Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методологические основы курса физики. Учебно-методичеcкое пособие
.pdf
альных объектов и процессов, в которых выделены наиболее существен-
ные черты этих объектов и процессов.
С помощью ряда примеров из различных разделов курса физики
учащиеся должны усвоить тот факт, что любая модель не может содержать
все характерные черты моделируемого явления или объекта, но она долж-
на, хотя и частично, отражать реальные свойства и устанавливать существенные взаимосвязи.
Так, моделью молекулы (атома) в разделе «Молекулярная физика»
является твердый, далее неделимый шарик. Его движение происходит по
законам Ньютона, а взаимодействие с другими молекулами-шариками —
по закону абсолютно упругих столкновений. Еще более отвлеченной явля-
ется модель идеального газа, в которой пренебрегают энергией взаимодей-
ствия молекул на расстоянии, так что внутренняя энергия идеального газа
представляет собой сумму кинетических энергий хаотического поступа-
тельного движения всех молекул. Полезно предложить школьникам уста-
новить, будет ли эта модель отражать действительные свойства реального
газа, если пренебречь поверхностью молекул идеального газа.
Важную дидактическую и методологическую роль в курсе физики
играют наглядные модели: броуновского движения, кристаллических ре-
шеток ряда веществ, линий напряженности электрического поля и индук-
ции магнитного поля и т.д. Однако необходимо учитывать, что часть
школьников отождествляют модель с самим моделируемым объектом
(считают, что молекулы — это маленькие шарики, а твердое тело — решетки с прочно закрепленными узлами и т.д.). Поэтому при введении той
или иной модели важно давать методологическую оценку: с одной сторо-
ны, показывать необходимость введения модели для изучения явления, а с
другой — предостерегать от отождествления модели и моделируемого
91
объекта, отмечая, что первое есть лишь образ, картина, мысленная конст-
рукция второго.
В плодотворности моделей учащиеся убеждаются на примере модели
«электронного газа», основанной на аналогии свободных электронов в ме-
талле и молекул идеального газа. Эта механическая модель помогает им
объяснить ряд важных закономерностей постоянного тока, в том числе за-
коны Ома и Джоуля-Ленца. Ограниченность этой модели следует показать
на примере расхождения теории с опытом при объяснении зависимости
удельного сопротивления от температуры. В разделе «Квантовая физика»
школьники знакомятся с рядом исторических моделей, сыгравших вы-
дающуюся эвристическую роль в развитии физики. Это модели атома Том-
сона и Резерфорда, капельная модель ядра. Сопоставление моделей атома
Томсона и Резерфорда должно показать учащимся, как происходит смена
моделей в процессе развития физической науки и какую роль в этом играет
эксперимент.
Рассказывая о капельной модели ядра, следует подчеркнуть еще раз
важное свойство моделей — наглядность, что позволяет раскрывать тайны
микромира, недоступного пока для непосредственного исследования.
2. Аналогия
В процессе изучения физики учащиеся знакомятся с целым рядом
исторических аналогий, сыгравших исключительно важную роль в разви-
тии физики. Это построение электростатики по аналогии с теорией грави-
тации Ньютона, аналогия механических и электромагнитных колебаний,
построение волновой теории света по аналогии с теорией звука и т.д.
Большую дидактическую пользу приносит использование аналогии
электрического тока в металлах с движением жидкости в трубе при разъ-
яснении таких понятий, как напряжение тока (напор в трубе), источник то-
92
ка (насос, перегоняющий жидкость из трубы с низким уровнем воды в тру-
бу с более высоким) и др.
В арсенале дидактических средств у учителя имеются также такие
аналогии, как рой комаров или дрейф льдин в реке при объяснении движе-
ния «электронного газа» в металлах; процесс испарения жидкости при
объяснении термоэлектронной эмиссии, колебания математического ма-
ятника при объяснении электромагнитных колебаний в колебательном
контуре (особо следует обратить внимание на аналогию перехода кинети-
ческой энергии в потенциальную в математическом маятнике с переходом
энергии электростатического и магнитного полей в колебательном конту-
ре); условие резонанса в механических системах при объяснении резонанса
в цепи переменного тока; звуковые колебания и волны при объяснении
волновых свойств (интерференции и дифракции) света и т. д.
Знакомя учащихся с этими и другими аналогиями, следует подчер-
кнуть, что речь идет не о процессах единой природы, а о внешнем сходстве
или единстве математического аппарата разных по существу явлений.
3. Мысленный эксперимент
Мысленный эксперимент как метод теоретического познания в
школьном курсе физики выполняет следующие познавательные функции:
служит средством наглядности при изложении сложного материала, а так-
же своеобразным способом доказательства выдвинутых положений еще до
выполнения реального эксперимента (иногда потребность в последнем от-
падает).
Мысленные эксперименты условно могут быть разделены на истори-
ческие и эксперименты чисто учебного характера, которые предлагают
учитель или учащиеся в процессе объяснения какого-либо явления.
Мысленные эксперименты учебного характера применяются, на-
пример, при выводе формулы архимедовой силы, действующей на тело
93
кубической формы, полностью погруженное в жидкость; при выводе ос-
новного уравнения кинетической теории идеального газа и т.д.
Исторические мысленные эксперименты следует излагать, используя
хрестоматийный материал: отрывки из сочинений ученых, исторические
рисунки и др.
Знакомясь с мысленными экспериментами, выдвинутыми учеными
прошлого и настоящего, учащиеся смогут проследить за ходом мысли уче-
ного, его теоретической аргументацией, овладевая при этом интеллекту-
альными навыками познания.
При изучении элементов теории относительности мысленные экспе-
рименты служат основным дидактическим средством, обеспечивающим
доступность и наглядность излагаемого материала.
4. Гипотеза
Учащиеся должны понимать разницу между научной гипотезой, вы-
двигаемой для разрешения той или иной проблемной ситуации, возникшей
в процессе познания, и гипотезой, основанной на домыслах, слепой вере в
«божественные силы» или фантастических предположениях, ничего обще-
го не имеющих с реальностью. Поэтому надо обратить их внимание на ряд
условий, обеспечивающих состоятельность научной гипотезы. Прежде
всего гипотеза должна пройти через логический анализ, ее необходимо со-
поставить с теми известными фактами, справедливость которых неодно-
кратно и надежно обоснована.
Научная гипотеза как предположительное знание требует своего экс-
периментального подтверждения, а поэтому должна быть принципиально
проверяема. Пусть гипотеза не проверена сегодня (она, например, неакту-
альна для данного состояния науки, или технический уровень не позволяет
это сделать), тогда она будет проверена в будущем, но до этого времени
ученые относятся к ней с недоверием и не делают, как правило, эту гипоте-
94
зу предметом исследования. В истории физики бывали случаи, когда гипо-
теза ждала своего подтверждения целые столетия (например, атомистиче-
ская гипотеза, впервые введенная в физику древнегреческими материали-
стами Демокритом и Эпикуром, была надежно доказана экспериментами
лишь в начале XX в.; гипотеза Гюйгенса о волновых свойствах света, выдвинутая в XVII в., получила экспериментальное подтверждение в XIX в. и
т.д.).
В настоящее время квантовая гипотеза, блестяще подтвержденная
экспериментально, стала прочным фундаментом всей современной физики.
Необходимо также показать учащимся, как происходит уточнение и
углубление гипотезы, выдвинутой вначале в форме догадки, превращение
ее в теорию посредством эксперимента и логического аппарата. При этом
нельзя забывать, что в учебном процессе гипотеза получает свое обоснова-
ние и доказательство сразу же после ее выдвижения, поэтому всегда сле-
дует отмечать долгий путь развития научной гипотезы от гениальной до-
гадки ученого до сложившейся теории.
Между теорией и гипотезой, положенной в основу данной теории,
нет качественного различия. Гипотеза служит отправной точкой, первой
ступенью в построении физической теории. Экспериментальное подтвер-
ждение следствий теории является одновременно подтверждением тех ос-
новных посылок теории, которые были выдвинуты вначале как гипотезы.
Это можно проиллюстрировать при изучении теории всемирного тяготе-
ния, теории электромагнитного поля, элементов теории относительности.
В учебном процессе логический процесс формирования гипотезы со-
стоит в ее выводе из ранее изученных законов, теорий, идей. При этом
происходит дедуктивная экстраполяция этих знаний на объяснение новых
фактов и результатов экспериментальной деятельности учащихся.
95
5. Физическая теория
Определение теории в точной и полной формулировке давать
школьникам вряд ли целесообразно (да это и невозможно), однако в соот-
ветствующих темах школьного курса физики необходимо познакомить
учащихся с важнейшими характеристиками научной теории. К таким характеристикам относятся следующие:
1) Теория должна быть достоверна и соответствовать результатам
эксперимента (другими словами, выдерживать экспериментальную про-
верку).
В процессе ознакомления в старших классах с физическими теория-
ми (их основами или элементами) необходимо обращать внимание уча-
щихся на те факты, полученные экспериментально, которые подтвердили
справедливость изучаемых теорий. Например, при изучении молекулярно-
кинетической теории ими являются опыты Штерна и Перрена, при изуче-
нии теории электромагнитного поля — опыты Герца и Лебедева, атомной
теории Бора — опыты Франка-Герца и т. д.
2) Теория должна объяснять факты, а не только их описывать.
В процессе объяснения исследуемые явления включаются в рамки
созданной теории, получая свое обоснование на базе основных положений
теории. При этом вскрываются внутренние связи между явлениями, их
фундаментальные свойства, устанавливается их причинная обусловлен-
ность. В результате объяснения обеспечивается понимание сущности ис-
следуемого круга явлений. Объяснительная функция научной теории во
многих чертах сходна с объяснением в учебном процессе, где оно высту-
пает как один из эффективных способов усвоения учебного материала.
Объяснительная функция теории раскрывается, например, в процессе изу-
чения многих тепловых и молекулярных явлений. Понятие температуры,
газовые законы, агрегатные состояния и агрегатные превращения, поверх-
96
ностное натяжение и свойства твердых тел объясняются на основе молеку-
лярно-кинетической теории, что постоянно подчеркивается при изложении
материала на страницах учебника.
3) Теория должна быть эвристичной и предсказательной (т.е. давать но-
вые знания, первоначально в нее не заложенные).
Научное предсказание наряду с объяснением — важнейшая функция
теории, позволяющая предвосхищать дальнейшее развитие и усовершенст-
вование этой теории, открывать «на кончике пера» новые явления и зако-
номерности, с которыми наука не сталкивалась до сих пор.
Курс физики средней школы содержит большой материал, по-
зволяющий изучать эвристические свойства физической теории.
Так, при изучении электромагнитного поля знакомим учащихся с
предсказанием Максвелла об электромагнитной природе света. Рассказы-
ваем, что из уравнений Максвелла следовал вывод о распространении
электромагнитного поля со скоростью, совпадающей со значением скоро-
сти света. Это позволило ученому выдвинуть гипотезу, согласно которой
свет есть электромагнитные волны. Предсказание Максвелла получило в
дальнейшем экспериментальное подтверждение в опытах Герца и Лебедева.
4) Теория должна быть достаточно концентрированной и общей
(т. е. такой, чтобы исходя из небольшого числа основных положений,
можно было получать различные следствия и охватывать достаточно
большое число реальных явлений).
Если бы физическая теория объясняла только один факт, одно явле-
ние, то вряд ли она имела бы какую-нибудь ценность. Любая физическая
теория, даже созданная для объяснения небольшого круга природных яв-
лений, должна описывать все явления данного круга.
97
5) Теория должна быть внутренне непротиворечивой и допускать усо-
вершенствование.
В процессе ознакомления учащихся с различными физическими тео-
риями необходимо показывать, что теория создается не сразу и не оконча-
тельно, ее основные идеи постепенно уточняются, углубляются, расширя-
ются, пока она не принимает свою окончательную и совершенную форму.
В процессе изучения физических теорий или их элементов учащиеся
должны увидеть их системный характер, структуру:
1. Основные понятия, отражающие эмпирический базис, и совокупность
фактов, на которых зиждется теория — основание теории;
2. Основные принципы и законы, составляющие ядро теории;
3. Следствия, выведенные из принципов и законов путем логической де-
дукции.
Эти структурные компоненты устоявшейся теории должны вклю-
чаться в логически замкнутую цепочку — схему научного познания, пред-
ставляющего собой единство экспериментального и теоретического уров-
ней познания природы.
Формирование методологических знаний об экспериментальном и
теоретическом уровнях научного познания необходимо осуществлять в
процессе обучения таким образом, чтобы в сознании школьника эти уров-
ни всегда представлялись как два неразрывно связанных и взаимодопол-
няющих аспекта единого научного подхода к познанию действительности.
На примере изучения специальной теории относительности покажем,
как у учащихся могут быть сформированы обобщенные представления о
научном познании.
Специальная теория относительности:
98
1. Совокупность опытных данных (в том числе и опыт Майкельсона —
Морли), накопленных физикой XIX в. по проблеме распространения электромагнитных волн (света) и не получивших своего объяснения.
2. Выдвижение А. Эйнштейном постулатов — инвариантности скорости
света и принципа относительности, обобщающих опытные факты; осозна-
ние непротиворечивости этих фундаментальных положений в результате
выдвижения революционной гипотезы об относительности времени.
3. Математическое оформление специальной теории относительности (в
школьном курсе из-за отсутствия преобразований Лоренца этот этап развития теории выпадает).
4. Следствия из теории относительности А. Эйнштейна: относительность
промежутков времени, относительность расстояний, релятивистский закон
сложения скоростей, зависимость массы от скорости, закон взаимосвязи
массы и энергии.
5. Экспериментальная проверка и использование в науке, технике и про-
изводстве следствий из специальной теории относительности (СТО) (что
является подтверждением как выдвинутых постулатов, так и всей теории в
целом).
Атомная теория Бора:
1. Совокупность опытных фактов, не получивших объяснения на основе
классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла (устойчивость атомов, линейчатые спектры излучения атомов).
2. Выдвижение постулатов — гипотез о стационарных состояниях атома
и квантовом характере излучения и поглощения.
3. Математическое оформление атомной теории Бора (правило квантова-
ния, вычисление энергии и радиусов орбит стационарных состояний).
4. Следствия из теории Бора: модель атома водорода; теоретическое оп-
ределение постоянной Ридберга; расчет энергии ионизации и др.
99
5. Экспериментальное доказательство существования стационарных со-
стояний (опыты Франка и Герца),
Вопросы и задания
1. Какое значение первый закон Ньютона имеет для классической механики? Можно ли без него обойтись?
2. В законах движения Ньютона нет указаний на индивидуальные свойст-
ва тел: их размеры, форму, цвет и т. д. Можно ли сделать вывод, что эти
законы беспомощны при описании движения реальных тел?
3. Зачем Галилею понадобилось «отделить» сопротивление воздуха от
силы тяжести при рассмотрении падения тел? Можно ли пренебрегать со-
противлением воздуха при рассмотрении движения современных снарядов?
4. Галилей с помощью мысленного эксперимента сумел показать противоречивость «закона» Аристотеля, согласно которому тела падают на землю со скоростями, пропорциональными их весу (массам). Постарайтесь
воссоздать рассуждения Галилея, воспользовавшись тремя «кирпичиками»
одинаковой массы.
5. Некий астроном заявил, что он открыл новую планету, орбита которой
пролегает на полпути между Землей и Солнцем и период обращения кото-
рой равен 240 сут. Каково ваше мнение об этом открытии?
6. В формулах и уравнениях физики размерности левой и правой частей
должны быть одинаковыми. Покажите на ряде примеров справедливость
этого утверждения. Предположим, что вы получили формулу, у которой
левая и правая части имеют разные размерности. Какой вывод вы сделаете?
7. Всегда ли надо следовать изречению Ньютона: «Гипотез не измышляю»?
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]