kursovik (Методика формирования понятия Плазма в школьном курсе физики), страница 2

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.

2.3 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, сто 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.

2.4 Применение плазмы.

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 и плазменных дисплеях, в термоэмиссионных преобразователях тепловой энергии в электрическую и в магнитогидродинамических генераторах.

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».

1. Перспективы в области изучение плазмы в школьном курсе.

Возможные пути для изучения плазмы.

Как я уже упоминал ранее, 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.

Я считаю, что 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 тем «Движение частицы в электрическом и магнитном полях» и «Электрический ток в различных средах».

Материал для спецкурса по физике по теме «ПЛАЗМА»

§ 1. ПОНЯТИЕ О ПЛАЗМЕ КАК О ЧЕТВЕРТОМ СОСТОЯНИИ ВЕЩЕСТВА

Плазмой называется квазинейтральный ионизованный газ, т.е. частично или полностью ионизованный газ, в котором объемные плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы по абсо­лютной величине:

или .

В общем случае можно считать, что плазма представляет собой смесь трех компонентов: свободные электроны, положительные и отрицательные ионы и нейтральные атомы (или молекулы). Например, для водородной плазмы, состоящей из протонов, электронов и нейтронов, объемные плотности зарядов будут вычисляться следующим образом:

и , где

- заряд протона, - заряд электрона, N – количество протонов (электронов) в объёме V, n – концентрация положительных (отрицательных) зарядов. Представление о плазме, как о четвертом агрегатном состоянии вещества, можно сказать, как бы предвосхитили мыслители глубокой древности, которые считали, что мир состоит из четырех простых стихий: земли, воды, воздуха и огня (современная наука говорит о четырех состояниях вещества: твердом, жидком, газообразном и плазменном). Каждое состояние существует в определенном интервале температур. Например, при отрицательных (по Цельсию) температурах вода находится в твердом состоянии (лед), в интервале температур от 0 °С до 100 °С вода является жидкостью, выше 100 °С мы имеем водяной пар (газ), а при значительно более высоких температурах (10 000 °С и выше) атомы и молекулы нейтрального газа теряют часть своих электронов и становятся положительными ионами.

? Что такое плазма? Приведите примеры плазмы в природе.

? Расскажи о происхождении термина плазма. Что означает биологический термин плазма?

? Для чего нужно заниматься физикой плазмы?

§ 2. СТЕПЕНЬ ИОНИЗАЦИИ ПЛАЗМЫ

Итак, при сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т.е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана ударной ионизацией заряженными частицами (например, при электрическом разряде в газе), взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация).

Как было уже сказано свыше, 90 % вещества во Вселенной находится в состоянии плазмы, т.е. в виде ионизованного газа, в котором атомы и молекулы диссоциированы на положительные и отрицательные ионы и отрицательные электроны. Эта оценка, возможно, и не является точной, но она, конечно, вполне обоснована, если учесть тот факт, что звезды и их атмосфера, газовые туманности и значительная часть межзвездного газа представляют собой плазму. Что касается непосредственно нашей Земли, то мы сталкиваемся с плазмой, как только выходим за пределы земной атмосферы, - это радиационные пояса и солнечный ветер. Однако в повседневной жизни наши встречи с плазмой ограничиваются всего лишь несколькими примерами: вспышки молнии, мягкое свечение северного сияния, проводящий газ внутри флуоресцентной трубки пли неоновой рекламы и слабоионизованная плазма ракетных факелов. Причину этого можно понять с помощью уравнения Саха, которое позволяет вычислить степень ионизации газа, находящегося в тепловом равновесии.

Степенью ионизации плазмы называют отношение числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема плазмы: .

В условиях теплового равновесия она определяется формулой Саха:

. (2.1)

Здесь , и - концентрация (число частиц в 1 м³) ионизованных и нейтральных атомов соответственно, Г-температура газа в К, k - постоянная Больцмана, - энергия ионизации газа, т.е. энергия, необходимая для удаления электрона с внешней электронной оболочки атома. Обычно выражается в процентах, тогда результат, полученный из формулы Саха, необходимо умножить на 100 %. В воздухе при нормальных условиях для азота и эВ

(см. задачу 2.1). Относительная ионизация ничтожно мала:

С ростом температуры степень ионизации остается низкой до тех пор, пока средняя кинетическая энергия молекул газа не станет всего лишь в несколько раз меньше энергии ионизации . После этого, резко возрастает и газ переходит в плазменное состояние. При дальнейшем возрастании температуры концентрация нейтральных частиц становится меньше концентрации ионизованных атомов, и плазма, в конечном счете, оказывается полностью ионизованной. Именно поэтому полностью ионизованная плазма составляет астрономические тела температурой несколько миллионов градусов и отсутствует на Земле.

Термоионизация газа происходит в тех случаях, когда средняя кинетическая энергия молекул газа превышает энергию ионизации: , где