Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методологические основы курса физики. Учебно-методичеcкое пособие
.pdf
также движимый чувством восстановления симметрии, в 1923 г. выдвинул
свою знаменитую гипотезу. Он рассуждал примерно так: свет и электро-
магнитное излучение вообще обнаруживают свойства частиц, что было
показано Планком и Эйнштейном.
Необходимо показать учащимся, что идея симметрии оказалась осо-
бенно плодотворной в физике элементарных частиц. Здесь были обнару-
жены некоторые новые виды симметрии, которые играют фундаменталь-
ную роль в строении и свойствах элементарных частиц. Так, с открытием
позитрона выяснилось существование симметрии относительно зарядового
сопряжения, согласно которой заряженные элементарные частицы сущест-
вуют парами. У каждой заряженной частицы должна быть античастица с
противоположным по знаку электрическим зарядом
На примерах из обычной жизни можно показать, что и макро-
скопические явления допускают симметрию относительно прост-
ранственного (зеркального) отражения. Понятия «левого» и «правого» со-
вершенно эквивалентны, относительны и физически равноправны. Эта
«зеркальность», наблюдаемая в природе, получила особое название «чет-
ность». Классические законы удовлетворяют сохранению четности. Оказа-
лось, что четность сохраняется и в реакциях с элементарными частицами
при электромагнитных и сильных взаимодействиях. Операция зеркально-
го отражения, которой подвержены элементарные частицы, получила на-
звание Р-инвариантности. В механических процессах наблюдается еще одна симметрия — относительно обращения времени. На примере свободно-
го падения тела с некоторой высоты и бросания этого же тела на ту же вы-
соту учащиеся могут убедиться в полной симметрии этих двух движений
относительно времени. Можно привести и такой пример: если снять какой-
нибудь физический процесс на кинопленку, а затем прокручивать ленту в
обратном направлении, то мы увидим другой возможный физический про-
111
цесс. Этот обращенный во времени процесс может оказаться крайне мало-
вероятным, но ни один физический закон не будет в нем нарушен. Все фи-
зические процессы симметричны относительно обращения времени (Г –
инвариантность).
Основные этапы формирования знаний о методологической идее
симметрии можно представать следующим образом: симметрия относи-
тельно переноса в пространстве (однородность пространства) → сим-
метрия относительно вращения в пространстве (изотропность про-
странства) → симметрия относительно переноса во времени (однородность времени) → симметрия относительно обращения времени (Т – инвариантность) → симметрия относительно зеркального отражения (Р –
инвариантность) → симметрия относительно зарядового сопряжения (С
– инвариантность) → симметрия относительно комбинированной четности (СРТ – теорема) → симметрия как отражение диалектики взаимосвязи природных явлений.
4. Идея единства физической картины мира
Основной формой включения методологического материала о един-
стве физической картины мира в школьный курс являются небольшие по
объему вставки в канву изложения учителем программных вопросов. На-
пример, в курсе механики учащиеся узнают, что те же самые законы дви-
жения Ньютона, согласно которым осуществляются механические процес-
сы на Земле, управляют движением небесных тел. По этим же законам
движутся и искусственные спутники, и космические корабли, спроектиро-
ванные и запущенные человеком. Тем самым подтверждаются взгляды пе-
редовых ученых-материалистов об отсутствии принципиального различия
между земными и небесными явлениями, о единстве материального мира.
Небольшая вставка об истории открытия Фарадеем явления электро-
магнитной индукции поможет раскрыть одно из важнейших положений
112
диалектического материализма о единстве и взаимосвязи природных явлений.
При изучении целого ряда вопросов курса физики учащиеся сталки-
ваются с примечательным методологическим фактом, имеющим большое
эвристическое значение (он получил название изоморфизма): качественно
различные физические явления и закономерности имеют одинаковую ко-
личественную структуру и выражаются внешне одинаковыми математиче-
скими формулами. Такова изоморфность закона всемирного тяготения
Ньютона и закона электростатического взаимодействия Кулона, основных
величин и уравнений, описывающих распространение не механических, а
электрических колебаний, формулы Гюйгенса для математического маят-
ника и формулы Томсона для колебательного контура и т. д.
Формирование методологической идеи единства физической карти-
ны мира получает свое завершение на обобщающем занятии «Современная
научная картина мира», где эта идея должна быть сформулирована пре-
дельно широко, так как она играет объединяющую роль, строя мост от фи-
зической науки к методологии и научному мировоззрению.
Учащимся следует рассказать, что фундаментом современной науч-
ной картины мира служат три великие физические теории: теория относи-
тельности, квантовая теория и физическая статистика. Современная физи-
ческая картина мира включает как внутренне необходимый аспект также
условия познания объектов природы, что обусловливает единство не толь-
ко физической, но и всей научной картины мира.
Вероятностный характер современной физической картины мира
связан с тем, что макроскопические модели микромира (как корпускуляр-
ные, так и волновые) не соответствуют в точности действительности. К
микромиру нельзя применять те же динамические закономерности, что и к
113
макроявлениям. Принцип причинности и здесь сохраняется, но в виде ста-
тистических закономерностей.
Основные этапы формирования знаний о методологической идее
единства физической картины мира можно представить следующим обра-
зом: механическая картина мира → электромагнитная картина мира →
квантово-полевая картина мира → «великий синтез» физики → внутренняя взаимосвязь и материальное единство природных явлений.
Вопросы и задания
1. Содержится ли в законе всемирного тяготения Ньютона объяснение
происхождения и природы сил гравитации?
2. Опишите известные эксперименты и предложите свои собственные,
показывающие, что импульс системы тел при столкновениях этих тел
сохраняется.
3. Некий изобретатель утверждает, что построил машину, которая позво-
ляет от 1 т сгоревшего угля получить энергию 9*109Дж. Возможно ли
это?
4. Объясните правило Ленца, исходя из идеи сохранения.
5. Какие из приведенных ниже теоретических распадов возможны в дей-
ствительности, а какие нет? Почему?
6. Проверьте различные законы сохранения в следующих реакциях.
114
Нарушается ли в этих реакциях какой-нибудь закон сохранения?
7. Одна и та же физическая величина может выражаться в разных едини-
цах, например, ускорение свободного падения выражается в Н/кг и
2
м/с
, напряженность электрического поля — в Н/Кл и В/м, коэффици-
ент поверхностного натяжения—а Н/м и Дж/м
2
и т. д. Приведите еще
другие примеры и объясните причину.
8. Вы изучаете биологию и химию. Сравните методы познания, исполь-
зуемые этими науками, с методами, используемыми в физике.
9. Можно ли на основе физических и химических законов полностью
объяснить деятельность живого организма? Можно ли, добавив биологические законы, объяснить жизнь человеческого общества?
Рекомендуемая литература
1. Баженов Л.Б. Строение и функция естественнонаучной теории. – М.,
1978.
2. Голин Г.М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы: кн.
для учителя. – М.: Просвещение, 1987. – 127 с.
3. Ефименко В.Ф. Методологические вопросы школьного курса физики. –
М., 1976
4. Зорина Л.Я. Дидактические основы формирования системности знаний
старшеклассников. - М., 1978
5. Мощанский В.Н. Формирование мировоззрения учащихся при изуче-
нии физики. – М., 1976
115
6. Семыкин Н.П. Любичанковский В.А. Методологические вопросы в
курсе физики средней школы. – М., 1979
7. Штофф В.А. Введение в методологию научного познания. – Л., 1972.
Тема 9. Основные закономерности развития физики
1. Обусловленность развития физики социальными процессами,
общим уровнем культуры и потребностями техники
Показ этой закономерности развития физической науки позволяет
представить в сознании учащихся науку неотделимой от других областей
человеческого знания, сформировать у них большой политехнический кру-
гозор. Учащиеся должны понимать, почему, например, законы движения
были открыты именно в XVII в., а термодинамика как теория тепловых
процессов возникла лишь в середине XIX в. и т.д.
На конкретных примерах следует показать учащимся обуслов-
ленность развития физики общественными потребностями, подчеркнуть,
что многие важные открытия в физике появились как ответ на «социаль-
ный заказ эпохи», а не как случайное проявление гениальности отдельных
личностей. Вот почему, когда приходит время данному открытию, оно не-
избежно происходит, и зачастую его совершают одновременно несколько
ученых независимо друг от друга.
Показывая учащимся зависимость развития физики от потребностей
общества и техники, нельзя допускать крайности. Учащиеся должны по-
нимать, что физика как наука не есть служанка техники, и ее функция в
человеческом обществе намного шире удовлетворения сиюминутных по-
требностей. Развитие физической науки имеет свою собственную логику.
116
2. Чередование «спокойных» периодов и «революционных»
скачков в развитии физики
Ознакомление учащихся в процессе изучения физики с этой законо-
мерностью вызывает у них определенный эмоциональный настрой, когда
им удается почувствовать «драму идей» в науке. Физика тогда предстает
перед ними не как застывший каталог абсолютно точных законов, а как
вечно живой организм, подверженный обновлению, расширению, исправ-
лению. Суть этой «драмы идей» в следующем: существующая теория мно-
го лет успешно объясняла определенный круг физических явлений и каза-
лась логическим совершенством, и вдруг обнаруживается новый факт, не
согласующийся с этой теорией. В течение ряда лет наиболее авторитетные
ученые стараются найти объяснение новому явлению в рамках сущест-
вующей теории, так точно описывавшей до сих пор все известные эффек-
ты. Когда это не удается, ученые делают отчаянные попытки модифициро-
вать, подправить старую теорию, придумывая различные гипотезы «специ-
ально» для объяснения нового явления, лишь бы «спасти» существующую
теорию. Как правило, такие попытки обречены на неудачу, и, в конце кон-
цов, наиболее смелые исследователи, мыслящие диалектически и не отя-
гощенные (незагипнотизированные) совершенством старой теории, выдви-
гают новые, «безумные» идеи (с точки зрения «здравого смысла»), кладя
их в основу новой теории. Делается новый шаг на пути познания че-
ловеком природы. Подобные революции в истории физики немногочис-
ленны, и, как правило, они сопровождались сменой научной картины мира.
Дидактическая ценность показа революционных ситуаций в физике заклю-
чается в том, что у учащихся появляются устойчивые мотивы внутреннего,
интеллектуального характера к познавательной деятельности.
117
3. Наличие границ применимости физических понятий и законов
на каждом этапе развития науки
Указывать границы применимости каждого понятия, закона, теории
в процессе их изучения в школьном курсе физики в методологическом от-
ношении необходимо, так как в противном случае у учащихся может воз-
никнуть своеобразный «нигилизм» - убеждение, что им рассказывают о
неправильных, а потому и ненужных законах. Знакомство с границами
применимости знаний дает возможность сформировать у учащихся пред-
ставления о диалектическом пути человеческого познания природы, при
котором «неполное, неточное знание становится более полным и более
точным».
Учебный материал, предлагаемый для изучения в старших классах,
включает целый ряд примеров, позволяющих ознакомить учащихся с гра-
ницами применимости физических понятий и законов.
4. Преемственность в развитии физических явлений
Ознакомление учащихся с границами применимости каждого от-
дельного закона или теории должно идти параллельно с усвоением другой
важной закономерности развития физической науки — преемственностью
знаний. Физика не должна представляться учащимся как последователь-
ность катастроф, возникновения и крушения физических теорий, отри-
цающих одна другую. Развитие физических знаний — это закономерное и
последовательное обобщение, в процессе которого обнаруживается преем-
ственность научного знания и объективная ценность физических теорий.
Познание есть отражение человеком окружающего мира. Но это не
непосредственное, не одноразовое отражение, а сложный процесс образо-
вания абстракций, понятий, законов, лишь приблизительно охватывающих
универсальную закономерность вечно движущейся и развивающейся при-
роды. Наиболее ценным в дидактическом отношении является озна-
118
комление учащихся с так называемым принципом соответствия, характе-
ризующим такую преемственность физических знаний, когда предыдущая
теория становится предельным случаем новой, более общей теории.
Вопросы
1. Какие изменения произойдут в теории относительности, если предпо-
ложить, что скорость света – бесконечно большая величина?
2. Какой вывод можно сделать из того факта, что закон сохранения энер-
гии был открыт почти одновременно и независимо друг от друга уче-
ными из разных стран: С. Карно (Франция), Р.Майером и
Г.Гельмгольцем (Германия), Д.Джоулем (Англия)?
Задания
1. Приведите несколько примеров современных физических открытий,
которые нашли важные применения в медицине, биологии, технике,
космосе.
2. Укажите границы применимости законов механики, молекулярной фи-
зики, электродинамики.
3. Согласно классической кинетической теории газов молекулярное дви-
жение прекращается при абсолютном нуле, однако в действительности
при сверхнизких температурах этого не наблюдается. В чем здесь дело?
119
ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПОНЯТИЙ В КУРСЕ
ФИЗИКИ
Тема 10. Фундаментальные понятия в системе научных знаний
План:
1. Определение понятия;
2. Отличительные черты фундаментальных понятий;
3. Этапы формирования фундаментальных понятий;
4. Методологический анализ фундаментальных физических понятий.
1. Определение понятия
Одна из важнейших задач, которая решается в школе, - обеспечение
усвоения школьниками системы знаний, знаний основ наук.
Что значит система научных знаний? Из каких элементов она скла-
дывается? На основе логико-генетического анализа структуры научных
знаний представляется возможным выделить следующие основные эле-
менты систем знаний: научные факты; понятия; законы; теории; практиче-
ские приложения теоретических знаний (технологические процессы, при-
боры и установки, основанные на изучаемых явлениях и законах)
(рис. 1)
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]