ЯДРОЛЫҚ ФИЗИКАДАН ЕСЕПТЕРДІ ШЫҒАРУ ӘДІСТЕМЕСІ

Есеп шығару процесі күрделі, оны мынадай кезеңдерге бөлуге болады: 1) есептің берілгенін оқып, жаңа терминдердің, қиын ұғымдардың мағынасын түсіну; 2) есептің шартын қысқаша жазу; 3) есепті талдау, берілген есепте қарастырылатын физикалық процестер мен заңдылықтарды түсіну; 4) есеп шығарудың жоспарын құру (тәжірибе жасау), есепке керекті тұрақтыларды және кестелік мәндерді жазу; 5) физикалық шамаларды ХБЖ жүйесінде жазу; 6) ізделініп отырған физикалық шамамен берілген шамалардың арасындағы заңдылықта тауып, оны жазу; 7) теңдеулерді құру және оларды шешу; 8) ізделініп отырған шаманы есептеу; 9) алынған жауапты талдау.

Физикада есептерді көптеген белгілері бойынша классификациялайды: мазмұнына, қойылуына, сұрақты зерттеу тереңдігіне, шығару тәсіліне, қиындық дәрежесіне байланысты және т.б.

Сұрақтарды зерттеу тереңдігіне байланысты есептерді сапалық және есептеу (сандық) есептері деп ажыратады. Сапалық есептерді әдетте меңгерілген материалды бекіту құралы ретінде қолданады. Сапалық есептерді шығару әдістеріне қарай оларды екі топқа ажыратамыз: 1. Қарапайым сапалық есептер: оларды шешу бір физикалық заңдылыққа негізделеді, мұнда ой қорыту тізбегі қарапайым. 2. Күрделі сапалық есептер: бұл бірнеше қарапайым есептердің жиынтығы болып келеді. Оларды шешуде біршама күрделі ой қорыту тізбегін құруға тура келеді және бірнеше физикалық заңдылықтар талданады.

Сапалық есептерді шығарудың әдістемесі мынадай: 1)есептің шартын оқу, оның шартындағы барлық терминдерді анықтау (мағынасын түсіну); 2) есептің шартын талдау, физикалық құбылысты анықтау, түсіну; 3) талдаудың аналитикалық-синтетикалық тізбегін құру; 4) алынған жауапты оның физикалық мағынасымен түсіндіру. Сапалық есептке мысалдар қарастырайық.

Бірінші мысал: Неліктен сүрініп кеткен адам алға қарай құлайды?

Бұл есепте басты мәселе инерция құбылысы болып табылады. Сондықтан бұл есепті шешуде ой қорыту тізбегі инерция құбылысын сипаттайтын физикалық заң негізінде құрылады. Қарастырып отырған жағдайда бұл - Ньютонның бірінші - инерция заңы. Есепті шығару барысында оқушылар заңның негізгі тұжырымдамасын еске түсіреді. Инерция заңын есепке қолдана отырып, мынадай қорытынды жасайды: сүрінген кезде адамның алға қарай құлау себебі қандай да бір кедергінің салдарынан сүрінген аяғы тоқтайды, ал дененің басқа бөлігі инерция бойынша алға қарай қозғалуын жалғастырады [9].

Сапалық есептерде физикалық формулалармен өрнектелетін әртүрлі тәуелділіктер де қолданылуы мүмкін.

Екінші мысал: Қандай тәсілмен адам еденге түсіретін қысымын екі есе арттыруға болады?

Алдымен физикалық мәнін талдайық. Есепте қысым жайында сұралып тұр. Қысым - қысым күшінің модулінің ауданға қатынасымен анықталады. . Ендеше қымыс күші сияқты ауданға да тәуелді. Сондықтан біріншіден, дәл сол ауданға түсіретін қысым күшін екі есе арттырып қысымды екі есе арттыру. Мұны мынадай тәсілмен жүзеге асыруға болады. Адам қолына өз салмағына тең қосымша жүк алып тұруы керек.

Екіншіден, ауданда екі есе кемітіп қысымды арттыруға болады. Ол үшңн адамға бір аяғымен тұру жеткілікті және өз тепе - теңдігін бұзбас үшін өз қалпын сәл өзгертсе жеткілікті.

Есептерді шығарудың басты шарты - оқушылардың бойында физикалық заңдылықтар жайында білім қорының болуы, физикалық шамаларды дұрыс түсіну, сондай - ақ оларды өлшеу тәсілі мен өлшеу бірлігін білуі болып табылады. Есеп шығару барысында оқушылардың алған білім қоры бекиді, шығармашылық қабілеттері және т.б. дамиды.

Физикадан әдістемелік құралдарда анализ бен синтез екі тәуелсіз әдіс ретінде мейлінше жиі қарастырылады. Алайда бұлай бөлінуді дәл сол мағынасында түсінуге болмайды. Синтез бен анализ есептерді шығаруда, ойлау үрдісіндегі индукция және дедукция сияқты бөлінбейді. Физикалық есептерді шығырған да анализ бен синтезді қолданады (бірге алынғандағы), яғни практикада аналитика-синтетикалық әдіс қолданылады [10].

Бұл әдіспен есептің сұрағанын бастай отырып, анализ жолымен шығырғанда, оны шығару үшін не істеу керектігін айқындайды және біртіндеп күрделі есепті жай есептер қатарына жіктей келе, шартында берілген белгілі шамаларға дейін жетеді.

Одан кейін синтез көмегімен пайымдауды кері тәртіпте жүргізеді: белгілі шамаларды пайдалана отырып, бірқатар амалдарды жүргізіп барып, нәтижесінде белгісізді табады.

Осы айтылғандарды ҮІІ сыныпқа арналған мына есепті алып түсіндірейік:

Шынжыртабан трактордың тіреу бөлігі 2 м, ал ені 50 см болғанда массасы 10 т осы трактордың топыраққа түсіретін қысымын табыңыз.

Анализ. Трактордың топыраққа түсіретін қысымын анықтау үшін оның ауырлық күшін және тіреу ауданын білу керек. Ауырлық күші есепте берілмеген, тіреу ауданы көрсетілмеген. Жалпы тіреу ауданын, яғни екі шынжыртабанныңтіреу бөлігінің ауданын анықтау үшін бір шынжыртабанның тіреу бөлігінің ауданын біліп алу керек және оны 2-ге көбейту керек. Шынжыртабанның тіреу бөлігінің ауданын анықтауға болады, үйткені ені мен ұзындығы белгілі. Трактордың ауырлық күшін оның белгілі массасы бойынша табуға болады.

Синтез. Пайымдау ретпен жүргізіледі, шығару жоспары құрылады және қажетті есептеулер жүргізіледі. Паймдау жүйесі шамамен мынандай.

Шынжыртабанның тіреу бөлігінің ені мен ұзындығын біле отырып, бір шынжыртабанның тіреу ауданын анықтауға болады. Ол үшін ұзындығын еніне көбейту керек.

Бір шынжыртабанның тіреу ауданын біле отырып, трактордың жалпы тіреу ауданын анықтау керек. Ол үшін табылған ауданды, яғни бір шынжыртабанның тіреу бөлігінің ауданын 2-ге көбейту керек.Трактордың массасын біле отырып, оған әсер ететін ауырлық күшін табады. Трактордың ауырлық күші мен оның тіреу аудандары бойынша трактордың топыраққа түсіретін қысымын анықтауға болады. Ол үшін трактордың ауырлық күшін оның тіреу ауданына бөлу керек.

Күрделі есептерді шығарудың келтірілген схемасы оқушылардың лоны ңмазмұны мен шығару барысын біртіндеп жан-жақты ойластыруын қамтамасыз етеді.

Келтірілген схема үлгі ретінде алынған. Әрбір есепті шығарған сайын барлық кезеңін қолдану міндетті емес. Мысалы, есептеу есептерін шығару кезінде шешуді жалпы түрде үнемі орындай бермейді; сұрақ-есептерді шығарған кезде есептеулердің қажеттігі болмай қалады.

Күрделі есепті шығару әдістемесінің кейбір кезеңдерінің сипатына қысқаша тоқталайық.

Есептің шартын оқығаннан соң, мұғалім жаңа терминдердің, қиын ұғымдардың мағынасын түсіндіреді (егер оның қажеттігі болса). Кейде мұғалім оқушылардан жаңа терминдерді олрдың қалай түсінетінін өздері түсіндіруін ұсынады. Талқылау нәтижесінде дұрыс түсінікке келеді. Осыдан кейін есептің шартының қысқаша жазылуын ойластырады.

Осыдан кейін мұғалім, есептің шартын толық мағынасында түсінгендеріне көз жеткізу үшін, оқушыларға бірнеше сұрақтар қояды. Осыған байланысты оқушылар есепті шығару үшін суреттерді (схемаларды, сызбаларды) және таблицалық мәліметтерді пайдалану қажет пе, соны анықтайды.

График есептерді шығарғанда статика бойнша сызба есепті оқу барысында орындалуы мүмкін. Бірқатар басқа жағдайларда алдымен есептің шартына сәйкес жұмыс сызбасын салып алады да, шығару барысында оны ұқыпты қарап, масштабы және қажетті қатыстарды сақтай отырып орындайды. Оқушылар сызбаны дәптерлеріне салады.

ҮІІ сыныптан бастап, қадам басқан сайын, шыдамдылықпен есептің дұрыс шешімін табу үшін есептің анализін жүргізу керек, өйткені бұл оқушылардың логикалық ойлауын дамытып, есептерді саналы тұрғыдан қарауға тәрбиелейді. Сабақта есепті талдауды көбінесе ұжымдық түрде мұғалімнің оқушылармен әңгімесі түрінде өткізеді, оның барысында мұғалім өзара логикалық байланыста болатын мәселелерді талқылау нәтижесінде біртіндеп оқушыларды есептерді шығарудың неғұрлым тиімді әдісіне алып келеді.Кейде бір ғана есептің бірнеше варианттарын қарастыру пайдалы, оларды салыстырып және неғұрлым ұтымдысын алу керек. Оқушыларға есепті өз бетінше әбден саналы және негізделген пайымдауларды талап ете отырып, анализдеуге өнебойы үйретіп отыру қажет.

Есептің жауабы айқын ерекшеленіп көрсетілуі керек, мысалы оның асты сызылады. Осының бәрі оқушыларды айқындыққа және ұқыптылыққа үйретеді.

Бұл кемшілікті болдырмау үшін оларды алдағы күткен нәтижені «нобайлауға» немесе алдын ала есептеуді пайдалануға. Сондай-ақ шыққан жауаптың реалдығы тұрғысынан сын-анализ және шығарылып отырған есептің шартына сай ма, осыларға сын-анализ жасауға үйрету пайдалы. Оқушыларды жауаптың тәртібін сақтай бағалауды, тек математикалық тұрғыдан ғана емес, физикалық тұрғыдан да бағалай білуге үйрету қажет, мысалы мына сияқты жауаптардың мағынасыздығын оқушылар бірден көруге тиіс: қандай да бір механизмнің п.ә.к. 100%-тен артық, судың қалыпты жағдайдағы температурасы 0^0С-тан аз немесе 100⁰С-дан көп, темірдің тығыздығы 78 г/см³.

Оқушылар есептің шешуінің дұрыстығын тексеру үшін оны басқа тәсілмен шығарып, нәтижелерді салыстырып, сондай-ақ физикалық шамалардың атау бірліктерімен операцияларды орындай отырып және жауабын есептеп шығуға тиіс атауларымен салыстыра отырып тексереді.

Оқушылардың есепті шешудің атау бірліктеріне операциялар жасау жолымен тексеру әдісін қолдану дағдыларына машықтануына тиісті көңіл бөлу керек. Сабақта оны бірнеше қайтара пайдаланған соң тексерудің осы әдісінің алгоритмін біруге болады.

Табылған шешудің жалпы түрде дұрыстығын тексеру үшін, шешуін өрнектейтін формулаға әріпті белгілеулердің орнына физикалық шамалардың атау бірліктерін қойып, оларға шамалармен орындалатын операциялар жасаймыз. Мысалы, «қалбыр-кеменің» суға шөгу тереңдігін анықтауға арналған формуланы таптық делік:

Шешуді тексеру үшін әріптердің орнына физикалық шамалардың бірліктерін қоямыз:

Нәтижесінде м (метр) шығады, яғни ұзындықтардың атау бірлігі, есептің шартына сай келетіннің өзі осы еді. Егер ізделінді шамаға сай емес атау шықса, онда бұл- есеп шешуінің дұрыс еместігінің айғағы.

Берілген әдіс шешуінің дұрыстығын сенімді айқындаудың қажетті шарты, бірақ көп жағдайларда жеткіліксіз болып табылады. Мысалы, есептеулер барысында оқушы сандық коэффицентті жазбай кетсе немесе оны дұрыс жазбаса, нәтиженің атауына бұл нұқсан келтірмейді де, қате байқалмай қалуы мүмкін. Сондықтан берілген әдісті басқалармен үйлестіре қолдану керек [13]. Эксперименттік есептерді шығару әдістемесіне тоқтала кетейік. Эксперименттік есептерді шығару әдістемелері оларды шығарудағы эксперименттердің роліне едәуір байланысты. Егер, мысалы, есепте шығаруға қажетті барлық мәліметтер болса және тәжірибенің көмегімен жауабын тексеру қажет болса, онда есептің қысқаша жазылуын төмендегі мәліметтерге сай жүргізеді.

Кейбір физика бойынша эксперименттік есептер сабақта фронтальды түрде қойылуы мүмкін. Мұндай есептердің мысалдары: «Сызғышты пайдаланып, судың стақанның түбіне түсіретін қысымын өлшеу» (ҮІІ сынып). «Электр шамы тұтынатын токтың қуатын анықтау» (ҮІІІ сынып). Бұл жағдайда олар фронталь тәжірибелердің ролін атқарады.

1. 
   Ұзындық бірлігі- метр (м);
   
2. 
   Масса бірлігі- килограмм (кг);
   
3. 
   Уақыт бірлігі- секунд (с);
   
4. 
   Ток күші бірлігі- ампер (А);
   
5. 
   Термодинамикалық температура бірлігі- кельвин (К);
   
6. 
   Зат мөлшері- моль (моль);
   
7. 
   Жарық күші бірлігі- кандела (Кд);
   

8. 
   Жазық бұрыш бірлігі- радиан (рад);
   
9. 
   Денелік бұрыш бірлігі- стерадиан (ср).
   

ХБЖ жүйесінің туынды бірліктерімен бірге, пайдалануға болатын қосымша 19 бірлік бар, бұлар: тонна, минут, сағат, күн, бұрыштық градустар және оның бірліктері: цельсия градусы (⁰С), диоптрия (оптикада), массаның атомдық бірлігі (м.а.б.), электронволдьт- (эВ).

Есеп шығаруда қорытынды формулаға сай сандардың өзін жаза салуға болмайды, міндетті түрде цифрлардан кейін туынды бірлікті жазу керек. Мысалы, V=25/5=5 м/с деп жазу дұрыс емес, ортадаға шамадан кейін (м/с) бірлігін қосып жазу керек.

Берілген шамаларды есептеуге ыңғайлы болу үшін, сан мәндерін СИ жүйесінде жазғанда, оларды дәреже көрсеткіштері арқылы өрнектеген жөн, ал қорытынды шаманы қысқаша, үлестік таңбамен жазуға болады. Мысалы, есептей келгенде мынадай шамалар шықты делік: 10^-3 м, 100 000 кВт. Бұларды былай жазған ыңғайлы: 1 мм, 100 МВт. [14].

Атомдық және ядролық физика бойынша оқытылатын оқу материалының көлемі жыл сайын көбейіп, артып келеді. Бұл жағдай оқу материалын қандай дидактикалық принциптер: оңайдан қиын материалға көшіп отыру, теориялық талдау негізінде, өмірмен байланыстыру, эксперименттік дәлелдеу және т.с.с. негізінде баяндауды таңдап алу ісін қиындатуда. Қазіргі мектеп оқулықтарында бұл тараудың материалдарын тарихи принцип тұрғысынан түсіндіру дұрыс деп қабылданып отыр,-деп көрсеткен белгілі әдіскер М.А.Құдайқұлов [15]. Мұның негізінде қандай ғылыми - теориялық және техникалық жаңалықтардың қалай ашылғандығы, атомдық физика туралы ілімнің дамыған кезеңдері, оның эксперименттік дәлелдері мен қарама-қайшылықтары хронологиялық ретпен орны-орнымен айқын айшықталады. Атомдық және ядролық физика тарауын оқытудың бір қиыншылығы аз уақыт аралығында біршама күрделі құбылыстар мен процестерді баяндау екендігі сөзсіз. Бұл қиыншылықтан шығудың бір жолы атомдық және ядролық физика құбылыстарының басты мәселелерін түсіндіру барысында анимациялық-компьютерлік технологияның мүмкіндігіне жүгіну. Себебі, атомдық және ядролық құбылыстар мен процестердің мән мағынасын эксперименттің көмегінсіз білім алушыларға түсіндіру мүмкін емес. Сонымен бірге атомдық және ядролық физиканы оқытуда пәнаралық байланысты жүзеге асырудың маңызы зор. Ядродағы физикалық құбылыстарды білім алушыларға түсіндірудің бір қиыншылығы – олар көзге көрінбейтін, қолмен сезінуге болмайтын құбылыстар. Оларды эксперименттік тұрғыда сабақта түсіндіруге де қажетті демонстрациялық немесе зертханалық приборлар жоқтың қасы әрі жасау да оңай емес. Сондықтан ядролық физика туралы бірқатар кинофильмдерді, электронды зертханаларды, бейне материалдарды сабақта тиімді пайдалану өте қажет. Атом және атом ядросы жайлы негізгі мәселелер жүйесін түсіндіруде ең алдымен, атом құрылысының күрделі екендігіне білім алушылардың көзін жеткізу керек. Ол үшін радиоактивтілік құбылысын қарастыруға болады. Радиоактивтілік – кейбір заттардың өзінше сәуле шығару қасиеті екендігі түсіндіріледі. Оның шындық факт екендігі радиоактивті элементтің ионизациялау, жылу және химиялық әсерлері арқылы дәлелденеді. Яғни радиоактивті сәулелердің жәрдемімен зарядталған электроскоптың ионизациялануы, ыдыстағы судың жылынуы, фотопластинкадағы кескіннің өңделіп байқалуы баяндалады. Ендеше, радиоактивті құбылыс – атомның ішінде өтетін процестің нәтижесі деп ой түйіндейміз.

Бұдан, атом күрделі бөлшек, оның құрылысы қандай, ол өзі қандай бөлшектерден тұрады? деген заңды сұрақ туындайды. Бұл көрсетілген сұраққа жауап ретінде Резерфордтың іргелі тәжірибесі түсіндіріледі. Атомның ядродан және электроннан құралатындығы дәлелденеді. Теориялық тұрғыдан Резерфорд және Бор модельдері арқылы айқындала түседі. Атом ядросының құрылысын анықтау туралы зерттеуле Резерфордтың  азот атомын  бөлшекпен атап көрсетіледі: ( He4 ) атқылау тәжірибесінен (1919ж.) басталғаны He 4  N 14 , o17  H1 Осылайша жасалған көптеген тәжірибелердің нәтижесінде ядроның протон (H1) деп аталатын жаңа бір бөлшегі табылғандығы түсіндіріледі. Сондай-ақ, ядроның нейтрон жайлы түсінік беріледі: (n1) еген тағы бір бөлшегінің табылғаны Be9He4,o12n1 Атом ядросының протондар мен нейтрондардан тұратындығы, ядродағы олардың сандары жайлы (MZN) Д.Д.Иваненконың теориясы баяндалады. Ядроны құрайтын бұл бөлшектердің өзара әсерлесу энергиясы өте үлкен, ол ядролық энергия деп аталатын, уранның ядросын ыдырату процесінің пайдалы екендігі ерекше атап көрсетіледі. Уран қазандарында жүретін сондай тізбекті реакциялардың негізінде ядролық энергия алынып, оның практикалық мақсаттарда қолданылуы баяндалады. Нақты мысал ретінде атом электр станциясы мен ядролық бомбаның жұмыс принциптері түсіндіріледі. Мұның негізінде «атом қандай күрделі болса, электрон да сондай сарқылмайды, табиғат шексіз...» екендігі дәлелденеді.

Қазіргі уақытта ядродағы нейтрондардың біреуі протонға айналғанда, электрон шығатыны анықталды. Екіншіден, электронды жұту нәтижесінде протон нейтронға айнала алады. Фотондардың электрондар мен позитрондарға және олардың керісінші түрленуі – материя қасиеттерінің сарқылмастығына жақсы дәлел екендігін айтып, білім алушыларға кең философиялық, ой салумен дәрісті аяқтаған тиімді. Ядролық процестерге байланысты мәселелерді қарастырғанда Резерфорд ұсынған планетарлық моделінің ашылу тарихынан сыр тартып, басқа да физик ғалымдардың ерен еңбектері туралы айтқан дұрыс. Мысалы, 1911 жылы Эрнест Резерфорд өзімен бірге жұмыс жасайтын Гейгер мен Мардсенге: радиоактивті заттарды шығаратын -бөлшектерімен өте жұқа алтын қабыршағын атқылаңдар да, одан бөлшектердің қалай өтетіндігін байқаңдар және олардың шашырау бұрышын анықтаңдар деген проблема қояды [16].

Енді ядролық физика тарауынан есептер қарастырайық.