Методика изучения темы "Элементарные частицы" в курсе физика средней школы

Фотон – стабильная элементарная частица, принадлежащая к семейству бозонов. Фотон не имеет массы и электрического заряда. Фотон является носителем электромагнитной силы.Адрон – «тяжелая» композитная частица, состоящая из двух или более кварков. Как, например, протоны и нейтроны. В противовес им существуют более легкие лептоны, такие как электроны и мюоны.Мюон – элементарная частица, которая имеет электрический заряд «–1». Свойства мюонов подобные свойств электрона, но мюон примерно в 200 тяжелее электрона.Но, для того чтобы образовались новые частицы необходимо столкнуть частицы с высокими энергиями. Для этого используют ускорители заряженных частиц.Комплекс ускорителей в ЦЕРНепредставляет собой последовательность ускорителей, которые ускоряют частицы до все более высоких энергий. Каждый ускоритель повышает энергию пучка частиц, прежде чем вводить пучок в последующий ускоритель.Рис. 10. Большой адронныйколлайдер в ЦЕРНеВ Большом адронномколлайдере (LHC) – последнем элементе в этой цепочке – пучки частиц ускоряются до энергии 6,5 TeВ каждый. И после этого протоны, наконец, направляют в два ускоряющих кольца LHC. Луч в одном кольце циркулирует по часовой стрелке, тогда как луч в другом – против часовой стрелки. Нужно 4 минуты и 20 секунд для заполнения каждого кольца LHC, и 20 минут, чтобы протоны достигли максимальной энергии. Пучки циркулируют в течение многих часов внутри колец LHC. Два пучка приводятся в сталкновения в четырех точках, в которых расположены детекторы ALICE, ATLAS, CMS и LHCb. Общая энергия в точке столкновения равна 13 ТэВ.Электромагниты вокруг детекторов частиц генерируют магнитные поля для создания силы Лоренца. С точки зрения физики, ключом к идентичности частицы является ее импульс. Именно он и определяет кривизну ее траектории: частицы с высоким импульсом движутся почти прямолинейно, в случае малого импульса движение происходит по спиралям внутри детектора.Как и охотники могут идентифицировать животное, глядя на следы, которые она оставляет на влажной почве или на снегу, физики идентифицируют субатомные частицы исследуя треки, которые они оставляют в детекторах. Чтобы учащиеся поняли указанный принцип, их необходимо познакомить с принципом работы детекторов частиц.Современные детекторы частиц состоят из слоев –поддетекторов или калориметров, каждый из которых предназначен для поиска конкретных свойств или конкретных типов частиц[19].Трекеры– устройства, которые отслеживают и обнаруживают пути электрически заряженных частиц при их прохождении и взаимодействии с соответствующей веществом [18]. Большинство устройств отслеживания не создают видимых треков частиц, а лишь записывают небольшие электрические сигналы, вызванные частицами, когда те движутся внутри устройства. Компьютерная программа затем реконструирует записаные шаблоны треков. Трекер полностью изготовлен из кремния.Электромагнитный калориметр позволяет определить потери энергии частиц при прохождении, когда они взаимодействуют с электрически заряженными частицами в веществе. Электромагнитный калориметр служит для определения энергий электронов и фотонов. Он изготовлен из кристаллов, соединенных с фотодиодами. Адронный калориметр измеряет энергию частиц «адронов» из кварков и глюонов. Калориметры могут останавливать большинство известных частиц, кроме мюонов и нейтрино. Мюон может проникать через многометровый слой железа без взаимодействия и не останавливается ни одним из калориметров. Его идентифицируют с помощью детектора мюонов.Визуальный дисплей CMS (Рис. 10) может использоваться для визуализации данных, полученных в детекторе CMS [17].Рис. 10. CMSНекоторые основные сведения о функциональности кнопок верхней части. Меню слева содержит различные части детектора. Прежде чем начать пользоваться программу, важно ознакомиться с различными составляющими детектора CMS и их функциями.Итак, откроем событие и посмотрим реальные данные. Что такое событие? Событие является фундаментальным взаимодействием, которое происходит, когда частица сталкивается в детекторе. В событии физики частиц входные частицы рассеиваются или разрушаются и в зависимости от энергии могут образовываться сотни частиц. События можно визуализировать и изучить с помощью инструмента «визуализировать события».Чтобы открыть набор данных:• Нажимаем кнопку открытых данных• Появится это окно:Рис. 11.Окно открытия данных• Выбираем открытие файлов из Интернета (Рис. 12.). Эти файлы находятся в портале открытых данных CERN.Рис. 12.Открытиефайловиз ИнтернетаВ папке «Образование» (Рис. 13.) можно найти несколько интересных примеров.Рис. 13.Папка «Образование»В качестве примера откроем файл dimuon_0.ig, нажав на событие и выбрав«Загрузить».После загрузки выберем «Закрыть» и увидим:Рис. 14.ВизуализаторРассмотрим левое меню визуализатора на рисунке 14.Оно имеет 8 подменю:Detector(Детектор): соответствует различным частям детектора, которые нами были рассмотрены выше. В качестве ссылки выбрано только внешнее значение HCALImported (Импортируемые): недоступны.Provenance (Происхождение): ознакомьтесь с информацией о событии на экране.Tracking (Отслеживание): соответствует системе отслеживания. Сначала показаны столкновения в кластерах. С их помощью можно отслеживать реконструированые треки.SiPixelClusters : (красные точки)Si Strip Clusters: (красныеточки)Просмотры записей отслеживания: (желтые точки)Соответствие трекераDets: (желтые прямоугольники)Записанные треки (желтые дорожки): Реконструированные треки (избранные) электронов и фотоновECAL: Реконструированные попадания в цилиндр и конечный детекторы.Barrel Rec Hits (Selected) (зеленыеточки)Preshower Rec. Hits: недоступноEndcap Rec. Hits (Selected) (зеленые точки)HCALРеконструированые удары показаны в каждой части детектора.Barrel Rec. Hits (Selected) (синиеразделы)Endcap Rec. Hits (Selected) (синиеразделы)Outer Rec. Hits (синиеразделы)Forward Rec. Hits (синие разделы)МюонMatchingMuonChambers (избранные): соответствуют реконструированным мюонам (красные пустые тома)CSC Segments (избранные): камеры катодных полос (розовые сегменты)RPC Rec. Hits (избранные): резистивные пластины – хиты (желтые сегменты)DT Rec. Segments (4D) (избранные): дрейф трубки реконструированы сегменты. (желтые сегменты)DT. Rec. Hits: Трубки реконструировали попадания (зеленые сегменты)• ФизикаElectrontracks (Треки электронов): они будут появлятьсяв меню, только если обнаружены электроны. (зеленые треки)TrackerMuons: Трек мюона в форуме. (красные дорожки)Stand-aloneMuons (Автономные мюоны): выявление в мюонных камерах (красные дорожки)GlobalMuons (избран): реконструирован трек мюонов (красные дорожки)Jets: поток частиц в ECAL и HCAL (желтые пирамиды)MissingEt (Потерянные частицы): недоступно.В этом случае нас интересуют два мюоны. Мы можем получить информацию о данных, связанные с двумя мюонами, используя два разных варианта.• Клацнув дорожку мюона в визуализаторе. Получим это окно:Рис. 15.GlobalMuons• С помощью пункта меню GlobalMuons. Просто нажав на название и в нижней части визуализатора появится новая таблица с данными:Рис. 16.Таблица с даннымиИспользуя эти данные при проведении занятий, учащиесясмогут лучше ознакомиться с различными частями детектора и последствиями столкновений различных частиц с образованием треков.Кроме того, на портале OpenData в папке «Образование» представлены различные наборы данных, которые можно использовать для демонстрации. В приведенном выше примере было рассмотрено распад Z-бозона на два мюоны. В зависимости от набора данных, которые открывает пользователь, визуализация может быть разной.Выводы1. Осуществлен психолого-педагогический анализ изучения вопросов физики элементарных частиц в курсе физика средней школы и исследовано современное состояние преподавания этих вопросов. По результатам анализа систематизированы наиболее распространенные ошибки и характерные неточности, которые могут вызвать трудности в понимании учащимися основных понятий и теорий. Установлена ​​необходимость проведения обобщающих занятий, направленных на формирование целостных представлений о Стандартной модели физики элементарных частиц как завершенную и доказательную физическую теорию.2. Предложена методика введения некоторых основных понятий по физике элементарных частиц и подобраны соответствующие цифровые модели с целью более эффективного усвоения учащимися учебного материала. Предлагается термин «частица» использовать только для описания элементарных частиц, сложные частицы могут быть точно обозначены как системы частиц. Введение «ядерного пространства» вместе со стандартным употреблением дефиниции «ядро» значительно облегчает формирование современных научных представлений о модели атома и создает основу для корректного описания протонов и нейтронов в нем. Аналогично, использование ключевого термина «орбитальное пространство» оказалось актуальным для понимания учащимися модели атома.3. Разработаны эффективные способы организации учебно-поисковой деятельности по ознакомлению учащихся со свойствами элементарных частиц и методами их детектирования с использованием портала открытых данных OpenData, представленного на сайте Международной организации ядерных исследований.Список использованной литературыПримерная основная образовательная программа среднего общего образования / Одобрена решением от 12 мая 2016 года. Протокол №2/16Биология: учебник для 10-го класса (уровень стандарта, академический уровень). (Авт. Балан П.Г., Вервес Ю.Г., Полищук В.П.). - М., Генезис, 2010.Бордовских Г.А., Бурсиан Э.В. Общая физика: Курс лекций с компьютерной поддержкой: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведенный: В 2 т. - М .: Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2001. - Т. 2. - 296 с .:Бугаев А.И. Изучение атомной и ядерной физики в школе. Пособие для учителей / О.И.Бугайов. - М .: Сов. школа, 1982. - 158 с.Гелл-Манн М. Сильное взаимодействие частицы. - Дубна: ОИЯИ, 1964. - 167 с.Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика. 11 класс Учебник базового уровня для общеобразовательных учебных заведений. – 2-е изд. -М.: Мнемозина, 2016Каганов М. Об абстракции в физике / М.И.Каганов // Журнал «Квант» - 2003. - №1. - С. 2-10.Кирик Л. А., Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика 11 класс. Методические материалы для учителя. Под редакцией В.А. Орлова - М.: Мнемозина, 2016Комар А.А. Сильные взаимодействия и симметрии. - М .: Наука, 1973.Кучерук И.М., Горбачук И.Т. Общий курс физики: Т. 3. Оптика. Квантовая физика. - М .: Техника, 1999. - 520 с. Ли Ц.Д., Ву Ц. Слабые взаимодействия. М .: Мир, 1968. - 216 с.Методика преподавания физики в 8-10 классах средней школы. Ч. 2 / В.П.Орехов, А.В.Усова, С.Е.Каменецкий и др., Под ред. В.П.Орехова, А.В.Усовой. - М .: Просвещение, 1980. - 351 с. Пометун А.И. Энциклопедия интерактивного обучения. / А.И. Пометун - М., 2007. - 144 с.Стандартнаямодель. – материалыВикипедии. Режимдоступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C Теория и методика обучения физике в школе: Частные вопросы: Учеб. пособие для студ. пед. вузов / С.Е. Каменецкий, Н.С.Пурышева, Т.И.Носова и др .; Под ред. С.Е.Каменецкого. - М. «Академия», 2000. - 384 с. Яворский Б.М. Справочник по физике / Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. - М .: Наука, 1990. - 624 с.Woithe, J., Wiener, GJ, & Van der Veken, FF. Let's have a coffee with the Standard Model of particle physics!. Physics Education, 52 (3), 2017 - p. 034001.Wiener GJ, Schmeling SM, Hopf M. Introducing 12 year-olds to elementary particles. Phys. Educ. 52, 2017 - p. 044001-044008.Wiener GJ, Schmeling SM and Hopf M An alternative proposal for the graphical representation of anticolor charge Phys. Teach. accepted (2017).CERN OpenData Portal. - Режимдоступа: http://opendata.cern.ch/