Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методологические основы курса физики. Учебно-методичеcкое пособие
.pdf
3. Этапы формирования фундаментальных понятий
При развитии фундаментальных понятий в учебном процессе необ-
ходимо научиться выделять такие этапы, как настоящее, прошлое и будущее, т.к. именно эта преемственная связь обуславливает устойчивость целого, т.е. развитие фундаментального понятия как целостной системы
Схема2. Этапы формирования фундаментальных понятий
Этап начального ознакомления с явлениями и усвоения качественных особенностей
явления, процесса или свойств
Опытное изучение связи данного явления, свойств тел с другими, уже известными яв-
лениями (свойствами) и выявление количественных характеристик изучаемого свойст-
ва через известные
Выявление существенных сторон и отличительных особенностей (признаков) изучае-
мого явления, свойств тел и словесное определение понятия на основе синтезирования
признаков
Практическое применение понятия в системе различных форм деятельности как сред-
ство закрепления понятия в сознании индивида
расширение и углубление содержания и объема понятия при изучении нового материа-
ла, анализ истории развития и углубления содержания (эволюции)понятия
Выяснение роли и значения данного понятия в понятийном аппарате рассматриваемой
физической теории, в физической картине мира, и уточнение границ применимости
изучаемого понятия
Анализ методологического и мировоззренческого содержания рассматриваемого понятия как элемента структуры концепции взаимосвязи физической и общенаучной картин
мира
4. Методологический анализ фундаментальных понятий
Развитие фундаментальных понятий осуществляется и в процессе
построения теоретических обобщений, какими являются НКМ и ФКМ.
Внутри этих обобщений осознается роль фундаментальных понятий в раз-
витии научных взглядов на природу, их эволюция в развитии.
131
Критика методологически несостоятельных трактовок данного понятия
Границы применимости данного понятия
Взаимосвязь конкретно - научного, общенаучного и философского содержания понятия
Методологический анализ фундаментальных физических понятий
Содержание структура и диалектико-материалистическая
трактовка (определение) понятия (какие именно свойства
материального объекта, какие формы существования материи, какие особенности взаимодействия и взаимосвязи
явлений характеризует данное понятие)
Роль и значение данного понятия в рассматриваемой теории
Источник возникновения и развития содержания понятия в свете
идей эволюции ФКМ
Схема 3. Методологический анализ понятий
Таким образом, использование фундаментальных понятий в учебном
процессе позволяет организовать формирование и развитие физических
понятий на более высоком качественном уровне. Систематизируя знания,
они увязывают понятия в определенные теоретические построения (моде-
ли, теории) и через свою структуру могут включать студентов в мысли-
тельную деятельность по формированию и развитию понятий, деятель-
132
ность, адекватную научному познанию и приводящую к выработке теоре-
тического стиля мышления.
Тема 11. Энергия
План:
1. История термина «энергия»;
2. Роль и значение фундаментального понятия «энергия» в научном
познании;
3. Систематизация и обобщение понятия «энергия» в курсе физики.
1. История термина «энергия»
Термин «энергия» происходит от слова energeia, которое впервые
появилась в работах Аристотеля. Томас Юнг первым использовал понятие
«энергия» в современном смысле слова.
Маркиза Эмили дю Шатле в книге «Уроки физики» (Institutions de
Physique), опубликованной в 1740 году, объединила идею Лейбница с
практическими наблюдениями Виллема Гравесена (Willem Jacob 's
Gravesande), чтобы показать: энергия движущегося объекта пропорцио-
нальна его массе и квадрату его скорости (не скорости самой по себе как
полагал Ньютон).
В 1807 году Томас Юнг первым использовал термин «энергия» в со-
временном смысле этого слова взамен понятия живая сила. [13] Гюстав
Гаспар Кориолис впервые использовал термин «кинетическая энергия» в
1829 году, а в 1853 году Уильям Ренкин впервые ввел понятие «потенци-
альная энергия». Несколько лет велись споры, является ли энергия субстанцией (теплород) или только физической величиной.
Развитие паровых двигателей требовало от инженеров разработать
понятия и формулы, которые позволили бы им описать механический и
термический коэффициенты полезного действия своих систем. Инженеры,
133
такие как Сади Карно, физики, такие как Джеймс Джоуль, математики, такие как Эмиль Клапейрон и Герман Гельмгольц — все развивали идею, что
способность совершать определенные действия, называемая работой, была
как-то связана с энергией системы. В 1850-х годах профессор натурфило-
софии из Глазго Уильям Томсон и инженер Уильям Ренкин начали работу
по замене устаревшего языка механики с такими понятиями как «кинети-
ческая и фактическая (actual) энергии». Уильям Томсон соединил знания
об энергии в законы термодинамики, что способствовало стремительному
развитию химии. Рудольф Клаузиус, Джозайя Гиббс и Вальтер Нернст
объяснили многие химические процессы, используя законы термодинами-
ки. Ее развитие было продолжено Клаузиусом, который математически
сформулировал понятие энтропии, и Джозефом Стефаном, который ввел
закон излучения абсолютно чѐрного тела. В 1853 году Уильям Ренкин ввѐл
понятие «потенциальная энергия». В 1881 Уильям Томсон заявил перед
слушателями: «Само слово энергия, хотя и было впервые употреблено в
современном смысле доктором Томасом Юнгом приблизительно в начале
этого века, только сейчас входит в употребление практически после того,
как теория, которая дала определение энергии, … развилась от просто
формулы математической динамики до принципа, пронизывающего всю
природу и направляющего исследователя в области науки.» Приблизи-
тельно в течение следующих тридцати лет эта новая наука имела несколь-
ко названий, например, динамическая теория тепла (dynamical theory of
heat) или энергетика (energetics). В 1920-х годах общепринятым стал термин «Термодинамика», наука о преобразовании энергии.
Особенности преобразования тепла и работы были показаны в пер-
вых двух законах термодинамики. Наука об энергии разделилась на мно-
жество различных областей, таких как биологическая термодинамика и
термоэкономика (thermoeconomics). Параллельно развивались связанные
134
понятия, такие как энтропия, мера потери полезной энергии, мощность,
поток энергии за единицу времени и так далее. В последние два века использование слова «энергия» в ненаучном смысле широко распространилось в популярной литературе.
В 1918 было доказано, что закон сохранения энергии есть математи-
ческое следствие трансляционной симметрии времени, величины сопря-
женной энергии. То есть энергия сохраняется, потому что законы физики
не отличают разные моменты времени.
В 1961 году выдающийся преподаватель физики и нобелевский лау-
реат Ричард Фейнман в лекциях так выразился о концепции энергии:
«Существует факт, или, если угодно, закон, управляющей всеми яв-
лениями природы, всем, что было известно до сих пор. Исключений из
этого закона не существует; насколько мы знаем, он абсолютно точен. На-
звание его — сохранение энергии. Он утверждает, что существует опреде-
ленная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких
превращениях, происходящих в природе. Само это утверждение весьма и
весьма отвлечено. Это по существу математический принцип, утверждаю-
щий, что существует некоторая численная величина, которая не изменяет-
ся ни при каких обстоятельствах. Это отнюдь не описание механизма яв-
ления или чего-то конкретного, просто-напросто отмечается то странное
обстоятельство, что можно подсчитать какое-то число и затем спокойно
следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять
подсчитать это число — и оно останется прежним».
2. Роль и значение фундаментального понятия «энергия»
в научном познании
Чтобы шли процессы в системах, и происходили изменения в приро-
де, ничего особенного не требуется. Для этого нужно всего лишь вещество
и энергия (взаимодействие). Например, чтобы ваши часы шли, нужно их
135
заводить или заряжать, т.е. подвести энергию. Иначе они будут стоять. Так
же и с любыми процессами - в астрономических масштабах или же в микромире - на уровне атомов и частиц, не зависимо от того, самопроизвольно
происходят эти процессы или же искусственно созданы человеком. Везде
необходимым условием движения и процессов являются вещество и энер-
гия. В природе существует два фундаментальных вида взаимодействия:
обмен веществом и энергией. Фундаментальность этих видов взаимодей-
ствия заключается в том, что все прочие взаимодействия происходят толь-
ко через их посредство. Термин "энергия" появился в начале XX века и
был введен в механику английским физиком Т. Юнгом, под этим термином он понимал величину, пропорциональную механической работе. Чуть
позже его соотечественник Д. Джоуль установил эквивалентность тепла и
работы, измерив механическую работу, которую необходимо затратить,
чтобы поднять температуру данного количества воды на один градус. Так-
же Джоуль обнаружил, что связи между выделением или поглощением те-
пла в электрических и магнитных явлениях, в химических реакциях, а так-
же биологическими объектами носят характер превращения энергии. Он
же определил общий эквивалент для физико-химических превращений, что
позволило измерить сохраняющуюся величину. Впоследствии эта величи-
на стала известна как "энергия". А немецкий ученый Г.Гельмгольц сфор-
мулировал закон сохранения энергии. Энергия первоначально была в фи-
зике абстрактной идеей, и стала популярной благодаря закону сохранения
энергии, согласно которому она не возникает из ничего и не уничтожается.
Это понятие сильно упрощает описание широкого круга физических про-
цессов и охватывает огромное количество экспериментальных фактов. И
не будь понятия энергии, пришлось бы рассматривать эти факты каждый в
отдельности. Но при этом возникает трудность однозначного формулиро-
вания понятия "энергия". Максимально обобщенное понятие не имеет, как
136
правило, прямого практического применения, а определения, данные в
рамках отдельных прикладных наук, имеют очень узкую область примене-
ния. Так, наиболее общее определение понятия "энергия", используемое в
философии: "Энергия (греч. energeia — деятельность) — общая мера раз-
личных форм материального движения" непосредственного применения на
практике не находит. Это вершина иерархии понятий "энергия". На низле-
жащем уровне иерархии, пожалуй, единственное физическое определение
понятия "энергия", в котором отсутствует тавтология, это определение Р.
Феймана: "Энергия - это физическая величина, остающаяся неизменной
при любых взаимодействиях в замкнутой системе". На еще более низких
уровнях понятие "энергия" конкретизируется в понятиях видов энергии:
тепловая, электрическая, потенциальная, кинетическая и т.д. Кинетической
энергией называют энергию, которой тело обладает вследствие своего
движения. Потенциальной энергией называют энергию, которая определя-
ет взаимным расположением тел или частей одного тела. Потенциальная
энергия - энергия взаимодействия тел. Взаимодействующие тела могут обладать одновременно и кинетической, и потенциальной энергией, то есть
полной энергией.
3. Систематизация и обобщение понятия «энергия»
в курсе физики
Словарное определение понятия "энергия" (от греч. enйrgeia - дейст-
вие, деятельность) приведено в БСЭ: "Энергия - общая количественная ме-
ра движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия в природе не
возникает из ничего и не исчезает; она только может переходить из одной
формы в другую. Понятие энергия связывает воедино все явления приро-
ды". [20] К этому понятию в современной научной, учебной и справочной
литературе имеется большое количество дополнений и определений, но
нет четкости в вопросе их систематизации.
137
В метрологическом справочнике А.Чертова (1990) определения к
слову "энергия" перечисляются через запятую: "механическая (кинетиче-
ская и потенциальная), внутренняя, электромагнитная, ядерная и др.".[18]
В справочнике по физике Б. Яворского и А. Детлафа (2006) приведено та-
кое словосочетание: "различные виды (формы) энергии". [19] В учебнике
по физике И. Савельева (2005, кн.1) энергию делят только на виды. О.
Бондаренко и С. Кадыров (2000), не подразделяя энергию на формы и ви-
ды, считают, что следует различать иерархически высшие и иерархически
низшие области энергии, к первым они относят кинетическую, магнитную,
механическую энергии, ко вторым - потенциальную, электрическую, теп-
ловую. Все приведенные цитаты свидетельствуют о том, что в современ-
ной физике и современной метрологии энергия не подразделяется на фор-
мы и виды. Терминам "формы энергии" и "виды энергии" следует обяза-
тельно придать однозначность, которая в настоящее время отсутствует.
В словаре Глоссарий.ру "Энергия - это скалярная физическая вели-
чина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и ме-
рой перехода движения материи из одних форм в другие". Судя по этому
определению, понятия "энергия" и "энергообмен" не различаются, ниже
будет показано, что эти понятия следует отличать друг от друга. Особую
важность представляет собой решение проблемы классификации понятий,
связанных с энергией, в термодинамике, поскольку там это невозможно
сделать без классификации так называемых термодинамических потенциа-
лов, которые по своей физической природе являются скорее разновидно-
стями энергии, чем разновидностями потенциалов, как это следует из их
названия.
Выделяют механические, электрические, магнитные, внутренние ви-
ды энергии.
138
Механическая энергия характеризует способность тел совершать ра-
боту, характеризует их движение и взаимодействие и является физической
величиной, определяемой состоянием системы тел: их взаиморасположе-
нием и их скоростями движения. Для отражения такого состояния тел в
механике применяется два вида различных энергий: потенциальная и кинетическая.
Кинетическая энергия – это энергия движения тела, которой тело
обладает вследствие своего движения. Такой энергией обладают все дви-
жущиеся тела.
Кинетическая энергия (ее наличие или отсутствие) зависит от выбо-
ра системы отсчета (принцип относительности), она всегда положительна.
Изменение кинетической энергии тела за некоторый промежуток времени
равно работе, совершенной за это время силами, действующими на тело.
Аналогом кинетической энергии выступает энергия магнитного поля тока
(явление инерции подобно явлению самоиндукции). Эта энергия – как и
кинетическая при установившейся – не изменяется при постоянной силе
тока; она есть результат работы электрического поля источника тока (ИТ)
при замыкании цепи (при постоянной силе тока энергия ИТ идет на нагре-
вание проводника).
Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия тел, которая
определяется взаимным расположением тел или частей одного тела.
Для потенциальной энергии (механической, электрической, магнит-
ной) важно обсудить необходимость выбора нулевого уровня (точки от-
счета): для определения потенциальной энергии тела в поле тяготения; для
взаимодействия тел силами упругости - положение тела при отсутствии
деформации; для точечного заряда в электрическом поле; для магнитного
поля тока. Значение потенциальной энергии может быть положительным и
отрицательным. Важно отметить, что потенциальная энергия определяется
139
взаимным расположением тел и потому не зависит от выбора СО, а также
то, что изменение потенциальной энергии всегда определяется работой
внутренних сил, внешние же силы изменяют кинетическую энергию тела,
следствием этого будет являться изменение положения тела и возможно –
взаимного расположения взаимодействующих тел. Случай ядерной энергии – особый, поскольку тут идет речь о взаимодействии между собой
ядер, нуклонов (и частиц, их составляющих - кварков) в ядре специфическими ядерными силами. Эта энергия – внутренняя, но не тепловая, она
представляет собой сумму энергий покоя частиц тела (энергия покоя тела
включает еще и сумму их кинетических энергий и энергий их взаимодействия). Изменение взаимодействующих тел – ядерные превращения – приводит к изменению массы покоя частиц (т.к. меняются сами частицы), и
потому энергии покоя частиц изменяются.
Вопросы и задания
1. Кто и когда впервые использовал термин «энергия»?
2. Каковы предпосылки введения понятия «энергия»?
3. Какова роль и значение фундаментального понятия «энергия» в науч-
ном познании?
4. Обобщите материал о понятии «энергия», покажите расширение и уг-
лубление знаний о понятии «энергия» в курсе физики 7-11-х классов.
5. Дайте характеристику основным видам энергии (потенциальной и ки-
нетической) через разделы физики.
Терминологический минимум
Энергия (от греч. energeia - действие - деятельность) - общая коли-
чественная мера различных форм движения материи. В физике различным
физическим процессам соответствует тот или иной вид энергии: механиче-
ская, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т. д. Вследст-
вие существования закона сохранения энергии понятие энергии связывает
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]