CC BY
4Б.Е. Акитай
ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА УЧИТЕЛЕЙ ФИЗИКИ ПО ФОРМИРОВАНИЮ ФИЗИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА
Акитай Балкия Естибаевна - доцент кафедры квантовой физики и инновационных технологий Казахского национального педагогического униве-рситета имени Абая, кандидат педагогических наук.(г. Алматы, Республика Казахстан) e-mail: akitai@list.ru
Физика рассматривает общие законы природы, объясняющие множество явлений окружающего мира. Поэтому так велика роль физики в познании окружающего мира. Физика как учебный предмет рассматривает: формирование физической картины мира; пути и этапы развития общества с общечеловеческой культурой, с философскими идеями, с философскими воззрениями на научную истину. А так же формирует понятия учеников, способствует развитию навыков самостоятельного мышления, самообразования, творческих способностей; определяет отношения личности миру. Недостаточные знания большинства учеников объясняется, не недостатком уровня знания, а тем, что эти знания не систематизированы и не структурированы. Потому что, они читают все подряд не уясняя, какой материал являются главным, а какой из них не основной, а не анализируя, что в учебнике является научным фактом, определением или формулировкой закона, теоретическим материалом или следствием из него. В результате ученики вместо систематизированных знаний получают набор сведений. Большинство из них не понимают, для чего был произведен эксперимент, каковы эго результаты и общий теоретический материал.
Рассматриваемые на уроках физики понятия, модель, закон, определения не дают систему знании, систему знаний может дать только физическая теория. Усиление роли теории в обучении обоснованы и доказаны в работах по общей педагогике и методике, как облегчающее обучение физике [1, стр. 12; 2, стр. 80]. В сознание учащихся физические знания должны внедрятся на доказательной основе, соответствующие научным методам присущим физической науке [3]. Поэтому, научной необходимостью стала, усиление роли физических теории в обучении физике. Группировка материалов вокруг физических теории, связана с учебно-познавательной особенностью учеников школ естественнонаучного направление, и это позволяет связать элементы теоретического мышления с теорией познания, развитие физики с развитием общества и ее культуры; формировать методически выверенную систему знаний связанную соотношением теории и эксперимента. Здесь отдельные теории объединены в общую. Например, теория электромагнитных волн Д.Максвелла, электронная теория, СТО А. Эйнштейна изучаются совместно в главе электродинамика.
Связь между теориями рассматриваются в водных темах каждой главы и курса, в конце главы в заключительных темах, и на обобщающих уроках курса. При изучении материала рассматриваются границы применимости физических законов и теории. В основе теории лежать модели, создающиеся при познании окружающего мира. Одним из главных особенностей курса физики являются рассмотрение границы применимости теории. Основное содержание физической теории составляет: основные идеи, принципы и гипотезы, их экспериментальная проверка и применение. По современным представлениям научного миропонимания основным физическим теориям относятся: механика Ньютона и релятивистская механика, молекулярно-кинетическая теория и термодинамика, электродинамика, квантовая механика, физика атома и ядра, физика элементарных частиц. Критерием истинности любой теории является практика. В
школьном курсе значимости физической теории и ее практическая направленность, во многих случаях, рассматриваются лабораторных работах исследовательского характера.
При познании окружающего мира ученики используя физические теории должны:
- уметь высказывать свои предположения по наблюдаемому в эксперименте фактам, являющимися основой при формировании научной теории;
- показывать, то что эксперимент позволяет проверить истинность теоретических выводов;
- знать что, физическая теория позволяет объяснить научные данные и природные явления и предсказывать неизвестные ранее явления и процессы, и их особенности;
- знать что, при объяснении природных явлений используется их модели;
- знать что, один объект или одно явление можно описывать на основе различных теоретических моделей;
- знать что, любые физические теории и законы имеют свои границы применения;
- уметь показывать что, любые научные теории, основываясь на модели объектов и процессов, приводят только к относительной истине.
Процесс познания окружающего мира с помощью физических теории можно организовать используя в учебном процессе, особенно в гуманитарных классах, историконаучные и историко-биографические материалы. Здесь, при изучении отдельные физические теории рассматриваются биографии и научные труды знаменитых ученных внесших свой вклад в создание рассматриваемой теории [1, стр. 16]. В школах
гуманитарного направления проблема познания окружающего мира с помощью физических теории от части решается внедрением в учебный процесс материалов историко-научного и историко-биографического содержания. Здесь при изучении отдельных теории рассматриваются биография и труды ученых внесших свою лепту на формирование теории [1, стр. 16]. Учитель, учитывая «Требование обязательному уровню подготовки учеников» определенных в государственному стандарте для среднего образования, может внедрять в учебный процесс, самые главные материалы главы. Значить, «он может выбрать материалы связанные с физической теорией, и преподнести их в систематизированном виде на обобщающих уроках [4].
В современной школе изучение физических теории полностью не решена. При анкетировании учителей на курсах повышении квалификации им задавались следующие вопросы:
1. Какие физические теории вы знаете?
2. Что такое общая теория, какова ее функция?
3. Как возникают физические теории?
4. Какова структура физической теории?
5. Что вы знаете о границах применимости теории?
6. Какие методы и способы используете для изучения физических теории?
Результаты анкетирования показали, что материалы учебной программы с
группированы вокруг физических теории, но методы и способы обучения физических теории до конца не определены.
В курсе физики много внимания уделяются вопросами познания окружающей среды, природы. Именно по этой причине, в начале в философских изданиях [5-7], за тем в методических изданиях [8-9] возникло понятие «Физическая картина мира» (ФКМ). Физика знакомит нас самыми общим законами природы, описывающими процессы, проходящие в окружающем мире. Окружающий мир это не совокупность отдельных не связанных друг с другом явлений, а разнообразные проявления единой материи. Знания, накопленные в определенные периоды развития физики, группируются вокруг определенных идей и принципов. Такая группировка осуществляется и при систематизации «Физической картины мира». «Физическая картина мира» - это система основных идей, физически понятий и законов. К ним относятся понятия о свойствах пространства и времени, об основных частицах из которых состоят вещества, об объектах
рассматриваемых физической наукой, физические законы, начальные идеи, а так же уравнения физических теории и связь между ними [8, 16стр].
Таким образом, физическая картина мира рассматривает: материю и ее движение, пространство и время, взаимодействия тел, понятия о фундаментальных физических теориях.
Взгляд на материю. Современная физика разделяет два вида материи: вещество и поле. По расположению в пространстве, по виду взаимодействие, по основным структурным элементам и по подчиняющимся закономерностям - материальный мир делится на три уровня:
1. мега мир - охватывает пространственные размеры порядка 1021 м и более: мега миру относятся - метагалактика, галактика, звезды, гравитационные и электромагнитные поля;
2. макромир - охватывает пространственные размеры от 10 8 м до 1021 м, к ему относится - планетные системы, планеты, окружающие нас тела, звезды и звездные системы, гравитационные и электромагнитные поля;
3. микромир - охватывает пространственные размеры порядка 10 8 м и меньше; структурные элементы микромира - атомы, ядра, элементарные частицы; основные взаимодействия - электромагнитные, сильные и слабые [10].
Любой материальный объект сложная структура. Материальные объекты состоят из элементарных частиц, а взаимодействие между ними поддерживает целостность объекта. Все элементарные частицы характеризуются и различаются: энергией, массой, импульсом, зарядом, спином и т.д. Многообразие элементарных частиц подразделяется на: фотоны, лептоны (электрон, позитрон, мюон, нейтрино, тау- лептон), мезоны (пион, каон, эта-мезон), барионы (протон, нейтрон, гиперон) [1, стр.312].
Главное свойство элементарных частиц - из взаимопревращение. Например, при ¡3 -
распаде (п ^ р + е~ +у) нейтрон превращается в протон. у - кванты в поле тяжелого ядра могут превратится электрон и позитронную пару, в случае когда их энергия достигнет определенного значения. Процесс взаимопревращения элементарных частиц, это не механическое деление, а исчезновение одного и появление нового. Выше сказанное превращение у кванта на электрон и позитрон, не говорит о том, что у -квант состоит из электрона и позитрона [11].
В природе очень много не познанных нами материальных объектов, свойства их неисчерпаемы, с развитием науки открываются все новые и новые свойства материальных объектов. Единство элементарных частиц найденных из земных материальных объектов и пришедших из космоса доказывает материальное единство мира [12]. Если перейдем из глубокой бездны микромира (мира элементарных частиц) в окружающий нас мир, то окажемся в макромире. На уровне макромира, в зависимости от массы покоя и скорости объектов материя подразделяется: вещество и поле. Их различие в том, что вещества движутся со скоростями, на много меньше скорости света, а поле распространяются со скоростью света. И по этому масса покоя вещества не равна нулю, а для поля т0 = 0. Вещество и поле имеют и общие черты. Например, они оба характеризуются основными физическими величинами: энергией, массой, импульсом. Поле и вещество могут взаимопревращаться, т.е. выполняется цепочка преобразовании: у о е+ + е~ [16, стр. 91].
В микромире различие между полем и веществом практически полностью исчезают. В микромире материальном объектом присущи корпускулярно - волновой дуализм, т.е. непрерывность и прерывность (дискретность). В классической физике частица и волна имеют противоположные свойства, поэтому они обладают свойствами дискретности и непрерывности соответственно. Например, частица занимает определенное место в пространстве, имеет траекторию движения; она не может обегать препятствие, и они не могут накладываться друг на друга (как волны); при движении частицы переносится вещество и энергия, а при распространении волны вещество и энергия, а при
распространении волны вещество не переносится. М. Планк показал, что электромагнитное поле излучает энергию отдельными порциями (квантами), а А. Эйнштейн показал, что электромагнитная энергия поглощается отдельными порциями (квант или фотон) [14, стр. 175].
Итак, электромагнитному полю присущи волновые (непрерывность) и квантовые (корпускулярные, дискретные) свойства. В одних случаях проявляются волновые (интерференция, дифракция, поляризация) свойства, а в других случаях квантовые (фотоэффект, фотохимическая реакция) свойства. Некоторые явления можно объяснить и волновым, и квантовым свойствам. Например, давления света на поверхность можно объяснить при помощи импульса падающих по поверхность фотонов или тем, что электрическая составляющая электромагнитной волны порождает движения зарядов, магнитная составляющая оказывает силовые действие на движущийся заряд,
определяемый уравнением F = q0[ЗB] (сила Лоренца). За двойственным объяснениям
одного и того же явления, можно увидеть двойственную природу (дуализм) света, т.е. единство двойственности. Это единство проявляется в характеристике фотонов: энергия -, Иу Иу
п у , масса-— и импульс---------выражаются через частоту у , характеризующую волну.
с с
Хотя свет обладает двойственной природой, в один и тот же момент не могут одновременно, проявится оба свойства. В зависимости от условии иногда проявляются волновые, а иногда квантовые свойства. Двойственные свойства присущи не только полям, но и любой частице. В 1924 году Луи де Бройль выдвинул смелую гипотезу о том, что любые микрообъекты должны обладать дуалистическими свойствами [15, стр. 22]. Например, электрон во-первых обладает энергией - Е, импульсом -р, во-вторых (как волна) характеризуется частотой - у , и длиной волны - Л. Эти параметры связаны следующими соотношениями:
и 1 И о И
Е = Иу; р = —; Л =-.
Л тЗ
Гипотеза Де Бройля была экспериментально доказано в 1927 г. в опытах К. Дэвиссона, Л. Джермера и П.С. Тоутановского [15, стр.23]. Суть этого эксперимента такова: пучок электронов определенной энергией пропускается сквозь узкий щель и попадает на фотопластинку, а на фотопластинке обнаруживается дифракционная картина. И так, волновые и корпускулярные свойства, единство непрерывности (дискретности) и непрерывности материальных объектов, т.е. корпускулярно-волновой дуализм присущи всем излучениям и микрообъектом. Это одно из проявлении материального единства мира.
Материя и ее движение. Учащиеся должны понимать, что любой вид материи находится в движении, движение это многогранно, движение не возникает само по себе, а превращается из одного вида в другое, т.е. при непосредственном рассмотрении определяется из закона сохранения энергии. Рассматриваются следующие формы движения материи: механическое движение; тепловое движение; электромагнитное движение (взаимодействие и движение зарядов, излучение и поглощение
электромагнитной волны) взаимопревращения элементарных частиц. Формы движения материи различаются качественно, и не повторяют друг друга. Например, тепловое движение - беспорядочное движение множества частиц- имеет свои (статические) закономерности. Так же при электромагнитном движении заряженные движущиеся заряженные тела взаимодействует друг с другом посредством электромагнитного поля. Эти движения не сводятся к механическому движению.
Формы движения материи тесно связаны друг и другом и могут взаимопревращаться, что можно увидеть из закона сохранения и превращения энергии. Выполняющиеся во всех природных процессах закон сохранения и превращениях энергии показывает, что движение не возникает сама по себе и не исчезает. Законам сохранения
подчиняются: масса, импульс, и т.д. Они являются основными характеристиками материи, при любых изменениях материальных объектов, и при любых физических процессах материя сохраняет свои свойства. Материю нельзя разделить от движения, оно способ существования материи. И правду прямолинейное равномерное движение (закон инерции) не возникает при внешних воздействиях, оно присущи телу; тепловое движение вечное, оно никогда не прекращается; электромагнитное поле проявляет только при движении зарядов. И так, современная ФКМ порождается взаимозависимостью различных форм движения, и сохранением важнейших характеристик материи.
Пространство и время. Пространство и время являются формой существования материи. В современной физике пространство и время взаимосвязаны, относительны и зависит от движения материи, т.е. движение материи определяет свойства пространства и времени.
Взгляд на взаимодействие. Свойства материальных объектов на разных материальных структурах зависят от их взаимодействия. Современная физика разделяет четыре типа взаимодействия, различающихся радиусом действия и «проницаемостью». К ним относится: сильное (ядерное), электромагнитное, слабое (распад) и гравитационное взаимодействия [10, стр. 180].
Гравитационные взаимодействия происходят между любыми объектами обладающим гравитационными свойствами (обладающим массой). Гравитационные взаимодействия очень слабые - 10 38 раза слабее ядерных взаимодействии. Радиус действия не ограничен. Они проявляются в макромире, а большую роль играют макро, особенно мега мире. Гравитационное взаимодействие проявляется только в виде притяжения.
Слабому взаимодействию подвержены все частицы. 3- распад атомных ядер обязан этому взаимодействию. Оно слабее электромагнитного и ядерного, но сильнее гравитационного, радиус его действия 10 18 м , действует очень короткое время.
Электромагнитное взаимодействие. Между любыми заряженными объектами действует электромагнитное взаимодействие, оно 137 раз слабое ядерного, радиус его действия не ограничен, проявляется в виде отталкивания и притяжения. Электромагнитному взаимодействию подвержены: видимый свет, тепловое излучение и т.д., они взаимодействуют посредством электромагнитного поля. Квантами (носителями) этого поля являются фотоны. Силы трения, упругости, сопротивления - это проявления электромагнитного взаимодействия.
Сильное взаимодействие. Сильному взаимодействию подвержены адроны. Радиус действия этого взаимодействия 10 12м., оно проявляет себя в виде притяжения и отталкивания. Из-за сильного взаимодействия нуклоны объединяются в ядра. Оно, так же, проявляется при взаимопревращении элементарных частиц. Квантами ядерного взаимодействия являются п - мезоны.
Итак, различные виды взаимодействия проявляют себя в разных физических процессах и в разных материальных структурах. Но во всех этих явлениях выполняются законы сохранения. Современная физика доказывает единство природы [10, стр.12 ]. Огромную роль при формировании физической картины мира, как было выше отмечено, играют фундаментальные физические теории. С развитием и становлением фундаментальных физических теории, развиваются механическая, электромагнитная, квантовая картина мира, являющиеся составной частью физической картины мира. Изучение фундаментальных физических теории способствует познанию учащимися природных явлении, развитию мышления, формированию навыков объяснения физических явлений и закономерностей основываясь на физические теории.
1. Теория и методика обучение физике в школе: Частные вопросы / Под ред. С.Е. Каменецского.-М: Академия, 2000. - 384 с.
2. Основы методики предподавание физики в средней школе / Под ред. В.Г. Разумовского, В. А. Фабриканта., А.В. Перышкина.- М.: Просвещение, 1984. - 398 с.
3. Эвенчик Э.Е., Шамаш С.Я., Орлов В.А. Методика преподавание физики в средней школе: Механика.- М.: Просвещение, 1996. - 240 с.
4. Багдарламалар. Физика жэне астрономия. - Алматы.: Ы. Алтынсарин атындагы Казздтыц бшм акедемиясыньщ Республикальщ баспа кабинету 2000. -55б с.
5. Похомов Б.Я. Становление современной физической картины мира.- М.: Мысль,1985.-270 с.
6. Готт В.С. Филосовские вопросы современной физики .- М.: Высшая школа, 1988. - 344 с.
7. Федосеев П.Н. Философия и научнее познание .- М., 1983. - 464 с.
8. Мощанский В.Н. Формировние мировозрения учащихся при изучение физики. - М.: Просвещение, 1989. - 189 с.
9. Мощанский В.Н. Формирование диалектико материалистического мировозрения на уроках физики. - М.: Просвещение, 1985. - 190 с.
10. Физика в таблицах 7-11 классы / Составитель В.А. Орлов. - М.: Дрофа, 1997. - 63 с.
11. Углубленное изучение физики в 10-11 классах / Под ред. О.Ф. Кабардина., В.А. Орлова. - М.: Просвещение, 2002. - 127 с.
12. Чудинов Э.М. Природа научной истины .- М.: Просвещение,1977. - 312 с.
13. Школьникам о современном физике. Классическая физика. Ядерная физика. / Под. ред. В. З. Кресина.- М.: Просвещение, 1978. - 158 с.
14. Яворский Б.М. Основные вопросы современого школьного курса физики. - М.: Просвещение, 1980. -320 с.
15. Кржам^лов Т.Э., ЖYнісов М.Э., Имамбеков О.И. Кванттыщ механика.- Алматы.: КазЗД университету 2006. - 290 б.
