Квантовая физика является молодой наукой, что не мешает появлению в ней фантастических гипотез. Перспективы квантовой физики способны поразить любое сознание. Вот лишь несколько примеров: появление квантовой криптографии, основанной на передаче информации отдельными фотонами, и развитие квантового компьютера, который использует квантовую суперпозицию и квантовую запутанность для работы с информацией.
Хотите понять квантовую физику? Не пытайтесь ассоциировать эту науку с классической физикой. Тогда вы сможете взглянуть на мир иначе.
Квантовая гипотеза Планка
Днём рождения квантовой физики считается 14 декабря 1900 года, когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым им излучением. Он гласил: энергия электромагнитной волны может излучаться и поглощаться исключительно целыми порциями — квантами. Формула энергии кванта:
e = nh,
где e — энергия излучения, n — частота излучения, h — постоянная Планка.
Это предположение показывало, что законы классической физики неприменимы к микромиру.
Квантовая физика простым языком — поймут все
где h — постоянная Планка, n — частота электромагнитного излучения, A — работа выхода, mv^2/2— кинетическая энергия вышедшего электрона.
Это уравнение объясняет все законы внешнего фотоэлектрического эффекта:
- Суммарное число фотоэлектронов, покидающих поверхность вещества, прямо пропорционально числу фотонов, попадающих на поверхность вещества.
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона зависит от частоты электромагнитного излучения и работы выхода, но не зависит от интенсивности электромагнитного излучения.
- Для каждого вещества есть граница частоты электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта. Она зависит от работы выхода, химической природы вещества и состояния поверхности.
Благодаря явлению внешнего фотоэффекта мы смотрим фильмы со звуком. Фотоэлемент позволял превратить звук, запечатлённый на киноплёнке, в слышимый. Свет обычной лампы проходил через звуковую дорожку киноплёнки, преобразовывался и попадал на фотоэлемент. Чем больше света проходило через дорожку, тем громче был звук в динамике.
Не начинайте изучение квантовой физики со сложных математических формул. Улавливайте суть законов и экспериментов.
Формирование квантовой механики
Матричная механика Гейзенберга
В 1925 году Вернер Гейзенберг сформулировал теорию квантовой механики.
Квантовая механика — раздел квантовой физики, описывающий свойства и строение субатомных частиц и их систем.
Метод Гейзенберга требовал работы с матрицами (математическая таблица, представляющая набор упорядоченных чисел). Отсюда название — матричная механика. Теория объясняла, как происходят квантовые скачки.
Квантовый скачок — переход квантовой системы (в частности атома) с одного энергетического уровня на другой.
Подход Гейзенберга включал два компонента:
- Полный набор частот, на которых излучает атом вследствие квантового скачка;
- Вероятности, в соответствии с которыми происходят скачки;
Замысел матричной механики заключался в том, что физические величины, характеризующие частицу, описываются матрицами, изменяющимися во времени.
где Δx— неопределённость координаты пространства, Δv — неопределённость скорости частицы, h — Постоянная Планка, m — масса частицы.
Принцип неопределённости также связывает иные пары характеристик, например, энергию квантовой системы и момент времени, когда квантовая система обладает ей.
Подходящей аналогией является фотографирование движущегося объекта. Объект, сфотографированный с длительной экспозицией, размывается. Это демонстрирует, как движется объект, но не где он находится. Наоборот: можно определить местоположение объекта, сфотографированного с короткой экспозицией, но не то, как он движется. Однако следует понимать, что принцип неопределённости не ориентирован на наблюдателя, а показывает природу частиц.
Есть закрытый ящик, в котором находится живой кот и механизм: счётчик Гейгера с радиоактивным веществом, молоток и колба смертельного яда. Колба может быть разбита механизмом, приводимым в действие радиоактивным распадом. Однако распад носит вероятностный характер — 50/50. Если распад произойдёт, то молоток разобьёт колбу и смертельный яд убьёт кота.
Если распада не произойдёт, то механизм не сработает и кот будет жив. Шрёдингер заключил, что пока мы не откроем ящик и не узнаем состояние кота, то он жив и мёртв одновременно.
Квантовая физика — FAQ
Это были основы квантовой физики, которые необходимо знать для базового понимания. Однако осталось несколько интересных вопросов:
Что такое квант простыми словами?
Квант — наименьшая неделимая порция чего-либо, в частности энергии. Понятие кванта ввёл Макс Планк.
Что такое квантовые компьютеры и существуют ли они в реальности?
Квантовый компьютер — вычислительное устройство, использующее явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки информации. И он существует. Наибольший составлен из семи кубитов. Этого хватит, чтобы разложить число 14 на простые множители: 7 и 2. Пока что нет квантового компьютера для практического применения, однако его появление поможет человечеству решить медицинские проблемы, расшифровать генетический код и выйти за рамки материального мира. Поэтому многие страны финансируют десятки миллионов долларов на создание квантового компьютера.
Когда появится квантовое шифрование (квантовая криптография)?
Пока что о квантовой криптографии говорят в будущем времени. Однако первый протокол был создан в 1984 году и носил название BB84. Замысел квантового шифрования состоит в том, чтобы передавать информацию отдельными фотонами. Главным теоретическим недостатком квантового шифрования является низкая пропускная способность.
Как проявляется квантовая запутанность?
Если выбрать одну частицу из определённого количества частиц и повлиять на неё, то состояние изменится у остальных частиц, независимо от условий. Явление квантовой запутанности — основа квантовой телепортации.
Что такое сверхпроводимость?
Свойство некоторых металлов при охлаждении до абсолютного нуля полностью терять сопротивление электрическому току.
Свет — частица или волна?
Свет не является ни частицей, ни волной, приобретая их свойства только в некотором приближении.
Что такое квантовый двигатель?
Квантовый двигатель — механизм, который выполняет работу без потерь энергии, сил трения и теплообмена с окружающей средой.
Что такое эффект наблюдателя?
Эффект наблюдателя — теория о том, что наблюдение за объектом изменяет его свойства.
Как возникает квантовое поле?
В квантовых полях процесс передачи взаимодействия происходит квантами, в качестве которых выступают элементарные частицы с фиксированными физическими характеристиками. Таким образом, взаимодействующие частицы имеют квантованные характеристики и взаимодействие между ними передаётся квантовым полем со своими квантованными характеристиками.
Из чего сделан квантовый камуфляж?
Квантовый камуфляж сделан из оксида самария и никеля и позволяет спрятаться от инфракрасных камер.
Книги о квантовой физике
Если вы хотите и дальше познавать квантовый мир, рекомендуем следующие книги:
- «Квантовая вселенная. Как устроено то, что мы не можем увидеть» — Кокс Б., Форшоу Д.
- «Фейнмановские лекции по физике», «Кэд — странная теория света и вещества» — Ричард Фейнман
- «Сейчас. Физика времени» — Ричард Мюллер
- «Квант» — Джим Аль-Халили
- Серия книг «Физика для всех» Льва Ландау и Александра Китайгородского
- «Основы квантовой механики. Учебное пособие» — Л.В. Тарасов
- «В поисках кота Шрёдингера» — Гриббин Дж.
Фильмы о квантовой физике
Если вас больше интересуют фильмы:
- «Тайны квантовой физики / The Secrets of Quantum Physics». BBC
- «Параллельные миры». National Geografic
- «Квантовая физика невозможного: Нарушая временные границы». Discovery
Источник: ratenger.com
что такое квантавая физика. в каком классе ее изучют
Не боись тебе это не светит. Если говорить о настоящей квантовой физике.
Квантовая механика — это раздел физики, изучающий движение микрообъектов, обладающих ничтожно малой массой. С основами данной науки знакомятся при изучении элементарных частиц, из которых состоят атомы.
Квантовая физика — раздел теоретической физики, грубо говоря, касающийся изучения объектов в микромасштабах. Изучают ее в вузах, бакалавры и специалисты физических профилей. И то только некоторые разделы квантовой механики. Квантовую электродинамику в вузах не учат, т. к. она нужна узким специалистам и очень сложна.
Источник: sprashivalka.com
Элементы квантовой теории в современной школе
Цели и задачи раздела программы квантовая физика в профильных классах общеобразовательной школы
Данный раздел является заключительным в школьном курсе физики. Он признан, систематизировать и обобщать огромный багаж знаний построению вещества, накопленных школьниками на протяжении всего физики и химии. В этом разделе должны быть раскрыты важные диалектические выводы о познаваемости мира, учащиеся должны получить представление об идеях квантовой теории. Одной из центральных методических задач, при изучении данного раздела является формирование у школьников понятия о дискретном характере изучения и поглощении света, и о значении квантовой теории в современной физике.
Последний раздел школьного курса физики оказывает влияние на воспитание и развития школьников. Для развития мышления широко используются такие приемы как сравнение, систиматезирование, классификация. Например, полезно предложить сравнивать свойства жидкости и ядра атома (модель жидкой капли).
Материал раздела предоставляет большие возможности для организации самостоятельной деятельности школьников Полезно широко использовать периодическую систему Менделеева и предложить учащимся самостоятельно определить состав ядер некоторых элементов на ее основе.
Так как данным разделом завершается весь курс физики, то он приобретает большое значение в формировании научного мировоззрения школьников, в раскрытии современной картины мира.
Особое значение при изучении этого направления приобретает проблема наглядности моделирования выступают графические образы, энергетические уровни, облако вероятности, потенциальная кривая. Это дает возможность повысить уровень абстрактного мышления школьников.
На изучения раздела квантовая физика в школьном курсе общеобразовательной школы отводится тридцать два часа по программе Мякишева Г.Я., в профилирующих классах отведено сорок шесть часов. Программа общеобразовательной школы усиливает внимание к вопросам квантовой физики, в профильных классах, этот раздел разделен на три темы. Первая тема «Cветовые кванты. Действие света.
Корпускулярно-волновой дуализм». Центральной задачей этой темы является формирование у школьников понятия о дискретном характере излучения и поглощения энергии, о квантах света, о квантовой теории и ее значения в современной физике.
Изучение фотоэффекта, законов, которым подчиняется это явление, их объяснение на основе квантовой теории света, изучение химического действия света и его давления представляют большие возможности для развития понятия фотон (квант света), формирование которого было начато еще в курсе биологии VIII класса и в курсе химии Х класса, а также для раскрытия перед учащимися правомерности использование закона сохранения и превращение энергии применительно к объяснению световых явлений.
Одна из важнейших задач темы — ознакомление одиннадцатиклассников с применением явления фотоэффекта, в технике, химического действия света, с ролью фотосинтеза в природе и способами использования этого явления в интересах человека.
В процессе изучения квантовой оптики школьники убеждаются в том, что фотон — это не абстракция, позволяющая удобно описать оптические явления, а реальная частица.
В теме представляется возможным особенно ярко, полно показать школьникам взаимосвязь и взаимообогащение общефизических, релятивистских, квантовооптических и философских понятий — диалектически — противоречивый характер развития науки (на примере представлений о природе света); продемонстрировать школьникам особенности диалектического стиля мышления многих выдающихся ученых- физиков (М. Планк, А. Эйнштейн, А.Г. Столетов, К.А. Тимирязева и других.).
Ознакомление с жизнью и деятельностью выдающихся прогрессивных ученых, внесших свой вклад в раскрытие сложной природы света и закономерностей, которым подчиняются световые явления, помогают понять учащимся, что настоящий ученый это еще и общественный деятель. Ознакомление с дуализмом свойств света, убеждение в материальности его способствует формированию понятия о современной — полевой физической картине мира.
В мире атома вместо классических законов движения — законов Ньютона — действуют особые квантовые. В наиболее доступной и достаточно наглядной форме они выглядят в волновой теории де Бройля — Шредингера.
Как известно, 1923 году Луи де Бройль высказал гипотезу о волновых свойствах микрочастиц (электронов) : движению микрочастиц, имеющих импульс р, сопоставлена некая волна, характеризуемая соотношением де Бройля:
Где h-постоянная Планка, л-длина волны.
Эта идея была навеяна давно известной в физике аналогией Гамильтона между законами геометрической оптики и законами движения корпускул. С другой стороны, в современной оптике установлено единство корпускулярно — волновых свойств света: будучи электромагнитной волной, свет проявляет свойство корпускул (фотонов). Де Бройль предложил, что имеется аналогия не только между механикой и геометрической оптикой, но и между волновой оптикой и движением вещества: волновой оптике следует сопоставить некую волновую механику. Установленные для света отношения:
Де Бройль распространил и на частицы вещества. Так появилась формула де Бройля.
Корпускулярно — волновая идея де Бройля сформировалась не только под влиянием оптика — механической аналогии, но и в связи со странными для классической механики дискретными энергетическими состояниями электронов в атомах, установленными теорией Бора.
В этой теме изучаются также волновые свойства микрочастиц (электронов, нейтронов, атомов) подтверждены многочисленными опытами по наблюдению дифракционной и интерференционной картин, полученных от пучков частиц. В качестве дифракционных решеток в этих опытах применяются кристаллические тела так же, как и в опытах с рентгеновскими лучами. Возможно следующее распределение материала:
На изучение темы программой предусмотрено 13 часов. В соответствии с этим можно рекомендовать следующее распределение материала темы по урокам:
- 1-й урок. Понятие о квантовой теории (зарождение квантовой теории). Внешний фотоэффект. Вентильный фотоэффект Работы А.Г. Столетова по изучению фотоэффекта.
- 2-й урок. Законы фотоэффекта. Теория фотоэффекта Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Объяснение законов фотоэффекта на основе квантовой теории света.
- 3-й урок. Фотоны. Величины, характеризующие фотон. Опыты С.И. Вавилова по наблюдению флуктуации света.
- 4-й урок. Решение задач на уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
- 5-й урок. Элементарные акты взаимодействия фотонов с частицами вещества на примере взаимодействия фотонов с электронами.
- 6-й урок. Применение фотоэффекта. Фотоэлементы, их применение в автоматике.
- 7-й урок. Запись и воспроизведение звука оптическим методом.
- 8-й урок. Давление света. Опыты П.Н. Лебедева по обнаружению давления света.
- 9-й урок. Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза де Бройля.
- 10-й урок Химическое действие света. Работы П.П. Лазарева по изучению химического действия света. Фотография, ее применение в научных исследованиях, техники и других областях жизни.
- 11-й урок. Решение задач. Фотосинтез.
- 12-й урок. Учебный семинар обобщающего характера по материалу тем’ Световые кванты. Действия света «. «Корпускулярно-волновой дуализм»
- 13-й урок. Контрольная работа по темам Световые кванты. Действия света. Корпускулярно-волновой дуализм
Вторая тема, которая рассматривается в квантовой физике,- это «физика атома «. В данной теме систематизируются и обобщаются знания школьников по строению вещества, полученные на протяжении всего курса химии и физики, должны быть раскрыты диалектические выводы о качественном своеобразии законов микромира и их познаваемости, получены представления об идеях квантовой теории.
Состояние микрочастиц описываются в квантовой механике волновой функцией, квадрат модуля которой и определяет вероятность пребывания частицы в данном месте и в данное мгновение. Волновая функция вычисляется с помощью уравнения Шредингера.
Данная тема подводит итог в формировании научного мировоззрения школьников, обобщает связь химических свойств атомов со структурой электронных оболочек вещества, электрические и магнитные свойства вещества, а также линейчатый спектр атомов и спектральный анализ. Все эти факты и явления определяют то большое значение, которое имеет в современной науке учение о строении атома.
Изучение явлений на субатомном уровне раскрывает идею познаваемости природы и неисчерпаемости материи, формируя тем самым диалектическое мышления школьников.
На изучение программы в профильном классе предусмотрено 6 часов, в данной работе предлагается увеличить до 9 часов, так как эта тема дает возможность произвести количественные расчеты (постулаты Бора, опыт Томсона).
В соответствии с этим рекомендуется следующее распределение материала:
- 1-й урок. Повторение вопросов химии и физики, связанных со структурой атомов.
- 2-й урок. Открытие электрона. Модель атома Томсона, ее недостатки.
- 3-й урок. Строение атома. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома.
- 4-й урок. Лабораторная работа на тему опыты Резерфорда.
- 5-й урок. Недостатки планетарной модели. Квантовые постулаты Бора.
- 6-й урок. Решение задач по теме квантовые постулаты Бора.
- 7-й урок. Модель атома водорода по Бору. Стационарные состояния и их экспериментальное подтверждение.
- 8-й урок. Объяснение некоторых явлений на основе квантовых представлений.
- 9-й урок. Семинар на тему современная модель атома.
Третья тема, которая рассматривается в разделе квантовая физика — строение ядра, элементарные частицы, ядерный реактор. Квантовая природа микрочастиц проявляется и в ядерной физике. При описании ядерных явлений действует определенный набор чисел (так называемых магических), характеризующих структуру и свойства ядер. Вероятностный характер микропроцессов проявляется в статистическом законе радиоактивного распада.
На изучение темы программой предусмотрено 20 часов, возможно следующее распределение материала:
- 1-й урок. Методы наблюдения и регистрация частиц.
- 2-й урок. Радиоактивность.
- 3-й урок. Закон радиоактивного распада.
- 4-й урок. Решение задач на закон радиоактивного распада.
- 5- урок. Открытия нейтрона.
- 6-й урок. Свойства нейтрона и протона.
- 7-й урок. Состав ядра. Изотопы.
- 8-й урок. Энергия связи ядер.
- 9-й урок. Ядерные реакции.
- 10-й урок. Искусственная радиоактивность.
- 11-й урок. Энергетический выход ядерных реакций.
- 12-й урок. Реакция деления ядер.
- 13-й урок. Цепная реакция деления ядер.
- 14-й урок. Ядерный реактор. АЭС.
- 15-й урок. Решение задач по теме деление ядер.
- 16-й урок. Получение радиоактивных изотопов и использование их в сельском хозяйстве, промышленности, науке и медицине. Понятие о дозе излучения и биологической защите.
- 17-й урок. Что такое элементарная частица? Свойства элементарных частиц, методы их изучения.
- 18-й урок. Открытие позитрона, античастица. Распад нейтрона. Открытие нейтрино. квантовый физика радиоактивный
- 19-й урок Превращение частиц вещества в кванты поля и обратные превращения.
- 20-й урок. Обобщения по теме квантовая физика.
Остановимся более подробно на второй теме, в которой изучаются представления об атоме, модель Томсона, открытие электрона, опыты Резерфорда, планетарная модель атома, постулаты Бора, модель атома водорода по Бору- Зоммерфельду.
Эта тема в школьном курсе не раскрыта полностью, не освещены такие вопросы как открытие электрона (которое имеет большое значение для развития представлений о строении атома), изучается только два постулата Бора и не учитывается взаимосвязь между спектрами и строением атома, а также ничего не говориться о модернизации теории Бора. Следует рассказать основные открытия, которые внесли большой вклад в эволюцию представлений об атоме, а также о первых атомных моделях, рассказать о дальнейшем развитии представлений об атоме, и о современной модели атома.
Источник: studwood.net
КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Лекция 35. Научно-методический анализ структуры и содержания квантовой физики в средней школе
I. Всего на изучение раздела отводится 35—40 ч учебного времени, в курсах повышенного уровня — 48 ч. В том и другом случаях структура раздела примерно одинакова (рис. 83). В действующей программе вопросы объединены в две темы.
В факультативных курсах и курсах повышенного уровня дополнительно рассматриваются следующие важнейшие вопросы: опыт Боте, соотношение неопределенностей, гипотеза де Бройля, квантово-механическое описание атома, понятие о нелинейной оптике, электронный микроскоп. Больше внимания уделяется изучению элементарных частиц. [1]
Одной из важнейших целей изучения раздела является показ особенностей объектов и явлений микромира и средств их описания. В связи с этим уже на вводном уроке показывается отношение между классической и квантовой механикой, которое затем расшифровывается и обогащается (табл. 24).
Классическая механика изучает движение материальных объектов.
Законы сохранения энергии, импульса и т. д.
Многие понятия: масса, импульс, энергия и т. д.
Система отсчета, свойства пространства и времени, описание взаимодействия с помощью энергии
Квантовая механика изучает движение разных объектов: микрочастиц и тел.
Различные средства описания движения.
Классическая механика есть частный предельный случай квантовой. Движение по траектории и вероятностный характер движения. Непрерывные и дискретные значения ряда величин и параметров
Из всех изучаемых в школе фундаментальных теорий квантовая физика исторически сформировалась позднее. Раздел изучается в конце школьного курса физики. Есть все условия на примере именно этой теории показать закономерности ее становления, раскрыть «драму идей», сделать важнейшие мировоззренческие обобщения.
Основные познавательные задачи при изучении раздела состоят в изучении законов микромира, в расширении представлений о строении вещества. Воспитательные задачи реализуются при рассмотрении исторических вопросов, при формировании политехнических знаний (фотоэлементы, спектральный анализ, ядерная энергетика и др.), при изучении экологических проблем и др. Как и прежде, развитие учащихся обеспечивается организацией познавательной деятельности.
III. К особенностям методики изучения раздела относится небольшое количество демонстрационных опытов, поэтому нужно широко использовать другие средства наглядности: материальные и идеальные модели, рисунки, чертежи, графики, видео. Причем наглядность больше чем где-либо связывается с активной работой с предметом усвоения, т. е. с моделью, графиком и др. Дидактические функции физического эксперимента при изучении квантовой физики расшифрованы на рис. 84.
Подготовка усвоения квантовой физики влияет на организацию деятельности учащихся при изучении раздела. Выделим основные направления пропедевтики:
- • формирование понятий, которые используются при изучении квантовой физики: атом, масса, взаимодействие, движение, дискретное изменение физических величин и др.;
- • формирование мировоззренческих и методологических знаний: познаваемость мира, теоретический и экспериментальный методы познания физических явлений, модели в системе нашего знания, структура физической теории и др.;
- • изучение роли физических взаимодействий при измерении;
- • формирование представлений о динамических и статистических закономерностях;
- • установление тесных межпредметных связей, прежде всего, с курсом химии.
Пропедевтика изучения квантовой физики обеспечивается вниманием к нужным знаниям и умениям как до изучения, так и во время изучения раздела.
IV. Особое (большее) значение при изучении квантовой физики имеет эффективное использование учебной книги. Приведем конкретные примеры, классифицируя их по компонентам содержания образования.
Передача знаний о физических явлениях, знаний о способах деятельности. Учитель руководит деятельностью учащихся следующим образом: предлагает задания и вопросы, контролирует выполнение и оценивает, делает замечания и дополняет, обращает внимание класса на отдельные части содержания. Мотивация деятельности зависит от характера постановки задания, от отношения учителя к работе учащихся и др.
1. Самостоятельная работа по изучению фотографии, составление плана ответа, решение задач (по вариантам) по данному материалу. Примеры заданий: «Чем именно процесс фотографирования доказывает наличие квантовых свойств света?», «Перечислите последовательность операций для получения фотографии»; «Какие особенности можно отметить при фотографировании в инфракрасных лучах?».
При подобной работе с текстом фактически происходит своеобразное моделирование информации текста, причем этот процесс может приводить к таким формам выражения информации, которые удобны для запоминания учащимся.
- 2. После изучения нескольких параграфов может быть предложено задание на выделение сторон главного понятия. Например, в ряде параграфов выделить главное о понятии «фотон».
- 3. Получение новых знаний и способов действий осуществляется, например, при самостоятельном определении постоянной Ридберга с помощью учебника (см. идею ранее). Примерные задания: «Прочитайте текст учебника. Выпишите формулу для частоты излучения атома водорода»; «Подумайте, какими способами можно вычислить постоянную Ридберга исходя из данной формулы и выражения для постоянной» (определение постоянной дает учитель)»; «Зная формулу для частоты, найдите выражение для постоянной Ридберга. Какие величины нужно знать для ее вычисления?»; «Используя текст учебника и картину линейчатого спектра атома водорода [2] , определите, какому переходу электрона соответствует красная линия»; «По рисунку из учебника определите длину волны выбранной линии спектра с точностью до двух знаков»; «Вычислите постоянную Ридберга».
Передача опыта способов деятельности. Формирование умений и навыков. Приведем примеры.
- 1. Главным приемом является решение разнообразных заданий, направленных на формирование общеучебных и специальных умений.
- • При каких условиях можно легко наблюдать явление фотоэффекта?
- • С какой целью была создана установка (см. рисунок учебника Г. Я. Мякишева, с. 260)? Можно ли с помощью такой установки наблюдать фотоэффект?
- • С помощью текста объясните график (см. рисунок учебника Г. Я. Мякишева, с. 261).
- • Перенесите график (рис. учебника) в тетрадь. Дополните его для случаев: а) большей частоты, но такой же интенсивности; б) большей частоты и большей интенсивности. Какой экспериментальный факт при изучении фотоэффекта оказался непонятен с точки зрения волновой теории?
- • Как и почему изменится скорость разряда электрометра в опыте Столетова, если бы цинковую пластинку заменили на медную?
- 2. Систематически выделять главное в части текста, параграфа, рисунка, схемы. Например: в чем выражается абстрактность (ограниченность) приведенных изображений? Каков главный вывод опытов Резерфорда? Опишите проведение опыта. Какими свойствами частиц обладают фотоны? Какова модель атома в квантовой механике?
- 3. При работе с учебником в классе уместно использовать следующие приемы: многократно проговаривать главную мысль текста; читать вслух планы параграфов или их частей; составлять блок-схемы или просто структурные схемы параграфа, нескольких параграфов, темы; специально выделять применение вводимых понятий, подчеркивать их значение; главные, стержневые мысли материала записывать в тетрадь, при этом учитывать логику познания физических явлений (обобщенные планы); следует практиковать составление учащимися заданий по тексту, по рисункам и др.
Передача опыта творческой деятельности. Здесь возможными приемами могут быть решение творческих заданий, работа над обобщением изученного, формирование методологических знаний.
- • На рисунке учебника показано распределение энергии в линейчатом спектре. Строго ли определенной частоте соответствуют линии линейчатого спектра?
- • О чем свидетельствует ширина линии?
- • Почему при демонстрации фотоэффекта пластинка заряжается отрицательно? Будет ли происходить явление фотоэффекта, если пластинку зарядить положительно?
- • По формуле Эйнштейна энергия кванта равна работе выхода и кинетической энергии электрона. Значит ли это, что энергия кванта делима? Почему?
- • Какие фундаментальные опыты способствовали возникновению квантовой физики? В чем их значение? Какие факты или опыты послужили экспериментальным доказательством истинности новых понятий («фотон», «уровни энергии»)?
Кроме учебника при изучении квантовой физики необходимо шире использовать хрестоматийный материал. Он может использоваться для решения разных задач: формирование познавательных (интерес к знаниям, способам добывания знаний и др.) и социальных (чувство долга и ответственности, оценка своей деятельности, престиж и др.) мотивов; углубление научных и политехнических знаний; осуществление воспитания
учащихся; формирование интеллектуальных (выделять главное, самостоятельно изучать материал, решать задания, осуществлять самоконтроль, мотивировать свою деятельность, обобщать и делать выводы) и практических (планирование деятельности, поиск ответа на вопрос и др.) умений.
Приведем примеры.
При изучении фотоэффекта целесообразно воспользоваться хрестоматией по физике. Там помещен отрывок из статьи А. Г. Столетова об открытии фотоэффекта [3] . Для организации беседы предлагаются задания: Как определял Столетов явление фотоэффекта? На основе какого результата Столетова можно сделать вывод о том, что количество фотоэлектронов прямо пропорционально интенсивности световой волны? Определил ли Столетов, что фотоэффект вызывается не любыми лучами? Какое значение для понимания фотоэффекта имеет следующий результат: «Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между моментом освещения и моментом соответствующего разряда не протекает заметного времени»?
Статья А. Эйнштейна «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» 1 [4] предлагается для домашнего чтения. Для активизации деятельности при работе со статьей следует задать вопросы: Отказывается ли Эйнштейн от волновой теории света, выдвигая гипотезу о квантах света? Говорится ли в данной части статьи о том, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами? Совпадает ли формула, приводимая в статье, с формулой фотоэффекта учебника? Не противоречит ли высказывание статьи «Однако нельзя исключить, что электроны воспринимают энергию световых квантов лишь частично. » утверждению учебника о неделимости кванта света?
Подобные вопросы вместе с хрестоматией можно предложить для работы в классе на оценку отдельным учащимся.
Лекция 36
- [1] Содержательно школьный раздел квантовой физики состоит из специально подобранных вопросов нерелятивистскойквантовой механики и ядерной физики. Сделана попытка теоретического обобщения материала, в большей мере она удалась по отношению к ядерной физике. Здесь основные идеи,подходы и результаты нашли более адекватное выражение, чемв отношении физики атома. Идеи и методы квантовой механики представлены скупо, не последовательно. Прежде всего, этоотносится к статистическим представлениям.
- [2] См. цветную вклейку, например, в учебнике: Физика. 11 класс / Г. Я. Мя-кишев [идр.]. М.: Просвещение, 2019.
- [3] Хрестоматия по физике. М. : Просвещение, 1987. С. 168—170.
- [4] Там же. С. 171—173.
Источник: studme.org
Квантовая физика для чайников. Что такое квантовая физика: суть простыми словами
Здравствуйте, дорогие читатели. Если вы не хотите отставать от жизни, хотите стать по-настоящему счастливым и здоровым человеком, вы должны знать о тайнах квантовой современной физики, хоть немного представлять до каких глубин мироздания докопались сегодня ученые. Вам некогда вдаваться в глубокие научные подробности, а хотите постигнуть лишь суть, но увидеть красоту неизведанного мира, тогда эта статья: квантовая физика для обычных чайников или можно сказать для домохозяек как раз для вас. Я постараюсь объяснить, что такое квантовая физика, но простыми словами, показать наглядно.
«Какая связь между счастьем, здоровьем и квантовой физикой?»- спросите вы.
Дело в том, что она помогает ответить на многие непонятные вопросы, связанные с сознанием человека, влияния сознания на тело. К сожалению, медицина, опираясь на классическую физику, не всегда нам помогает быть здоровым. А психология не может нормально сказать, как обрести счастье.
Только более глубокие познания мира помогут нам понять, как же по-настоящему справиться с болезнями и где обитает счастье. Это знание находится в глубоких слоях Вселенной. На помощь нам приходит квантовая физика. Скоро вы все узнаете.
Что изучает квантовая физика простыми словами
Да, действительно квантовую физику очень сложно понять из-за того, что она изучает законы микромира. То есть мир на более глубоких его слоях, на очень малых расстояниях, там, куда очень сложно заглянуть человеку.
А мир, оказывается, ведет себя там очень странно, загадочно и непостижимо, не так как мы привыкли.
Отсюда вся сложность и непонимание квантовой физики.
Но после прочтения этой статьи вы раздвинете горизонты своего познания и посмотрите на мир совсем по-другому.
Кратко об истории квантовой физики
Все началось в начале 20 века, когда ньютоновская физика не могла объяснить многие вещи и ученые зашли в тупик. Тогда Максом Планком было введено понятие кванта. Альберт Эйнштейн подхватил эту идею и доказал, что свет распространяется не непрерывно, а порциями – квантами (фотонами). До этого же считалось, что свет имеет волновую природу.
Но как оказалось позже любая элементарная частица, это не только квант, то есть твердая частица, а также волна. Так появился корпускулярно-волновой дуализм в квантовой физике, первый парадокс и начало открытий загадочных явлений микромира.
Самые интересные парадоксы начались, когда был проведен знаменитый эксперимент с двумя щелями, после которого загадок стало намного больше. Можно сказать, что квантовая физика началась с него. Давайте его рассмотрим.
Эксперимент с двумя щелями в квантовой физике
Представьте себе пластину с двумя щелями в виде вертикальных полос. За этой пластиной поставим экран. Если направить свет на пластину, то на экране мы увидим интерференционную картину. То есть чередующиеся темные и яркие вертикальные полосы. Интерференция это результат волнового поведения чего-либо, в нашем случае света.
Если вы пропустите волну воды через два отверстия расположенных рядом, вы поймете что такое интерференция. То есть свет получается вроде как имеет волновую природу. Но как доказала физика, вернее Эйнштейн, он распространяется частицами-фотонами. Уже парадокс. Но это ладно, корпускулярно-волновым дуализмом нас уже не удивить.
Квантовая физика говорит нам, что свет ведет себя как волна, но состоит из фотонов. Но чудеса только начинаются.
Давайте перед пластиной с двумя прорезями поставим пушку, которая будет испускать не свет, а электроны. Начнем стрелять электронами. Что мы увидим на экране за пластиной?
Электроны ведь это частицы, значит поток электронов, проходя через две щели, должны оставлять на экране всего две полосы, два следа напротив щелей. Представили себе камушки, пролетающие сквозь две щели и ударяющие об экран?
Но что мы видим на самом деле? Всю ту же интерференционную картину. Каков вывод: электроны распространяются волнами. Значит электроны это волны. Но ведь это элементарная частица.
Опять корпускулярно-волновой дуализм в физике.
Но можно предположить, что на более глубоком уровне электрон это частица, а когда эти частицы собираются вместе, они начинают вести себя как волны. Например, морская волна это волна, но ведь она состоит из капель воды, а на более мелком уровне из молекул, а затем из атомов. Хорошо, логика твердая.
Тогда давайте будем стрелять из пушки не потоком электронов, а выпускать электроны по отдельности, через какой-то промежуток времени. Как если бы мы пропускали через щели не морскую волну, а плевались бы отдельными каплями из детского водяного пистолета.
Вполне логично, что в таком случае разные капли воды попадали бы в разные щели. На экране за пластиной можно было бы увидеть не интерференционную картину от волны, а две четкие полосы от удара напротив каждой щели. То же самое мы увидим, если кидать мелкие камни, они, пролетая сквозь две щели, оставляли бы след, словно тень от двух отверстий.
Давайте же теперь стрелять отдельными электронами, чтобы увидеть эти две полосы на экране от ударов электронов. Выпустили один, подождали, второй, подождали и так далее. Ученые квантовой физики смогли сделать такой эксперимент.
Но ужас. Вместо этих двух полос получаются все те же интерференционные чередования нескольких полос. Как так? Такое может случиться, если бы электрон пролетал одновременно через две щели, а за пластиной, как волна сталкивался бы сам с собой и интерферировал. Но такое не может быть, ведь частица не может находиться в двух местах одновременно.
Она или пролетает сквозь первую щель или сквозь вторую.
Вот тут начинаются поистине фантастические вещи квантовой физики.
Суперпозиция в квантовой физике
При более глубоком анализе ученые выясняют что любая элементарная квантовая частица или тот же свет(фотон) на самом деле может находиться в нескольких местах одновременно. И это не чудеса, а реальные факты микромира. Так утверждает квантовая физика. Вот поэтому, стреляя из пушки отдельной частицей, мы видим результат интерференции. За пластиной электрон сталкивается сам с собой и создает интерференционную картину.
Обычные нам объекты макромира находятся всегда в одном месте, имеют одно состояние. Например, вы сейчас сидите на стуле, весите, допустим, 50 кг, имеете частоту пульса 60 ударов в минуту. Конечно, эти показания изменятся, но изменятся они через какое-то время. Ведь вы не можете одновременно быть дома и на работе, весить 50 и 100 кг. Все это понятно, это здравый смысл.
В физике микромира же все по-другому.
Квантовая механика утверждает, а это уже подтверждено экспериментально, что любая элементарная частица может находиться одновременно не только в нескольких точках пространства, но также иметь в одно и то же время несколько состояний, например спин.
Все это не укладывается в голову, подрывает привычное представление о мире, старые законы физики, переворачивает мышление, можно смело сказать сводит с ума.
Так мы приходим к пониманию термина «суперпозиции» в квантовой механике.
Суперпозиция означает, что объект микромира может одновременно находиться в разных точках пространства, а также иметь несколько состояний одновременно. И это нормально для элементарных частиц. Таков закон микромира, каким бы странным и фантастическим он не казался.
Вы удивлены, но это только цветочки, самые необъяснимые чудеса, загадки и парадоксы квантовой физики еще впереди.
Коллапс волновой функции в физике простыми словами
Затем ученые решили выяснить и посмотреть более точно, реально ли электрон проходит через обе щели. Вдруг он проходит через одну щель, а затем каким-то образом разделяется и создает интерференционную картину, проходя через нее. Ну, мало ли. То есть нужно поставить какой-нибудь прибор возле щели, который бы точно зафиксировал прохождение электрона через нее. Сказано, сделано.
Конечно, осуществить это сложно, нужен не прибор, а что-то другое, чтобы увидеть прохождение электрона. Но ученые сделали это.
Но в итоге результат ошеломил всех.
Как только мы начинаем смотреть, через какую щель проходит электрон, так он начинает вести себя не как волна, не как странное вещество, которое одновременно находится в разных точках пространства, а как обычная частица. То есть начинает проявлять конкретные свойства кванта: находится только в одном месте, проходит через одну щель, имеет одно значение спина. На экране появляется не интерференционная картина, а простой след напротив щели.
Но как такое возможно. Как будто электрон шутит, играет с нами. Сначала он ведет себя как волна, а затем, после того, как мы решили посмотреть прохождение его через щель, проявляет свойства твердой частицы и проходит только через одну щель. Но так оно и есть в микромире. Таковы законы квантовой физики.
Ученые увидели еще одно загадочное свойство элементарных частиц. Так появились в квантовой физике понятия неопределенность и коллапс волновой функции.
Когда электрон летит к щели, он находится в неопределенном состоянии или как мы сказали выше в суперпозиции. То есть ведет себя как волна, находится одновременно в разных точках пространства, имеет сразу два значения спина (у спина всего два значения). Если бы мы его не трогали, не пытались смотреть на него, не выясняли, где именно он находится, не измеряли бы значение его спина, он бы так и пролетел как волна одновременно через две щели, а значит, создал интерференционную картину. Его траекторию и параметры квантовая физика описывает с помощью волновой функции.
После того, как мы произвели измерение (а произвести измерение частицы микромира можно только взаимодействуя с ней, например, столкнуть с ней другую частицу), то происходит коллапс волновой функции.
То есть теперь электрон находится точно в каком-то одном месте пространства, имеет одно значение спина.
Можно сказать элементарная частица как призрак, она как бы есть, но одновременно ее нет в одном месте, и может с определенной вероятностью оказаться в любом месте в пределах описания волновой функции. Но как только мы начинаем с ней контактировать, она из призрачного объекта превращается в реальное осязаемое вещество, которое ведет себя как обычный, привычный для нас предмет классического мира.
«Вот это фантастика»- скажете вы. Конечно, но чудеса квантовой физики только начинаются. Самое невероятное еще впереди. Но давайте немного отдохнем от обилия информации и вернемся к квантовым приключениям в другой раз, в другой
статье. А пока поразмышляйте о том, что вы сегодня узнали. К чему могут привести такие чудеса? Ведь они окружают нас, это свойство нашего мира, хоть и на более глубоком уровне. А мы все еще думаем, что живем в скучном мире?
Но выводы сделаем позже.
Я попытался рассказать об основах квантовой физики кратко и понятно.
Но если вы что-то не поняли, тогда посмотрите вот этот мультик про квантовую физику, про эксперимент с двумя щелями, там также все рассказывается понятным, простым языком.
Мультфильм про квантовую физику:
Или можно смотреть вот этот видео, все станет на свои места, квантовая физика ведь очень интересна.
Видео о квантовой физике:
И как вы раньше об этом не знали.
Современные открытия в квантовой физике меняют наш привычный материальный мир.
Источник: zslife.ru