Теоретико-методические особенности решения задач по разделу «Ядерная физика» курса физики

В этой теме изучаются ключевые законы, позволяющие объяснить процессы, происходящие в атомных ядрах. Поэтому важно научить учащихся описывать эти процессы количественно при решении учебных физических задач.

Рисунок 6 – Структурно-логическая схема темы «Строение атомного ядра» (11 класс)


2.3 Методические особенности решения задач по разделу «Ядерная физика»

В школе по теме «Физика атома и атомного ядра» в основном изучают фундаментальные экспериментальные данные, причем для того, чтобы в элементарном виде разъяснить основные принципы использования ядерной энергии. Этим определяется и характер решаемых задач по физике атомного ядра. Большинство задач носит полукачественный характер.
При записи ядерных реакций используют условные обозначения атомов: у химического символа элемента ставят числа, обозначающие заряд ядра и массовое число. Например, - это элемент фосфор, порядковый номер которого равен 15, а значит, в ядре содержится 15 протонов – это заряд ядра, массовое число 30 – это значит, что общее количество нуклонов в ядру (протонов и нейтронов) равно 30.
При символической записи ядерных реакций исходят из законов сохранения заряда и массового числа.
Рассмотрим пример задачи.
Пример 1. Установлено, что при бомбардировке изотопа алюминия альфа-частицами получают протон и ядро какого-то неизвестного элемента X. Требуется определить этот элемент.
Для решения задачи необходимо записать ядерную реакцию. Требуется понять, какие частицы взаимодействуют, что такое альфа-частицы. Учащиеся должны понимать, что альфа-частицы – это ядра атомов гелия.

Перед учащимися ставится вопрос, как найти зарядовое и массовые числа. Единственный способ – это использовать закон сохранения заряда и закон сохранения массовых чисел. Составляем уравнения.
27+4=1+m
13+2=1+n
Отсюда массовое число элемента равно m=30, а зарядовое n=14. То есть мы получили элемент . Далее с помощью периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева устанавливают, что это ядро кремния. Тогда итоговая ядерная реакция может быть записана так

С точки зрения методики решения данная задача простая, однако для ее решения необходимо использовать фундаментальные законы сохранения. Подобного рода задачи позволяют не только закрепить практические навыки по расчету ядерных реакций, но и развивают научное мышление и мировоззрение учащихся.
Пример 2. Поясните ход ядерной реакции и назовите недостающую частицу:

Дано Решение Для нахождения неизвестной частицы необходимо использовать законы сохранения электрического заряда и числа нуклонов

А = 9+4-12=1
Z = 4+2-6=0
Как мы видим, в результате реакции образовался нейтрон
Х - ?
Ответ:
Применительно к ЕГЭ, по теме ядерных реакции в основном используются задачи типа, описанного выше (пример 1, пример 2), а также задачи по работе с таблицей химических элементов Д.И. Менделеева, задачи на соответствие. Приведем примеры.
Пример 3.

Сложность данной задачи заключается в том, что учащимся нужно не только записать число протонов и нейтронов в ядре, но и сначала выбрать, а какой изотоп калия нужно выбрать. Для этого надо понимать, что такое изотоп и «прочитать» по таблице (то есть применить навыки знакового декодирования), какой именно изотоп нужно взять.
Более легкими являются задачи такого типа (пример 4). Для их решения необходимо знать, что означает зарядовое и массовое число, а затем, записать верный ответ. На проверку сформированности данного умения также направлены задачи подобного рода (пример 5). Данный тип задач был использован также на ЕГЭ 2024 года.

Пример 4.

Решение. В соответствии с обозначением в ядре 27 протонов и60 − 27  =  33 нейтрона.


Пример 5.


По решению задач темы «Ядерные реакции» в ЕГЭ по физике также возможны следующих типы задач: используя законы сохранения заряда и массы, найти зарядовое и массовое число элемента, получившегося в ходе реакции или вступающего в нее (пример 2); задачи, требующие знания особенностей самих реакций (рис. 5) (пример 6, пример 7).
Пример 6.

Пример 7.

Следующий тип задач – это задач на расчет энергии связи атомных ядер. Энергию связи атомных ядер ΔE определяют с помощью соотношения Эйнштейна . Решение данного рода задач осложняется необходимостью расчета так называемого дефекта масс Δm – разница между массой частиц, составляющих ядро, и массой самого ядра.
Если обозначить порядковый номер элемента как Z, массовое число – М, массу протона Мр, массу нейтрона Мn, массу ядра – Мя, то дефект масс можно вычислить так:
.
Однако экспериментально определяют обычно не массу ядра, а массу атома – Ма. В этом случае при расчете дефекта масс с достаточной степенью точности можно брать не массы протонов и ядра элементов, а массы атомов водорода и атома элемента, которые соответственно обозначим МВ и МА. Тогда
.
С помощью соотношения вычисляют энергию. Выделяющуюся при делении тяжелых ядер и синтезе легких ядер.
Здесь учащиеся должны учитывать (помнить, выучить), что в ядерной физике принято брать:
- за единицу заряда – заряд электрона e=1,6*10-19 Кл;
- за единицу массы – 1/12 массы атома углерода. 1 а.е.м = 1,67*10-27 кг;
- за единицу энергии – электронвольт: 1эВ=1,6*10-19 Дж.
Массы изотопов элементов, протона, нейтрона, атома водорода и пр. берут из специальных таблиц. Но лучше, если учитель организует работу учащихся по составлению этой таблицы (см. параграф 2.2).
Рассмотрим примеры возможных задач по данной теме.
Пример 8. 10. Энергия связи ядра атома кислорода 8O18 равна 139,8 МэВ, ядра фтора 9F19 – 147,8 МэВ. Определить, какую минимальную энергию нужно затратить, чтобы оторвать один нуклон от ядра фтора.
Дано Решение 139,8 МэВ
147,8 МэВ Если оторвать один протон от ядра втора, то получим ядро кислорода

Закон сохранения энергии:

-Есв2+Е = -Есв1
Е = Есв2 – Есв1=1,28*10-12Дж = 8*106эВ Е -? Ответ: Е=8*106эВ Пример 9.



Подобного рода задачи (пример 9) уже не решают на ЕГЭ, но они применяются на уроках в классах профильного уровня.
Дозу рентгеновского излучения измеряют в единицах под названием рентген. Рентген – это доза излучения, при которой в 1 см3 сухого воздуха при нормальных условиях создается 2,082*10-9 пар ионов.
Радиоактивный распад изучают в школе на полукачественном уровне. Задачи решают с использованием формулы для расчета периода полураспада, причем только для случая, когда масса (или количество частиц) уменьшается в кратное число раз – 2, 4, 8, и т.д. Приведем примеры задач, которые по данным темам решают на уроках и ЕГЭ по физике.
Пример 10. Какой изотоп образуется из после двух β и одного α-распада?
Решение Схема реакции

Из закона сохранения массового числа определяем А

Из закона сохранения зарядового числа определяем Z

Следовательно, в результате распада урана получается изотоп

Ответ: 
Пример 11.

Возможен тип задач, которые усложнены логарифмированием.
Пример 12.

Также встречаются задачи на обработку графиков. По уровню сложности они являются доступными, однако требуют навыки работы с графической информацией.
Пример 13. На рисунке показан график изменения массы находящегося в пробирке радиоактивного изотопа с течением времени. Каков период полураспада этого изотопа? (Ответ дать в месяцах.)

Решение. Период полураспада  — это время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов. Из графика видно, что масса радиоактивного изотопа в пробирке уменьшается вдвое за 2 месяца. Это и есть искомый период полураспада.
Ответ: 2.
Пример 14.

Также по данной теме в ЕГЭ встречаются задачи несколько усложненные за счет формулировки требования задачи – нужно внимательно читать, что именно нужно найти – долю распавшихся или долю не распавшихся ядер, какое-то процентное содержание или остаток ядер, количество вещества в молях, количество частиц в нескольких молях и прочее. Обычно данные проблемы у учащихся снимают при разборе данного типа задач. Если учитель акцентирует внимание учащихся на существовании такого типа задач, в последующем учащиеся показывают нормальные результаты при их решении. Приведем примеры.
Пример 15.

Пример 16.

Пример 17.


Пример 18.

Таким образом, в рамках данного параграфа нами были рассмотрены и охарактеризованы основные типы задач по ядерной физике, решаемые в основной и средней школе и представленные на государственной итоговой аттестации. Главной задачей учителя является организация качественного процесса решения задач, поскольку в данной теме в основном встречаются базовые задачи, доступные для понимания всем учащимся средней школы.

Выводы по главе 2
В рамках настоящей главы были рассмотрены особенности методики решения учебных физических задач. Было показано, что оптимальной является четырехэтапная логика решения, обозначающая основные шаги, которые необходимо выполнить при решении.
Научно-методический анализ темы показал, что тема важна с точки зрения формирования мышления и мировоззрения учащихся, но доступна для понимания, поскольку в ней изучаются в основном экспериментальные факты, то есть все предлагаемые задачи имеют полукачественный уровень, количество применяемых законов для описания явлений минимально.



Заключение

Физика – один из тех предметов, который требует не только понимания теоретических концепций, но и умения применять их на практике. Одним из практических методов обучения физике является решение задач. Не исключением и является изучение темы «Физика атома и атомного ядра».
Ядерная физика является фундаментальным разделом физики, который позволяет объяснить свойства веществ с точки зрения процессов, происходящих на уровне взаимодействия ядер и частиц. В ходе изучения данного раздела у учащихся формируются интеллектуальные умения и научное мировоззрение. Однако следует отметить, что уровень сложности решаемых задач является не таким высоким по сравнению с другими разделами, но все равно требует от учащихся определенного навыка.
В ходе работы нами были выполненные все поставленные задачи и сделаны следующие выводы.
Была проанализирована современная психолого-педагогическая литература, были выделены освоенные особенности учащихся основной и средней школы. Было показано, что решение физических задач как вид деятельности не только способствует развитию учащихся, формированию их практических и интеллектуальных умений, но и является интересным для них видом деятельности. Однако важно, что учитель создавал правильный психологический настрой на этот процесс, в том числе и методически обеспечил процесс решения задач – вооружил учащихся методами и приемами решения задач любого вида. То есть требуется хорошая методическая проработка данного вопроса, что обуславливает, в том числе, и актуальность нашей работы.
Было рассмотрено понятие учебной физической задачи и показано, что решение задач способствует всесторонней проработке изучаемого материала, разностороннему развитию учащихся, в том числе формированию надмпредметных компетенций – умению работать в группе, навыкам самодисциплины и самоорганизации и др. Также была дана классификация задач по дидактическим целям.
Ядерная физика занимает относительно небольшой объем учебного времени, однако, она имеет большой потенциал для формирования мировоззрения учащихся, построения их научной картины мира. Поэтому важно организовать интересный, разнообразных по форме учебный процесс, и решению задач темы необходимо уделить достаточное время.
Однако практика показывает, что учащиеся испытывают трудности с решением задач по разным причинам. Одной из возможных причин является не владение техникой их решения, поэтому в рамках дипломной работы мы уделили этим вопросам большее внимание.
Было показано и обосновано, что из существующих алгоритмов и алгоритмических предписаний, наиболее оптимальной является 4-этапная логика решения. Она оптимальная по количеству выполняемых действий, проста и логична для запоминания, позволяет быстро и легко достигать результата при решении школьных учебных задач.
Были подобраны приемы изучения темы, приемы организации деятельности учащихся, в том числе и на уроках изучения нового материала, чтобы в последующем им было проще решать задачи по ядерной физики. Было обращено внимание на такой методический прием как построение структурно-логических схем. Этот прием позволяет не только запомнить теоретический материал, но и использовать его при решении физических задач.
Было рассмотрено несколько типов задач по ядерной физике и охарактеризованы их особенности, даны рекомендации для учителей по решению того или иного вида задачи.
Таким образом, можно сделать заключение, что все поставленные задачи удалось выполнить, цель достигнута. В перспективе мы считаем, что необходимо продолжить работу по данной теме, в частности, разработать серию уроков и внеурочных занятий по решению задач по ядерной физике.
Библиографический список

Рабочая программа по физике для 7-9 классов базового уровня [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://romn.vsevobr.ru/doc/2020/%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0%20(7-9).pdf
Рабочая программа предмета, курса по физике для 11 класса [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://nsportal.ru/shkola/fizika/library/2021/07/16/rabochaya-programma-po-fizike-dlya-11-klassa-fgos
Абросимов Б.Ф. Физика. Способы и методы поиска решения задач/ Б.Ф. Абросимов. - М.: Изд-во «Экзамен», 2006.
Балаш В.А. Задачи по физике и методы их решения: пособие для учителей / В.А. Балаш - М.: Просвещение, 1974.
Беликов Б.С. Решение задач по физике. Общие методы / Б.С. Беликов. - М.: Высшая школа, 1986.
Браверман, Э. М Развитие самостоятельности учащихся – требование нашего времени [Текст] / Э. М. Браверман // Физика в школе. – 2006. – № 2. – С. 15-19.
Бугаев, А. И. Методика преподавания физики в средней школе: Теорет. основы: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по физ.-мат. спец. [Текст] / А. И. Бугаев. – М.: Просвещение, 1981. – 288 с.
Бутырский Г.А. Классификация графических задач по физике и проблемы обучения их решению // Вестник ВятГУ. 2010. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/klassifikatsiya-graficheskih-zadach-po-fizike-i-problemy-obucheniya-ih-resheniyu
Возрастная и педагогическая психология. Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов [Текст] / под ред. проф. А. В. Петровского. – М.: Просвещение, 1973. – 288 с.
Давыдов, В. В. Теория развивающего обучения [Текст] / В. В. Давыдов. – М.: ИНТОР, 1996. – 554 с.
Еникеев М.И. Общая и социальная психология: Учебник для вузов. М.: Изд-во гр. НОРМА-ИНФА М, 2000.
Каменецкий С.Е., Орехов В.П. Методика решения задач по физике в средней школе. Пособие для учителей. /; М., «Просвещение», 1971. – 448 с.
Коханов, К. А. Методология функционирования и развития школьного физического образования: монография [Текст] / К. А. Коханов, Ю. А. Сауров. – Киров: Изд-во ООО «Радуга-Пресс», 2012. – 326 с.
Коханов, К. А. Проблема задания и формирования современной культуры физического мышления: монография [Текст] / К. А. Коханов, Ю. А. Сауров. – Киров: Изд-во ЦДООШ; «Типография «Старая Вятка», 2013. – 232 с.
Крутский А.Н., Косихина О.С. Системно структурный подход к обучению и усвоению знаний // Физика: Прил. к газ. «Первое сентября». – 2005. – №21. – С. 4.
Майер, В. В. Против формализма в преподавании физики [Текст] / В. В. Майер // Физика в школе. – 2011. – № 7. – С.51-60.
Леонтьев А.Н. Деятельность и личность // Вопросы философии, 1974, № 4, с.87—97; №5, с.65—78., С. 17-18.
Луппов Г.Д. Молекулярная физика и электродинамика в опорных конспектах и тестах. – М.: Просвещение, 1992. – 256 с.
Маркова, А. К. Психология обучения подростка [Текст] / А. К. Маркова. – М.: Знание, 1975. – 64 с.
Мухина, В. С. Возрастная психология: феноменология развития, детство, отрочество: Учебник для студ. Вузов [Текст] / В. С. Мухина. – М.: Издательский центр «Академия», 2002. – 456 с.
Оноприенко О.В. Проверка знаний, умений и навыков учащихся по физике в средней школе: Кн. для учителя. – М.: Просвещение, 1988. – 128 с.
Оспенников А. А., Оспенников Н. А. Виды задач по физике и их разнообразие в традиционных и цифровых учебных пособиях по предмету // Вестник Пермского государственного гуманитарно-педагогического университета. Серия: Информационные компьютерные технологии в образовании. 2010. №6.
Преподавание физики. Развивающее ученика. Кн.1 Подходы, компоненты, уроки, задания / Сост. и под ред. Э.М. Браверман: Пособие для учителей и методистов. – М.: Ассоциация учителей физики, 2003. – 400 с.
Примерная рабочая программа основного общего образования предмета «Физика» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://edsoo.ru/Primernaya_rabochaya_programma_osnovnogo_obschego_obrazovaniya_predmeta_Fizika_proekt_.htm
Разумовский, В. Г. Физика в школе. Научный метод познания и обучение [Текст] / В. Г. Разумовский, В. В. Майер. – М.: Владос, 2004. – 463 с.
Разумовский, В. Г. Модернизация школьного курса физики: 7-11 классы: методическое пособие / В. Г. Разумовский, А. Т. Глазунов, В. А. Орлов и др. – М.: Вентана-Граф, 2014. – 96 с.
Сауров Ю.А., Барамзин Л.Н. Опорные конспекты. Молекулярная физика. Ч 1 // Физика: еженед. прил. к газ. «Первое сентября». – 1996. – №40. – С. 1.
Селевко, Г. К. Технология саморазвития личности школьника [Текст] / Г. К. Селевко // Образование в современной школе. - 2002. - № 2. - С. 29-37
Слободчиков В.И., Исаев Е.И. Основы психологической антропологии. Психология человека: Введение в психологию субъективности. Учебное пособие для вузов. – М.: Школа-Пресс, 1995 – 384 с.
Теория и методика обучения физике в школе: общие вопросы: учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений [Текст] / С. Е. Каменецкий [и др.], под ред. С. Е. Каменецкого, Н. С. Пурышевой. – М.: Издательский центр «Академия», 2000.
Усова А.В. Практикум по решению физических задач: пособие для студентов физ.-мат. Ф-тов / А.В. Усова, Н.Н. Тулькибаева. – М.: Просвещение, 2001. – 208 с.
Федеральный государственный образовательный стандарт основного общего образования [Текст]. – 2010. – 50 с.
Шаталов В.Ф. и др. Опорные конспекты по кинематике и динамике. - М.: Просвещение, 1996. – 272 с.










34