Элективный курс «Плазма-четвёртое состояние вещества»

 Элективный курс «Плазма-четвёртое состояние вещества».

Пояснительная записка.

В настоящее время уровень развития такой науки, как физика, в мире достаточно высок. И, естественно, программа обучения физики, школьного курса, так же не должна отставать от уровня развития самой науки. Учащимся нужно, по возможности, находиться в курсе всех новшеств и наиболее интересных открытий и разработок.

И ознакомить учащихся с понятием плазмы необходимо, так как в последние годы свойства веществ, находящихся, как принято говорить в «четвёртом состоянии», привлекают всё больше внимания учёных, что находит отражение и в научно – популярной литературе и в широкой печати.

В школьном курсе понятие «плазма» даётся в 10 классе, в ходе изучения раздела «Молекулярная физика ».

С педагогической точки зрения учебный материал по физике плазмы имеет огромное познавательное и мировоззренческое значение, большой практический интерес. На этом материале решается ряд педагогических проблем: политехническая направленность курса физики, формирование диалектико-материалистического мировоззрения учащихся, развитие их естественнонаучных представлений и общего кругозора. Изучение плазменного состояния должно стать частью учения о веществе и его физических свойствах.

Цели и задачи дисциплины.

Тема «Плазма» очень интересна и познавательна но, к сожалению, даётся в школьном курсе в минимальном, не достаточном, объёме. Поэтому, данная работа преследует две цели:

1. Объяснить процесс формирования понятия «плазма» в школе

2. Наметить возможные перспективы в области изучения плазмы и обозначить возможный материал для этого.

Задачи, которые нужно решить:

Изучить понятие плазма более подробно нежели это дано в учебнике.

Изучить её основные свойства: квазинейтральность, коллективные свойства, степень ионизации, температура.

Рассмотреть процессы, которые происходят в плазме: упругие и неупругие соударения, диффузия и проводимость.

Рассмотреть примеры плазмы в природе и как она используется в технике.

Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

Учащийся, изучивший данную дисциплину, должен:

иметь представление

О плазме и её свойствах

О плазме в природе и технике

знать

Основные понятия, связанные с плазмой

уметь

Решать несложные задачи по плазме

Объём дисциплины и виды учебной работы.

Содержание дисциплины.

Понятие «плазма».

Свойства плазмы.

Плазма в природе.

Плазма в технике.

Перспективы в области изучение плазмы в школьном курсе.

Заключение.

1. Формирование понятия «плазма». Основные этапы формирования физического понятия.

Физика преподаётся как экспериментальная наука. Исходный материал для изучаемых вопросов в основном приобретается учащимися из целенаправленно поставленных наблюдений и опытов, в том числе и в домашних условиях. Последующее абстрагирование и обобщение данных опытов и наблюдений приводит к выделению основных физических понятий, созданию каких либо моделей, установлению принципов, законов и теорий. Заключительный этап – практика для учащихся выступает как применение приобретённых знаний в различной учебной деятельности, при решении задач, на лабораторных работах и, наконец, в общественно полезном и производительном труде.

Процесс формирования всякого физического понятия состоит в последовательном раскрытии качественных и количественных свойств изучаемых предметов и явлений, до состояния их словесного определения и осознания возможностей их практического применения.

Формирование физических понятий происходит на двух этапах.

Первый этап – движение от чувственно – корректного восприятия к абстрактному. В ходе чего детей учат видеть и уметь выделять в предмете или явлении его наиболее существенные признаки. Показывают, как в науке происходит абстрагирование. В итоге вводится словесное определения нового понятия.

На втором этапе осуществляется обобщение введённого понятия, более полно раскрывается его содержание и связь с другими.

Соответственно к моменту начала процесса формирования понятия учащийся должен обладать базой необходимых для этого знаний, умений и навыков.

1.1. Введение понятия «плазма».

Одно из важных условий обучения состоит в том, чтобы дать основы научных знаний о природе. Эти знания должны соответствовать динамично развивающимся научным взглядам, т.е. преподаватель должен иметь понятие и о новых физических теориях, и о перспективных с точки зрения применения областях науки, прежде всего о тех, которые становятся базой новой техники. Согласно проекту Стандарта образования требуется сформировать определенную систему знаний о веществе. Она включает в себя знания о строении и физических свойствах вещества в трех его состояниях: твердом, жидком и газообразном. Но существует еще и четвертое агрегатное состояние - плазма.

Ведение понятия «плазма» лучше начать с истории его возникновения, и объяснения значения слова «плазма».

Долгий путь вёл человека к познанию плазмы, к её использованию в различных отраслях техники. Когда же наука и техника включили плазму в сферу своего внимания, рост знаний о ней и её практическое применение пошли семимильными шагами. Тут и возникли плазмохимия и плазмохимическая технология.

Ещё крупнейший древнегреческий учёный Аристотель предполагал, что все тела состоят из четырёх низших элементов-стихий: земли, воды, воздуха и огня. Дальнейшее развитие науки наполнило новым содержанием эти термины. Действительно вещество может быть в четырёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном.

Человек познакомился с плазмой на заре своего существования, увидев молнию. Плазма окружает нашу Землю в виде ионосферы, обеспечивая устойчивую радиосвязь на Земле. Плазму представляют собой наше Солнце и все звезды (человек уже давно пытается воспроизвести Солнце на Земле в установках управляемого термоядерного синтеза). Наконец, плазма заполняет всю Вселенную в виде очень разреженного межпланетного газа. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной — звёзды, звёздные атмосферы, туманности галактические и межзвёздная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазме обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.

Термин плазма был введен физиологами в середине прошлого века для обозначения бесцветного жидкого компонента крови, молока или живых тканей. Кровь представляет собой красную непрозрачную жидкость, состоящую из плазмы (55 %) и взвешенных в ней клеток, форменных элементов (45 %) - эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. Плазма крови содержит 90-92 % воды и 8-10 % неорганических и органических веществ. Неорганические вещества составляют 0,9-1% (ионы К, Na, Mg, Са, Cl, P и др.). Остальное приходится на органические вещества плазмы: 6-8 % составляют белки (альбумины, глобулины, фибриноген). Около 2 % приходится на них комолекулярные органические вещества (глюкоза, аминокислоты, мочевина, мочевая кислота, липиды, креатин). Водный раствор, который по концентрации солей соответствует плазме крови, называют физиологическим раствором.

В 1923 г. американские физики И.Ленгмюр и Л.Тонкс назвали плазмой особое состояние ионизованного газа. Физиков плазма сначала интересовала как своеобразный проводник электрического тока, а также как источник света. В настоящее время мы рассматриваем физические свойства плазмы под другим углом зрения - и плазма предстает перед нами в новом облике. Во-первых, это естественное состояние вещества, нагретого до очень высокой температуры, во-вторых, это динамическая система - объект приложения электромагнитных сил. Новые подходы к изучению поведения плазмы органически связаны с большими техническими проблемами, для которых физика служит научным фундаментом. Важнейшие из них - это управляемый термоядерный синтез и магнитогидродинамическое преобразование внутренней энергии в электрическую.

Плазма (греч. plasma) – оформленное.

При очень низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии. Нагревание вызывает переход вещества из твёрдое в жидкое, а затем и в газообразное….

Для более быстрого и ёмкого восприятия темы процесс возникновения плазмы можно показать на достаточно простом опыте (процесс нагревания):

Пусть в замкнутом сосуде, сделанном из очень тугоплавкого материала, находиться небольшое количество какого-либо вещества. Начнём подогревать сосуд, постепенно повышая его температуру. Если первоначально вещество, содержащееся в сосуде, было в твёрдом состоянии, то в некоторый момент оно начнёт плавиться, а при ещё более высокой температуре испариться и образовавшийся газ равномерно заполнит весь объём. Когда температура достигнет достаточно высокого уровня, все молекулы газа (если это молекулярный газ) диссоциируют, т.е. распадутся на отдельные атомы. В результате в сосуде будет содержаться газообразная смесь элементов, из которых состоит вещество. Атомы этих элементов будут быстро и беспорядочно двигаться, испытывая время от времени столкновения между собой.

Естественно, возникает вопрос: как будут изменяться свойства вещества, если нагревание продолжиться дальше и температура выйдет за пределы нескольких тысяч градусов? Конечно, при очень высокой температуре, изображаемую нами картину нагревания вещества в тугоплавком сосуде можно представить только теоретически, т.к. предел термической стойкости даже самых тугоплавких материалов сравнительно невелик – 3 000 – 4 000 градусов. Допустим, что стенки сосуда способны противостоять сколь угодно высокой температуре, не разрушаясь и не испытывая никаких изменений. Итак, нагревание продолжается. В таком случае уже при 3 000 – 5 000 градусов мы сможем заметить признаки проявления новых процессов, которые будут связаны с изменением свойств самих атомов вещества.

Как известно, каждый атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, и электронов, вращающихся вокруг ядра и образующих электронную оболочку атома. Эта оболочка и в особенности её внешний слой, содержащий электроны, сравнительно слабо связанные с ядром, обладают довольно хрупкой структурой. При столкновении атома с какой-либо быстро движущейся частицей один из внешних электронов может быть оторван от атома, который превратиться в положительно заряженный ион. Именно этот процесс ионизации и будет наиболее характерен для рассматриваемой стадии нагревания вещества. При достаточно высокой температуре газ перестаёт быть нейтральным: в нём появляются положительные ионы и свободные электроны, оторванные от атомов.

В условиях, когда нагретое вещество находиться в тепловом равновесии с окружающей средой (в нашем случае со стенками воображаемого идеального сосуда) при температуре в несколько десятков тысяч градусов, подавляющая часть атомов в любом газе ионизирована, и нейтральные атомы практически отсутствуют. Например, при T= 30 000 градусов на 20 000 положительных ионов приходиться всего лишь один нейтральный атом.

Электронная оболочка атома водорода содержит только один электрон, и поэтому с потерей атома ионизация заканчивается. В атомах других элементов электронная оболочка имеет более сложную структуру. В её состав входят электроны, обладающие разной степенью связи с атомом в целом. Электроны, принадлежащие к внешним слоям оболочки, отрываются сравнительно легко. Как уже говорилось выше, при температуре порядка 20 000 – 30 000 градусов почти не должно оставаться примесей нейтральных атомов. Это означает, что можно говорить о полной ионизации газа. Однако это не означает, что процесс ионизации закончился, т.к. положительные ионы в упомянутой области температур сохраняют значительную часть своего «электронного одеяния». Чем больше порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева, тем больше число электронов в атоме и тем прочнее связаны электроны внутренних слоёв оболочки с атомным ядром. Поэтому окончательная ионизация тяжёлых элементов только при очень высоких температурах (десятки миллионов градусов). При этом газ остаётся в целом нейтральным, т.к. процессы ионизации не создают избытка в зарядах того или иного знака. Таким образом, при достаточно больших температурах происходит ионизация газа за счёт столкновения быстродвижущихся атомов или молекул.

Далее можно ввести словесное определение понятия «плазма»:

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают, т. е. в целом плазма является электрически нейтральной системой.

Почти все вещества при постепенном повышении их температуры от абсолютного нуля проходят последовательно следующие состояния: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма. И нередко у учащихся складывается ошибочное представление о плазме, как о состоянии вещества при очень высоких температурах, т.е. температурах, при которых происходит термическая диссоциация атомов или молекул газа. Именно этот недостаток следует преодолеть, знакомя учащихся с понятием плазмы. Так, наряду с нагреванием ионизация газа и образование плазмы могут быть вызваны разного рода излучениями или бомбардировкой атомов газа быстрыми заряженными частицами. При этом возникает так называемая низкотемпературная плазма.

Теперь, когда введено общее понятие плазмы можно провести небольшой устный опрос – дискуссию, о том, кто как понял, что такое плазма, как можно получить высоко и низкотемпературную плазму и где она встречается в природе (например, молния). При помощи такого приёма учащиеся лучше воспримут данный им ранее материал, и немного отдохнут для последующего объяснения.

2. Свойства плазмы.

После того, как учащиеся услышали словесное определение понятия «плазма» и как – то, посредством опроса - дискуссии, восприняли это понятие, самое время начать его дополнение и обобщение. Это можно сделать, показывая свойства плазмы.

Плазма обладает рядом специфических свойств, что позволяет рассматривать её как особое четвёртое состояние вещества.

Из-за большой подвижности заряженные частицы плазмы легко перемещаются, под действием электрических и магнитных полей. Поэтому любое нарушение электрической нейтральности отдельных областей плазмы, вызванное скоплением частиц одного знака заряда, быстро ликвидируется. Возникающие электрические поля перемещают заряженные частицы до тех пор, пока электрическая нейтральность не восстанавливается и электрическое поле не пропадает.

В отличие от нейтрального газа, между молекулами которого существуют короткодействующие силы, между заряженными частицами плазмы действуют кулоновские силы, сравнительно медленно убывающие с расстоянием. Каждая частица взаимодействует сразу со многими окружающими её частицами. Благодаря этому наряду с хаотическим тепловым движением частицы плазмы могут участвовать в разнообразных упорядоченных (коллективных) движениях. В плазме легко возбуждаются колебания и волны.

Плазма обладает высокой проводимостью, которая увеличивается с ростом ионизации. При очень высокой температуре полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам.
 

3. Плазма в природе.

Рассмотреть этот вопрос можно на семинарском занятии. Учащиеся должны будут подготовить доклады, рефераты о плазме в природе. Хорошим помощником для них будет наглядное пособие (картинки, видео). (см. папку «Приложение»)

Плазма в технике.

Теперь, когда ученики знают, что такое плазма, её свойства и наличие в природе и космическом пространстве, можно говорить о применении плазмы в жизни. Это, в реферативной форме и под руководством преподавателя, может сделать кто - либо из учащихся. А для начала можно дать детям возможность подумать и привести свои примеры применения плазмы.

Плазма находит широкое применение в самых разных областях науки и техники: высокотемпературная плазма из дейтерия и трития, а также изотопа гелия - основной объект исследований по управляемому термоядерному синтезу. Низкотемпературная плазма применяется в газоразрядных источниках света, газовых лазерах, плазменных дисплеях, в термоэмиссионных преобразователях тепловой энергии в электрическую и в магнитогидродинамических генераторах.

рис. 9

Если «обратить» МГД - генератор, то образуется плазменный двигатель, весьма перспективный для длительных космических полетов. Плазмотроны, создающие струи плотной низкотемпературной плазмы, применяются в различных областях техники. В частности, с их помощью режут и сваривают металлы, наносят покрытия. В плазмохимии низкотемпературную плазму используют для получения некоторых химических соединений, которые не удается получить другим путем. Кроме того, высокая температура плазмы обеспечивает высокую скорость протекания химических реакций. Плазма твердого тела - это особая глава в развитии и широчайшем применении физики плазмы. В настоящее время нет такого раздела физики, в котором физика плазмы не играла бы заметной роли.

В конце изложения, для закрепления темы можно прослушать заранее подготовленные учащимися доклады и рефераты по теме.

Изложение темы можно завершить демонстрацией фильма «Плазма – четвёртое состояние вещества».
 

5. Перспективы в области изучение плазмы в школьном курсе.
 

Объём преподаваемого материала по теме «Плазма» крайне мал, даже по сравнению с тем же материалом за границей. Например, в Оксфордской школе есть небольшая исследовательская лаборатория по исследованию плазмы и её свойств, где учащиеся самостоятельно ставят опыты, занимаются моделированием по данной теме. В процессе изложения широко используются компьютерные технологии, хотя бы для того же контроля за процессами в ходе выполнения лабораторных исследований. К тому же некоторые школы США и Англии связаны с исследовательскими институтами и получают информацию от них.

Тема «Физика плазмы» изложенная более глубоко, в рамках спецкурса по физике, очень заинтересует учащихся, и станет полезной для освоения дальнейших тем курса, таких как «Физика атомного ядра» и последующего обучения в технических ВУЗах.

Предлагаемый ниже материал может быть использован как на уроках физики, так и при проведении специального факультативного курса. Эти материалы можно предложить учащимся после изучения темы «Агрегатные состояния вещества».

6. Заключение.

Тема «Физика плазмы» изложенная более глубоко, в рамках элективного курса по физике, очень заинтересует учащихся, и станет полезной для освоения дальнейших тем курса, таких как «Физика атомного ядра» и последующего обучения в технических ВУЗах.

Предлагаемый выше материал может быть использован после изучения темы «Агрегатные состояния вещества».

Обобщая всё написанное видно, что в основном формирование понятия плазмы в школьном курсе физики идёт по следующему пути:

а) формирование необходимого уровня знаний, умений и навыков к моменту изучения темы

б) введение понятия «плазма», начиная с его истории.

г) дальнейшие расширения понятия в ходе изучения свойств плазмы и её наличие и связь с природой. Применение плазмы человеком в жизни.

Плюс всевозможные доклады учащихся по теме.

д) Закрепление материала в виде опроса – беседы с классом

Учебно-методическое обеспечение дисциплины.

Рекомендуемая литература:

1. Трубников Б. А., Введение в теорию плазмы, М., 1969;

2. Преподавание физики. В. П. Орехов, Э. Д. Корж. 1986 г.

3. Вопросы теории плазмы. Сб., под ред. М. А. Леонтовича, в. 1—7, М., 1963—73.

4. Учебник физики 10 класс, авторы: Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский, Г. Я. Мякишев. 2002 г.

5. МПФ в средней школе, С. Я. Шаманш, Э. Е. Эвенчик, В. А. Орлов, и д.р. 1987 г.

6. Методическое пособие «Общие вопросы МПФ» А. Л. Никишина,

Г. П. Каткова, Г. Р. Филиппова. Тольятти 2001 г.

7. Газета «Физика» статья «Изучение плазмы в школе» С. В. Дорожкин,

В. А. Орлов. № 24 2001 г.

8. Учебник физики 9 класс, авторы: Б. Б. Буховцев, Ю. Л. Климонтович, Г. Я. Мякишев. 1988 г.

Список литературы:

1. Астахов А.В. Широ ков Ю.М. Электромагнитное поле: 2 том под общей ред. Широков Ю.М. М.: 1980 Наука С. 137-148
2. Журнал Успехи физических наук. 2005 вып. №5 2008 вып. №8 2009 вып. №6,7,9.
3. Иванов Б.Н. Законы физики: учеб. пособие для подготовки отдел. вузов М.: Высшая школа 1986 С.278-279
4. Кадомцев Б.Б. Коллективные явления в плазме. М.: Наука 1976 С.9-11, 35-40
5. Касьянов В.А. Физика 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учеб. заведений.- 4-е изд., испр.-М.: Дрофа, 2002.-416с.: ил.
6. Каплан С.А Цытович В.Н. Плазменная астрофизика. М.: Наука 1972.-440 с.
7. Методика преподавания физики в средней школе: Частные вопросы: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по физ.-мат. спец./С.В. Анофрикова, М.А. Бобкова, Л.А. Бордонская и др.; Под ред. С.Е. Каменецкого, Л.А. Ивановой.-М.: Просвещение, 1987.-336 с.: ил.
8. Лонгмайер К. Физика плазмы: элементарный курс перев. с англ. Бегучева О.П. М.: 1966 Атомиздат С.251-271
9. Милантьев В.П. Темко С.В. Физика плазмы. М.: Просвещение 1970 С.38-58
10. Орлов В.А. Дорожкин С.В. Плазма-четвёртое состояние вещества. М.: Бином 2005.-143 с.
11. Расовский М.Р. Электронная теория вещества: учеб. пособие для студентов физ.-мат. пединститутов. Оренбург: 1993 C.120-132
12. Синкевич О.А. Физика плазмы.: Учеб. пособие для вузов. —М.: Высшая школа 1991.-191 с.
13. Смирнов Б.М. Атомные столкновения и элементарные процессы в плазме. М.:Атомиздат 1968 С.276-283
14. Франк-Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы 2-изд. —М.: Атомиздат 1968.-288 с.
15. Франк=Каменецкий Д.А. Плазма-четвёртое состояние вещества. M.: Атомиздат, 1968. - 163 с. 3-е изд.
16. Чен Ф. Введение в физику плазмы: перев. с англ. Кандидата физ.-мат. наук Кручины Е.Н под ред. Д-ра физ.-мат наук Шевченко В.И. М.: Мир 1987 С.12-27, 154-157
17. http://ru.wikipedia.org
18. http://www.krugosvet.ru