Компьютерные модели на примере программы Открытая физика

Компьютерные модели на примере программы Открытая физика. Краткое описание моделей, примеры теории и задач входящих в компьютерный курс Квантовой физики Ш Фотоэффект Компьютерная программа предназначена для изучения законов фотоэлектрического эффекта. Предусмотрена возможность выбора ряда параметров длины волны и интенсивности падающего света, величины и знака напряжения между анодом и фотокатодом.

Программа позволяет измерить задерживающий потенциал и определить красную границу фотоэффекта. Теория Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием света. Фотоэффект был открыт Г. Герцем 1887 г Теория фотоэффекта была развита А.Эйнштейном 1905 г. на основе квантовых представлений. Классическая волновая теория света оказалась неспособной объяснить закономерности этого явления.

Согласно квантовых представлений свет излучается и поглощается отдельными порциями квантами, энергия Е которых пропорциональна частоте Eh, где h6.6310-34Джс - постоянная Планка. Чтобы вырвать электрон из вещества, нужно сообщить ему энергию, превышающую работу выхода А. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона определяется согласно Эйнштейну уравнением Это уравнение объясняет основные закономерности фотоэффекта 1. Количество электронов, вырываемых с поверхности металла в секунду, прямо пропорционально световому потоку Р. 2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от падающего светового потока.

Если между фотокатодом и анодом вакуумного фотоэлемента создать электрическое поле, тормозящее движение электронов к аноду, то при некотором значении задерживающего напряжения U0 анодный ток прекращается. Величина Uз определяется соотношением Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты min, то фотоэффект не происходит красная граница фотоэффекта, или У щелочных металлов красная граница лежит в диапазоне видимого света.

Ш Комптоновское рассеяние Программа позволяет изучить явление рассеяния g - квантов на свободных электронах и познакомиться с понятием комптоновской длины волны постоянная Комптона. Возможно изменение ряда параметров компьютерного эксперимента длины волны падающего излучения и угла рассеяния фотона.

На экран дисплея выводится график зависимости интенсивности рассеянного излучения от длины волны фотона, рассеянного под заданным углом. Теория Явление Комптона состоит в изменении длины волны рентгеновских лучей, происходящем при их рассеянии на электронах, входящих в состав легких атомов. Это явление было открыто в 1923 г. Комптоновское рассеяние объясняется на основе представления о фотонах, имеющих энергию и импульс, где h6.6310 -34Джc - постоянная Планка частота фотона. Процесс рассеяния сводится к столкновению фотонов с электронами, которые можно приближенно считать свободными.

Расчет, выполненный на основе законов сохранения энергии и импульса, приводит к следующему соотношению, где - длина волны падающего излучения длина волны рассеянного излучения, m- масса электрона, с - скорость света угол рассеяния. Величина нм называется постоянной Комптона. В спектре рассеянного излучения наряду со смещенной спектральной линией с длиной волны наблюдается и несмещенная спектральная линия с длиной волны. Наличие несмещенной линии объясняется тем, что часть фотонов рассеивается на электронах, сильно связанных с атомами.

Соотношение интенсивностей смещенной и несмещенной линий зависит от рода материала. Явление Комптона является ярким подтверждением квантовой теории. Ш Постулаты Бора Программа предназначена для изучения квантовых свойств атомных систем. Она позволяет познакомиться с понятием энергетических уровней атома водорода с правилом квантования стационарных боровских орбит, а также с квантовыми переходами между уровнями.

Ш Квантование электронных орбит Компьютерная программа предназначена для ознакомления с квантовыми постулатами Бора и теорией де Бройля о двойственной природе микрообъектов, то есть о наличии у них корпускулярных и волновых свойств. Программа иллюстрирует правило квантования круговых боровских орбит в атоме водорода, которое с точки зрения де Бройля сводится к утверждению о существовании стоячих электронных волн на стационарных орбитах.

Ш Волновые свойства частиц Программа представляет компьютерный эксперимент по прохождению электронного пучка через одну или две щели. Она позволяет познакомиться с проявлением двойственной природы микрообъектов, то есть наличием у них волновых и корпускулярных свойств. Иллюстрируется принцип неопределенности Гейзенберга. Ш Дифракция электронов Программа иллюстрирует основную концепцию современной квантовой физики - понятие двойственной природы всех материальных объектов.

Она моделирует явление рассеяния электронов в кристаллах с помощью мысленного эксперимента по дифракции электронных волн на одномерной решетке. Показано, что дифракционная картина образуется в результате вероятностного процесса. Предусмотрена возможность изменения периода решетки и скорости электронов. На экран дисплея выводятся значение длины волны электронов и график распределения интенсивности в дифракционной картине. Ш Лазер двухуровневая модель Компьютерная программа представляет модель различных процессов, возникающих при распространении резонансного светового пучка в квантовой системе с двумя энергетическими уровнями поглощение фотонов, спонтанное и стимулированное излучение.

Программа позволяет познакомиться с понятиями накачки, инверсной населенности уровней и усилителя света. Ш Энергия связи ядер Программа предназначена для ознакомления с понятием энергии связи ядер и дефекта массы. На экран выводятся графики зависимости числа нейтронов от числа протонов в стабильных ядрах и зависимости удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа.

Программа позволяет подбирать различные сочетания чисел нейтронов и протонов для образования стабильного ядра и определить для этого ядра формулу химического элемента и удельную энергию связи. Ш Относительность длины Программа позволяет изучить постулаты специальной теории относительности Эйнштейна - принцип относительности и принцип постоянства скорости света. Программа моделирует эксперимент по измерению длины твердого тела двумя наблюдателями, находящимися в различных инерциальных системах отсчета.

Возможно изменение относительной скорости систем отсчета. Результат измерения длины стержня в движущейся системе отсчета выводится на экран дисплея. Ш Относительность времени Программа позволяет познакомиться с одним из важных следствий специальной теории относительности Эйнштейна - относительностью промежутков времени. На экране дисплея представлен эксперимент по измерению интервала времени между двумя событиями наблюдателями в различных системах отсчета.

Результаты измерения собственного времени и времени по часам движущегося наблюдателя выводятся на экран дисплея. Так же в каждую модель входит по одной задаче а завершает курс две видеозаписи эксперемента с точным объяснением темы. Ш Серия Бальмера водорода. Ш Деление ядер. Прежде всего, на основе вашего календарного плана определите, какие компьютерные модели вы сможете использовать при объяснении нового материала иили предложить учащимся для работы в компьютерном классе.

Далее имеет смысл к каждой выбранной модели составить таблицу, в которую следует занести названия параметров, которые может изменять пользователь, задавая при этом начальные условия экспериментов, обозначения этих параметров, пределы и шаг их изменения. В эту таблицу также следует занести аналогичную информацию о параметрах модели, которые рассчитываются компьютером при выполнении экспериментов, и выводятся на экран монитора.

Для создания такой таблицы нужно открыть соответствующую модель, определить диапазоны изменения регулируемых параметров, а затем провести несколько экспериментов с крайними значениями этих параметров, чтобы определить предельные значения и шаг расчта рассчитываемых параметров. Надо сказать, что остальные разделы, которые описывает Открытая физика 2.5 не менее интересны и так же полно сопровождены моделями.