Портфолио

Школа юных детективов: загадка строения атома

Согласитесь, весьма непросто преподавать физику в классах, где практически все дети – тонкие, творческие, художественные натуры, не понимающие сухого языка формул, которыми изобилует учебник физики. Даже опытному специалисту порой бывает сложно «гуманитаризировать» учебную программу, что тут говорить о начинающих учителях? Как быть с ребятами, у которых развито ассоциативное, а не абстрактно-логическое мышление? В принципе ответ несложен: надо научить их видеть прекрасное и в физике, заставить заглянуть в глубину происходящих вокруг природных явлений, увидеть и заново пересмотреть, казалось бы, знакомое и хорошо изученное, а на самом деле – непостижимое и неизведанное, таинственное и загадочное…

Именно по этой причине, принимая во внимание специфику мышления, нередко приходится использовать иносказания, существенно упрощающие объяснение основных вопросов учебного курса, поработать над этимологией терминов и названий, что способствует гуманитаризации физики. Предлагаемый урок был разработан с использованием пособия [1] и свободной энциклопедии «Википедия» [2] и апробирован во время Дней самоуправления. анализ ответов учащихся на этапе рефлексии показал, что он очень понравился детям (самым удачным, по их мнению, стало разнообразие форм и методов обучения), а поставленные цели и задачи были реализованы.

Цель урока. Занимательно, через ролевую игру, широко используя межпредметные связи, познакомить учеников со строением атома, планетарной моделью атома Резерфорда.

Задачи урока. Образовательные: доказать, что атом, вопреки этимологическому началу термина (в переводе с древнегреческого ατομ [атом] – неделимый) – сложная частица; познакомить с планетарной моделью атома британского физика Эрнеста Резерфорда; научить определять, используя Периодическую систему, количество элементарных частиц в атоме любого химического элемента; провести первичное закрепление изученного материала с помощью дифференцированной самостоятельной работы в формате ЕГЭ.

Воспитательные: воспитывать такие качества развитой личности, как культура труда, внимание, пытливость и инициатива, умение слушать и слышать учителя, товарищей, безбоязненно высказывать свою точку зрения и отстаивать её, выступая перед широкой аудиторией, совершенствовать навыки сравнивать и обобщать, выделять главное, делать выводы, наблюдать.

Развивающие: способствовать развитию познавательного интереса к физике, продолжить формирование научного мировоззрения учащихся, развивать коммуникативные способности школьников (общение с одноклассниками, педагогом).

Опережающее домашнее задание. Дать одному из учащихся, желательно интересующемуся историей физических открытий, задание найти ответ на вопрос: какие факты из истории науки доказывают сложное строение атома? Опираясь на подобранные примеры, подготовить устное сообщение на 5–10 мин.

Оборудование и раздаточный материал. Схема «Строение атома», Периодическая система химических элементов (на каждом столе), портреты Э. Резерфорда, А. Беккереля, А.Г. Столетова, памятка, карточки с заданиями для дифференцированной проверочной работы (их лучше раздать в конце занятия во избежание списывания или предварительной подготовки учащихся).

Ход урока

В научном мышлении всегда присутствует элемент поэзии.
Настоящая наука и настоящая музыка
требуют однородного мыслительного процесса.
А. Эйнштейн

I. Организационный этап

Учитель. Здравствуйте, дорогие друзья! Мне приятно видеть вас сегодня на уроке физики. Обратите внимание на доску – там вы найдёте моё напутственное слово. Прочитайте его и, по желанию, запишите в рабочую тетрадь. Эти слова, сказанные одним из лауреатов Нобелевской премии по физике, не просто слова. Эйнштейн, например, страстно любил музыку (в основном творения В. Моцарта, И.-С. Баха, И. Брамса, Ф. Шуберта), зачитывался книгами, написанными Л. Толстым, Ф. Достоевским, Ч. Диккенсом, виртуозно играл на скрипке. Может быть, секрет успеха автора многих и многих работ по физике именно в умении созерцать прекрасное и разбираться в нём? Найдите ответ в эпиграфе. Наука – не единственное, что любил великий учёный. «Идеалами, освещавшими мой путь и сообщавшими мне смелость и мужество, были добро, красота и истина», – признавался он. Я очень хочу, чтобы вы прислушались к этим словам, ну а сегодня надеюсь на плодотворную и усердную работу, а также на взаимное сотрудничество с вами, дорогие ребята, которое непременно даст свои плоды, если приложить достаточное количество усилий.

II. Актуализация опорных знаний. Постановка проблемы

Учитель. Эрнест Резерфорд говорил: «Науки делятся на две группы — на физику и собирание марок». Что же изучает физика?

Ученик. Физика – это предмет, изучающий мир, в котором мы живём, и происходящие в нём явления.

Учитель. Каким физическим термином принято называть все окружающие нас предметы?

Ученик. Физические тела.

Учитель. Из чего состоят физические тела?

Ученик. Из вещества.

Учитель. Ещё древние греки предполагали, что всё сущее состоит из частиц. А теперь мы знаем, что все вещества состоят из крошечных частиц – атомов, которые соединяются в молекулы. Крупнейшие молекулы состоят из тысяч атомов. Издавна люди пытались выяснить с помощью гипотез и экспериментов строение атома. Изученная на прошлом занятии тема позволила вам узнать структурную единицу вещества, одну из стабильных элементарных частиц. Отгадайте загадку: очень мал и слишком лёгок,// Движется вокруг ядра // – Он такая недотрога – //Не коснуться никогда.

Ученик. Речь идёт об электроне.

Учитель. Верно. Давайте представим себе, что мы – сотрудники детективного агентства, которому поручено отгадать мучившую многих российских и зарубежных учёных, физиков и химиков на протяжении не одного десятилетия загадку строения атома. Из чего состоит атом? Как он устроен? В ходе нашего расследования мы попытаемся выяснить ответы на эти вопросы и постичь тайны. А пока запишите в свою рабочую тетрадь тему урока (она записана на доске) и сформулированные нами вопросы, поиском ответов на которые мы сейчас и займёмся. Обратите внимание на план занятия (на доске): • Организационный момент. Вступительное слово учителя • Актуализация опорных знаний. Постановка проблемы • Доказательства сложности строения атома • Планетарная модель атома (модель Резерфорда) • Работа в малых группах, заполнение таблицы «Основные данные об элементарных частицах, входящих в состав атома» • Взаимосвязь протонов, нейтронов и электронов • Работа по карточкам • Дифференцированная проверочная работа • Рефлексия • Заключительное слово учителя. Домашнее задание.

III. Доказательства сложности строения атома

Учитель. Как говорил вымышленный персонаж Козьма Прутков, «специалист подобен флюсу: полнота его одностороння». Несмотря на то что мы на уроке физики, рассмотрим сформулированный нами проблемный вопрос с различных сторон, в том числе выделим его этимологические корни. Термин «атом», в переводе с языка жителей Древней Греции, означает «неделимый». Разумеется, первые мысли, возникающие в ваших головах, будут примерно такими: «Атом – это частица, которую невозможно какими-либо способами разделить». Но не торопитесь с выводами! Опытный детектив знает, что кажущиеся на первый взгляд несокрушимыми умозаключения при повторном и более детальном рассмотрении и анализе подвергают сомнениям. Это правило применимо и к понятию «атом». Признак неделимости, оказывается, абсолютно несовместим с современным пониманием структуры атома. Сейчас этимология термина уже не вполне согласуется с действительным положением дел. Это доказывают важные научные открытия. Один из высококвалифицированных специалистов нашего детективного агентства ознакомился с материалами архивов и выяснил весьма интересные детали, которыми готов поделиться с вами. Слушаем сообщение.

Сообщение ученика [2] по плану:

• Случайное открытие французским физиком А.-А. Беккерелем явления радиоактивности при исследовании фосфоресценции в солях урана (несколько лет спустя он совместно с супругами Кюри был удостоен Нобелевской премии по физике «в знак признания выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиоактивности») .

• Открытие электрона Дж.-Дж. Томсоном и определение его массы (9 · 10^–31 кг) и заряда (–1,6 · 10^–19  Кл) в экспериментах по изучению катодных лучей.

• Определение природы ионизированных (полностью потерявших все свои электроны) атомов гелия, или, как их принято называть, α-частиц.

• Изучение внешнего фотоэффекта российским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (это удобный случай для формирования у учащихся чувства гордости за своих соотечественников и воспитания патриотических качеств; педагогу важно не упустить такой момент).

Учитель. Большое спасибо за столь хорошее сообщение! Эта историческая справка – всего лишь отправная точка в нашем расследовании строения атома. Вам хорошо известно, что нельзя создавать будущее, не зная прошлого. Именно поэтому мы познакомились с истоками интересующей нас темы, проникли в историю науки.

IV. Планетарная модель атома (модель Резерфорда)

Учитель. «Отец» ядерной физики англичанин Эрнест Резерфорд в 1911 г. предложил планетарную модель строения атома. Прошу обратить внимание на схему, появлением которой мы обязаны опытнейшим сотрудникам нашего агентства. Чтобы лучше запомнить этот материал, советую вам наиболее важные моменты отразить в конспекте сегодняшнего урока, а я постараюсь оказать вам содействие. (Вкратце рассказывает о строении атома.)

V. Работа в малых группах, заполнение таблицы «Основные данные об элементарных частицах, входящих в состав атома»

Учитель. Начнём с того, что разобьёмся на малые группы и заполним таблицу, в которую сведены основные данные о простейшей модели атома.

Название элементарной частицы	Год открытия, имя первооткрывателя	Заряд и масса частицы
Протон	1920 г., Э. Резерфорд	1,6 · 10–19 Кл; 1,67 · 10–27 кг
Нейтрон	1932 г., Дж. Чедвик	0 Кл; 1,67 · 10–27 кг
Электрон	1897 г., Дж.-Дж. Томсон	–1,6 · 10–19 Кл; 9 · 10–31 кг

Учитель. Молодцы! Результаты вашей усердной работы можно увидеть, заглянув в рабочие тетради. Следующий этап – рассмотрение вопроса о взаимосвязи элементарных частиц, входящих в состав атома. Но для этого придётся ввести кое-какие дополнительные обозначения и научиться пользоваться несложными формулами.

VI. Взаимосвязь протонов, нейтронов и электронов

Учитель. Поскольку протоны – это частицы, имеющие положительный заряд, а нейтроны не имеют его вовсе, то нетрудно догадаться, что в целом ядро заряжено положительно. Но как же тогда объяснить электронейтральность всего атома? (Учащиеся высказывают свои предположения.) Чтобы атом в целом не имел заряда, должен быть «противовес» в виде отрицательных зарядов, находящихся вне ядра, причём их число должно равняться числу положительных зарядов, сосредоточенных в ядре. В этом и только в этом случае атом электронейтрален. Исходя из сделанного нами предположения, получим, что количество протонов должно быть равно количеству электронов, вращающихся вокруг атомного ядра. Запишите и запомните равенство: N_p+ = N_e–. Скажите мне, пожалуйста, ещё раз: какие элементарные частицы являются основными в атомном ядре?

Ученик. Протоны и нейтроны.

Учитель. Общее название для протонов и нейтронов – нуклоны (от лат. nucleus — ядро). На них приходится основная часть массы атома. Запомните это. Можете ли вы на данном этапе урока самостоятельно определить, сколько протонов, электронов и нейтронов находится в атоме, например, фосфора?

Ученик. Нет, для этого пока слишком мало знаний.

Учитель. Ответить на эти вопросы не составит ни малейшего труда, если у вас под рукой Периодическая система химических элементов – графическое выражение периодического закона, установленного русским химиком Д.И. Менделеевым в 1869 г. Вам, юным детективам, просто необходима памятка, гласящая, как отыскать, например, сколько проворных электронов «бегают» вокруг атомного ядра кальция, или количество спокойных нейтронов, затаившихся в ядре химического элемента цинка. На ваших столах находится такая памятка, давайте поработаем с ней.

VII. Работа по карточкам

Учитель. Прав был полководец Суворов, не потерпевший ни одного поражения в битвах, когда утверждал, что «теория без практики мертва». Вам нужно выполнить несколько заданий, направленных на закрепление основных моментов теоретической части занятия. Будьте предельно внимательными и сконцентрированными, потому что потом каждый из вас будет работать уже самостоятельно. (К доске вызывают одновременно троих учеников, которым дают карточки. Пока они выполняют задания и готовятся к выступлению перед классом с обоснованием хода решения, учитель проводит небольшой физический диктант.)

Задание: напишите в столбик цифры от I до VII. Подтвердите или опровергните приведённые ниже утверждения, проставив рядом с этими цифрами знаки «+» (да) или «–» (нет): 1. Ядро водородного атома состоит из положительно заряженного протона и отрицательно заряженного электрона. 2. Масса протона намного больше массы электрона. 3. Оставшаяся в результате потери атомом калия одного электрона частица имеет положительный заряд. 4. В ядре атома алюминия число нуклонов больше, чем в ядре атома кислорода. 5. Если в атоме некоторого химического элемента содержится 12 частиц, то вокруг его ядра движутся 6 электронов. Главной характеристикой данного химического элемента является число электронов. 6. Заряд ядра определяют протоны.

(Учитель организует самопроверку ответов по эталону, написанному на обратной стороне доски.)

Учитель. Каковы результаты диктанта? С какими вопросами вы не смогли справиться? (Разбираются задания из карточек, приведённых ниже.)

VIII. Дифференцированная проверочная работа

Учитель. Предлагаю перейти к контролю знаний в виде разноуровневой самостоятельной работы. В связи с тем что вы не впервые выполняете такой вид работы, то просто напомню вам правила: • выбирайте тот уровень, который вам по силам • неторопливо и вдумчиво решайте задание • в целях экономии времени пропускайте вопрос, найти ответ на который вы сразу не можете • не забудьте после выполнения работы проверить все решения и ответы. (Учитель раздаёт задания разного уровня, по желанию может посоветовать в выборе.)

 

Базовый уровень

Выберите один ответ из четырёх предложенных:

1. Какие элементарные частицы не входят в состав атомного ядра никакого химического элемента?

А) протоны; Б) электроны; В) нейтроны; Г) все указанные частицы входят в состав ядра.

2. Число протонов в атоме фтора равно:

А) 8; Б) 9; В) 19; Г) 10.

3. Масса и заряд нейтрона в атомных единицах равны соответственно:

А) 1 и –1; Б) 0 и 1; В) 1 и 0; Г) 1 и 1.

 

Средний уровень

Запишите только ответы.

1. Укажите количество нейтронов в ядре каждого из указанных химических элементов и поставьте знак «больше», «меньше» или «равно».

а) кислород и цинк; б) натрий и аргон.

2. Определите число всех частиц, входящих в состав атомов алюминия и азота, если атомы этих химических элементов отдали по три электрона.

 

Высокий уровень

Запишите полное решение задачи.

• На рисунке вы видите модель атома, несомненно, хорошо известного химического элемента (назовём его Х). Приведите его название. определите элементарный состав атома этого химического элемента. Где применяются Х и его соединения? Приведите примеры. Какие ещё химические элементы, сходные по свойству с Х, вы можете обнаружить в Периодической системе химических элементов? Назовите не менее четырёх.

 

IX. Рефлексия

Учитель. Наш необычный урок подходит к концу. Перед тем как вы покинете этот кабинет, мне хотелось бы кое-что узнать. Приготовьте, пожалуйста, листочек, подпишите его и напишите ответы на мои вопросы: • Понравился ли вам сегодняшний урок? • Что, на ваш взгляд, можно было бы сделать иначе? А что было интересным? • Какой вид работы из тех, что использовались на занятии, был самым сложным? • Поставьте оценку себе и учителю за работу на уроке (по десятибалльной шкале) • Оставьте своё пожелание учителю, оно будет непременно учтено в работе с восьмиклассниками, которые будут изучать эту тему после вас.

X. Подведение итогов

Учитель. Дорогие друзья! Разрешите поблагодарить вас за сотрудничество в раскрытии загадки строения атома. В завершение урока хочу прочитать стихотворение одного из основоположников русского символизма Валерия Яковлевича Брюсова «Мир электрона» (от 13 августа 1922 г.):

Быть может, эти электроны
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!

Ещё, быть может, каждый атом –
Вселенная, где сто планет;
Там – всё, что здесь, в объёме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но всё та же
Их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь.

Их мудрецы, свой мир бескрайный
Поставив центром бытия,
Спешат проникнуть в искры тайны
И умствуют, как ныне я;

А в миг, когда из разрушенья
Творятся токи новых сил,
Кричат, в мечтах самовнушенья,
Что бог свой светоч загасил!

Подготовьтесь дома к его выразительному чтению в классе или выучите наизусть, а также проведите литературоведческий анализ этого поэтического текста, прокомментируйте его и описанные в нём явления с позиции физика. Разумеется, всё это будет поощряться оценками.

Пройдя школу юных детективов, вы стали мудрее, а значит, урок проведён мною не зря. До новых встреч на наших занятиях!

Литература

1. Полянский С.Е. Поурочные разработки по физике. 8 класс. М.: ВАКО, 2003. 304 с.
2. Статьи «Беккерель», «Томсон», «Столетов» из Википедии. [Электронный ресурс]. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/

Фото предоставлены автором

 

Александр Малин – ученик 11-го класса, классный руководитель Беспалова Н.Е., учитель физики Васильева С.Ю. Получил в школе тот объём знаний, который, по его мнению, без труда позволит продолжить обучение в ТГУ им. Г.Р. Державина по специальности «Химик». Не раз становился лауреатом олимпиад разных уровней, вплоть до регионального, по экологии, русскому языку, литературе и химии. Окончил музыкальную школу с отличием по классу баяна, как нельзя полнее раскрывающего мятежную русскую душу. Одна из любимых книг – «Мастер и Маргарита» М.А. Булгакова, сборник мудрых мыслей и вечных вопросов. С удовольствием занимается с любимой шестилетней племянницей Валерией. Хотел бы от души поблагодарить своих родителей за все их старания, а также всех школьных учителей!