«Введение 1. Концепция преподавания курса физики в классах с гуманитарным профилем обучения 2. Обязательный минимум содержания образования по физике для основной общеобразовательной школы 3. Физика (уровень А). ...»

А. Н. МАНСУРОВ,

Н. А. МАНСУРОВ

ФИЗИКА, 10—11

ДЛЯ ШКОЛ

С ГУМАНИТАРНЫМ

ПРОФИЛЕМ ОБУЧЕНИЯ

КНИГА ДЛЯ УЧИТЕЛЯ

Введение

1. Концепция преподавания курса физики в классах с гуманитарным профилем обучения 2. Обязательный минимум содержания образования по физике для основной общеобразовательной школы 3. Физика (уровень А). Обязательный минимум содержания образования по физике для средней общеобразовательной школы с гуманитарным профилем обучения 4. Требования к уровню подготовки выпускников средней школы с гуманитарным профилем обучения 5. Базисная программа по физике для средней общеобразовательной школы с гуманитарным профилем обучения 6. Авторская программа по физике для средней общеобразовательной школы с гуманитарным профилем обучения 7. Перечень оборудования для средней общеобразовательной школы с гуманитарным профилем обучения 8. Календарный план по физике для X класса средней общеобразовательной школы с гуманитарным профилем обучения 9. Календарный план по физике для XI класса средней общеобразовательной школы с гуманитарным профилем обучения 10. Методика преподавания раздела «Механическая картина мира»

11. Методика преподавания раздела «Электродинамическая картина мира»

12. Методика преподавания раздела «Релятивистская картина мира»

13. Методика преподавания раздела «Квантовостатистическая картина мира»

14. Демонстрационный эксперимент по физике для классов с гуманитарным профилем обучения Механика и молекулярная физика 1.1. Демонстрация прямолинейного равномерного движения тележки с капельницей 1.2. Демонстрация прямолинейного равноускоренного движения 1.3. Демонстрация криволинейного движения 1.4. Демонстрация криволинейного движения 1.5. Демонстрация колебательного движения 1.6. Демонстрация вращательного движения 1.7. Демонстрация системы отсчета 1.8. Демонстрация зависимости формы траектории от выбранной системы отсчета 1.9. Демонстрация постоянства отношения s к t при малых t 1.10. Демонстрация постоянства ускорения свободного падения для тел разной массы 1.11. Демонстрация движения тела по инерции 1.12. Демонстрация движения тела по инерции в отсутствие взаимодействия 1.13. Демонстрация инертности тела 1.14. Демонстрация инертности тела 1.15. Демонстрация инертности тела 1.16. Демонстрация определения масс тел по характеру их взаимодействия 1.17. Демонстрация зависимости ускорения тел от масс при их взаимодействии 1.18. Демонстрация второго закона Ньютона 1.19. Демонстрация движения тел на нити, перекинутой через блок 1.20. Демонстрация равенства и противоположности направления сил действия и противодействия 1.21. Демонстрация одновременности падения шариков 1.22. Демонстрация векторного характера сложения сил 1.23. Демонстрация движения капель воды в поле тяжести Земли 1.24. Демонстрация зависимости дальности полета и высоты подъема тела от угла между направлением вектора начальной скорости и горизонталью 1.25. Демонстрация невесомости при свободном падении тела в поле тяжести Земли 1.26. Демонстрация силы трения покоя 1.27. Демонстрация силы вязкого трения 1.28. Демонстрация силы упругости при деформации пружины 1.29. Демонстрация упругого столкновения шаров 1.30. Демонстрация движения сегнерова колеса 1.31. Демонстрация движения двойного конуса, «поднимающегося» на горку 1.32. Демонстрация подъема на некоторую высоту распрямляющейся упругодеформированной резиновой оболочки теннисного мяча 1.33. Демонстрация превращения потенциальной энергии тела в кинетическую энергию 1.34. Демонстрация зависимости смещения математического маятника от времени 1.35. Демонстрация зависимости амплитуды вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы 1.36. Демонстрация акустического резонанса 1.37. Демонстрация интерференции звука, звуковых биений 1.38. Демонстрация зависимости частоты биений от значения разности частот складываемых колебаний 1.39. Демонстрация физических свойств звуковых колебаний 1.40. Демонстрация распространения звука в воздухе 1.41. Демонстрация поперечных и продольных волн 1.42. Демонстрация изотермического процесса 1.43. Демонстрация притяжения двух свинцовых цилиндров с плоскими торцами 1.44. Демонстрация взаимодействия воздушных пузырьков на поверхности жидкости 1.45. Демонстрация механической модели броуновского движения 1.46. Демонстрация кипения воды при пониженном давлении 1.47. Демонстрация деформации пластиковой бутылки с парами воды при охлаждении ее стенок Оптика 2.1. Демонстрация явлений распространения, отражения, преломления света 2.2. Демонстрация отражения света от металлической поверхности или от границы раздела двух сред 2.3. Демонстрация явления полного внутреннего отражения света на границе стекло — воздух 2.4. Демонстрация колец Ньютона 2.5. Демонстрация колец Ньютона 2.6. Демонстрация зависимости радиуса колец Ньютона от длины волны света 2.7. Демонстрация интерференции света при отражении от тонкого покровного стекла 2.8. Демонстрация интерференции света, отраженного от мыльной пленки 2.9. Демонстрация интерференции света, проходящего через бипризму Френеля 2.10. Демонстрация интерференции света, прошедшего через бипризму Френеля 2.11. Демонстрация интерференции белого света, прошедшего через бипризму Френеля 2.12. Демонстрация дифракции Френеля 2.13. Демонстрация дифракции света на щели с переменной шириной 2.14. Демонстрация дифракции на тонкой проволоке луча лазера 2.15. Демонстрация дифракции света в опыте Юнга 2.16. Демонстрация дифракции света в опыте Юнга 2.17. Демонстрация действия одномерной и двухмерной дифракционных решеток 2.18. Демонстрация действия дифракционной решетки на пучок белого света, падающего на решетку 2.19. Демонстрация прохождения света через два поляроида 2.20. Демонстрация интерференции поляризованного света 2.21. Демонстрация разложения белого света в спектр 2.22. Демонстрация разложения призмой белого света в спектр и получение из спектра белого света 2.23. Демонстрация зависимости показателя преломления стекла от длины волны света Электродинамика 3.1. Демонстрация электризации тел 3.2. Демонстрация взаимодействия наэлектризованных тел 3.3. Демонстрация электростатической индукции 3.4. Демонстрация сохранения электрического заряда при электризации тел 3.5. Демонстрация модели опыта Милликена по измерению заряда электрона 3.6. Демонстрация расположения небольших диэлектрических частиц в электрическом поле 3.7. Демонстрация ориентации магнитной стрелки в поле постоянного магнита 3.8. Демонстрация расположения множества магнитных стрелок в поле постоянного магнита 3.9. Демонстрация ориентирующего действия магнитного поля на рамку с током 3.10. Демонстрация действия силы Ампера на проводник с током в магнитном поле 3.11. Демонстрация смещения пятна на экране электроннолучевой трубки 3.12. Демонстрация отклонения электронного пучка в магнитном поле 3.13. Демонстрация расположения железных опилок в магнитном поле прямого тока, рамки с током, соленоида 3.14. Демонстрация взаимодействия проводников с током 3.15. Демонстрация опытов Фарадея 3.16. Демонстрация опытов Фарадея 3.17. Демонстрация явления электромагнитной индукции при перемещении проводника относительно магнита 3.18. Демонстрация явления электромагнитной индукции при перемещении проводника относительно магнита 3.19. Демонстрация вращения U-образного магнита вслед за вращающимся проводящим диском 3.20. Демонстрация взаимодействия индукционного тока с магнитом 3.21. Демонстрация магнитного поля тока смещения 3.22. Демонстрация запаздывания времени загорания лампы накаливания 3.23. Демонстрация осциллограмм свободных колебаний в колебательном контуре 3.24. Демонстрация осциллограмм вынужденных колебаний 3.25. Демонстрация возрастания интенсивности свечения лампы накаливания 3.26. Демонстрация спирали Роже как автоколебательной системы 3.27. Демонстрация фазовых соотношений в цепи переменного тока 3.28. Демонстрация распространения, поглощения, отражения, преломления, поперечности электромагнитных волн 3.29. Демонстрация интерференции электромагнитных волн с длиной волны 3 см 3.30. Демонстрация действия детекторного приемника 3.31. Демонстрация модуляции амплитуды колебаний 3.32. Демонстрация процесса детектирования радиосигнала 3.33. Демонстрация модуляции, распространения, детектирования радиосигналов Квантовая физика 4.1. Демонстрация сплошного спектра излучения лампы накаливания 4.2. Демонстрация спектра излучения газов 4.3. Демонстрация сплошного спектра лампы накаливания и линейчатого спектра газового разряда 4.4. Демонстрация инфракрасного и ультрафиолетового излучений 4.5. Демонстрация изменения отрицательного заряда проводника под действием света 4.6. Демонстрация действия вакуумного фотоэлемента 4.7. Демонстрация изменения силы тока в цепи при освещении фоторезистора 4.8. Демонстрация свойств лазерного излучения 4.9. Демонстрация оптического канала связи 4.10. Демонстрация фигур Лиссажу с помощью лазерного осциллографа 4.11. Демонстрация треков частиц в камере Вильсона 4.12. Демонстрация свечения люминофоров под действием ультрафиолетового излучения 4.13. Демонстрация действия счетчика Гейгера Методическая литература для учителя по демонстрационному эксперименту 15. Список рекомендуемой литературы для выполнения учащимися реферативных работ Заключение

ВВЕДЕНИЕ

Учебник для X—XI классов с гуманитарным профилем обучения предназначен для изучения физики с целью формирования физической картины мира с использованием научного метода познания окружающего мира.

Под физической картиной мира понимается целостный образ окружающего мира, осознаваемый человеком в виде совокупности определенных, наиболее существенных признаков — атрибутов, образующих базис физических знаний.

Формирование физической картины мира как части естественно-научной картины мира достигается при условии, что изучение физики как учебного предмета является прежде всего средством, обеспечивающим развитие познавательных способностей личности, расширение ее интеллектуальных возможностей, ознакомление с той частью человеческой культуры, которая во многом определяет лицо современной цивилизации.

Научный метод, лежащий в основе физики и других естественных наук, продемонстрировал за последние три столетия столь высокую эффективность в создании новых знаний и развитии технологий, что ознакомление с его основами стало необходимым признаком образованности современного человека.

Физика, используя научный метод, позволяет построить непротиворечивую и достаточно ясную картину окружающего мира, привлекая при этом сравнительно небольшое число основных понятий, моделей, законов, структурных элементов и фундаментальных взаимодействий.

Изучение физической картины мира в историческом развитии с использованием большого числа демонстрационных опытов, формирующих образные представления о физических явлениях, применение проблемного стиля изложения учебного материала позволяют преодолеть отрицательную реакцию учащихся на школьную физику, вызванную несоответствием мотивации школьников содержанию физики как учебного предмета.

Учебник содержит четыре раздела, в которых изучаются следующие картины мира:

механическая, электродинамическая, релятивистская, квантово-статистическая. Каждая из перечисленных картин мира соответствует определенному этапу исторического развития физики и других естественных и гуманитарных наук.

Ознакомление с различными физическими картинами мира происходит в одном и том же базисе, атрибутами которого являются: человек и его методы исследования мира;

«элементы» мира; физические взаимодействия; физические законы и теории; физические системы; физические процессы и явления; мир, преобразованный человеком; картины мира.

Изучение учебного материала четырех разделов курса предполагает усвоение учащимися основных физических понятий и моделей, физических законов и явлений при условии ознакомления с широким набором физических демонстрационных экспериментов и выполнения самостоятельных реферативных работ, тематика которых определяется самими учащимися под руководством учителя.

Пособие содержит методические материалы, необходимые для организации преподавания курса физики в старших классах гуманитарного профиля.

1. КОНЦЕПЦИЯ ПРЕПОДАВАНИЯ КУРСА ФИЗИКИ

В КЛАССАХ С ГУМАНИТАРНЫМ ПРОФИЛЕМ

ОБУЧЕНИЯ

Обучение физике в школе происходит в два этапа: на первом, в основной школе, обеспечивается изучение основ физики; на втором, в средней школе, физика изучается в зависимости от профиля обучения. На этом этапе обучения в разных школах изучают или базовый курс физики, или курс физики для классов с гуманитарным профилем обучения, или курс физики для классов с физико-математическим либо естественным профилем образования. Структура и организация образования по физике определяются федеральными органами и самим образовательным учреждением. Базисный учебный план предусматривает изучение физики в VII—IX классах по следующей схеме:

1. VII—IX (2—2—2)/(68—68—68).

2. VII—IX (2—2—3)/(68—68—102).

3. VII—IX (2—3)/(68—102).

Здесь в первых скобках указано число часов в неделю, а во вторых — общее число часов, отводимых на изучение физики в соответствующих классах.

Распределение часов на изучение физики в старших классах выглядит следующим образом:

1. Х—XI (4—4)/(136—136) — базовое образование.

2. X—XI (2—2)/(68—68) — образование для классов гуманитарного профиля.

3. X—XI (6—6)/(204—204) — образование для классов физико-математического профиля.

Образование по физике в основной школе (VII—IX классы) должно представлять законченный курс с учетом того, что в дальнейшем учащийся может и не изучать физику как учебный предмет.

Целями образования являются формирование и развитие личности средствами обучения, воспитания, коррекции; обеспечение самоопределения личности, создание условий для ее самореализации; развитие гражданского общества; укрепление и совершенствование правового государства.

Образование осуществляется на основе принципов:

— гуманистического характера образования; приоритета общечеловеческих ценностей, жизни и здоровья человека; свободного развития личности; воспитания гражданственности и любви к Родине;

— единства федерального культурного и образовательного пространства;

— общедоступности образования, адаптивности системы образования к уровню и особенностям развития и подготовленности обучающихся, воспитанников;

— светского характера образования;

— свободы и плюрализма в образовании;

— демократичности и автономности образовательных учреждений.

Каждый из принципов выражает в обобщенной форме руководящую идею или эвристический критерий для организации системы образования.

В соответствии с Законом содержание образования обеспечивает:

— формирование у обучающегося адекватной современному уровню знаний и уровню образовательной программы (ступени обучения) картины мира;

— адекватный мировому уровень общей и мировой культуры общества;

— интеграцию личности в системы мировой и национальной культуры;

— формирование человека-гражданина, интегрированного в современное ему общество и нацеленного на совершенствование этого общества;

— воспроизводство и развитие кадрового потенциала страны.

При реализации программ основного и среднего образования по физике можно выделить следующие цели:

— усвоение основ физики как фундаментальной науки, ознакомление с научным методом познания природы;

— формирование физического образа окружающего мира, физической картины мира;

— изучение физики как прикладной науки, способствующей преобразованию окружающего мира на основе законов природы.

Каждая из целей обучения физике достигается в процессе учебной деятельности, результатом которой, в частности, является усвоение учащимися определенного объема знаний. Физические знания, представляющие собой совокупность физических сведений об окружающем мире, структурированных определенным образом, рассматриваются как совокупность элементов научной или учебной информации. Для их обозначения используются слова или сочетания слов, принятые в учебной или научной литературе, например второй закон Ньютона, эффект Доплера, звук, электризация, опыт Эрстеда и т. д.

Структурированные различными способами одни и те же элементы физической информации будут являться разными представлениями физических знаний или разными знаниями. Выбор классификационных признаков можно связать с целями обучения.

Очевидно, что каждой цели обучения соответствует свой набор признаков.

В дальнейшем совокупность элементов, подлежащих усвоению, будем называть программой обучения, отдельные блоки, входящие в программу, — разделами программы, совокупность классификационных признаков — базисом программы, классификационные признаки — атрибутами базиса.

Базисы, атрибуты которых определяются целями обучения, будем называть целевыми.

Как известно, для изучения закономерностей окружающего мира применяется научный метод. Знания, полученные с помощью научного метода, имеют такую структуру, которую можно выразить с помощью своего базиса. Очевидно, что знания, представленные в любом из целевых базисов, можно дать в виде базиса научного метода и наоборот. Таким образом, имеет смысл говорить о четырех базисах представления физической информации, три из которых соответствуют целям обучения, а один — научному методу.

Для определенности каждый базис обозначим цифрой, заключенной в скобки:

(1) — базис физики как фундаментальной науки;

(2) — базис физической картины мира;

(3) — базис физики как прикладной науки;

(4) — базис научного метода исследования.

Базис (1) будем рассматривать как совокупность следующих атрибутов:

(1/1) — механика;

(1/2) — электродинамика;

(1/3) — оптика;

(1/4) — специальная теория относительности;

(1/5) — квантовая физика;

(1/6) — молекулярная физика;

(1/7) — термодинамика.

Обозначения атрибутов базиса понятны из текста. Базис (2) реализуется другими атрибутами:

(2/1) — человек и его методы исследования мира;

(2/2) — «элементы» мира;

(2/3) — физические взаимодействия;

(2/4) — физические законы и теории;

(2/5) — физические системы;

(2/6) — физические процессы и явления;

(2/7) — мир, преобразованный человеком; картины мира.

Атрибуты базиса (3) отражают специфику взаимодействия человека с окружающей средой в процессе его практической производственной деятельности и получения новых знаний. Базис (3) выражается следующими атрибутами:

(3/1) — вещество;

(3/2) — поле;

(3/3) — пространство и время;

(3/4) — энергия, импульс;

(3/5) — информация, энтропия;

(3/6) — методы преобразования вещества, поля, энергии и информации;

(3/7) — практические устройства, приборы, технологии.

Базис (4) будем рассматривать как совокупность следующих атрибутов:

(4/1) — физические явления, эффекты, эксперименты;

(4/2) — понятия, физические величины, фундаментальные постоянные;

(4/3) — принципы, теории, законы;

(4/4) — модели;

(4/5) — методы исследования;

(4/6) — теоремы, задачи;

(4/7) — приборы, применения, технологии.

Любая программа может быть представлена в любом из четырех базисов. Примем следующую процедуру разложения содержания программ по атрибутам того или иного базиса. Элемент программы или название ее раздела будем считать относящимися к определенному атрибуту данного базиса только в том случае, если его нельзя отнести по названию к другому атрибуту этого же базиса, т. е. принадлежность элементов программы к тому или иному базису определяется целостностью его представления одним из атрибутов этого базиса.

Преимущественной целью обучения физике в средней общеобразовательной школе с гуманитарным профилем обучения является формирование у учащихся физической картины мира. Физическая картина мира формируется в результате структурирования научной информации об окружающей среде по атрибутам второго базиса.

Физическая картина мира позволяет человеку выполнять ориентировочную и продуктивную деятельность в определенных социально-исторических условиях.

Формирование физической картины мира в старших классах средней школы с гуманитарным профилем обучения осуществляется на базе физических знаний, полученных в основной школе. Требования к обязательному минимуму содержания основного общего образования, представленные в первом базисе, устанавливают инвариант содержания всех программ по физике для основной школы (Приказ министра Минобразования от 19.05.98, № 1236)1.

Нормативные документы, определяющие содержание курса физики, его программу, требования к учащимся основной и средней общеобразовательной школы подготовлены авторским коллективом в составе: Ю. И. Дик, В. А. Коровин, А. Н. Мансуров, В. А. Орлов, Г. Г. Никифоров, И. И. Нурминский, В. Г. Разумовский, В. Ф. Шилов.

2. ОБЯЗАТЕЛЬНЫЙ МИНИМУМ СОДЕРЖАНИЯ

ОБРАЗОВАНИЯ ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ ОСНОВНОЙ

ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДЫ

Предмет физики. Экспериментальный и теоретический методы изучения природы.

Измерение физических величин. Погрешность измерения. Построение графика по результатам эксперимента. Использование результатов эксперимента для построения физических теорий и предсказания значений величины, характеризующей изучаемое явление.

МЕХАНИКА

Механическое движение. Относительность движения. Система отсчета. Материальная точка. Траектория. Скорость. Ускорение.

Свободное падение. Движение по окружности. Механические колебания. Амплитуда, период, частота колебаний. Механические волны. Длина волны. Звук.

Взаимодействие тел. Инерция. Масса. Импульс. Первый закон Ньютона. Инерциальная система отсчета. Сила. Второй закон Ньютона. Силы в природе: сила тяготения, сила трения, сила упругости. Закон всемирного тяготения. Искусственные спутники Земли.

Третий закон Ньютона. Закон сохранения импульса. Ракеты.

Работа. Мощность. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Закон сохранения механической энергии. Простые механизмы. КПД механизмов.

Давление. Атмосферное давление. Закон Паскаля.

Измерение расстояний, промежутков времени, силы, объема, массы, атмосферного давления.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА

Дискретное строение вещества. Непрерывное и хаотичное движение частиц вещества.

Диффузия. Модели газа, жидкости и твердого тела. Плотность. Взаимодействие частиц вещества.

Внутренняя энергия. Температура. Теплопередача. Необратимость процесса теплопередачи. Связь температуры вещества с хаотическим движением его частиц.

Количество теплоты. Удельная теплоемкость. Закон сохранения энергии в тепловых процессах.

Испарение и конденсация. Влажность воздуха. Кипение жидкости. Плавление и кристаллизация. Преобразования энергии при изменениях агрегатного состояния вещества.

Измерение давления газа, влажности воздуха, температуры, плотности вещества.

Тепловые двигатели. Преобразования энергии в тепловых двигателях.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Электризация тел. Электрический заряд. Взаимодействие зарядов. Два вида электрического заряда. Закон сохранения электрического заряда. Электрическое поле.

Действие электрического поля на электрические заряды.

Постоянный электрический ток. Носители свободных электрических зарядов в металлах, жидкостях и газах. Сила тока. Напряжение. Сопротивление. Закон Ома для участка электрической цепи. Закон Джоуля — Ленца.

Взаимодействие магнитов. Магнитное поле. Взаимодействие проводников с током.

Действие магнитного поля на электрические заряды. Электродвигатель.

Электромагнитная индукция. Электрогенераторы.

Взаимосвязь электрического и магнитного полей. Электромагнитные волны. Скорость распространения электромагнитных волн. Свет — электромагнитная волна.

Прямолинейное распространение, отражение и преломление света. Луч. Закон отражения света. Плоское зеркало. Линза. Оптические приборы.

Измерение силы тока, напряжения, сопротивления проводника, фокусного расстояния собирающей линзы.

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

Радиоактивность. Альфа-, бета- и гамма-излучения. Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике.

Опыты по рассеянию альфа-частиц. Планетарная модель атома.

Атомное ядро. Протонно-нейтронная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра.

Ядерные реакции. Деление и синтез ядер. Сохранение заряда и массового числа при ядерных реакциях.

Энергия связи частиц в ядре. Выделение энергии при делении и синтезе ядер.

Использование ядерной энергии. Дозиметрия.

Содержание образования по физике в средней школе с гуманитарным профилем обучения строится с учетом полученных знаний и выбранной целью обучения.

Обязательный минимум содержания образования по физике определяется в этом случае приказом № 56 министра образования от 30.06.99.

3. ФИЗИКА (УРОВЕНЬ А). ОБЯЗАТЕЛЬНЫЙ

МИНИМУМ СОДЕРЖАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ

ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ СРЕДНЕЙ

ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ

С ГУМАНИТАРНЫМ ПРОФИЛЕМ ОБУЧЕНИЯ

МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ И НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА

Функции и взаимосвязь эксперимента и теории в процессе познания природы.

Моделирование явлений и объектов природы. Научные гипотезы. Роль математики в физике. Физические законы и причины существования границ их применимости.

Принцип соответствия. Физическая картина мира.

МЕХАНИКА

Механическое движение и его относительность. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета. Принцип относительности Галилея. Законы Ньютона и принцип причинности в механике. Закон всемирного тяготения и принцип дальнодействия. Законы сохранения энергии и импульса. Реактивное движение. Колебательные и волновые механические процессы. Звук. Механическая картина мира и ее ограниченность.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА

Тепловое движение. Тепловое равновесие. Внутренняя энергия. Температура как мера средней энергии теплового движения частиц вещества. Опыты Штерна. Уравнение состояния идеального газа. Первый закон термодинамики. Второй закон термодинамики.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Электрическое взаимодействие. Электрический заряд. Элементарный электрический заряд. Опыты Кулона, Эрстеда, Ампера, Фарадея. Принцип близкодействия.

Электрическое и магнитное поля. Идеи теории Максвелла. Электромагнитные волны.

Скорость электромагнитных волн. Интерференция и дифракция света. Давление света и опыты Лебедева. Волновая модель света. Электромагнитная картина мира и ее ограниченность.

ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Постулаты специальной теории относительности (СТО). Пространство и время в СТО.

Связь массы и энергии. Соотношение между классической механикой и специальной теорией относительности.

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Трудности волновой теории света. Гипотеза Планка. Фотоэффект. Опыты Столетова.

Опыты Вавилова. Корпускулярная модель света. Гипотеза де Бройля и ее экспериментальное подтверждение. Постулаты Бора. Корпускулярно-волновой дуализм описания микрочастиц. Принцип неопределенности Гейзенберга. Вероятностный характер причинно-следственных связей в микромире. Поглощение и испускание света.

Люминесценция. Лазер.

Закон радиоактивного распада и его статистическое истолкование. Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия в природе. Соотношения между классической и квантовой физикой. Квантово-статистическая картина мира.

4. ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ПОДГОТОВКИ

ВЫПУСКНИКОВ СРЕДНЕЙ ШКОЛЫ

С ГУМАНИТАРНЫМ ПРОФИЛЕМ ОБУЧЕНИЯ

1. Понимать сущность метода научного познания окружающего мира.

Приводить примеры, показывающие, что:

— наблюдения и эксперимент являются основой для формирования гипотез и теорий;

— эксперимент позволяет проверить истинность теоретических выводов;

— физическая теория способна объяснять известные явления природы и научные факты;

— физическая теория позволяет предсказывать еще неизвестные явления, их особенности;

— при объяснении природных процессов (явлений) разрабатываются модели этих процессов;

— один и тот же природный объект или процесс можно описать (исследовать) на основе разных моделей;

— законы физики и физические теории имеют границы применимости.

2. Владеть основными понятиями и законами физики.

2.1. Формулировать основные физические законы.

2.2. Называть:

— основные структурные уровни строения вещества;

— фундаментальные взаимодействия в природе и их проявления;

— существенные признаки физических картин мира.

2.3. Приводить примеры:

— физических явлений и процессов;

— использования достижений физики для обеспечения прогресса цивилизации.

3. Воспринимать, перерабатывать и предъявлять учебную информацию в различных формах (словесной, образной, символической).

3.1. Излагать основную суть прочитанного физического текста.

3.2. Выделять в тексте учебника важнейшие категории научной информации (описание явления и опыта; постановка проблемы, выдвижение гипотезы; моделирование объектов и процессов; формулировка теоретического вывода и его интерпретация;

экспериментальная проверка гипотезы или теоретического предсказания).

5. БАЗИСНАЯ ПРОГРАММА ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ

СРЕДНЕЙ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ

С ГУМАНИТАРНЫМ ПРОФИЛЕМ ОБУЧЕНИЯ

Целью курса физики для средней общеобразовательной школы с гуманитарным профилем обучения является формирование у учащихся физической картины мира. Под физической картиной мира мы понимаем целостный образ окружающего мира, осознаваемый человеком в виде совокупности наиболее общих фундаментальных признаков, характеризующих отношения человека с природой. Физическая картина мира формируется в результате структурирования научной информации об окружающей среде по следующим признакам:

— человек и его методы исследования мира;

— «элементы» мира;

— физические взаимодействия;

— физические законы и теории;

— физические системы;

— физические процессы и явления;

— мир, преобразованный человеком; картины мира.

Физическая картина мира позволяет человеку выполнять ориентировочную и продуктивную деятельность в определенных социально-исторических условиях.

В программе рассматривается развитие физической картины мира за время развития физики. Особое внимание обращается на изменение наших представлений об окружающем мире, на формирование физических идей, составляющих неотъемлемую часть человеческой культуры.

ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРИРОДЫ (2 ч)

Научный метод познания окружающего мира. Физика — наука о простейших и фундаментальных свойствах природы. Физическая картина мира.

Механическое движение и его относительность. Системы отсчета. Пространство и время в классической механике. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета.

Принцип относительности Галилея. Законы Ньютона и принцип причинности в механике.

Концепция дальнодействия. Успехи механики в описании движения земных и небесных тел. Определение массы Земли и Солнца. Первая космическая скорость. Реактивное движение. Тяготение и невесомость. Колебательные и волновые механические процессы.

Звук. Влияние механики на развитие науки и производственной деятельности человека.

Основные постулаты специальной теории относительности. Пространство и время в теории относительности. Связь массы и энергии. Соотношение между классической механикой и теорией относительности. Механическая картина мира и ее ограниченность.

ДЕМОНСТРАЦИИ

1. Моделирование системы отсчета.

2. Зависимость характера движения от выбранной системы отсчета.

3. Виды механического движения.

4. Движение тела по инерции.

5. Инертность тел.

6. Зависимость ускорения тел при их взаимодействии от инертности тел.

7. Вес тела при ускоренном подъеме и падении.

8. Невесомость.

9. Движение тела, брошенного горизонтально.

10. Реактивное движение.

11. Зависимость ускорения тела от его массы и силы, действующей на тело.

12. Равенство и противоположность направления сил действия и противодействия.

13. Сохранение импульса.

14. Сохранение энергии.

15. Зависимость колебаний маятника от времени.

16. Свободные колебания.

17. Вынужденные колебания.

18. Образование и распространение волн.

19. Источники звука.

20. Распространение звука в воздушной среде.

Электрическое взаимодействие. Электрический заряд. Опыты Милликена и Иоффе.

Элементарный электрический заряд. Опыты Кулона, Эрстеда, Ампера, Фарадея.

Концепция близкодействия. Электрическое и магнитное поля. Идеи теории Максвелла.

Успехи электродинамики в объяснении и предсказании природных явлений.

Электромагнитные волны. Скорость электромагнитных волн. Волновая модель света.

Давление света и опыты Лебедева. Интерференция, дифракция и поляризация света.

Спектр электромагнитных излучений. Влияние электродинамики на развитие науки и производства. Радиосвязь. Телевидение. Радиолокация. Электромагнитная картина мира и ее ограниченность.

ДЕМОНСТРАЦИИ

1. Взаимодействие заряженных тел.

2. Сохранение электрического заряда.

3. Делимость электрического заряда.

4. Электрическое поле заряженных тел.

5. Взаимодействие проводников с токами.

6. Опыт Эрстеда.

7. Действие магнитного поля на проводник с током.

8. Магнитное поле прямого тока, катушки с током.

9. Отклонение электронного пучка в магнитном поле.

10. Электромагнитная индукция.

11. Магнитное поле тока смещения.

12. Излучение и прием электромагнитных волн.

13. Интерференция и дифракция электромагнитных волн.

14. Поляризация электромагнитных волн.

15. Радиосвязь.

16. Интерференция света.

17. Дифракция света.

18. Поляризация света.

19. Разложение света в спектр.

20. Невидимые излучения в спектре нагретых тел.

Трудности волновой теории света. Гипотеза Планка. Фотоэффект. Опыты Вавилова.

Корпускулярная модель света. Гипотеза де Бройля и ее экспериментальное подтверждение. Трудности планетарной модели атома. Постулаты Бора. Квантовомеханическая модель атома. Корпускулярно-волновой дуализм описания микрочастиц.

Принцип неопределенности Гейзенберга. Вероятностный характер причинноследственных связей в микромире. Поглощение и испускание света. Люминесценция.

Спектральный анализ. Лазер. Закон радиоактивного распада и его статистическое истолкование. Модели ядра. Объяснение -, -, -распадов. Элементарные частицы.

Фундаментальные взаимодействия. Связь микро- и макромира. Квантово-статистическая картина мира.

ДЕМОНСТРАЦИИ

1. Фотоэффект.

2. Законы внешнего фотоэффекта.

3. Линейчатый спектр.

4. Люминесценция.

5. Изменение сопротивления фоторезистора под действием света.

6. Камера Вильсона.

7. Счетчик частиц.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА (20 ч) Тепловое движение. Тепловое равновесие. Внутренняя энергия. Температура как мера средней энергии теплового движения. Опыты Штерна и Перрена. Первый закон термодинамики. Второй закон термодинамики (статистическое истолкование). Гипотеза о «тепловой смерти Вселенной» и ее критика. Успехи молекулярной физики в объяснении природных процессов и свойств вещества. Броуновское движение. Расчет массы и размеров частиц вещества. Уравнение состояния идеального газа. Фазовые переходы.

ДЕМОНСТРАЦИИ

1. Модель теплового движения.

2. Изменение внутренней энергии тел при совершении работы и при теплопередаче.

3. Модель броуновского движения.

4. Диффузия.

5. Постоянство температуры кипения жидкостей.

6. Кипение воды при пониженном давлении.

7. Кристаллы.

8. Плавление и отвердевание кристаллических тел.

9. Газовые законы.

10. Модель опыта Штерна.

Функции эксперимента и теории в процессе познания природы. Физические законы и причины существования границ их применимости. Моделирование явлений и объектов природы в процессе их научного познания. Научные гипотезы. Роль математики в физике.

Принцип соответствия. Принцип дополнительности. Физическая картина мира.

6. АВТОРСКАЯ ПРОГРАММА ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ

СРЕДНЕЙ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ

С ГУМАНИТАРНЫМ ПРОФИЛЕМ ОБУЧЕНИЯ

Научный метод познания окружающего мира. Физика — наука о простейших и фундаментальных свойствах природы. Физическая картина мира.

Механическое движение. Относительность механического движения. Система отсчета.

Пространство и время в механике. Материальная точка. Взаимодействие в механике.

Законы Ньютона. Принцип относительности. Симметрия в механике. Законы сохранения.

Причинность в механике. Успехи механики в описании движения земных и небесных тел.

Невесомость. Реактивное движение. Силы в природе. Механические колебания и волны.

Звук. Успехи механики в описании микромира. Механическая картина мира.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА (34 ч) Свет. Корпускулярная и волновая теории света. Луч света. Независимость световых лучей. Закон отражения. Закон преломления. Интерференция света. Дифракция света.

Триумф волновой теории света. Теория Максвелла. Электромагнитная природа света.

Электрическое взаимодействие. Электрический заряд. Закон Кулона. Свойства электрических зарядов. Закон сохранения электрических зарядов. Магнитное взаимодействие. Магнитное поле. Магнитоэлектрическая индукция. Ток смещения Максвелла. Опыты Фарадея. Явление электромагнитной индукции. Электромагнитное поле. Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн. Электронная теория вещества. Использование электрической энергии. Радиосвязь и телевидение.

Радиолокация. Электромагнитная картина мира.

Поиски мирового эфира. Скорость света. Постулаты специальной теории относительности. Пространство и время в теории относительности. Мир Минковского.

Связь между энергией и импульсом в специальной теории относительности. Ядерная энергетика. Релятивистская картина мира.

КВАНТОВО-СТАТИСТИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА (46 ч) Излучение абсолютного черного тела. Открытие квантов света. Фотоэффект.

Квантовая теория фотоэффекта. Рентгеновское излучение. Двойственность представлений о свете. Корпускулярно-волновой дуализм. Катодные лучи. Волновые свойства электрона.

Открытие радиоактивности. Опыты Резерфорда. Строение атома. Постулаты Бора.

Модель атома Бора. Квантово-механическое описание состояния микрочастиц.

Соотношения неопределенностей. Свет и атом. Люминесценция. Принцип действия лазера. Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Природа химической связи. Молекулы. Строение вещества. Газы, жидкости, твердые тела.

Макросистемы. Статистический и термодинамический методы их описания. Энтропия.

Порядок и беспорядок в макросистеме. Развитие идей атемизма. Ядерная физика.

Строение ядер. Превращения ядер. Элементарные частицы. Фундаментальные взаимодействия. Фундаментальные частицы. Современная физическая картина мира.

Естественно-научная картина мира. Роль науки в современном мире.

7. ПЕРЕЧЕНЬ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ СРЕДНЕЙ

ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ШКОЛЫ

С ГУМАНИТАРНЫМ ПРОФИЛЕМ ОБУЧЕНИЯ

МЕХАНИКА

1. Прибор для изучения законов механики на воздушной подушке.

2. Держатель со спиральной пружиной.

3. Пистолет баллистический двухсторонний.

4. Прибор для демонстрации невесомости тел.

5. Прибор для демонстрации взаимодействия тел и удара шаров.

6. Прибор «Воздушный стол».

7. Спидометр демонстрационный.

8. Тележка легкоподвижная (пара).

9. Генератор инфранизких частот.

10. Комплект «Колебания».

11. Машина волновая.

12. Микрофон электродинамический.

13. Прибор для записи колебательного движения.

14. Усилитель низкой частоты.

15. Частотомер демонстрационный.

16. Прибор для демонстрации волновых явлений в проекции.

Видеофильмы 1. Движение и силы.

2. Законы сохранения в механике.

3. Механические колебания и волны.

4. Движение тела по окружности.

5. Законы Ньютона.

6. Невесомость.

7. Опыт Кавендиша.

8. Искусственные спутники Земли.

9. Силы в природе.

10. Физические основы космических полетов.

11. Фаза. Сдвиг фаз.

12. Опыты Галилея.

13. Механическая картина мира и ее ограниченность.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА

1. Прибор для изучения газовых законов.

2. Термометр электронный цифровой.

3. Сосуд пористый.

4. Микроманометр.

5. Теплоприемник.

Видеофильмы 1. Давление газа.

2. Опыт Штерна.

3. Опыт Перрена.

4. Тепловые двигатели и их применение.

5. Законы термодинамики.

6. Идеальный газ.

7. Парниковый эффект.

8. Строение вещества.

9. Второй закон термодинамики и его статистическое истолкование.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

1. Батарея конденсаторов.

2. Батарея солнечная.

3. Выпрямитель универсальный.

4. Генератор электростатический.

5. Индикатор магнитного поля.

6. Комплект приборов для демонстрации свойств электромагнитных волн.

7. Конденсатор переменной емкости.

8. Катушка для демонстрации магнитного поля тока.

9. Машина магнитоэлектрическая.

10. Преобразователь высоковольтный.

11. Прибор для демонстрации взаимодействия параллельных токов.

12. Прибор для демонстрации свойств электронных пучков.

13. Рамка для демонстрации движения проводника с током в магнитном поле.

14. Лазер газовый с принадлежностями.

15. Комплект для демонстрации радиопередачи и радиоприема.

Видеофильмы 1. Опыты Кулона.

2. Опыты Эрстеда.

3. Опыты Ампера.

4. Опыты Фарадея.

5. Опыты Герца.

6. Опыты Лебедева.

7. Волновые свойства света.

8. Распространение радиоволн.

9. Свойства и применение электромагнитных излучений.

10. Вихревые электрические и магнитные поля. Электромагнитные колебания.

11. Электромагнитная картина мира и ее ограниченность.

ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Видеофильмы 1. Относительность механического движения.

2. Элементы теории относительности.

3. Ускорители элементарных частиц.

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

1. Комплект по фотоэффекту.

2. Камера для наблюдения следов -частиц.

3. Счетчик Гейгера.

4. Осветитель ультрафиолетовый.

5. Экран люминесцирующий.

6. Набор дифракционных решеток.

7. Фильтр инфракрасный.

8. Фильтр ультрафиолетовый.

9. Люксметр демонстрационный.

10. Дозиметр.

Видеофильмы 1. Излучение черного тела. Гипотеза Планка.

2. Опыты Столетова по фотоэффекту.

3. Опыты Вавилова.

4. Гипотеза Луи де Бройля и ее экспериментальное подтверждение.

5. Опыты Резерфорда.

6. Природа линейчатых спектров.

7. Радиоактивность.

8. Термоядерные реакции.

9. Элементарные частицы.

10. Квантово-статистическая картина мира.

11. Методы научного познания и физическая картина мира.

8. КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ

X КЛАССА СРЕДНЕЙ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ

ШКОЛЫ С ГУМАНИТАРНЫМ ПРОФИЛЕМ

ОБУЧЕНИЯ

МЕХАНИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Сентябрь Введение Механическое движение Относительность механического движения Описание механического движения Пространство и время в механике Октябрь Взаимодействие в механике Законы Ньютона Принцип относительности Симметрия в механике Законы сохранения Причинность в механике Контрольная работа Ноябрь Успехи механики в описании движения земных и небесных тел Реактивное движение Невесомость Силы в природе Декабрь Механические колебания и волны Успехи механики в описании микромира Механическая картина мира Контрольная работа

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Январь Свет. Корпускулярная и волновая теории света Закон отражения света Закон преломления света Февраль Интерференция света Дифракция света Триумф волновой теории света Теория Максвелла Контрольная работа Март Электрическое взаимодействие Закон Кулона. Электрическое поле Свойства электрических зарядов.

Закон сохранения электрического заряда Магнитное взаимодействие Магнитное поле Апрель Магнитоэлектрическая индукция Ток смещения Максвелла Опыты Фарадея Явление электромагнитной индукции Электромагнитное поле Электромагнитные волны Шкала электромагнитных волн Май Электронная теория вещества Использование электрической энергии Радиосвязь и телевидение Радиолокация Электродинамическая картина мира Контрольная работа

9. КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН ПО ФИЗИКЕ ДЛЯ

XI КЛАССА СРЕДНЕЙ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ

ШКОЛЫ С ГУМАНИТАРНЫМ ПРОФИЛЕМ

ОБУЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ. СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА.

РЕЛЯТИВИСТСКАЯ КАРТИНА МИРА

Сентябрь Поиски мирового эфира. Скорость света Постулаты специальной теории относительности Пространство и время в СТО Октябрь Четырехмерное пространство — время. Мир Минковского Связь между энергией и импульсом в СТО. Релятивистская картина мира Контрольная работа

КВАНТОВО-СТАТИСТИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Ноябрь Излучение абсолютно черного тела Открытие квантов света Фотоэлектрический эффект Квантовая теория фотоэффекта Декабрь Рентгеновское излучение Опыты Вавилова Двойственность представлений о свете Корпускулярно-волновой дуализм Контрольная работа Январь Катодные лучи. Открытие электрона Волновые свойства электрона Открытие радиоактивности Опыты Резерфорда. Строение атома Февраль Постулаты Бора. Модель атома Бора Квантово-механическое описание состояния микрочастиц. Соотношения неопределенностей Свет и атом. Люминесценция Принцип действия лазера Март Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Природа химической связи. Молекулы Строение вещества. Газы, жидкости, твердые тела Макросистемы. Статистический и термодинамический методы их описания Энтропия. Порядок и беспорядок в макросистеме Контрольная работа Апрель Развитие идей атомизма. Ядерная физика Строение ядер. Превращения ядер Элементарные частицы Фундаментальные взаимодействия Фундаментальные частицы Май Современная физическая картина мира Контрольная работа

10. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ РАЗДЕЛА

«МЕХАНИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА»

Формирование механической картины мира, как и любой другой картины, происходит в базисе физических знаний, атрибуты которых перечислены во введении к пособию.

Ознакомление с содержанием механической картины мира начинается с рассмотрения хорошо известного учащимся явления механического движения. С помощью демонстраций 1.1—1.6 показываются простейшие виды движения: прямолинейное, Демонстрация 1.21 иллюстрирует принцип независимости движений, который постулируется как результат обобщения множества экспериментов. При обсуждении результатов наблюдений за особенностью механического движения дается его определение: механическим движением называется явление изменения положения одного тела относительно другого за время наблюдения. Тем самым подчеркивается относительность движения и необходимость экспериментального определения положения одного тела относительно другого за время наблюдения.

Сделать это удается с помощью системы отсчета. Система отсчета, включающая тело отсчета, систему координат и часы, является одним из основных понятий механики.

Из демонстрации 1.8 следует, что характер движения существенно зависит от выбранной системы отсчета. Для удобства описания движения следует выбирать такую систему отсчета, в которой движение можно было бы описать наиболее просто с точки зрения наблюдателя. Для этого необходимо научиться определять положение тела относительно тела отсчета в некоторый момент времени. Положение тела определяется в декартовой системе координат с помощью линейки, а время — с помощью часов — устройства с периодически повторяющимся состоянием (демонстрация 1.7). Как результат эксперимента принимается необходимость знания трех величин для определения положения одного тела относительно другого. Этот экспериментальный факт позволяет ввести для задания положения тела радиус-вектор, направленный отрезок, проведенный из начала координат. Координаты конца радиус-вектора определяются тремя числами, характеризующими положение исследуемого тела. Само тело, если его размеры при описании движения можно не учитывать, принимается за материальную точку. Вслед за понятием радиус-вектора вводится понятие перемещения r, как векторной физической величины, равной изменению радиус-вектора за время t. Для описания движения вводятся понятия средней скорости и мгновенной скорости движения. Понятие мгновенной скорости вводится на основании того экспериментального факта, что средняя скорость не меняется при уменьшении промежутка времени t, начиная с некоторого значения. Это утверждение иллюстрируется демонстрацией 1.9. Такой же прием применяется при введении понятия мгновенного ускорения, т. е. сначала вводится понятие среднего ускорения, а затем рассматривается то значение среднего ускорения, к которому стремится отношение при уменьшении промежутка времени измерения.

Эта величина и принимается за мгновенное ускорение.

Экспериментальное изучение перемещения тела со временем относительно других тел позволяет ввести понятия пространства и времени, которые являются фундаментальными понятиями в физике. Введение этих понятий основано на том обстоятельстве, что при описании движения материальных тел положения этих тел мысленно отделяют от самих тел, сохраняя однако за ними те свойства, которые характеризуют движение самих тел.

Положение тел при этом заменяют их геометрическими двойниками-векторами, обладающими определенными свойствами, отражающими свойства перемещений реальных тел. Одно из этих свойств — линейность — позволяет выразить любое перемещение через конечное число независимых друг от друга перемещений. Опыт показывает, что в окружающем нас мире число независимых перемещений равно трем.

Именно это обстоятельство позволяет говорить о трехмерности реального мира. Другое свойство — метрическое, выражаемое теоремой Пифагора, — также является следствием эксперимента. Оно позволяет связать длину перемещения с проекциями перемещения на оси координат. Совокупность векторов, обладающих линейными и метрическими свойствами, образует евклидово пространство. Если линейные и метрические свойства пространства не зависят от положения начала координат в выбранной системе отсчета, то пространство называется однородным; если эти свойства не зависят от поворота осей координат, то пространство называется изотропным. Время тоже обладает линейными свойствами. Ясно, что при выборе системы отсчета предпочтительной является такая система отсчета, где пространство однородно и изотропно, а время однородно.

Следующим фундаментальным понятием, обсуждаемым в учебнике, является понятие «взаимодействие в механике». Взаимодействие в механике — это взаимное влияние друг на друга по крайней мере двух тел, результатом которого является изменение скорости взаимодействующих тел. Наблюдения показывают, что изменение скорости происходит не сразу и зависит не только от характера взаимодействия, но и от свойств тел. Явление изменения скорости тела при взаимодействии за конечное время называется инертностью (демонстрации 1.13—1.15). Для количественной характеристики инертности тел вводится понятие инертной массы, или просто массы, тела. Принимается, что тело, которое приобретает при взаимодействии меньшее ускорение, более инертно или имеет большую массу (демонстрация 1.16). Материальная точка отличается от геометрической только наличием массы. Произведение массы тела на его скорость называется импульсом тела.

Если изменение состояния тела зависит от массы тела, то само взаимодействие, по мысли Ньютона, описывается векторной величиной (демонстрация 1.22), являющейся функцией взаимного расстояния между взаимодействующими телами и их относительной скоростью в некоторый момент времени. Эта физическая величина называется силой.

Усвоение понятий радиус-вектора, перемещения, скорости, ускорения, массы, импульса, силы достаточно для изучения законов Ньютона, являющихся основой динамики. В пособии три закона Ньютона рассматриваются как результат обобщения огромного числа физических экспериментов.

Первый закон Ньютона дается в трех редакциях. Формулировка Ньютона гласит:

«Тело находится в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку на тело не действуют другие тела». Другая формулировка, отражающая свойства пространства и времени, выглядит следующим образом: «Если тело, не взаимодействующее с другими телами, покоится или движется равномерно и прямолинейно в некоторой системе отсчета, то эту систему отсчета можно считать однородной и изотропной». Используя понятие импульса, первый закон Ньютона можно сформулировать более лаконично: «В отсутствие взаимодействия импульс тела не меняется».

По существу первый закон Ньютона указывает экспериментальный путь определения такой системы отсчета, в которой линейные и метрические свойства пространства и линейные свойства времени не зависят от выбора начала отсчета координат и времени и от направления осей координат. Такая система отсчета в физике называется инерциальной. Здесь необходимо подчеркнуть, что установление инерциальности выбранной системы отсчета зависит от точности проводимого эксперимента, поэтому одна и та же система может быть инерциальной или неинерциальной в зависимости от точности проводимых физических опытов.

Первый закон Ньютона окончательно развеял существовавшее столетиями заблуждение о том, что движение возможно только при наличии взаимодействия между телами. Эта аристотелевская точка зрения заменяется в механике Галилея — Ньютона другой, согласно которой и в отсутствие взаимодействия тело может двигаться с постоянной скоростью. Такое движение называется движением по инерции (демонстрации 1.11, 1.12).

Второй закон Ньютона утверждает, что при взаимодействии в инерциальной системе отсчета тело изменяет свой импульс. Изменение импульса со временем равно силе, действующей на тело (демонстрация 1.18).

Сила в механике, как уже отмечалось выше, зависит только от взаимного расстояния взаимодействующих тел и от их относительных скоростей в тот момент времени, для которого определяется ускорение. Пожалуй, это утверждение является одним из основных для понимания всей динамики. Оно ниоткуда не следует, и его нужно рассматривать как гипотезу, справедливость которой подтверждается экспериментом. Это обстоятельство приводит к тому, что для определения положения и скорости тела в любой момент времени необходимо и достаточно знания начального положения тела и его начальной скорости при известном выражении для силы. Поэтому говорят, что состояние тела в механике определяется лишь двумя динамическими величинами: радиус-вектором и скоростью. Ясно, что второй закон Ньютона будет справедлив только в том случае, когда радиус-вектор и скорость можно одновременно определять в процессе эксперимента. Оказалось, что для микрочастиц это сделать не удается, поэтому для их описания второй закон Ньютона не применим.

Третий закон Ньютона утверждает, что при взаимодействии тел сила действия всегда равна и противоположно направлена силе противодействия (демонстрация 1.20).

При обсуждении третьего закона Ньютона следует обратить внимание на два обстоятельства. Первое: силы в третьем законе всегда описывают взаимодействие тел, они приложены к разным телам и поэтому никогда не могут уравновесить друг друга. Очень полезно при обсуждении этого закона рассмотреть различные случаи реального взаимодействия тел с определением действующих между ними сил действия и противодействия.

Второе: третий закон Ньютона в неявной форме утверждает, что взаимодействие между телами передается мгновенно от одного тела к другому, т. е. механика Ньютона придерживается идеи дальнодействия. Отсюда следует, что для описания процессов, происходящих со скоростями, при которых нельзя пренебрегать конечным временем передачи взаимодействия между телами, использовать механику Ньютона невозможно.

В настоящее время известно, что взаимодействия между телами передаются с максимальной скоростью, равной скорости света. При скоростях движения, сравнимых со скоростью света, для описания движения механика Ньютона заменяется механикой специальной теории относительности.

После изучения законов Ньютона обсуждаются важнейшие мировоззренческие концепции современной физики на материале механики: относительность, причинность, симметрия. Содержание принципа относительности заключается в том, что не существует выделенной инерциальной системы отсчета, все инерциальные системы отсчета равноправны с точки зрения наблюдателя, проводящего в них эксперименты. Это означает, что при одинаковых начальных условиях и действующих силах, при механических измерениях наблюдатель в каждой системе получит одинаковый результат.

Другими словами, никакими механическими опытами внутри инерциальной системы отсчета нельзя установить ее движение относительно другой инерциальной системы отсчета.

Принцип относительности, обобщая результаты многочисленных экспериментов, устанавливает физическую эквивалентность всех инерциальных систем отсчета. Так как свойства пространства и времени не изменяются в зависимости от равномерного и прямолинейного движения одной инерциальной системы отсчета относительно другой, то описание механического движения не зависит от выбора инерциальной системы, они полностью эквивалентны друг другу.

Принцип причинности в механике утверждает, что положение и скорость материальной точки в любой момент времени причинно обусловлены ее положением и скоростью в начальный момент времени. Это положение основано на втором законе Ньютона, согласно которому ускорение тела в некоторый момент времени определяется зависимостью от положения тела и его скорости в этот же момент времени. Зная ускорение, мы можем определить скорость в последующий момент времени, а по скорости можно определить и новое положение тела. Тогда, воспользовавшись снова вторым законом Ньютона, можно определить ускорение в последующий момент времени и т. д. Таким образом, решая уравнение движения, выраженное вторым законом Ньютона, можно определить положение и скорость тела в любой момент времени в процессе его движения.

Именно поэтому второй закон Ньютона называют динамическим, а однозначную зависимость характера движения от начальных условий при заданной силе — механическим детерминизмом или механической причинностью.

Симметрией тела по отношению к некоторому преобразованию называется явление сохранения определенных свойств тела при совершении с ним этого преобразования.

В механике мы сталкиваемся с симметрией пространства и времени. Например, однородность, пространства является не чем иным, как сохранением линейных и метрических свойств пространства при изменении положения начала координат системы отсчета, изотропность пространства — сохранением его свойств при повороте осей координат, однородность времени — сохранением линейных свойств при изменении начала отсчета времени.

Оказалось, что каждый вид симметрии связан с сохранением вполне определенной физической величины, зависящей от механического состояния тел.

Так, однородность времени означает сохранение механической энергии, т. е. суммы кинетической и потенциальной энергии тела, однородность пространства — сохранение импульса тела (демонстрации 1.28, 1.31). Что касается изотропности пространства, то этому типу симметрии соответствует сохранение момента импульса — физической величины, которая в школьном курсе физики не изучается.

Принцип симметрии, утверждающий, что каждому типу симметрии соответствует своя сохраняющаяся величина, стал одним из ведущих эвристических принципов в физике, т. е.

таким приемом физического мышления, который позволяет устанавливать новые физические закономерности в природе.

Изучение методов описания механического движения и динамических законов Ньютона заканчивается выполнением контрольной работы 1. Содержание контрольных работ для классов с гуманитарным профилем обучения имеет свою специфику. В них не содержится расчетных задач. Задания этих работ содержат вопросы, соответствующие требованиям к учащимся гуманитарных классов.

После изучения законов Ньютона и основных принципов механики рассматриваются прикладные вопросы механики, демонстрирующие ее эффективность при описании и преобразовании окружающего мира. К таким вопросам относятся: описание движения земных и небесных тел, реактивное движение, невесомость, силы в природе, механические колебания и волны, звук, поведение разреженного, идеального газа.

В соответствующих параграфах изучается закон всемирного тяготения Ньютона, рассматриваются силы тяготения, трения, упругости, уравнения реактивного движения, уравнение гармонических колебаний и гармонической волны, основное уравнение МКТ для идеального газа и его уравнение состояния. Изучение этого достаточно сложного для усвоения учебного материала должно проводиться с использованием необходимого числа демонстраций 1.32—1.46 и обязательным проговариванием вслух каждым учащимся основных положений теоретического материала во время урока и ответов на вопросы в конце каждого параграфа.

Заключительный параграф в этом разделе посвящен рассмотрению механической картины мира, сформированной благодаря успехам механики при описании окружающего мира. С точки зрения механики задачей научного описания окружающего мира является представление всех тел в виде совокупности отдельных взаимодействующих друг с другом частиц — материальных точек, определение характера взаимодействия между ними в виде законов для сил взаимодействия и установление начальных условий.

Окружающий мир с точки зрения механики выглядит достаточно унылым, в нем господствует механический детерминизм. Будущее мира однозначно определено его прошлым. К счастью, дальнейшее развитие науки показало, что область применимости механики ограничена. Однако успехи механики в описании природных явлений были так велики, что механический детерминизм на протяжении нескольких столетий стал примером для построения научного описания других явлений, по своей природе далеких от механики. Знания, полученные человеком в результате применения научного метода к описанию окружающего мира при изучении простейших механических движений, можно представить в обобщенном виде как механическую картину мира, отдельными фрагментами которой являются:

«элементы» мира: материальные точки, пространство и время;

физические взаимодействия: тяготение, трение, деформация;

физические законы: законы Ньютона, законы сохранения, закон всемирного тяготения, закон Гука, закон Кулона — Амонтона, основной закон кинетической теории газов, закон Бойля — Мариотта;

физические системы: вещество, Солнечная система, замкнутая система;

механические процессы: механическое движение, движение планет вокруг Солнца, механические колебания, распространение механических волн;

мир, созданный человеком: механический детерминизм, мир механизмов и машин.

После изучения этой темы учащимися выполняется контрольная работа 2.

11. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ РАЗДЕЛА

«ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА»

Основная задача этого раздела — формирование у учащихся представлений о поле как еще об одном виде физических объектов, существующих в окружающем мире. В отличие от частиц, участвующих в механическом движении и характеризующихся своим положением в пространстве и скоростью движения, поле не локализовано в какой-то определенной области и распространяется всегда с одной и той же скоростью в любой системе отсчета. Необычность физических свойств поля приводит к необходимости создания специфических способов описания его свойств, изучения законов его поведения и взаимодействия с веществом. Наиболее хорошо известным видом физического поля является свет, с изучения свойств которого и начинается ознакомление учащихся с полями.

Изучение света начинается с выяснения его природы, обсуждения двух гипотез:

корпускулярной и волновой, высказанных Ньютоном и Гюйгенсом по поводу природы света и явившихся следствием их механистических представлений. Аргументами, подтверждающими или опровергающими эти гипотезы, служат результаты экспериментов, эмпирические законы, такие, например, как отражение и преломление света (демонстрации 2.1, 2.2), измерение скорости света. Объяснение явлений преломления света с корпускулярной и волновой точек зрения позволяет найти тот аргумент в защиту определенной позиции на природу света, который может быть проверен экспериментально. Оказалось, что скорость света в более плотной среде меньше скорости света в вакууме, что соответствует волновой теории света.

Волновые свойства света получают дальнейшее подкрепление при рассмотрении таких физических явлений, как интерференция, дифракция, поляризация света (демонстрации 2.4—2.20). Изучение интерференции проводится при наблюдении колец Ньютона (демонстрации 2.4, 2.5), дифракции — прохождении лазерного света через одиночную щель и двойную щель (опыт Юнга, демонстрации 2.15, 2.16), поляризации — прохождении света через скрещенные поляроиды (демонстрация 2.19). Для повышения наглядности оптических экспериментов желательно применение видеопроекционных средств, позволяющих наблюдать результаты демонстраций на больших экранах при нормальной освещенности класса (демонстрации 2.10, 2.16, 2.20). В конце изучения этого раздела учащиеся выполняют контрольную работу 3.

Экспериментальное подтверждение волновой природы света естественным образом ставит вопрос о происхождении этих волн. Ответ на этот вопрос был найден в разделе физики, на первый взгляд весьма далекой от оптики, — в электродинамике.

Изучение электродинамики начинается с ознакомления с явлением электрического взаимодействия (демонстрации 3.1, 3.2). Для описания этого взаимодействия вводится понятие электрического заряда и обсуждаются его свойства на основе известных экспериментальных фактов. Важнейшим свойством электрического заряда является его сохранение в замкнутых системах. Сохранение заряда относится к фундаментальным законам природы. После изучения экспериментального закона Кулона вводятся понятие электрического поля и такие его характеристики, как напряженность электрического поля и линии напряженности электрического поля (демонстрация 3.4).

Представления о поле затем развиваются при рассмотрении магнитного взаимодействия (демонстрации 3.5—3.8), для описания которого вводятся понятия вектора магнитной индукции и линий магнитной индукции, позволяющих наглядно изображать пространственную структуру магнитных полей (демонстрации 3.5, 3.6, 3.10).

После рассмотрения статических электрических и магнитных полей изучаются электродинамические явления (демонстрации 3.13, 3.19). В отличие от сложившегося порядка изложения этого раздела школьной физики, соответствующего исторической последовательности физических открытий, в пособии сначала изучается явление возникновения магнитного поля при изменении электрического поля со временем, которое можно назвать магнитоэлектрической индукцией, а затем явление электромагнитной индукции, открытой Фарадеем.

Изучение магнитоэлектрической индукции предваряется демонстрацией и обсуждением опыта (демонстрация 3.19), с помощью которого доступными для школьного кабинета средствами можно показать появление магнитного поля при изменении электрического поля.

Это позволяет ввести понятие тока смещения, представляющего изменение со временем электрического поля, при котором в пространстве появляется магнитное поле, подобное магнитному полю около проводника с током.

Опыты Фарадея показали, что не только переменное электрическое поле вызывает появление магнитного поля, но и переменное магнитное поле вызывает появление электрического поля. В этом состоит открытие электромагнитной индукции, сделанное Фарадеем в 1831 г. Явления магнитоэлектрической и электромагнитной индукции составляют основу электродинамики. Анализ уравнений, описывающих в совокупности электромагнитные явления, позволил Максвеллу прийти к заключению о возможности существования электромагнитного поля независимо от вещества в виде электромагнитных волн. Теоретическое предсказание Максвелла экспериментально подтвердил немецкий физик Г. Герц в 1888 г. В дальнейшем было установлено, что электромагнитные волны, так же как и вещество, могут переносить энергию, обладают импульсом и моментом импульса. Совокупность электромагнитных волн различных частот образует шкалу электромагнитных волн. В зависимости от особенностей получения и обнаружения электромагнитных волн шкала делится на различные диапазоны. Свет на этой шкале занимает узкий участок между длинами волн, равными 0,4 мкм и 0,8 мкм (демонстрация 2.21).

После изучения особенностей свойств электромагнитных волн различных диапазонов рассматривается строение вещества с точки зрения электронной теории, основой которой является взаимодействие частиц, обладающих электрическим зарядом.

После теоретических работ Дж. Максвелла и экспериментальных исследований Г. Герца стало ясно, что в природе, кроме вещества, существует электромагнитное поле, способное взаимодействовать с веществом и обладающее, как и вещество, энергией и импульсом. Было показано, что электромагнитное поле может существовать в пространстве и времени независимо от вещества, распространяясь в виде волн.

Оказалось, что скорость распространения этих волн равна скорости света. Это дало основание утверждать, что свет представляет собой электромагнитные волны с определенной частотой колебаний.

Уравнения Максвелла в сжатой форме описали свойства электромагнитного поля и его взаимодействие с веществом. Было установлено, что электромагнитное поле является совокупностью электрического и магнитного полей, способных существовать независимо от вещества. Была открыта новая характеристика вещества (электрический заряд), характеризующая взаимодействие вещества с электромагнитным полем.

Теория Максвелла объединила громадное число электрических, магнитных, оптических явлений, казавшихся совершенно непохожими друг на друга, ничего не имеющих общего друг с другом, в единую область электромагнитных явлений.

Описание этих явлений с помощью теории Максвелла происходило в принципе так же, как и описание механического движения в механике Ньютона. По заданным начальным и граничным условиям для поля при определенных значениях зарядов и токов в пространстве в начальный момент времени определялось состояние поля в любой последующий момент времени и в любой точке пространства.

При описании взаимодействия между зарядами и токами учитывалась конечная скорость распространения взаимодействия, равная скорости света. Окружающий мир стал казаться еще более упорядоченным и открытым для понимания человеком.

В этом мнении убеждали и те открытия, которые привели к созданию промышленных технологий по использованию энергии электромагнитного поля, новых средств беспроволочной связи (демонстрации 3.28—3.31).

В результате изучения этого раздела должны быть сформированы основные представления электродинамической картины мира:

«элементы» мира: заряды, электромагнитное поле, электрическое и магнитное поля;

физические взаимодействия: электрическое, магнитное, электромагнитное;

физические законы: закон Кулона, закон сохранения электрического заряда, закон Фарадея, теория Максвелла;

физические системы: система электрических зарядов, проводников с током, заряженных частиц в веществе;

электродинамические процессы и явления: отражение, преломление, распространение, интерференция, дифракция, поляризация света, электризация, электрическое взаимодействие, магнитное взаимодействие, электромагнитные колебания, электромагнитные волны;

мир, созданный человеком: электродвигатель, электрогенератор, радио, телевидение, радиолокатор, дифракционная решетка.

После изучения этой темы учащимися выполняется контрольная работа 4.

12. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ РАЗДЕЛА

«РЕЛЯТИВИСТСКАЯ КАРТИНА МИРА»

Основная задача при изучении этого раздела — формирование у учащихся представлений о свойствах пространства и времени окружающего нас мира, основанных на взаимодействии реальных физических объектов.

Если в механике свойства пространства и времени были связаны только с особенностями движения тел, то после открытия электромагнитного поля стало ясно, что представления о пространстве и времени должны быть пересмотрены с учетом свойств поля.

Согласно теории Максвелла, электромагнитные волны должны распространяться в особой светоносной среде — мировом эфире.

Обнаружение электромагнитных волн поставило перед физиками вопрос об изучении свойств мирового эфира. Экспериментальные исследования аберрации света, увлечение света движущейся водой в опытах Физо, опыты Майкельсона привели к весьма противоречивой ситуации в вопросе о существовании мирового эфира. Явление аберрации света подтверждало, что движущиеся тела не увлекают эфир, опыты Физо говорили о частичном увлечении эфира, исследования Майкельсона свидетельствовали о полном увлечении эфира движущимися телами. Различные подходы к решению проблемы в рамках классической физики не смогли разрешить сложившиеся противоречия при объяснении увлечения эфира различными движущимися астрономическими и физическими телами.

В 1905 г. А. Эйнштейн выдвинул два постулата, которые, как оказалось впоследствии, смогли полностью объяснить кажущиеся противоречия опытов по определению степени увлечения эфира. Эти постулаты легли в основу так называемой специальной теории относительности (СТО), объяснившей особенности описания движения тел при скоростях, сравнимых со скоростью света.

Первый постулат СТО являлся естественным обобщением принципа относительности Галилея в механике и формулировался следующим образом: никакими физическими экспериментами, в том числе и оптическими, нельзя установить факт равномерного и прямолинейного движения системы отсчета, находясь внутри этой системы. Этот постулат получил название принципа относительности Эйнштейна. Первый постулат отрицал существование некоторой выделенной системы отсчета и, следовательно, мирового эфира.

Второй постулат СТО полагал одинаковой скорость света во всех системах отсчета.

В формулировке Эйнштейна второй постулат СТО выглядел следующим образом:

скорость света постоянна во всех системах отсчета и не зависит от скорости источника или приемника света. Это означало, что для распространения электромагнитных волн не нужно было предполагать существования какой-либо среды. Электромагнитное поле распространялось в пространстве со временем само по себе, не нуждаясь для этого в какой-то дополнительной среде. Такая точка зрения укрепляет наши представления об электромагнитном поле как еще об одном участнике реальных событий в окружающем нас мире наряду с веществом. Вместе с тем признание за полем подобной самостоятельности требует существенного пересмотра наших представлений о свойствах пространства и времени, которые при рассмотрении свойств движущихся тел.

Постоянство скорости света во всех инерциальных системах отсчета позволяет экспериментально определить процедуру синхронизации часов в различных системах отсчета, что при рассмотрении только механических явлений сделать было невозможно.

Из определения одновременности событий в разных системах отсчета с помощью светового сигнала сразу следует ее относительность. Относительность одновременности событий является следствием постоянства скорости света в разных системах отсчета и выбранного способа синхронизации часов.

Относительность одновременности в СТО приводит к необходимости для описания физического состояния материальной точки, кроме пространственных координат, ввести временную координату, измеряемую часами, связанными с этой материальной точкой.

Если координаты начала координат принять за нуль, то координаты произвольной точки будут связаны друг с другом, по определению процедуры синхронизации часов, простым соотношением х2 + у2 + z2 = с2t2, где х, у, z — пространственные координаты материальной точки; t — временная координата этой точки, равная времени распространения света из начала координат до рассматриваемой точки. Аналогичное соотношение между пространственными и временной координатами можно записать для любой материальной точки в выбранной системе координат. Это соотношение можно переписать следующим образом, перенеся произведение c2t2 в левую часть равенства: х2 + у2 + z2 + ( с2t2) = 0. Если выражение в скобках обозначить через 2, то мы получим следующее выражение: х2 + у2 + z2 + 2 = 0, формально похожее на выражение для квадрата длины вектора в четырехмерном пространстве. Как и в привычном для нас чувственно воспринимаемом трехмерном пространстве, квадрат вектора в четырехмерном пространстве можно рассматривать как результат скалярного произведения вектора самого на себя. Для вычисления значения скалярного произведения необходимо, кроме самого определения скалярного произведения, задать скалярные произведения единичных векторов, характеризующих метрические свойства пространства. В трехмерном геометрическом пространстве попарные произведения единичных векторов равны нулю, если векторы относятся к разным осям координат, или единице, если они одинаковы. Пространство с такими свойствами мы называли в классической механике евклидовым. В нашем случае четырехмерного пространства произведение единичного вектора, характеризующего временную ось координат, самого на себя равно минус единице. Пространство с такими свойствами называется псевдоевклидовым.

В таком пространстве любое физическое событие можно характеризовать точкой с четырьмя координатами и каждой такой точке можно сопоставить вектор, соединяющий эту точку с началом координат. Впервые изображение физических событий с помощью векторов в четырехмерном псевдоевклидовом пространстве предложил немецкий физик Г. Минковский в 1908 г. Длина четырехмерного вектора в СТО называется интервалом и обозначается буквой s. При переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую длина интервала остается постоянной. Это свойство интервалов следует из постулатов СТО. Интервал, таким образом, аналогичен длине отрезка в геометрии Евклида. Значение интервала, подобно длине отрезка, не меняется при различных преобразованиях системы координат. Существование интервала, инвариантного к преобразованию инерциальных систем координат, обусловлено прежде всего свойствами электромагнитного поля, постоянством скорости света в разных системах отсчета. Значение интервала зависит как от пространственных, так и от временной координат события. Это позволяет рассматривать множество всевозможных значений координат и моментов времени, умноженных на скорость света и на мнимую единицу, как четырехмерное пространство точек или пространство векторов, в котором заданы интервалы, т. е. своеобразные расстояния между парами физических событий. Особенностью этих расстояний является их постоянство при переходе из одной системы координат в другую.

В механике материальных точек, механике Галилея — Ньютона, неизменными величинами при переходе из одной системы отсчета в другую являлись длины отрезков и промежутки времени. В СТО длина отрезка и промежуток времени не будут сохраняться при переходе из одной системы отсчета в другую, так как эти величины входят составными частями в интервал, который остается неизменным, хотя его отдельные части, пространственная и временная, будут изменяться.

Преобразования пространственных и временной координат при этом подчиняются преобразованиям Лоренца, которые при скоростях движения, намного меньших скорости света, переходят в преобразования Галилея. Преобразования Лоренца не изучаются в школьном курсе из-за их сложности, но при обсуждении вопросов преобразования координат при переходе от одной системы координат к другой можно об этом упомянуть и даже записать их математическое выражение, не требуя его вывода или заучивания.

Оказывается, не только интервал сохраняет свою величину при переходе из одной системы отсчета в другую. Существуют и другие инварианты таких преобразований. Один из них — это определенная комбинация энергии и импульса электромагнитного поля или частицы, по структуре подобная интервалу, если вместо координаты взять импульс р, а вместо подставить полную энергию Е, деленную на скорость света с. Эта величина тоже оказывается инвариантом преобразования, равным произведению квадрата массы тела на квадрат скорости света, взятому со знаком «минус» ( m2с2), т. е. р2 Е2/с2 = m2с2.

Существование инвариантной величины, подобной интервалу, составляющими которой являются энергия и проекции импульса, наводит на мысль о возможности описания поведения электромагнитного поля или частиц в такой системе координат, в которой эти величины служат осями координат своеобразного четырехмерного пространства энергии — импульса. Введение четырехмерных миров пространства — времени и энергии — импульса позволяет описать физические состояния электромагнитного поля и частиц вещества одинаковым образом, используя четырехмерные векторы и длины этих векторов, сохраняющие свое значение при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Возможность такого описания наводит на мысль о физическом единстве этих сущностей окружающего нас мира, проявляющих себя в физических явлениях столь непохожим друг на друга образом.

Работы А. Эйнштейна и Г. Минковского в 1905—1908 гг. полностью изменили представления людей об окружающем мире. Пожалуй, самым поразительным в специальной теории относительности был новый, свежий взгляд на привычные окружающие нас события. Стало ясно, что для распространения света не нужна особая светоносная среда — эфир; свет, как и любые другие электромагнитные волны, может распространяться в свободном от вещества или какой-то другой субстанции пространстве.

Скорость света одинакова в любой инерциальной системе отсчета и не зависит от скорости приемника или источника света. Скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью движения материальных объектов, и этот экспериментальный факт изменил представления классической физики о свойствах пространства и времени. Если раньше, исходя из особенностей движения материальных тел, пространство и время воспринимались как независимые друг от друга характеристики физических процессов, то с открытием электромагнитных волн с их необычными свойствами появилась возможность объединить пространство и время в одно пространство — время. В конце изучения этого раздела учащиеся выполняют контрольную работу.

13. МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ РАЗДЕЛА

«КВАНТОВО-СТАТИСТИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА»

Основная задача при изучении этого раздела — ознакомление со свойствами квантовых объектов, которыми, в частности, являются микрочастицы и электромагнитное поле. Характерной особенностью в поведении квантовых объектов является двойственность в проявлении их свойств в физических взаимодействиях. В одних экспериментах они проявляют корпускулярные свойства, в других — волновые, что с точки зрения классических представлений является невозможным. На самом деле отмеченное противоречие — результат наших заблуждений, основанных на одностороннем подходе к описанию свойств физических явлений. Если предположить, что корпускулярные и волновые свойства есть не противоречащие, а дополняющие свойства объектов, то трудности в описании поведения этих объектов становятся легкопреодолимыми. Идея дополнительности, сформулированная в виде принципа дополнительности датским физиком Н. Бором, является одной из ведущих этого раздела.

Другая идея — это признание вероятностного характера поведения микрообъектов, отказ от механического детерминизма при описании квантовых объектов.

Наконец, третья идея раздела — это идея атомизма, восходящая к мыслителям Древней Греции, получившая свое развитие благодаря интенсивному развитию современной атомной, ядерной физики и физики высоких энергий.

Реализация этих идей начинается с изучения корпускулярных свойств света на примере изучения таких явлений, как излучение абсолютно черного тела, фотоэффект, рентгеновское излучение, флуктуации светового потока. Обращается внимание учащихся на то, что для описания одних явлений, таких, как интерференция, дифракция, поляризация света, используется волновая модель света; для описания других явлений, таких, как тепловое излучение, фотоэффект, рентгеновское излучение, изменение со временем интенсивности слабых световых потоков, используется квантовая, корпускулярная модель света.

Выражения для энергии и импульса фотонов, связывающие их значения с частотой и длиной волны, устанавливают своеобразную связь между этими моделями.

Так, энергия фотона однозначно связана с его частотой формулой Планка = h, а импульс выражается через длину волны формулой, следующей из специальной теории относительности: р = h/. Используя эти соотношения, выражение для плоской монохроматической электромагнитной волны Е = Е0 cos (t kx) можно записать в виде Е = Е0 cos 2 (t px)/h.

Необычность использования различных моделей для интерпретации результатов эксперимента в их кажущейся противоречивости. Действительно, наблюдая за поведением физических объектов в окружающей нас природе, мы привыкли считать корпускулярные и волновые свойства взаимно исключающими признаками объектов. Наш повседневный опыт показывает, что частица не может быть волной, а волна не может быть частицей.

Однако эксперименты со светом показывают, что такая позиция не соответствует экспериментальным фактам. Один и тот же физический объект, в данном случае свет, может в зависимости от реальной ситуации проявлять или волновые, или корпускулярные свойства. Причем эти свойства выступают не как исключающие друг друга характеристики объекта, а, наоборот, как признаки объекта, дополняющие друг друга.

Сам же изучаемый объект не является ни волной, ни частицей (демонстрации 4.1, 4.8).

С этих позиций свет следует считать квантовым электромагнитным процессом, проявляющим волновые или корпускулярные свойства в зависимости от экспериментальной ситуации.

Ситуация, сложившаяся в физике при описании свойств света, получила название корпускулярно-волнового дуализма. Из сказанного выше ясно, что противоречивость поведения света есть следствие наших ограниченных возможностей описания природных явлений. Преодоление этих трудностей приводит к качественно новому уровню понимания сущности процессов в окружающем нас мире, к выработке нового стиля мышления.

Главными отличительными признаками этого мышления являются дополнительность противоположных свойств физических объектов и вероятностный характер физических законов.

Новые идеи нашли подтверждение и при исследовании свойств микрочастиц, в частности электронов.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль предположил, что все частицы вещества, подобно свету, обладают волновыми свойствами. Связь между волновыми и корпускулярными свойствами частиц такая же, как и между соответствующими свойствами света. Энергия частицы Е равна энергии кванта волнового поля с частотой, т. е. Е = h, где h — постоянная Планка, а импульс частицы р = hk, где k — волновое число. Так же как и при рассмотрении фотонов, поведение частиц описывалось с помощью волнового поля, интенсивность которого определяла вероятность того, что частица может быть обнаружена в определенной области пространства. Гипотеза де Бройля основывалась на сходстве уравнений, описывающих поведение лучей света и частиц вещества, и носила исключительно теоретический характер. Для ее подтверждения или опровержения требовались экспериментальные факты.

Первое опытное подтверждение гипотезы де Бройля было получено в 1927 г. в опытах американских исследователей Девиссона и Джермера, изучавших рассеяние электронов на монокристалле никеля.

Электроны вели себя так, будто они были волнами. По результатам эксперимента удалось установить, что длина волны электронов в точности соответствовала предположению де Бройля.

Эксперименты по дифракции электронов и других микрочастиц вещества с очевидностью убеждают в том, что вещество, так же как и электромагнитное поле, обладает волновыми свойствами. Это обстоятельство вынуждает изменить сложившиеся представления об окружающем физическом мире.

Модель корпускулы, частицы, с помощью которой в классической физике описывали движение макроскопических тел, подразумевает локализацию этих тел в пространстве, при этом координаты частицы и ее скорость могут быть определены одновременно в любой момент времени. Однако эксперименты по дифракции электронов разрушают эти представления, так как невозможно представить электрон проходящим через две щели сразу, как это следует из результатов таких экспериментов.

Переход на язык классического волнового описания поведения электрона также мало что дает, так как электрон во всех экспериментах регистрируется всегда целиком, и все попытки определить, через какую щель в опыте по дифракции все-таки проходит электрон, оканчиваются неудачей.