Президент Республики Казахстан Н. Назарбаев в Послании народу Казахстана «Стратегия «Казахстан-2050» – новый политический курс состоявшегося государства», обозначив приоритеты в сфере образования сказал: «Нам предстоит произвести модернизацию методик преподавания и активно развивать он-лайн-системы образования, создавая региональные школьные центры. Мы должны интенсивно внедрять инновационные методы, решения и инструменты в отечественную систему образования, включая дистанционное обучение и обучение в режиме он-лайн, доступные для всех желающих [14].
Для реализации поставленных задач кафедра «Теория и методика преподавания физики» ЮКГУ им. Ауэзова МОН РК с 2013 года внедрила в учебный процесс дисциплины «Информационные технологии в образовании», «Информационные технологии в преподавании физики», программы которых предусматривают освоение и использование современных информационных технологий в преподавании физики. Созданы новые компьютерные модели, обучающие программы, базы данных и методика их использования в преподавании физики в школах, колледжах, лицеях и вузах. Об этом можно прочитать в ранее опубликованных нами работах [1–13].
Одной из трудных задач внедрения этих результатов в учреждениях образования является недостаточное практическое умение преподавателей школ использования компьютерных моделей физических явлений для организации проведения лабораторных работ. От организации компьютерных лабораторных работ во многом зависит активизация, мотивация и, в конечном счете, эффективность обучения. Мощным средством обучения физике, по мнению многих отечественных и зарубежных специалистов является продукция компании «Физикон» [15]. В настоящей работе предлагается модель бланка организации компьютерной лабораторной работы по исследованию работы селектора скорости.
Название работы: «Исследование работы селектора скоростей».
Цель работы: нахождение условий обеспечения равномерного и прямолинейного движения заряженных частиц в скрещенных электрическом и магнитном полях.
Краткие сведения из теории.
В целом ряде устройств, например, в масс-спектрометрах, необходимо выполнить предварительную селекцию заряженных частиц по скоростям, то есть среди частиц, имеющих разные удельные заряды, необходимо выделить те, которые имеют одинаковые скорости, и обеспечить равномерное прямолинейное движение. Этой цели служат так называемые селекторы скоростей.
В простейшем селекторе скоростей заряженные частицы движутся в скрещенных однородных электрическом и магнитном полях. Электрическое поле 
создается между пластинами плоского конденсатора, магнитное поле 
создается в зазоре между полюсами электромагнита. Начальная скорость заряженных частиц направлена перпендикулярно векторам 
и 
.
На частицу, движущуюся в скрещенных электрическом и магнитном полях, действуют электрическая сила 
и магнитная сила Лоренца F = qVBsinα, где α – угол между векторами скорости и индукции магнитного поля.
При определенных условиях эти силы могут точно уравновешивать друг друга. В этом случае заряженная частица будет двигаться внутри конденсатора равномерно и прямолинейно. Такая частица, пролетев через конденсатор, пройдет через небольшие отверстия в экране.
Условие прямолинейной траектории частицы: qE = qVB. Это условие не зависит от заряда и массы частицы, а зависит только от величины ее скорости. При заданных электрическом и магнитном полях селектор выделит частицы, движущиеся со скоростью
V = E/B.
Выполнение учениками компьютерной лабораторной работы.
В компьютерной модели направления электрического и магнтного полей взаимно перпендикулярны. Заряженная частица с начальной скоростью попадает параллельно пластинам заряженного конденсатора и перпендикулярно магнитному полю.
В компьютерном эксперименте исследуются движения электрона, протона, ядра гелия, урана-235 и урана-238. Скорости заряженных частиц можно задавать в пределах 1,0 104–5,0 107 м/с в зависимости от природы частицы, напряженность электрического поля – в интервале от 0,2 до 5,0 кВ/м, индукцию магнитного поля – от 0,2 до 10,0 мТл.
Ученики выполняют работу в соответствии с заданиями, предложенными в бланке, заполяняют их и сдают преподавателю или отправляют по электронной почте.
Класс ............................ФИО............................................................
Контрольные вопросы для проверки готовности к выполнению работы:
● Какая сила действует на заряженную частицу, имеющую начальную скорость в электрческом поле? Ответы: ................................................................................
● Какая силы действует на заряженную частицу, имеющую начальную скорость в магнитном поле? Ответы: ................................................................................
● Каково условие равномерного и прямолинейного движения заряженной частицы, попавшей с перпендикулярной скоростью в скрещенное электрическое и магнитное поля?
Ответы: ................................................................................
● Какова траектория заряженной частицы попавшей с перпендикулярной скоростью к направлению постоянного магнитного поля? Ответы: ......................................
● Известно, что заряженная частица, попавшего вдоль направления электрического поля, движется прямолинейно. Почему этот метод непригоден в качестве селектора скорости?
Ответы: ................................................................................
● Известно, что заряженная частица, попавшего вдоль направления магнитного поля не испытывает магнитную силу Лоренца и движется прямолинейно. Почему этот метод непригоден в качестве селектора скорости? Ответы: ..................................
1. Ознакомительные задания c компьютерной моделью.
1.1. В каких пределах можно менять напряженность электрического поля (рисунок)? Ответы: .....
1.2. В каких пределах можно менять индукцию магнитного поля? Ответы: ..................
3. Для каких частиц предназначена компьютерная модель селектора скорости? Ответы: .......
2. Задачи с последующей компьютерной проверкой ответов:
Эти задачи необходимо предварительно решить на бумаге и проверить ответы в компьютерном эксперименте. Предварительное решение задачи необходимо сдать вместе с бланком.
2.1. Каково должно быть значение индукции магнитного поля при напряженности электрического поля Е = 1,0 кВ/м для обеспечения прямолинейного и равномерного движения электрона со скоростью V = 2,0∙107 м/с? Ответы: ..................................
2.2. Каково должно быть значение индукции магнитного поля при напряженности электрического поля Е = 1,5 кВ/м для обеспечения прямолинейного и равномерного движения электрона со скоростью V=1,5 ∙107 м/с? Ответы: ...................................
2.3. Каково должно быть значение индукции магнитного поля при напряженности электрического поля Е = 2,0 кВ/м для обеспечения прямолинейного и равномерного движения электрона со скоростью V = 2,0∙107 м/с? Ответы: ..............................
2.4. Каково должно быть значение индукции магнитного поля при напряженности электрического поля Е = 2,5 кВ/м для обеспечения прямолинейного и равномерного движения электрона со скоростью V = 2,5∙107 м/с? Ответы: ...........................................
2.5. Каково должно быть значение индукции магнитного поля при напряженности электрического поля Е = 3,0 кВ/м для обеспечения прямолинейного и равномерного движения электрона со скоростью V = 3,0∙107 м/с? Ответы: .................................................
2.6. Каково должно быть значение индукции магнитного поля при напряженности электрического поля Е = 4,0 кВ/м для обеспечения прямолинейного и равномерного движения электрона со скоростью V = 4,0∙107 м/с? Ответы: ...............................
2.7. Каково должно быть значение индукции магнитного поля при напряженности электрического поля Е = 5,0 кВ/м для обеспечения прямолинейного и равномерного движения электрона со скоростью V = 5,0∙107 м/с? Ответы: ........................
2.8. Каково должно быть значение напряженности электрического поля при индукции магнитного поля В = 0,1 мТл для обеспечения прямолинейного равномерного и движения протона со скоростью V = 4,0∙107 м/с? Ответы: ................................
2.9. Каково должно быть значение напряженности электрического поля при индукции магнитного поля В = 0,1 мТл для обеспечения прямолинейного и равномерного движения протона со скоростью V = 4,5∙107 м/с? Ответы: ............................
2.10. Каково должно быть значение напряженности электрического поля при индукции магнитного поля В = 0,1 мТл для обеспечения прямолинейного и равномерного движения протона со скоростью V = 3,5∙107 м/с? Ответы: ..................................
3. Неоднозначные задачи
3.1. При каких значениях напряженности электрического и индукции магнитного полей можно выделить электроны, имеющие скорость V = 2,0∙107 м/с? Ответы: ...............................
3.2. При каких значениях напряженности электрического и индукции магнитного полей можно выделить электроны, имеющие скорость V = 2,5∙107 м/с? Ответы: ...............................
3.3. При каких значениях напряженности электрического и индукции магнитного полей можно выделить электроны, имеющие скорость V = 3,0∙107 м/с? Ответы: ...............................
3.4. При каких значениях напряженности электрического и индукции магнитного полей можно выделить электроны, имеющие скорость V = 3,5∙107 м/с? Ответы: ...............................
3.5. При каких значениях напряженности электрического и индукции магнитного полей можно выделить электроны, имеющие скорость V = 4,0∙107 м/с? Ответы: ...............................
3.6. При каких значениях напряженности электрического и индукции магнитного полей можно выделить электроны, имеющие скорость V = 4,5∙107 м/с? Ответы: ...............................
3.7. При каких значениях напряженности электрического и индукции магнитного полей можно выделить электроны, имеющие скорость V = 5,0∙107 м/с? Ответы: ...............................
4. Исследовательские задания.
4.1. Определить условие прямолинейного и равномерного движения электрона, попавшего перпендикулярно в селектор скорости. Ответы: .....................................
4.2. Определить условие прямолинейного и равномерного движения протона, попавшего перпендикулярно в селектор скорости. Ответы: ......................................
4.3. Определить условие прямолинейного и равномерного движения α-частицы, попавшего перпендикулярно в селектор скорости. Ответы: ...........................................
4.4. Определить условие прямолинейного и равномерного движения ядра урана-235, попавшего перпендикулярно в селектор скорости. Ответы: ..............................................
4.5. Определить условие прямолинейного и равномерного движения ядра урана – 238, попавшего перпендикулярно в селектор скорости. Ответы: ...................................
4.6. В скрещенных электрическом и магнитном полях движется α-частица. Начальная скорость частицы перпендикулярна обоим полям. При какой скорости частицы она будет двигаться равномерно и прямолинейно, если Е = 1,5 кВ/м, а В = 2,5 мТл. Ответы: ...............
4.7. В скрещенных электрическом и магнитном полях движется электрон. Начальная скорость частицы перпендикулярна обоим полям. При какой скорости электрон будет двигаться равномерно и прямолинейно, если Е = 4,2 кВ/м, а В = 0,1 мТл? Ответы: .................
5. Творческие задания
5.1. Предложите задания, подобные приведенным в пунктах 1–3.
|
Количество выполненных заданий |
Количество шибок |
Оценка работы |
Примечание: задания даны с избытком. Выполнение их всех одному ученику необязательно. Преподаватель может с учетом способностей каждого ученика подобрать соответствующие задания или предложить другие подобные задания. По окончании урока учащиеся заполняют бланки, отправляют их по электронной почте преподавателю или сдают непосредственно ему. На следующем уроке преподаватель обсуждает вместе с учениками их ответы и оценивает работы.