CC BY
42
1УДК 372.853 ББК 22.38
УСТАНОВКА «КОСМИЧЕСКИЙ ДУШ» КАК ОДНО ИЗ СРЕДСТВ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ ГРАМОТНОСТИ ОБУЧАЮЩИХСЯ ВО ВНЕУРОЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
С. С. Белышев, Е. В. Владимирова, В. В. Вязовский, И. М. Зверева, Н. Ю. Казарина, В. В. Радченко, Е. В. Широков
Аннотация. При проведении мастер-классов «Повтори Нобелевский эксперимент» на Фестивале Науки и практических занятий со школьниками были отмечены пробелы в понимании обучающимися явления естественной радиоактивности и статистического характера радиоактивного распада. Описывается мобильная установка для наглядной регистрации космических лучей и ее методическое сопровождение. «Космический душ», применяемый в качестве вводного упражнения при образовании молодежи в области современной физики экскурсионным методом, способствует развитию вероятностного мышления и умения проводить оценочные расчеты. Изучение статистических характеристик наблюдаемых числовых рядов при проблемном изложении актуализирует явление естественной радиоактивности, процесса взаимодействия разных типов излучения с веществом и понятие «сечение взаимодействия» при расчетах числа частиц естественного радиационного фона, проходящих через тело человека.
Ключевые слова: экскурсия по физике, космические лучи, вероятностное мышление, счетчик Гейгера, радиационная грамотность.
THE „COSMIC SHOWER" EXPERIMENT IN EXTRACURRICULAR ACTIVITIES AS ONE OF THE MEANS FOR FORMATION OF STUDENTS' RADIATION LITERACY
S. S. Belyshev, E. V. Vladimirova, V. V. Viazovsky, I. M. Zvereva, N. Yu. Kazarina, V. V. Radchenko, E. V. Shirokov
Abstract. During the master classes „Repeat the Nobel experiment" at the Science Festival and practical training with school students gaps in their understanding of statistical character of radioactive decay and comprehension of such important phenomenon as natural radioactivity have been noted. Laboratory installation, including mobile platform with 16 Geiger counters and monitor, for evident registration of cosmic rays and methodical materials for the experiment are described. „Cosmic shower", used as an introductory exercise in the education of young people in the field of modern physics by the excursion method, contributes to the development of probabilistic thinking and the ability to make estimates. Student actualizes the phenomenon of natural radioactivity by studying statistical characteristics of the observed numerical series, the process of interaction of radiation with substance by placing different absorbers and slightly radioactive material in front of the detectors, the concept of the „interaction cross section" by calculating the number of background particles passing through his body.
Keywords: physics excursion, cosmic rays, probabilistic thinking, Geiger counter, radiation literacy.
Экскурсии с выполнением лабораторных работ в практикумах НИИ ядерной физики МГУ под названием «Мастер-класс «Повтори Нобелевский эксперимент» проводятся с первого Фестиваля науки 2006 г. [1]. Интересующиеся физикой посетители знакомятся с прошлыми и настоящими достижениями нашего института, в адаптированном варианте повторяют современные аналоги решающих физических экспериментов XX в. Сотрудники и преподаватели практикума осваивают стиль проблемного и в то же время популярного изложения основ регистрации излучений, совершенствуют форму проведения мероприятия, расширяют круг задач.
Занятия со школьниками по подобным сценариям проходят на днях открытых дверей, университетских субботах. Практические занятия сопровождают лекции курса «От кварка до квазара»[2], зимние сессии воздушно-инженерной школы МГУ [3].
Как правило, в подготовке школьников отмечаются следующие существенные пробелы.
1. Статистическая «безгрешность». К примеру, при изучении радиационного фона в лаборатории, когда дозиметр последовательно выводит «0,11 мкЗв/ч», «0,16 мкЗв/ч», часто слышится: «фон стал больше!». В представлениях экскурсанта дозиметр не игральный кубик, а солидный прибор; раз меняет показания - меняется измеряемая величина.
Можно, конечно, положить два одинаковых дозиметра рядом, фактически в одной точке, и убедить, что причина изменений показаний - в статистическом характере изучаемого явления. Но в нашей лаборатории дозиметров мало, экран у них маленький, четко показания видят только те, кто держит дозиметр в руках. Единицы измерения - микрозиверты в час - для большинства требуют еще дополнительных разъяснений.
2. Непонимание явления естественной радиоактивности. К примеру, весной этого года школьники Кванториума-33 (Владимирская область) проходили анкетирование до выполнения практических работ. Среди вопросов был следующий: На выставке, посвященной 70-летию атомной отрасли, посетитель встал в аппарат с большим количеством чувствительных счетчиков и получил распечатку со словами «Ваш радиационный фон 6783 Бк».
Школьников просили объяснить значение сокращения Бк и причину такого радиационного фона посетителя.
Из 37 опрошенных учащихся 10-го и 11-го класса правильно объяснили, что Бк — это бек-керель, 30 человек. Догадались, что активность около 7000 Бк - это нормальный радиационный фон взрослого человека, только 4 человека.
Даже если школьники приходят с учителем физики после предварительного повторения основ физики атомного ядра, как правило, эти пробелы сказываются при обработке измерений, так как учет фона и статистической погрешности измерения - это азы ядернофизиче-ского эксперимента.
К сожалению, хорошие в общем методические разработки (маршрутные листы, тесты, кейсы и т. п.), предложенные городским методическим центром Москвы для подготовки и выполнения школьниками наших практических работ (пример: [4]) в рамках проекта «Урок в Москве», не гарантируют успешного проведения заявленных на сайте уроков.
Объединение элементов экскурсии с практической работой,связанной с изучением различных типов излучения, создает своеобразную педагогическую ситуацию, актуальность которой обусловлена, во-первых, организацией научно-исследовательской и научно-практической деятельности обучающихся в сотрудничестве с научными организациями [5]; во-вторых, требованиями Федеральных государственных образовательных стандартов основного общего и среднего общего образования в достижении предметных результатов, а именно овладения обучающимися основами безопасного использования естественных и искусственных ионизирующих излучений во избежание их вредного воздействия на окружающую среду и организм человека [6].
Для преодоления распространенных мис-концепций россиян, в качестве вступительного упражнения к практическим работам, нами была разработана установка, регистрирующая электроны и мюоны. Мы не первые, кто «запрягает» космические лучи для учебных целей. Демонстрация регистрации космических лучей как вступление в экскурсионном образовании описана нашими коллегами физического факультета Стокгольмского университета [7]. Они
проводят практические занятия с экскурсантами по теме «Ядерная физика в нашем окружении», измеряя активность радона в воздухе, цезия в пище, но «провоцирующим размышления» вступлением считают демонстрацию космических лучей в камере Вильсона.
Нашей задачей было сделать регистрацию космического излучения и наглядной, и лич-ностно-актуальной. На нашем «Космическом душе» не увидеть треки частиц, но можно изучить статистические особенности ядерных излучений, что важно для формирования вероятностного мышления школьника [8].
Технические характеристики установки (рис. 1). Прибор представляет из себя компактное устройство, включающее одноплатный компьютер (Raspberry Pi) под управлением ОС Linux, двух-канальный стабилизированный импульсный источник высокого напряжения (400 В), 16-каналь-ный усилитель сигналов со счетчиков Гейгера с преобразователем последовательности сигналов в цифровой вид и передачей данных в реальном времени по последовательному интерфейсу (RS232), а также компактный источник питания низкого напряжения (12 В) с гальванической развязкой. Компьютер, источник питания и модули обработки сигнала смонтированы на корпусе, в котором закреплены 16 счетчиков Гейгера.
Устройство имеет стандартный набор интерфейсов для подключения периферийных устройств (монитора, клавиатуры, локальной сети). Индикация процесса и результата изме-
Рис. 1. Общий вид «Космического душа» на фоне демонстрационной карты атомных ядер
рений осуществляется монитором через стандартный интерфейс ИОМ1. Настройку прибора и считывание информации можно производить по локальной сети.
Научные измерения космического излучения большим количеством счетчиков Гейгера проводились на заре ядерной физики, используются в физическом образовании сейчас: в практикуме космических лучей [9], в практикумах других вузов [10].
В «Космическом душе» ряд из 16 счетчиков располагается козырьком над головой школьника - их можно разглядеть вблизи. Ток через каждый счетчик, с учетом подключения мега-омного сопротивления, достаточно мал - счетчиков можно касаться. Расположенный рядом монитор показывает набор в реальном времени на каждой паре счетчиков и суммарный счет на всех счетчиках. Измерения продолжаются 20 с, после паузы для демонстрации показания счет начинается заново. Такой продолжительности одного измерения достаточно для регистрации порядка 300 событий и для записи очередного результата наблюдающим в бланк измерений. Установка на колесиках мобильна, угол наклона счетчиков можно изменять. Компьютер незаметен - это небольшая коробочка над счетчиками, клавиатура и мышь во время работы отсутствуют и не отвлекают внимание.
Повторение типов излучения и стандартных поглотителей проводится с помощью заполнения графа (рис. 2).
Хватит ли нескольких миллиметров алюминия для поглощения пучка электронов, испущенных современным ускорителем? Разъясняется, что приведенные в графе величины для поглотителей годятся для излучений, испускаемых радиоактивными изотопами. Обсуждается эффективность регистрации излучения разными детекторами.
Анализируя ряд измерений установки, можно рассчитать среднее значение, ошибку и получить представление о статистическом распределении Пуассона. Рекомендуется части школьников предложить провести расчеты на калькуляторе, а части - попробовать получить оценки среднего значения и ошибки «на глазок», чтобы проверить утверждение психологов о том, что зрительная система способна извлекать абстрактные статистические свойства подобных множеств [10].
а)
( альфа-V излучение
\ излучение
нейтронное излучение
б)
С бета-минус излучение
/ гамма-
слабо проникающее
в)
2 см свинца
лист бумаги
г)
с \
50 см
воды
ч /
1 см алюминия
Рис. 2. Граф для повторения типов излучения
Задание. Нарисуйте стрелки, соединяющие соответствующие объекты: а) частицы, вылетающие из ядра ^ б) тип излучения ^ в) его проникающая способность ^ г) минимальная толщина защиты от данного типа излучения, испускаемого радиоактивными изотопами.
Школьникам предлагается самостоятельно предложить объяснение того, что делает данная установка (рис. 3). Рядом с установкой располагаются небольшой лист стали и килограммовый пакет калийных удобрений.
Обсуждается, какие типы излучения способны регистрировать счетчики нашей установки. Зависят ли показания от того, стоит под «Космическим душем» человек или нет? Почему уменьшаются показания, если опустить козырек со счетчиками? Когда к счетчикам подносится килограммовый пакет калийного удобрения и скорость счета возрастает в 2-3 раза (зависит от расстояния до пакета), обсуждение переходит на новый уровень. Если лист стали размещен над счетчиками, он не влияет на счет, но если его разместить между пакетом с калийным удобрением и счетчиками, то сталь полностью экранирует излучение из пакета.
Делается закономерный вывод, что от пакета калийных удобрений регистрируется поток электронов. Что же считают счетчики, когда источника излучения, казалось бы, нет? Задается наводящий вопрос, какие частицы используют
для поиска пустот в египетских пирамидах (мю-оны). Каковы их характеристики? Приводятся данные, что число электронов в космических лучах на уровне моря к числу высокоэнергичных мюонов относится примерно как 1:5.
Школьникам предлагается анкета (рис. 4) для расчетной оценки количества частиц разного со-
Рис. 3. «Космический душ» в работе. Учащиеся 10-го класса Университетской гимназии МГУ начинают обсуждать причину счета установки. Сверху видны компьютер и блоки питания счетчиков Гейгера
рта, проходящих через человеческое тело. Абстрактные квадратные сантиметры становятся весьма конкретными, когда считаешь площадь своего тела. Появляется возможность обсудить понятие сечения взаимодействия частиц с веществом на примере нейтрино, электронов и мюо-нов. Оценочные вычисления проводятся с указанием применяемых моделей, что способствует развитию научной грамотности школьника.
Поток нейтрино, согласно стандартной солнечной модели, на уровне моря принимается равным = 6,5 ■ 1010 нейтрино-см"2с-1 [12], поток антинейтрино (геонейтрино) по модели силикатной Земли ~ 4 • 106 антинейтрино-см~2с-1. Ошибка принимается равной 10%. Для демонстрации научной незакостенелости, следуя декартовскому принципу «сомневайся во всем», обсуждаются альтернативные модели (модель гидридной Земли Ларина), эффектная гипотеза существования естественного природного реактора в ядре или мантии Земли и того, как измерения потока геонейтрино позволило ответить на вопрос о ее правдоподобии.
Такой анализ эксперимента дает возможность каждому наблюдающему пройти оптимальные для него ступени познавательного интереса: от любопытства, вызванного явлением счета «из ничего», к любознательности, анализу происходящего, далее - к углублению в сущность явления, а в завершение - к решению поставленной перед ним проблемы и параллельно к осознанию того, что на живом научном фронте его еще ждет немало «белых» пятен.
После получасового «Космического душа» практические работы в практикуме выполня-
Рис. 4. Анкета для оценки числа частиц, пролетающих через тело человека
ются на более высоком уровне понимания происходящих при регистрации излучений процессов и, как показало анкетирование, с лучшим результатом.
Авторы благодарят психолога Университетской гимназии МГУ А. В. Жилинскую за фотосъемку и методиста технопарка «Кванториум-33» Е. В. Борисову за инициативную помощь в организации экскурсий и проведении анкетирования.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зверева И. М., Красильников С. С., Радченко В. В. Повтори Нобелевский эксперимент (Исторические эксперименты в физическом практикуме университета, адаптированные для школьников) // Физика и ее преподавание в школе и вузе: IX Емельяновские чтения, материалы Всерос. науч.-практ. конф. -Йошкар-Ола. - 2011. - С. 113-115.
2. О цикле «от кварка до квазара». - URL: http://space.msu.ru/?p=1034 (дата обращения: 16.07.2017).
3. Воздушно-инженерная школа МГУ. - URL: http://roscansat.eom/page/2/ (дата обращения: 16.07.2017).
4. Дмитришина Е. В., Рыжикова О. А. Закон радиоактивного распада. Период полураспада // Московский методический центр. Урок в Москве. - URL: http://mosmetod.ru/centr/ proekty/urok-v-moskve/fizika/ zakon-radioaktiv nogo-raspada-period-poluraspada.html (дата обращения: 08.05.2017).
5. Образовательный проект «Академический класс». - URL: http://profil.mos.ru/ntek/o-pr oekte.html (дата обращения: 16.07.2017).
6. Федеральный государственный образовательный стандарт основного общего образования. - URL: минобрнауки.рф/докумен-ты/543 (дата обращения: 16.07.2017).
7. Johansson K. E., Nilsson Ch. Experiments in modern physics for the general public // Phys. Educ. - 2000. - 35 (4) July. - P. 256-262.
8. Белышев С. С., Зверева И. М. Практическое занятие с дозиметром как средство развития вероятностного мышления и радиационной грамотности школьника // Проблемы создания образовательной среды по физике / отв. ред. А. А. Си-нявина. - М.: ИИУ МГОУ, 2016. - С. 99-104.
9. Лабораторная работа №11. Космическое излучение на уровне моря / А. М. Анохина,
Н. П. Ильина, Д. А. Подгрудков [и др.] // Общий ядерный практикум НИИЯФ МГУ. -URL: http://prac-gw.sinp.msu.ru/images/nucleu s/descriptions%20nucleus/zad_11.pdf (дата обращения: 30.04.2017).
10. Белянин В. А. Постановка исследовательских работ по ядерной физике в лабораторном практикуме // Наука и школа. - 2009. - № 4.
- C. 44-47.
11. Белинская А. А., Уточкин И. С. Статистический модуль в структуре зрительного восприятия // Когнитивная наука в Москве: новые исследования: сб. материалов конф. / под ред. Е. В. Печенковой, М. В. Фаликман.
- 2015.- С. 35-40.
12. Кошиба М. Рождение нейтринной астрофизики. Нобелевские лекции по физике-2002 // Успехи Физических Наук. - 2004. - Т. 174, № 4.- С. 418-426.
REFERENCES
1. Zvereva I. M., Krasilnikov S. S., Radchenko V. V. Povtori Nobelevskii eksperiment (Is-toricheskie eksperimenty v fizicheskom prakti-kume universiteta, adaptirovannye dlya shkol-nikov). In: Fizika i ee prepodavanie v shkole i vuze. Proceedings of IX Scientific-practical Conference "Emelyanovskie chteniya". Ioshkar-Ola, 2011. Pp. 113-115.
2. O tsikle "ot kvarka do kvazara". Available at: http:// space.msu.ru/?p=1034 (accessed: 16.07.2017).
3. Vozdushno-inzhenernaya shkola MGU. Available at: http://roscansat.com/page/2/ (accessed: 16.07.2017).
4. Dmitrishina E. V., Ryzhikova O. A. Zakon ra-dioaktivnogo raspada. Period poluraspada. In:
Moskovskiy metodicheskiy tsentr. Urok v Moskve. Available at: http://mosmetod.ru/centr/ proekty/urok-v-moskve/fizika/zakon-radioak-
tivnogo-raspada-period-poluraspada.html (accessed: 08.05.2017).
5. Obrazovatelnyi proekt "Akademicheskiy klass". Available at: http://profil.mos.ru/ntek/o-proekte. html (accessed: 16.07.2017).
6. Federalnyy gosudarstvennyy obrazovatelnyy standart osnovnogo obshchego obrazovaniya. Available at: MHHo6pHayKH.p$/goKyMeHTbi/543 (accessed: 16.07.2017).
7. Johansson K. E., Nilsson Ch. Experiments in modern physics for the general publicro Phys. Educ. 2000, 35(4) July, pp. 256-262.
8. Belyshev S. S., Zvereva I. M. Prakticheskoe za-nyatie s dozimetrom kak sredstvo razvitiya ve-royatnostnogo myshleniya i radiatsionnoi gramotnosti shkolnika. In: Sinyavina A. A. (ed.) Problemy sozdaniya obrazovatelnoi sredy po fizike. Moscow: IIU MGOU, 2016. Pp. 99-104.
9. Anokhina A. M., Ilyina N. P., Podgrudkov D. A., Silaev A. A., Silaev A. A. (jr.) Laboratornaya rabota No. 11. Kosmicheskoe izluchenie na urovne morya. In: Laboratory of general and special practicum, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics of Lomonosov Moscow State University. Available at: http://prac-gw.sinp.msu. ru/images/nucleus/descriptions%20nucleus/ zad_11.pdf (accessed: 30.04.2017).
10. Belyanin V. A. Postanovka issledovatelskikh rabot po yadernoi fizike v laboratornom prakti-kume. Nauka i shkola. 2009, No. 4, pp. 44-47.
11. Belinskaya A. A., Utochkin I. S. Statisticheskii modul v strukture zritelnogo vospriyatiya In: Pechenkova E. V., Falikman M. V. (eds.) Kogni-tivnaya nauka v Moskve: novye issledovani-ya. Proceedings of conference. 2015, pp. 35-40.
12. Koshiba M. Rozhdenie neitrinnoi astrofiziki. Nobelevskie lektsii po fizike-2002. Uspekhi Fi-zicheskikh Nauk. 2004, Vol. 174, No. 4, pp.418-426.
Белышев Сергей Сергеевич, ассистент кафедры общей ядерной физики физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова e-mail: [email protected]
Belyshev Sergey S., Assistant Lecturer, General Nuclaer Physics Department, Physics Faculty, Lomonosov Moscow State University
e-mail: [email protected]
Владимирова Елена Витальевна, инженер 1 категории Лаборатории общего и специального практикума Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова e-mail: [email protected]
Vladimirova Elena V., 1st Class Engineer, Laboratory of general and special practicum, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics , Lomonosov Moscow State University e-mail: [email protected]
Вязовский Валерий Валерьевич, ведущий программист Отдела информационных технологий Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова e-mail: [email protected]
Viazovsky Valery V., leading programmer, IT Department, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State University
e-mail: [email protected]
Зверева Ирена Михайловна, ведущий программист Лаборатории общего и специального практикума Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова e-mail: [email protected]
Zvereva Irena M., leading programmer, Laboratory of general and special practicum, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State University e-mail: [email protected]
Казарина Наталья Юрьевна, ведущий программист лаборатории общего и специального практикума Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова e-mail: [email protected]
Kazarina Natalia Yu., leading programmer, Laboratory of general and special practicum, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State University e-mail: [email protected]
Радченко Владимир Вячеславович, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией общего и специального практикума Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова e-mail: [email protected]
Radchenko Vladimir V., PhD in Physics and Mathematics, head of Laboratory of general and special practicum, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State University e-mail: [email protected]
Широков Евгений Вадимович, кандидат физико-математических наук, доцент физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, заместитель директора по учебной работе Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова e-mail: [email protected]
Shirokov Evgheny V., PhD in Physics and Mathematics, Associate Professor, Physics Faculty, Lomonosov Moscow State University, deputy director for studies, Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics, Lomonosov Moscow State University
e-mail: [email protected]
