Dla nauczyciela

Imię i nazwisko autora:

Nina Tomaszewska

Przedmiot:

Fizyka

Temat zajęć:

Przyspieszamy cząstki

Grupa docelowa:

III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzający zapis podstawy programowej dla kształcenia rozszerzonego

Podstawa programowa:

Cele kształcenia – wymagania ogólne

II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.

Zakres rozszerzony
Treści nauczania – wymagania szczegółowe

I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
4) przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem.

VII. Elektrostatyka. Uczeń:
9) oblicza zmianę energii ładunku w polu centralnym i jednorodnym;
10) opisuje ilościowo pole elektryczne wewnątrz kondensatora płaskiego.

XII. Elementy fizyki relatywistycznej i fizyka jądrowa. Uczeń:
2) posługuje się związkiem między energią całkowitą, masą cząstki i jej prędkością;
4) wskazuje prędkość światła w próżni jako maksymalną prędkość przekazu energii i informacji.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:

  • kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji,

  • kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,

  • kompetencje cyfrowe,

  • kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.

Cele operacyjne:

Uczeń:

  1. odpowie, po co przyspieszamy naładowane cząstki.

  2. wyjaśni, w jaki sposób pole elektryczne może przyspieszyć cząstkę i od czego zależy przyrost energii kinetycznej cząstki.

  3. omówi, w jaki sposób przyspieszamy cząstki w akceleratorze liniowym.

  4. wykaże, że istnieją granice przyspieszania cząstek.

  5. zastosuje zależności relatywistyczne do obliczenia prędkości przyspieszanych cząstek.

Strategie nauczania:

blended learning

Metody nauczania:

wykład informacyjny wspomagany pokazem multimedialnym

Formy zajęć:

praca w zespole klasowym

Środki dydaktyczne:

Niniejszy e‑materiał + komputer z rzutnikiem lub tablety do dyspozycji każdego ucznia.

Materiały pomocnicze:

brak

PRZEBIEG LEKCJI

Faza wprowadzająca:

Nauczyciel pyta uczniów, z czym kojarzy im się przyspieszanie cząstek i w jaki sposób można przyspieszać naładowane cząstki. Uczniowie odpowiadają, że odpowiednie jest tu użycie pola elektrycznego. Nauczyciel następnie opowiada o pożytkach z wysokoenergetycznej cząstki używanej jako pocisku w zderzeniach. Może wspomnieć o pierwszym eksperymencie zderzeniowym, czyli doświadczeniu Rutherforda.

Faza realizacyjna:

Nauczyciel wraz z uczniami rozważa zmianę energii kinetycznej naładowanej cząstki, która przebędzie różnicę potencjałów U. A jeśli ustawić jeden za drugim moduły przyspieszające?

Nauczyciel opowiada o akceleratorze liniowym cząstek; podaje przykład akceleratora LINIAC w Stanford. Uczniowie łatwo dochodzą do wniosku, że energia kinetyczna cząstki jest wprost proporcjonalna do liczby modułów.

Nauczyciel zadaje pytanie: A czy wobec tego prędkość też będzie rosła wraz z energią nieograniczenie? Wynikałoby to z klasycznego związku energii kinetycznej z prędkością. Może któryś z uczniów zauważy, że prowadziłoby to do przekroczenia prędkości światła, która jest prędkością nieprzekraczalną w przyrodzie. Nauczyciel wyjaśnia, że rzeczywiście eksperymenty z przyspieszaniem cząstek (np. w CERNie) pokazują, że mimo ogromnych energii cząstek, ich prędkość jest zawsze mniejsza niż c. Nauczyciel zapisuje na tablicy relatywistyczny wzór na energię kinetyczną i pokazuje, że wynika z niego wspomniane zachowanie graniczne. Gdy Ek→∞, to v→c. Uczniowie mogą przekonać się o tym wykonując symulowane doświadczenia. Stosują coraz większą liczbę modułów w akceleratorze liniowym i otrzymują prędkości cząstek obliczone metoda klasyczną i relatywistyczną. Na ich oczach powstają dwa wykresy zależności prędkości protonu od liczby modułów (energii). Łatwo zobaczyć, który jest słuszny.

Faza podsumowująca:

W fazie podsumowującej uczniowie pod kierunkiem nauczyciela rozwiązują zadania: 4, 5 i 8 z zestawu ćwiczeń.

Praca domowa:

Zadania: 1, 2, 3, 6 i 7 z zestawu ćwiczeń.

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium:

Symulacja może być użyta jako praca domowa na zasadzie podsumowania tematu.

Sprawdź się