Тем не менее поверхность Земли постоянно подвергается «обстрелу» в виде космических лучей, приходящих к нам от далеких астрофизических объектов. В основном они представляют собой протоны (или ядра атома водорода) и ядра более тяжелых элементов. При взаимодействии с земной атмосферой они порождают вторичные лучи, которые, как правило, доходят до земной поверхности. Эти частицы создают естественный космический радиационный фон. Кроме того, нельзя не учитывать также и вклад со стороны земных источников, имеющих как природное, так и техногенное происхождение (однако на них приходится гораздо меньшее число частиц [12]). Суммарное излучение может быть зафиксировано с помощью счетчика Гейгера.
Не вызывает больших сомнений, что попадание частицы космического излучения в конкретную комнату, где проводится эксперимент, является событием случайного характера. В данном случае можно говорить лишь о вероятности р того, что за минуту в комнате окажется та или иная частица. Таким образом, мы можем составить компьютерную программу, которая будет перебирать N частиц. Для каждой из них она будет с помощью генератора случайных чисел определять значение переменной у„. Значение данной переменной равномерно распределено в пределах 0 < уп < 1. В том случае, если уп < р, будем считать, что частица достигла детектора, иначе - что «пролетела мимо». После этого вычислялось суммарное число частиц, которое попало в детектор.
Очевидно, что в реальном физическом эксперименте данные должны немного меняться от одного опыта к другому. В связи с этим разумно было запускать данный процесс многократно, например, несколько сотен раз. После этого строилась гистограмма, показывающая, насколько часто удалось добиться того или иного результата. Пример результата приведен на рис. 4. Отметим, что на ней четко выделяется пиковое значение (в данном случае - около
Рис. 4. Результат моделирования статистики регистрации частиц
Рис. 5. Эксперимент по измерению радиационного фона
51), а по мере удаления от максимума количество повторений заметно и быстро спадает.
После этого проводились замеры фонового излучения - числа частиц, которое попадало в детектор на протяжении длительного времени, например, 30 или 60 секунд (рис. 5). Эксперимент повторялся многократно, и для него также строилась гистограмма, которая показывала принципиально схожие результаты.
Заключение
Описанные в настоящей статье работы показывают, что ядерная физика может стать не только понятной для школьников, но и вызвать интерес к выполнению исследовательских работ, связанных с изучением соответвующих процессов. Если говорить о первой работе, то она помогает формировать у учащихся представления о том, как можно эффективно защищаться от радиации, как происходит поглощение гамма-изучения. Параллельное проведение экспериментов для свинца и алюминия дает им понять, почему в атомной промышленности настолько часто используется именно свинец. Работа, связанная с измерением фона космического излучения, показывает, что радиация - это не что-то страшное и неведомое, а вполне рядовое явление, которое сопутствует человеку в нормальных земных условиях. Кроме того, отметим, что вторая работа может быть воспроизведена и в условях школьной лаборатории при не очень высоких материальных затратах.
Отметим также важность освоения школьниками простейших приемов компьютерного моделирования. С одной стороны, это восполняет существующий в школьной программе пробел, связанный с тем, что численным методам уделяется недостаточное внимание. С другой стороны, проведение «компьютерно-экспериментальных» лабораторных работ дает возможность выполнять часть работы дистанционно, общаясь с руководителем по электронной почте, приезжая в лабораторию выполнять эксперимент, примерный результат которого уже был им оценен в ходе моделирования. Это позволяет заметно ускорить экспериментальную работу, что особенно ценно в случае руководства работой школьников, живущих в других городах и не имеющих возможность посещать лабораторию в еженедельном режиме. Таким образом, вполне возможно организовать работу частично в дистанционном формате.
Описанные исследовательские работы представлялась на различных научно-практических конференциях, таких как «От атома до галактики», «Форум молодых исследователей» и других, и были отмечены грамотами и дипломами [13; 14]. Это подтверждает востребованность соответствующей тематики и большой интерес к ней как со стороны школьников, так и со стороны экспертного сообщества.
Список литературы
1. Приказ Министерства образования и науки Российской Федерации от 17 декабря 2010 г. «Об утверждении Федерального государственного стандарта основного общего образования».
2. Спецификация контрольных измерительных материалов для проведения в 2020 году основного государственного экзамена по физике. М.: ФГБНУ «Федеральный институт педагогических измерений», 2019.
3. О новом подходе к созданию учебных лабораторных установок для физических практикумов / В. А. Квливидзе, В. А. Белавин, В. П. Петухов, В. В. Радченко // Физическое образование в вузах. 1998. Т. 4, № 4. С. 93-106.
4. Установка «Космический душ» как одно из средств формирования радиационной грамотности обучающихся во внеурочной деятельности / С. С. Белышев, Е. В. Владимирова, В. В. Вязовский [и др.] // Наука и школа. 2017. № 6. С. 132-138.
5. Рыжиков С. Б. Классический опыт Галилея в век цифровой техники: учеб. пособие. М.: МЦНМО, 2008. 64 с.
6. Михайлов Е. А., Рыжиков С. Б. Исследовательские работы школьников, основанные на численном моделировании // Наука и школа. 2018. № 3. С. 101-105.
7. Михайлов Е. А. Применение методов компьютерного моделирования в проектных работах школьников по физике // Школа будущего. 2017. № 3. С. 279-285.
8. Михайлов Е. А., Шапкина Н. Е. Научно-практическая конференция «От атома до галактики»: опыт проведения // Школа будущего. 2019. № 1. С. 24-32.
9. Кулева С. В., Михайлов Е. А. Организация сотрудничества между вузом и школой на примере физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова (г. Москва) и МБОУ «Лицей № 87 имени Л. И. Новиковой» (Нижний Новгород) // Физико-математическое и технологическое образование: проблемы и перспективы развития: материалы IV Междунар. науч.-метод. конф. М.: МПГУ 2019. С. 186-188.
10. Лабораторная работа № 6. Определение эффективного сечения взаимодействия у-квантов с веществом методом поглощения.
11. Ишханов Б. С., Капитонов И. М., Юдин Н. П. Частицы и атомные ядра. М.: Изд-во Московского ун-та, 2005.
12. Лабораторная работа № 14(б). Статистика регистрации частиц.
13. Тезисы IV научно-практической конференции школьников «От атома до галактики» на базе ГБОУ Романовская школа: сб. тез. / под ред. Д. А. Коняева, Т А. Кузьмич, Е. А. Михайлова [и др.]. М.: Физический фак. МГУ, 2019.
14. Однодневная школьная экскурсия на «передовой рубеж» ядерной физики / Е. В. Борисова, Е. В. Владимирова, А. А. Голубенко [и др.] // Проблемы и перспективы развития образования по физике: Общеобразовательные учреждения, педагогические вузы: доклады науч.-практ. конф. (г. Москва, 11-12 апреля 2018). М.: ИИУ МГОУ 2018. С. 34-42.
References
15. Prikaz Ministerstva obrazovaniya i nauki Rossiyskoy Federatsii ot 17 dekabrya 2010 g. “Ob utverzhdenii Federalnogo gosudarstvennogo standarta osnovnogo obshchego obrazovaniya”.
16. Spetsifikatsiya kontrolnykh izmeritelnykh materialov dlya provedeniya v 2020 godu osnovnogo gosudarstvennogo ekzamena po fizike. Moscow: FGBNU “Federalnyy institut pedagogicheskikh izmereniy”, 2019.
17. Kvlividze V. A., Belavin V A., Petukhov V. P., Radchenko V. V O novom podkhode k sozdaniyu uchebnykh laboratornykh ustanovok dlya fizicheskikh praktikumov. Fiziches- koe obrazovanie v vuzakh. 1998, Vol. 4, No. 4, pp. 93-106.
18. Belyshev S. S., Vladimirova E. V., Vyazovskiy V. V. et al. Ustanovka “Kosmicheskiy dush” kak odno iz sredstv formirovaniya radiatsionnoy gramotnosti obuchayushchikhsya vo vneurochnoy deyatelnosti. Nauka i shkola. 2017, No. 6, pp. 132-138.
19. Ryzhikov S. B. Klassicheskiy opyt Galileya v vek tsifrovoy tekhniki: ucheb. posobie. Moscow: MTsNMO, 2008. 64 p.
20. Mikhaylov E. A., Ryzhikov S. B. Issledovatelskie raboty shkolnikov, osnovannye na chislennom modelirovanii. Nauka i shkola. 2018, No. 3, pp. 101-105.
21. Mikhaylov E. A. Primenenie metodov kompyuternogo modelirovaniya v proektnykh rabotakh shkolnikov po fizike. Shkola budushchego. 2017, No. 3, pp. 279-285.
22. Mikhaylov E. A., Shapkina N. E. Nauchno-prakticheskaya konferentsiya “Ot atoma do galaktiki”: opyt provedeniya. Shkola budushchego. 2019, No. 1, pp. 24-32.
23. Kuleva S. V, Mikhaylov E. A. Organizatsiya sotrudnichestva mezhdu vuzom i shkoloy na primere fizicheskogo fakulteta MGU imeni M. V. Lomonosova (g. Moskva) i MBOU “Litsey № 87 imeni L. I. Novikovoy” (Nizhniy Novgorod). In: Fiziko-matematiches- koe i tekhnologicheskoe obrazovanie: problemy i perspektivy razvitiya. Proceedings of the IV International scientific-methodological conference. Moscow: MPGU, 2019. Pp. 186-188.
24. Laboratornaya rabota № 6. Opredelenie effektivnogo secheniya vzaimodeystviya y-kvantov s veshchestvom metodom pogloshcheniya.
25. Ishkhanov B. S., Kapitonov I. M., Yudin N. P. Chastitsy i atomnye yadra. Moscow: Izd- vo Moskovskogo un-ta, 2005.
26. Laboratornaya rabota № 14(b). Statistika registratsii chastits. (accessed: Konyaev D. A., Kuzmich T A., Mikhaylov E. A. et al. Abstracts of papers of the 4th scientific-practical conference of school pupils “Ot atoma do galaktiki” in GBOU Ro- manovskaja shkola. Moscow: Fizicheskiy fak. MGU, 2019.
27. Borisova E. V., Vladimirova E. V., Golubenko A. A. et al. Odnodnevnaya shkolnaya ekskursiya na “peredovoy rubezh” yadernoy fiziki. In: Problemy i perspektivy razvitiya obrazovaniya po fizike: Obshcheobrazovatelnye uchrezhdeniya, pedagogicheskie vuzy. Proceedings of scientific-practical conference (Moscow, 11-12.04.2018). Moscow: IIU MGOU, 2018. Pp. 34-42.