Квантовая физика

Год

20202021

Краткое описание

В 80-е годы 20 века академик А. П. Ершов выдвинул лозунг «Программирование – вторая грамотность», и в обязательную программу школьного обучения был включен новый предмет – информатика. Благодаря этому стратегически-упреждающему действию Россия, несмотря на все внутренние трудности, смогла войти в 21 век в качестве одной из немногих стран, готовых к цифровой технологической революции. Мы полагаем, что в 21 веке технологическое развитие будет напрямую обусловлено квантовыми технологиями, и следует выдвинуть новый лозунг для школьного образования: «квантовая физика – вторая грамотность». Основы квантовой физики и специфических для нее способов мышления должны передаваться учащимся уже со старших классов средней школы – в этом залог и будущего развития и технологической безопасности страны.  

Насколько задача преподавания квантовой физики в школе вообще решаема? Традиционно в вузах квантовая физика преподается не раньше, чем на 3-ем курсе, на базе изученных высшей математики и классической физики. Предмет является исключительно трудным, большая часть студентов оказываются не способными освоить его. Однако запрос на квантовых физиков и квантовых инженеров растет и будет нарастать, вызывая насущную потребность в создании более эффективных технологий обучения предмету. В ответ на этот вызов стали появляются различные попытки перестроить преподавание квантовой физики, приблизить его к запросам квантовой инженерии и квантовых технологий.  

В указанном контексте актуален сетевой проект «Рули фотоном». Это один из сетевых проектов, реализуемых в рамках программы «Школы наставников».  

Этапы проекта

Основы квантовой физики должны преподаваться на материале одной отдельной предметной области – физики фотонов.   

Программа должна состоять из трех частей.
Часть 1. Пропедевтика.
1. Пропедевтика должна включать:
- необходимые разделы математики:
- основы теории вероятностей;
- векторы и элементы линейной алгебры;
- тригонометрия;
- комплексные числа.
 
 2. необходимые разделы физики:
- история исследований света;
- волновая оптика. 
 
Часть 2.  Основы квантовой физики и квантового мышления.
Основы квантовой физики преподаются в активной форме развивающего образовательного погружения. Погружение проводится в течение 5-6 дней.
 
Технология образовательных погружений обеспечивает перестройку способов мышления, характерных для освоенной школьниками классической физики, формирует новое понимание  и новые способы мышления.  Основной результат: вхождение школьников в новую для них действительность квантовой физики и приобретение способности ориентироваться в ней. 
В ходе погружения активно используются компьютерная игра, симулирующая проведение квантовых оптических экспериментов.
   
Часть 3. Квантовые эксперименты и технологии.
Эта часть обеспечивает закрепление полученных знаний. Кроме того, она обеспечивает осведомление школьников о современных и перспективных квантовых технологиях, способствует ориентации и самоопределению относительно возможных будущих профессий кантового физика и квантового инженера. 
В этой части изучаются технологические принципы квантовой связи, квантовой телепортации, квантового компьютера.  Решаются соответствующие квантовые задачи на основе компьютерной игры-симулятора. Школьники проектируют и рассчитывают квантовые эксперименты.
 
 
 

Команда проекта

Научный консультант:

Павел Анатольевич Французов — кандидат физико - математических наук,  физик - теоретик.

Андрей Витальевич Наумов  — доктор физико-математических наук, профессор Российской академии наук (РАН). 

 

Требуемые ресурсы

 

 

Материалы и методы исследования

1.Образовательные записи, направленные на популяризацию и вовлечение младших школьников в квантовую физику.

 

В малоосвещённом интерьере, за круглым столом, группа детей, незаметно для себя, погружается в тему исследования частицы фотона по принципу от общего к частному. Начиная с размышлений о понятии света в целом. В общении с ведущим дети задают вопросы «Что такое свет? Что произойдет, если он исчезнет?» и сами ищут ответы на них, обращаясь к собственному жизненному опыту и к своим представлениям о том, что такое свет и зачем он нужен. Также, участники детского круглого стола, погружаются в историю (краткий сценарий) о девочке Лизе, которая однажды обнаружила, что свет пропал, поэтому она отправилась на его поиски. Во второй части фильма дети с ведущими переходят на вторую площадку, яркий белый интерьер, и через актерские этюды и пластику тела «проживают» разные состояния фотона – волна и частица, отражают связь света с растительным миром. Заканчивается фильм этюдом на тему опыта по улавливанию испытуемым одного фотона. На протяжении всего происходящего в кадре, дети получают некоторые знания о свойствах фотона через игру, через чувства, через яркие положительные эмоции. Такой метод способствует лучшему усвоению получаемых знаний, а также стимулирует интерес к изучению фотона.

 

3.

 

4.Образовательная программа, пропедевтика: 

 

5. Презентация: "Квантовая физика для школьников или Рули фотоном!" 

https://drive.google.com/file/d/1dAxU96npNK13wOpwBRynSwbbSCLJiWja/view?usp=sharing

 

6. Вебинар "Квантовая криптография". 

 

7. Вебинар "Практическая методология квантового образования"

 

Ссылка на презентацию

Идея вектора:

1. Высшая математика. Основы векторной алгебры. Лекция 1.

  https://yandex.ru/video/preview?filmId=8083193916699784180&p=1&path=wizard&text=%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F+%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%B5%D0%B1%D1%80%D0%B0+%D0%B4%D0%BB%D1%8F+%D1%88%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2&wiz_type=vital

2. Векторная алгебра.

 https://yandex.ru/video/preview?text=%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D0%B0%D0%BB%D0%B3%D0%B5%D0%B1%D1%80%D0%B0%20%D0%B4%D0%BB%D1%8F%20%D1%88%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2&path=wizard&parent-reqid=1601188558333950-916618162450789930400276-production-app-host-man-web-yp-270&wiz_type=vital&filmId=12742434642767129497

3. Векторная алгебра. Ресурс на YouTube. 

https://www.youtube.com/playlist?list=PLVjLpKXnAGLXPaS7FRBjd5yZeXwJxZil2

4. Векторы в школе.

 https://www.youtube.com/playlist?list=PLVjLpKXnAGLXPaS7FRBjd5yZeXwJxZil2

5.  О комплексных числах вообще: 

 

 https://yandex.ru/video/preview/?text=%D0%B6%D1%83%D1%80%D0%BD%D0%B0%D0%BB%20%22%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D1%82%22.%20%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D1%87%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B0&path=wizard&parent-reqid=1601183427914839-1097398918942207567900111-production-app-host-vla-web-yp-210&wiz_type=vital&filmId=10759974490950777311

6. Тригонометрическая форма записи:

 https://www.youtube.com/watch?v=sd0xgbrAtC4&feature=emb_rel_pause

7. Выведение формулы Эйлера. 

Число е: https://www.youtube.com/watch?v=IqkdNa8fne8

Доказательство формулы:

https://yandex.ru/video/preview?filmId=17337178715699928115&parent-reqid=1601185044970854-1641993168138056185000277-production-app-host-vla-web-yp-282&path=wizard&text=%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D1%83%D0%BB%D0%B0+%D1%8D%D0%B9%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%B0+%D0%B4%D0%BB%D1%8F+%D1%88%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2&wiz_type=vital

8. Представление функций полиномами:

https://www.youtube.com/watch?v=Rgdc6_AmDzg

9. Тригонометрический круг

https://yandex.ru/video/preview?filmId=1087819276854654099&parent-reqid=1601266062494276-296579591986066666000101-prestable-app-host-sas-web-yp-46&path=wizard&text=%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%B3%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9+%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B3&wiz_type=vital

 

https://yandex.ru/video/preview/?filmId=13798965533723072903&parent-reqid=1601266062494276-296579591986066666000101-prestable-app-host-sas-web-yp-46&path=wizard&text=%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%B3%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9+%D0%BA%D1%80%D1%83%D0%B3&wiz_type=vital&url=http%3A%2F%2Fwww.youtube.com%2Fwatch%3Fv%3DXK5ykgQ7GuU

 

 

Особенности исследовательских проектов по физике

Уровень предметных знаний в школьных курсах физики и математики позволяет  полноценно реализовать в исследовательских проектах характерные особенности физических исследований:

  1. представление объекта исследования в физических моделях;
  2. математическое описание объекта, построенное на основе моделей, выполнение теоретических расчетов;
  3. инженерное проектирование и изготовление экспериментальной установки;
  4. проведение измерений физических величин с требуемой точностью и получение эмпирических данных;
  5. сопоставление теоретических расчетов и эмпирических данных с использованием таблиц и графиков.

Физические модели и их употребление учащиеся осваивают, прежде всего, за счет решения задач по физике. Для формирования исследовательских компетенции школьников необходимо уделять значительное внимание работе с задачами – разбору типовых и нестандартных задач,  решению так называемых оценочных задач (с нечетко поставленными условиями).  Важно специально прорабатывать схемы и чертежи, с помощью которых решается задача. Особенно тщательно следует  обсуждать условия и допущения, при которых  строится решение задачи.  Нужно учить школьников различным приемам: варьированию параметров и осуществлению предельных переходов, оценки по порядку величины, выделению симметрии в объекте, работе с идеализированными объектами (введению невесомых, нерастяжимых нитей и стержней, или, наоборот, пружин, мысленному наложению и удалению связей между частями объекта и пр.)  и др.  Все это формирует способности моделирования и мысленного экспериментирования.    

 

При усвоении тех или иных понятий («сила трения», «теплоемкость», «электрическое сопротивление», «индуктивность») очень важно добиваться того, чтобы учащиеся в итоге овладели структурой – целостной «связкой», «паттерном»  –  разных знаний, которые составляют понятие. Это такие знания, как:

  1. знаковая модель, схема;
  2. математическая формула, закон;
  3. график функции, выражающий формулу;
  4. типичный пример, на котором иллюстрируется  легче всего понимается данное понятие;
  5. характерные численные значения величин и их размерности. 


Именно такой вид физических понятий позволяет использовать их при моделировании и решении физических задач.  Физические модели при этом конструируются из моделей понятий подобно тому, как из панелей собирается дом, при этом параллельно из формул, «привязанных к понятиям»,  строится система уравнений.


Описанный выше способ решения физических задач на основе моделей, физических понятий и математических уравнений в полной мере должен «работать» и в школьном физическом исследовании.


Главная особенность исследования от решения задач из задачника в том, что необходимо постоянно выявлять расхождение между расчетом и данными реальных измерений. Именно это расхождение является «мотором», продвигающим все исследование.


Всякое расхождение расчета и измерений понуждает искать причины, уточнять схемы измерений, условия и границы применимости модели, а, зачастую, полностью перестраивать модель. Эта работа является важнейшей частью всей исследовательской деятельности.  


Та особенность физики, что она является точной, математизированной наукой, позволяет в полной мере использовать данный «мотор» для полноценного разворачивания школьных исследовательских проектов.