Использование механических моделей при изучении физики частиц. Путь от «Макро» к «Микро» Текст научной статьи по специальности «Прочие социальные науки»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ФИЗИКИ ЧАСТИЦ. ПУТЬ ОТ «МАКРО» К «МИКРО»

© Басков С.В.*

Челябинский государственный педагогический университет, г. Челябинск

Нобелевский лауреат С. Вайнберг, говоря о задаче исследования элементарных частиц, видел в ней «самый верный - а возможно, и единственный -путь к пониманию фундаментальных законов природы» [5]. Чтобы понять теорию, выяснить, как она применяется на практике самой природой, почему природа подчиняется фундаментальным законам, положенным в основе этой теории, необходимо многократно провести ее экспериментальную проверку. В схеме научного познания, этапы которого были определены В.Г. Разумовским, В.В. Майером, А. Эйнштейном, присутствует этап под названием эксперимент, который определяет [4]:

- практическую значимость сформированной теории;

- дополняет теорию новыми фактами.

Ярким примером проявления научного метода познания является «задача М. Фарадея». Майкл Фарадей, используя закономерности возникновения магнитного поля вокруг проводника с током, поставил задачу получения электричества из магнитного поля. В течение одиннадцати лет, нося в кармане две простые вещи: проволоку и магнит, ему, наконец, удалось подтвердить экспериментом сформированную им теорию. Проведенный М. Фарадеем эксперимент по своей сути прост, какую он повлек за собой техно-энергетическую реконструкцию жизни человека, судите сами.

Одним из основных понятий методологии научного познания является моделирование. В физике частиц это понятие является основополагающим, так как с помощью моделирования процессов, происходящих в микромире, мы можем сымитировать реальную картину поведения частиц в пространстве и экстраполировать ее на макроуровень, воспринимая «по-новому» физическое явление природы. В научных источниках приводятся следующие понятия моделирования:

1. Моделирование - это исследование объектов познания на их моделях, построение и изучение моделей реально существующих объектов и явлений и конструируемых объектов для определения, уточнения характеристик, рационализации способов их построения [2];

* Аспирант кафедры Теории и методики обучения физике, учитель физики и информатики МКОУ СОШ № 20 (г. Пласт). Научный руководитель: Даммер М.Д., профессор кафедры Теории и методики обучения физике, доктор педагогических наук.

2. В концепции американского стандарта понятие моделирование в обобщенном виде выглядит следующим образом: моделирование -это построение мысленной картины или физической системы на основе фактов, взятых из наблюдений;

3. Моделирование - это одна из основных категорий научного познания, на которой базируется любой метод научного исследования как теоретического (знаковые и абстрактные модели), так и экспериментального (предметные модели) характера [1].

Рис. 1. Виды моделирования

В зависимости от объекта моделирования выделяют материальное и идеальное моделирование (рис. 1). В процессе материального моделирования формируется модель какого-либо объекта, позволяющая осуществлять научное исследование и переносить установленные свойства на реальный объект с помощью теории подобия [3]. Данный вид моделирования является наиболее удобным для восприятия учащимися, поскольку реальная предметная модель исключает абстрактное представление физического тела или явления. Модель по определению всегда является лишь относительным, приближенным подобием объекта-оригинала и в информационном отношении беднее последнего. Следует заметить, что независимо от природы объекта, характера решаемой задачи и способа реализации, модель представляет собой информационное образование.

Использование различных моделей необходимо для того, чтобы:

- понять, как устроен конкретный объект (реальный объект, теория), каковы его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром;

- научиться управлять объектом (процессом) и определять наилучшие способы управления при заданных целях и критериях;

- прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации разных способов и форм воздействия на объект.

Механическая модель какого-либо устройства, отражающего суть физического явления или процесса, происходящего в нем, является результатом материального моделирования, который включает в себя упрощенную версию физической системы, сохраняя основные черты изучаемого явления. При решении задач исследовательского характера, на простой механической модели учащиеся эффективно усваивают изучаемые свойства и характеристики, описывающие явление.

Учитывая особенность механических моделей, важно отметить, что их применение возможно в полной мере при изучении физических процессов, протекающих в макромире. Поскольку физические явления макромира подчиняются законам классической механики, а микропроцессы описываются квантовыми представлениями, то мы имеем жестко ограниченную возможность использования механических моделей в отношении микромира, только в целях создания образа, аналога физического явления, для интеграции характеристик, описывающих физическое явление. Важно заметить, что механические модели явлений микромира использовались всегда (достаточно изучить труды Бора и Эйнштейна) и используются сейчас в той мере, в какой они нужны, не имея никакого отношения к механицизму. Чтобы учащиеся понимали суть того или иного физического явления, которое проявляется на уровне макромира (свет, дисперсия света, преломление света в упругой среде, плазма, молния, явление фотоэффекта и др.), объяснение которого возможно только с помощью законов квантовой механики, необходимо наличие наглядных образов.

Таким образом, мы подошли к основной задаче пути, который назвали путь от «макро» к «микро». С помощью моделирования, применив метод аналогий процессов, происходящих в микромире, и макропроцессов, мы можем построить реальную картину поведения частиц. Суть поставленной задачи заключается в том, чтобы осуществить плавный переход от классики к квантовым представлениям. Размыв линию, жестко разграничивающую два мира одной и той же сущности (микро и макро), мы сможем объяснить любой процесс, наблюдаемый в макромире с помощью законов микромира, что не вызовет в процессе формирования научного мировоззрения у учащихся пробела, разделяющего макро- и микромиры (рис. 2). Следует вывод, что фундаментальные законы, описывающие природные явления на микроуровне могут описать их и в макромире. Вселенная - это система, в которой практически все явления описываются с помощью механики. Классическая механика, учитывая релятивистские эффекты, описывает явления на уровне макроуровне, в то время как квантовая механика, учитывая релятивистские эффекты, описывает физические процессы на уровне микромира. Примером такого представления является знаменитые уравнения Д.К. Максвелла, который описал законы электродинамики для макромира и для микросостояний. Преобразуя уравнения для микросостояний, мы можем получить уравнения для макромира, и, наоборот. На рис. 3 предложена модель пути от «макро» к «микро». Окружность является общей теорией, неким сводом фундаментальных законов, которым подчиняется природа. По мере раскрытия закономерностей сущности мироздания область «Множество гипотез и явлений» будет уменьшаться. Сам процесс заполнения общей окружности протекает очень медленно, поскольку каждый раз, когда человек совершает новое открытие, подступает к основе мироздания, возникают новые проблемы, которые сформиро-

ванная теория объяснить не сможет. Отсюда можно сделать вывод: процесс познания природы является бесконечным.

Вселенная

Макромир

Механика

Микромир

Классическая

Квантовая

Релятивистские эффекты

Рис. 2. Схема устройства мира и законов механики его описывающих

Таким образом, основная идея пути от «макро» к «микро» заключается в обобщении всех явлений, которые мы можем наблюдать в макромире и объяснении этих явлений с помощью законов микромира. Формируя представления о реальном мире, мы вводим различные характеристики для описания физических явлений и устанавливаем между ними закономерности. Квантовая и классическая механика жестко разделяет эти характеристики, хотя они описывают одно и тоже свойство физического объекта или явления.

Множество явления и гипотез

МАКРО Теория: классическая механика

1. Физический объект: магнитный неодимо-вый шарик;

2. Магнитные свойства вещества (гиромагнитное отношение);

3. Все физические параметры принимают непрерывный характер^ Е, р;

4. Абсолютно упругий (неупругий) удар: (законы сохранения);

5. Понятийный аппарат: Фермион - любой человек является мионом, он занимает в пространстве конкретное энергетическое состояние.

МИКРО Теория: Квантовая механика

1. Физический объект: частица;

2. Спин - свойство частицы. Спин определяет тип частицы и магнитные свойства;

3. Все физические параметры, описывающие состояние материи, носят квантовый характер: Е, р, Ео, Фо, В, 5, I;

4. Законы сохранения, аннигиляция вещества и антивещества

5. Понятийный аппарат: Фермион - частица с полуцелым спином, которая находится в состоянии с определенным набором квантовых чисел и никого не пускает в свое энергетическое состояние.

Рис. 3. Путь от «макро» к «микро»

Список литературы:

1. Большая Советская Энциклопедия.

2. Вернадский В.И. Избранные трактаты по истории науки. - М., 1981. -360 с.

3. Заворотов В.А. От идеи до модели. - М., 1990. - Выпуск 2. - 32 с.

4. Разумовский В.Г., Майер В.В. Физика в школе. Научный метод познания в обучение. - М.: ВЛАДОС, 2004. - 463 с.

5. Фейнман Р., Вайнберг С. Элементарные частицы и законы физики: пер. с англ. - М.: Мир, 2000. - 138 с.

К ВОПРОСУ ПРИОБЩЕНИЯ ДЕТЕЙ СТАРШЕГО ДОШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА К КУЛЬТУРЕ БУРЯТСКОГО НАРОДА

© Власова О.Г.*

Педагогический институт Восточно-Сибирской государственной академии образования, г. Иркутск

Современные концепции развития личности ребенка, а также региональные подходы к образовательному процессу в дошкольных учреждениях предполагают включение отдельных элементов народной культуры в процесс развития ребенка. Наследие каждого народа содержит ценные идеи и опыт воспитания. Сохранение и развитие культуры каждого этноса актуально для многонациональной России, потому что в современном обществе именно этнос способен обеспечить успешную адаптацию индивида к условиям интенсивных перемен во всем укладе его жизни, когда начинают стираться прежде незыблемые границы не только малочисленных национальных анклавов, но и больших этносов, а также обеспечивает духовное и нравственное развитие личности.

Дошкольный возраст - это ступень личностного становления ребенка, развития его способностей, взросления. Социокультурная реальность выступает для детей дошкольного возраста как основа постепенного погружения в развивающееся проблемное поле культуры и освоения социокультурного опыта. Однако движущей силой развития ребенка является не просто присвоение человеческого опыта, а накопление и расширение его индивидуального жизненного опыта в педагогическом процессе особого взаимодействия со взрослым.

Для того, чтобы культура оказывала эффективное воздействие на духовное, нравственное развитие личности, а личность испытывала потребность в истинной культуре, в овладении ее ценностями, необходимо сформировать основу, фундамент для воссоздания культуры, что предполагает глубокое

* Магистрант кафедры Педагогики. Научный руководитель: Кананчук Л.А., доцент кафедры Психологии и педагогики дошкольного образования, кандитат психологических наук.