Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методологические основы курса физики. Учебно-методичеcкое пособие
.pdf
8. С помощью расчетов покажите, что в модели идеального газа можно
пренебречь объемом молекул, а не их поверхностью.
9. При изучении электрического поля мы пользуемся силовыми линиями.
Сталкивались ли вы с подобной картиной в других разделах физики? Слу-
чайно ли это сходство?
10. Прокомментируйте слова французского физика А. Пуанкаре: «Ученый
должен наводить порядок. Наука возводится при помощи фактов, как дом
при помощи кирпичей; однако набор фактов является наукой в той же мере, как груда кирпичей являет собой дом».
11. Непрерывная связь эксперимента и теории — залог успешного разви-
тия физики и науки в целом. Какой из этих двух уровней научного позна-
ния играл большую роль в прошлом и почему? Как будет обстоять, по ва-
шему мнению, дело в будущем?
12. Объясните, почему результаты, наблюдавшиеся учениками Резерфорда
при рассеянии α лучей, могут быть объяснены только ядерной моделью
атома, а не атомной моделью Томсона («пудинг с изюмом»).
13. Может ли теория открывать новые явления? Перечислите, например,
отдельные конкретные следствия, которые можно сделать из закона все-
мирного тяготения, не прибегая к эксперименту.
14. Прокомментируйте метод исследования Ньютона, выраженный в следующих его словах: «...от явления движений к исследованию природы сил
и затем от этих сил к демонстрации других явлений: ...движения планет,
комет, Луны и моря...». Используется ли этот метод познания в современной физике?
Рекомендуемая литература
1. Аристотель. Физика. – М., 1937.
2. Галилей. Избранные труды. – М. 1964.
101
3. Голин, Г. М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы: кН.
Для учителя. – М.:Просвещение, 1987. – 127с.
4. Ефименко, В. Ф. Методологические вопросы школьного курса физики.
- Педагогика, 1976г.
5. Мощанский, В.Н. Формирование мировоззрения учащихся при изуче-
нии физики. – Просвещение, 1989.
6. Рузавин, Г.И. Методология научного исследования М .: ЮНИТИ-
ДАНА, 1999.
Тема 8. Формирование знаний о фундаментальных идеях физики
План:
1. Идея элементарности;
2. Идея сохранения;
3. Идея симметрии;
4. Идея единства физической картины мира.
1. Идея элементарности
На каждом этапе развития представлений о материи ученые пользо-
вались моделями структурной единицы, наделяя ее свойством неделимости
(элементарности). В процессе познания обнаруживается, что «кирпичик
мироздания», считавшийся элементарным, в последующем оказывается
состоящим из более мелких элементарных структурных единиц. Каждый
новый этап элементарности обладал определенными, только ему прису-
щими свойствами, не сохраняющимися при дальнейшем проникновении
вглубь материи. Так, знакомясь на уроках физики и химии на первой сту-
пени с понятием молекулы, школьники узнают, что с этим понятием свя-
зано объективное свойство элементарности: молекула – наименьшая часть
вещества, обладающая только ей присущими определенными химически-
ми свойствами.
102
В традиционной методике преподавания внимание учащихся обра-
щают главным образом на онтологический аспект этой идеи. Вместе с тем
возможно и необходимо раскрыть перед школьниками огромную эвристи-
ческую ценность идеи элементарности. На конкретном физическом мате-
риале нужно показать, как великая атомическая идея помогала и помогает
в настоящее время «проникать» вглубь материи, вскрывать внутренний
механизм наблюдаемых физических явлений.
Раздел «Молекулярная физика» представляет собой первую ступень
проникновения в микромир. Здесь моделью элементарного «кирпичика»
вещества служит неделимый атом в виде твердого шарика определенных
размеров. В этом разделе изучаются лишь внешние по отношению к струк-
туре атома явления взаимодействия с другими «неделимыми» и «элемен-
тарными» частицами.
В электронной теории, изучаемой в курсе электродинамики, струк-
турной единицей материи считается электрон. Здесь понятие элементарно-
сти связывается не только с частицей как «кирпичиком» материального
объекта, но и с элементарностью (дискретностью) количественной меры
свойства частицы – электрического заряда. Заряд электрона – наименьшее
количество электричества, далее неделимое.
В разделе «Квантовая физика» учащихся знакомят с понятием фото-
на – элементарной порцией электромагнитного излучения, и в частности
света (фотоны как элементарные световые частицы). Постепенно в их соз-
нании идея элементарности смыкается с идеей дискретности, которая бо-
лее общая и распространяется в настоящее время на такие понятия в физи-
ке элементарных частиц, как энергия, заряд, момент импульса – основные
физические величины, характеризующие свойства микрочастиц. Далее их
знакомят с таким фактором в современной физике, как необыкновенно
большое число элементарных частиц, каждая из которых характеризуется
103
определенными свойствами, которые нельзя разобщить, ибо в противном
случае это будет уже совсем другая частица с другим «набором» свойств.
Основные этапы формирования знаний школьников о методологи-
ческой идее элементарности можно представить следующим образом:
макротело как совокупность молекул,
молекула (наименьшая часть вещества, обладающая только ей прису-
щими химическими и физическими свойствами),
атом (неделимое физико-химическое образование, элементарная струк-
турная единица материи),
электрон (элементарная частица, элементарный электрический заряд),
квант света (элементарная порция электромагнитного излучения),
неделимость элементарных частиц как носителей определенных
свойств, дискретность физических величин, характеризующих микрочастицы: энергии, заряда, момента импульса, длины, времени,
параметрия (кварки и лептоны), единство прерывности и непрерыв-
ности.
2. Идея сохранения
Впервые с идеей сохранения в курсе физики учащиеся знакомятся
уже на первой ступени обучения. Изучая агрегатные состояния и агрегат-
ные превращения веществ, они узнают, что в этих процессах неизменным
остается количество вещества данного тела (т.е. число молекул). Так как в
курсе физики на первой ступени количество вещества связывается с дру-
гим понятием – массой, то эта идея оформляется в положение о сохранении массы.
Закон сохранения количества вещества широко используется уча-
щимися при изучении молекулярно-кинетической теории и атомной физики. Законы сохранения – наиболее фундаментальные в физической науке;
104
они были открыты в результате опытов, надежно доказывающих их спра-
ведливость и универсальность. Традиционный подход к изложению зако-
нов сохранения импульса и энергии заключается в том, что они выводятся
как следствия законов Ньютона. Ньютон в книге «Математические начала
натуральной философии», где были изложены вся динамика и закон все-
мирного тяготения, приводит описание опытов других ученых и свойств,
собственных по доказательству справедливости закона сохранения им-
пульса тел.
Закон сохранения импульса является обобщением опытных фактов, а
не просто одним из следствий законов Ньютона.
Третий закон Ньютона, в отличие от закона сохранения импульса,
имеет установленные границы применимости: его нельзя применять в слу-
чае, когда конечность скорости распространения взаимодействий стано-
вится существенной. Исходя из действительного соотношения законов со-
хранения и законов Ньютона по признаку фундаментальности, можно
предположить более общий подход к изучению динамики, при котором
введение понятия количества движения (импульса) и изучение закона со-
хранения импульса предшествуют изучению второго и третьего законов
Ньютона. В этом случае второй закон Ньютона будет иметь вид: .
В такой записи второй закон Ньютона справедлив и в теории относитель-
ности, учитывающей относительность масс.
Затем переходим к «обычной» форме второго закона Ньютона: счи-
тая массу инвариантной величиной, получают из выше написанного равен-
ства выражение: , но в таком виде второй закон Ньютона имеет бо-
лее узкие границы применимости. Аналогично, и третий закон Ньютона
можно получить как следствие из закона сохранения импульса.
105
При изучении первого принципа термодинамики школьники узнают
о проблеме «вечного двигателя», существовавшей в науке и технике до
XIX в., когда был открыт закон сохранения энергии. При изучении правила
Ленца, служащего для определения направления индукционных токов,
учащиеся должны усвоить, что является проявлением закона сохранения
энергии в электромагнитных процессах. В общем схематическом виде пра-
вило Ленца можно представить в виде следующего утверждения: индукци-
онный ток всегда имеет такое направление, чтобы своим магнитным полем
препятствовать причине, его породившей. Далее следует сообщить, что
немецкий физик Г. Гельмгольц, сформулировавший закон сохранения и
превращения энергии в более общем и современном виде, в 1846 г. пока-
зал, что правило Ленца есть проявление этого фундаментального закона
естествознания в электромагнитных процессах.
Поучительным примером эвристического характера «запрета» зако-
нами сохранения является история открытия нейтрино, с которой учащие-
ся знакомятся при изучении свойств элементарных частиц. Нужно расска-
зать им, что после открытия распада ядер физики подсчитали, что в энер-
гетическом балансе этого процесса происходят нарушения: бесследно «ис-
чезает» часть энергии. Даже выдающийся ученый Н. Бор был вынужден
предположить, что в элементарных актах взаимодействия законы сохране-
ния энергии и импульса могут не выполняться. Однако В. Паули в 1930 г.,
стремясь «спасти» законы сохранения, предположил, что существует некая
нейтральная частица очень малой массы, вылетающая из ядра вместе с
электроном. Идея Паули была использована для создания теории распада
итальянским физиком Э. Ферми. Нейтрино не обладает зарядом, его масса
покоя ничтожно мала; частица почти не взаимодействует с веществом,
движется почти со скоростью света.
106
История открытия нейтрона также может служить примером приме-
нения закона сохранения в качестве инструмента познания природы. В
1930 г., бомбардируя α – частицами, испускаемыми радиоактивным препа-
ратом полония, атомы легких элементов, в частности бериллий и бор, уче-
ные получили весьма интенсивное излучение, имеющее большую прони-
кающую способность и не отклоняющееся в электрическом поле. В 1932 г.
ученик Э. Резерфорда Дж. Чедвик поставил перед собой задачу разгадать
природу этого излучения.
Фундаментальное свойство микромира – взаимопревращаемость
элементарных частиц может быть осознано школьниками лишь в том слу-
чае, если круг физических законов сохранения, с которым они знакомятся,
будет расширен. Наряду с универсальными законами сохранения энергии,
импульса и момента импульса в микромире фундаментальную роль играют
специфические законы сохранения электрического заряда, а также законы
сохранения барионного, электронного и мюонного лептонных «зарядов».
С законом сохранения электрического заряда учащиеся знакомятся
при изучении электрических явлений.
В физике элементарных частиц этот закон можно сформулировать в
виде утверждения: при любых взаимопревращениях частиц, образующих
замкнутую систему, алгебраическая сумма электрических зарядов остается
неизменной.
Перечисленные законы сохранения позволяют заранее, без выполне-
ния дорогостоящих экспериментов, определить, какие процессы в микро-
мире могут наблюдаться, а какие принципиально невозможны в природе.
Отбирая на основании изученных законов сохранения из множества реак-
ций взаимопревращения элементарных частиц те, которые действительно
были осуществлены учеными, школьники начинают осознавать методоло-
гическую ценность законов сохранения. Следует при этом обратить их
107
внимание на то обстоятельство, что при изучении микромира, где меха-
низм многих явлений известен, где каждый шаг вперед связан с громад-
ным усложнением экспериментальных и теоретических средств познания,
законы сохранения, отличающиеся простотой, изяществом, а главное, уни-
версальностью, являются единственным верным ориентиром в поисках не-
известного.
Основные этапы формирования знаний о методологической идее со-
хранения можно представить следующим образом: сохранение количества
вещества → сохранение импульса → сохранение момента импульса → со-
хранение энергии → сохранение электрического заряда → сохранение барионного «заряда» → сохранение лептонного и мюонного зарядов.
3. Идея симметрии
На ряде примеров из курса физики средней школы рассмотрим воз-
можные методические пути формирования у учащихся знаний о методоло-
гической идее симметрии.
Уже при изучении кинематики и динамики материальной точки име-
ется возможность закрепить и обобщить знания учащихся о свойствах про-
странства и времени, полученные ими ранее при изучении физики на пер-
вой ступени, математики, географии, черчения и других дисциплин. Уча-
щиеся должны усвоить три вида симметрии:
симметрию относительно переноса в пространстве (однородность про-
странства),
симметрию относительно вращения в пространстве (изотропность про-
странства),
симметрию относительно переноса во времени (однородность вре-
мени).
Следует рассказать учащимся о том, что все точки пространства
равноправны, что не существует способа, который бы позволил обнару-
108
жить разницу между точками, так что сам перенос тела из одной точки
пространства в другую не влечет за собой изменения состояния тела. В од-
нородном пространстве возможно осуществить параллельный перенос.
Лишь изучив некоторые элементы общей теории относительности, уча-
щиеся смогут усвоить, что однородность пространства Вселенной – при-
ближенная, что его свойства зависят от материальных процессов. Вблизи
больших тяготеющих масс пространство уже перестает быть однородным,
оно «искривляется», для него геометрия Евклида перестает быть справед-
ливой, правильно описать его свойства способна лишь геометрия Лобачев-
ского-Римана.
Однородность времени означает равноправие и неразличимость друг
от друга отдельных моментов времени или промежутков времени одинако-
вой длительности.
Отсутствие «абсолютного» начала отсчета времени соответствует
материалистическому пониманию вечности Вселенной, так что эту сторо-
ну вопроса естественно связывать с критикой религиозного представления
о «начале мира» и его сотворении. Со свойством однородности связано и
другой свойство «абсолютного» ньютоновского времени – равномерность
ритма времени.
Со свойством изотропности пространства учащиеся встречаются в
геометрии; в физике они знакомятся с понятием изотропности и анизо-
тропности в связи с изучением свойств аморфных и кристаллических тел.
Они узнают, что изотропность есть равноправность всех направлений в
пространстве. Эти знания учащихся о симметрии пространства и времени
можно было бы использовать для вывода законов сохранения импульса,
момента импульса и энергии из свойств однородности, изотропности про-
странства и однородности времени. В результате можно добиться наиболее
обобщенного и современного понимания учащимися характера фундамен-
109
тальных физических понятий: импульса как величины, сохранение которой
обусловлено инвариантностью относительно переноса в пространстве; мо-
мента импульса как величины, сохранение которой обусловлено инвари-
антностью относительно пространственных переносов, и энергии как ве-
личины, сохранение которой обусловлено инвариантностью относительно
временных сдвигов.
Знакомя учащихся с возможностью вывода законов сохранения из
более общих принципов симметрии, мы тем самым показываем, что зако-
ны сохранения нельзя считать последним этапом поиска учеными все бо-
лее обобщенных и глубоких теоретических знаний о сущности природных
явлений.
Ученые-физики уделяют симметрии первостепенное внимание. Каж-
дый факт нарушения симметрии в истории физики вызывал неустанные
поиски ученых, направленные на преодоление критических ситуаций. Ре-
зультатом этого преодоления всегда является новый качественный скачок
в понимании физический явлений.
При изучении электромагнитного поля желательно рассказать уча-
щимся, что необходимость преодолеть асимметрию во взаимодействии
электрических и магнитных полей привела Максвелла к открытию токов
смещения. Это открытие было чисто теоретическим и диктовалось сим-
метричностью тех уравнений, которые описывают образование перемен-
ных электрических и магнитных полей. Именно из соображений симмет-
рии Максвелл пришел к выводу, что если электрические поля возбуждают-
ся как зарядами, так и переменными магнитными полями, то и магнитные
поля, в свою очередь, должны возбуждаться не только токами, но и переменными электрическими полями.
При изучении волновых свойств микрочастиц следует сообщить
учащимся, что их первооткрыватель французский физик Луи де Бройль,
110
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]