1 дәріс. Модельдеудің түсініктемелері. Модельдеу мақсаты
жүктеу/скачать 0,51 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Рентген сәулелері. Рентген түтікшесі
| математикалық моделдеу
Дәріс мақсаты: Физикадағы компьютерлік моделдеу, физикалық процестерді компьютерлік моделдеу жайында түсінік беру. Жоспар: Компьютерлік моделдеу Физикалық процестерді математикалық моделдеу. Тақырыптың қысқаша мазмұны: Физикалық білім адамның өзін қоршаған табиғатты танып зерттеуінің нәтижесі. Ол нақты ғылым элементтерін құрайтын түсініктер, заңдар, теориялар түрінде қалыптасады. Сабақты тиімді ұйымдастырудың ұтымды жолдарының бірі – динамикалық компьютерлік моделдерді (ДКМ) қолдану. Физика сабағында жаңа технологиялық материалды түсіндіру барысында қолданылатын ДКМ-дің кейбір ерекшеліктерін толығырақ тоқталайық. ДКМ-ді қолдану құбылыстардың механизмін түсіндіруде ерекше рол атқарады. 11-класс оқушыларымен өткізілетін сабақ барысынан мысал келтірейік. Сабақтың тақырыбы: Фотоэффект. Орта мектептің физика сабағында жарық кванттары таруының негізгі түйіні болып есептелетін фотоэффект құбылысы мен заңдарын түсіндіру кезінде қолданылып жүрген тәжірибелерден оқушылар электрометр разрядын, яғни, фотоэффект құбылысының соңғы нәтижесін көреді. Құбылыстардың механизмі оқушылар үшін көрінбейді. Бұл жеткіліксіздікті ДКМ-ң көмегімен түзетуге болады. ДКМ құбылыстың барысын түсініп білуге көмектеседі. Бұл тәжірибенің механизмін терең түсіну үшін компьютер экранында кескінделген қондырғының схемасы пайдаланылады. Мырыш пластинаны электрометрге қосып, оны теріс зарядпен зарядтайды. Егер пластинкаға схемадағы 1-ші түймені шерту арқылы ультракүлгін сәуле түсірсек, пластина разрядала бастайды. Сәуле жолына 2-ші түймені шерту арқылы кедергі қойылса, разрядталу тоқтайды. Ал пластинаны 3-ші түймені шерту арқылы оң зарядпен зарядтасақ, онда сәуле түскенмен электрометр разрядталуды көрсетпейді. Мұны бір ғана жолмен түсіндіруге болады. Жарық электрондарды пластинаның бетінен ыршытып шығарады. Егер ол теріс зарядталса, электрондар одан тбіліп, электрометр разрядталады. Пластинада оң заряд болғанда жарық әсерінен ыршып шыққан электрондар пластинаға тартылады да, лның бетіне қайта шөгеді. Сондықтан, электрометрдің заряды өзгермейтіндігін айтамыз. Берілетін сәуленің интенсивтілігін 4-ші түймені шерту арқылы арттырса, разрядталу жылдамырақ жүретіндігін көреді.
Сондықтан электометрдің заряды өзгермейді. Яғни, фотоэффект – жарықтың әсерінен металдардан электрондардың ыршып шығу құбылысы. Фотоэффект құбылысын тереңірек зерттеу үшін жоғарыдағы 1-суретте кескінделген құрылғының жұмыс жасау механизміне толығырақ тоқталайық. Құрылғының басты бөлігі – вакуумдық фотоэлемент, оның көмегімен фототоктың берілетін кернеуге, жарық интенсивтілігіне және оның спектральдық құрамына тәуелделігі зерттеледі. Мұнда анод (А) пен катод (К) пластинкалары ішінен ауасы шығарылған шыны түтіктің ішіне орнатылған. Бұл түтіктің бүйіріндегі кварц шынымен жабылған кішкене саңылаудан түсірілген монохрамат жарық әсерінен К пластинка бетінен электрондар бөлініп шығады, олар К мен А арасында батарея қоздырған электр өрісінде қозғалып оң полюспен жалғастырылған А пластинкаға барады, одан әрі сыммен жүріп миллиамперметрден өтеді, тізбекте фототок байқалады. Фототок күші миллиамперметрмен, А мен К пластинкалары арасындағы потенциалдар айырмасы вольтметрмен өлшенеді. Тәжірибеге қарағанда А мен К пластинкалары потенциалдарының айырмасы нолге тең болған жағдайда да тізбекте фототок болады. Әсер етуші жарықтың спектрлік құрамы мен оның ағынының қуаты тұрақты болған жағдайда фототоктың күші А мен К пластинкаларының потенциалдар айырмасына тәуелді болады. Үдетуші потенциалдар айырмасы артқанда фототок күші де артады. Үдетуші потенциал мәні бір белгілі шамаға жеткен соң фототок күші артпайды, фототок күші қанығу мәніне жетеді. Яғни, алдымен тәжірибе жүзінде қанығу тогы болатындығы, оның мәні жарық интенсивтілігне тәуелді екендігі анықталады. Өлшеу нәтижесінде фототоктың кернеуге және жарық интенсивтілігіне тәуелділігінің графигі салынады. Мұнда интенсивтілігіне сәйкес қанығу тогы , ал интенсивтілігіне сәйкес қанығу тогы (). Фотоэффект туралы толығырақ түсінік алу үшін, металдың бетінен жарықтың әсерінен ыршып шығатын электрондардың санын және олардың жылдамдығын немес кинатикалық энергиясын анықтап алу керек. Осы мақсатта ДКМ-ді пайдаланып оқушылардың өздеріне эксперименттік зерттеулер жүргізуді ұсынамыз. Олар: компьютер экранында көрініп тұрған 1-ші түймені шертіп фотоэлементтің кварц шынымен жабылған кішкене саңылауына ултьракүлгін сәулелерді бағыттайды. Сонда катодтан электрондар бөлініп шығады. Катодпен анодтың арсындағы батареясы тудырған электр өрісінің көмегімен электрондар анодқа қарай қозғала бастайды. Катод пен анодтың арасындағы кернеу потенциометрдің, яғни 2-ші түйменің көмегімен реттейді. Ол вольтметрмен өлшенеді. Катод пен анодтың арасындағы потенциалдар айырмасы нолге тең болғанда да, қарастырып отырған тізбекте фототок болатынын тәжірибеден көреді. Олай болса, пластина бетінен ұшып шыққан фотоэлектрондардың кинетикалық энергиясы бар. Егер электронның массасы деп, оның бастапқы ең үлкен жылдамдығын десек, онда бұл фотоэлектронның кинетикалық энергиясы: өрнегімен анықталады. Анод пен катод арасындағы электр өрісінің тарапынан пайда болатын кедергіні жеңіп шығуға фототэлектронның кинетикалық энергиясы жұмсалатынын көреді. Фотоэлектронның кинетикалық энергиясы электрон заряды мен бөгеуші потенциалдың көбейтіндісіне тең: ; мұндағы -бөгеуші потенциал, -электрон заряды. Пластинаға әсер етуші жарықтың спектрлік құрамы мен оның ағынының қуаты тұрақты болғанда фототоктың күші (І) пластинкалардың арасындағы потенциалдар айырмасына тәуелді болады. Потенциалдар айырмасы артқан сайын, фототок күші де арта түсетінін, ал ол белгілі бір мәнге жеткенде, қанығу мәніне жететінін көреді. Сонда, жарық әсерінен фотокатодтан бір секундта бөлініп шыққан электрондар анодқа түгел жетеді. Оқушылар, катод пен анод арасындағы кернеудің таңбасы мен шамасын өзгерте отырып, яғни 3 және 4-ші түймелерді шертіп, қанығу тогын таба алады: Iқанығу , -электрондар саны. Оқушылар 5-ші түймені солдан оңға қарай жылжыта отырып, түсетін сәуленің жиілігін өзгертеді. Бұдан, олар түскен сәуленің жиілігі артқанда фотоэлектрондардың жылдамдығы артатынын, ал жиілігі кемігенде фотоэлектондардың жылдамдығы кемитінін көреді. Бұдан оқушылар мынадй қорытынды жасайды: 1.Фотоэлектрлік қанығу тогы жарық ағынына тура пропорционал: Iқанығу , -пропорционалдық коэффициент. 2.Фотоэлектрондардың жылдамдығы түсетін жарықтың жиілігі артқан сайын көбейе түседі. Фотоэлектронның жылдамдығы жарықтың интенсивтілігіне байланысты болмайды. ; . 3.Фотоэффект құбылысы жарық жиілігінің белгілі бір мәнінде пайда болады: . Осы мәнді фотоэффектінің қызылшекарасы деп атайды. Әртүрлі металдардың қызылшекарасы түрліше болады. Уақыт бірлігінде металдан ыршып шығатын электрондардың саны неғұрлым көп болса, соғұрлым электрометрдің разрядталуы тез жүреді; электронның жылдамдығы неғұрлым көп болса, соғұрлым күштірек тежеу өрісін қолдану керек. Бұдан оқушылар, пластинкадан электрондардың бөлініп шығуына қарсы тұру үшін, фотоэффектінің екі басты сипаттамасын – ток шамасын және электрондардың жылдамдығын білулері қажет екенін түсінеді. Өрістің тежелу шамасы арқылы біз ұшатын электондардың жылдамдығын анықтай аламыз . Осы материалды бекіту кезінде ДКМ-ді қолданғанда оқушылардың өздері алған, фотоэффект заңдарын анықтайтын шамалардың арасындағы байланысты көрсетейік: 1) , , . Осы берілген шартта экраннан электронның анодқа жетпейтіндігін көруге болады. 2)шартты өзгертейік: , , -бұл кезде де электрон анодқа жетпейді. 3)бастапқы шартты қалдырып, те -мәнін өзгертейік: , , - бұл кезде электрон анодқа жетеді. 4)тек түсетін жарық толқынының ұзындығын өзгертеміз: , , -жарық фотоэффект құбылысын қоздыра алмайды. Фотоэффект қозу үшін болуға тиісті. -фотоэффектінің қызыл шекарасы. Қорыта айтқанда, компьютерлік модельдің динамикалылығы әртүрлі жағдайлар кезінде, мысалы: катодтан анодқа электрондар ұшып жетуі немесе жетпей қалуын көруге оқушыларға мүмкіндік беріп, оларды қорытынды жасауға итермелейді. Сабақтың тақырыбы: Рентген сәулелері. Рентген түтікшесі Бұл тақырыпты қарастырған кезде рентген сәулесіне анықтама бермес бұрын оқушыларға ретнген түтігінің құрылысы мен жұмыс істеу принципін таныстыратын және техникада пайдаланылатын жерлерін көрсететін ДКМ-ді ұсынуға болады. Оқушылар компьютер дисплейінде рентген түтігін көреді де (2-сурет), оның құрылысымен танысады. Одан кейін арнайы түймелерді шертіп, рентген түтігін іске қосады. 1-ші түймені шертіп тәжірибе режимін, яғни стандарт тәжірибені таңдап алып ДКМ-ді іске қосады. Бұл кезде оқушылар компьютер дисплейінен рентген түтігінің ішінде катод (К) пен анод (А) орналасатынын, түтікшеде электрондар ерекше батареямен немесе қыздыру трансформаторымен қыздырылып, өте қызған катодтың (К) вольфрам спиралынан ұшып шығатынын байқайды. Ұшып шыққан электрондар ағыны анодтың бір орнына шоғырланып соғылуы үшін вольфрам спиральды әдетте металл циллиндрдің ішіне орналастырылатынын көреді.
пайда болатынын, сәуле анод бетінен тарайтындығын көреді. Анод электрондардың күшті соқтығысына түскенде өте қызатынын, сондықтан да оны ерекше тетік арқылы сумен әлсін-әлсін салқындатындығын көреді. Сонда, рентген сәулелері шыны түтікшенің қабырғасындағы бериллийден жасалған терезеден өтіп сыртқа шығатынын байқайды. ДКМ-нің барысын талқылай ккеліп, оқушылар өздері мынадай қорытынды жасайды: Рентген сәулелері дегеніміз - өте тез қозғалып келе жатқан электрондардың кенеттен тежелгенде пайда болатын электромагниттік сәулеленуі. Рентген сәулелерін алу үшін арнаулы түтіктер қолданылады. Бұл түтіктің ішіндегі ауа сиретілген, оның қысымы 10-5 – 10-7 мм.сын.бағ. тең болады. Енді рентген сәулесін түтікшенің сыртында зерттеуге болады. Ол үшін арнайы түймелерді шертіп тәжірибе режимін таңдап алып, ДКМ-ді іске қосамыз. Яғни, 2-ші түймені шертіп келесі тәжірибеге көшеміз. Ол кезде оқушылар компьютер дисплейінен қара қағазға оралған фотопластинкаға рентген сәулесін түсіргеннен кейін, пластинканы өңдегенде оған жарық сәулесі әсер еткендегідей қарайып кететіндігін көреді. Осы тәжірибенің 2-ші кезеңінде оқушылар компьютер дисплейінен, рентген түтікшесі қараңғыда жұмыс істеп тұрғанын және одан шыққан рентген сәулесінің таралу жолына күкіртті мырышпен жабылған картон экран қойылғанда, онда экранға жасыл көгілдір жарық түсетіндігін көреді. Рентген сәулелері электр өрісінде де магнит өрісінде де бұрылмайды (3-сурет(а)).
Осыдан кейін ДКМ-нің барысын талқылай келіп, оқушылар өздері мынадай қорытынды жасайды: Рентген сәулесі газдарға әсер еткенде оларды иондайды. Рентген сәулелері электр өрісінде де магнит өрісінде де бұрылмайды. жүктеу/скачать 0,51 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|