Цель занятий по этой теме - ознакомление с четвертым состоянием вещества – плазмой. Их актуальность объясняется тем, что в основной школе изучаются только три состояния вещества: газообразное, жидкое и твердое. Вместе с тем плазма широко распространена на Земле и во Вселенной, и нашла важное применение в современной технике.

Изучение вопросов, связанных с физикой плазмы, направлено на достижение следующих целей:

· развитие представлений школьников о строении вещества и формирование на этой основе физической картины мира.

· повышение познавательного интереса учащихся к физике на основе ознакомления учащихся с современными достижениями науки и техники, связанными с изучением и применением плазмы.

Основными задачами изучения этого раздела являются помощь школьникам в приобретении умений находить сведения по избранной теме в книгах, журналах и электронных источниках информации, составлять рефераты, выступать с докладами, проводить опыты с использованием простых физических приборов, анализировать полученные результаты и формулировать выводы.

Основное содержание

Формирование системы знаний о веществе нельзя считать полноценным без изучения четвертого агрегатного состояния - плазмы. С плазмой приходится встречаться практически всюду. Человек познакомился с плазмой на заре своего существования, увидев молнию. Плазма окружает нашу Землю в виде ионосферы, обеспечивая устойчивую радиосвязь на Земле. Наше Солнце и все звезды представляют собой плазму. Человек уже давно воспроизвел Солнце на Земле при взрыве водородной бомбы и пытается воспроизвести его в установках управляемого термоядерного синтеза. Наконец, плазма заполняет всю Вселенную в виде очень разреженного межпланетного газа. И, несмотря на то, что межпланетная плазма является очень разреженной, ее масса составляет свыше 95% всей массы Вселенной.

В настоящее время плазма находит широкое применение в самых разных областях науки и техники: высокотемпературная плазма из дейтерия и трития, а также изотопа гелия ³Hе – основной объект исследования по управляемому термоядерному синтезу, низкотемпературная плазма находит применение в газаразрядных источниках света, в газовых лазерах и в плазменных дисплеях, в термоэмиссионных преобразователях тепловой энергии в электрическую энергию, в магнитогидродинамических генераторах. Если «обратить» МГД-генератор, то образуется плазменный двигатель, весьма перспективный для длительных космических полетов. Плазмотроны, создающие струи плотной низкотемпературной плазмы, широко применяются в различных областях техники. В частности, с их помощью режут и сваривают металлы. В плазмохимии низкотемпературную плазму используют для получения некоторых химических соединений, которые не удается получить другим путем. Кроме того, высокие температуры плазмы приводят к высокой скорости протекания химических реакций. Плазма твердого тела – это особая глава в развитии и широчайшем применении физики плазмы. Плазменные технологии используются для антикоррозионной и упрочняющей обработки металлов. С помощью плазменного напыления создают алмазоподобные пленки и тонкопленочные покрытия, кардинально изменяющие фрикционные и прочностные свойства материалов.

Методические рекомендации учителю

С педагогической точки зрения учебный материал по физике плазмы имеет огромное познавательное и мировоззренческое значение, большой практический интерес. На этом материале решаются такие педагогические проблемы, как создание политехнической направленности школьного курса физики, формирование естественнонаучной картины мира. Сказанное позволяет сделать вывод о том, что изучение плазменного состояния вещества должно занять достойное место в формировании системы знаний учащихся о веществе и составить органическую часть учения о веществе и его физических свойствах.

Одной из ведущих форм проведения теоретических занятий должны стать семинарские занятия. Они способствуют развитию умений самостоятельно приобретать знания, критически оценивать полученную информацию, излагать свою точку зрения по обсуждаемому вопросу, выслушивать другие мнения и конструктивно обсуждать их. Темы предстоящих семинаров целесообразно объявлять заранее и предоставлять каждому учащемуся возможность выступить с основным сообщением на одном из занятий. Кроме основного докладчика можно готовить выступление одного или нескольких содокладчиков или оппонентов, отстаивающих альтернативную точку зрения. При такой организации семинара становится возможной дискуссия по обсуждаемой проблеме, в которой могут принять участие все учащиеся. Удачными для организации дискуссии могут служить, например, такие темы, как «Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях»,«Электрические разряды в газах», «Космическая плазма» «Полярные сияния», «Солнечный ветер», «Плазменный магнитогидродинамический генератор». «Управляемый термоядерный синтез», «Холодный термоядерный синтез – «за» и «против» и др.

Практическое знакомство учащихся с экспериментальным методом изучения природы наиболее продуктивно в форме проведения небольших самостоятельных наблюдений, опытов и исследований. Исследовательские задания можно предлагать в качестве индивидуальных или групповых работ для 2-3-х учащихся по их выбору для выполнения в течение нескольких занятий.

При изучении характеристик плазмы желательно показать следующие демонстрации: несамостоятельный и самостоятельный разряды в газах; коронный, дуговой, тлеющий и искровой разряды; и показать фрагменты из кинофильмов: «Плазма – четвертое состояние вещества», «Плазма в однородном магнитном поле» и «Плазма в неоднородном магнитном поле».

Наибольшее внимание следует уделить темам:

Плазма в природе

Геомагнитное поле. Пояса радиации. Магнитосфера Земли. Магнитные бури и причины их возникновения. Полярные сияния. Космическая плазма. Солнечный ветер.

При изучении этой темы желательно показать фрагменты из кинофильмов: «Полярные сияния», видеофильмы «Радиационные пояса планеты» и «Уроки из космоса».

Плазма в технике

Плазменные генераторы или плазматроны. МГД-генератор. Плазменный двигатель. Плазменный дисплей. Проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС). Токамак.

При изучении этой темы желательно продемонстрировать свечение газосветных трубок в поле высокой частоты и люминесцентной лампы.

При завершении изучения этого сюжета полезно провести физико-техническую конференцию по теме: «Плазма на Земле и в Космосе» или экскурсию в обсерваторию, метеорологическую станцию, лабораторию НИИ и т.д.

    Исходя из сказанного, минимальное число занятий по этой теме – три («Понятие о плазме», «Плазма в природе», «Плазма в технике»). Каждое занятие желательно проводить на спаренных уроках. Первое занятие целесообразно проводить в форме лекции, второе и третье – в форме семинара.

Рекомендуемая литература

Литература для учащихся

Арцимович Л.А. Элементарная физика плазмы. –М.: Атомиздат, 1969

Милантьев В.П., Темко С.В. Физика плазмы. – М.: Просвещение, 1983

Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы. –М.: Наука, 1982

Франк-Каменецкий Д.А. Плазма –четвертое состояние вещества. – М.: Атомиздат, 1975

Энциклопедический словарь школьника юного физика /Сост. В.А.Чуянов. – М.: Педагогика, 1991

Энциклопедический словарь школьника юного техника /Сост. Б.В.Зубков, С.В.Чумаков. – М.: Педагогика, 1988

Энциклопедический словарь школьника юного астронома /Сост. Н.П. Ерпылев – М.: Педагогика, 1986

Литература для учителей

Арцимович Л.А. Управляемые термоядерные реакции. – М.: Физматгиз, 1961

Арцимович Л.А. Что каждый физик должен знать о плазме. –М.: 1976

Бекефи Дж. Радиационные процессы в плазме. –М.: Мир, 1971

Воронов Г.С. Штурм термоядерной крепости. – М.: Наука, 1985

Дж.Уокер. Физический фейеверк ( вопросы и ответы по физике). – М.:Мир, 1979

Кадомцев Б.Б Коллективные явления в плазме.- М.: Наука, 1976

П.С.Кудрявцев. История физики. Т.1. – Т.3. М., Просвещение, 1956-1971г.г.

Лукьянов С.Ю. Горячая плазма и управляемый термоядерный синтез. М.: Наука, 1975

Методы исследования плазмы /Под ред.В.Лохте-Хольтгревека. М.: Мир, 1971

Г.Я.Мякишев, А.З. Синяков, Б.А. Слободсков. Физика. Электродинамика. 10-11 классы.–М.: Дрофа, 1996, с.292-296

Рабинович М.С. Управляемый термоядерный синтез. В кн. Школьникам о современной физике. Составитель В.А.Угаров. – М.: Просвещение, 1974

Роза Р. Магнитогидродинамические преобразование энергии. –М.: Мир, 1970

Смирнов Б.М. Атомные столкновения и элементарные процессы в

плазме. –М.: Атомиздат, 1968

 Фабрикант В.А. Физика. Оптика. Квантовая электроника. Избранные статьи. – М.: МЭИ, 2000

Франк-Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы. –М.: Атомиздат, 1968

Физический энциклопедический словарь. –М.: Советская энциклопедия». 1983

Хеглер М.. Кристиансен М. Введение в управляемый синтез. – М.: Мир. 1980

Чен Ф. Введение в физику плазмы. – М.: Мир, 1987

Электродинамика плазмы /Под ред. А.И.Ахиезера. – М.: Наука, 1974

Статьи в научно-популярных и научно-педагогических журналах

1. Вокруг света

«Океан энергии» (с.22-25),

«Сияющая ночь» (с.92-99),

«Плазма» (с.192), №1, 2003 г.

2. Соровский образовательный журнал

Кингсепп А.С. Плазма как объект физических исследований, №2, 1996

Райзер Ю.П. Непрерывный оптический разряд – поддержание и генерация плотной низкотемпературной плазмы лазерным излучением. № 3, 1996,

Быковский Ю.А. Лазерно-плазменный источник ионов и ядер. №9, 1996

Баранов В.Б. Что такое солнечный ветер. №12, 1996

Пудовкин М.И. Солнечный ветер, № 12,1996

Железняков В.В. От плазмы солнечной короны к плазме на нейтронных звездах, № 7, 1997

Шиканов А.С. Лазерный термоядерный синтез. №8, 1997

Герштейн С.С. Загадки солнечных нейтрино. №8. 1997

Кочаров Г.Е. О загадках Солнца. №3, 1998

Ерухимов Л.М. Ионосфера Земли как космическая плазменная лаборатория. № 4, 1998

Курт В.Г. Солнце и межзвездная среда. №1, 1999

Гальпер А.М. Радиационный пояс Земли. № 6, 1999

Бойко В.И. Управляемый термоядерный синтез и проблемы инерциального термоядерного синтеза. №6, 1999

Славатинский С.А. Космические лучи и их роль в развитии физики высоких энергий и астрофизики. № 10, 1999

Рожанский В.А. Удержание плазмы в магнитных ловушках. № 10, 2000

Гильденбург В.Б. Плазменный резонанс в лаборатории и в верхней атмосфере. № 12, 2000

3. Журнал «Квант»

В.А.Фабрикант. Физика люминесцентных ламп. №3, 1980

В.А.Фабрикант. Что происходит в гелий-неоновом лазере. № 6, 1978

В.Козловский. Электрическое действие пламени. №10, 1992

А.К.Кикоин. Полярные сияния. №5, 1989

4. Журнал « Наука и жизнь»

Плотников А."Термояд" в плазменном шнуре. - № 3, 1971 г.

"ТОКАМАК-7" - еще один шаг к реактору . - № 3, 1980 г.

Александров А., докт. физ.-мат. наук, Елесин Е., доктор физ.-мат. наук. Лед и пламень. - №№ 11, 12, 1987 г.

Панкратов С. ТОКАМАК - новый шаг. - № 4, 1989 г.

5.Материалы о плазме в Интернете

http://www.inp.nsk.su/chairs/plasma/bookmark.ru.shtml

- сайт «Физика плазмы в Интернете»

http://www.membrana.ru/articles/global/2002/03/07/150800.html

Холодный ядерный синтез — научная сенсация или фарс?

http://phys.web.ru/db/msg.html?mid=1161258

Человек, приручивший термояд

http://www.ug.ru/00.25/t48.htm