Большую помощь при формировании методологических знаний и умений учащихся, предусмотренных образовательным стандартом по физике, в процессе изучения курса 10 и 11 классов, а также при реализации повторения и обобщения материала в конце 11 класса призваны сыграть дидактические материалы [4].
Учебники “Физика 10” и “Физика 11” могут использоваться в классах физико-математического профиля. Однако в плане формирования умения применять знания по физике при решении физических задач для классов физико-математического профиля необходимо дополнить учебно-методический комплект различными задачниками [10-12].
Рассмотрим элементы Обязательного минимума содержания основных образовательных программ (профильный уровень Образовательного стандарта среднего (полного) общего образования по физике) с точки зрения возможности обеспечения их усвоения учащимися на основе учебников «Физика 10» и «Физика 11» Громова С.В. и сформулируем рекомендации по использованию дополнительной литературы (учебной и методической) для освоения тех элементов Обязательного минимума содержания, которые не нашли должного отражения в учебниках.
Представим методические рекомендации в форме таблиц 1 и 2 (параграф 2). Рассмотрение элементов содержания в таблице соответствует логике авторской программы курса физики и соответствующих ей учебников физики.
Курсивом в таблице выделены рекомендации по изучению физических приборов и технических устройств, объяснение устройства и принципа действия которых предусмотрено Образовательным стандартом.
По изучению тех элементов содержания, для освоения которых сложно указать доступную для в настоящее время учебно-методическую литературу, в параграфе 3 приводятся краткие методические рекомендации. При этом имеются в виду не только элементы содержания учебного материала в рамках конкретных тем курса физики, но и вопросы о физических приборах и технических устройствах объяснение устройства и принципа действия которых предусмотрено Образовательным стандартом.
Параграф 4 посвящен элементам Обязательного минимума содержания основных образовательных программ в рубриках «Проведение экспериментальных исследований» и «Проведение измерений» и формированию одного из видов экспериментальных умений учащихся – умений измерять физические величины. Эти умения зафиксированы в разделе Образовательного стандарта «Требования к уровню подготовки выпускников».
Рекомендации к рубрикам «Проведение экспериментальных исследований» и «Проведение измерений» выполнены в форме таблицы 3.
Рекомендации по формированию соответствующих умений выполнены в форме таблицы 4. Отдельно рассмотрены те умения, формирование которых обеспечено выполнением лабораторных работ, описанных в учебниках «Физика 10» и «Физика 11» Громова С.В. и в книге Степанова С.В. Физика 10-11. Лабораторный эксперимент. М.: Просвещение, 2004, то есть учебно-методическим комплектом в целом, и умения, для формирования которых необходимо привлечение дополнительных учебных материалов. Методические рекомендации по изучению отдельных вопросов курса
Роль математики в физике
Данный вопрос должен обсуждать в течение изучения курса физики многократно. Примерное его содержание можно представить так.
Физические явления и объекты обладают различными свойствами, позволяющими отличать одни объекты и явления друг от друга. При этом одно и то же свойство у разных объектов и явлений может быть выражено по-разному сильно, по-разному ярко. Для количественной характеристики свойств объектов и явлений вводятся физические величины. Физические величины бывают скалярными (имеющими только числовое значение и единицы) и векторными (имеющими числовое значение, единицы и направление).
Взаимосвязи одних физических величин представляют собой определения других величин. Например, скорость равномерного движения определяется отношением перемещения ко времени, за которое это перемещение совершено – это математическое выражение определения физической величины – скорости равномерного движения. Ускорение при равномерном движении материальной точки по окружности равно частному от деления квадрата линейной скорости точки на радиус окружности – это выражение зависимости одной физической величины (ускорения) от двух других (линейной скорости и радиуса окружности).
Так с неизбежностью в физику приходят математические понятия – числа с наименованием и без, векторы, функции, математические выражения – уравнения, тождества – различные формулы и графические образы – символические изображения различных взаимосвязей физических величин. Не может обойтись физика и без понятий и законов геометрии – в физике широко применяются знания о различных геометрических фигурах – плоских и объемных. Не обойтись в физике и без тригонометрических функций.
В физике-науке находят применение практически все разделы математики. Можно сказать, что физика «говорит на языке математики» и не существует без математики как наука. И математика и физика отражают объективно существующие свойства, особенности, закономерности материального мира и союз этих двух наук дает возможность человеку объяснять физические явления, предсказывать их, применять знания о физических объектах и явлениях на практике.
Физические законы и теории и границы их применимости
Кратко данный вопрос можно представить примерно так.
В природе существуют различные взаимосвязи объектов и явлений. Эти взаимосвязи объективны – не зависят от сознания человека, от того, знает человек о существовании взаимосвязей объектов и явлений или нет. Например, макроскопические тела действуют друг на друга и это приводит к тому, что происходят изменения в состоянии и движении тел. Тот или ной вид взаимосвязи обязательно повторяется, является устойчивым. Например, два разных тела на Земле, если не учитывать сопротивление воздуха, всегда, будучи отпущены с некоторой высоты над Землей, упадут на поверхность Земли одновременно. Человеческое сознание отражает существующие объективно устойчивые взаимосвязи объектов и явлений на языке взаимосвязей между физическими величинами – на языке физических законов.
Физические законы бывают более общими и менее общими – описывающими и объясняющими больший или меньший круг физических объектов и явлений. Например, законы сохранения энергии, электрического заряда и другие законы сохранения являются самыми общими – они выполняются для всех известных сейчас физических явлений. Такие законы называют фундаментальными, универсальными, «великими».
Есть законы менее общие. Например, законы Ньютона объясняют движение только макроскопических тел при условии, что скорости их движения много меньше скорости света.
Есть законы, которые и законами-то не называют. Например, утверждение о том, что однородная жидкость в сообщающихся сосудах устанавливается на одном уровне, называют правилом, а не законом – это правило имеет очень маленькую область применимости.
Человек открывает физические законы экспериментально или устанавливает теоретически, а затем проверяет в эксперименте. Иногда закон появляется в науке как результат обобщения большого числа опытных фактов и экспериментов, проведенных многими учеными. Такой закон называют постулатом. Постулат в физике аналогичен аксиоме в математике – он не требует доказательств, он основан на опыте в широком смысле слова – на наблюдениях, специальных экспериментах, результатах практического применения физических явлений.
Система знаний – физических понятий, в том числе физических моделей, физических величин, взаимосвязей между величинами – физических законов, следствий из физических законов, подтвержденных на практике, - это физическая теория.
Любые физические законы и теории отражают свойства определенного круга физических объектов и явлений и попытки применить закон или теорию в целом для других объектов и явлений обречены на неудачу. Например, нельзя с помощью законов Ньютона объяснить явления в микромире – в атоме или в атомном ядре. Поэтому говорят, что законы и теории имеют границы применимости.
Опыты Столетова А.Г. [20].
Для обсуждения данного вопроса с учащимися можно предложить им примерно следующую информацию.
А. Г. Столетов использовал в своей установке металлический диск, который освещался через второй диск в виде сетки светом от электрической дуги. Металлическая пластина и сетка включались в цепь с гальваническим элементом и гальванометром. На сетку подавалось положительное напряжение, а на пластину – отрицательное. В этом случае в цепи возникал электрический ток. Схема опытов А. Г. Столетова показана на рис. (рис. Б.И. Спасский. История физики, стр. 133, т.2).
Первые опыты по исследованию фотоэффекта А.Г. Столетов Начал 20 февраля 1888 г. , исследования продолжались практически непрерывно до 21 июня 1889 г.
В опытах использовался гальванометр с ценой деления 6,7 «на 10 в минус 10-ой степени» А. С помощью специального магнита чувствительность гальванометра увеличивалась, цена деления составляла 2,7 «на 10 в минус 10-ой степени» А. Источники тока применялись различные, иногда опыт проводился без источника тока.
А.Г. Столетов назвал два диска (сплошной и в виде сетки) сетчатым конденсатором. Сплошной диск, как видно из рисунка, освещался с той стороны, где накапливался электрический заряд, а сетка освещалась со стороны, где зарядов практически не было. Это позволяло наилучшим образом исследовать «разряжающее» действие световых лучей.