CC BY
37
в пересчете на одну Al-O-H-группу. Для ассиметричного комплекса энергия напряжения составляет 8.25 ккал/ моль, а энергетический эффект в пересчете на образование одной OH-группы равен -12.2 ккал/моль. Их этих данных следует, что профиль сечения ППЭ (поверхности потенциальной энергии) одинаков для разных путей; имеются лишь небольшие количественные различия.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенный первичный анализ построенных моделей с энергетической точки зрения показывает, что в мно-покомпонентных алюмосиликатных стеклах и расплавах следует ожидать существенной зависимости от состава распределения OH-групп по связям Al-O-Al и Si-O-Al.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Эпельбаум М.Б. Силикатные расплавы с летучими компонентами.- М.: Наука, 1980.- 255с.
2. Эпельбаум М.Б., Салова Т.П., Завельский В.О. и др. Вода в вулканических стеклах // Черноголовка.- 1991.- 55с.
3. Лебедев Е.Б., Хитаров Н.И. Физические свойства магматических расплавов.- М.: Наука.- 1979.- 200с.
4. Персиков Э.С. Вязкость магматических расплавов. - М.: Наука, 1984.- 160с.
5. Бухтояров О.И., Воронцов Б.С. Развитие модельного эксперимента на основе метода Монте-Карло в изучении высокотемпературных оксидных расплавов // Вестник КГУ. - 2005. - №4 (04).- С.54-56.
6. Воронцов Б.С., Бухтояров О.И., Усанин Ю.М. и др. Моле-кулярно-статистическая модель для исследования структуры жидкого натриево-силикатного стекла // Известия вузов. Химия и химическая технология.- 1993.-№1.- С.50-55.
7. Бухтояров О.И., Воронцов Б.С., Бабина И.А. Структура фторфосфатных расплавов на основе метафосфата лития по данным модельного эксперимента // Вестник КГУ.- 2006. - №4 (08).- С.99-101.
8. Воронцов Б.С., Бухтояров О.И., Бабина И.А. Влияние добавок на структурные характеристики расплавов по данным модельного эксперимента // Расплавы.- 2007. -№5. - С.71-77.
9. Agarwal A., Tomozawa M., Lanford W.A. Effect of stress on water diffusion in silica glass at varies temperatures // J. of Non-Crystalline solids, 1994.- V.167- P.139-148.
10. Bartholomew R.F., Butler B.I., Hoover H.I. Ifrared spectra of a water: containing glass // Wu C.K. J of Amer. Ceramic Society, 1980.- V.63.- №9-10.- P.481-485.
11. Соловьев М.Е., Соловьев М.М. Компьютерная химия. -М.: СОЛОН-Пресс, 2005.- 536с.
12. Stewart J. J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods. I. Method// J.Comp. Chem. 1989.- V.10.- № 2.-P. 209-220.
В.М. Янко
Курганский государственный университет, г. Курган, Россия
АНАЛИЗ ПРИЧИННО-СЛЕДСТВЕННЫХ СВЯЗЕЙ МЕЖДУ ФИЗИЧЕСКИМИ ВЕЛИЧИНАМИ В ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНАХ И ЯВЛЕНИЯХ
Аннотация: В статье рассматривается один из методов глубокого изучения физических явлений - анализ причинно-следственных связей между физическими величинами, используемыми для описания этих явлений. Материалы статьи могут быть полезными в профессиональной работе учителей физики во вторичной и более высокой школе.
Ключевые слова: причина, эффект, физическое количество, физические явления.
V.M.Yanko
Kurgan State University, Kurgan, Russia
THE ANALYSIS OF CAUSE-AND-EFFECT RELATIONPS BETWEEN PHYSICAL QUANTITIES IN PHYSICAL LAWS AND PHENOMENA
Abstract: The article considers one of the methods of a profound study of physical phenomena, i.e. the analysis of cause-and effect relations between physical quantities used for describing such phenomena. The results can be applied in the educational process of high schools and higher educational institutions.
Keywords: a cause, an effect, a physical quantity, physical phenomena.
ВВЕДЕНИЕ
Любая наука развивается плодотворнее, когда в ней используют методы, приемы, понятия, а также законы, взятые из других наук. Например, физика и математика, физика и химия, физика и биология, физика и астрономия, физика и электротехника и т.д.
Наиболее известные ученые-физики занимались научными исследованиями не только в различных областях физики, но и в различных науках. Это Декарт (математика, механика, оптика, философия, физиология), Ньютон (механика, оптика, математика), Юнг (механика, оптика, философия, филология), Ампер (электричество, магнетизм, математика, философия, физиология), Фара-дей (электричество, магнетизм, химия) и многие другие.
Остановимся более подробно на связи между физикой и философией. В начале своего развития физика называлась натурфилософией, в ней законы и понятия философии тесно переплетались с законами и понятиями физики.
Философские понятия - причина, следствие, причинно-следственная связь, постоянно встречаются в жизненных ситуациях, присутствуют в каждом физическом явлении.
Существует закон философии, согласно которому равные причины всегда порождают равные следствия [1].
Для физических законов этот закон философии требует корректировки, о чем будет говориться в данной статье.
Рассмотрим примеры применения метода поиска и анализа причинно-следственных связей между физическими величинами (ФВ), которые используют для описания физических явлений (ФЯ) и физических законов.
1. Второй закон Ньютона
Причинно-следственную связь между F, a,m рассматриваю в эксперименте - движение материального тела (МТ) по наклонной плоскости с различными углами наклона и на горизонтальном участке. Рассматриваю составляющие силы тяжести FT по рис.1, где b - угол наклона плоскости; F^ - сила нормального давления, вызванная силой тяжести и зависящая от b . FCK - сила скатывания МТ с наклонной плоскости, вызванная силой тяжести и зависящая от b . Fmp - сила трения.
Изменяю угол так, чтобы МТ двигалось ускоренно, равномерно или покоилось.
Беседую с учащимися. Задаю вопрос: «Какая из ФВ является причиной, а какая следствием?». Выясняем, что причиной вида движения (ускоренное или замедленное), а также причиной покоя (неподвижности) МТ является действие силы или нескольких сил. Возникающее при этом ускорение является следствием действия сил.
Даю определение массы по Ньютону и выясняем, что в рассматриваемом эксперименте (учащиеся наблюдают ФЯ) масса влияет на величину ускорения и силу тяжести МТ, но не является их причиной.
Рис. 1. Схема, поясняющая поступательное движение МТ с различным ускорением
После всестороннего обсуждения эксперимента записываю закон Ньютона в причинно-следственной связи
Б
Б р
а >— . (1)
т
Выясняем, что сила и ускорение являются векторными величинами и их направления совпадают Затем рассматриваю различные варианты причинно-следственной связи при неизменной массе.
Б Б
1) если р «, то Ь «;
Б
2) если F - , то b -
D
3) если F > const, то a > const, но здесь возможно несколько случаев:
а) вектор ускорения a сонаправлен с вектором скорости v . Это случай прямолинейного движения МТ с равномерно возрастающей скоростью )a ? 0
в) вектор ускорения a противоположен по направлению вектору скорости V . Выясняем, что в этом случае МТ движется прямолинейно с равномерно уменьшающейся скоростью )a = 0 *;
D D D D ^
с) если F v, то a_v . Выясняем, что это случай
равномерного движения МТ по окружности;
D
4) F > 0 . Вместе с учащимися выясняем, что это
условие возможно, когда на МТ действует несколько сил, а их результирующая равна нулю.
Это наиболее сложный и трудно воспринимаемый учащимися вариант, ибо здесь возможны два случая:
а) МТ неподвижно,
в) МТ движется равномерно и прямолинейно.
Объясняю, что результат зависит от того, что предшествовало этим двум случаям: МТ покоилось или двигалось ускоренно (a ? 0,или a = 0).
При объяснении случая а привожу слова из басни И.А.Крылова «Лебедь, щука и рак» (попутно говорю, что
И.А.Крылов увлекался математикой и физикой и самостоятельно изучал эти науки): «Однажды Лебедь, Рак да Щука везти с поклажей воз взялись и вместе трое все в него впряглись» [2]. Таким образом, вначале МТ (воз) было неподвижно, если результирующая всех сил, включая силу трения, равна нулю, то МТ не меняет своего положения, о чём и говорит баснописец: «Да только воз и ныне там».
Поняв случай а, учащиеся без труда воспринимают и случай в, когда происходит перегруппировка сил, первоначально действующих на МТ, или появляются новые силы, приводящие к условию четвёртого варианта. В качестве примера случая в можно рассмотреть движение парашютиста. Вначале равноускоренное падение, а затем, после раскрытия парашюта, устанавливается равномерное движение.
Выясняем, что появилась новая сила - сила сопротивления воздуха, действующая на купол парашюта. Эта сила направлена вертикально вверх (противоположно направлению силы тяжести) и зависит линейно от скорости парашютиста, а значит, будет возрастать, пока движение парашютиста равноускоренное. При равенстве силы тяжести и силы сопротивления воздуха ускорение исчезает и движение парашютиста становится равномерным.
2. Основной закон динамики вращательного
движения
Причинно-следственную связь между М,£,1 рассматриваю в эксперименте: вращение с различной угловой скоростью, а также неподвижность (покой) диска, имеющего три степени свободы (гироскоп). Рассматриваю различные по действию на диск силы и моменты сил. Выясняем, что сила, у которой отсутствует плечо по отношению к любой из осей вращения, не создает вращающего момента (момента силы), ранее покоящийся диск не вращается.
Моменту силы присваивают направление, т.е. считают его вектором. Этот вектор условный, неочевидный.
Направление вектора м определяют из формулы векторного произведения векторов г и р , из которых лишь р имеет очевидное и вполне определенное направление. Вектор г выбирается условно (по договоренности) от оси вращения до точки приложения силы р (рис.2).
М >\др(2)
Используем правило векторного произведения векторов г и р (2) и получим, что м направлен вдоль оси вращения вниз.
Раскрывая векторное произведение векторов г и р ,получим:
М > р1тШпЪ> р(3)
где @ - плечо силы Р. На рис.2 @ > ОЫ .
Причиной вращения ранее неподвижного диска (МТ), увеличения или уменьшения скорости вращения, а также причиной реверсирования вращения является
момент силы м , который вызывает угловое ускорение
£, выступающее в роли следствия действия м ■
Основной закон динамики вращательного движения в причинно-следственной связи имеет вид:
f> M.
/
(4)
Г
Рис. 2. Схема, поясняющая вращение МТ с различным угловым ускорением
Причем f и m всегда одинаково направлены, значит, f также аксиальный (осевой) вектор.
Рассмотрим различные варианты причинно-следственной связи (при постоянном моменте инерции I).
D D
1. Если M «, то f « .
D D
2. Если M - , то f - .
3. Если м > const, то здесь возможны два случая:
а) вектор ускорения f совпадает с вектором угловой скорости x (аксиальный вектор). Это случай вращения МТ с равномерно возрастающей скоростью )f? 0*;
в) вектор ускорения f противоположен по направлению вектору x. Это случай вращения МТ с равномерно уменьшающейся скоростью )f= 0*.
4. Если M > 0 . Это условие возможно, когда на МТ действует несколько моментов сил, а их векторная сумма равна 0, а значит, f> 0 . МТ может покоиться или вращаться с постоянной угловой скоростью.
3. Закон сохранения энергии в тепловых
процессах (I Начало термодинамики)
Этот закон был открыт в связи с созданием тепловых двигателей, работающих на водяном паре, поэтому исторически первая математическая формула I Начала термодинамики имела вид:
Q > EU , A . (5)
Количество теплоты, которое получает или отдает газ (водяной пар), расходуется на изменение внутренней энергии газа (повышается или понижается температура) и на совершение работы (изменяется объем газа) [3].
Из этого определения следует, что причиной изменения внутренней энергии и совершения работы является то, что газ получает тепло (нагревается) или отдает тепло (охлаждается).
Формулу (5) можно представить в других вариантах, но причинно-следственная связь при этом сохраняется
EU > Q-A. (6)
В (6) изменение внутренней энергии EU - следствие, а причины может быть 2: количество теплоты Q ,
которое получает или отдает газ, а также работа, которую газ совершает или совершают внешние силы над газом. Так, если Q > 0 (адиабатный процесс), то EU > -А. Здесь EU - следствие, а A - причина.
A > Q . EU . (7)
В этой записи A - следствие, а Q - причина.
Еи влияет на величину работы A , но не является ее причиной.
4. Закон Ома для постоянного тока
Закон Ома для постоянного тока в дифференциальной форме представляется аналитической формулой
I >tE. (8)
Электрический ток представлен в виде плотности
тока ! и выступает в роли следствия, а причиной является электрическое поле в проводнике, представленное в (8) напряженностью поля £. Удельная проводимость
t влияет на величину плотности электрического тока, но причиной тока не является. Манипуляции с формулой (8) дают лишь возможность найти одну из величин через две другие, но причинно-следственную связь дает лишь формула (8).
5. Закон Ампера
С именем Ампера связан закон по определению силы, действующей на проводник (контур) с током со стороны магнитного поля. В действительности в этом законе Ампер рассматривал взаимодействие двух проводников с током (термин «сила тока» был предложен Ампером) [3]. Ампер считал, что любое магнитное поле порождается электрическим током, т.е. ток - причина, а магнитное поле - следствие. Даже у ферромагнетиков Ампер ввел понятие скрытых токов, что подтверждает гиромагнитное отношение для электрона в атоме и магнетон Бора.
В дальнейшем силу Ампера стали представлять иначе, чем определял сам ученый.
Из двух проводников с током оставили один, а другой заменили созданным им магнитным полем с индукцией В (рис.3).
F > s@\ ш,
(9)
где S - площадь поперечного сечения проводника,
длина проводника, находящегося в магнитном поле, I - плотность тока, б -индукция магнитного поля, считая его однородным в пределах длины
Рис.3. Схема, поясняющая действие силы Ампера
Сила р является следствием взаимодействия двух магнитных полей, которые по Амперу создают электрические токи, включая и скрытые токи. В законе Ампера (9) следствие одно, а причины две, без любой из которых не будет следствия.
Все манипуляции с формулой (9) приведут лишь к простому математическому соотношению между этими ФВ.
6. Закон электромагнитной индукции
В отличие от закона Ампера в законе Фарадея следствием является электрический ток в замкнутом контуре, а причина - изменение магнитного потока Ф, пронизывающего плоскость, ограниченного этим контуром.
т dФ 1
I >--я-
dt R '
(10)
где I - сила тока,
ёФ dt
- скорость изменения маг-
нитного потока, к - сопротивление контура.
При неизменной площади поверхности Б, пронизываемой магнитным потоком
ёФ 0 ёБ
— > 5 я—
& & '
а сила тока
I >
S dB —я— R dt
(11)
Из (11) следует, что изменение индукции магнитного поля (причина) порождает электрический ток (следствие).
Многолетний опыт автора статьи по применению данного метода показывает, что учащиеся проявляют интерес к поиску и анализу причинно-следственных связей ФВ в ФЯ, манипулируют формулами, ошибаются, спорят друг с другом. Всё это повышает активность учащихся как на аудиторных занятиях, так и при их самостоятельной работе.
Поиск причинно-следственных связей между физи-
ческими величинами в физических явлениях позволяет обнаруживать неочевидные, заранее неизвестные их свойства, что способствует более глубокому изучению физики.
У учащихся проявляется интерес к поиску причинно-следственных связей между физическими величинами, они с желанием это делают, особенно коллективно, в форме игры.
Установление причинно-следственных связей между физическими величинами, характеризующими физическое явление, свидетельствует о том, что обучающийся понимает сущность явления, а главное, раскрываются пути воздействия на материальный объект с целью его полезного преобразования (элементы изобретательства).
Не все математические выражения, связывающие физические величины, имеют причинно-следственную связь (например, уравнения кинематики). Физические законы можно представить и в таком виде, когда их математическая формула иллюстрирует лишь простое соотношение между физическими величинами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев П.В., Панин А.В. Философия.- М.: Проспект, 2005.-С.483.
2. Крылов И.А. Сочинения.- Л.-М.: Государственное издательство художественной литературы, 1931.- С.58.
3. Кудрявцев П.С. История физики. Т.1. - М.: Государственное учебно-педагогическое издательство Министерства просвещения РСФСР, 1956. - С.493; С.421.
Т.В. Дензанова
Курганский государственный университет, г. Курган, Россия
ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНТЕРАКТИВНОЙ ДОСКИ В ЛЕКЦИОННОМ КУРСЕ ПО ОБЩЕЙ ФИЗИКЕ
Аннотация: В статье обобщен опыт использования интерактивной доски в лекционном курсе общей физики.
Ключевые слова: интерактивная доска, общая физика.
T.V. Denzanova
Kurgan State University, Kurgan, Russia
INTERACTIVE BOARD TECHNIQUE IN THE LECTURE COURSE ON GENERAL PHYSICS
Abstract: The article has generalized from the experience of using an interactive board in the lecture course on General Physics. Kyewords: an interactive board, General Physics.
На смену привычной доске и мелу приходят интерактивные доски. Прежде чем перейти к обсуждению особенностей их применения, рассмотрим классификацию досок.
Интерактивные доски делятся на два класса в зависимости от расположения проектора: с фронтальной и обратной проекцией. Доски с фронтальной проекцией распространены наиболее широко, хотя и обладают очевидным недостатком: докладчик может загораживать собой часть изображения. Доски с обратной проекцией, где проектор находится позади экрана, существенно до-
