку; во-вторых, выделены ха­рактерные задачи или задачи на отдельные приемы; в-третьих, даны указания по организации определенной деятельности с задачами. Задачи учитель подбирает ис­ходя из конкретных возможностей учащихся. Рекомен­дуется, прежде всего, использовать задачники из предла­гаемого списка литературы, а в необходимых случаях школьные задачники. При этом следует подбирать зада­чи технического и краеведческого содержания, занима­тельные и экспериментальные. На занятиях применяют­ся коллективные и индивидуальные формы работы: постановка, решение и обсуждение решения задач, под­готовка к олимпиаде, подбор и составление задач на те­му и т. д. Предполагается также выполнение домашних заданий по решению задач. В итоге школьники могут выйти на теоретический уровень решения задач: реше­ние по определенному плану, владение основными приемами решения, осознание деятельности по реше­нию задачи, самоконтроль и самооценка, моделирова­ние физических явлений и т. д.

Содержание курса

10(11) класс

Физическая задача. Классификация задач

(4 ч)

Что такое физическая задача. Состав физической за­дачи. Физическая теория и решение задач. Значение за­дач в обучении и жизни.

Классификация физических задач по требованию, содержанию, способу задания и решения. Примеры за­дач всех видов.

Составление физических задач. Основные требова­ния к составлению задач. Способы и техника составле­ния задач. Примеры задач всех видов.

116

117

Правила и приемы решения
физических задач

(6 ч)

Общие требования при решении физических задач. Этапы решения физической задачи. Работа с текстом за­дачи. Анализ физического явления; формулировка идеи решения (план решения). Выполнение плана решения задачи. Числовой расчет. Использование вычислитель­ной техники для расчетов. Анализ решения и его значе­ние. Оформление решения.

Типичные недостатки при решении и оформлении решения физической задачи. Изучение примеров реше­ния задач. Различные приемы и способы решения: алго­ритмы, аналогии, геометрические приемы. Метод раз­мерностей, графические решения и т. д.

Динамика и статика

{8 ч)

Координатный метод решения задач по механике. Решение задач на основные законы динамики: Ньюто­на, законы для сил тяготения, упругости, трения, сопро­тивления. Решение задач на движение материальной точки, системы точек, твердого тела под действием не­скольких сил.

Задачи на определение характеристик равновесия физических систем.

Задачи на принцип относительности: кинематиче­ские и динамические характеристики движения тела в разных инерциальных системах отсчета.

Подбор, составление и решение по интересам раз­личных сюжетных задач: занимательных, эксперимен­тальных с бытовым содержанием, с техническим и кра­еведческим содержанием, военно-техническим содер­жанием.

Экскурсии с целью отбора данных для составления задач.

Законы сохранения

(8 ч)

Классификация задач по механике: решение задач средствами кинематики, динамики, с помощью законов сохранения.

Задачи на закон сохранения импульса и реактивное движение. Задачи на определение работы и мощности. Задачи на закон сохранения и превращения механиче­ской энергии.

Решение задач несколькими способами. Составление задач на заданные объекты или явления. Взаимопровер­ка решаемых задач. Знакомство с примерами решения задач по механике республиканских и международных олимпиад.

Конструкторские задачи и задачи на проекты: модель акселерометра, модель маятника Фуко, модель кронш­тейна, модель пушки с противооткатным устройством, проекты самодвижущихся тележек, проекты устройств для наблюдения невесомости, модель автоколебатель­ной системы.

Строение и свойства газов,
жидкостей и твердых тел

(6 ч)

Качественные задачи на основные положения и ос­новное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ). Задачи на описание поведения идеального газа: основное уравнение МКТ, определение скорости моле­кул, характеристики состояния газа в изопроцессах.

Задачи на свойства паров: использование уравнения Менделеева — Клапейрона, характеристика критическо­го состояния. Задачи на описание явлений поверхност­ного слоя; работа сил поверхностного натяжения, ка­пиллярные явления, избыточное давление в мыльных пузырях. Задачи на определение характеристик влаж­ности воздуха.

118

119

Задачи на определение характеристик твердого тела: абсолютное и относительное удлинение, тепловое рас­ширение, запас прочности, сила упругости.

Качественные и количественные задачи. Устный диалог при решении качественных задач. Графические и экспериментальные задачи, задачи бытового содержа­ния.

Основы термодинамики

(6 ч)

Комбинированные задачи на первый закон термоди­намики. Задачи на тепловые двигатели.

Экскурсия с целью сбора данных для составления задач.

Конструкторские задачи и задачи на проекты: модель газового термометра; модель предохранительного клапа­на на определенное давление; проекты использования газовых процессов для подачи сигналов; модель тепло­вой машины; проекты практического определения ради­уса тонких капилляров.

Электрическое и магнитное поля

(5 ч)

Характеристика решения задач раздела: общее и раз­ное, примеры и приемы решения.

Задачи разных видов на описание электрического по­ля различными средствами: законами сохранения заряда и законом Кулона, силовыми линиями, напряженно­стью, разностью потенциалов, энергией. Решение задач на описание систем конденсаторов.

Задачи разных видов на описание магнитного поля тока и его действия: магнитная индукция и магнитный поток, сила Ампера и сила Лоренца.

Решение качественных экспериментальных задач с использованием электрометра, магнитного зонда и дру­гого оборудования.

Постоянный электрический ток в различных средах

(9 ч)

Задачи на различные приемы расчета сопротивления сложных электрических цепей. Задачи разных видов на описание электрических цепей постоянного электриче­ского тока с помощью закона Ома для замкнутой цепи, закона Джоуля — Ленца, законов последовательного и параллельного соединений. Ознакомление с правилами Кирхгофа при решении задач. Постановка и решение фронтальных экспериментальных задач на определение показаний приборов при изменении сопротивления тех или иных участков цепи, на определение сопротивлений участков цепи и т. д. Решение задач на расчет участка це­пи, имеющей ЭДС.

Задачи на описание постоянного электрического то­ка в электролитах, вакууме, газах, полупроводниках: ха­рактеристика носителей, характеристика конкретных явлений и др. Качественные, экспериментальные, зани­мательные задачи, задачи с техническим содержанием, комбинированные задачи.

Конструкторские задачи на проекты: установка для нагревания жидкости на заданную температуру, модель автоматического устройства с электромагнитным реле, проекты и модели освещения, выпрямитель и усилитель на полупроводниках, модели измерительных приборов, модели «черного ящика».

Электромагнитные колебания и волны

(14 ч)

Задачи разных видов на описание явления электро­магнитной индукции: закон электромагнитной индук­ции, правило Ленца, индуктивность.

Задачи на переменный электрический ток: характе­ристики переменного электрического тока, электриче­ские машины, трансформатор.

Задачи на описание различных свойств электромаг­нитных волн: скорость, отражение, преломление, интер-

120

12'

ференция, дифракция, поляризация. Задачи по геомет­рической оптике: зеркала, оптические схемы. Класси­фикация задач по СТО и примеры их решения.

Задачи на определение оптической схемы, содержа­щейся в «черном ящике»: конструирование, приемы и примеры решения. Групповое и коллективное решение экспериментальных задач с использованием осциллог­рафа, звукового генератора, трансформатора, комплекта приборов для изучения свойств электромагнитных волн, электроизмерительных приборов.

Экскурсия с целью сбора данных для составления задач.

Конструкторские задачи и задачи на проекты: пло­ский конденсатор заданной емкости, генераторы раз­личных колебаний, прибор для измерения освещеннос­ти, модель передачи электроэнергии и др.

Обобщающее занятие по методам и приемам решения физических задач

(2 ч)

Литература
для учащихся

1. Баканина Л. П. и др.
Сборник задач по физике: Учеб. пособие для углубл. изуч. физики в 10—11 кл. М.: Просвещение, 1995.

2. Балаш В. А.
Задачи по физике и методы их реше­ ния. М.: Просвещение, 1983.

3. Буздин А. И., Зильберман А. Р., Кротов С. С.
Раз задача, два задача... М.: Наука, 1990.

4. Всероссийские олимпиады по физике. 1992—2001 / Под ред. С. М. Козела, В. П. Слободянина. М.: Вер- бум-М, 2002.

5. Гольдфарб И. И.
Сборник вопросов и задач по физике. М.: Высшая школа, 1973.

6. Кабардин О. Ф., Орлов В. А.
Международные физические олимпиады. М.: Наука, 1985.

7. Кабардин О. Ф., Орлов В. А., Зильберман А. Р.
Задачи по физике. М.: Дрофа, 2002.

8. Козел С. М., Коровин В. А., Орлов В. А. и др.
Физика. 10—11 кл.: Сборник задач с ответами и реше­ ниями. М.: Мнемозина, 2004.

9. Ланге В. Н.
Экспериментальные физические за­ дачи на смекалку. М.: Наука, 1985.

10. Малинин А. Н.
Сборник вопросов и задач по физике. 10—11 классы. М.: Просвещение, 2002.

11. Меледин Г. В.
Физика в задачах: Экзаменацион­ ные задачи с решениями. М.: Наука, 1985.

12. Перельман Я. И.
Знаете ли вы физику? М.: Нау­ ка, 1992.

13. Слободецкий И. Ш., Асламазов Л. Г.
Задачи по физике. М.: Наука, 1980.

14. Слободецкий И. Ш., Орлов В. А.
Всесоюзные олимпиады по физике. М.: Просвещение, 1982.

15. Черноуцан А. И.
Физика. Задачи с ответами и решениями. М.: Высшая школа, 2003.

Литература
для учителя

1.
Аганов А. В. и др.
Физика вокруг нас: Качествен­ ные задачи по физике. М.: Дом педагогики, 1998.

2. Бутырский Г. А., Сауров Ю. А.
Эксперимен­ тальные задачи по физике. 10—11 кл. М.: Просвещение,

1998.

3. Каменецкий С. Е., Орехов В. П.
Методика ре­ шения задач по физике в средней школе. М.: Просвеще­ ние, 1987.

4. Малинин А. Н.
Теория относительности в задачах и упражнениях. М.: Просвещение, 1983.

5. Новодворская Е. М., Дмитриев Э. М.
Мето­ дика преподавания упражнений по физике во втузе. М.: Высшая школа, 1981.

6. Орлов В. А., Никифоров Г. Г.
Единый государ­ ственный экзамен. Контрольные измерительные мате­ риалы. Физика. М.: Просвещение, 2004.

7. Орлов В. А., Никифоров Г. Г.
Единый государ­ ственный экзамен: Методические рекомендации. Физи­ ка. М.: Просвещение, 2004.

122

123

8. Орлов В. Л., Ханнанов Н. К., Никифоров Г. Г.

Учебно-тренировочные материалы для подготовки к еди­ному государственному экзамену. Физика. М.: Интел­лект-Центр, 2004.

9. Тульчинскии М. Е.
Качественные задачи по фи­ зике. М.: Просвещение, 1972.

10. Тульчинскии М. Е.
Занимательные задачи- парадоксы и софизмы по физике. М.: Просвещение, 1971.

Содержание

Предисловие
.................................................................................
3

Программа элективного курса «Физика и медицина»

Автор С. М. Новиков............................................................. 6

Программа элективного курса «История физики в России».

Авторы: В. А. Орлов, О. Ф. Кабардин............................... 16

Программа элективного курса «История физики и развитие представлений о мире (Открытие мира)».

Автор О. Ф. Кабардин........................................................... 25

Программа элективного курса «Измерение физических величин».

Авторы: С. И. Кабардина, Н. И. Шефер........................... 35

Программа элективного курса «Фундаментальные эксперименты в физической науке».

Авторы: Н. С. Пурышева, Н. В. Шаронова,

Д. А. Исаев................................................................................ 42

Программа элективного курса

«Равновесная и неравновесная термодинамика».

Авторы: В. А. Орлов, Г. Г. Никифоров............................. 50

Программа элективного курса «Оптика».

Авторы: В. А. Алешкевич, Н. С. Пурышева.................... 57

Программа элективного курса «Исследование ультразвука низкой частоты.

Авторы: В. В. Майер, Е. И. Вараксина............................. 65

Программа элективного курса «Плазма — четвертое состояние вещества».

Авторы: В. А. Орлов, С. В. Дорожкин............................... 75

125

Программа элективного курса «Нанотехнология».

Автор И. В. Разумовская................................... 86

Программа элективного курса «Физика в биологии и медицине».

Авторы: Е. Б. Петрова, Н. С. Пурышева.......... 95

Программа междисциплинарного элективного курса «Эволюция сложных систем» (на базе физики, химии, математики, информатики, биологии, социологии, ОБЖ, психологии).

Автор Л. Ф. Комолова....................................... 103

Программа элективного курса «Методы решения физических задач».

Авторы: В. А. Орлов, Ю. А. Сауров......................... 115

ПРОГРАММЫ ЭЛЕКТИВНЫХ КУРСОВ

ФИЗИКА

9—11 классы

Профильное обучение

Составитель Коровин Владимир Анатольевич

Зав. редакцией
К Н.
Тихонова

Редактор
Е. Ю.
Зеленецкая

Оформление М. В.

Мандрыкина

Технический редактор И.В.Грибкова

Компьютерная
верстка Г.М.Татаринова

Корректор Г.И.Мосякжа

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.03.953.Д.004992.08.05 от 16.08.2005.

Подписано к печати 01.09.05. Формат 84х Юв'/зг. Бумага типографская. Гарнитура «Ньютон». Печать офсетная.

Усл. печ. л. 6,72. Тираж 3000 экз. Заказ № 4В59.

ООО
«Дрофа». 127018, Москва, Сущевский вал, 49.

Предложения и замечания по содержанию и оформлению книги

просим направлять в учебную редакцию издательства «Дрофа»:

127018, Москва, а/я 79. Тел.: (095) 795-05-41.
E
-
mail
:
chief
@
drofa
.
ru

По вопросам приобретения продукции
издательства «Дрофа» обращаться по адресу:

127018, Москва, Сущевский вал, 49. Тел.: (095) 795-05-50, 795-05-51. Факс: (095) 795-05-52.

Торговый дом «Школьник».

109172, Москва, ул. Малые Каменщики, д. 6, стр. 1А. Тел.: (095) 911-70-24, 912-15-16, 912-45-76.

Сеть магазинов «Переплетные птицы». Тел.: (095) 912-45-76.

Отпечатано в ОАО ордена Трудового Красного Знамени

«Чеховский полиграфический комбинат»

142300 г. Чехов Московской области

Т/ф (501)443-92-17, т/ф (272) 6-25-36

E-mail: chpk_mariceting@chehov.ru