Фотоэффект тақырыбын оқыту әдістемесі

Жұмыс түрі: Курстық жұмыс
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 22 бет
Таңдаулыға:

Қожа Ахмет Ясауи атындағы Халықаралық қазақ-түрік университеті

Казиханов Кадиржан Абдисаматович
11 сынып Фотоэффект тақырыбын оқыту барысында STEAM элементтерін пайдалану арқылы оқушылардың зерттеушілік қабілеттерн дамыту.
7М050110-физика
Магистр дәрежесіне жету мақсатындағы іздену-зерттеу жұмысы
Ғылыми жетекші:
Қ.А.Ясауи атындағы ХҚТУ-нің PhD аға - оқытушы Досанов Элмурад

Қазақстан Республикасы
Түркістан 2023
Мазмұны
І Фотоэффект құбылысы теориялық бөлім
Фотоэффект құбылысының ашылу тарихы
Фотоэффект туралы негізгі деректер
Фотоэффект квант атомдық физикада
Фотоэффект құбылысын дәлелдейтін негізгі эксперименттер
ІІ Оқыту әдістемесі
2.1 Фотоэффект тақырыбын оқыту әдістемесі
2.2 Зертханалық және практикалық жұмыстарды жүргізу әдістемесі
2.3 11-сынып физика оқулықтарындағы Фотоэффект тақырыбының құрылымын талдау
ІІІ 11-сынып Фотоэффект тақырыбында STEAM элементтері арқылы оқыту әдістемесі
3.1 STEAM туралы негізгі идеялар
3.2 Фотоэффект тақырбындағы пәнаралық тұтастық
3.3 Фотоэлементтердің микросхемада орналасуы, инженер-архитектуралық идеялар
3.4 Оқушыларға экоүй жобасының маңыздылығы
3.5 Қысқа-мерзімді жоспар үлгісі
3.6 Көрнекіліктер оқу мақсатына жету жолында
3.7 Құрылғылардың 3D моделін ұсыну
3.8 Жаңа дизай-жаңа идеялар, архитектуралық туындыларды оқушылармен бірге талдау.
ІV Қорытынды
V Пайдаланған әдебиеттер тізімі

Тақырыбы: 11 сынып Фотоэффект тақырыбын оқыту барысында STEAM элементтерін пайдалану арқылы оқушылардың зерттеушілік қабілеттерін дамыту
Аннотация
Тақырыптың өзектілігі: Бұл ғылыми зерттеу жұмыс STEAM технологияларының көмегімен Ғылыми-техникалық құзыреттілікті дамыту әдістерін зерделеуге және талдауға, оқушылардың Фотоэффект құбылысын талдауға, сондай-ақ білім беру технологиялары мен цифрлық қосымшаларды пайдалану үшін педагогикалық технологияларды, белсенді әдістерді, тапсырмаларды іріктеу мен құрылымдауды көздейтін эксперименттік жұмыстың дидактикалық шарттарын зерттеуге арналған.
Зерттеу мақсаты:
Ғылыми-техникалық болашақ мамандардың коммуникативтік құзыреттіліктерін дамыту жүйесін жетілдіру үшін бірнеше ғылымдарды бір уақытта біріктіре отырып, білім беру сапасын арттыру және білім беру жүйесін жетілдіру мәселелері көтеру.
Зерттеу міндеттері:
STEAM технологиясы арқылы- оқушылардың интеллектуалды дамуға бағытталған білім берудің модульдік бағытын ғылыми-техникалық шығармашылыққа тарту.
STEAM оқыту пәнаралық және қолданбалы тәсілді қолдануға, сондай-ақ барлық бес пәнді (физика, химия, биология,математика және информатика) бірыңғай оқыту схемасына біріктіруге негізделген.
Бұл ғылыми зерттеу жұмыс аралас оқу ортасын қамтиды және адамға ғылым мен техниканы күнделікті өмірде қалай қолдану керектігін көрсетеді.
Оrduino немесе Lego EV3 құрылғылар арқылы жасанды интеллект және программалар түзуді оқушыларға баламалы энергия басқару жолдарын ұйымдастыру.
Фотоэффект тақырыбына анимациялық 3D моделін жасау арқылы оқушыларда инженер мамандығына қызықтыру.
Зерттеу әдістері: Оқушылардың теориялық білімдерін жетілдіру, анализ жасау, абстракциялау - зерттеліп отырған құбылыстың қажетті емес қасиеттері мен қарым-қатынастарынан зерттеуге керек қасиеттері мен қарым-қатынастарын бөліп алу , классификациялау - маңызды белгілері бойынша түрлі топтарға бөлу.
Түйінді сөздер: коммуникативтік құзыреттілік; педагогикалық қызмет; білім беру процесі;оқыту әдістемесі.STEAM технологиясы.

Кіріспе
Ғылыми-техникалық бәсекелестік тенденцияларына сәйкес, әлемдегі көптеген елдер STEAM интеграцияланған біліміне қызығушылық танытады және оған назар аударады. Біздің еліміздегі ғылыми білімнің мақсаты ғылыми білімі бар шығармашылық жұмысшыларды тәрбиелеу болып табылатындығын ескере отырып, STEAM интеграцияланған білім беру қажеттілігін жоққа шығаруға болмайды. Осылайша, бұл зерттеудің мақсаты 11-сынып оқушыларының шығармашылығы мен қызығушылық деңгейіне әсерін анықтау үшін 11-сыныптың физика пәніне белсенділік пен қызығушылықты ескеретін тақырыптарға бағытталған интеграцияланған STEAM бағдарламасын әзірлеу болды. Осы зерттеуде сипатталған STEAM интеграцияланған білім беру бағдарламасы 11-сыныптағы Фотоэффект қорытынды сабақтарда, өзін-өзі тексеру немесе күшейту ретінде қолдануға болатындай етіп жасалынады. Әр тақырып бойынша іс-шараларға бағытталған бағдарлама арқылы оқушылардың жаратылыстану пәндерін оқуға деген қызығушылығы мен қызығушылығын арттыруға баса назар аударылады. Сондықтан STEAM интеграцияланған білім беру бағдарламасының үздіксіз және жүйелі дамуы қажет, сонымен қатар ол 11-сыныптардың барлық деңгейлері үшін әзірленуі керек және бағдарламаны білім беру саласында белсенді қолдануға күш салу керек. Инновациялық және цифрлық кеңістікте еркін бағдарлау үшін негізгі құзыреттер туралы оқушылардың хабардарлығын арттыру қажеттілігі бар; кәсіби Болашаққа және әртүрлі өмірлік жағдайларға дайындық. Бұл ғылыми зерттеу жұмысымда бірнеше саланы қамтитын STEAM education маңызды орын алады. Ғылыми білімнің әмбебаптығы STEAM-нің негізгі принциптерінің бірі болып табылады.
Бірнеше ғылымдарда, гуманитарлық және техникалық, сондай-ақ шығармашылықта бірдей жетістікке жеткен көрнекті тұлғалардың көптеген мысалдары бар. Мысалы, Леонардо да Винчи суретші ғана емес, көптеген салаларда шебер болды: ол мүсінші, анатомист, музыкант, қала жоспарлаушы, географ, оптикалық аспаптар, құлыптар және басқа да техникалық әзірлемелер жасаған инженер болды. Оның зияткерлік қабілеттері жеке қасиеттерімен бірге әртүрлі қызмет салаларында бірқатар өмірлік міндеттерді шешуге көмек болды. Бұл мұғалімдердің жүйелі, эксперименттік және сыни көзқарасты дамыту үшін ұмтылуы керек көп қырлы тұлғаның ең жарқын мысалдарының бірі зерттелетін шындық.

1.1 Фотоэффект құбылысының ашылу тарихы
1887 жылы неміс физигі Генрих Герц электромагниттік толқындарды - металл шарлар жұбын шығаруға арналған разрядтағышпен тәжірибе жасап көрді; потенциалдар айырымы қолданылған кезде олардың арасынан ұшқын ұшып өтті. Ол шарлардың бірін ультрафиолет сәулелерімен жарықтандырғанда, разряд күшейе түсті. Осылайша, сыртқы фотоэффект анықталды. 1888 жылы Вильгельм Гальвакс ультракүлгін сәулемен сәулеленген металл пластинаның оң зарядталатынын анықтады. Фотоэффекттің екінші ашылуы осылай болды. Үшіншіден, Герц пен Гальвакстың тәжірибелерінен бейхабар, оны сол жылы итальяндық Августо Риги бақылаған. Ол фотоэффект металдарда да, диэлектриктерде де мүмкін екенін анықтады. Александр Григорьевич Столетов фотоэффектті басқаларға тәуелсіз ашқан төртінші ғалым болды. Ол екі жыл бойы жаңа құбылысты зерттеп, оның негізгі заңдылықтарын ашты. Фототоктың күші, біріншіден, түскен жарықтың қарқындылығына тура пропорционал болып шықты, екіншіден, сәулеленудің тұрақты қарқындылығында потенциалдар айырымы артқан сайын алдымен өседі, бірақ белгілі бір мәнге жеткенде (қанығу тогы), енді жоғарыламайды. 1899 жылы неміс Филипп Ленард пен ағылшын Джозеф Томсон металл бетіне түскен жарық одан электрондарды ығыстыратынын дәлелдеді, олардың қозғалысы фототоктың пайда болуына әкеледі. Дегенмен, классикалық электродинамиканың көмегімен фотоэффекттің табиғатын түсіну мүмкін болмады. Түскен жарықтың жиілігі әрбір металл үшін қатаң белгіленген мәннен асқанда ғана фототоктың неліктен пайда болғаны түсініксіз болып қалды. Тек 1905 жылы Эйнштейн бұл жұмбақты толығымен мөлдір суретке айналдырды. Ол электромагниттік сәулелену жай ғана бөліктерде шығарылмайды - ол кеңістікте таралады және материямен де бөліктер - жарық кванттары (фотондар) түрінде жұтылады деп ұсынды. Сондықтан фотоэффекттің пайда болуы үшін түсетін жарық сәулесінің қарқындылығы маңызды емес. Ең бастысы, жеке жарық кванты заттан электронды ығыстыру үшін жеткілікті энергияға ие бола ма. Бұл үшін қажетті ең аз энергия А шығысының жұмысы деп аталады. Нәтижесінде Эйнштейн фотоэффект теңдеуін шығарды. Фотоэффектті жеткілікті жоғары жиіліктегі жарық толқыны ғана тудыра алатыны анық, ал фототоктың күші жұтылған жарықтың қарқындылығына, яғни электрондарды материядан ығыстыруға қабілетті фотондар санына пропорционал. 1907 жылы Эйнштейн кванттық гипотезаға тағы бір түсініктеме берді. Неліктен дене жарықты тек бөліктерде шығарады? Сондықтан Эйнштейн атомдарда энергия мәндерінің дискретті жиынтығы ғана болады деп жауап берді. Осылайша, сәулелену және жұтылу теориясы өзінің толық формасын алды. 1922 жылы американдық Артур Комптон рентген сәулесінің толқын ұзындығы заттың электрондарына шашыраған кезде өзгеретінін анықтады. Бірақ, классикалық электродинамика бойынша жарықтың ұзындығы толқындар шашыраған кезде өзгере алмайды! Содан кейін Комптон электрондарда шашырап жатқан толқындар емес, бөлшектер (фотондар) деп есептей отырып, есептеуді жүргізді. Нәтиже эксперименттікпен сәйкес келді. Бұл фотондардың бар екендігінің тікелей дәлелі болды.
Фотоэффект туралы негізгі деректер
1. Фотоэффекттің анықтамасы Фотоэлектрлік эффект (фотоэффект) жарықтың затпен әрекеттесуі нәтижесінде пайда болатын және электрондардың эмиссиясынан (сыртқы фотоэффект) немесе заттың электр өткізгіштігінің өзгеруінен электр қозғаушы күштің пайда болуынан (ішкі фотоэффект) тұратын құбылыстар тобы деп аталады. Фотоэффектте жарықтың корпускулалық қасиеттері пайда болады. 1888 жылы Гальвакс электрлік бейтарап металл пластинаны ультракүлгін сәулемен сәулелендіргенде соңғысы оң зарядқа ие болатынын көрсетті. Сол жылы Столетев алғашқы фотоэлементті жасап, оны іс жүзінде қолданды, содан кейін ол фототок күшінің түскен жарықтың қарқындылығына тура пропорционалдылығын орнатты. 1899 жылы Дж.Дж. Томпсон мен Ф.Ленард фотоэффект кезінде жарық заттан электрондарды ығыстыратынын дәлелдеді.
2. Фотоэффекттердің түрлері. Фотоэффекттердің үш негізгі түрі бар: ішкі, сыртқы және клапан. Сыртқы фотоэффект жеке атомдар мен молекулалардағы газдарда (фотоионизация) және конденсацияланған заттарда байқалады. Металдағы сыртқы фотоэффектті үш процестен тұратындай етіп көрсетуге болады: фотонның өткізгіштік электронмен жұтылуы, нәтижесінде электронның кинетикалық энергиясы артады; электронның дене бетіне қарай қозғалысы; электронның металдан шығуы. Бұл процесс энергетикалық тұрғыдан Эйнштейн теңдеуімен сипатталады. Егер металды монохроматикалық жарықпен жарықтандыру арқылы сәулелену жиілігі азаятын болса (толқын ұзындығы ұлғаятын болса), онда оның кейбір мәндерінен бастап қызыл шекара деп аталады; фотоэффект тоқтайды. Ішкі фотоэффект жарықтандыру кезінде байқалады жартылай өткізгіштер ал диэлектриктер, егер фотонның энергиясы электронды валенттілік диапазонынан өткізгіштік диапазонына ауыстыру үшін жеткілікті болса, Қоспаның жартылай өткізгіштерінде фотоэффект, егер электронның энергиясы электрондарды өткізгіштік диапазонына беру үшін жеткілікті болса, дәл осылай анықталады. донорлық қоспалар деңгейінен немесе валенттілік диапазонынан акцепторлық қоспалар деңгейіне дейін. Сонымен жартылай өткізгіштер мен диэлектриктерде фотоэлектрлік өткізгіштік пайда болады. Электронды және саңылаулы жартылай өткізгіштердің жанасуында ішкі фотоэффекттің қызықты әртүрлілігі байқалады. Бұл жағдайда жарықтың әсерінен электрондар мен саңылаулар пайда болады, олар р-n-қосылыстың электр өрісі арқылы бөлінеді; электрондар n типті жартылай өткізгішке, ал саңылаулар р типті жартылай өткізгішке ауысады, Бұл ретте саңылаулы және электронды жартылай өткізгіштер арасында тепе-теңдікпен салыстырғанда жанасу потенциалдарының айырмашылығы өзгереді, яғни фотоэлектрлік қозғаушы күш пайда болады. Мұндай ішкі фотоэффекттің пішіні қақпалы фотоэффект деп аталады. Оны электромагниттік сәулелену энергиясын электр тогының энергиясына тікелей түрлендіру үшін пайдалануға болады.
3. Эйнштейн теңдеуі Фотоэффекттің 1-ші заңының тұжырымы: 1с-та металдың бетінен жарық шығаратын электрондар саны жарықтың қарқындылығына тура пропорционал. Фотоэффекттің 2-ші заңы бойынша жарық шығаратын электрондардың максималды кинетикалық энергиясы жарық жиілігімен сызықты түрде артады және оның қарқындылығына тәуелсіз болады. фотоэффекттің i заңы: әрбір зат үшін фотоэффекттің қызыл шекарасы болады, яғни фотоэффект әлі де мүмкін болатын жарықтың ең аз жиілігі v0 (немесе максималды толқын ұзындығы λ0) және егер v v0 , онда фотоэффект енді болмайды. Бірінші заң жарықтың электромагниттік теориясы тұрғысынан түсіндіріледі: жарық толқынының интенсивтілігі неғұрлым көп болса, соғұрлым электрондар металдан қашып кетуге жеткілікті энергияға ауысады. Фотоэффекттің басқа заңдары бұл теорияға қайшы келеді. Бұл заңдардың теориялық түсіндірмесін 1905 жылы Эйнштейн берген. Оған сәйкес электромагниттік сәулелену әрқайсысының энергиясы hv болатын жеке кванттардың (фотондардың) ағыны болып табылады (h- Планк тұрақтысы). Фотоэффектте металл бетінен түскен электромагниттік сәулеленудің бір бөлігі шағылысады, ал бір бөлігі металдың беткі қабатына еніп, сол жерде жұтылады. Фотонды сіңіргеннен кейін электрон одан энергия алады және қашу жұмысын орындай отырып, металды қалдырады: hv=A+mv2 2 , мұндағы mv2 - электрон металдан шыққан кезде алатын максималды кинетикалық энергия. Ол анықталуы мүмкін: mv22 = eU. U - кернеуді ұстап тұру. Эйнштейннің теориясында фотоэффект заңдылықтары былайша түсіндіріледі: Жарықтың интенсивтілігі жарық сәулесіндегі фотондар санына пропорционал, сондықтан металдан жұлынған электрондар санын анықтайды. Екінші заң теңдеуден шығады: mv22=hv-A. Сол теңдеуден фотоэффект жұтылған фотонның энергиясы электронның металдан шығу жұмысынан асып кеткен жағдайда ғана мүмкін болады деген қорытынды шығады. Яғни жарықтың жиілігі әрбір зат үшін анықталған белгілі бір мәннен асуы керек, тең Ah. Бұл минималды жиілік фотоэффекттің қызыл шекарасын анықтайды: λo=Ah λo=cvo=chA. Жарықтың төменгі жиілігінде фотонның энергиясы электронның жұмыс істеуі үшін жеткіліксіз, сондықтан фотоэффект болмайды. Эйнштейннің кванттық теориясы Столетов белгілеген тағы бір заңдылықты түсіндіруге мүмкіндік берді. 1888 жылы Столетов фототок фотоэлементтің катодын жарықтандырумен бір мезгілде дерлік пайда болатынын байқады. Классикалық толқындық теорияға сәйкес, жарық электромагниттік толқын өрісіндегі электрон ұшуға қажетті энергияны жинақтау үшін уақытты қажет етеді, сондықтан фотоэффект кем дегенде бірнеше секундқа кешігумен жүруі керек. Бойынша кванттық теорияда фотонды электрон жұтқанда фотонның барлық энергиясы электронға ауысады және энергияны жинақтау үшін уақыт қажет емес. Nhv=A+mv22, бұл қызыл шекараға сәйкес келеді.
4. Фотоэффектті медицинада қолдану Жұмыс принципі фотоэффектке негізделген электровакуумды немесе жартылай өткізгіш құрылғыларды фотоэлектрондық деп атайды. Олардың кейбірінің құрылғысын қарастырайық. Ең көп таралған фотоэлектрондық құрылғы фотоэлемент болып табылады. Сыртқы фотоэффектке негізделген фотоэлемент электрондар көзінен - жарық түсетін фотокатод К мен А анодынан тұрады. Бүкіл жүйе шыны ыдысқа салынған, одан ауа сорылады. Фотосезімтал қабат болып табылатын фотокатодты шардың ішкі бетінің бір бөлігіне тікелей жағуға болады. Суретте фотокатодты тізбекке қосу схемасы берілген. Вакуумдық фотоэлементтер үшін жұмыс режимі қанықтыру режимі болып табылады, ол жарық ағынының әртүрлі мәндерінде алынған I-V сипаттамаларының көлденең қималарына сәйкес келеді. Фотоэлементтің негізгі параметрі оның сезімталдығы болып табылады, ол фототок күшінің сәйкес жарық ағынына қатынасы арқылы өрнектеледі. Вакуумдық фотоэлементтердегі бұл мән шамамен 100 мкАлм мәніне жетеді. Фототоктың беріктігін арттыру үшін газбен толтырылған фотоэлементтер де қолданылады, оларда инертті газда өздігінен қараңғы разряд пайда болады, ал екінші реттік электронды эмиссия - металдың беткі қабатын алғашқы электрондар шоғымен бомбалау нәтижесінде пайда болатын электрондардың эмиссиясы. Соңғысы фотоэлектронды көбейткіштерде (ПЭ) қолданылады. ҚЭУ сызбасы күріш. суретте көрсетілген. Фотокатодқа түсетін К фотондар бірінші электродқа (динодқа) бағытталған электрондарды шығарады Э1. Екіншілік электронды эмиссия нәтижесінде осы динодтан оған түскеннен гөрі көбірек электрондар ұшып шығады, яғни электрондардың көбеюі жүреді. Келесі динодтарда көбейген электрондар бастапқы фототокпен салыстырғанда жүздеген мың есе күшейтілген ток түзеді. ФЭУ негізінен шағын сәулелік ағындарды өлшеу үшін қолданылады, атап айтқанда олар ультра әлсіз биолюминесценцияны тіркейді, бұл кейбір биофизикалық зерттеулерде маңызды. Сыртқы фотоэффект кескінді спектрдің бір аймағынан екіншісіне түрлендіруге, сондай-ақ кескіндердің жарықтығын арттыруға арналған электронды-оптикалық түрлендіргіштің (ЭОП) жұмысына негізделген. Ең қарапайым ЭОП сызбасы күріш. 4. Мөлдір фотокатодқа проекцияланған объектінің 1-ші жарық бейнесі электронды кескін 2 түрлендіріледі. Электродтардың жеделдетілген және фокусталған электр өрісі Э электрондар люминесцентті экранға түседі Е. Мұнда катодолюминесценцияның арқасында электронды кескін қайтадан жарыққа айналады. Медицинада ЭОП рентгендік кескіннің жарықтығын арттыру үшін қолданылады, бұл мүмкіндік береді адамның сәулелену дозасын айтарлықтай азайтыңыз. Егер EOP сигналы теледидар жүйесіне сканерлеу түрінде берілсе, онда теледидар экранынан объектілердің "жылулық" бейнесін алуға болады. Температурасы әртүрлі дене бөліктері экранда түрлі-түсті кескіндегі түсімен немесе кескін ақ-қара болса, жарықпен ерекшеленеді. Термографияда тепловизор деп аталатын мұндай техникалық жүйе қолданылады. Клапанды фотоэлементтердің вакуумдық фотоэлементтерге қарағанда артықшылығы бар, өйткені олар ток көзінсіз жұмыс істейді. Осындай фотоэлементтердің бірі - мыс оксиді - суретте көрсетілген. 5. Сурет: 5. Электродтардың бірі ретінде қызмет ететін мыс пластинасы мыс оксидінің жұқа қабаты Cu2O (жартылай өткізгіш) арқылы қапталған. Мыс оксидіне металдың мөлдір қабаты (мысалы, Ai алтыны) жағылады, ол екінші электрод ретінде қызмет етеді. Егер фотоэлемент екінші электрод арқылы жарықтандырылса, онда электродтар арасында фото-ЭҚК. пайда болады, ал электродтар жабылған кезде электр тізбегінде жарық ағынына байланысты ток пайда болады. Клапанның фотоэлементтерінің сезімталдығы люмендерге бірнеше мың микроамперге жетеді. Күн радиациясы үшін 15% -ке тең жоғары тиімді клапанды күн батареялары негізінде спутниктер мен ғарыш аппараттарының борттық жабдықтарын қуаттандыру үшін арнайы күн батареялары жасалады. Фототок күшінің жарықтандыруға тәуелділігі (жарық ағыны) фотоэлементтерді жарық өлшегіш ретінде пайдалануға мүмкіндік береді, бұл санитарлық-гигиеналық практикада және экспозицияны анықтау үшін суретке түсіру кезінде қолданылады (жарық өлшегіштерде). Кейбір клапан фотоэлементтері (күкірт-талий, германий және т.б.) инфрақызыл сәулеленуге сезімтал, олар қыздырылған көрінбейтін денелерді анықтау үшін қолданылады, яғни. көру қабілетін кеңейтетін ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.