Теоретические методы познания в обучении физике (стр. 2 из 3)

В настоящее время в методике преподавания физики не реализована еще одна аналогия, использование которой позволило бы осуществить единый, обобщенный подход к формированию у школьников понятия о поле. Изучение гравитационного поля (на примере гравитационного поля Земли) позволило бы построить изучение электростатического поля по аналогии с гравитационным (с обращением внимания на принципиальное отличие этих типов взаимодействия: гравитационные силы всегда силы притяжения, электрические же — силы притяжения и отталкивания). Использование этой аналогии облегчит усвоение школьниками таких сложных понятий, как напряженность, потенциал, работа и энергия электрического поля и т. д. Конечно, закон всемирного тяготения (равно как и закон Кулона) опирается на идею дальнодействия — основную идею механической картины мира, однако было бы полезным показать ограниченность этой идеи уже при изучении классической механики, введя здесь предварительные представления о близкодействии (поле). Так можно провести аналогию, что у электромагнитной волны и света скорость распространения является схожей, и свету присуще некоторые корпускулярно-волновые свойства, из чего следует, что свет является электромагнитной волной.

4. Моделирование

Моделирование – замена исследуемого объекта другим, специально для этого созданного, но сохраняющим характеристики реального объекта, необходимого для изучения. Объекты, которыми заменяется реальный объект, называются моделями.

Различают идеальные и материальные модели.

Материальная модель может создаваться или из элементов той же физической природы, что и объект (модель самолета), или из элементов другой физической природы (модель сердца — искусственное сердце). Материальная модель объективна как по форме, так и по содержанию.

Идеальное моделирование широко распространено в теоретических науках. В физике идеальные модели часто являются наглядно-образными (например, модель атома, предложенная Резерфордом и Бором).

Моделирование обладает принципиальной ограниченностью. Так как модель воспроизводит не все, а лишь некоторые свойства оригинала, то не всякий вопрос может быть выяснен с помощью модели. Так, модель атома Резерфорда в принципе не могла ответить на вопрос, почему атом устойчив. Из таких ситуаций есть только один выход — переход к новым моделям изучаемого объекта. Например, чтобы обосновать устойчивость атома, надо было перейти к модели атома Бора. Это обстоятельство требует одновременно с вводом модели установить и точные границы ее применимости.

Никакое явление не может быть полностью объяснено какой-нибудь одной моделью.

Удачно построенная модель упрощает выводы из известных фактов и позволяет ставить новые опыты, ведущие науку вперед. Однако физическая модель — вовсе но точный образ явления, а упрощенная схематическая картина, основанная на аналогии.

На теоретическом уровне физические объекты исследования — это внутренние определяющие связи в физических явлениях, т. е. основные законы. Единственным способом выражения таких физических объектов служат математические уравнения. Поэтому во всех случаях такие уравнения могут рассматриваться как заменители объекта исследования, т. е, как его идеальные модели.

Например: модели оптических приборов:

а) Модель глаза. Выпускаемая промышленностью для кабинетов
анатомии модель глаза может быть использована при изучении оптики в X классе. Сначала демонстрируют модель в собранном виде
(рис. 1), а затем при рассмотрении строения глаза показывают основные оптические его элементы — роговицу, хрусталик, зрачок, стекловидное тело и др.

б) Модель перископа. Принцип действия зеркального перископа
может быть продемонстрирован на простой модели, собранной из
имеющегося в школьном кабинете оборудования. Для этого берут два
плоских зеркала, закрепляют их в лапки штатива под углом 45°.
Зеркальные поверхности должны быть обращены навстречу друг другу. С помощью полученной модели можно рассматривать различные
предметы.

в) Модель микроскопа. Простейшая модель микроскопа (рис. 2)
может быть продемонстрирована на приборе по геометрической оптике. Для этого на прямоугольном экране сначала устанавливают
малую собирающую линзу с фокусным расстоянием 70 мм, служащую объективом микроскопа. На нее с помощью поворотных зеркал направляют две пары узких пучков света, каждый из которых выходит из одной точки (точки пересечения перед линзой). Наблюдают пересечение этих лучей после прохождения линзы. Затем устанавливают вторую линзу с фокусным расстоянием 140 мм, которая выполняет роль окуляра микроскопа. После прохождения окуляра лучи расходятся, их продолжения дают мнимые изображения первоначальных точек. Обращают внимание учащихся на то, что окуляр действует так же, как и обычная лупа.

г) Модель телескопа. Модель телескопа собирают аналогично модели микроскопа. Сначала устанавливают длиннофокусную линзу (F

— 140 мм) - объектив, а затем короткофокусную линзу - окуляр (F₂ = 70 мм). Направляют пучки света на объектив и демонстрируют увеличение угла зрения при прохождении света через линзу телескопа.

1. Мысленный эксперимент

Мысленный эксперимент – анализ ситуации, которую невозможно осуществить реально.

Под мысленным экспериментом понимают специфический вид умственной деятельности, при которой человек в целях познания оперирует модельными представлениями. При этом тот или иной объект ставится мысленно в различные положения, и подбираются такие «экспериментальные» ситуации, в которых, как и в обычном опыте, должны проявиться наиболее важные или почему-либо интересные особенности данного явления.

Мысленный эксперимент строится по типу реального и имеет аналогичную с ним структуру: осознание проблемы исследования, постановка познавательной задачи и разработка ее программы, осуществление эксперимента, проверка результатов.

Можно выделить два основных типа мысленного эксперимента: во-первых, мысленный эксперимент, тесно связанный с реальным, и предшествующий ему; во-вторых, мысленный эксперимент, неосуществимый принципиально на практике (в виде реального эксперимента) в силу оперирования идеализированными объектами.

Он ведет к глубокому пониманию действительных экспериментов, к установлению новых законов природы и более глубокому проникновению в сущность физических теорий.

Мысленные эксперименты условно могут быть разделены на исторические и эксперименты чисто учебного характера, которые предлагают учитель или учащиеся в процессе объяснения какого-либо явления.

Мысленные эксперименты учебного характера применяются, например, при выводе формулы архимедовой силы, действующей на тело кубической формы, полностью погруженное в жидкость (рис. 1); при выводе основного уравнения кинетической теории идеального газа (рис. 2) и т. д.

Исторические мысленные эксперименты следует излагать, используя хрестоматийный материал: отрывки из сочинений ученых, исторические рисунки и др.

Пример мысленного эксперимента Симона Стевина. Стевин придерживался убеждения о невозможности создания вечного двигателя, т. е. такого механизма, который мог бы давать выигрыш в работе. И закон наклонной плоскости ученый получает, исходя из «золотого правила» механики, являющегося одним из проявлений закона сохранения энергии. Приводим рассуждения Стевина, используя рисунки 3, а, б, несколько видоизмененные по сравнению с историческим.

Если бы сила, действующая на шары, расположенные на плоскости АВ, равнялась их общей силе тяжести, то, так как число шаров на плоскости АВ больше, чем на плоскости ВС, то под действием силы, равной разности сил тяжести, действующих слева и справа, они скатывались бы вниз, заставляя ожерелье непрерывно вращаться против часовой стрелки. Таким образом, можно было бы запустить вечный двигатель, работающий без поступления энергии бесконечно долго. Но ввиду того что вечный двигатель невозможен, сила, действующая на шары, лежащие на плоскости АВ, должна быть меньше их общей силы тяжести. В случае равновесия шаров на наклонной плоскости эта сила должна равняться силе тяжести, действующей на шары, касающиеся плоскости ВС. Та часть

ожерелья, которая свисает ниже основания АС, симметрична относительно АВ и ВС, и ею можно пренебречь (просто отрезать). Можно легко получить соотношение

Так же примером может служить мысленный опыт Галилея при изучении закона инерции.

В качестве примера рассмотрим методику изложения закона инерции, состоящую из двух взаимосвязанных этапов, включающих мысленный эксперимент.

а) Подготовительный этап, связанный с реальным экспериментом. Учащиеся проводят усложненную лабораторную работу по изучению равнопеременного движения.

Необходимое оборудование: наклонный желоб, линейка, секундомер, транспортир. Сначала изучают движение шарика по желобу вниз и вверх, выясняют зависимость полученного ускорения от угла наклона желоба. Затем исследуют движение шарика под действием первоначального толчка по желобу, расположенному горизонтально. Делают вывод о причинах ускорения в рассмотренных случаях.