Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методологические основы курса физики. Учебно-методичеcкое пособие
.pdf
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;
праматерия (кварки и лептоны);
единство непрерывности.
Идея сохранения. Основные этапы формирования знаний о методо-
логической идее сохранения можно представить следующим образом: со-
хранение количества вещества → сохранение импульса → сохранение мо-
мента импульса → сохранение энергии → сохранение электрического за-
ряда → сохранение барионного «заряда» → сохранение лептонного и мю-
онного «зарядов».
Идея симметрии. Основные этапы формирования знаний о методо-
логической идее симметрии можно представить следующим образом:
симметрия относительного переноса в пространстве (однородность про-
странства);
симметрия 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);
191
симметрия как отражение диалектики взаимосвязи природных явлений.
Идея единства физической картины миры. Основные этапы форми-
рования знаний о методологической идее единства физической картины
мира можно представить следующим образом:
механистическая картина мира;
электромагнитная картина мира;
квантово-полевая картина мира;
«великий синтез» физики;
внутренняя взаимосвязь и материальное единство природных явлений.
Вопросы и задания
1. Сравните принцип и идею симметрии, в чем их сходства и различия?
2. Проанализируйте принцип соответствия.
3. Перечислите основные идеи физики.
4. В чем смысл идеи сохранения?
Контрольные вопросы:
1. Какие принципы изучаются в разделе курса физики «квантовая
механика»?
2. Приведите примеры применения принципа симметрии в физике.
3. Проанализируйте принцип суперпозиции магнитных полей и принцип
суперпозиции (наложения) электростатических полей. В чем их сход-
ства и отличия?
Рекомендуемая литература
1. Голин Г.М. Вопросы методологии физики в курсе средней школы: кн.
для учителя. – М.: Просвещение, 1987. – 127 с.
2. Кабардин О.Ф. Физика. Справочные материалы: учеб. пособие для
учащихся. – М.: Просвещение, 1985. - 359 с.
3. Трофимова, Т.И. Курс физики. – М.: «Высшая школа»
192
4. Элементарный учебник физики / под ред. акад. Г.С. Ландсберга. - М.,
РАЗДЕЛ ФИЗИКИ
ГИПОТЕЗА
ОПИСАНИЕ ГИПОТЕЗЫ
Механика
Гипотеза Ньютона
Сила притяжения, действующая со стороны Земли на Луну, есть та же самая сила
тяжести, которая действуеи на все тела у
поверхности Земли.Аналогично и для других тел в природе.
Молекулярная физика
Гипотеза Ломоносова
Все молекулы газа движутся беспорядочно,
хаотично и при столкновениях отталкиваются друг от друга.
1973 г. - т. 1,2,3.
Тема 17. Постулаты и гипотезы в физике
План:
1. Гипотезы;
2. Постулаты.
1. Гипотезы
Гипотеза (от греческого HYPOTHESIS – основа, предположение).
С философской точки зрения, гипотеза – это система умозаключе-
ний, посредством которой на основе ряда фактов делается вывод о сущест-
вовании объекта, связи или причины явления, причем вывод этот нельзя
считать абсолютно достоверным. Гипотезой также называют содержание
этого вывода. Потребность в гипотезе возникает в науке, когда неясна
связь между явлениями, причина их, хотя известны многие обстоятельства,
предшествовавшие или сопутствовавшие им, когда по некоторым характе-
ристикам настоящего нужно восстановить картину прошлого или на осно-
ве прошлого и настоящего сделать вывод о будущем развитии явления.
Однако выдвижение гипотезы на основе определѐнных фактов – это пер-
вый шаг. Сама гипотеза в силу своего вероятностного характера требует
проверки, доказательства. После такой проверки гипотеза или становится
научной теорией, или видоизменяется, или отбрасывается, если проверка
даѐт отрицательный результат.
193
Электродинамика
Гипотеза Ампера
В любом теле существуют микроскопические точки,обусловленные движением
электронов в атомах и молекулах. Эти точки создают своѐ магнитное поле и могут
поворачиваться в магнитном поле макротоков.Например, если рядом с какимнибудь телом поместить проводник с током, то под действием его магнитного поля
микротоки во всех атомах определѐнным
образом ориентируются, создавая в теле
дополнительное магнитное поле.
Гипотеза Максвелла
Всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, которое и является причиной возникновения индукционного тока в
контуре.
Квантовая механика
Гипотеза де Бройля
Корпускулярно-волновой дуализм имеет
универсальный характер и распространяется не только на фотоны, но и на все частицы материи:частицы вещества(в частности,
электроны) обладают наряду с корпускулярными также и волновыми свойствами.
Гипотеза Планка
Излучение и поглощение света происходит
не непрерывно, а дискретно,т.е. определѐнными порциями(квантами), энергия которых определяется частотой v : ε = h · v
Гипотеза Резерфорда
Положительный заряд в атоме сосредоточен в центральной части – атомном ядре –
сосредоточена почти вся масса атома. На
расстоянии порядка 10
-10
м находится от-
рицательно заряженные электроны, которые вращаются вокруг ядра.
Гипотеза Эйнштейна
Согласно квантовым представлениям,свет
– это поток особых частиц – фотонов.
Энергия каждого фотона определяется
формулой: Е = h · v
Физика атомного ядра
и элементарных частиц
Гипотеза Х. Юкавы
В 1935 г. японский физик Х. Юкава высказал смелую гипотезу о том,что в природе
существуют пока не обнаруженные частицы с массой, в 200-300 раз большей массы
электрона и что эти-то частицы и выполняют роль переносчиков ядерного взаимодействия, подобно тому как фотоны являются переносчиками электромагнитного
взаимодействия.Юкава назвал эти гипотетические частицы тяжѐлыми фотонами.Так
как по величине массы эти частицы занимают промежуточное положение между
электронами и нуклонами,они впоследствии были названы мезонами.
194
Астрономические гипотезы
Космогония (с греческого kosmos – вселенная и goneia – рождение)
– это область науки, в которой изучается происхождение и развитие небес-
ных тел и их систем. Условно может быть разделена на планетную космо-
гонию и звѐздную космогонию, хотя проблемы решения их взаимосвязаны.
Выводы космогонии основываются на данных других разделов астроно-
мии, физики, а также геологии и других наук о Земле. Космогония, как и
космология, тесно связана с философией, она являлась и является ареной
острой борьбы материализма и идеализма, науки и религии. Трудность
космогонических проблем обусловлена тем, что процессы развития косми-
ческих объектов длятся многие миллионы и миллиарды лет; в сравнении с
этим астрономические наблюдения и даже вся история астрономии охва-
тывают ничтожно малые промежутки времени. Трудности планетной кос-
могонии обусловлены ещѐ и тем, что мы можем пока наблюдать непосред-
ственно лишь одну планетную систему. Научная космогония зародилась
около 200 лет назад, когда Кант выдвинул гипотезу об образовании планет
из пылевой туманности, окружавшей некогда Солнце. Гипотезы Канта
(1755) и Лапласа (1796) (небулярная гипотеза) не смогли объяснить неко-
торые существенные особенности строения Солнечной системы и были ос-
тавлены. Был предложен ряд других гипотез, их которых наибольшей по-
пулярностью пользовалась гипотеза Д. Х. Джинса (1916). Однако и она на-
толкнулась на непреодолимые трудности. В настоящее время продолжает-
ся накопление фактического материала и его обобщение, но проблема ещѐ
не решена. Существенный вклад в планетную космогонию внесѐн работа-
ми советских учѐных (О.Ю. Шмидт, В.Г. Фесенков и др.). Природа и внут-
реннее строение звѐзд были выяснены лишь в 20 в. Характер эволюции
звѐзд к настоящему времени в общих чертах ясен, однако все гипотезы об
их происхождении остаются спорными.
195
2. Постулаты
РАЗДЕЛ ФИЗИКИ
ПОСТУЛАТ
ОПИСАНИЕ ПОСТУЛАТА
Механика
Однородности
пространства;
Изотропности
пространства;
Однородности
времени;
- Одинаковость всех свойств материи всюду в
пространстве (из него следует закон сохранения импульса);
- Одинаковость всех свойств материи в любом
направлении (из него следует закон сохранения
момента импульса)
Атомная физика
1-й постулат Бора
(постулат стационарных состояний)
2-й постулат Бора
(правило частот)
- В атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, характеризующиеся определѐнными дискретными значениями энергии, в которых он не излучает энергии.
- При переходе атома из одного стационарного
состояния в другое излучается (поглощается)
фотон с энергией hv =Eп-Еm,
равной разности энергий соответствующих
стационарных состояний.
Постулат (от латинского POSTULATUM – требуемое). С философ-
ской точки зрения, постулат – это принцип или утверждение некоторой
научной теории, принятое в ней в качестве исходного, недоказуемого в еѐ
рамках. В современной логике и методологии науки понятие постулат
обычно используется как синоним более употребительного понятия аксио-
ма. Иногда сохраняется идущее из античной философии различие в значе-
нии этих понятий: под аксиомами понимаются логические исходные прин-
ципы некоторой теории; под постулатом – исходные специально-научные
принципы этой теории. В отдельных случаях термином постулат обозна-
чают аксиомы и правила вывода определѐнной теории.
Рекомендуемая литература
1. Касьянов В. А., Физика 10 кл.: учебн. для общеобразоват. учреждений.
– 5-е изд., дораб. – М.: Дрофа, 2003. – 416 с.
2. Трофимова Т. И., Курс физики. Оптика и атомная физика: Теория. Зада-
чи и решения: учеб. пособие для втузов. - 2-е изд., испр. – М.: Высш.шк.,
2003. – 288 с.
196
3. Философский словарь/ под ред. И. Т. Фролова. – 4-е изд. – М.: Политиз-
дат,1981. – 445 с.
Тема 18. Фундаментальные физические эксперименты
План:
1. Фундаментальные эксперименты в курсе физики;
2. Физический эксперимент и его структура;
3. Виды учебного физического эксперимента и его задачи.
1.Фундаментальные эксперименты в курсе физики
В истории развития физики известны такие эксперименты, которые
сыграли решающую роль в становлении науки, в разработке научных
представлений, законов, теорий, а также в совершенствовании техники,
технологии производства и т.д. Эти эксперименты были названы фунда-
ментальными.
Фундаментальные научные эксперименты отличаются от школьных
демонстраций и лабораторных опытов, что выделяет их в отдельную груп-
пу экспериментальных основ физики и требует особого подхода к их изу-
чению. Во всех случаях оправдывает себя следующая последовательность
рассмотрения фундаментального эксперимента:
1. Исторический этап в развитии физики. Учитель рассказывает о сложив-
шейся к моменту проведения фундаментального эксперимента обста-
новке в той области науки, к которой он относится. Приводится колли-
зия мнений.
2. Гносеологическая цель. Выясняется основное назначение фундамен-
тального эксперимента в той или иной области науки.
197
3. Разработка экспериментального метода, т.е. формирование гипотезы,
создание или подбор экспериментального оборудования, проведение,
фиксация и способы анализа данных эксперимента.
4. Описание хода, условий эксперимента.
5. Обобщения по результатам фундаментального эксперимента. Они необ-
ходимы для осмысления полученных данных, их значимости в физиче-
ской картине мира.
2. Физический эксперимент и его структура
Учебный физический эксперимент входит в систему методов обучения.
Слово «эксперимент» происходит от лат. experimentum (испытание).
Эксперимент – наблюдение и анализ исследуемого явления в определен-
ных условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздавать его
всякий раз при фиксированных условиях.
Когда же речь заходит об экспериментальном методе, то имеется в
ввиду научный метод, с помощью которого исследуются явления природы
в контролируемых и управляемых условиях.
По мере развития физической науки экспериментальный метод со-
вершенствовался, так как постоянно улучшились его технические средства.
Что же понимается под термином «экспериментальный метод»? В
философском смысле термин «метод» означает способ достижения цели,
определенным образом упорядоченная деятельность, средство познания.
В физике сложились два подхода к процессу познания окружающего
мира. В одном из них выявление существенных свойств и признаков объ-
екта производится путем целенаправленного воздействия на этот объект. В
другом осуществляется опосредованное познание объекта на основе суще-
198
ствующей математической модели. Эти подходы легли в основу экспери-
ментального и теоретического методов физики.
Экспериментальные методы представляют собой схему последова-
тельностей операций исследователя, определяемые сущностью и строени-
ем эксперимента. Эти схемы в эксперименте образуют систему, в которой
порядок входящих в нее элементов фиксирован.
Составление различных определений экспериментального метода
дает возможность утверждать, что он включает в себя теоретическую и
практическую подготовку эксперимента. Сюда входят:
формулирование гипотезы;
постановка вопроса;
выдвижение познавательной задачи;
создание экспериментальной установки или экспериментального обору-
дования;
проведение эксперимента в необходимых исследовательских условиях
фиксация результатов, проведение нужных измерений
анализ данного эксперимента, описание открытого явления и его
свойств, формулирование научного вывода или положения.
Методы физической науки подразделяются на теоретические и экс-
периментальные. Особый интерес среди последних представляют фунда-
ментальные эксперименты. Какие эксперименты являются фундаменталь-
ными (или их иногда называют решающими)? Это эксперименты, которые
определили становление и развитие физической науки, явились ее экспе-
риментальной основой. Впервые разработка методических основ изучения
таких экспериментов в школьном курсе физики была предпринята Л.И.
Резниковым.
199
Условно фундаментальные эксперименты можно классифицировать
на несколько групп.
1. Эксперименты, приведшие к открытию наиболее важных фи-
зических законов: колебания математического маятника (Г. Галилей);
электродинамики (Ш. Кулон, Г. Ом, Э. Ленц, Дж. Джоуль, А. Ампер); фо-
тоэффекта (А. Г. Столетов); основных газовых законов (Р. Бойль, Э. Мари-
отт, Ж. Шарль и др.).
2. Эксперименты, в результате которых были открыты новые
физические явления, не предсказанные существовавшими в то время тео-
риями: электрический ток (Л. Гальвани); магнитные свойства тока (Г. Эр-
стед); внешний фотоэффект (Г. Герц); рентгеновское излучение (В. Рент-
ген); естественная радиоактивность (А. Беккерель); деление ядер урана под
действием нейтронов (О. Ган и Ф. Штрассман).
3. Эксперименты, положенные в основу физической теории или
подтверждающие ее следствия: электронная теория строения вещества
(Дж. Томсон); электронная проводимость металлов (Э. Рикке, Л. И. Ман-
дельштам, Н. Д. Папалекси, Р. Толмен, Ч. Стюарт); молекулярно-
кинетическая теория строения вещества (Р. Броун, Ж. Перрен); измерение
скоростей газовых молекул и проверка распределения молекул по скоро-
стям (О. Штерн); квантовая теория света (А. Г. Столетов, А. Ф. Иоффе,
Н.И. Добронравов, Р. Милликен, П. И. Лукирский, С. С. Прилежаев); рас-
сеивание рентгеновского излучения атомами легких элементов (А. Комп-
тон); дискретность энергетических атомных уравнений (Д. Франк и
Г. Герц); исследование флуктуации света (В. Боте и С. И. Вавилов).
4. Эксперименты, с помощью которых были впервые определе-
ны физические константы: гравитационная постоянная (Г. Кавендиш);
скорость света в воздухе и воде (О. Рѐмер, А. Физо, Л. Фуко, А. Майкель-
сон); элементарный электрический заряд (Р. Милликен, А. Ф. Иоффе).
200
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]