авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 12 |

«Министерство образования и науки Российской Федерации Научно-методический совет по физике Минобрнауки РФ Российская академия наук Московский государственный университет ...»

-- [ Страница 3 ] --

Базовая кафедра физического факультета создана с целью повыше ния качества подготовки специалистов в области критических и специаль ных радиоэлектронных микро- и нанотехнологий на основе инновационных исследований в соответствии с политикой СГУ в области обеспечения каче ства образовательных услуг и концепцией ОАО «Институт критических технологий» по привлечению молодежи к научно-инновационной деятель ности. Базовая кафедра образована на основе научно-исследовательских лабораторий конструкторского бюро критических технологий (КБ КТ) ОАО «Институт критических технологий», в котором, помимо штатных сотруд ников, работают по совместительству на оплачиваемых должностях препо даватели кафедры общей физики и студенты физического факультета.

Базовая кафедра «Физика критических и специальных технологий» во шла в кластер «Тантал–СГУ», представленный на открывшемся 19 декабря 2011 г. постоянно действующем инновационно-презентационном центре СГУ.

В развитии новых направлений активно участвуют студенты, бака лавры, магистры, аспиранты, докторанты, преподаватели физического фа культета университета, сотрудники ОАО «НИИ-Тантал».

Ректоратом СГУ поставлена задача согласовать с руководством ОАО «Тантал» и ОАО «НИИ-Тантал» создание нового совместного малого пред приятия внедренческого инновационного типа, обеспеченного всеми необ ходимыми лицензионными документами, высококвалифицированными кадрами, включая молодых выпускников СГУ, новым высокотехнологич ным измерительным оборудованием, лицензионными САПР, выходом на производителей с передовыми технологиями.

Методика преподавания общей физики в магистратуре НИЯУ МИФИ © Н. П. Калашников, С. С. Муравьев-Смирнов Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (Москва, Россия) SSMuravyevsmirnov@mephi.ru, kalash@mephi.ru Программа подготовки магистров является новой и приоритетной для Высшей школы физиков (ВШФ) им. Н.Г. Басова НИЯУ МИФИ [1]. В 2011 году проведен первый прием на конкурсной основе в магистратуру НИЯУ МИФИ выпускников технических Российских университетов, закончивших обучение по программе бакалавриата и специалитета. Анализ уровня знаний по общей физике на основании данных входного поточного тестирования [2] поступающих в магистратуру бакалавров и специалистов выявил серьезные недостатки в освоении базовых знаний. В ФГОС ВПО магистратуры не предусмотрен полноценный цикл общей физики. В случае продолжения образования по программам магистратуры в ведущих технических университетах (например, в НИЯУ МИФИ) им необходим дополнительный курс общей физики, доводящий их базовую подготовку до уровня, необходимого для освоения ООП ВПО. С учетом базовой подготовки поступающих в магистратуру ВШФ и пожеланиями выпускающих кафедр разработан учебный план новой дисциплины «Избранные главы общей физики» (ИГОФ), который включает 5 основных разделов: «Механика», «Молекулярная физика и основы термодинамики», «Электричество и электромагнетизм», «Оптика и электромагнитные волны», «Квантовая и атомная физика». Курс изучается на первом году магистратуры и длится один семестр.

Цели курса – дать общее представление о физической картине мира, установить действующие в нем законы, обобщая полученные на младших курсах знания, подготовить магистрантов к различным видам профессиональной деятельности, изучить основные методы физических исследований и обозначить области применения этих законов и методов, сформировать общекультурные и профессиональные навыки. Без общей физики практически бессмысленно преподавание любых технических специальных дисциплин, курсов теоретической физики.

Форма работы студентов в ходе изучения дисциплины предусмотрена в виде лекций, семинарских занятий, работы над типовыми расчетами (ТР), выдаваемыми в качестве домашнего задания индивидуально по вариантам.

Типовые расчеты включают как задачи простого уровня, так и задачи повышенного уровня сложности, что требует от студентов более глубокого изучения программного материала, не выходя за рамки обычной программы. В типовых расчетах также содержатся задания, для решения которых необходимо применение современных численных методов и знаний из разных разделов высшей математики. Учебное пособие [3] снабжено методическими рекомендациями с кратким теоретическим ведением, примерами решения задач, облегчающими самостоятельную работу студента. Дополнительным требованием от студентов магистратуры является написание отчета о выполнении ТР, в котором алгоритм самостоятельного решения должен сопровождаться необходимыми пояснениями, оставляя определенный простор для творчества. Этот отчет является небольшой исследовательской работой.

Объективная необходимость более углубленного изучения программного материала служит для решения одной из задач курса воспитание культуры системного мышления, навыков логического мышления, привычки обдумывать результаты, строить правильные рабочие гипотезы и четко формулировать задачу.

Практические семинарские занятия проводятся в форме коллективной работы по решению задач и разбору «трудных» примеров типовых расчетов. На каждом занятии проводится краткий опрос по теории.

Значительный объем трудозатрат по курсу отведен на самостоятельную работу студентов. В целях мотивации самостоятельной работы и обеспечения ее необходимого объема все виды аудиторной работы предполагают создание тематических проблемных ситуаций, рекомендуемых для самостоятельного анализа и последующего коллективного разбора.

Программа дисциплины ИГОФ предусматривает активное использование следующих методов обучения:

метод физических аналогий;

метод интеграции знаний из различных областей математики и чис ленных методов;

инновационный метод (использование образовательных Интернет ресурсов, исследовательские задачи, электронный учебник и задач ник);

метод рефлексии.

Первый из указанных методов воплощен в оригинальном изложении лекционного курса. Так теория вводится на примере решения задач и охватывает основные разделы классической физики, а также затрагивает темы, отражающие успехи фундаментальной и прикладной физики. Этот метод позволяет студентам глубже понять единство законов природы, а лектору сэкономить время на изучение отдельных разделов физики всего за один семестр. Второй метод реализуется при решении задач ТР повышенного уровня сложности. Это обеспечивает согласованность и преемственность содержания математической и естественнонаучной компоненты высшего профессионального образования для всех направлений магистратуры НИЯУ МИФИ. Эти методы отражают современные тенденции высшего и послевузовского образования в России и за рубежом [4]. Соответствующий подход к разработке методического обеспечения курса избранных глав общей физики был реализован с помощью уже имеющихся учебных пособий [5, 6].

Для оценки результатов деятельности студента по изучению дисциплины в течении семестра используется три показателя: участие в аудиторной работе (ответы при кратких опросах на семинарских занятиях), уровень выполнения ТР, посещение занятий. Курс длится один семестр и завершается экзаменом. На экзамене всем студентам предлагается после письменного ответа на вопросы билета дать оценку своему ответу, анализируя свою работу в течение всего семестра, выяснить, соответствовал ли изучаемый курс поставленной цели, достигли ли они положительного результата? Такой инструмент самооценки познавательного, творческого труда, рефлексии его собственной деятельности позволяют формировать «Портфолио студента». Но нужно сказать, что не всегда такая самооценка студента совпадает с мнением преподавателей. Преподаватели оставляют за собой право критически оценить ответ студента на экзамене.

Сделав определенные выводы в плане дальнейшего совершенствования уровня предмагистерской подготовки, можно с уверенностью сказать, что к сильной стороне методики преподавания общей физики в НИЯУ МИФИ, безусловно, относится то, что выделились студенты, способные и стремящиеся к интеллектуальному развитию, а так же выполнять сложные научно-исследовательские работы, выходящие за пределы общей физики. В связи с развитием направлений магистратуры в перспективе предполагается расширить курс ИГОФ до 2-х семестров и предусмотреть лабораторный практикум для отдельных специальностей и направлений. Данная методика позволяет адаптировать содержание учебной программы к возможностям конкретных студентов, создаёт благоприятные условия для формирования положительной мотивации обучения, адекватности самооценки, максимально возможной успешности обучения по направлениям магистратуры НИЯУ МИФИ для научных центров и академических институтов.

Литература 1. Завестовская И.Н., Крохин О.Н., Стриханов М.Н. Высшей школе физиков име ни Н.Г. Басова НИЯУ МИФИ 40 лет: итоги и пути развития // Физическое образование в вузах. Т. 17, № 4, 2011, С. 9–12.

2. Калашников Н.П., Рубин С.Г., Самарченко Д.А.. Тестовые технологии в учебном процессе НИЯУ «МИФИ» // Машиностроение и инженерное образование. 2010. № 2. С. 61–68.

3. Калашников Н.П., Смондырев М.А., Основы физики. Упражнения и задачи. – М.:

Дрофа. 2004. 464 с.

4. Суханов А.Д., Голубева О.Н. К проблеме междисциплинарного математического и естественнонаучного образования//Физическое образование в вузах. Т. 17, № 4, 2011, с.13-16.

5. Калашников Н.П., Смондырев М.А., Основы физики т.1. – М.: Дрофа. 2003. 400 с.

6. Калашников Н.П., Смондырев М.А., Основы физики т.2. – М.: Дрофа. 2004. 432 с.

Определение температуры стеклования полимерных композиционных материалов в курсе спецпрактикума для магистрантов физических специальностей © Р. А. Кастро, Е. Н. Лушин Российский государственный педагогический университет им. А. И. Герцена (Санкт-Петербург, Россия) lushin.ev@gmail.com Одной из важнейших задач, стоящих перед высшей школой, является повышение качества профессиональной подготовки педагогических кадров.

При этом становление молодого специалиста невозможно без знания современных методов исследования, контроля и управления технологическими процессами. Формирование и развитие экспериментальных навыков и умений позволяет выпускнику педагогического вуза более эффективно использовать теоретические знания в своей профессиональной деятельности.

Цель работы – выявление особенностей процессов диэлектрической релаксации для определения температуры стеклования в полимерных композиционных материалах (ПКМ).

Образцами для исследования служили ПКМ на основе поли-N метилаллил-5-винилтетразола (МПВТ-А), с использованием пластификаторов диметилформамид (ДМФА) (система № 1) и диметилфталат (ДМФ) (система № 2). Модификатором для образцов системы №2 являлся KNO3 (55 %). Отверждение исследуемых образцов осуществляли низкотемпературным отверждающим агентом ди-N-оксид 1,3-динитрил-2,4,6-триэтиленбензол (ТОН-2).

Измерения диэлектрических спектров проводились на установке «Concept 41» компании NOVOCONTROL Technologies GmbH & Со, которая состоит из частотного анализатора импеданса, измерительной ячейки, системы термостатирования, системы автоматического сбора данных и сосуда дьюара с системой испарения и подачи газообразного азота по методике, описанной в работе [1], в широком интервале частот (f = 10-1–106 Гц) и температур (T = 273–423 K).

В ходе исследования на температурной зависимости диэлектрического модуля M' (при частоте 1 Гц), обнаружено существование двух областей – от 273 K до 325 K и от 325 K до 393 К для системы образцов № 1 (рис. 1), от 273 K до 310 K и от 310 K до 393 K для системы образцов № 2 (рис. 2).

Первая область отмечена резким уменьшением M', столь существенные изменения температурной зависимости диэлектрических параметров, связано с главным температурным переходом из стеклообразного состояния в высокоэластическое (или наоборот).

Вторая область, соответствует области высокоэластического состояния. Анализ температурной зависимости показывает, что эта область характеризуется плавным снижением диэлектрического модуля и выходом его на устойчивое плато.

Температура, при которой происходит смена характера температурной зависимости диэлектрического модуля, равна Т = 325 K для 1-й системы образцов и T = 310 K для 2-й системы образцов. Эти температуры совпадают со значениями температур стеклования Tg, измеренными ранее в работах [2, 3], поэтому можно заключить, что измерение температурной зависимости M' является новым надежным альтернативным методом определения Tg для полимерных систем.

- ДМФА 0, 0, 0, M' 0, 0, 0, 0, 260 280 300 320 340 360 380 T (K) Рис. 1. Температурная зависимость диэлектрического модуля для образца системы № 0, - ДМФ [KNO3(55%)] 0, 0, 0, M' 0, 0, 0, 260 280 300 320 340 360 380 T (K) Рис. 2. Температурная зависимость диэлектрического модуля для образца системы № Литература 1. Кастро Р. А., Бордовский В. А., Грабко Г. И. // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. В. 17.

С. 9–15.

2. Петреков П. В. Исследование релаксационных свойств тетразолсодержащего полимера и модельных составов на его основе // Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Бийск, 2012.

3. Калинин М. А., Петреков П. В., Лушин Е. Н., Терещенко И. А., Сапожникова Т. В.// Тезисы и доклады IV-й Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых / АлтГТУ, БТИ. Бийск: Изд-во АлтГТУ, 2010. C. 59.

Антология общего физического практикума.

Часть III. Электричество и магнетизм.

© В. И. Козлов Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова (Москва, Россия) kozlov1937@mail.ru Физика как учебная дисциплина, будучи интересной и полезной сама по себе, еще представляет собой основу для познания многих других наук.

При изучении физики студенты, помимо посещения лекций и семинаров, работают в общем физическом практикуме. В учебных лабораториях, знакомясь с различными физическими явлениями на экспериментальных установках, собранных своими руками, студент как бы вживую видит перед собой осуществление различных физических явлений, действие описывающих их физических законов, а выполнение рекомендуемых ему измерений позволяет количественно оценить справедливость этих законов.

Кроме этого, большое значение имеет беседа с преподавателем, в которой проявляется истинное понимание студентом существа изучаемого им физического явления, способность выразить это понимание своими словами.

В настоящем докладе представляется книга, посвященная истории развития раздела «Электричество и магнетизм» общего физического практикума фактически за сто лет его существования. Первой книгой, посвященной практикуму, является книга, написанная профессором Московского университета А. П. Соколовым в 1909 г., – «Физический практикум». Уже в ней лабораторные работы, посвященные электромагнитным явлениям, занимают достойное место. В одной из работ производится «Сравнение горизонтальной составляющей земного магнетизма в двух местах вариометром Кольрауша». В другой – «Определение электродвижущей силы постоянного элемента при помощи тангенс-буссоли». Измеряется сопротивление проволок мостиком Уитстона, сопротивление жидкостей по способу Кольрауша, определяются электрохимические эквиваленты и др.

Лабораторные работы, созданные преподавателями различных вузов за последние сто лет как у нас в стране, так и за рубежом, сгруппированы по темам физических явлений, в них экспериментально изучаемых:

электростатика, пьезо- и сегнетоэлектрики, электронные явления, постоянный ток, магнетики, переменный ток, элементы радиофизики, электролиз, электромагнитные волны и другие.

Первоисточниками для написания настоящей книги послужили сборники лабораторных работ, изданные в различных вузах, материалы, опубликованные в различных журналах (в журнале «Физическое образование в вузах», реферативном журнале «Физика» и других) и материалы специализированных научных конференций («Учебный физический эксперимент: Актуальные проблемы. Современные решения», Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум» и других, проводимые на базе отдельных вузов).

Настоящая книга представляет собой попытку собрать воедино все самое интересное, что было сделано для общего физического практикума, и сделать это легко доступным преподавателям всех вузов, в особенности тем из них, которые ведут научно-методическую работу в практикумах.

Расположение материала в хронологической последовательности позволяет проследить появление в практикуме лабораторных работ, все более глубоко раскрывающих суть физических законов, фигурирующих в курсе молекулярной физики, расширяющих тематику практикума. При этом виден вклад в развитие практикума как отдельных вузов России, так и его вес в сравнении с разработками в зарубежных учебных заведениях.

В описаниях большинства лабораторных работ, как и в журнальных статьях и докладах на научно-методических конференциях, акцент авторами делается на какой-либо характеристике физического процесса, характеристике вещества, характеристике физического закона. Это, конечно, вполне оправданно. Но мне представляется, что в физическом практикуме, когда студент выполняет эксперимент, главным для него должен быть физический эффект, физическое явление, которое разворачивается перед его глазами. Исходя из этого, в настоящей книге я стремился произвести разбиение собранного материала по главам так, чтобы отдельные работы группировались именно по тому, какое физическое явление воспроизводится студентом в данной работе. Правда, при этом оказалось, что в ряде лабораторных работ реализуется не одно явление, а два или даже больше. Встречаются лабораторные работы, в которых авторами акцент делается на характеристике процесса, лишь формально используемой при его теоретическом описании. Так что произведенное распределение лабораторных работ по тематическим главам не является бесспорным.

Предназначение аннотаций, приводимых в большинстве ссылок на лабораторные работы – дать представление о физическом явлении, изучаемом в данной лабораторной работе, о методе его наблюдения. Они не предназначены ни для детального знакомства с устройством экспериментальной установки, ни для руководства при выполнении работы, ни для создания более или менее полного представления об изучаемом в лабораторной работе физическом явлении. При этом некоторые аннотации, пожалуй, чрезмерно длинны, но это можно объяснить еще невыработанностью критериев ограничения текста аннотаций и, в какой-то мере, личным интересом автора книги к тем или иным лабораторным работам.

Собранный автором материал расположен по следующим основным главам: электростатика, постоянный ток, электролиз, электронные явления, полупроводники, магнетизм (магнитное поле Земли, эффект Холла, измерение индукции магнитного поля, температурные эффекты, магнитные резонансы, магнитные характеристики материалов, магнетизм и системы единиц), определение физических констант, переменный ток (определение L-, C-, R-элементов, мостовые схемы, резонанс в цепи переменного тока, электромагнитная индукция, скин-эффект), радиофизика (колебательные процессы, движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях, определение e/m, электронные лампы, явления в конденсаторах, явления в газах, электро- и радиотехнические устройства), фотоэлектрический эффект, электромагнитные волны.

Большое место в книге занимает информация о лабораторных работах, поставленных в зарубежных учебных заведениях. Это позволяет сравнить уровень развития практикума в нашей стране и за рубежом, принять к сведению достоинства этих работ, с тем, чтобы реализовать их в последующих разработках. Это касается, собственно всех публикаций, посвященных практикуму – ведь одним авторам более удачно удалось воплотить в своей лабораторной работе одни стороны изучаемого физического явления, другим авторам – другие стороны.

Содержание книги, представляя интерес для всех преподавателей физики вузов, особую пользу может принести тем из них, которые занимаются методической работой в рамках курса общей физики. Таким образом, очевидно, эта книга будет полезна практически всем преподавателям, ведущим занятия по общей физике, и может оказаться источником углубленного ознакомления с историей развития изучения в практикуме различных физических явлений.

Методикa изучения рентгеновских лучей в курсе физики высшей школы © А. С. Красников, Д. Н. Лукичев Рязанский государственный университет имени С. А. Есенина (Рязань, Россия) a.krasnikov@rsu.edu.ru, dmitluk@mail.ru Рентгеновское излучение содержит в себе два налагающихся друг на друга спектра: сплошной спектр излучения с широкой непрерывной полосой различных волн и линейчатый спектр, состоящий из отдельных линий вполне определенных длин волн. Особенности сплошного спектра определяются в большей мере режимом работы рентгеновской трубки (приложенным напряжением и силой тока), чем веществом анода, наоборот, длины волн линейчатого спектра зависят исключительно от материала анода, испускающего рентгеновские лучи. Поэтому линейчатый спектр называется характеристическим. При низком напряжении между катодом и анодом рентгеновской трубки существует лишь непрерывный спектр лучей.

Как только напряжение превысит критическое значение, зависящее от материала анода, на непрерывное излучение накладывается характеристический спектр лучей [1].

Как показывает наш опыт по постановке и проведению лабораторных работ по рентгеноструктурному анализу, студенты IV и V курсов испытывают значительные трудности в освоении материала по тематике рентгеновских спектров. В настоящее время в связи с широким использованием в учебном процессе персональных компьютеров и моделированием физических процессов, они могут быть заменены прибором-имитатором, в котором смоделированы все процессы получения рентгеновских спектров, на основе базы данных, полученных на реальных рентгеновских спектрометрах (коротковолновом рентгеновском универсальном спектрометре КРУС или длинноволновом рентгеновском универсальном спектрометре ДРУС) [2].

Предлагаемая лабораторная работа позволяет проводить изучение характеристических спектров излучения различных химических элементов.

В учебном процессе предлагается использовать учебно-лабораторный комплекс «Рентгеновский спектрометр», изготовленный в НИИ ядерной физики им. Д. В. Скобельцина МГУ [3]. Он представляет собой действующую модель двух спектрометров, функционально не отличающихся от своих прототипов – реальных установок. УЛК состоит из прибора-имитатора и персонального компьютера.

Компьютер управляет прибором, включает и выключает различные блоки установке, выводит на экран по команде спектры различных химических элементов, предлагает студенту математический аппарат для обработки спектров и методику измерения для выявления физических закономерностей, полученных в ходе эксперимента. Внешний вид установки представлен на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид учебно-лабораторного комплекса «Рентгеновский спектрометр»

Целью эксперимента является получение и обработка характеристического спектра рентгеновского излучения различных химических элементов: определение длины волны К-серии и L-серии, измерение интенсивности и ширины линий [4]. Также проводится математическая обработка результатов эксперимента по разрешению спектральных линий методом процедуры фитинга.

Экспериментальная часть. Модель спектрометра состоит из:

1. Рентгеновской трубки и источника -частиц.

2. Диска с набором мишеней-образцов.

3. Кристалло-дифракционного спектрометра (КДС).

4. Полупроводникового детектор-спектрометра (ППД).

На передней панели прибора имеется цифровой индикатор, указывающий номер образца, кнопки со световыми диодами-индикаторами для включения различных узлов прибора и кнопка включения питания установки. Сигналы со спектрометра передаются в компьютер через последовательный порт.

Для записи спектра под индикатором имеется кнопка «набор спектра».

Критический потенциал может быть определен из следующей формулы:

Z m e U кр =. (1) 8 n h 2 Пользуясь формулой (1) простым численным расчетом можно показать, что критический потенциал возбуждения для атомов меди составляет величину 9.11031 1.6 29 = 8.1103 V, U воз = 8 1 8.85 1012 6.62 2 что находится в достаточно хорошем согласии с литературными данными, приведенными в [5].

И в заключение остановимся на так называемой процедуре фитинга.

Фитинг – это процедура математического разрешения спектральных линий.

Для математического разрешения некоторого выбранного участка спектра необходимо определить форму спектральной линии (математическую функцию, описывающую профиль каждой из линии). На выбранный участок спектра накладываются гауссианы. Параметры каждого гауссиана отражаются в диалоговом окне, в котором показывается положение максимума спектральной линии, ширина гауссиана и интенсивность спектральной линии. Профили указанных спектральных линий достаточно J = J 0 e x хорошо аппроксимируются функцией Гаусса.

Исходя из нашего опыта работы, можно также заметить, что удовлетворительная аппроксимация профиля рентгеновских линий может быть получена с помощью функций колокообразного типа. К ним относятся функции Коши, вида 1 J ( x )=J 0 J ( x )=J или.

1+k 1 x 2 ( 1 +k 2 x 2 ) В случае если профиль рентгеновской линии ассиметричен, то для аппроксимации может быть использована функция наиболее общего вида:

J ( x )= x e x.

Варьируя параметры,, можно с высокой степенью точности описывать распределение интенсивности спектральных кривых [6].

Подводя итог всему сказанному, следует заметить, что предлагаемая нами методика изучения раздела «Физика рентгеновских лучей» позволяет активизировать познавательный процесс и повысить качество усвоения данного материала.

Литература 1. Уманский Я.С. Рентгенография металлов и полупроводников. – М: 2. Красников А.С. Фомин С.В. «К методике изучения раздела «Рентгеновские лучи» в лаборатории специального физического практикума». Преподавание физики в высшей школе, М.: 2007 г. № 34. С. 108–113.

3. Лабораторные установки для практикума по атомной и ядерной физике [Электронный ресурс] // Московский Государственный университет [Сайт]. URL: http:\\ umk.sinp.msu.ru 4. Шпольский Э.В. Атомная физика, Т. 2, М.: Наука, 1974. – 378 с.

5. Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов.

Государственное издательство физико-математической литературы. М., 1961. С. 15–21.

6. Красников А.С., Миркин Л.И. Структура, свойства и лазерное разрушение стеклокристаллических материалов и керамики. М.: Светоч Плюс, 2009. – С. 48–49.

Оптика анизотропных сред в формализме комплексного представления электромагнитного поля (в теории Максвелла) © С. М. Курашев Национальный исследовательский технологический университет НИТУ «МИСиС» (Москва, Россия) sku@starnet.ru Автор читает спецкурс «Физика волновых процессов» для бакалавров четвертого года обучения и магистров первого года, обучающихся по специальностям материаловедение и технология новых материалов, электроника и микроэлектроника, микроэлектроника и твердотельная электроника, по профилю физика кристаллов оптики и акустоэлектроники. В предлагаемых к рассмотрению двух докладах вкратце приводится методология подхода к изложению и изучению в рамках отмеченного спецкурса техники, используемой автором, в конструктивном анализе теоретических следствий волновых решений электромагнитных полей в различных материальных средах.

Изотропные среды (прозрачные диэлектрики) характеризуются скалярной диэлектрической проницаемостью ( ). Для характеристики оптических свойств кристаллов в виду принципиальной анизотропии jk ( ), образующих тензор требуется матрица из девяти величин 3 диэлектрической проницаемости, который вводится с помощью соотношений:

D j jk E k (j, k x, y,z) (1) k Для прозрачных кристаллов диэлектрический тензор симметричен, ij = ji т.е. и определяется шестью независимыми величинами. В различных системах координат компоненты диэлектрического тензора имеют разные значения, т. е. они преобразуются при переходе от одной системы координат к другой как компоненты тензора. Согласно соотношению (1) направление векторов D и E, вообще говоря, не совпадают, т. е. они не параллельны, как это было в изотропных E ).

диэлектриках ( D ij Математический факт – симметричный тензор (матрица) выбором ортогонального базиса (системы координат) может быть приведен к диагональному виду. Физически это означает – в кристаллической среде существует выделенная декартова система координат (вообще говоря, единственная), в которой диэлектрический тензор имеет наиболее простой диагональный вид:

xx 0 yy 0 (2) 0 zz ij :

т.е. определяется тремя «главными значениями» тензора xx, yy, zz, которые в дальнейшем будем обозначать x, y, z.

Принято выбор осей OX, OY и OZ осуществлять таким образом, что три главных значения образуют упорядоченную тройку чисел:

x y z.

Итак, все оптические свойства кристалла определяются тремя ij, главными значениями тензора три остальных параметра (из шести в симметричном тензоре) содержат информацию о переходе к выделенной данным кристаллом системе координат из произвольной системы.

Электрические векторы и в этой системе отсчета связаны E D соотношениями:

D x x E x, D y y E y, Dz z E z (3) Присоединим к этим формулам еще выражение для вектора Пойтинга:

, c S EH (4) который определяет направление световых лучей, т.е. линий вдоль которых происходит распространение энергии света. В кристаллах векторы и вообще говоря, не совпадают по направлению, так как плоские S K, волны в кристалле поперечны в отношении векторов и H, однако в D общем случае они не поперечны в отношении вектора E.

Четыре вектора E, D, K, S лежат в одной плоскости, перпенди кулярной к вектору H. Структура плоской электромагнитной волны в кристалле показана на рис. 1.

Рис. 1. Структура электромагнитной волны в анизотропной диэлектрической среде Алгоритмически решим несколько простых проблем оптики анизо тропных сред.

1. Найти связь между векторами и единичным вектором D, E, H нормали к фронту волны в прозрачной однородной кристаллической N среде.

k Решение: k – волновой вектор, N.

D rotH Следуя уравнениям Максвелла, имеем:, c t H rotE 1.

c t D E N, k H Рис. 2. Структура электромагнитной волны в анизотропной диэлектрической среде t i x ik x Мнемоническое правило подстановки в матричном y ik y z ik z представлении роторов приводит к выражениям i j k i j k ik z i k H, rotH x y z ik x ik y Hx Hy Hz Hx Hy Hz rotE i k E.

C C N H, H N E Окончательно D (5) D E D E E D E, D, (, x, y, z).

Векторы D, E и N лежат в плоскости ортогональной вектору H, при этом D N.

2. Выразить нормальную скорость плоской монохроматической волны в однородной кристаллической среде через векторы и E.

D Образуя двойное векторное произведение в (5), получим 2 D C 2 E C 2 ( NE ) N.

( DE ) имеем C В силу ортогональности и N D D Оптика диэлектриков и металлов в формализме комплексного представления электромагнитного поля (в теории Максвелла) © С. М. Курашев Национальный исследовательский технологический университет НИТУ «МИСиС» (Москва, Россия) sku@starnet.ru Автор читает спецкурс «Физика волновых процессов» для бакалавров четвертого года обучения и магистров первого года, обучающихся по специальностям материаловедение и технология новых материалов, электроника и микроэлектроника, микроэлектроника и твердотельная электроника, по профилю физика кристаллов оптики и акустоэлектроники. В предлагаемых к рассмотрению докладах, вкратце приводится методология подхода к изложению и изучению в рамках отмеченного спецкурса техники, используемой автором, в конструктивном анализе теоретических следствий волновых решений электромагнитных полей в различных материальных средах.

Теория Максвелла утверждает, что между основными величинами, характеризующими электромагнитное поле в произвольной «неподвижной»

среде или в пустоте (которую будем называть физическим вакуумом), существуют простые и универсальные связи, выражаемые написанными ниже четырьмя уравнениями. Все уравнения физики, как правило, имеют характер дифференциальных уравнений.

Система дифференциальных уравнений Максвелла имеет вид 1 B 1 D divD 4, divB 0, rotE, rotH j.

4 t c t c Обозначения и символы, используемые в приведенной системе и в дальнейших формульных выражениях, соответствуют принятым в физической литературе традиционным стандартам.

Полная система уравнений должна также учитывать свойства среды, в которой изучаются электрические и магнитные поля. Последнее означает, что необходимо знать связь между векторными величинами и и D E, B H, j и E. Материальную среду называют линейной, если компоненты выделенных пар векторов связаны линейными соотношениями. Кроме того, среда считается изотропной, т. е. ее физические свойства во всех направлениях предполагаются одинаковыми. Коэффициенты линейности, связывающие выделенные пары векторов в этом случае сводятся к простым константам вещества. Будем считать, что в диэлектриках D E, B H, где, (диэлектрическая и магнитная проницаемость) – постоянные скаляры, характеризующие данный диэлектрик. Кроме того, в идеальном диэлектрике при любом E имеем: j 0, что означает, отсутствие тока проводимости.

В реальности последнее строго справедливо только для вакуума.

Наконец, в металлах имеет место соотношение, выражающее закон Ома в дифференциальной (локальной) форме j E, где (проводимость) – постоянный скаляр, характеризующий данный металл (в диэлектриках 0 ).

Замечание. В металлах электрическое поле неизбежно создает электрический ток, который следует учитывать в уравнении (4) даже в отсутствие внешнего электрического тока.

Более детальное изучение свойств электромагнитных волновых процессов в однородной изотропной среде естественно провести на примере плоских гармонических волн. Уравнения, задающие аналитический образ монохроматической электромагнитной волны частотой (циклической), в виду комбинированной электромагнитной природы процесса приобретают форму системы E E0 cos(t k r ), (5) H H 0 cos(t k r ), где E0 и H 0 амплитудные векторы электрического и магнитного полей, задающие величину и направление колебаний соответствующих полей (говорят, задают поляризацию волны). Обращает внимание равенство частот и волновых векторов k электрической и магнитной волн, а также начальных фаз, которые без потери общности приравняем нулю.

Последнее обстоятельство вытекает из совместности уравнений Максвелла (1 - 4) (точнее, третьего и четвертого уравнений из системы (1 - 4)), в которых одновременно позиционированы оба исследуемых поля.

В современной научной и учебной литературе широко используется форма записи монохроматических волн в виде экспоненты от мнимого фазового аргумента, математическое обоснование подобного подхода опирается на формулу Эйлера из начального курса анализа ei cos i sin.

При этом каждая из гармонических функций определяется квазилинейной операцией над экспонентой – косинус равен действительной части экспоненты, синус равен мнимой части: cos Re e,sin Im e.

i i Монохроматическая электромагнитная волна (10) в новых обозначениях имеет вид E E0 exp i (t k r ) E0 ei (t k r ), (6) H H 0 exp i (t k r ) H 0 e i (t k r ).

Удобство комплексной формы определяется замечательными свойствами экспоненты, которые проявляются, прежде всего, в операциях дифференцирования. Так дифференцируя плоскую гармоническую волну по времени, мы обнаруживаем, что функциональный вид волны сохраняет форму плоской волны, амплитуда волны при этом приобретает множитель (i) t E t E0 exp i(t k r ) i E0 exp i (t k r ) i E, t H t H 0 exp i (t k r ) i H 0 exp i (t k r ) i H.

Аналогично дифференцирование плоской волны по пространственным переменным приводит к сходному результату – форма плоской волны инвариантна, амплитуда приобретает дополнительный множитель x E x E0 exp i(t k r ) ikx E0 exp i(t k r ) ik x E, y E y E0 exp i(t k r ) ik y E0 exp i(t k r ) ik y E, z E z E0 exp i(t k r ) ik z E0 exp i (t k r ) ik z E.

Выявленные свойства легко формализовать с помощью правил формальной подстановки t... i..., x... ikx..., y... ik y..., z... ikz.... (7) При этом необходимо помнить, что мнемоническое правило подстановок (7) справедливо только при условии, что вместо многоточия в скобках помещается математическая форма плоской волны. Природа волны – (электрическое поле или магнитное, или упругая волна) вторична.

Нетрудно обобщить полученный результат на более сложные алгебраические конструкции дифференциальных операторов – градиент, дивергенцию, ротор.

Действие оператора градиент на скалярную плоскую волну приводит к следующему результату grad ik.

Дивергенция плоской векторной волны E (r ) любой физической природы имеет вид скалярного произведения вектора поляризации на волновой вектор волны divE E x Ex y E y z Ez i k x E0 x k y E0 y k z E0 z exp i(t k r ), или divE E i k E0 exp i(t k r ) i k E.

Ротор плоской векторной волны E (r ) определяется векторным произведением волнового вектора на вектор поляризации волны умноженным на мнимую единицу с отрицательным знаком rotE E i k E0 exp i(t k r ) i k E.

Используем полученную технику в решении проблемы плоских электромагнитных волн в теории Максвелла. Будем искать решения системы уравнений (2) в виде плоских электрических и магнитных волн (которые, как выяснилось, могут развиваться в пространстве только в совместном процессе). После подстановки (11) в (2) имеем divE E i k E0 exp i (t k r ) 0, divH H i k H exp i (t k r ) 0, i rotE i k E0 exp i (t k r ) с H 0 exp i (t k r ), rotH i k H exp i (t k r ) i E exp i (t k r ).

c Отметим, что третье и четвертое уравнения рассматриваемой системы показывают равенство частот и волновых векторов электрической и магнитной компонент волны, в противном система теряет свойство совместности. Объяснение очевидно: левая и правая части равенства не могут совершать гармонические колебания во времени и в пространстве с разными частотами. После сокращения волновых факторов получим k E 0, k H 0, k E H, k H E. (8) с 0 0 0 0 0 c Специальный физический практикум бакалавриата кафедры оптики и спектроскопии © Л. Ю. Леонова, Т. В. Волошина, И. В. Кавецкая, М. С. Смирнов, О. В. Овчинников Воронежский государственный университет (Воронеж, Россия) liana.leonova@mail.ru Система подготовки бакалавров в процессе обучении нацелена на решение следующих задач:

выбор и освоение новых методов научных исследований;

проведение экспериментальных и теоретических исследований;

обработка полученных результатов с привлечением современного программного обеспечения.

Согласно основной общеобразовательной программе высшего профессионального образования по направлению «Физика» выпускник со степенью бакалавр должен обладать таким профессиональными компетенциями, как способность применять полученные теоретические знания и практические навыки для решения профессиональных задач;

умение работать на современной физической аппаратуре и оборудовании;

умение использовать современные методы обработки, анализа и синтеза физической информации;

способность понимать и излагать получаемую информацию и представлять результаты физических исследований.

При проведении специального физического практикума на кафедре оптики и спектроскопии, которая может осуществлять подготовку бакалавров по трем профилям «Оптика и спектроскопия», «Оптические и оптико-электронные приборы и системы», «Физические методы в криминалистической экспертизе», ставятся следующие задачи: 1) изучение основ техники и практики атомной спектроскопии (источники излучения, призменные и дифракционные спектральные приборы, методы количественного атомного спектрального анализа);

2) изучение физики оптического волокна и источников излучения для волоконно-оптических линий связи (экспериментальная реализация ввода лазерного излучения в оптические волокна разных типов, соединение волокон с помощью оптических разъёмов, измерение потерь на ввод и соединение, изучение строения и принципов действия когерентных излучателей волоконно оптических линий связи, исследование основных параметров полупроводниковых лазеров);

3) изучение оптического поглощения двухатомных молекул и освоение спектроскопического метода определения их энергии диссоциации;

4) изучение основ теории и интерпретации абсорбционных спектров сложных молекул (электронных и колебательных);

5) изучение техники и практики спектроскопии отражения и пропускания твердых тел (основные положения макроскопической теории отражения, измерение и интерпретация основных спектральных характеристик пропускания и отражения прозрачных и светорассеивающих веществ).

Соответственно, студенты четвертого курса выполняют работы «Техника и практика атомного эмиссионного анализа», «Источники излучения для волоконно-оптических линий связи», «Спектроскопический метод определения энергии диссоциации двухатомных молекул», «Особенности техники электронной абсорбционной спектроскопии», «Спектроскопия твердых тел», «Инфракрасные спектры многоатомных молекул», «Оптическое согласование волоконных световодов» [1–3], которые являются практическим дополнением специальных курсов «Теоретическая и прикладная оптика», «Атомная и молекулярная спектроскопия», «Волоконная оптика», «Молекулярный спектральный анализ», «Спектроскопия твердого тела».

Совершенствование спектральной аппаратуры на кафедре оптики и спектроскопии, связанное, в первую очередь, с переходом от фотографического к фотоэлектрическому методу регистрации спектрограмм, потребовало переработки методики выполнения предлагаемых лабораторных практикумов. Ранее при выполнении таких работ как «Техника и практика атомного эмиссионного анализа», «Спектроскопический метод определения энергии диссоциации двухатомных молекул» использовались призменные спектрографы с фотографическим способом регистрации спектров. Дальнейшее изучение полученных спектров проводилось на спектропроекторе производства фирмы Carl Zeiss Jena, микрофотометре МФ-2 и компараторе ИЗА-2. В настоящее время экспериментальная установка для выполнения данных работ модернизирована и включает в себя дифракционный спектрометр PGS-2 с ПЗС-линейкой TCD1304АР (прибор с зарядовой связью).

Обработка и расшифровка спектров проводится на компьютере с помощью комплекта прикладных программ.

Спектральный прибор с системой регистрации на ПЗС обладает следующими преимуществами:

- по сравнению с регистрацией на ФЭУ: регистрируется весь спектр, а не отдельные линии;

не ограничено количество каналов;

возможность анализа формы линии;

не влияет тепловой дрейф деталей монохроматора;

возможность визуально видеть спектр на мониторе компьютера;

- по сравнению с регистрацией на фотопластинке: широкий диапазон спектральной чувствительности;

прямой ввод спектра в компьютер и возможность автоматизированной обработки результатов для количественного анализа;

широкий динамический диапазон интенсивностей;

экспрессность;

высокая точность анализа;

отсутствие химических реактивов, дорогостоящих и дефицитных фотопластинок.

Такими образом, использование фотоприемников на основе ПЗС в спектрографах, а также в монохроматорах и спектрометрах позволяет регистрировать спектры различных материалов в области длин волн от до 1000 нм с временным разрешением в несколько микросекунд. При этом атомно-эмиссионные спектры можно визуально наблюдать на экране монитора, проводить анализ получаемых спектрограмм без применения фотопластинок, определяя длины волн регистрируемых линий и измеряя их интенсивность с помощью программного обеспечения, без использования спектропроекторов, спектрофотометров и компараторов (рис. 1).

Рис. 1. Графики, получаемые при выполнении лабораторной работы «Спектросокпический метод определения энергии диссоциации двухатомных молекл»: 1 – спектр поглощения молекул I2, 2 – эмиссионный спектр железа в области 500–520 нм.

Лабораторные работы специального практикума, реализуемые на кафедре оптики и спектроскопии, носят учебно-исследовательский характер и предполагают индивидуальное выполнение студентом экспериментальных заданий, часть из которых являются научно-исследовательскими. Такие формы организации и содержание специального лабораторного практикума помогают формированию исследовательских компетенций бакалавров.

Работа поддержана ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (мероприятие 1.2.1, соглашение №14В37.21.1071).

Литература 1. Учебно-методическое пособие к специальному лабораторному практикуму:

Воронеж. гос. ун-т;

[сост.: О.В. Овчинников и др.]. Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2010. 63 с.

2. Оптические методы исследования вещества: учебно-методическое пособие к специальному лабораторному практикуму: Воронеж. гос. ун-т;

[сост.: Т.В. Волошина и др.]. Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2011. 73 с.

3. Техника и интерпретация инфракрасных спектров поглощения органических молекул: учебно-методическое пособие: специальность 010701(010400) – Физика. – Воронеж. гос. ун-т;

[сост.: Р.П. Воробьева, О.В. Овчинников, М.А. Ефимова]. Воронеж:

ЛОП ВГУ, 2005. 39 с.

Некоторые вопросы механизма ускорения галактических космических лучей © Б. М. Махмудов, З. Д. Миртошев, Ю. Б. Хамраев, К. Самандаров, Н. Хасанова Самаркандский государственный университет им. А. Навои (Самарканд, Узбекистан) bmaxmudov@samdu.uz, z-mirtoshev@samdu.uz Заряженные частицы могут постепенно ускоряться либо статическими электрическими полями, либо переменными магнитными полями. Ускорение электростатическими полями маловероятно, так как высокая проводимость ионизированного газа в межзвездной среде ограничивает величины таких полей. Ферми и Альвен предложили механизмы ускорения космических частиц при их взаимодействии с меняющимися по времени магнитными полями;

несколько видоизменённый механизм того же типа предложен Фэном.

Согласно механизму, предложенному Ферми, заряженная частица движется в магнитном поле между двумя облаками газа. Если магнитное поле в облаках больше, чем между ними, частица оказывается запертой между двумя магнитными стенками-зеркалами в так называемой «магнитной бутылке». Если облака сближаются, то энергия частицы в направлении поля при каждом отражении будет увеличиваться. Такие столкновения, называемые «встречными», происходят чаще, нежели столкновения с двумя расходящимися облаками («догоняющие»

столкновения), в результате которых частица теряет энергию. Несмотря на то, что скорость возрастания энергии мала, этот механизм приводит к падающему по степенному закону энергетическому спектру частиц, согласующемуся с экспериментальными данными. Соответствие расчетного и экспериментального энергетических спектров является необходимым условием для любой теории ускорения частиц.

Для анализа энергетического спектра необходимо определить механизм потерь, способный привести к эффективному уходу космических частиц. Вначале предполагалось, что таким механизмом являются ядерные взаимодействиях сечение поглощения для тяжелых компонент космических лучей больше, чем для протонов. Поэтому спектр тяжелых ядер космического излучения сильно отличался бы от спектра протонов.

Фактически же спектры протонов и тяжелых ядер близки, так что механизм потерь должен быть одинаково эффективен как для протонов, так и для тяжелых ядер.

Было высказано предположения, что диффузия космических лучей из нашей Галактики приводит к более быстрой потере частиц по сравнению с механизмом ядерных столкновений. При постоянной скорости инжекции возрастное распределение космических лучей определяется следующим образом:

t dt Pt N 0 exp (1) TT где T-среднее время жизни. Если означает время между приводящими к рассеянию столкновениями с магнитными стенками, то энергия, приобретенная частицей за время t, равна B 2t W t Mc 2 exp (2) Подставляя t из (2) в (1), находим распределение частиц по энергиям W dW 2 Mc 2 2 1 B2T dW (3) B T BT W где W – вероятность того, что космическая частица имеет энергию в пределах от W до W + dW. Такой спектр, в согласии с наблюдениями, уменьшается с увеличением энергии по обратному степенному закону. Экспериментальные данные дают для спектрального индекса значение, примерно равное 2,5 в диапазоне энергий от 4·10 9 до 2·1015 эВ. Таким образом, 1,5B 2T 1,5 108 T (4) 1 2, B 2T Если основной причиной потери частиц является диффузия, то средне время диффузии должно быт меньше среднего времени жизни частицы по отношению к ядерным взаимодействиях соответствует величине порядка 70 г/см2, а сечение поглощения 2,5 1026 см 2 нуклон. Тогда для среды, плотность которой ~10-24 г/см3, средние свободный пробег до поглощения равен 1 (5) 7 10 25 см N Предполагая, что частица движется со скоростью света, получим оценку среднего времени жизни частицы (6) T 2 1015 с, c т. е. примерно 60 млн. лет. Поэтому среднее время диффузии должно быт существенно меньше 60 млн. лет, возможно ~5 млн. лет.

При одной паре облаков описанный метод ускорения частиц встречается со значительной трудностью. При увеличении импульса частицы в направлении, параллельном полю, питч-угол уменьшается, и, в конечном счете, частица выходит из ловушки.

Необходимо отметить следующее: 1) механизм ведет к ускорению как положительно, так и отрицательно заряженных частиц;

2) механизм ускорения неэффективен для нерелятивистских частиц;

3) в межзвездном веществе возникают индуцированные токи, вызванные временными изменениями магнитного поля. Можно показать, однако, что скорости ионов и электронов в среде и скорости дрейфа ведущих центров их спиральных траекторий гораздо меньше скорости облака.


Таким образом, отношение полной энергии к поперечной энергии увеличивается лишь до определенного предела, зависящего от коэффициента отражения от магнитных зеркал. Чтобы получить непрерывное ускорение частиц при помощи одной пары облаков, нужно предположить, что столкновения или какие-либо другие эффекты восстанавливают изотропное распределение скоростей частиц после того, как их энергия увеличилась. При этом частицы опять захватываются магнитной ловушкой и вновь ускоряются. Для энергичных частиц столкновения сравнительно малоэффективны, поэтому Ферми предположил, что в восстановлении изотропного распределения частиц в межзвездной среде основную роль играют ударные волны и плазменные колебания.

Если ядра приобретают энергию при благоприятных столкновениях с магнитными стенками, а теряют ее в основном не в результате ядерных взаимодействий, а из-за диффузии частиц из Галактики, то для частиц с энергиями выше ~1016 эВ должна иметь место анизотропия.

Предварительные данные, свидетельствующие о наличии асимметрии, были рассмотрены в [3].

Если частицы самых высоких энергий распределены изотропно, то, по-видимому, разумно предположить, что они не накапливаются в нашей Галактике, а имеют внегалактическое происхождение. Это не означало бы, что плотность космических лучей однородна по всему межгалактическому пространству, а свидетельствовало бы лишь о том, что межгалактическое пространство населено только чрезвычайно энергичными частицами, которые не могут быть удержаны галактическими магнитными полями. Для получения частиц таких высоких энергий необходимо предположить существование магнитных облаков ионизированного газа, движущихся со случайными скоростями порядка 1000–10 000 км/сек. В настоящее время нет никаких данных, подтверждающих эту точку зрения или противоречащих ей.

Решение вопроса механизма ускорения галактических космических лучей зависит от дальнейших достижений в области эксперимента и теоретического анализа. Использование для экспериментальных исследований космических аппаратов должно привести к новым открытиям в этой области.

Литература Дагаев М.М. и др. Астрофизика. – Москва, 1988.

1.

Мурзин В.С. Введение в физику космических лучей. – Москва, 1985.

2.

Гинзбург В.Л. Астрофизика космических лучей. – Москва, 1969.

3.

Махмудов Б.М., Алимов Т.А. и др. Геомагнетизм и аэрономия. – Россия, 1999.

4.

Опыт внедрения билингвистического модуля курса общей физики в техническом вузе © В. С. Михалкин Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова (Ижевск, Россия) rsg07-8185@udm.net Билингвистическое обучение, успешно практикующееся сегодня во многих европейских странах, полностью соответствует становлению открытости российского общества и вовлеченности высшей школы в Болонский процесс интернационализации образования. «Концепция государственной политики Российской Федерации в области подготовки национальных кадров для зарубежных стран в российских образовательных учреждениях» создает правовую основу для выработки мер по развитию двуязычного обучения, значимость которого в российских вузах продолжает отрицаться или, чаще всего, ставиться под сомнение.

В отечественном образовании начало преподавания прикладных курсов на английском языке в вузах было положено на кафедре физики им.

В. А. Фабриканта МЭИ как реализация идеи кросскультурного сотрудничества в науке и образовании. Сегодня создается широкий спектр педагогических моделей двуязычного обучения. Основными из них являются три модели, которые тесно взаимосвязаны по формам использования английского языка как средства обучения. Первая из них (Content and Language Integrated Learning, CLIL), получила название «Предметно-языковое интегрированное обучение», в ней реализуется интегрированное изучение содержания учебного предмета и иностранного языка. Во второй модели (EMI – English as Medium for Instruction), перевод которой «Английский язык как средство обучения», отображается преподавание общенаучных и инженерных дисциплин на английском языке.

В третьей модели (BE – Bilingual Education), известной как «Двуязычное образование», формирование иноязычной личности осуществляется в рамках всей системы образования, ориентированной на поддержку и сохранение языкового и культурного разнообразия общества.

В докладе представлен опыт автора по обучению курсу общей физики технического университета в рамках модели EM, которая считается «одной из самых существенных образовательных тенденций во всем мире»

[1] и применяется во многих технических университетах европейских стран. В рамках этой модели возможны различные степени и границы наложения и интеграции предметных и лингвистических областей знаний.

Они могут перемещаться как в сторону предметной области, когда она является объектом усвоения, так и в лингвистическую область, если целью обучения является усвоение иностранного языка. В целом эта модель охватывает три широких образовательных области (обучение английскому языку, языку физики и самой физике) и по своей сущности ставит задачу достижения студентами совокупности предметной и иноязычной компетенций.

Особая значимость предмета билингвистического модуля – физики определяется фундаментальностью ее терминологии, которая насыщена интернациональными словами всех времён и народов, составляющих лексику научного языка различных областей знаний. Изучение физики, как никакого другого предмета на иностранном языке подвержено особому феномену познавательной деятельности, который был обнаружен еще Г. Лейбницем и назван им апперцепцией - зависимостью восприятия предметов окружающего мира от предшествующего опыта и установок индивида. Первоначальные знания по физике и иностранному языку, являясь «предыдущим индивидуальным опытом», взаимно усиливают друг друга и позволяют достигать целостности представлений в обеих областях знаний, что обеспечивающих основу для формирования предметных, лингвистических и образовательных компетенций.

Опыт автора показывает необходимость соблюдения двух простых принципов двуязычного обучения: на занятиях практикуется разумное сочетание родного и иностранного языка, но основной учебный материал должен браться из оригинальных источников. Для соблюдения последнего условия решалась трудная техническая задача обеспечения литературой на языке первоисточника. Из достаточно большого ассортимента учебной литературы выбирались учебники, написанные в стиле панорамности, без излишней конкретики, свойственной отечественным учебникам.

Рекомендуемым и наиболее часто используемым иностранным учебником по физике является учебник коллектива авторов D. Halliday, R. Resnick и J. Walker «Fundamental of Physics» издательства John Willey & Sons, Inc., 2005 г. На основе этих учебников автором создана совокупность учебно методических разработок на английском языке, которая была более доступна всему контингенту учащихся.

Особый дидактический ресурс физической литературы заключается в терминологической составляющей ее языка. В ней выявляются и специфицируются существенные признаки терминов, как элементов научной теории. Выполняя двойную роль, как специального, так и учебного знания, они представляет собой базовую основу, на которой строится современное общенаучное и профессиональное обучение. Создание этой базы актуализирует проблему оформления лексического массива физики в виде учебных тезаурусов, раскрывающих смысловую связь терминов и определений. Их использование в учебном процессе вуза не находит пока достаточного отражения в учебно-методической литературе. Для восполнения этого пробела нами разработан двуязычный терминологический тезаурус по физико-математическим дисциплинам общенаучного цикла технического вуза [2]. Необходимость его создания определяется тем, что традиционные англо-русские или русско-английские словари предназначены для одностороннего перевода текста и не могут удовлетворять запросам билингвистического обучения.

Обучение языку не может происходить пассивно, без погружения в иноязычную среду, поэтому наряду с указанными выше пособиями был создан обширный фонд домашних заданий по всем изучаемым разделам курса. Задания включают в себя описание задачи (problem), краткое описание его решения (solution), контрольный и шуточный вопросы (check up and playful question). Это создает значительный стимул, как для изучения физики, так и для совершенствования лингвистических способностей.

В заключение отметим, что принятые нормативные акты Болонской декларации не носят обязательного характера, однако, все большее число учебных заведений начинают следовать этим рекомендациям. Изучение общенаучных курсов на английском языке следует рассматривать как существенный фактор достижения мирового уровня отечественного образования. Усвоение иностранного языка является пусковым механизмом экспорта и импорта образовательных услуг. От нахождения этого баланса будет зависеть интеллектуальная независимость выпускников технических вузов и осуществляться движение к устойчивому инновационному развитию общества.

Литература 1. Ibrahim J. The Implementation of EMI (English Medium Instruction) in Indonesian Universities: Its Opportunities, its Threats, its Problems, and its Possible Solutions // k@ta, Vol 3, No 2 (2001) – pp. 121–138.

2. Михалкин В.С. Учебный тезаурус по физике и математике на русском и англий ском языках: учеб. пособие / В.С. Михалкин, Т.Г. Возмищева – Москва – Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2008. – 256 с.

К вопросу обоснования начал термодинамики и статистической физики © С. И. Мольков Карельская государственная педагогическая академия (Петрозаводск, Россия) molkov@kspu.karelia.ru Ранее [1] в качестве исходных положений статистической физики и термодинамики предлагалось использовать формулу Больцмана, связывающую энтропию и статистический вес данного макроскопического состояния системы, и его постулат о равновероятности всех микросостояний системы. При этом получение многих результатов в ходе изучения статистической физики и термодинамики существенно упрощается.


Если – число микросостояний термодинамической системы (статистический вес), соответствующий данному –макросостоянию, то энтропия S такого состояния равна:

S k ln (1) где k – постоянная Больцмана. Учитывая, что для квазинезависимых подсистем статистический вес состояния системы является мультипликативной величиной 12 …, заключаем, что энтропия является аддитивной величиной S S1 S 2..., то есть экстенсивным параметром. С учетом постулата Больцмана о равновероятности всех микросостояний системы вероятность того, что система находится в данном –макросостоянии, равна W / 0, где 0 – общее число микросостояний, достижимых системой. Замкнутая система стремится спонтанно перейти к макросостоянию с максимальной вероятностью. При этом энтропия возрастает и достигает максимума (закон возрастания энтропии), а система – статистического равновесия.

Энтропия замкнутой равновесной системы – величина сохраняющаяся, и в силу ее аддитивности определяется только аддитивными интегралами движения, а для покоящейся системы ее внутренней энергией E:

S S E, a1,...an или E ES,a1,...a n, (2) где ai – обобщенные координаты внешних полей. Поскольку энергия системы является функцией состояния, то для равновесных (обратимых) процессов энтропия S также является функцией состояния. С помощью экстенсивных параметров S и E равновесной системы можно ввести понятие абсолютной температуры T, являющейся интенсивным параметром:

T E / S a, (3) где T 0, так как в противном случае рост S при переходе к равновесию должен приводить к уменьшению внутренней энергии частей замкнутой системы, а, следовательно, к увеличению их кинетической энергии, что делает невозможным существование устойчивых макротел. Значит, S является возрастающей функцией E [2].

Рассмотрим замкнутую систему, состоящую из двух подсистем:

E=E1+E2=const, и S=S1+S2 либо максимальна (dS=0), если подсистемы находятся в равновесии, либо растет (dS0), если подсистемы могут обмениваться энергией без совершения работы. Тогда:

1 S1 S dE1 2 dE2 dE1 0.

dS dS1 dS 2 T T E E 1 Равновесие для подсистем будут выполняться при T1=T2 (нулевое начало термодинамики). При T1T2, dE1 0, а dE2 0, то есть энергия (тепло) передается от более нагретой подсистемы к менее нагретой (II начало термодинамики в формулировке Клаузиуса). Используя (2) получаем:

E E dS dai TdS X i dai, dE (4) S a i ai ak,S i где X i E / ai a,S – обобщенная сила, сопряженная внешнему параметру k ai. Величина X i dai = Ai это элементарная работа i–того вида, которую система производит над внешними телами.

Работа, например, механическая, pdV, зависит от условий, при которых происходит изменение объема, то есть величина A не является полным дифференциалом. Учитывая, что dE – полный дифференциал, то и величина Q TdS также не является полным дифференциалом. Величина Q определяет изменение внутренней энергии при неизменных внешних параметрах, то есть при теплопередаче, и называется количеством теплоты.

Из (4) получим выражения для первого и второго начал термодинамики:

n Q dE X i dai, dS Q / T. (5) i Для неравновесной изолированной системы dS 0. Тогда из (5) получим для неравновесной открытой системы основное термодинамическое равенство–неравенство в виде:

1 dE X i dai, dS (6) T i где знак равенства соответствует обратным процессам. Выражения (5) являются основой для всех последующих результатов, полученных в термодинамике, в том числе, для метода потенциалов Гиббса.

Рассмотрим систему, находящуюся в тепловом контакте с термостатом при температуре T, способную обмениваться с ним частицами.

Расширенная система является замкнутой с постоянной энергией E и числом частиц N. Если E – энергия системы, а N – число частиц, то E E – энергия, а N N – число частиц термостата. Пусть E, N – статистический вес системы и T E E, N N – статистический вес термостата. Тогда число микросостояний расширенной системы вследствие их квазинезависимости равно T. Эта величина пропорциональна вероятности макросостояния системы W с энергией E и числом частиц N. Учитывая равенство (1) для T и то обстоятельство, что E E, N N, получаем большое каноническое распределение Гиббса:

N E W Z 1E, N exp, (7) kT W =1, где – статистическая сумма определяемая условием Z T S N – химический потенциал. Из квазинепрерывности спектра энергий макросистем получаем:

N E dW Z 1d exp, (8) kT где dW – вероятность того, что энергия системы заключена в интервале от E до E dE, d – число микросостояний, соответствующих этому интервалу. В квазиклассическом приближении для d имеем [2]:

dV d g, (9) N! hs где N – число тождественных частиц системы, g – статистический вес, связанный с внутренними степенями свободы частиц системы;

dV – объем фазового пространства, соответствующего –макросостоянию;

h s – объем эле- ментарной ячейки 2s–мерного Г–пространства для системы с s степенями свободы. Микросостояния внутри ячейки (принцип неопределенности Гейзенберга) неразличимы и потому соответствуют одному микросостоянию.

Предложенный подход к изложению основ статистической физики и термодинамики существенно экономит лекционное время. При этом больше внимания можно уделить практическим применениям распределения Гиббса для изучения классических и квантовых систем, систем с переменным числом частиц, фазовым переходам и химическим реакциям в системах.

Литература 1. Мольков С.И. Понятие энтропии в курсе физики // Материалы IX Международной конференции «Физика в системе современного образования», Санкт Петербург, 4-8 июня 2007 г. – СПб.: Изд-во РГПУ, 2007. – Т. 1. – С.337–340.

2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. – М.: Наука, 1976. – 584 с.

Физика микро- и макромира и современное физическое образование © В. В. Радченко НИИ ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ имени М. В. Ломоносова (Москва, Россия) vrad@srd.sinp.msu.ru Физика микромира и макромира, с одной стороны, являются передовым краем современной физики и науки в целом, а с другой – серьёзной проблемой для физического образования, в связи с его оторванностью от современных экспериментальных установок. Проблемой является не только невозможность непосредственного участия студента на стадии обучения в современном научном эксперименте, но и просто его «прикосновения» к современной физике. Без этого подготовка современного физика не может считаться полноценной. С ещё большей остротой эта проблема встаёт в школьном образовании, т.к. школьник, в силу разных причин, вообще практически не соприкасается в процессе обучения с современной физикой.

Пример: Законы Ньютона и Ома можно продемонстрировать школе.

Школьник и студент могут своими руками повторить эти опыты и проверить законы. Но если речь идёт о современной физике или даже о физике начала 20-го века, то далеко не каждый российский университет (а школа?) может позволить студенту (ученику) наблюдать деление урана 235, классический опыт Резерфорда или эффект Комптона.

Проблем несколько: дороговизна аппаратуры и препаратов;

сложности с приобретением и эксплуатацией радиоактивных источников и, наконец, «чернобыльский синдром», не изжитый до сих пор.

Нельзя не учитывать и просто физическую удалённость студента, интересующегося физикой высоких энергий или космическими науками, от современной эспериментальной установки – коллайдера, реактора или космического аппарата.

Безусловно, с развитием современных средств коммуникации, огромное количество научной информации находится в свободном доступе.

Однако, это не помогает студенту получить полноценное «экспериментальное» образование, т.е. провести учебный эксперимент и своими руками получить результат, по крайней мере на стадии общего образования, до того, как его допустят к коллайдеру или примут на работу в NASA. НИИЯФ МГУ, имея полувековой опыт обучения студентов различных специальностей экспериментальным основам атомной, ядерной и космической физики, развивает несколько вариантов решения данной проблемы:

Выполнение задач ядерного практикума в режиме on-line Практикум по ядерной физике обычно предполагает оснащение учебных лабораторий радиоактивными препаратами, что создаёт проблемы, как при их приобретении, так и при хранении и использовании.

Возможности дистанционного практикума могут восполнить данный пробел. Экспериментальные установки с радиоактивными источниками, которые находятся в учебных лабораториях НИИЯФ МГУ, были созданы в 70-80-х годах прошлого века, но до сих пор не потеряли своей актуальности и пока не имеют аналогов в университетских учебных лабораториях. В настоящее время мы поводим тестовую on-line эксплуатацию лабораторных работ «Спонтанное деление калифорния-252» «Опыт Резерфорда» и «Аннигиляция позитронов». Выбор этих задач не случаен. «Эффект Резерфорда» представляет собой один из фундаментальных экспериментов, лежащих в основе ядерной физики, но в классическом виде вряд ли может быть реализован в условиях учебной лаборатории обычного российского университета. При выполнении задачи «Спонтанное деление калифорния 252» студенты могут непосредственно наблюдать и исследовать достаточно экзотический для учебного практикума процесс деления ядра трансуранового элемента, имеющего множество практических приложений.

Ну а задача «Аннигиляция позитронов»» одним своим названием призвана привлечь внимание преподавателей и студентов. В последние годы, после модернизации учебных установок и перевода на новую элементную базу детекторов и электронных трактов, а также оснащения установок компьютерами, появилась возможность передавать данные по сети Интернет и реализовать дистанционное выполнение этих лабораторных работ.

Космический практикум В 2005 году был запущен первый российский университетский спутник «Университетский – Татьяна». Основными идеями научно образовательной программы данного проекта были:

а) её открытость;

б) использование университетского микроспутника в роли летающей учебной лаборатории для выполнения задач по различным курсам физики для всех университетов России и зарубежья.

Научная информация после обработки выставлялась для использования на специальном сайте. На основе этой информации, а также информации с других космических аппаратов, имеющейся в открытом доступе и адаптированной к использованию в образовательном процессе, был подготовлен «Космический практикум», задачи которого уже выполняются во многих российских университетах. Интересно, что научная и даже служебная информация, поступающая с космического аппарата, даёт возможность иллюстрировать эффекты и явления, относящиеся не только к космической физике, но и к другим разделам от механики до ядерной физики. При подготовке и реализации новых научно-образовательных космических проектов МГУ мы планируем продолжить развитие идеи открытой и общедоступной образовательной космической программы.

Учебные комплексы – тренажёры Серьёзной проблемой для многих университетов, в частности в России, является невозможность приобретения и использования в учебном процессе радиоактивных источников. Главные причины следующие:

дороговизна, отсутствие опыта работы с ними, бюрократические и психологические препятствия. В этой ситуации для многих российских университетов оказались востребованными разработанные в НИИЯФ МГУ учебные лабораторные комплексы-тренажёры по атомной и ядерной физике, в которых вместо реальной установки с радиоактивным источником используется прибор-имитатор со всеми элементами управления и контроля, а в компьютер была заложена обширная база данных, полученная в реальных экспериментах на серьёзных научных установках. Идея использования таких учебных установок до сих пор считается спорной, однако, уже более двадцати российских университетов приобрели полные наборы лабораторных установок-тренажёров для практических занятий по курсам атомной и ядерной физики.

Молодёжные научные школы «Космические исследования. Микромир и макромир»

Уже девять лет в разных городах России (Ульяновск, Кострома, Чебоксары) НИИЯФ МГУ проводит ежегодные осенние молодежные научные школы, посвященные проблемам ядерной физики, физики космоса, космических лучей и высоких энергий, основная цель которых состоит в демонстрации доступности серьезных исследований в области физики микро- и макромира для современных российских университетов, а весной на базе НИИЯФ МГУ проходят молодежные научные школы «Микромир и макромир», участвуя в которых студенты и молодые преподаватели российских университетов могут не только из первых рук услышать самые свежие новости «с переднего края» науки, но и выполнить работу на самых современных исследовательских и учебных установках. В работе школ приняли участие более тысячи студентов и молодых преподавателей из многих университетов России и стран ближнего зарубежья. За годы выработан формат этих школ. В течение двух-трёх дней ведущие учёные НИИЯФ и преподаватели физического ф-та МГУ читают лекции студентам и преподавателям университета, а затем ещё два дня встречаются с учителями физики и старшеклассниками школ физико-математического профиля. Вот, например, неполная тематика лекций, прочитанных в ноябре декабре 2012 г. в Чебоксарах: «Гелиофизика. Последние успехи в экспериментах на Большом Адронном Коллайдере. Космические лучи и магнитосфера Земли. Физика нейтрино – текущее состояние и перспективы.

Деление ядер: история и современное состояние исследований. Ускорители элементарных частиц и их применение в физике, медицине, технологии».

Каждая лекция читалась в двух вариантах для двух разных аудиторий – университетской и школьной. Лекции читались ведущими учёными и молодыми специалистами НИИЯФ непосредственно участвовавшими в ведущих международных научных экспериментах.

Повтори Нобелевские эксперименты Лаборатория общего и специального практикума (ЛОСП) НИИЯФ МГУ совместно с кафедрами атомной и ядерной физики в течение ряда лет проводит практические занятия со школьниками под девизом «Повтори Нобелевский эксперимент». Во время этих занятий учителя и старшеклассники школ физико-математического профиля имеют возможность на реальных физических установках под руководством специалистов НИИЯФ и преподавателей физического факультета МГУ изучить следующие ключевые явления в области атомной и ядерной физики и повторить великие эксперименты физики начала 20-го века, такие как эффект Зеемана, эффект Комптона, опыт Мозли, «увидеть» деление ядер, аннигиляцию позитронов и искусственную радиоактивность, открытие дейтерия и другое. В Интернет выложены описания задач и мультимедийные пособия для подготовки к работам. За последние годы более 400 учащихся прошли через этот проект.

Креативность ученых как фактор развития истории науки © А. И. Руснак, В. В. Кудрявцев Московский педагогический государственный университет nrk84@mail.ru Наука и техника органично входят в понятие культуры общества и в немалой степени определяют ее содержание. Научное знание создает осно ву для непрерывного развития производительных сил, влияет на социаль ные процессы, на решение глобальных проблем человечества. В этом за ключается фундаментальный вклад науки и техники в культуру.

Для чего нужна история науки? Казалось бы, для работы с новыми технологиями, совсем не обязательно ее знать. Так в учебниках физики практически не встречаются фрагменты, посвященные истории создания лазеров и их использованию различных отраслях. Историко-научный метод, используемый при изучении развития отдельных отраслей науки и техники, важен при анализе комплексных направлений, особенно интенсивно разви вающихся и имеющих важное практическое значение. Лазерные технологии как раз и составляют одну из таких областей, реально сформировавшуюся во второй половине ХХ в. Она является одним из приоритетных направле ний научно-технического прогресса.

Лазерная физика и техника поражают не только быстротой их со вершенствования, но также разнообразием областей применения. Это меди цина и промышленность, военное дело и информационные технологии, и многое другое. При этом наряду с большим интересом к собственно лазер ной физике наблюдается и заинтересованность в знании истории ее разви тия и практического использования. Последнее избавляет современного человека от узости технократического мышления, помогает повысить его общую культуру. Только конкретные примеры зарождения и совершенство вания технических устройств могут помочь глубоко познать диалектику научно – технического прогресса [1].

Сотни выдающихся учёных и изобретателей убедительно доказали своим творчеством, что, не зная прошлого, невозможно ориентироваться в настоящем и, главное, предвидеть будущее. В этом и проявляется креатив ность ученых, включающая в себя творческие способности и готовность к продуцированию принципиально новых идей на основе уже имеющихся представлений. Креативная личность чувствует внутреннее побуждение к творчеству – будь то сооружение кукольного домика или построение тео рии электромагнитного поля. Именно наше научное любопытство, а не только знания и видение мира позволяет развивать область выбранных ис следований. По мнению П. Торренса, креативность соединяет в себе повы шенную чувствительность к настоящим проблемам, к дефициту или проти воречивости знаний, а так же действия по объединению разноплановой ин формации и поиску решений существующих проблем, по проверке и изменению гипотез, по формулированию результата решения. При этом правомерна постановка вопроса о врожденных креативных способностях индивидов только как о потенциальной возможности творчества;

в силу многих причин она может и не реализоваться. Следовательно, необходимы уроки креативного мышления. Исходя из положений психологии, креатив ность, как свойство личности, носит не только врожденный характер, но может также быть целенаправленно воспитана с использованием специаль ных методов, причем некоторые учебные дисциплины наилучшим образом подходят для этого. В частности, мы считаем целесообразным использова ние изучения истории науки для развития креативного мышления обучае мых. В первую очередь это возможно, если они осознают особенности ста новления творческой личности ученого. Креативная педагогика учит твор ческому росту. Мы считаем важным, что среди факторов развивающих креативность, важное место занимает обучение через исторические приме ры, а не только путем познания сложной теории.

В истории физической науки известно много креативных личностей.

Вспомним хотя бы Альберта Эйнштейна, великого ученого и исключитель но креативного человека. Его великие идеи в области теории относительно сти или квантовой механики революционизировали многие разделы науки – атомную физику, электродинамику, физику твердого тела и т.п. В начале ХХ века шла бурная ломка старых физических представлений, возникали горячие споры, затянувшейся на многие годы и даже десятилетия, часто принимавшие форму ожесточенной борьбы, и иной раз подогреваемые до водами, лежащими вне науки. Нобелевская премия, присужденная А.Эйнштейну, – не только подтверждение высочайшего научного уровня сделанного им открытия, но также и указание на невиданный интеллект ее создателя и креативность его мышления.

Важно также, что творческие личности стремятся к высокой степени независимости и самоутверждения, которые приводят их к поиску и реше нию малоизученных проблем. Именно поэтому они часто бросают вызов общепринятым представлениям, оказывая явное предпочтение всему ори гинальному и необычному. Так, первооткрыватели лазерной физики (А.Н.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 12 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.