Физика в школе, 2018, № 2
научно-методический журнал
Покупка
Тематика:
Физика. Астрономия
Издательство:
Школьная Пресса
Наименование: Физика в школе
Год издания: 2018
Кол-во страниц: 64
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
ФИЗИКА В ШКОЛЕ НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ ИЗДАЕТСЯ С МАЯ 1934 г. № 2 2018 ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ В.А. Ильин, В.В. Кудрявцев, Т.А. Ширина Физика и техника высоких давлений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 МЕТОДИКА. ОБМЕН ОПЫТОМ А.Е. Айзенцон Об эволюционных корнях дисциплины «Физика» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Ю.В. Масленникова, И.В. Гребенев Обучение через открытие (особенности преподавания пропедевтического курса физики на примере темы «Гидростатика») . . . . . . . . . 18 ГОТОВИМСЯ К ЕГЭ И.Я. Филиппова Эксперимент на уроке как важный элемент подготовки к выпускному экзамену . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Профильное обучение Т.И. Долгая Методические рекомендации по внедрению ранней профориентации дошкольников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Школа–ВУЗ Н.А. Леонова Лекторий для школьников «За границами школьного курса физики» в техническом университете . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ Р.Я. Ерохина, Ю.А. Иванова Решение школьных задач по физике на основе теоремы о движении центра масс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Образован в 1934 году Наркомпросом РСФСР. Учредитель — ООО «Школьная Пресса». Журнал выходит 8 раз в год
ЭКСПЕРИМЕНТ М.А. Старшов Как смотреть, чтобы увидеть . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 В.Л. Рыппо, И.И. Усатов, В.И. Рудковская Сложные колебания и сыпучая среда. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 АСТРОНОМИЯ Ю.В. Масленникова, М.А. Фаддеев Телескоп — новый взгляд на Вселенную (вклад Г. Галилея в становление новой научной картины мира) . . . . . . . . . . . . . 57 Главный редактор Е.Б. Петрова, д.п.н., доцент / Petrova, E.B. DrSci in Education, Associate Professor Редактор Э.М. Браверман, к.п.н. / Braverman, E.M. PhD in Education Зав. редакцией Е.Н. Стояновская / Stoyanovskaya, E.N. ООО «Школьная Пресса» Корреспонденцию направлять по адресу: 127254, г. Москва, а/я 62 Тел.: 8 (495) 619-52-87, 619-52-89. Интернет http: // www.школьнаяпресса.рф E-mail: fizika@schoolpress.ru Формат 84×108/16. Усл. п. л. 4,0. Изд. № 3178. Заказ Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия, свидетельство о регистрации ПИ № ФС 77-38550 от 21.12.09. Охраняется Законом РФ об авторском праве. Запрещается воспроизведение любой журнальной статьи без письменного разрешения издателя. Любая попытка нарушения закона будет преследоваться в судебном порядке. Отпечатано в АО «ИПК «Чувашия», 428019, г. Чебоксары, пр. И. Яковлева, д. 13. © ООО «Школьная Пресса», © «Физика в школе», 2018, № 2 Состав редколлегии Демидова М.Ю., д.п.н., доцент Demidova, M.Yu. DrSci in Education, Associate Professor Засов А.В., д.ф.-м.н., академик МАН, профессор Zasov, A.V. DrSci of Physics and Mathematics, Academician of the MAS, Professor Королев М.Ю., д.п.н., к.ф.-м.н., доцент Korolev, M.Yu. DrSci in Education, PhD of Physics and Mathematics, Associate Professor Майер В.В., д.п.н., профессор Mayer, V.V. DrSci in Education, Professor Никифоров Г.Г., к.п.н., ведущий научный сотрудник Nikiforov, G.G. PhD in Education, Leading researcher Пентин А.Ю., к.ф.-м.н. Pentin, A.Yu. PhD of Physics and Mathematics Сауров Ю.А., д.п.н., профессор, член-корреспондент РАО Saurov, Yu.A. DrSci in Education, Professor, Associate member RAE Степанова Г.Н., д.п.н., профессор Stepanova, G.N. DrSci in Education, Professor Ханнанов Н.К., к.х.н. Khannanov, N.K. PhD in chemical Sciences Чулкова Г.М., д.ф.-м.н., доцент Chulkova, G.M. DrSci of Physics and Mathematics, Associate Professor Журнал рекомендован Высшей аттестационной комиссией (ВАК) Министерства образования и науки Российской Федерации в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора и кандидата наук. Журнал зарегистрирован в базе данных Российского индекса научного цитирования. Распространяется в печатном и электронном виде.
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. Краткие сведения о зонной теории твердых тел Успехи физики высоких давлений (ФВД) особенно ярко проявились после разработки зонной теории твердых тел. Ее основы были заложены физиками-теоретиками (прежде всего, Ф. Блохом, Л. Бриллюэном и Р. Пайерлсом) в 1928–1931 гг. Отметим основные положения зонной теории [1]. 1. При расчете особенностей движения электронов в твердом теле атомные ядра рассматриваются как неподвижные источники электрического поля, действующего на электроны. Это так называемое адиабатическое приближение. 2. Расположение ядер в пространстве кристаллической решетки считается строго периодическим; они размещаются в узлах идеальной решетки данного кристалла. 3. Взаимодействие электронов друг с другом заменяется эффективным внешним полем — стационарным электрическим полем, обладающим периодичностью кристаллической решетки. Другими словами, многоэлектронную задачу сводят к задаче о движении одного электрона в усредненном поле всех ядер и электронов (приближение самосогласованного поля). 4. В большинстве электрических, магнитных и оптических явлений в твердых телах электроны внутренних атомных оболочек не играют существенной роли, т.е. в систему электронов включают только валентные электроны атомов решетки. Зонная структура энергетических уровней в кристаллах может быть получена непосредственно из решения уравнения Шредингера для электрона, движущего ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ ФИЗИКА И ТЕХНИКА ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ В.А. Ильин, д.ф.-м.н., профессор, МПГУ, г. Москва; minjar@mail.ru V.A. Ilin, DrSci (Physics and Mathematical), professor, MSPU, Moscow; minjar@mail.ru В.В. Кудрявцев, к.п.н., ведущий редактор учебной литературы по физике Объединенной издательской группы «Дрофа-Вентана», г. Москва; kudV-V@yandex.ru V.V. Kudryavtsev, PhD (Pedagogy), leading editor of physical literature of Joint Publishing Group «Drofa— Ventana», Moscow; kudV-V@yandex.ru Т.А. Ширина, ст. преподаватель, МАДИ (ГТУ), г. Москва; shirina_ta@mail.ru T.A. Shirina, senior lecturer, MADI (STU) Moscow; shirina_ta@mail.ru Ключевые слова: физика высоких давлений, наковальни Бриджмена, алмазные наковальни, проблема металлического водорода Key words: physics of high pressure, Bridgman anvils, diamond anvils, diamond anvil pressure cell, the problem of metallic hydrogen Рассмотрены физические основы и конструкции устройств, с помощью которых в лабораторных условиях получают высокие давления. Обсуждаются достижения физики высоких давлений. Представленные материалы могут быть использованы при углубленном изучении раздела «Агрегатные состояния вещества. Фазовые переходы» в курсе физики старшей школы, при проведении проектной и учебно-исследовательской деятельности учащихся The physical statements and constructions of instruments for obtaining high pressure in the laboratory conditions are considered. The achievements of physics of high pressure are discussed. The given materials can be applied in studying the section «State of aggregation of matter. Phase transitions» in the senior course of physics, in the educational project and research activities
ФИЗИКА В ШКОЛЕ 2/2018 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. ся в периодическом силовом поле, которое создается решеткой кристалла. Решение существует в определенном диапазоне волновых чисел, в пределах которого собственные значения энергии электрона меняются квазинепрерывно (разрешенные зоны). Каждая разрешенная зона состоит из близко расположенных дискретных энергетических уровней, число которых равно количеству атомов в образце кристалла. Разрешенные зоны чередуются с диапазоном энергий, при которых уравнение не имеет решений (запрещенные зоны). Однако точное решение этого уравнения для огромного количества электронов в твердом теле невозможно. Поведение электронов в кристалле может быть качественно оценено для одномерного случая. В рамках зонной теории с единой точки зрения можно истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и, во-вторых, шириной запрещенных зон (рис. 1). Действие высоких давлений на зонную структуру кристаллов Согласно теоретическим представлениям с ростом гидростатического (т.е. всестороннего) давления ширина запрещенной зоны в диэлектрике уменьшается и, в конце концов, полностью исчезает. В этом случае создается необходимое условие для осуществления электропроводности и диэлектрик превращается в металл. Расчеты показывают, что в ряде материалов это может произойти в диапазоне давлений, достижимом с помощью современных технических средств. Например, в ксеноне переход в металлическое состояние ожидается при 1,3 млн атм, а в молекулярном йоде — при 200 тыс. атм (1 атм = 101,325 кПа или 1, 01425 бар). В результате исследований было установлено, что йод переходит в металлическое состояние, сохраняя структуру молекулярного кристалла, из-за постепенного перекрытия заполненной валентной зоны и пустой зоны проводимости (рис. 2). Запрещенная зона при этом исчезает. При давлении 300 тыс. атм молекулярный кристалл скачкообразно превращается в одноатомный и картина энергетических зон меняется. Кристалл остается металлическим и в атомарной фазе, но проявляет более высокую электропроводность, обусловленную появлением частично заполненной зоны вместо двух перекрывающихся зон. Таким образом, при низких давлениях йод является молекулярным полупроводником, так как имеет относительно небольшую ширину запрещенной зоны. При давлении ~200 тыс. атм наблюдается упорядочение его структуры и его можно охарактеризовать как молекулярный металл. При давлении ~300 тыс. атм атомы йода образуют симметричный регулярный кристалл, в котором валентная зона оказывается частично заполненной. Способы достижения высоких давлений. Наковальни Бриджмена Американский ученый, профессор Гарвардского университета (США) Перси Уильямс Бриджмен (1882–1961) (рис. 3) был Зона проводимости Зона проводимости Зона проводимости Валентная зона Валентная зона Зона проводимости Область перекрытия зон Валентная зона Частично заполненная зона Запрещенная зона ΔE ΔE Рис. 1
ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ
5
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции.
признанным лидером в области ФВД в прошлом столетии. Он не только исследовал
множество химических элементов и соединений, но и изобрел необходимые для этого
технические средства [2].
Рис. 2
Рис. 3
В 1905 г. П. Бриджмен обнаружил, что
мягкая прокладка не выдавливается из
зазора между сжимаемыми наковальнями,
образуя камеру высокого давления и
уплотняя ее. Давление в уплотняющем
материале всегда выше, чем в середине
камеры, поэтому даже при очень высоком
давлении образец, помещенный в центр
камеры,
не
выдавливается
из
нее.
Столь
фундаментальное
техническое
усовершенствование позволило ученому
выполнить
обширную
программу
исследований свойств веществ при давлениях вплоть до 100 тыс. атм. Теперь
такое устройство называют наковальнями
Бриджмена (рис. 4).
Рис. 4
В наковальнях Бриджмена образец
помещают
между
двумя
наковальнями (пуансонами) по их оси и окружают
кольцевой прокладкой, образующей камеру
высокого давления. При сближении пуансонов под действием гидравлического пресса,
прокладка сминается как наружу, так и во
внутрь, что приводит к повышению давления в камере. Силы трения на контактах с
наковальнями уравновешивают созданное
давление.
Проводя исследования, П. Бриджмен
установил, что у многих веществ под
действием высокого давления наблюдается
полиморфизм. Это явление заключается
в способности некоторых кристаллических
веществ в зависимости от внешнего давления
ФИЗИКА В ШКОЛЕ 2/2018 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. образовывать разные по кристаллической структуре модификации без изменения химического состава вещества (например, графит–алмаз). П. Бриджмен открыл две новые формы фосфора и «горячий лед» — лед, который устойчив при температуре примерно 82°C и давлении около 20 тыс. атм. Однако исследовательские возможности наковален Бриджмена ограничивались прочностью используемого для их изготовления материала и его непрозрачностью для излучения. Способы достижения высоких давлений. Алмазные наковальни В 1959 г. были сконструированы первые алмазные наковальни [3]. Как же устроена алмазная наковальня (рис. 5)? Рис. 5 В первую очередь необходимо изготовить камеру-ячейку высокого давления. Она представляет собой маленькое отверстие в металлической фольге. После того как фольга установлена между плоскостями двух алмазов и отверстие совмещено с осью симметрии наковален, образец, расположенный в отверстии, может быть сжат до высокого давления. Металл выжимается из-под плоскостей алмазов и, таким образом, играет роль прокладки (таблетки), уплотняющей образец. Полученная ячейка высокого давления — это цилиндр диаметром 200 мкм и глубиной около 100 мкм, равной толщине обжатого металла. В отверстие кладут образец и кусочек рубина для измерения давления; отверстие заполняют каплей жидкости, которая обеспечивает гидростатичность давления. После того как ячейка заполнена и сжата, алмазы играют роль окон для наблюдения за образцом, позволяя непосредственно (с помощью микроскопа) регистрировать изменения таких его свойств, как цвет и блеск, происходящие при высоком давлении. Алмазы установлены в силовом механизме из прочной стали, который обеспечивает приложение усилия вдоль оси, перпендикулярной плоскостям кристаллов. Площадь, на которой концентрируется усилие, очень мала, поэтому можно достичь гигантских давлений даже при не слишком больших усилиях. Устройство, в котором две противолежащие параллельные плоскости алмазов передают давление образцу, расположенному между ними, называют алмазной камерой высокого давления [4]. Рубин, помещенный в ячейку вместе с образцом, дает возможность с высокой точностью измерять давление. Когда рубин освещен ультрафиолетом, он светится интенсивным красным цветом. Это явление называется флуоресценцией. С помощью спектрометра в спектре флуоресценции разрешаются две линии, длины волн которых при атмосферном давлении точно известны. При повышении давления линии сдвигаются в сторону больших длин волн. Сдвиг линий в спектре прямо пропорционален давлению, по крайней мере, до 300 тыс. атм (см. сплошную линию на рис. 6). Для более
ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ 7 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. высоких давлений наблюдается отклонение от пропорциональности (пунктирная линия на графике), но и в этом случае давление также может быть оценено достаточно точно. Рис. 6 Расчеты показывают, что структура алмаза стабильна по отношению к переходу в наиболее распространенные металлические фазы при давлении до 23 млн атм. Более осторожная оценка показывает, что переход в любую из металлических фаз не происходит вплоть до 10 млн атм. Однако алмаз может подвергаться пластической деформации до фазового перехода в металл, поэтому предельное давление, которого можно достигнуть в алмазной камере, будет ограничиваться сдвиговой прочностью алмаза. По оценкам в совершенном кристалле алмаза могут быть достигнуты давления до 5 млн атм. до того, как он начнет подвергаться сдвигу. Чем меньше площадка, выдерживающая нагрузку, тем больше вероятность того, что этот участок окажется свободным от дефектов, т.е. совершенным кристаллом. Следовательно, условием достижения наиболее высоких давлений будет проведение экспериментов на все более миниатюрных площадках. Реально в настоящее время достигнуты давления ~1,5 млн атм. Метод алмазных наковален при соответствующем видоизменении конструкции может быть применен для решения самых разнообразных экспериментальных задач (исследования электрических свойств ма териалов, сверхпроводимости и т.п.), в различных областях науки и техники (кристаллография, спектроскопия) [5]. Выше речь шла только о получении статических давлений. Наряду с ними могут быть получены динамические, или быстропеременные давления, которые удобнее всего создавать с помощью ударных волн, возникающих при детонации взрывчатых веществ. Таким образом могут быть достигнуты давления порядка миллиона атмосфер, и это далеко не предел. Еще более высокие давления развиваются при ядерных взрывах. Здесь реализуются поистине астрономические величины, равные давлению в центре звезд, которое может составлять сотни и тысячи миллионов атмосфер. Основные достижения ФВД. Фазовые переходы под действием высоких давлений П. Бриджмен установил, что многие материалы под действием высокого давления становятся полиморфными. Им был подробно изучен полиморфизм льда, в частности, была получена фазовая диаграмма воды. С 1960-х гг. фазовая диаграмма воды П. Бриджмена несколько раз дополнялась и уточнялась. Ее современный вариант представлен на рис. 7. Рис. 7 Из диаграммы видно, при каких температурах и давлениях устойчива та или иная
ФИЗИКА В ШКОЛЕ 2/2018 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. модификация. Лучше всего изучен лед Ic — единственная его модификация, обнаруженная в природе. Она имеет гексагональную (шестигранную) структуру. Поэтому и снежинки имеют шестигранную форму. Самым удивительным является тот факт, что лед большинства модификаций, в отличие от привычного для нас льда Ic, тяжелее воды. Кроме того, ряд модификаций льда обнаруживает сегнетоэлектрические свойства. В 1970 г. был открыт красочный фазовый переход в сульфиде самария (SmS), который сопровождается изменением цвета и электрических свойств образца. Сульфид самария при атмосферном давлении представляет собой полупроводник тусклого черного цвета. Его валентная зона полностью заполнена электронами, а зона проводимости пуста. Между ними находятся уровни энергии, заполненные электронами. При давлении 7000 атм черный цвет SmS меняется на золотистый, потому что указанные выше уровни сливаются с зоной проводимости и материал начинает проводить электрический ток, как металл. При снижении давления цвет образца снова становится черным. Изменение цвета и электропроводности SmS происходит в результате фазового перехода под действием давления. Возможности ФВД в других областях науки Проблема получения металлического водорода В 1935 г. появилась работа Ю. Вигнера и Х. Хантингтона, в которой они предположили, что водород при высоких давлениях (порядка 0,25 млн атм) превратится в проводящий металл. При таком фазовом переходе ядра атомов водорода, сближаясь друг с другом, образуют упорядоченную структуру, а электроны теряют локальные связи с протонами и формируют свободный электронный газ, как в металлах. В 1968 г. Н. Ашкрофт предсказал, что металлический водород будет обладать необычными свойствами, например, сверхпроводимостью при высоких температурах (больше 200 К). Более того, возникла идея о том, что металлический водород может представлять собой сверхтекучую жидкость. Проблема металлического водорода особенно волнует астрофизиков. И не случайно — Солнце и планеты-гиганты более чем на 90% состоят из водорода. В 1971 г. появились теоретические исследования (группа Ю.М. Кагана), доказывающие, что металлический водород может оказаться метастабильным. Это означает, что после снятия высокого давления водород не превратится снова в газ-диэлектрик, а останется металлом. Для получения металлического водорода необходимы сверхвысокие давления [6]. Считается, что твердый водород должен быть высокотемпературным сверхпроводником при давлениях, больших 1,5–2 млн атм. Исследователям пока не удавалось достоверно обнаружить металлическое состояние твердого водорода при сжатии вплоть до давления 2,16 млн атм, хотя в ударных экспериментах с жидким водородом, в которых давление достигало 1,4 млн атм, его электропроводность резко возрастала. По некоторым оценкам в твердом водороде при давлении около 3,4 млн атм должна образоваться атомарная кубическая алмазоподобная фаза с электронной структурой бесщелевого полупроводника или полуметалла. При еще большем давлении 6,5 млн атм ожидается переход в фазу с простой кубической решеткой и металлической структурой электронного спектра. Но пока это всего лишь предположения. (В начале 2017 г. в журнале «Science» была опубликована статья ученых из Гарвардского университета И. Сильверы и Р. Диаса об экспериментальном обнаружении металлического водорода. Но для подтверждения полученных результатов требуется еще провести независимые исследования.)
ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ 9 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. Высокие давления в геофизике и планетологии В руках геофизиков алмазная камера стала «окном» в земные недра — в условия, близкие к границе мантии и ядра на глубине 2900 км. Основным открытием стало обнаружение серии фазовых переходов в силикатных минералах, состоящих из окислов кремния (SiO2), магния (MgO), алюминия (Al2O3) и железа (FeO). Каждый фазовый переход сопровождается изменением плотности, которое может быть сопоставлено с хорошо известными «скачками» скорости сейсмических волн на определенных глубинах. Исследователи полагают, что внезапное увеличение скорости сейсмических волн на глубине 400 км связано с фазовым переходом оливина — смешанного силиката магния и железа — в более плотную структуру шпинели (смешанный оксид магния и алюминия). Аналогично увеличение сейсмической скорости на глубине 670 км связывают с фазовым переходом шпинели в перовскит (титанат кальция). При дальнейшем повышении давления перовскитная фаза оказывается стабильной, поэтому считается, что именно она доминирует в нижней мантии. Состав нижней мантии, начиная с глубины 670 км до границы «ядро–мантия» на глубине 2900 км, неизвестен, но часто принимают аналогичным составу верхней мантии. На рисунке 8 показана схема строения верхней мантии Земли, которое было изучено экспериментально путем моделирования на установке, включающей алмазную камеру и лазер для нагрева образца. ФВД позволяет также исследовать строение планет-гигантов — Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Они в значительной степени состоят из водорода, поэтому изучение его свойств при высоких давлениях имеет особое значение для планетологии. В центре Юпитера давление оценивается в 45 млн атм, а в центре Сатурна оно, вероятно, составляет 10 млн атм. Эксперименты при высоких давлениях с такими вещества ми, как водород, способствуют разработке более реалистических моделей строения и динамики недр этих планет. Рис. 8 Исследования позволяют предположить, что твердый молекулярный водород тоже претерпевает фазовый переход и становится проводящим металлом при давлении в диапазоне 2–6 млн атм. Внутри планетгигантов на сравнительно небольшой глубине, соответствующей таким давлениям, водород находится в металлической форме. В ядрах этих планет (если они существуют) могут находиться окислы магния, кремния, железа, а также три вида «льда» — твердый аммиак, твердый метан и обычный лед. Модель строения планет-гигантов (рис. 9) была предложена Д. Стивенсоном из Калифорнийского технологического университета. Согласно этой модели давление в центре Юпитера составляет 45 млн атм, Сатурна — 10 млн атм, Урана — 6 млн атм. В этой модели присутствует также другое необычное вещество — металлический гелий, свойства которого нам практически не известны.
ФИЗИКА В ШКОЛЕ 2/2018 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. Из недавних астрофизических результатов следует упомянуть обнаружение жидкого ядра у Меркурия, Марса и, возможно, Луны. Также заслуживает внимание установление состава Титана — спутника Сатурна. Оказалось, что основной породой Титана являются клатраты (соединения воды и молекул ряда веществ «без химической связи») на основе льда. ФВД в России сегодня В завершение скажем несколько слов об исследованиях отечественных ученых в области ФВД. Ими был сделан весомый вклад в изучение вещества, находящегося при сильном статическом сжатии, в получение сверхтвердых материалов и создание новых технических установок. Здесь, прежде всего, следует отметить деятельность академика АН СССР Леонида Федоровича Верещагина (1909–1977). В 1958 г. в Троицке по его инициативе был организован Институт физики высоких давлений (ИФВД). Благодаря исследованиям Верещагина и его сотрудников было освоено промышленное производство искусственных алмазов и кубического нитрида бора. Оригинальная аппаратура и методы, разработанные в ИФВД, привели к формированию новой отрасли промышлен ности — «Получение искусственных сверхтвердых материалов». Еще одним успехом стал синтез сверхплотной модификации кремнезема. По имени его первооткрывателя С.М. Стишова (в настоящее время академик РАН) материал был назван «стишовитом». Сначала он был получен искусственным образом при сверхвысоких давлениях, а затем обнаружен в Аризонском метеоритном кратере. На основе синтеза стишовита была создана модель нижней мантии Земли. Кроме того, были впервые получены экспериментальные доказательства определяющей роли фазовых переходов при формировании структуры Земли и планет. В 2004 г. в ИФВД были открыты сверхпроводящие свойства легированного алмаза. Алмаз с различной степенью легирования может быть изолятором, полупроводником, металлом или сверхпроводником. Эти особенности применяют при разработке микроэлектронных устройств на основе алмаза. В настоящее время магистральные научные направления ИФВД (его руководителем является академик РАН В.В. Бражкин) связаны с экспериментальными и теоретическими исследованиями фундаментальных Рис. 9
ДОСТИЖЕНИЯ СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ И ТЕХНИКИ 11 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. свойств вещества в экстремальных условиях, а также материаловедением высоких давлений, включающим синтез новых композитов и наноматериалов. Данные материалы применяют для изделий спецтехники военно-космического комплекса России, в биомедицине и оптоэлектронике. Уникальная аппаратура ИФВД РАН включает в себя большой спектр прессового оборудования. К нему можно отнести: самый мощный в мире исследовательский пресс усилием 50 тыс. т, оригинальные камеры высокого давления — «тороид», «чечевица», «цилиндр — поршень», алмазные наковальни и др. Данное оборудование позволяет синтезировать при высоких давлениях образцы новых материалов. Существенное внимание в ИФВД отводится изучению магнитных и сверхпроводящих материалов, жидкостей при высоких давлениях и низких температурах, компьютерному моделированию и теоретическому изучению фазовых переходов при высоких давлениях. Резюмируя, отметим, что ФВД как направление в физике конденсированного состояния сформировалась в начале прошлого века. П. Бриджмен сыграл определяющую роль в развитии соответствующей идеологии, методов и экспериментальной техники. Сам термин «физика высоких давлений» получил широкое распространение после того, как П. Бриджмен опубликовал в 1952 г. книгу под аналогичным названием. В 1946 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике «за изобретение прибора, позволяющего создавать сверхвысокие давления, и за открытия, сделанные в связи с этим в физике высоких давлений». Изящные технические решения, наличие глубоких теоретических концепций, широта охвата (от физики твердого тела до планетологии), обоснованность прогнозов, как фун даментальных, так и прикладных, делают ФВД не только интересной, но и важной областью для изучения. Примерные темы проектных и учебно-исследовательских работ 1. Наковальни Бриджмена: устройство, принцип действия, исследовательские возможности. 2. Алмазные наковальни: физические основы, конструктивные особенности, примеры применения. 3. Другие методы получения высоких давлений. 4. Достижения физики высоких давлений. Синтез алмазов. 5. Исследования фазовых переходов, происходящих при высоких давлениях. 6. Проблемы и перспективы исследований металлического водорода. 7. Высокие давления в геофизике. Строение верхней мантии Земли. 8. Высокие давления в планетологии. Строение планет-гигантов (Юпитера, Сатурна и Урана). Литература 1. Трофимова Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 2003. 2. Лауреаты Нобелевской премии: энциклопедия. Т. 1, 2. М.: Прогресс, 1992. 3. Джаяраман А. Алмазные наковальни в физике высоких давлений // В мире науки. 1984. № 6. С. 4–13. 4. Блок С., Пьермарини Г. Алмазные наковальни открывают новые возможности в физике высоких давлений // Успехи физических наук. 1979. Т. 127. Вып. 4. С. 705–718. 5. Циклис Д.С. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях. М.: Химия, 1976. 6. Благутина В. В погоне за металлическим водородом // Химия и жизнь. 2003. № 1. С. 8–10.
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. МЕТОДИКА. ОБМЕН ОПЫТОМ ОБ ЭВОЛЮЦИОННЫХ КОРНЯХ ДИСЦИПЛИНЫ «ФИЗИКА» А.Е. Айзенцон, д.п.н., профессор, Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина, г. Рязань; fonon-41@mail.ru A.E. Aizentson, DrSci (Pedagogy), Professor, Ryazan State University named after S.A. Esenin, Ryazan; fonon-41@mail.ru Ключевые слова: изучение физики, эволюция, эволюционная эпистемология, органы чувств, фальсифицируемость гипотез Keywords: the study of physics, evolution, evolutionary epistemology, sense organs, falsifiability of hypotheses Представления об эволюции как о процессе наращивания физических знаний, материализуемых во внутренних и внешних органах живой системы, могут способствовать мотивации изучения физики. При этом осознанию учителем и учеником действующих на занятиях познавательных процессов способствует обсуждение механизмов выдвижения и проверки гипотез The notions of evolution as a process of building up physical knowledge materialized in the internal and external organs of a living system can contribute to motivating the study of physics. At the same time, the understanding of the mechanisms of hypothesis promotion and testing contributes to the awareness of the cognitive processes at the lessons of the teacher and pupil Введение Путь от когниций человека к когнициям животных [1] допускает и обратное движение. Его можно осуществлять в контексте вопроса о необходимости изучения физики в школе. Есть ли аргументы, убеждающие большинство обучаемых? Тезис о базовой дисциплине, определяющей научнотехнический прогресс, и даже иллюстрация важных технических решений, найденных на основе открытий физики, не понижают энтропию мотивации Коли Иванова. Заучивать правило Ленца и напрягаться на экзаменах ради витающего в облаках прогресса — это не то, чем Коля живет сегодня. В очередной раз взрослые навязывают ему ритуал становления личности — как необходимость иметь паспорт или следовать сигналам светофора. А физика проигрывает даже грамматике и арифметике, которые хотя бы нужны в повседневности. Между тем, аргументы можно обнаружить в самом обучении физике: 1) оно — ретроспекция наращивания физических знаний; 2) оно — действующий процесс наращивания физических знаний обучаемых; 3) оно предполагает будущее наращивание физических знаний выпускника. Выделенное курсивом — в теории познания, в частности, научного. Занятие по физике от эпистемологии далеко, между ними — методологии и методики, но непосредственное «втягивание ее вовнутрь» занятия открывает Коле физику как область всеобщей значимости и как инструмент, присущий ему лично. Врожденное знание Любой организм при вступлении в «школу жизни» учится декодировать сигналы среды и реагировать на них. Человек занят такой «физикой» с пеленок, а вместе с эволюционными предшественниками — уже около четырех миллиардов лет. Признанием этого являются наши попытки создания устройств, имитирующих физико