результаты исследования, внедрение которых повышает уровень знаний и умений учащихся, развивает их познавательный интерес.
На защиту выносится:
1. Учебно-методический комплекс для изучения лазеров в профильных классах средней школы, содержащий адаптированный учебный курс, компьютерные динамические программы и лабораторные работы, включая автоматизированные с применением ЭВМ.
2. Методика изучения лазеров, предусматривающая логическую функциональную последовательность изучения необходимых разделов курса: от понятий возбужденные атомы, инверсия заселенности, поперечные моды, дифракционные потери, резонансное усиление вынужденного излучения в активной среде и внутри резонатора до процессов в твердотельных, газовых, полупроводниковых лазерах, обеспечивающая наглядность и эффективное изучение данного материала.
3. Компьютерная технология, предусматривающая использование различных видов учебного эксперимента: демонстрационного, численного, натурного, автоматизированного, позволяющая наблюдать динамику образования возбужденных и метастабильных атомов, лавинообразного вынужденного излучения и формирования направленного пучка света при отражении от зеркал резонатора.
Апробация исследования.
По теме диссертации опубликовано 15 работ, сделано 8 докладов на международных и всероссийских конференциях, в том числе: XI и XII всероссийских конференциях «Учебный физический эксперимент: актуальные проблемы, современный решения», Глазов, 2006, 2007; научно-практической конференции «Профильное обучение физике в старших классах общеобразовательных учреждений: проблемы, пути, решения», Коломна, 2006; XII Рязанских педагогических чтениях «Методическое обеспечение качества учебно-воспитательного процесса», Рязань, 2005; IX Международной конференции «Физика в системе современного образования (ФССО-07)», Санкт-Петербург, 2007; республиканской конференции "Оптические методы в современной физике" Ташкент, 2008; X Международной учебно-методической конференции «Современный физический практикум», Астрахань, 2008.
Структура и содержание диссертации.
Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения и библиографического списка, включающего 141 наименование. Основной текст диссертации изложен на 149 стр., включает 4 таблицы, 56 рисунков и диаграмм.
Во введении диссертации обоснована актуальность темы исследования, определен его объект, предмет, сформулированы цели и задачи исследования, определена научная новизна и практическая значимость работы.
Первая глава «Аналитический обзор литературы и постановка задач исследования» посвящена обзору теоретических исследований в образовании, психологии и педагогике касающихся методики изучения физики в курсе средней школы. На основе анализа нормативных документов, авторских программ, учебников и учебных пособий, диссертационных работ, публикаций по школьному физическому эксперименту и современным информационным технологиям обоснована актуальность проблемы исследования и определены его задачи. Тема «Лазеры», характеризующаяся высоким уровнем абстрактности материала, является одной из сложнейших тем школьного курса физики. Выявлены проблемы, возникающие при изучении трудных для восприятия процессов, происходящих при работе лазеров, намечены пути решения этих проблем.
Одним из важнейших дидактических принципов обучения является наглядность. Сочетание наглядности со словом учителя способствует более успешному усвоению материала. Учащиеся должны не только воспринимать предъявленные им учебные демонстрации, различные наглядные пособия, экспериментальные учебные установки, но и переосмысливать их с учетом поставленных задач обучения. Широкие возможности для использования принципа наглядности в обучении физике появились в связи с развитием компьютерных технологий, с помощью которых осуществляется развитие и саморазвитие потенциальных возможностей обучаемых и их творческой инициативы.
Автоматизация учебного эксперимента существенно изменяет методику формирования знаний и умений учащихся. Экономится время на проведение измерений, больше времени остается на анализ полученных результатов, сокращается путь от выдвижения гипотезы до ее проверки, шире учитываются индивидуальные особенности учащихся, но в тоже время компьютерная поддержка не должна заменять натурного эксперимента.
Вторая глава «Методика изучения лазеров с использованием компьютерных технологий» посвящена описанию содержания разработанного и изданного нами в печатном и электронном виде учебного курса «Лазеры» для классов с углубленным изучением физики средней школы. Методика обучения строится как основе традиционных, так и современных средств, предполагающих использование информационных и коммуникационных технологий.
Предлагаемый нами курс рассчитан на 18 часов, содержание курса обеспечивает последовательность изложения всех разделов, необходимых для понимания физических процессов, обеспечивающих работоспособность оптических квантовых генераторов всех известных типов (газовых, твердотельных, жидкостных и полупроводниковых). В него включены темы по изучению: поглощения и излучения, условий инверсии заселенности в различных средах, свойств оптического резонатора, динамики процессов в оптических квантовых генераторах; свойств лазерного излучения, включая монохроматичность и когерентность; нелинейной оптики и нелинейных эффектов (удвоение частоты, самофокусировка, многофотонное поглощение); оптической голографии и способах ее реализации (методы Э. Лейтта и Ю. Упатниекса, Д. Габора, Ю. Денисюка).
Материал, предлагаемый ученикам для знакомства и изучения значителен по объему, поэтому некоторые разделы могут быть изучены индивидуально и представлены в виде рефератов и докладов учащихся с последующим их обсуждением в классе на уроке или школьной конференции на темы: голография и ее применение, лазерные технологии, мощные лазеры и термоядерный синтез, лазеры и нелинейные оптические эффекты, интерференция световых пучков и их когерентность, навигационные комплексы и лазерные гироскопы, лазерные лидары и экология, лазеры и их применение в медицине и биологии и др.
Применение компьютерной техники для изучения учащимися лазеров обусловлено высоким уровнем абстракции материала. Широкие возможности компьютерной техники позволили визуально увидеть скрытые процессы, самостоятельно изучать некоторые принципы работы лазеров и происходящие при этом физические явления.
Далее описывается последовательность изучения данного курса с применением компьютерных технологий, которая начинается с изучения понятия инверсной заселенности. Для повышения уровня наглядности преподаваемого материала и более глубокого усвоения разработана обучающая программа, которая позволяет учащимся самостоятельно изучить данное понятие.
Из курса физики учащиеся знают, что атомы распределяются по энергетическим уровням в соответствии с принципом Больцмана:
(1)
из которого следует, что на нижнем (первом) уровне атомов всегда больше, чем на верхнем, т.е. в данной среде поглощение обычно превалирует над излучением. (Рис. 1а)
С помощью мышки учащиеся имеют возможность захватывать атомы и перемещать их на различные энергетические уровни. При создании между уровнями инверсии заселенности в верхней части окна программы появляется соответствующая надпись.
Проделав данные манипуляции, учащиеся делают вывод о том, что инверсия заселенностей - это состояние системы атомов, при котором на верхнем энергетическом уровне находятся большее количество атомов, чем на нижнем. Таким образом, использование принципа наглядности позволяет учащимся визуально понять и запомнить данное понятие.
Представленное на рис. 1б расположение атомов в среде обеспечивает реализацию условий, когда возможность излучения (вынужденного) атомов при переходе с уровня на уровень становится более предпочтительным, чем поглощение. Это является главным и основным условием возникновения лазерного излучения, которое формируется при помещении активной среды (среды с инверсной заселенностью) в оптический резонатор.
Следующим этапом применения компьютерной технологии является изучение лазерного излучения в поперечном сечении, которое за счет влияния оптического резонатора и дифракции света имеет сложную структуру, характеризуемую набором поперечных дифракционных мод.
Рис. 1 Программа для изучения инверсии заселенности: а - инверсия заселенности отсутствует; б - инверсия заселенности между уровнями 1-2, 1-3, 2-3
Так как получить полную картину модовой структуры лазера в реальных условиях эксперимента сложно, нами разработана программа численного расчета распределения энергии, позволяющая данное распределение увидеть на экране компьютера в виде апплета. Созданная программа позволяет получить представленное на рис. 2 распределение энергии излучения в зависимости от величины индексов m и n, характеризующих поперечные моды резонатора. Излучение лазера в поперечном сечении имеет четкую круглую форму только при m и n равных нулю (Рис.2а), когда уровень дифракционных потерь при распространении излучения внутри резонатора минимален. Этот режим работы оптических квантовых генераторов является самым предпочтительным для их применения в различных устройствах. Чем больше уровень дифракционных потерь внутри резонатора, тем больше величины характеризующих их индексов m и n, тем сложнее структура поперечного сечения лазерного излучения (Рис. 2б, 2в, 2г).
Для того, чтобы понять как изменяются потери в оптическом резонаторе в зависимости от его параметров: длины и радиуса кривизны зеркал, нами разработана программа, дающая возможность обучаемому проследить на экране компьютера за динамикой гауссовых пучков электромагнитных волн, распространяющихся внутри резонатора, связанной с уровнем дифракционных потерь и вторыми, но тоже главными условиями возникновения генерации электромагнитных волн и работоспособности лазеров.
Рис. 2 Распределение энергии лазера в поперечном сечении в зависимости от величины индексов m и n: а) m = 0, n = 0; б) m = 1, n = 0; в) m = 2, n = 1; г) m = 6, n = 2
Распространение вынужденного излучения внутри резонатора представлено нами для рубинового и неодимового лазеров в виде серии анимационных картин, в которых показана динамика процесса нарастания числа индуцированных распространяющихся параллельно оси резонатора лазерных фотонов и процесса формирования высоконаправленного лазерного пучка, при облучении кристаллов рубина и неодима светом от импульсных ксеноновых источников излучения.
Для объяснения механизма работы активной среды рубинового и неодимового лазеров, работающих по трех- и четырехуровневой схемам нами созданы компьютерные динамические программы, позволяющие проследить за развитием процессов возбуждения и разрушения энергетических уровней на всех стадиях действия импульса световой накачки (рис. 3).
Изначально все атомы находятся в основном состоянии, инверсия заселенностей отсутствует. Под действием излучения ксеноновой лампы накачки происходит поглощение фотонов (на рисунке они более светлые) активной средой (кристаллами рубина или неодима) и, следовательно, переход атомов из основного состояния в возбужденное. Так как время жизни атомов в возбужденном состоянии мало, то они очень быстро переходят на метастабильный уровень (рис. 3а).
а)
б)
Рис. 3 Схемы работы лазера: а) рубинового; б) неодимового
Наибольшее применение из твердотельных лазеров получил лазер на неодиме, инверсия заселенности в котором обеспечивается в рамках четырехуровневой схемы, для которой характерно то, что вынужденное излучение возникает при переходе атомов активного вещества из метастабильного состояния не на основной, как это происходит в трехуровневой системе, а на некоторый промежуточный второй уровень. Заселенность промежуточного уровня зависит от температуры и при низкой температуре оказывается очень небольшой. Инверсия заселенности между уровнями в результате этого обеспечивается малой мощностью накачки, и она существенно меньше, чем для трехуровневых рубиновых лазеров. Такие лазеры могут работать вследствие названных особенностей и в непрерывном режиме.
Под действием излучения лампы накачки происходит поглощение фотонов активной средой и, следовательно, переход атомов из основного состояния в возбужденное, а затем в метастабильное. Между уровнями 3 и 2 наблюдается инверсия заселенности. При падении на кристалл неодима кванта света на частоте (переход между уровнями 32) атомы с верхнего уровня перейдут на нижний уровень, выделив электромагнитную энергию, частота которой совпадает с частотой излучения, упавшего на систему. Направление и фаза выходящих волн совпадают с направлением и фазой падающей волны, что приводит к резонансу колебаний. Происходит лавинообразный переход атомов на нижний энергетический уровень (рис. 3б). Неравновесная система становится таким образом усилителем электромагнитной волны оптического диапазона. Затем атомы с промежуточного второго уровня вследствие безизлучательных переходов возвращаются в основное энергетическое состояние и процесс возбуждения энергетических уровней повторяется.