«МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗУЧЕНИЯ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В КУРСАХ ФИЗИКИ СРЕДНИХ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ И ПЕДВУЗОВ ...»

- теория относительности должна изучаться системно как целостная релятивистская концепция пространства-времени;

- место теории относительности в курсе физики может быть убедительно научно и дидактически обосновано только при историческом подходе, когда ее изучение предполагается после электродинамики и оптики;

- изучение теории относительности и релятивистской механики должно основываться на принципах преемственности и соответствия с ньютоновой концепцией пространства и времени и с классической механикой, представленных компактно в виде теоретических схем;

- пространство-время Минковского и его диаграммы, а также 4-мерное релятивистская схема в целом, не могут быть предметом изучения в курсах физики средних общеобразовательных учреждений, т.к. их адекватная учебная адаптация в этих курах не только не возможна, но и нецелесообразна;

- сущностно фундаментальная релятивистская идея об органической взаимосвязи пространства и времени должна быть принята в качестве методического инварианта основного положения, которое следует должным образом раскрыть и акцентировать при изучении теории относительности независимо от профиля соответствующего курса физики;

- учебное познание теории относительности с необходимостью должно строиться на проблемной основе - ретроспективном анализе принципиальных трудностей теоретической интерпретации экспериментальных фактов электродинамики и оптики в рамках классической концепции пространства и времени, сопровождаться проблемнопознавательной постановкой всех изучаемых вопросов, обязательной обоснованностью выводов, критическим осмыслением полученных результатов;

при изучении теории относительности представляется особенно важными усвоение учащимися основных функций теории относительности -систематизирующей, объяснительной, предсказатель]юй, методологической, мировоззренческой и осознание фундаментальной конструктивно-познавательной роли теории относительности в физической науке, связанной с релятивистской исследовательской программой;

-- учебно-познавательная деятельность школьников по теории относительности, организуемая учителем, должна сопровождаться регулярным решением теоретических и прикладных задач, в том числе исследовательского характера.

Соответственно сформулированным основным методологическим положениям цели и задачи изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях любого профиля определяются следующие:

- формирование представления учащихся о теории относительности в целом как о фундаментальной релятивистской теории пространства-времени;

- усвоение учащимися функций теории относительности и достижения ими понимания ее основополагающей роли в физической науке;

раскрытие особенностей релятивистской исследовательско-познавательной методологии;

- формирование начальной научной основы знаний теории относительности в системе непрерывного образования учащихся по физико-математическому профилю;

- развитие на базе теории относительности элементарных методологических навыков и умений и дальнейшее формирование теоретического способа мышления учащихся;

- обеспечение создания активных знаний учащихся по теории относительности, демонстрируемых при решении учебных задач, требующих осознанного понимания ее основных положений и результатов;

- воспитание уважения к исследовательской работе и к научной истине, способности почувствовать логическую гармонию и прекрасное в общей картине релятивистской физики, основанной на теории относительности.

Общая методическая стратегия реализации исходных дидактических положений, целей и задач изучения теории относительности такова: 1) постановка проблемы —> 2) возможные пути решения проблемы —> 3) исходные понятия и постулаты теоретической модели А.

Эйнштейна —> 4) релятивистский закон преобразования скорости —> 5) пространствовремя теории относительности —> 6) релятивистская исследовательская программа —> 7) релятивистская механика частицы и системы частиц —> 8) релятивистские идеи в электродинамике, оптике, ядерной физике и в описании явлений, связанных с взаимодействием элементарных частиц.

Конкретные методики изучения теории относительности и ее приложений определяются в зависимости от профиля класса среднего общеобразовательного учреждения.

Программа изучения теории относительности в непрофильных классах средних общеобразовательных учреждений (15 ч) Ньютонова механика и опытные факты электродинамики и оптики -противоречия, проблемы, гипотезы. Постулаты теории относительности: инвариантность скорости света и принцип относительности Эйнштейна. Экспериментальное обоснование постулатов теории относительности.

Предельность скорости света. Принцип соответствия. Релятивистский закон преобразования скорости. Понятие события. Собственное время частицы и время ее движения. Взаимосвязь пространства и времени в теории относительности.

Теория относительности и релятивистская физика. Основной закон релятивистской динамики. Массовые и безмассовые частицы. Релятивистские понятия энергии, импульса и массы частицы. Связь массы и энергии.

Изучение теории относительности согласно предлагаемой программы должно начинаться с резюмирующего повторения классической механики. Прежде всего, с обсуждения лежащей в ее основе ньютоновой концепции пространства, времени и движения. Именно, необходимо лаконично акцентировать, что классические пространство и время определяются как исходные модельные данности, никак не связанные друг с другом и материальными частицами. В понятии пространства абстрагируются и идеализируются свойства протяженности, формы и объемности (3-мерности) физических тел. Пространство постулируется однородным, изотропным, непрерывным. Его геометрические свойства выражаются евклидовой геометрией с характерной этой геометрии теоремой Пифагора.

Время - абстрактно-идеализированное модельное представление длительности физических процессов. Постулируется, что классическое время однородно, непрерывно, одномерно.

Пространство и время в ньютоновой теоретической модели абсолютны — каждое из них едино и неизменно для всех инерциальных систем отсчета.

Движение частицы есть изменение ее пространственного положения (в избранной системе отсчета) с течением времени. Существенно, что в классической механике никаких ограничений на величину скорости частицы нет - она может быть сколь угодно большой.

Особый тип движения - равномерное и прямолинейное. Его особенность проявляется в принципе относительности, согласно которому относительное равномерное и прямолинейное движение "лаборатории" не влияет на протекание в ней механических явлений. Отсюда следует механическая эквивалентность всех инерциальных систем отсчета.

При резюмировании основных понятий, положений и результатов классической механики представляется особенно важным подчеркнуть и показать, что они полностью согласуются с ньютоновой концепцией пространства, времени и движения. Так, из релятивистского закона преобразования скорости следует, что скорость частицы, во-первых, относительна, а, вовторых, ничем не ограничена - всегда найдется такая инерциальная система отсчета, в которой скорость данной частицы больше, чем в исходной системе отсчета. Этому положению соответствует и основной закон юшссическои динамики, согласно которому при ускорении частицы, например, постоянной силой ее скорость растет со временем неограниченно. А в третьем законе Ньютона предполагается, что взаимодействие частиц на расстоянии осуществляется мгновенно.

Наконец, необходимо отметить, что к динамическим характеристикам частицы относятся масса, импульс и энергия, причем масса частицы всегда отлична от нуля (понятие безмассовой частицы не имеет смысла). Важно акцентировать, что классические определения импульса и кинетической энергии частицы связаны друг с другом и следуют из основного закона динамики. А так как последний согласуется с неограниченностью скорости частицы, то, значит, на этом положении основаны классические выражения импульса и кинетической энергии. Пропедевтически полезно также заметить, что в ньютоновой модели частица в состоянии покоя никакой энергией не обладает (кинетической энергии нет, а потенциальная энергия определяется с точностью до постоянной и потому всегда ее можно положить равной нулю).

Итоговое заключение, предваряющее обсуждение ряда экспериментальных фактов электромагнетизма и оптики, должно быть таким: классическая механика, основанная на ньютоновой модели пространства и времени, претендует на фундаментальность, т.е. на описание движений и взаимодействий любых физических объектов, поскольку в ней самой нет никаких ограничений на природу этих объектов. Исторически классическая механика возникла как механика движения макротел, которые, в частности, можно моделировать материальными точками. В 19-20-м веках были открыты принципиально новые природные объекты физические поля (например, электромагнитное) и микрочастицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны и т.д.). Естественно возник принципиальный вопрос о том, пригодна ли классическая механика, а, следовательно, и ньютонова модель пространства и времени, для описания кинематики и динамики этих объектов?

Экспериментальные факты электромагнетизма и оптики, как наиболее понятные учащимся и существенные для дальнейшего изучения теории относительности, можно выбрать следующие: 1) покоящийся в "лабораторной" системе отсчета заряд - источник электростатического поля, а тот же заряд в системе отсчета, движущейся относительно лабораторной равномерно и прямолинейно, является источником электромагнитного поля -силового поля, существенно отличного от электростатического; 2) сила взаимодействия зарядов различна в разных инерциальных системах отсчета: два неподвижных в лабораторной системе отсчета заряда, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга, взаимодействуют электростатической силой Кулона, а взаимодействие тех же зарядов в системе отсчета, движущейся равномерно и прямолинейно относительно "лабораторной", будет определяться дополнительно магнитной силой: 3) все эксперименты по определению скорости света от неподвижных и движущихся источников свидетельствуют, что скорость света в вакууме есть строго определенная конечная величина (нет света более медленного или быстрого), причем, экспериментально не наблюдались скорости макротел или частиц, равные или превышающие скорость света в вакууме.

Дополнительно к названным полезно привести современные опытные факты: 1) в экспериментах по ускорению элементарных частиц на ускорителях различных типов обнаружено, что ни при каких затратах энергии не удается разогнать частицы до скорости света и, тем более, превысить ее; 2) время жизни движущейся элементарной частицы (от рождения до распада) больше времени жизни такой же покоящейся частицы; 3) известен распад элементарной частицы - нейтрального пи-мезона - на два фотона (безмассовые частицы) - здесь явно нарушаются классические законы сохранения массы и энергии.

Все приведенные выше экспериментальные факты из разных областей физики находятся в явном противоречии с основными положениями классической механики и, следовательно, с ньютоновой концепцией пространства и времени. Возникает проблема создания новой фундаментальной модели пространства и времени и новой механики. Каковы возможные пути ее решения?

И здесь рекомендуется кратко обсудить подход Г. Лоренца, связанный с эфирными представлениями, гипотезами сокращения длин и замедления хода часов в движущейся относительно эфира системе отсчета, чтобы сохранить ньютоновы понятия абсолютных пространства и времени [2.33].

Постулаты теории относительности - принцип инвариантности скорости света и принцип относительности - предполагается сформулировать в целом так, как они были сформулированы А. Эйнштейном в работе 1905 г. [1.16, т.1, с.10]. Именно, принцип инвариантности скорости света утверждает, что модуль скорости света в вакууме инвариантен - одинаков во всех инерциальных системах отсчета. Отсюда следует: скорость света не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приемника света. Принцип относительности гласит, что все инерциальные системы отсчета полностью физически равноценны: любые процессы протекают в них одинаково и выражаются одинаковыми физическими законами. Значит, никакими экспериментами принципиально нельзя отличить одну инерциальную систему отсчета от любой другой инерциальной системы отсчета.

При обсуждении постулатов теории относительности следует выяснить с учащимися, почему инвариантность скорости света - не просто факт, а теоретический принцип. Ответ на данный вопрос существенно связан с предельностью скорости света: из принципа инвариантности скорости света и принципа относительности следует, что скорость света имеет смысл предела для скорости любых частиц. Доказательство этого факта основано на том, что относительная скорость инерциальных систем отсчета строго меньше скорости света.

Среди экспериментальных фактов должны быть указаны такие, которые составляют опытное обоснование постулатов теории относительности. К ним относятся эксперименты, подтверждающие независимость скорости света от скорости источника и эксперименты тина Майкельсона-Морли. Знакомство с ними учащихся предполагается кратким в соответствием с пособием [1.58, с 67-69J.

Релятивистский закон преобразования скорости представляет собой следствие предельности скорости света. Его элементарный вывод, основанный непосредственно на постулатах теории относительности и принципе соответствия, предложен автором в [2.3, с.213-214].

Понятие события - центральное понятие теории относительности, т.к. оно предполагает единство пространства и времени. Пространственное расстояние и временной промежуток имеют смысл только для пары событий. Необходимо обратить внимание учащихся на положение об инвариантности события как элементарного физического акта: его пространственно-временная характеристика относительна, а факт свершения абсолютен (не зависит от выбора инерциальной системы отсчета).

После определения понятия собственного времени частицы выводится принципиально важное релятивистское соотношение, выражающее связь собственного времени частицы и времени ее движения. Этот вывод основан на расчете известного простого мысленного опыта, в котором собственное время моделируется временным промежутком между стартом и финишем (в фиксированной пространственной точке) света, распространяющегося в исходной инерциальной системе отсчета вдоль направления, перпендикулярного к вектору относительной скорости двух инерциальных систем отсчета (в одной из них частица покоится, а в другой движется равномерно и прямолинейно) [1.15, с.43].

Далее, после обсуждения интерпретации выведенной формулы и ее экспериментального обоснования определяется инвариантная величина квадрата интервала для пары событий, связанных с частицей [2.3, с.221]. Этот частный релятивистский результат обобщается на случай произвольной пары событий и утверждается в качестве фундаментального положения теории относительности:

пространство и время имеют смысл только во взаимосвязи друг с другом как составляющие единого пространства-времени. Подчеркивается, что если в ньютоновой модели фундаментальны - абсолютны и имеют самостоятельное значение в отдельности пространство и время, то согласно теории относительности фундаментально абсолютное пространство-время. Относительность его составляющих - пространства и времени - есть следствие абсолютности пространства-времени. Такова методология объяснения теорией относительности релятивистских эффектов, экспериментально фиксируемых как эффекты быстрых движений.

Для понимания учащимися сущности теории относительности необходимо в простой и доступной им форме выразить ее исследовательскую задачу, определяющую методологическую функцию теории относительности в физической науке. Именно, нужно сказать, что в уравнениях любой физической теории должна учитываться предельность скорости света, т.к. согласно теории относительности никакие процессы, связанные с передачей энергии и импульса, не могут распространяться в пространстве быстрее света.

Иначе, эти уравнения должны быть согласованы с пространственно-временной моделью теории относительности.

Релятивистская механика - первая теория, построенная с самого начала на основе теории относительности. Ее основной динамический закон отличается от второго закона Ньютона, во-первых, определением импульса, а, во-вторых, понятиями массы и силы. В случае постоянной силы частица движется с переменным ускорением, но так, что за любой конечный промежуток времени ускорения достигаемая ею скорость меньше скорости света [2.32].

Основные модельные объекты релятивистской механики - массовые и безмассовые частицы.

Это обстоятельство означает, что существенными динамическими характеристиками частицы являются взаимосвязанные друг с другом в единой совокупности ее энергия и импульс, причем, их взаимосвязь инвариантна. По существу во взаимосвязи энергии и импульса частицы отражается фундаментальная релятивистская взаимосвязь пространства и времени, определяемая теорией относительности. Отсюда следует: 1) нет в природе таких частиц, импульс и энергия которых могли бы одновременно обратиться в нуль; 2) импульс массовой частицы равен нулю в системе отсчета, связанной с частицей, и тогда обязательно не равна нулю ее энергия, называемая собственной (инвариантной) энергией частицы: 3) ни импульс, ни энергия безмассовой частицы не могут ни вместе, ни в отдельности обратиться в нуль ни в каком случае. Сказанное выражается фундаментальной релятивистской формулой связи энергии, импульса и массы частицы. Простой вывод соотношения между массой и энергией частицы и релятивистской формулы кинетической энергии основывается на соображениях инвариантности и принципе соответствия [2.3, с.226-228], [2.2, с. 133-135], а выражение импульса массовой частицы определяется или из основного закона релятивистской динамики, удовлетворяющего требованию предельности скорости света, или при достаточно сильном контингенте учащихся посредством расчета мысленного опыта по неупругому соударению фотона с массовой частицей [2.2, с.135-139].

Изучение вопроса о связи массы и энергии методически проводится так. Сначала идет речь о формуле собственной энергии частицы, согласно которой ее инвариантная собственная энергия пропорциональна массе. Здесь следует учесть, что, во-первых, говоря о частице, нигде не используется ее "элементарность", и поэтому данная формула применима к любому сложному физическому объекту, состоящему из многих частиц [1.34, с.43]. Во-вторых, здесь не определяется природа собственной энергии, т.е. она может быть физически какой угодно.

Иными словами, рассматриваемая релятивистская формула имеет фундаментальный характер. Для более глубокого выяснения ее смысла нужно рассмотреть совокупность частиц - "суперчастицу". В простейшем случае она состоит из двух частиц. Если они не взаимодействуют друг с другом, то применив формулу собственной энергии для суперчастицы в целом и для каждой из частиц с учетом того, что энергия частицы состоит из собственной и кинематической энергий, получим выражение для массы суперчастицы и соотношение, связывающее суммарную инвариантную собственную кинематическую энергию частиц и соответствующую ей массу, которую можно назвать релятивистской массой [2.3, с.233], [2.57]. Аналогичный результат получается при рассмотрении локальной совокупности связанных частиц [2.3, с.233-234]. Теперь можно сформулировать общий закон связи массы и энергии, гласящий, что любому виду собственной энергии физической системы соответствует инвариантная (релятивистская) масса (и обратно).

В зависимости от контингента учащихся рекомендуется в качестве задачи рассмотреть известный эйнштейновский вывод связи массы и энергии [2.26].

Программа изучения теории относительности в физикоматематических классах (20 ч) Электромагнитное поле и принцип относительности. Эфир и опыт Майкельсона-Морли.

Конечность и предельность скорости света. Опытные основания теории относительности в области ядерной физики и элементарных частиц.

Постулаты теории относительности: принцип относительности и постулат абсолютной (инвариантной) скорости. Основные понятия: событие, инерциальная система отсчета.

Исследовательская задача теории относительности.

Классический закон сложения скоростей и второй постулат теории относительности. Два класса частиц. Релятивистский закон преобразования скорости.

Координатное и собственное время. Относительность одновременности. Связь между собственным и координатным временем. Интервал. Пространство-время.

Ньютонова механика и предельная скорость. Безмассовые и массовые частицы.

Собственная энергия частицы. Соотношение между энергией и импульсом. Релятивистский импульс и масса, кинетическая энергия. Принцип соответствия.

Энергия и масса системы невзаимодействующих частиц. Энергия системы связанных частиц. Релятивистский закон взаимосвязи массы и энергии.

Основное уравнение релятивистской механики. Движение частицы под действием постоянной силы. Работа силы и изменение энергии частицы. Экспериментальное обоснование релятивистской механики.

Функции теории относительности в физической науке. Теория относительности и электродинамика. Релятивистские идеи в оптике. Эффект Доп-плера.

Методическая реализация данной программы осуществлена автором в учебных пособиях [2.3-2.7], [2.8]. Особенности ее таковы:

- проблема создания теории относительности связывается, прежде всего, с электродинамикой и оптикой, но учитываются достаточно убедительные современные факты в области ядерной физики и элементарных частиц;

- гипотеза эфира и опыт Майкельсона-Морли излагаются кратко без соответствующих расчетов (в случае необходимости они могут быть выполнены так, как в [2.31]);

- в постулате об абсолютной (инвариантной) скорости не утверждается, что речь идет исключительно о скорости света - имеется в виду только то, что численное значение абсолютной скорости экспериментально совпадает с численным значением скорости света в вакууме;

- релятивистский закон преобразования скорости избран в качестве центрального пункта развертывания релятивистской схемы, причем, в отличие от [2.3, с.213-214] с учетом состава учащихся он может быть рассмотрен более доказательно [2.2, с.70];

- преобразования Лоренца могут быть при необходимости выведены как обобщение на основе релятивистского закона преобразования скорости [2.3, с.221-222] и далее их можно использовать для доказательства инвариантности интервала и вывода соотношения, связывающего собственное и координатное время;

- в [2.3, с.217-221] построена методика изучения вопросов о собственном времени частицы и интервале без преобразований Лоренца;

- методика изучения релятивистской механики, предложенная в [2.3, с.226-229], основана на классификации частиц на массовые и безмассовые частицы, и она может быть в логическом и доказательном аспектах усилена так, как показано в [2.2, с. 132], где конструктивно применяется в качестве эвристического принцип соответствия;

- в дополнение к методике, реализованной в [2.3], рекомендуется согласно данной программы рассмотреть вопрос о функциях теории относительности в физической науке [2.15], который резюмирует и объединяет весь программный учебный материал;

- конкретной иллюстрацией методологической функции теории относительности является заключительный вопрос программы о релятивистском понимании электродинамики, который дополняется рассмотрением эффекта Доп-плера, убедительно свидетельствующего о плодотворности и экспериментальной обоснованности теории относительности;

- в разделе "Квантовая физика" предполагается на основе теории относительности рассмотреть вопрос о давлении света [2.28] и теорию фотоэффекта [2.25].

Программа изучения теории относительности в гуманитарных Механистическая картина мира и экспериментальные факты о скорости света и о свойствах движения и взаимодействия элементарных частиц. Проблема справедливости принципа относительности для любых физических явлений Постулаты теории относительности: принцип относительности и принцип абсолютности и предельности скорости света. Релятивистская исследовательская программа Пространство и время в теории относительности. Собственное время частицы и время ее движения. Абсолютное пространство-время и относительность его компонент.

Массовые и безмасссовые частицы. Собственная энергия и масса частиц Релятивистский закон взаимосвязи массы и энергии, его экспериментальное обоснование.

Принцип соответствия для классической и релятивистской механик. Методологическая и мировоззренческая функции теории относительности.

Данная программа основана на обязательном минимуме содержания среднего (полного) обшего образования, который может использоваться в общеобразовательных учреждениях гуманитарного профиля [1.43]. Ее методические особенности определяются общей дидактической установкой: изучение физики в гуманитарных классах должно преследовать в первую очередь общеобразовательные и воспитательные цели и ориентироваться на познавательные и мировоззренческие функции физической науки [1.45. с.9]. Это значит, что теорию относительности в таких классах следует изучать, прежде всего, с акцентом на ее идейную сторону - фундаментальность и определяющую роль в формировании современной физической картины мира. Поэтому в качестве отправного пункта принимается резюме механистической картины мира, в основе которой лежит ньютонова концепция абсолютных пространства и времени. Далее суммируются принципиальные особенности классической механики - относительность и неограниченность скорости движения частиц, мгновенность передачи взаимодействия между ними на расстоянии, масса как основное свойство любой частицы, аддитивность массы совокупности частиц.

Обсуждение экспериментальных фактов о скорости света и о свойствах движения и взаимодействия элементарных частиц предполагает знакомство учащихся с результатами опытов по определению скорости света и независимости ее от скорости источника, а также экспериментов по ускорению элементарных частиц и их взаимодействию. Невозможность описания и объяснения этих опытных фактов в рамках классической механики свидетельствует о несостоятельности ее концептуальной основы - ньютоновых представлений о пространстве и времени - и об ограниченности механистической картины мира. Поэтому возникает проблема создания новой теоретической модели пространства и времени, которая могла бы служить фундаментальным основанием физических явлений из весьма обширной предметной области, включающей механику, электродинамику, оптику, ядерную физику и процессы обусловленные взаимодействием элементарных частиц. Эта проблема оказывается связанной с выяснением того, справедлив ли принцип относительности для любых физических явлений из названной предметной области.

Постулаты теории относительности в курсе физики гуманитарных классов формируются в целом традиционным образом (см. выше), но здесь во втором постулате целесообразно объединить вместе два существенных момента -абсолютность и предельность скорости света. Вместе с тем, уместно сделать дополнение о том, что теоретически обобщенный смысл второго постулата заключается в существовании фундаментального предела для скорости распространения взаимодействий и любых движений.

Изучение сущностно-центрального вопроса о пространстве и времени основывается на убедительно экспериментально подтверждаемом релятивистском соотношении, связывающим собственное время частицы и время ее движения. Отсюда элементарно можно получить инвариантность времениподобного интервала и затем произвести его теоретическое обобщение на случай любой пары событий. Таким образом осуществляется аргументированный переход к понятию пространства-времени, абсолютность которого реализуется через относительность его компонент. Основное релятивистское положение теперь формируется так: пространственно-временная структура мира физических событий моделыю представляется пространством-временем теории относительности.

Следует обратить внимание учащихся на то, что релятивистская механика есть первое физическое приложение теории относительности. К ее характерным особенностям относятся утверждение о двух сортах частиц - массовых и безмассовых, связь собственной энергии и массы частицы. Их фундаментальное следствие - релятивистский закон взаимосвязи массы и энергии. Методически важно обсудить его экспериментальное обоснование. После формулировки принципа соответствия [2.3, с.229] для классической и релятивистской механик он иллюстрируется конкретными примерами.

Наконец, завершающий урок должен быть посвящен вопросу о методологической и мировоззренческой функциях теории относительности, что для классов гуманитарного профиля имеет особое значение. В отношении методологической функции теории относительности нужно отметить, что в этой теории разработан строгий и конструктивный общий математический метод построения релятивистской физической теории. Он широко применяется в современной физике. По сути данный метод представляет собой математическую реализацию постулатов теории относительности, иначе - способ построения любой физической теории на основе релятивистского пространства-времени. Говоря о мировоззренческой функции теории относительности, отмечается, что понятие пространства-времени лежит вместе с квантовыми идеями в основе современного научного представления о физическом мире в целом и об определяющих его структуру и эволюцию фундаментальных элементарных сущностях - частицах и квантованных полях.

5. Подготовка студентов педвуза к преподаванию теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях При постановке вопроса о подготовке будущих учителей физики к преподаванию теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях автор исходит из следующего:

- подготовка студентов предполагает два взаимосвязанных аспекта: специально-научный и методический;

- научные основы предмета физики, в частности теории относительности, студенты педвуза изучают в курсах общей и теоретической физики, а его методические основы - в курсе методики преподавания физики;

- успешность (эффективность) педвузовской методической подготовки студентов по теории относительности определяется профессиональной направленностью курсов общей и теоретической физики и тем, что в названных курсах достаточно внимания уделяется методическим вопросам, а курс методики преподавания физики существенно основывается на базовой подготовленности студентов, прежде всего, по теоретической физике;

-курс теоретической физики педвуза имеет особую значимость для методической подготовки будущих учителей, поскольку он по определению предназначен для формирования систематических знаний студентов теорий физики, в частности, теории относительности;

- адекватное представление теории относительности как 4-мерной релятивистской схемы может быть дано только в курсе теоретической физики.

Автор в течение 33 лет читал в Липецком педагогическом институте курс теоретической физики по различным разделам, включающим теорию относительности. За последние годы сложилась следующая его авторская программа, принятая кафедрой теоретической и общей физики ЛГПИ:

Программа дисциплины: теоретическая физика.

Раздел: СТО. Релятивистская механика. Основы ОТО (40 ч) 1. Релятивистская (3+1)-мерная схема Эйнштейна.

История создания СТО. Экспериментальные основы СТО. Постулаты Эйнштейна и преобразования Лоренца. Кинематические следствия преобразования Лоренца: закон преобразования скорости частицы, абсолютность и относительность пространственных расстояний и промежутков времени. Интервал. Классификация интервалов, причинноследственные отношения между событиями.

2. 4-мерная релятивистская схема Минковского.

Мировой постулат Минковского. Пространство событий (пространство-время) Минковского с псевдоевклидовой геометрией. Симметрии пространства Минковского. Группа Пуанкаре.

Принцип относительности.

Определения релятивистских 4-скаляра, 4-вектора, 4-тензоров различных рангов, (3+1)мерное представление 4-величин. Место и роль СТО в физике. Релятивистская исследовательская программа.

3. Релятивистская механика.

4-скорость частицы, закон преобразования ее компонент 4-ускорение, (3+1)-мерное представление его компонент. Релятивистское равноускоренное движение.

Принцип экстремального действия в пространстве-времени Минковского. 4-импульс и его компоненты. 3-мерный импульс и энергия.

4-сила и динамическое уравнение Минковского. (3+1)-мерное представление уравнения Минковского.

4-импульс и инвариантная масса системы невзаимодействующих частиц. Релятивистская масса.

Особенности описания взаимодействия в релятивистской физике, необходимость понятия о поле. Система связанных частиц, ее масса и энергия связи.

Закон взаимосвязи массы и энергии.

4. Классическая модель тяготения.

Гравитационное поле в модели Ньютона. Движение частицы в слабом гравитационном поле.

Уравнение Пуассона. Познавательная ограниченность ньютоновой модели тяготения.

Проблема создания релятивистской теории гравитации. Принцип эквивалентности сил инерции и гравитации. Идея геометризации гравитационного поля.

5. Математические основы релятивистской модели гравитации (ОТО).

Криволинейные координаты в пространстве Минковского. Тензоры относительно произвольных преобразований координат. Расстояния и промежутки времени при выборе криволинейных координат.

Ковариантное дифференцирование. Символы Кристоффеля. Движение частицы в гравитационном поле. Уравнение геодезической линии.

Тензор кривизны Римана и его свойства. Тензор кривизны Риччи и скалярная кривизна.

6. Физические основы ОТО.

Принцип эквивалентности Эйнштейна. Геометризация гравитационного поля.

Постоянное поле тяготения. Связь мирового и собственного времен. Красно-фиолетовое смещение частоты света в гравитационном поле.

Уравнение Эйнштейна. Закон всемирного тяготения как предельный случай уравнений Эйнштейна.

Центрально-симметричное гравитационное поле. Решение Шварцшильда уравнений Эйнштейна. Движение частицы в центрально-симметричном гравитационном поле. Смещение перигелия планеты. Отклонение светового луча в поле тяготения.

Роль ОТО в создании космологических моделей. Проблема построения квантованного гравитационного поля К представленной выше программе необходимо сделать следующие методические пояснения. Специальная теория относительности (СТО) изучается последовательно от (3+1)мерной релятивистской схемы А. Эйнштейна к 4-мерной релятивистской схеме Г.

Минковского. Релятивистская механика строится сразу на 4-мерной основе посредством принципа экстремального действия. Изучение основных положений общей теории относительности (ОТО) предполагается после предварительного анализа особенностей ньютоновой теоретической схемы тяготения с последующим акцентом на принцип эквивалентности и идею геометризации гравитации в рамках риманова пространствавремени. Особое внимание уделяется прикладным вопросам ОТО - эффектам краснофиолетового смещения спектральных линий и искривления пуча света в гравитационном поле. Вопрос о вековом смещении перигелия Меркурия рассматривается в целом качественно на основе решения Шварцшильда гравитационных уравнений Эйнштейна.

Основная цель изучения данного раздела курса теоретической физики -освоение студентами фундаментальных идей СТО и их приложений в механике и в современной теории гравитации. К задачам раздела относится формирование теоретико-методологического мышления студентов, подготовка их к преподаванию релятивистских идей в курсах физики средних общеобразовательных учреждений.

Реализация профессиональной направленности изучения студентами теории относительности проявляется в содержательно-идейной согласованности и преемственности разработанных автором и приведенных выше программ курса теоретической физики педвуза и курсов физики средних общеобразовательных учреждений в части касающейся теории относительности.

При работе студентов над курсом теоретической физики им рекомендуется в качестве обязательной методическая литература по теории относительности, различные школьные учебные пособия. Студентам ставятся методические задачи - проанализировать содержание последних, основываясь на том сущно-стном уровне теории относительности, который соответствует курсу теоретической физики педвуза. На семинарских и практических занятиях студентами выполняются также упражнения из учебных пособий автора [2.3], [2.8].

В течение последних 15-ти лет автор вел в Липецком педагогическом институте спецкурс "Методические вопросы теории относительности", в котором осуществлялась непосредственная подготовка студентов-выпускников к преподаванию теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях. На этом спецкурсе студенты исследовали и разрабатывали под руководством автора различные методические варианты изучения теории относительности в целом и ее отдельных вопросов в школьных курсах физики (обычном и повышенного уровня). Приобретенные на спецкурсе знания и навыки они успешно применяли на педагогической практике.

6. Опытно-экспериментальная работа Опытно-экспериментальная компонента исследования базируется на личном многолетнем опыте преподавания в педвузе и в средних общеобразовательных учреждениях, а также на результатах работы учителей, использующих методические рекомендации и материалы автора.

Цель опытно-экспериментальной части исследования - корректировка теоретически разработанных методических основ изучения теории относительности учащимися в курсах физики общеобразовательных учреждений и студентами в курсе теоретической физики педвуза.

Учитывая, во-первых, особенности предмета изучения - теории относительности и, вовторых, реалии поурочной, строго регламентированной и ограниченной во времени школьной учебной деятельности, в опытно-экспериментальной части исследования ставились следующие основные задачи:

1) выявление недостатков и трудностей традиционного изучения теории относительности, а также типичных ошибок и заблуждений учащихся в трактовке и понимании ее основных положений и результатов;

2) проверка доступности для учащихся различных методических вариантов изучения теории относительности в целом и ее элементов;

3) оценка эффективности новых методических решений и разработок;

4) оценка времени, необходимого для успешного усвоения учащимися программного материала по теории относительности;

5) проверка доступности для студентов и оценка эффективности предлагаемой методики изучения студентами теории относительности в курсе теоретической физики педвуза по авторской рабочей программе.

Доступность для учащихся учебного материала по теории относительности оценивалась на основе умений: 1) воспроизвести содержание учебного материала, 2) применить знания для решения: а) стандартных (типовых) упражнений (в знакомых учебных ситуациях), б) нестандартных задач (в новых, ранее не встречавшихся ситуациях) и при ответах на качественные вопросы, требующие сопоставительного анализа методологических и сущностных особенностей релятивной пространственно-временной концепции в сравнении с классическими представлениями о пространстве и времени.

В качестве показателей эффективности изучения теории относительности служили: 1) аргументированность и доказательность при воспроизведении учебного материала и при ответах на качественные вопросы, 2) понимание логической связи и последовательности релятивистских понятийных элементов в целостной системной структуре теории относительности.

Для проверки доступности в целом программного материала, изучаемого в непрофильных классах по авторской методике, оценивалась доступность таких элементов теории относительности: инвариантность и предельность скорости света, принцип относительности, релятивистский закон преобразования скорости, собственное время, взаимосвязь пространства и времени, релятивистская исследовательская задача, принцип соответствия, основной закон релятивистской динамики, массовые и безмассовые частицы; релятивистские импульс, энергия, масса; связь массы и энергии;

функции теории относительности в физической науке.

В физико-математических классах дополнительно к названным элементам, изучаемым углубленно, проверялась доступность следующих вопросов: проблема создания теории относительности, преобразования Лоренца, интервал, пространство-время, системы невзаимодействующих и связанных частиц, теория относительности и электродинамика (оптика), эффект Допплера.

Проверка доступности учебного материала и соответствующей авторской методики в гуманитарных классах осуществилась при акцентировании следующих элементов:

ограниченность механистической картины мира, предельность и абсолютность скорости света, принцип относительности, релятивистская исследовательская программа, собственное время, принцип соответствия, закон взаимосвязи массы и энергии, методологическая и мировоззренческая функции теории относительности.

На первом этапе опытно-экспериментального исследования (1985-1989 г.г.) ставились задачи: оценить подготовленность учителей к преподаванию теории относительности и уровень соответствующих знаний выпускников средней школы, выявить типичные ошибки и заблуждения учащихся в трактовке (понимании) релятивистских идей, изучить опыт лучших учителей, а также выяснить характер познавательных трудностей, возникающих у учащихся при изучении теории относительности, и методические затруднения, испытываемые учителями, в процессе ее преподавания - при организации учебнопознавательной деятельности учащихся.

В 1985-1989 г.г. автором проводилось анкетирование учителей физики -слушателей курсов повышения квалификации Липецкого областного ИУУ. В анкетировании участвовали учителей средних школ г. Липецка и области. Содержание анкеты составляли вопросы фактического материала по теории относительности - постулаты, преобразования Лоренца, интервал, пространство-время и др., а также вопросы методологического характера - оценка теории относительности в целом, проблема ее создания, место и роль теории относительности в физической науке, принцип соответствия и др. Результаты анкетирования оказались следующими: неудовлетворительные ответы по фактическому материалу в целом дали в среднем 46% учителей (по годам: 1985 г. - 40%, 1986 г. - 46,8%, 1987 г. - 46, 4%, 1988 г. г. - 44%); удовлетворительно на методологические вопросы ответили только 15% учителей. Типичные недостатки в учительских ответах: формально-догматическое воспроизведение по памяти утверждений из школьного учебника, например таких, что "теория относительности - новое учение о пространстве и времени"; непонимание фундаментальной конструктивно-содержательной роли теории относительности в физической науке (в чем она заключается?); ошибочное толкование принципа соответствия (будто утверждающего, что «при малых скоростях теория относительности переходит в ньютонову механику»); неумение объяснить причину релятивистских эффектов (интерпретация их либо как кажущихся, либо как абсолютных - в духе теории Лоренца); непонимание смысла (и целесообразности) введения понятия релятивистской массы ("закона зависимости массы частицы от скорости движения"), закона взаимосвязи массы и энергии и др.

На занятиях курсов ИУУ, проводимых автором, обнаружилось также, что подавляющее большинство учителей физики не в состоянии применить свои знания теории относительности при решении расчетных задач в два и более действий. Учителя объясняли этот факт тем, что из-за незначительности числа часов, отводимых в школе на изучение теории относительности, они практически не решают с учащимися задачи по данной теме.

Поэтому у них самих отсутствуют соответствующие навыки. Кроме того, в известных методических и учебных пособиях нет учебных задач по теории относительности, отвечающих стандартным дидактическим требованиям.

В тот же период (1985-1989 г.г.) автор проводил анкетирование студентов первого курса физико-математического факультета Липецкого государственного педагогического института, в котором в итоге участвовали 500 выпускников средней школы. В анкету входили вопросы, во-первых, ориентированные на содержание и уровень изложения теории относительности в школьном учебнике, во-вторых, затрагивающие понимание ее основных положений - требование не сформулировать, а разъяснить своими словами смысл постулатов теории относительности и их следствий, ответить на некоторые методологические вопросы, связанные с теорией относительности и носящие общий познавательный характер.

Принимая во внимание явно недостаточную специально научную и методическую подготовленность учителей к преподаванию теории относительности и то, как теория относительности представлена в школьном учебнике, результат анкетирования выпускников средней школы констатировал очевидное следствие названных причин - низкий уровень знаний школьниками теории относительности. Из 500 анкетированных студентов первого курса ответы только 14% из них могли быть в целом оценены удовлетворительно; на вопросы, где достаточно было продемонстрировать лишь формальное воспроизведение по памяти учебного материала, удовлетворительно ответили 57% студентов, однако только 10% студентов пытались разъяснить смысл релятивистских положений; наконец, можно было признать удовлетворительными лишь около 5% ответов на вопросы методологического характера.

В итоге теоретического и опытного изучения состояния вопроса в период 1985-1989 г.г.

автор пришел к выводу, определившему рабочую гипотезу и направление дальнейшего исследования: методика изучения теории относительности в средней школе должна строиться, исходя из подлинно научной сущности теории относительности, на основе онтодидактического анализа ее содержания с учетом историко-пропедевтического аспекта и с обязательным дидактическим отражением фундаментальных роли и функций теории относительности в физической науке.

На втором этапе (1990-1994 г.г.) основная задача опытно-экспериментальной работы заключалась в опытной проверке и соответствующей дидактической корректировке теоретически разработанной автором методики изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях. Цель этой работы - определить дидактически эффективные основы такой методики, удовлетворяющие требованию доступности учебного материала. В качестве критерия доступности было принято следующее условие: изучаемый школьниками материал по теории относительности им доступен, если успеваемость учащихся, оцениваемая по результатам соответствующей итоговой контрольной работы, не ниже их средней успеваемости при выполнении проверочных заданий по предшествующему разделу курса физики - электродинамике. Эффективность изучения теории относительности, проявляемая в должной аргументированности учащимися своих ответов и в понимании ими методологической целостности теории относительности, учитывалось оценкой успеваемости (не ниже "4" баллов).

При организации и проведении опытно-экспериментальной работы не ставилась задача сравнения традиционной методики, основанной на материале стабильного школьного учебника [1.68] (см. также [1.20]), и методики, разработанной автором, поскольку их опытное сравнение заведомо не имело смысла по причинам тех явных научных и методологических недостатков традиционной методики, о которых сказано в диссертации выше, поэтому в опытно-экспериментальной работе контингент учащихся не делился на экспериментальные и контрольные классы так, как традиционно принято делать в педагогических исследованиях. Автор сравнивал влияние частных методических решений конкретных релятивистских вопросов на общий результат - усвоение учащимися идей и результатов теории относительности как целостной (системной) познавательной структуры.

Такое сравнение осуществлялось при сопоставлении успеваемости учащихся по теории относительности по годам опытно-экспериментальной работы, когда применялись те или иные методические способы и приемы реализации исходной онтодидактической концепции автора. Кроме того, в живом общении с учащимися на уроке автор и учителя непосредственно оценивали осознанность восприятия школьниками отдельных релятивистских результатов и логики доказательного развертывания релятивистской теоретической схемы в целом.

По дидактическим материалам и методике автора в 1990-1994 г.г. работали опытные учителя физики средних общеобразовательных учреждений г. Липецка- Т.В. Бобылкина (лицей № 44), В.П. Тонких и Т.В. Меньшикова (гимназия № 12), Т.Н. Комарова (гимназия № 1), В.В.

Чупрынина (среднее общеобразовательное учреждение № 5), О.В. Иванова (среднее общеобразовательное учреждение № 14). В эти годы автор лично вел уроки по теории относительности в названных средних общеобразовательных учреждениях.

Избранные для опытно-экспериментальной работы классы разных средних общеобразовательных учреждений были сходными по уровню предшествующей подготовленности учащихся и практически не отличались по всем другим показателям (материальной базой кабинетов физики, квалификацией учителей). Знания учащихся во всех случаях оценивались по общепринятой пяти-бальной шкале оценок (в соответствии с их известными критериями).

Первый вариант авторской методики проверялся в опытно-экспериментальной работе в 1990/91 учебном году. Она проводилась в непрофильных классах и дала результаты, представленные в таблице 1: учебный материал по теории относительности, связанный с вопросами 1, 4, 6, 8. 9 требовал методических корректив, т.к. он оказался не вполне доступным значительной части учащихся из-за декларативности, недостаточной доказательности, формализма, что явилось следствием определенных изъянов в системности и логической последовательности изучения теории относительности.

В 1991/92 учебном году апробировался скорректированный автором вариант методики, в котором значительно яснее и лаконичнее ставилась проблема создания теории относительности, более аргументирование вводился релятивистский закон преобразования скорости и на его основе осуществлялся переход к обсуждению релятивистских свойств пространства и времени; обоснование релятивистских понятий импульса, энергии и массы строилось непосредственно на постулатах теории относительности и принципе соответствия.

Кроме того, существенно больше учебного времени отводилось здесь на решение содержательных задач по теории относительности, составленных автором.

Результаты опытно-экспериментальной работы в 1991/92 учебном году свидетельствуют, что предложенная автором программа по теории относительности для непрофильных классов (см. выше) и разработанная им на ее основе методика доступны учащимся и позволяют достичь достаточно высокого уровня эффективности изучения теории относительности.

Опытно-экспериментальная работа в 1992/93 и 1993/94 учебных годах проводилась в классах с углубленным изучением физики. В первом варианте соответствующей методики, примененной в 1992/93 учебном году, в качестве центрального пункта изучения теории относительности были приняты преобразования Лоренца, выводимые из постулатов теории относительности известным способом (см., например, [1.3, 1.15, 1.58]). Результаты опытной проверки этого варианта методики (таблица Г) показали, что вывод преобразований Лоренца из постулатов теории относительности и построенное на них изучение теории относительности порождает определенный формализм знаний учащихся, кроме того, такой в значительной степени математизированный методический подход оказался не вполне доступным ряду учащихся и он требовал значительных затрат учебного времени. Вместе с тем опытно была подтверждена общая методологическая установка автора - строить системное изучение теории относительности как общефизической теории с раскрытием ее фундаментальных функций в физической науке. Учителя, проводившие опытноэкспериментальную работу по методике автора, отметили также полезность и эффективность пропедевтического подхода при постановке проблемы создания теории относительности После корректив методики, а именно, построения ее на основе релятивистского закона преобразования скорости (так, как осуществлено в [2.3]), а также при отведении значительно большего учебного времени на решение задач, она была апробирована в классах с углубленным изучением физики в 1993/94 учебном году.

Сравнение результатов опытно-экспериментальной работы в 1993/94 учебном году с результатами, полученными в 1992/93 учебном году, свидетельствуют в пользу сделанных методических корректив: были заметно повышены доступность и эффективность изучения как отдельных вопросов, так и теории о гноси гельности в целом (таблица 1).

После первого издания в 1994 г. учебника "Физика -11" (под редакцией А. А. Пинского) [2.3] апробирование методических основ изучение теории относительности в курсе повышенного уровня, разработанных автором и представленных в главе 5 названного пособия, осуществлялось в 1995/96 - 1998/99 учебных годах с контингентом учащихся порядка 150 тысяч (оценивая по суммарному тиражу учебного пособия, выдержавшего 4 издания в период 1994 -1999 г.г.). Известные автору экспертные оценки авторской методики учителями городов Липецка, Тамбова, Пскова, Санкт-Петербурга, Москвы в целом положительные. Учителя отмечают достаточно высокий научный уровень главы 5 учебного пособия [2.3] и вместе с тем доступность соответствующего учебного материала и эффективность его изучения учащимися. Согласно их оценке эти параметры доступности и эффективности - как минимум здесь не ниже тех же параметров, относящихся к изучению остальных разделов пособия [2.3], а также других естественных школьных предметов - математики и химии.

Таким образом, результаты опытно-экспериментальной работы автора и учителей г.

Липецка, а также массовый педагогический опыт по учебному пособию [2.3], подтверждают гипотезу исследования: теория относительности как базовая наука обладает достаточным онтодидактическим арсеналом для ее адекватного методического выражения и эффективного изучения в курсах физики средних общеобразовательных учреждений.

В 1994/95 - 1995/96 учебных годах автором, а также учителями Липецких средних общеобразовательных учреждений (№ 1, 5, 12, 14, 44) проверялись программа и соответствующая ей авторская методика изучения теории относительности в классах гуманитарного профиля. Данные и результаты этой опытно-экспериментальной работы, представленные в таблицах 2, 3, подтверждают гипотезу исследования.

Оценка статистического уровня достоверности вывода о значимости различия в качестве изучения теории относительности по сравниваемым вариантам методики производилась на основе критерия хи-квадрат - одного из методов математической статистики, применяемого для сравнения двух независимых выборок [1.70]. Из совокупности контрольных работ способом случайного отбора выделялись выборки классов, обучавшихся по первому варианту методики, (выборка 1) и классов, обучавшихся по скорректированной методике (выборка 2) (т.е. выборки 1, 2 соответствовали двум последовательным учебным годам, см. таблицу 3).

Выбранные контрольные работы распределялись на три категории: к первой категории относились работы, оцененные баллами "1" и "2", ко второй -работы, оцененные баллом "3", к третьей - работы, оцененные баллами "4" и "5". Статистическая обработка данных таблицы 3 заключалась в проверке двух гипотез:

- нулевая гипотеза HQ: различие уровней знаний теории относительности учащихся, соответствующих двум названным выборкам, статистически не значимо на уровне значимости а = 0,05;

- альтернативная гипотеза Н1: различие двух выборок контрольных работ статистически значимо на уровне значимости а - 0, 05, т.е. вероятность того, что скорректированная методика изучения теории относительности соответствует повышению уровня знаний учащихся составляет 0,95.

Подсчет значения двустороннего критерия статистики Тнабл (по соответствующей формуле [1,70, с. 101]) в случаях классов различной ориентации дал величины, указанные в таблице 3. Критическое значение (согласно таблице хи -квадрат с двумя степенями свободы на уровне значимости а = 0,05) Ткрит = 5,991. Так как Тнабл > Ткрит нулевая гипотеза отклоняется на уровне значимости а = 0,05 во всех случаях (таблица 3) и принимается альтернативная гипотеза.

Опытно-экспериментальная работа автора по разработке программы и методики изучения студентами специальной теории относительности, а также элементов ОТО, их корректировке и совершенствованию преследовала цель усилить профессиональную направленность курса теоретической физики педвуза - максимально способствовать научно-методической подготовке будущих учителей. Эта работа заняла период времени 1975-1999 г.г. и протекала в рамках должностных обязанностей автора как преподавателя кафедры теоретической и общей физики Липецкого государственного педагогического института. В течение данного времени автором апробировались различные программы и методические решения. Сравнение их эффективности и влияния на качество знаний студентов осуществлялось по результатам семестровых экзаменов. Представленная выше программа "Специальная теория относительности. Релятивистская механика.

Элементы ОТО" - итог многолетних теоретических и опытно-экспериментальных исследований автора. Результаты семестровых экзаменов в целом свидетельствуют о ее доступности студентам педвуза, достаточности и методической эффективности как для изучения других разделов курса теоретической физики, так и для курса методики преподавания физики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В итоге проведенного исследования были решены все поставленные в нем задачи. Их решения определяют следующие полученные автором результаты. Именно, на основе осуществленного в исследовании научного, методологического и онтодидактического анализа содержания теории относительности и анализа различных методик ее изложения, предлагавшихся в диссертационных исследованиях и в известных учебных изданиях и монографиях, выявления трудностей изучения и преподавания теории относительности в практике школы и педвуза и выяснения причин, порождающих эти трудности:

- определена и сформулирована методическая концепция изучения теории относительности, посредством реализации которой были созданы новые конкретные программы и методики для непрофильных классов, классов с углубленным изучением физики и классов гуманитарного профиля, а также методики изучения релятивистских вопросов по всему курсу физики (от релятивистской механики до релятивистской теории гравитации; для последней в ознакомительном плане);

- составлены оригинальные содержательные учебные задачи и упражнения по специальной и общей теории относительности, предназначенные для обеспечения активной познавательной деятельности учащихся и эффективного освоения ими релятивистских идей;

- написаны учебные пособия (с грифом МО) по теории относительности и ее различным физическим приложениям для классов с углубленным изучением физики, что позволило внедрить результаты исследования в практику преподавания в школе и в педвузе;

- для обеспечения должной профессиональной подготовки будущих учителей физики разработаны программа и соответствующая методика изучения специальной и общей теории относительности в курсе теоретической физики педвузов.

Результаты выполненного исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Противоречия и трудности изучения и преподавания теории относительности в курсах физики средних общеобразовательных учреждений различного профиля связаны прежде всего с тем, что в традиционных методиках и основанных на них учебных материалах не нашли должного научно-адекватного и дидактически-адаптированного отражения сущность теории относительности как общефизической релятивистской концепции пространствавремени, ее фундаментальные функции и роль в физической науке, общекультурная интеллектуальная ценность и прикладная значимость в создании современных технологий и технических устройств (не только ускорителей элементарных частиц и ядерных реакторов, но и радио, телевидения, компьютеров, радиолокационных систем и др.).

Недостатки знаний учащихся теории относительности методически запрограммированы ее традиционным преподаванием, когда теория относительности представляется незначительным эпизодическим включением в курс физики, не определяющим в целом ни его содержания, ни структуры. Кроме того, она изучается здесь фрагментарно, элементно, а не как единая теоретическая схема, логически объединяющая систему исходных понятий, постулатов (гипотез), сущностного ядра и следствий. Бездоказательность, догматизм и формализм такого подхода отрицательно сказываются на познавательной активности учащихся и соответственно на уровне их знаний.

2. Основными методическими условиями, обеспечивающими успешность изучения теории относительности учащимися средних общеобразовательных учреждений, являются:

- акцентное и последовательное раскрытие соответственно профилю класса содержания и взаимосвязи элементов, составляющих инвариантное методическое ядро учебного материала по теории относительности;

- системное представление теории относительности в учебном предмете физики как целостной теоретической концепции пространства-времени, лежащей в основе релятивистской физики;

- организация активной познавательной деятельности учащихся посредством систематического и целенаправленного решения специально составленного комплекса содержательных качественных и количественных задач;

- создание положительного эмоционального настроя учащихся проблем-ностью постановки каждого изучаемого вопроса теории относительности, целевой установкой, обращением к интересным историческим моментам, при использовании дискуссионной и диалогичной форм учебной деятельности, прогностичностью результатов, оценкой логикоструктурных особенностей теории, ее технико-прикладной значимостью.

3.Демонстрация фундаментальности и конструктивной эффективности релятивистских идей может быть методически успешно осуществлена в общеобразовательном курсе углубленного изучения физики при рассмотрении эффекта Допплера, фотоэффекта, эффекта светового давления, ядерных реакций и явлений взаимодействия элементарных частиц, а также вопроса о квантово-релятивистских основаниях корпускулярно-волновой гипотезы Луи де Бройля.

4. Профессиональная подготовка студентов педвуза по теории относительности предполагает:

- изучение теории относительности последовательно в рамках соответственно (3+1)мерного и 4-мерного описаний;

- явное отражение в педвузовской программе и в содержании обучения студентов по курсу теоретической физики научно-методического инвариантного ядра теории относительности на соответствующем данному курсу уровне и. таким образом, обеспечение его согласованности с курсом методики преподавания физики, что позволит осуществить в последнем профессионализацию теоретических знаний студентов и их должную методическую подготовленность к преподаванию теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях;

- изучение основ общей теории относительности (релятивистской теории гравитации) с акцентом на ее фундаментальные особенности, идеи, связь со специальной теорией относительности, прикладные аспекты и, наконец, с выявлением методических возможностей (способов и средств) изучения основ общей теории относительности в общеобразовательном курсе углубленного изучения физики [2.7, с.136-171].

5. Педагогический эксперимент подтвердил правильность выдвинутой гипотезы исследования о том, что системное изучение теории относительности как фундаментальной теории пространства-времени с содержательным и последовательным раскрытием ее функций, а также при осуществлении поэтапных переходов от классической концепции пространства, времени и движения к релятивистским (3+1)-мерной и 4-мерной схемам при варьировании различных способов доказательств и выводов соответственно уровню курса физики, создает объективные возможности для существенного повышения качества изучения и преподавания теории относительности и физики в целом как учащимися средних общеобразовательных учреждений, так и студентами педвузов.

Разработанные автором учебные программы и методики изучения теории относительности широко используются в педагогической практике учителей физики средних общеобразовательных учреждений различного профиля и преподавателей педвузов.

Перспективы дальнейшей разработки и практической реализации вопроса о методических основах изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях и педвузах связаны с продолжением исследований с целью найти оптимальные во всех отношениях методические средства преподавания основ общей теории относительности и с соответствующим обновлением содержания учебных пособий.

1. Список цитируемых трудов (в порядке следования ссылок) 1. Фейман Р. Характер физических законов. - М.: Мир, 1968. - 231с.

2. Пинский А.А. Релятивистские идеи в преподавании физики: Автореф. Дис....д-рапед.

наук. -М., 1974. -27с.

3. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики: Учеб. пособие в двух томах. -3 -е изд., перераб. - М.: Наука, 1981. т. 1 - 480с, т.2 - 448с.

4. Давыдов В.В. Виды обобщения в обучении. - М.: Педагогика, 1972. - 423с.

5. Разумовский В.Г. Развитие творческих способностей учащихся: Пособ. Для учителей. М.: Просвещение, 1975. - 272с.

6. Мултановский В.В. Проблема теоретических обобщений в курсе физики средней школы.

Автореф. дисс....докт. пед. наук. - М.: НИИ СиМО АПН СССР, 1979.-44с.

7. Соколовский Ю.И. Онтодидактический арсенал методики физики // Физика в школе. С. 54 - 58.

8. Бонди Г. Гипотезы и мифы в физической теории. - М.: Мир, 1972. - 103с.

9. Паули В. Теория относительности. - М.-Л.: ГИТТЛ, 1947. - 300с.

10. Фок В.А. Теория пространства, времени и тяготения. — М.: ГИФМЛ, 1961. — 563с.

11. Меллер К. Теория относительности. - М.: Атомиздат, 1975. - 400с.

12. Румер Ю.Б., РЫБКИН М.С. Теория относительности. - М.: Учпедтиз, 1960. -212с.

13. Мандельштам Л.И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М.: Наука, 1972. -437с.

14. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. - М.: Высш. шк., 1976. -416с.

15. Угаров В.А. Специальная теория относительности. - М.: Наука, 1977. -384с.

16. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. В 4-х тт./ Под ред. И.Е. Тамма и др. - М.: Наука, 1965 - 67, т. 1, 1965. - 760с.; т.2, 1966. - 878с.

17. Соколовский Ю.И. Начала теории относительности. - М.: Просвещение, 1970.-158с.

18. Ломизе Л.Г. Из школьной физики - в теорию относительности. - М.: Просвещение, 1991.с.

19. Трофимова Т.И. Курс физики: Учебник для студ. вузов. - М.: Высш. шк., 1985.-432с.

20. Методика преподавания физики в средней школе / Под ред. С.Е. Каменец-кого, Л.А.

Ивановой. - М.: Просвещение, 1987. - 336с.

21. Философские вопросы современной физики // Сборник материалов совещания по вопросам современной физики. - Киев: Изд-во Акад. наук УССР, 1956. -252с.

22. Демин В.Н. Принципы материалистической диалектики в научном познании. - М.: Издво МГУ, 1979. - 184с.

23. Бриллюэн Л. Новый взгляд на теорию относительности. - М.: Мир, 1972. -142с.

24. Логунов А.А. Лекции по теории относительности и гравитации: Современный анализ проблемы. - М.: Наука, 1987. - 272с.

25. Борн М Физика в жизни моего поколения. - М.: НИЛ, 1963. - 329с.

26. Принцип относительности // Сборник работ по теории относительности. -М.: Атомиздат, 1973. - 332с.

27. Гинзбург В.Л. Как и кто создал теорию относительности? // Эйнштейновский сборник, 1974. - М.: Наука, 1975. - С. 351 - 384.

28. Лорентц Г.А. Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения. - М.: ГИТТЛ. 1953. —472с.

29. Бом Д. Специальная теория относительности. - М.: Мир, 1967. - 285с.

30. Пуанкаре А. Избранные труды. В 3 - х т. Т.З. - М.: Наука, 1974. - 772с.

31. Окунь Л.Б. Понятие массы (масса, энергия, относительность) // Успехи физических наук.

- 1989. - т.] 58, вып.З. - С.511 - 32. Природа научного открытия // Отв. ред. B.C. Готт. - М.: Наука, 1986. - 303с.

33. Бергман П.Г. Введение в теорию относительности. - М.: ГИИЛ, 1947. -380с.

34. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теоретическая физика, т.2: Теория поля. - М.: Наука, 1973.с.

35. Тоннела М.-А. Основы электромагнетизма и теории относительности. - М.: НИЛ, 1962.с.

36. Медведев Б.В. Начала теоретической физики. - М.: Наука, 1977. - 496с.

37. Савельев И.В. Основы теоретической физики, т.1. -М.: Наука, 1991. - 496с.

38. Петров Ю.А. Методологические проблемы теоретического познания. - М.: Изд-во МГУ, 1986. Синг Дж. Беседы о теории относительности. М.: Мир, 1973. - 168с.

40. Франкфурт У.И. Специальная и общая теория относительности. - М.: Наука, 1968.-331с.

41. Ахундов М.Д. Пространство и время в физическом познании. - М.: Мысль, 1982.-253с.

42. Программы восьмилетней и средней школы. Физика. Астрономия. — М.: Просвещение, 1981.-45с.

43. Обязательный минимум содержания среднего (полного) общего образования // Физика в школе. - 1999. - № 6. - С. 4 - 5.

44. Стручков В.В., Яворский Б.М. Вопросы современной физики. - М.: Просвещение, 1973. с.

45. Пинский А.А. Исходные принципы прогнозирования физического образования // Проблемы прогнозирования физического образования в средней школе. Сборник научных трудов. -- М.: Изд-во АПН СССР, 1986. - С. 4 - 16.

46. Педагогика: педагогические теории, системы, технологии / Под ред. С.А. Смирнова. - М.:

Изд. центр " Академия", 1999. - 512с.

47. Кураев В.И., Лазарев Ф.В. Точность, истина и рост знания. - М.: Наука, 1988.-237с.

48. Каленков С.Г., Соломахо Г.Н. Практикум по физике. Механика / Под ред. А.Д. Гладуна. М.: Высш. шк., 1990. - 110с.

49. Рассел Б. Человеческое познание: Его сферы и границы / Пер. с англ. - К.: Ника - Центр, 1997. - 556с.

50. Гинецинский В.И. Знание как категория педагогики: Опыт педагогической когитологии. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1989. - 142с.

51.Полани М. Личностное знание. На пути к посткритической философии / Пер. с англ. - М.:

Прогресс, 1985. - 344с.

52. Дирак П.А.М. Принципы квантовой механики. Пер. с англ. - М.: Наука, 1979.-480с.

53. Пинский А.А., Разумовский В.Г. Метод модельных гипотез как метод познания в науке и школе // Наука и школа. - 1997. № 4. -С.2 -7.

54. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. В 4-х т.т.4 - М.: Наука, 1967. -590с.

55. Пономарев Л.И. Под знаком кванта. - М.: Сов. Россия, 1984. - 352с.

56. Свитков Л.П. Методологические основы системы знаний и методов преподавания термодинамики и молекулярной физики в средней школе. Дисс. в виде научного доклада... дра пед. наук. - М.: МПУ, 1995. - 61с.

57. Кнойбюль Ф.К. Пособие для повторения физики. Пер. с нем. - М.: Энерго-издат, 1981.с.

58. Малинин А.Н. Теория относительности в задачах и упражнениях. Книга для учителя. М.: Просвещение, 1983. - 175с.

59. Мостепаненко A.M. Пространство-время и физическое познание. - М.: Атомиздат, 1975.с.

60. Саенко П.Г. Физика - 9. - М.: Просвещение, 1990. - 172с.

61. Степин B.C. Становление научной теории: Содержательные аспекты строения и генезиса теоретических знаний физики. - Мн.: Изд-во БГУ, 1976. - 320с.

62. Бердяев Н.А. Философия свободы. Смысл творчества. М.: Правда, 1989. -607с.

63. Ланжевен П. Избранные произведения. Статьи и речи по общим вопросам науки / Пер. с франц. под ред. И.В. Кузнецова. - М.: НИЛ, 1949. - 438с.

64. Суханов А.Д. Фундаментальный курс физики. В 4-х т. - т.1. Корпускулярная физика. М.: Изд-во "Агар", 1996. - 536с.

65. Петров Ю.А. Азбука логического мышления. - М.: Изд-во МГУ, 1991. — 104с.

66. Кун Т. Структура научных революций. - М.: Прогресс, 1977. - 301с.

67. Мултановский В.В. Курс теоретической физики. Классическая механика. Основы специальной теории относительности. Релятивистская механика. - М.: Просвещение, 1988.с.

68. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика. Учеб. Для 11 кл. общеобразоват. учреждений - 3-е изд. - М.: Просвещение, 1995. - 254с.

69. Савельев И.В. Курс физики. Учеб. В 3-х т. Т.1. Механика. Молекулярная физика. - М.:

Наука, 1989. - 352с.

70. Грабарь М.И., Краснянская К.А. Применение математической статистики в педагогических исследованиях. Непараметрические методы. - М.: Педагогика, 1977.- 136с.

71. Пинский А.А. Преобразования координат, удовлетворяющие принципу относительности // Физика в школе. - 1995. -№ 2. - С. 65-69.

2. Публикации автора по теме исследования 1. Методы физического познания (философский и дидактический аспекты). -Тамбов: Изд-во ТГУ им. Г. Р. Державина, 1999. - 170 с.

2. Методические вопросы теории относительности. -Липецк: Изд-во ЛГПИ, 2000. -267 с.

3. Физика: Учебник для 11 кл. шк. и классов с углубл. изуч. физики / Под ред. А. А.

Пинского. Глава 5: Элементы теории относительности. - М.: Просвещение, 1994.-С. 206-240.

4. То же, 2-е издание. - М.: Просвещение, 1995. - С. 206-240.

5. То же, 3-е издание. - М.: Просвещение, 1998. - С. 206-240.

6. То же, 4-е издание. - М.: Просвещение, 1999. - С. 206-240.

7. То же, 5-е издание. -.М: Просвещение, 2000. - С. 206-240.

8. Элементы теории относительности и ее физических приложений: Учебное пособие для школ и классов с углуб. изуч. физики (гриф МО). - Липецк: Изд-во ЛГПИ, 1999.-280с.

9. Теоретические модели физики. - Липецк: Изд-во учебно-обр. центра ЛГПЙ "Педагог", 1999.-117с.

10. Методы научного познания и физическая картина мира (в вопросах и ответах). - Липецк:

Изд-во ЛГПУ, 2000 75с.

11. Теоретические модели физики // Программы курсов по выбору. Сборник 1/Часть 2. Липецк: Изд-во ЛГПИ. 1998. - С. 315-319.

12. Релятивистская теория гравитации // Программа курсов по выбору. Сборник 2/Часть!.Липецк: Изд-во ЛГПИ, 1998.-С. 164-169.

Статьи в журнале "Физика в школе" и других периодических изданиях 13. О сущности релятивистского эффекта относительности длины //Физика в школе. - 1986. С. 52-54.

14. К методике изложения некоторых вопросов механики //Физика в школе. -1988-№4. -С.

51-58.

15.Функции специальной теории относительности в физической науке // Физика в школе. С. 76-80.

16. К методике изложения основ релятивистской динамики. // Физика в школе.

-1990.-№4.-С. 30-35.

17. К методике обоснования и анализа содержания релятивистского закона преобразования скорости // Физика в школе. - 1991. - № 2. - С. 40-44.

18. Об ошибках и заблуждениях в различных трактовках релятивистских свойств времени // Физика в школе. - 1993. - № 2. - С. 39-45.

19. Познавательный характер учебной физической задачи // Физика в школе.

-1993.-№5.-С. 26-30.

20. Квантово-релятивистское основание идеи де Бройля о корпускулярноволновом дуализме материальных частиц // Физика в школе. - 1994. - № 2. - С.

47-51.

21. О понятии "релятивистская масса" // Физика в школе. - 1994. - № 4. - С. 46Теория относительности и скорость света //Физика в школе. - 1995. - № 1. С. 61-65.

23. Методологические и дидактические вопросы содержания механики Ньютона // Физика в школе. - 1995. - № 4. - С. 53-60.

24. Об одном "опровержении" специальной теории относительности // Физика в школе. С. 18-19.

25. К методике изложения теории фотоэффекта // Физика в школе.-1996.-№ 1.

-С. 24-25.

26. К методике вывода закона взаимосвязи массы и энергии // Физика в школе.

-1996. -№ 2. - С. 24-26.

27. К релятивистскому обобщению теоремы Кенига // Известия высших учебных заведений.

Физика. - 1996. - № 8. - С. 119-120.

28. К методике изложения вопроса о давлении свега // Физика в школе. - 1997.

-№1.-С.26-28.

29. Методика введения понятия предельной скорости в теории относительности // Физика в школе. - 1997. - № 2. - С. 36-39.

30. Теоретическая схема ньютоновой динамики // Физика в школе.-1997. -№5.

-С. 65-72.

31. Выдающийся физический эксперимент (110 лет опыту Майкельсона-Морли) // Физика в школе. - 1997. - № 6. - С. 22-26.

32. Возможно ли релятивистское равноускоренное движение? // Физика в школе.-1998.-№4. С. 54-55.

33. Эфирно-классическая модель Лоренца и специальная теория относительности Эйнштейна// Физика в школе. - 1999. - № 2. - С. 51-55.

34. Релятивистский смысл радарного эффекта // Физика в школе. -1999. - №.3. -С. 48-50.

35. Проблемно-познавательные вопросы к учебному материалу по классической механике // Физика в школе. - 1999. - № 4. - С. 25-27.

36. Познавательная функция физического эксперимента // Физика в школе. -2000.-№!.-С. 68Методология научного познания в постановке и решении учебных физических задач // Физика в школе. - 2000. - № 5. - С. 61-66.

Статьи в сборниках докладов научных конференций, семинарах, совещаний, научных трудов 38. Эмпирические и теоретические понятия в содержании школьного курса физики // Совершенствование процесса формирования научных понятий у учащихся школ и студентов педвузов. Тезисы докладов Всесоюзной научно-практической конференции.- Челябинск:

Изд-во ЧГПИ, 1986. - С. 16-11.

39. Методология научного познания в содержании школьных учебников физики // Теория и практика создания школьных учебников. Тезисы Всесоюзной научно-практической конференции. - М.: Просвещение, 1988. - С. 296-297.

40. Методические замечания к содержанию второго постулата специальной теории относительности // Физический обзор, т. 18. - Братислава (ЧССР): Альфа, 1989.-С. 17-24.

41. Методология научного познания и проблемное обучение физике // Тезисы докладов Всесоюзной научно- методической конференции (3-5 сентября 1990 г.). - Донецк: Дон ГУ, 1990. - С. 13-15.

42. К методике теоретического введения и методологического обоснования понятий импульса и энергии частицы в релятивистской динамике // Проблемы содержания и методов обучения физике в вузе и школе. Сборник научных трудов.

- Липецк: Изд-во ЛГПИ, 1991. - С. 18-27.

43. Методологические особенности классической пространственно-временной теоретической концепции // Там же. - С. 27-36.

44. Об одном принципиальном заблуждении в трактовке специальной теории относительности //' Материалы итоговой конференции ЛГПИ за 1994 г. - Липецк: Изд-во ЛГПИ, 1995. - С. 51-52.

45. К дидактическому прогнозу содержания школьного курса физики в XXI веке//Там же. С. 18-19.

46. Динамика безмассовой частицы // Проблемы физики и технологии ее преподавания. Вып.

1. - Липецк: Изд-во ЛГПИ, 1996. - С. 20-22.

47. Расчет вихревого оптического эффекта Гарреса-Саньяка в неинерциальной системе отсчета // Там же. - С. 23-25 (соавтор А. А. Пинский).

48. К методике решения олимпиадной физической задачи //Там же. - С. 72-74.

49. Проблемы преподавания физики в средней школе // Совершенствование методики преподавания физики в непрерывной системе образования. Сб. Трудов межвуз. научнопрактической конференции. - Тамбов: Изд-во ТГУ, 1996. - С. 56-58.

50. Об адекватном выражении новой физической теории // Проблемы физики и технологии ее преподавания. Вып. 2. - Липецк: Изд-во ЛГПИ, 1997. - С. 13-28.

51. Массовая фиктивная частица и эффект Допплера // Там же. - С. 29-31.

52. О средней скорости света (к содержанию второго постулата СТО) // Там же.

-С. 103-110.

53. К проблеме нового в непрерывном образовательном процессе // Проблемы инновационного образования в системе подготовки учительских кадров. - Липецк: Изд-во ЛГПИ, 1998. - С. 33-36.

54. К преподаванию основ СТО в школьном и вузовских курсах физики // Совершенствование теории и методики обучения физике в системе непрерывного образования.

Сб. Трудов 2-й межвузовской научно-практической конференции.

- Тамбов: Изд-во ТГУ, 1998. - С. 50-53.

55. Эквивалентны ли 4-мерное и (3+1)-мерное релятивистские описания // Проблемы физики и технологии ее преподавания. Вып. 3. - Липецк: Изд-во ЛГПИ, 1998.-С. 25-41.

56. Классическая и релятивистская многоступенчатые ракеты // Там же. - С. 113-116.

57. Масса и собственная кинетическая энергия совокупности свободных частиц //Там же.-С.

106-112.

58. К преподаванию основ наук в школе и вузе // Ученые записки, вып.2. Сборник научи, трудов преподавателей ЛГПИ. - Липецк: Изд-во ЛГПИ, 1999. -С. 75-81.

59. К проблеме подготовки студентов к педагогической практике // Сборник трудов преподавателей ЛГПИ. - Липецк: Изд-во ЛГПИ, 1999. - С. 184-187.

60. Проблемы и перспективы преподавания физики в общеобразовательной школе на рубеже XXI века // Пятая международная конференция "Физика в системе современного образования" (ФССО-99). Тезисы докладов, т. 2. - СПБ: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 1999. - С. 58.

61. Познавательная модельность физики как науки и как учебного предмета // Там же. - С.

59.

62. Проблемы изучения основ теорий в общеобразовательном курсе физики // Проблемы взаимосвязи системы научных знаний и методов познания в курсе физики двенадцатилетней школы. Педагогический ВУЗ, общеобразовательные учреждения. - М.: Изд-во МПУ "Народный учитель", 2000. - С. 11-14.

Общая характеристика работ

Основное содержание исследования 1. Научный и онтодидактический анализ теории относительности

2. Философские, методологические и дидактические основы изучения теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях.................. 3. Типичные недостатки в знаниях школьниками теории относительности и их методические источники.........

4. Научно-методические основы изучения теории относительности и их реализация в различных курсах физики средних общеобразовательных учреждений

Программа изучения теории относительности в непрофильных классах средних общеобразовательных учреждений......

Программа изучения теории относительности в физико-математических классах

Программа изучения теории относительности в гуманитарных классах...... 5. Подготовка студентов педвуза к преподаванию теории относительности в средних общеобразовательных учреждениях

Программа дисциплины: теоретическая физика.

Раздел: СТО. Релятивисгская механика. Основы ОТО

6. Опытно-экспериментальная работа

Заключение

Литература 1. Список цитируемых трудов (в порядке следования ссылок)................ 2. Публикации автора по теме исследования