【Пособие по физике для средней школы】 Выборный блок, третья часть

📚 Обзор содержания

Этот учебник является третьим томом серии по физике для старших классов общеобразовательной школы и глубоко рассматривает такие основные темы, как молекулярно-кинетическая теория, агрегатные состояния вещества и их изменения, законы термодинамики, строение атома, волново-корпускулярная двойственность, а также физика атомного ядра. Целью является развитие ключевых физических компетенций у учащихся.

Исследуйте тайны макроскопической термодинамики и микроскопической квантовой физики, освойте фундаментальные законы физического мира.

Авторы: Пэн Цяньчжэн, Хуан Шуьбо

Благодарности: Утверждено экспертным комитетом по учебникам Национального совета по учебникам (2019)

🎯 Цели обучения

1. Понимание микроскопического строения: уметь описывать основные положения молекулярно-кинетической теории, владеть расчетами, связанными с числом Авогадро, и принципом оценки размеров молекул методом масляной пленки.
2. Анализ движения и сил: уметь различать броуновское движение и тепловое движение, описывать закономерности изменения сил притяжения и отталкивания между молекулами в зависимости от расстояния.
3. Овладение статистическими закономерностями: уметь объяснять микроскопическую природу давления газа с точки зрения статистики и анализировать влияние температуры на распределение скоростей молекул.
4. Понимание и умение применять законы Бойля–Мариотта, Шарля и Гей-Люссака для решения задач на изменение состояния газа.
5. Владеть уравнением состояния идеального газа (\frac{pV}{T}=C) и объяснять происхождение давления газа с микроскопической точки зрения.
6. Уметь различать физические свойства кристаллических и аморфных тел, понимать симметрию и анизотропию кристаллической структуры на микроскопическом уровне.
7. Понимать взаимосвязь между работой, теплотой и изменением внутренней энергии, знать выражение первого закона термодинамики \Delta U = Q + W и уметь проводить количественные расчеты.
8. Уметь объяснить, почему невозможны создание машин первого и второго рода, с точки зрения преобразования энергии и её направления.
9. Понимать формулировки второго закона термодинамики Клаузиуса и Кельвина, осознавать направление макроскопических процессов и принцип возрастания энтропии.
10. Понимать ключевые квантовые понятия — квант энергии, фотон, уровни энергии, уметь решать физические задачи с использованием формулы Планка и уравнения фотоэффекта Эйнштейна.

🔹 Урок 1: Молекулярно-кинетическая теория и микроскопическая сущность

Обзор: Этот урок направлен на раскрытие физической сущности макроскопических термодинамических явлений с микроскопической точки зрения. В курсе рассматриваются базовые понятия молекул, тепловое движение, броуновское движение, механические характеристики межмолекулярных сил; далее — количественная оценка размеров молекул с помощью эксперимента с масляной пленкой, а также статистическое объяснение распределения скоростей молекул газа и механизма возникновения давления.

Результаты обучения:

• Понимание микроскопического строения: уметь описывать основные положения молекулярно-кинетической теории, владеть расчетами, связанными с числом Авогадро, и принципом оценки размеров молекул методом масляной пленки.
• Анализ движения и сил: уметь различать броуновское движение и тепловое движение, описывать закономерности изменения сил притяжения и отталкивания между молекулами в зависимости от расстояния.
• Овладение статистическими закономерностями: уметь объяснять микроскопическую природу давления газа с точки зрения статистики и анализировать влияние температуры на распределение скоростей молекул.

🔹 Урок 2: Изменение агрегатных состояний и законы идеального газа

Обзор: Этот раздел охватывает эволюцию от газовых законов до уравнения состояния идеального газа, глубоко исследует микроструктуру и макроскопические свойства твердых и жидких тел. С помощью научного метода «идеальной модели» соединяются макроскопические термодинамические явления с микроскопической молекулярно-кинетической теорией, а также расширяется до современных технологий, таких как дисплеи на жидких кристаллах.

Результаты обучения:

• Понимание и умение применять законы Бойля–Мариотта, Шарля и Гей-Люссака для решения практических задач на изменение состояния газа.
• Владеть уравнением состояния идеального газа (\frac{pV}{T}=C) и объяснять происхождение давления газа с микроскопической точки зрения.
• Уметь различать физические свойства кристаллических и аморфных тел, понимать симметрию и анизотропию кристаллической структуры на микроскопическом уровне.

🔹 Урок 3: Законы термодинамики и сохранение энергии

Обзор: Этот раздел посвящен основным законам, описывающим тепловые явления с точки зрения преобразования энергии. На основе эксперимента Джоуля была установлена эквивалентность работы, теплоты и изменения внутренней энергии, что привело к формулировке первого закона термодинамики. Кроме того, второй закон термодинамики исследует направление естественных процессов, раскрывая причины необратимости и невозможности создания вечных двигателей.

Результаты обучения:

• Понимать взаимосвязь между работой, теплотой и изменением внутренней энергии, знать выражение первого закона термодинамики \Delta U = Q + W и уметь проводить количественные расчеты.
• Уметь объяснить, почему невозможны создание машин первого и второго рода, с точки зрения преобразования энергии и её направления.
• Понимать формулировки второго закона термодинамики Клаузиуса и Кельвина, осознавать направление макроскопических процессов и принцип возрастания энтропии.

🔹 Урок 4: Строение атома и волново-корпускулярная двойственность

Обзор: Этот раздел рассматривает переход от классической физики к квантовой физике, центральной темой которого является «квантовая природа» микромира. Курс начинается с понятия кванта энергии, доказывает корпускулярную природу света через фотоэффект, затем переходит к модели атома Резерфорда и теории Бора о квантовых переходах, в результате чего формируется концепция материи-волн и основы квантовой механики.

Результаты обучения:

• Понимать ключевые квантовые понятия — квант энергии, фотон, энергетические уровни, уметь решать физические задачи с использованием формулы Планка и уравнения фотоэффекта Эйнштейна.
• Владеть наблюдаемыми явлениями и значением эксперимента по рассеянию α-частиц, понимать модель ядерного строения атома и теорию квантовых переходов Бора.
• Проникнуться физическим смыслом волново-корпускулярной двойственности, ознакомиться с теорией материи-волн Дебройля и с применением квантовой механики в современных технологиях.

🔹 Урок 5: Физика атомного ядра и элементарные частицы

Обзор: Этот курс охватывает влияние квантовой механики на физику твердого тела и всестороннее изучение внутреннего мира атомного ядра. Рассматриваются естественная радиоактивность, закономерности распада атомных ядер, ядерные реакции (деление и синтез), их применение в энергетике и медицине, а также продолжается до самых глубоких уровней структуры материи — элементарных частиц и модели кварков.

Результаты обучения:

• Понимание применения: осознавать вклад квантовой механики в физику твердого тела (например, полупроводники, чипы), знать применение радиоактивных изотопов в медицине и промышленности.
• Освоение закономерностей: уметь правильно записывать уравнения ядерных реакций, владеть законами сохранения массового числа и заряда, понимать статистический смысл периода полураспада.
• Исследование источников энергии: объяснять принципы цепной реакции деления атомного ядра и термоядерного синтеза, знакомиться с передовыми разработками управляемых термоядерных реакций (магнитное и инерционное ограничение).