CC BY
28
ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
I уДК 378147 И. И. ГОНЧАР
С. Н. КРОХИН М. В. ЧУШНЯКОВА Н. А. ХМЫРОВА
Омский государственный технический университет, г. Омск
Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск
ФИЗИЧЕСКИЕ ЧАСТИ РЕЧИ: ВОПРОСЫ ИЗУЧЕНИЯ ЗАКОНОВ ФИЗИКИ
Обсуждаются особенности изучения законов физики в технических университетах. Приведен перечень таких законов с указанием степени их точности (границ применимости). Показано, что число часов, выделяемое на изучение курса физики в технических университетах, совершенно недостаточно для освоения законов, знания которых требует программа.
Ключевые слова: методика обучения физике в техническом вузе, план обобщенной деятельности, законы физики.
В работе [1] предложено выделять лексические единицы (или основные классы понятий), с которыми приходится работать студенту при изучении физики в техническом вузе. Для определённости эти лексические единицы названы «физическими частями речи». Одна из физических частей речи, физическая величина, подробно обсуждается в [2]. По этой классификации одна из важных физических частей речи — физический закон.
В конце прошлого тысячелетия в средней школе часто использовались обобщенные планы изучения законов физики. Ниже приведен план изучения закона физики [3, 4].
1. Между какими явлениями (процессами) или величинами закон выражает связь.
2. Формулировка закона.
3. Математическое выражение закона.
4. Опыты, подтверждающие справедливость закона.
5. Учет и использование закона на практике.
6. Границы применимости закона.
Нам представляется, что использование подобного плана в техническом вузе могло бы принести большую пользу при работе со студентами: такой план помогает систематизировать и упорядочить новые и уже имеющиеся знания, находить связи и аналогии между явлениями, понятиями. Студенту не надо каждый раз думать, как рассказывать о законе, нужно только знать, что именно находится на данной позиции.
Для начала мы попытались составить перечень законов физики, которые изучаются на инженерных специальностях в вузе [5 — 8]. Этот перечень оказался довольно внушительным: в него вошло около 50 законов (см. табл. 1). Среди них довольно много таких, которые изучаются ещё в средней школе, однако владение ими требуется от студентов и при изучении вузовского материала. В настоящее время на изучение физики в вузе отводится примерно 100 лекционных часов. Это количество часов
Минимальный перечень физических законов, который должны освоить студенты технического вуза за два—три семестра
Название закона Формульная запись Границы применимости
1 2 3
Законы сохранения ^ — система, 1 — первое состояние, 2 — второе состояние): — импульса Рл = Ps 2
— момента импульса Ls1 = Ls2 Точные законы. Выполняются только для замкнутых систем. Закон сохранения импульса применяется только
— энергии W = W22 в системах с изотропным пространством, то есть с пространством, свободным от полей, или в проекциях на оси, вдоль которых поля не действуют. Закон сохранения энергии работает только в
— электрического заряда = W системах с потенциальными полями, но если учитывать диссипированную энергию, то в любых системах.
— барионного заряда Bs1 = B- 2
Законы динамики Ньютона: — второй закон = F a = — 211 Выполняются только в инерциальных системах отсчета (ИСО) для частиц постоянной массы; неприменимы к явлениям микромира; нельзя применять для объектов, скорость движения
— третий закон =12 ~ ==21 которых сравнима со скоростью света, и в сильных гравитационных полях.
Закон Всемирного тяготения - <= 212=2 -=B=== r3 r Можно применять: — для материальных точек; — для тел, имеющих форму шара; — для шара большого радиуса,
Закон Кулона = = 1 <1=2^ 4m0 23 взаимодействующего с телом, размеры которого значительно меньше размера шара. Тела должны покоиться или медленно двигаться и находиться в вакууме.
Закон Гука =W ==kx Применим в области упругих (обычно небольших) деформаций, то есть до достижения предела текучести твердого тела, иначе до границы, после которой деформации становятся необратимыми.
Основные уравнения динамики поступательного и вращательного движения абсолютно твёрдого тела II = Классическая механика Выполняются только в ИСО; неприменимы к явлениям микромира; нельзя применять для объектов, скорость движения которых сравнима со скоростью света, и в сильных гравитационных полях.
о
от
т
Основное уравнение
молекулярно-кинетической
теории
р = -п<1¥1,>
Уравнение состояния идеального газа
ру = жвг
Закон равнораспределения энергии по степеням свободы
Распределение Максвелла для частиц идеального газа по модулю скорости
I (и) п4т1
(
х ехр
Г_-1о_Т/2 К2пквТ,
Классическая (не квантовая) статистика, н2 релятивистские частицы.
Применимы для равновесного состояния систем, состоящих из большого числа классических частиц, которые взаимодействуют друг с другом только в абсолютно упругих соударениях.
и 2х
ч 2 Л
и 2квТ ;
Распределение Больцмана
(
п 4 п0ехр
т^к
N квТ у
Барометрическая формула
Р 4 Р0ехр
т_к_
V рв- у
Первый закон термодинамики
Ь<2 = сНЛХен+ЬА
Второй закон термодинамики
! т
Применимы для систем с большим числом частиц. В остальном — наиболее общие точные законы.
Закон Фика для потока частиц
]ых-В\п
Справедлив для потока частиц малой примеси, который возникает благодаря хаотическому движению, в среде с постоянным давлением.
Закон Фурье для потока тепла
1в х -%УТ
Справедлив при наличии локального термодинамического равновесия.
Закон Ньютона для вязкого течения
^ 4-Т ^ ах
Эмпирический закон справедлив для газов и многих жидкостей
с небольшой вязкостью; не выполняется для большинства очень вязких жидкостей.
1
3
1 2 3
Закон Ома / = и ; = ав я Сп раведливы для квазистационарных токов в макроскопических электрических цепях.
Закон Джоуля — Ленца '2 а = \12ЯсИ Руа= аР2
1-й закон (правило) Кирхгофа п 1л = о г =1
2-й закон (правило) Кирхгофа т т Т1<я1=Т 8. г=1 к=1
Принцип суперпозиции для электрического и магнитного полей п п 1=1 т1 Справедливы для слабых полей; нарушаются, например, при распространении мощного лазерного излучения в нелинейных кристаллах.
Закон Био — Савара — Лапласа 477 Г3 Справедливы для постоянных и медленно меняющихся токов.
Законы Ампера для действия магнитного поля на ток и для взаимодействия токов №=1 уф в ЛЕ=Фо1112 в 2=Ь
Закон электромагнитной индукции =Ф 8 г = ~сй Аналог уравнения Максвелла для напряжённости электрического поля; справедлив для замкнутого контура.
Законы Кюри и Кюри — Вейсса для зависимости магнитной восприимчивости парамагнетика от температуры С— с Н г—— % Справедливы в слабых полях.
Уравнения Максвелла: — для напряженности электрического поля; 1 = = Теория Максвелла применима только для классической (не квантовой) физики, = и енно: — для расстояний между зарядами, превышающих внутриатомные расстояния; — для частот изменения поля, меньших, чем частоты внутриатомных процессов.
— для напряженности магнитного поля; 1 = = —
— для электрической индукции §Ы= = =рд —V == V
— для магнитной индукции §Вс= = 0 я
о
Закон отражения света
а = у
Бта п
Закон преломления света
2
8Ш|3 Щ
Закон Брюстера
п2
tgа б =-2
Законы геометрической оптики выполняются достаточно точно лишь в том случае, если размеры препятствий на пути распространения света много больше длины световой волны.
Закон Малюса
12 = ) -от2 а
Закон Кирхгофа для излучения
г(ш,Т) а(ш,Т )
= Т(=,т)
Формула Планка для спектральной плотности энергетической светимости
)(),Т ( =
ш Н
2 3
ж2 с
ехр
Г Ншр
V _вт у
-1
Закон Стефана — Больцмана
Я™. = ъТ4
Справедливы только для случаев теплового равновесия.
Закон Вина
х =Ь
тах г^
Распределение Ферми—Дирака
ехрр
квТ
+1
Распределение Бозе — Эйнштейна для фотонов
ехр
Г Но ^
\АвТ ;
-1
Уравнение Шрёдингера
Н2 дВ
—ав +щ в = Й—
2т р дг
Справедливо только для нерелятивистской бесспиновой микрочастицы.
представляется совершенно недостаточным для изучения 50 законов: ведь каждый закон включает в себя несколько физических величин, касается нескольких физических явлений. Отдельно стоит упомянуть о том, что зачастую закон записывается в виде векторной формулы, а проецирование формулы на оси для многих современных студентов довольно трудная задача.
Составляя наш перечень законов физики, мы обратили внимание на несколько обстоятельств, которые обычно остаются в тени и усложняют и без того нелегкий труд студентов и преподавателей при изучении физики.
1. Нет единого алгоритма наименования законов. Исторически сложилось так, что некоторые законы именные, например, закон Джоуля — Ленца, закон Ома, закон Кирхгофа. Другие законы номерные, например 1-й, 2-й, 3-й законы Ньютона, 1-й
и 2-й законы (правила) Кирхгофа. Некоторые законы вообще законами не называются. Таковы уравнения Максвелла и уравнение Шрёдингера. А если к этому добавить ещё использование «уравнений движения», которые нужно составлять на основе законов Ньютона, то не приходится удивляться тому, что многие студенты просто тонут во всём этом разнообразии.
2. Большинство студентов уверено, что самые главные и точные законы — это законы Ньютона и закон Ома. Такое впечатление у студентов возникает потому, что этим законам отводится много учебного времени. А вот абсолютно точные законы, определяющие протекание реальных процессов, при изучении курса физики обычно не выделяются.
3. Часто закон с трудом отделяется от определения. А между тем определение справедливо всегда, а закон сплошь и рядом является сильно
1
3
приближённым или частным. Пример: закон Ома и определение сопротивления, закон Гука и определение жёсткости.
Наши основные мысли можно коротко сформулировать в виде следующих рекомендаций для преподавателей при работе со студентами.
1. Обсуждая физический закон, надо всегда подчёркивать, что это именно закон, даже если он называется уравнением или как-то ещё.
2. Желательно выделить точные законы и постоянно возвращаться к ним: они являются главными.
3. Неплохо было бы вообще либо сократить число изучаемых законов, либо увеличить число часов на их изучение так, чтобы на один закон приходилось не менее 4 часов учебного времени.
Библиографический список
1. Гончар И. И., Чушнякова М. В., Крохин С. Н., Хмырова Н. А. Структурирование основных понятий в процессе преподавания общей физики: физические части речи // Омский научный вестник. Сер. Общество. История. Современность. 2015. № 2 (136). С. 149-151.
2. Гончар И. И., Чушнякова М. В., Крохин С. Н., Хмырова Н. А. Физические части речи: физические величины // Омский научный вестник. Сер. Общество. История. Современность. 2015. № 3 (139). С. 130-132.
3. Орехов В. П., Усова А. В., Турышев И. К. [и др.]. Методика преподавания физики в 8-10 классах средней школы. В 2 ч. М.: Просвещение, 1980. Ч. 1. 320 с.
4. Образовательный портал физ-мат класс. Что надо знать о... URL: http://www.fmclass.ru/phys.php?id = 4979e55df1d96 (дата обращения: 05.12.2016).
5. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики: учеб. пособие: в 3 т. М.: Физматлит, 2001. Т. 1. 607 с.
6. Яворский Б. М., Пинский А. А. Основы физики. В 2 т. Т. 1. Механика. Молекулярная физика. Электродинамика. М.: Физматлит, 2003. 576 с.
7. Савельев И. В. Курс общей физики: учеб. пособие. В 3 т. Т. 1. Механика, молекулярная физика. М.: Лань, 2008. 354 с.
8. Савельев И. В. Курс общей физики: учеб. пособие.
В 3 т. Т. 3: Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц. М.: Наука, 1970. 537 с.
ГОНЧАР Игорь Иванович, доктор физико-математических наук, профессор (Россия), профессор кафедры физики Омского государственного технического университета (ОмГТУ); профессор кафедры физики и химии Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС). Адрес для переписки: vigichar@hotmail.com КРОХИН Сергей Николаевич, кандидат физико-математических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой физики и химии ОмГУПС. Адрес для переписки: krokhinsn@mail.ru ЧУШНЯКОВА Мария Владимировна, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры физики ОмГТУ.
Адрес для переписки: maria.chushnyakova@gmail. com
ХМЫРОВА Наталья Анатольевна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики и химии ОмГУПС.
Адрес для переписки: nata_ruban@mail.ru
Статья поступила в редакцию 23.12.2016 г. © И. И. Гончар, С. Н. Крохин, М. В. Чушнякова, Н. А. Хмырова
