Физика в школе, 2018, № 5
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. № 5 2018 3 МЕТОДИКА. ОБМЕН ОПЫТОМ Ю.А. Сауров, К.А. Коханов Рассмотрение границ применимости знаний при изучении молекулярной физики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 А.Е. Айзенцон О материальной базе когниций . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Т.И. Ермакова Формирование исследовательских умений школьников в процессе выполнения лабораторных работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Д.В. Коврижных, В.В. Савельев Язык физики: проверяем «азбуку» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 ЭКСПЕРИМЕНТ Л.А. Киракозова, А.Г. Восканян Электромагнит для лабораторно-практических работ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 В.В. Акопов Лабораторная работа практикума XI класса «Измерение электрической индукции катушки по ее индуктивному сопротивлению». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Е.Н. Моос, А.И. Иванов, М.Ю. Орлов Наблюдение роста кристаллов в рамках школьного практикума . . . . . . . . . . . . 41 Информационные технологии Г.Л. Абдулгалимов, А.И. Калугин, О.А. Косино Изучение пружинного маятника средствами компьютерного моделирования в программе «AnyLogic» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 А.Ю. Хмельницкая, Н.Г. Кузина Формирование метапредметных умений учащихся малыми средствами информационных технологий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3 33 Образован в 1934 году Наркомпросом РСФСР. Учредитель — ООО «Школьная Пресса». Журнал выходит 8 раз в год
Методическая копилка Н.А. Панькин Индивидуально-командная игра на уроке физики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 АСТРОНОМИЯ Р.Я. Ерохина, И.В. Буркова Эволюция звезд как тема исследовательских проектов учащихся школы . . . . . 59 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. 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 Наумов А.В., д.ф.-м.н., доцент, профессор РАН Naumov A.V., DrSci of Physics and Mathematics, Professor Russian Academy of Sciences 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 Плахотник Т.В., к.ф.-м.н., приват доцент, школа математики и физики университета Квинсленда, Австралия Plakhotnik T.V., PhD of Physics and Mathematics, privat-docent, school of mathematics and physics, University of Queensland, Australia Сауров Ю.А., д.п.н., профессор, член-корреспондент РАО Saurov, Yu.A. DrSci in Education, Professor, Associate member RAE 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. 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. № 3226. 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, № 5
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. Знания о знании в наше время востребованы. Знания о природе, о законах, по которым «живут» знания, необходимы для понимания мира в целом и мира науки в частности. Понимание природы знаний напрямую связано с расшифровкой феномена мышления. Признано, что в своей основе физическое мышление – понятийное. Уже отсюда установка «решение задачи на формулу» не достаточная, не развивающая, не эффективная и, даже более, – не научная… Мышление при обучении физике, подчиняясь правилам формально-логического вывода, не должно быть формальным. В частности, оно не должно впадать в тупик, если конкретное знание не применимо к данному случаю, если метод не дает нужного решения и др. Научное мышление не боится ограниченности научных знаний, более того, оно видит здесь источник движения, совершенствования, вскрывая именно в связи с этим вопросы о границах применимости понятий, принципов, моделей, законов… И в этом фундаментальный смысл, а значит, ресурс и познания, и обучения. В науке границы знаний между теориями обозначены явно. И это методически грамотно должно рассматриваться в обучении. Для случая обучения любая теория оперирует небольшим и сравнительно устойчивым кругом теоретических обобщений, своего рода алфавитом. К таким обобщениям относят следующие знания: факты, гипотезы, принципы, понятия, модели, физические величины, законы, границы применимости. Обратимся к природе и содержанию границ применимости важнейших знаний молекулярной физики. МЕТОДИКА. ОБМЕН ОПЫТОМ РАССМОТРЕНИЕ ГРАНИЦ ПРИМЕНИМОСТИ ЗНАНИЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ Ю.А. Сауров, д.п.н., член-корреспондент РАО, профессор кафедры физики и методики обучения физике Вятского государственного университета; г. Киров; saurov-ya@yandex.ru Y.A. Saurov, DrSci (Pedagogy), corresponding member of RAO, professor of physics and physics teaching of the Vyatka State University; Kirov; saurov-ya@yandex.ru К.А. Коханов, к.п.н., доцент, зам. директора Кировского Центра дополнительного образования одаренных школьников K.A. Kokhanov, PhD (Pedagogy), Assistant professor, Deputy Director continuing education Kirov Center for gifted pupils Ключевые слова: методология, научный метод познания, границы применимости, приемы учебной деятельности Keywords: methodology, scientific method of cognition, border applicability, methods of training activities В статье рассмотрены общие и конкретные методические приемы использования границ применимости знаний при изучении молекулярной физики The article deals with the General and specific instructional techniques you use borders the applicability of knowledge when studying the molecular physics Поэтому любая модель и построенная на ее основе теория имеют границы применимости. В.Г. Разумовский [17, с. 83]
ФИЗИКА В ШКОЛЕ 5/2018 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. Физические понятия. В обучении физике мы имеем дело, с одной стороны, с объектами и явлениями природы, с другой, – с системами понятий, т.е. идеальным миром физики. Между этими двумя мирами есть взаимосвязь, но деятельность с объектами этих миров разная. Объекты первого мира – предмет исследований, экспериментирования, конструирования, моделирования. И в обучении они должны быть сначала выделены (фактически заданы согласно норме), а затем описаны разными средствами, с разной степенью полноты. Деятельность с объектами второго мира выражена в оперировании понятиями, для чего понятия должны быть определены, между ними установлены логические связи и др. Итак, в природе мы имеем дело только с объектами деятельности, которые в зависимости от характера деятельности при познании получают выражение в тех или иных понятиях. Например, один и тот же объект природы – газ – получил в условиях разной деятельности описание в моделях идеального газа, реального газа… И так всегда (А.А. Лекторский, В.С. Степин, В.Г. Разумовский, В.В. Мултановский [15, 17–19, 23]). Современный этап развития физического образования, по нашему глубокому убеждению, связан с совершенствованием как деятельности с объектами природы, в основном с экспериментированием, так и с объектами науки, т.е. с разными понятиями и их системами – физическими величинами, моделями, законами, теориями… В познании и обучении сначала мы сталкиваемся с границами применимости понятий. Наша цель – поиск единства подходов в формировании понятий. Основной ресурс в решении проблемы мы видим в учете достижений современной методологии познавательной деятельности [14, 20–22, 24]. Повторим, что все понятия по своей природе – результат познавательной деятельности людей, результат их мышления и, значит, идеальны. В этом их единство. Прямо в при роде понятий нет, хотя за понятиями стоит объективная реальность, понятиями она и обозначается. Важно, что понятия играют разные роли в познании и несут разные функции в обучении [20]. Расшифруем эту принципиальную позицию. Во-первых, есть понятия, которые задают (обозначают) собственно физическую реальность. Они наиболее фундаментальны и называются категориальными. Среди них – пространство и время, материя, вещество, поле, физический объект (тело, газ, жидкость, молекула и др.), движение, взаимодействие. Задаваемая в них реальность – неопределенно общая и богатая по содержанию, своего рода «вещь в себе», представляющая собой продукт человеческой деятельности и мышления. Но эта абстрактность не отдалена от объективной реальности, не сдерживает познания, поскольку отражает при конкретизации физический мир: «С точки зрения реализма некоторые теоретические объекты, которым приписываются свойства пространственной и временной локализации (такие, например, как атомы, электроны, кварки и т.п.), существуют реально» (В.А. Лекторский, с. 158). И у категориальных понятий есть границы применимости: вещество – не электрическое поле, молекула – не материальная точка. Только материя, по определению, включает в себя всю реальность, природу. И по мере открытий расширяет свои границы, охватывает все новые образования, например, не очень ясную пока «темную материю». Во-вторых, есть большая группа понятий, обозначающая модели объектов и явлений. В молекулярной физике это такие понятия как физическая система, система материальных точек, абсолютно твердое тело, идеальный газ, кристаллическая решетка, термодинамическая система, цикл Карно и др. По своей природе эти понятия идеальные (и теоретические) объекты, которые реально не существуют. В классической механике, по утверждению известного методолога
МЕТОДИКА. ОБМЕН ОПЫТОМ 5 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. В.С. Степина, идеализациями являются все теоретические высказывания, которые непосредственно характеризуют связи, свойства и отношения идеализированных конструктов, таких как «материальная точка», «сила», «инерциальная пространственновременная система отсчета» и т.д., и все они не могут существовать в качестве реальных материальных объектов [23, с. 105]. В учебной практике, однако, мы нередко наблюдаем, что многие из этих понятий уравниваются с категориальными понятиями, формально получают статус реальности. Но с реальностью они связаны сложнее: необходимы для ее описания, должны особым образом вводиться, а затем широко использоваться в развертывании знаний... В-третьих, есть количественные понятия – «физические величины». Это характеристики свойств, т.е. «носители» свойств объектов и явлений физического мира на языке понятий. Их определение – необходимый шаг количественного познания реальности. Физические величины в познании ближе всего стоят к объектам, не случайно иногда неосторожно они с ними отождествляются. Но при построении теории физические величины должны приписываться идеальному объекту теории, т.е. фактически модели. Иначе осознанное понимание науки невозможно. В методике обучения физике пока такой взгляд представлен слабо. Отсюда не случайны методологические ошибки на этот счет [22]. Принципиально важно, что у каждой физической величины должен быть носитель свойств – объект или явление. Эта связь фиксируется в определении величины, проявляется в форме задания процедур измерения, т.е. особого взаимодействия объекта и прибора. В большинстве случаев в школьном курсе эти отношения простые: давление – характеристика действия (связанная с особенностями соприкосновения тел), скорость – характеристика движения, масса – характеристика инертных свойств, объем – характеристика пространственных размеров тела, энергия – характеристика движения и взаимодействия, например, молекул, температура – макроскопическая характеристика теплового состояния тел. Естественно, уже в определениях заложены границы применимости знаний. Например, температура не применима к системе из пяти молекул. Да и может ли такая система пониматься как газ? Физические величины имеют количественное выражение в единицах измерения, которое может быть получено в ходе измерения. При этом любое измерение всегда дает приближенное значение физической величины, зависящее от прибора и условий измерения. Поэтому для температуры воздуха в комнате имеем, например, Т = (293 ± 1) К. На практике границы этих знаний выбираются под конкретную задачу: где-то абсолютная погрешность хороша в 1 К, а где-то – в 5 К. В молекулярной физике впервые появляются и различаются измерения макро параметров и микропараметров. В молекулярно-кинетической теории впервые вводятся микрообъекты, а затем их отдельные характеристики (масса, скорость, энергия частиц) и характеристики их систем (молярная масса, распределение скоростей, среднеквадратичная скорость, температура как мера движения). Прямое измерение микрохарактеристик затруднено, методы измерения и приборыустановки становятся более сложными. Отсюда новые пределы возможностей тех или иных знаний. Остановимся на нескольких примерах-вопросах. 1. Каковы погрешности измерения размеров молекулы масла методом измерения объема и площади капли масла на поверхности воды? 2. Возможно ли измерение скорости отдельного атома в опытах методом Штерна? 3. Почему при измерении температуры воды в сосуде необходимо правильно погрузить термометр и определенное время держать его в сосуде? 4. Можно ли и почему абсолютно точно определить число Авогадро? 5. Как выбор модели газа (идеальный газ, реальный газ)
ФИЗИКА В ШКОЛЕ 5/2018 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. влияет на точность определения внутренней энергии газа? Важно зафиксировать, что некоторые фундаментальные физические величины по мере своего использования приобретают субстанциональный смысл. Как, например, энергия в термодинамике. Здесь «энергия переходит», «энергия излучается» и «распространяется» и т.п. Если же говорить об энергии как о характеристике и связывать ее с моделью «материальная точка», то требования методологии автоматически выполняются [12]. Но разве разумно говорить об энергии для материальной точки в механике, но уже в молекулярной физике говорить, тем более в случае идеального газа, об энергии молекул [12, с. 141, 278], понимая под молекулами некую реальность? Отсюда и многие другие границы применимости понятий: нельзя дышать идеальным газом, нельзя потрогать материальную точку, в прямом смысле нельзя материально действовать на модель, например, сжать идеальный газ… И тогда для методики обучения возникает проблема уместного (и ограниченного) использования исторически сформировавшегося физического жаргона, ведь давно выяснено, что нет, например, теплорода и теплота не переливается… Итак, обобщение: одна реальность от другой реальности отличается объектами, их движением и взаимодействием. Для одного и того же объекта (или явления) модели отличаются точностью и подробностью, формой выражения (схема, уравнение, график), широтой распространения, удобством использования. Отсюда вытекают разные способы обозначения и определения границ применимости. Вопросы для обсуждения. Почему в основных положениях молекулярнокинетической теории утверждается: все тела состоят из частиц? И как понимать: частицы – это объект или модель объекта? Почему формулировка «все тела состоят из молекул» является менее точ ной? (Есть тела, которые состоят из атомов или ионов, например, железо.) Модели. Со времен Ньютона при изучении любой группы объектов в науке вводят модели. В одних случаях модели используют для задания объекта, в других – для описания. Например, идеальный газ, как молекулярно-кинетическая модель, описывает состав, строение, движение, взаимодействие материальных точек как заместителей частиц (молекул). Но методика при определении ряда моделей сталкивается с явными трудностями. (Например, определения физической системы нет даже в Физическом энциклопедическом словаре (1993)!) В учебнике С.В. Громова читаем о реальной макроскопической системе [2, с. 17]. Но тогда по логике просто макроскопическая система – модель. Не сложно ли? К выделению системы как модели следует подходить аккуратно. Несомненно, что «при изучении макроскопической системы в статистической физике исходят из определенной ее модели. Сначала выделяются элементарные структурные единицы, из которых построена система. Далее необходимо указать, как они взаимодействуют между собой…» (В.В. Мултановский, с. 23). И далее: «Система изолирована, если она не подвергается внешним воздействиям» [17, с. 27]. Однако, в принципе, если речь идет о модели, то уместно говорить не о действиях на нее (как о чем-то реальном), а о приложенных к ней силам (средствах описания этой научной реальности), т.е. говорить на одном языке. Вдумаемся, как это реальное действие может быть приложено к модели? Ничего страшного в этом нет, но в обучении лучше «чистить» представления там, где это слишком не усложняет дело. Если задуматься, то совершенно не понятно, например, такое высказывание: «При изучении влияния воздействия тел на закон движения материальной точки…» [12, с. 111]. Значит, границы применимости понятий о реальности и понятий-описаний
МЕТОДИКА. ОБМЕН ОПЫТОМ 7 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. следует четче обозначать. Еще пример: «Термодинамическая система – это совокупность физических тел, изолированных от взаимодействия с другими телами» [1, с. 98]. Здесь система, по-видимому, используется в смысле обозначения реальности. Но зачем тогда упоминание об изолированности? Читаем в учебнике: «Основной физической моделью вещества является совокупность движущихся и взаимодействующих между собой молекул вещества» [5, с. 144; 4, с. 220]. Вдумаемся: если молекулы – это модель вещества, то какие еще модели вещества нам известны; и могут ли тогда быть модели молекул, т.е. с точки зрения приведенного текста модели моделей? И здесь важно зафиксировать: в познании, конечно, любые объекты могут быть использованы в функции моделей, но молекула в статусе реальности и молекула в статусе модели – разные образования. Словом, следует различать разные уровни задания реальности (вещество и система молекул) и разные отношения «реальность – ее описание моделями» (газ и система материальных точек). Наконец, явно непоследовательно, перейдя при описании идеального газа на язык материальных точек, потом говорить о шарах: «наиболее простой моделью является идеальный газ, состоящий из материальных точек, между которыми отсутствуют силы, действующие на расстоянии, и которые сталкиваются между собой как упругие шары» [4, с. 321]. В целом достаточной характерной чертой является неоднозначность в определениях такой известной модели как идеальный газ. Приведем примеры: «…идеальный газ представляет собой • теоретическую модель газа и поэтому в природе не существует» [2, с. 62]; «Это такая модель газа, в которой вообще не учитывается взаимодействие молекул (за исключением сил отталкивания…), а сами молекулы (в промежутках между столкновениями) рассматриваются как не имеющие размеров материальные точки» [3, с. 99]. «Модель идеального газа. 1. Межмо • лекулярные силы взаимодействия отсутствуют. 2. Взаимодействия молекул газа происходят только при их соударениях и являются упругими. 3. Молекулы газа не имеют объема – материальные точки» [16, с. 31]. «Понятие идеального газа является • идеализацией, аналогично тому как идеализациями являются понятия материальной точки, точечного заряда и т.п.»; «Идеальным газом называется газ, у которого при изотермическом процессе давление в точности обратно пропорционального его объему…»; «Итак, с молекулярной точки зрения идеальный газ представляет собой систему молекул, которые друг с другом не взаимодействуют и которые в первом приближении можно считать материальными точками» (Б.М. Яворский, А.А. Пинский, [13, c. 244-245]). В учебнике для гуманитарного профи • ля читаем: «Если расстояние между молекулами столь велико, что их энергия взаимодействия намного меньше средней кинетической энергии молекул, то газ подчиняется уравнению Менделеева–Клапейрона. В этом случае его называют идеальным газом. Если это уравнение не выполняется, т.е. расстояние между молекулами такое, что нельзя пренебречь взаимодействием между ними, то газ называют реальным» [7, с. 184-185]. Сложно. Но важно другое: газ не может называться (быть!) идеальным газом, он только так может моделироваться. И это принципиально. В обучении эффект от использования моделей в полной мере проявится тогда, когда возникнет реальная возможность (необходимость) использовать для описания одного объекта (или явления) хотя бы две модели. Это уже принципиальный выход на экспериментальные исследования, т.е. на учебный процесс нового поколения. Есть ли границы применимости у идеального газа? (Ответ: есть.) Можно ли их экспериментально определить? (Ответ: да.)
ФИЗИКА В ШКОЛЕ 5/2018 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. Для контраста обратимся к ситуации с реальным газом. В распространенном учебнике читаем: «Реальный газ – достаточно сложная система. Мы рассмотрим простейшую физическую модель реального газа – идеальный газ… Физическая модель – это упрощенная схематическая копия исследуемой реальной системы» [10, с. 105]. А вот в другом месте: «У газа при обычных давлениях расстояние между молекулами во много раз превышает их размеры. В этом случае силы взаимодействия молекул пренебрежимо малы и кинетическая энергия молекул много больше потенциальной энергии взаимодействия. Молекулы газа можно рассматривать как очень маленькие твердые шарики. Вместо реального газа, между молекулами которого действуют сложные силы взаимодействия, мы будем рассматривать его модель – идеальный газ» [9, с. 200]. Значит, понятие «реальный газ» задает, обозначает реальность? И значит, у этой реальности могут быть разные модели? Но однозначного ответа на этот вопрос все равно нет. Позиция хорошего вузовского учебника ситуации не проясняет: «уравнение Ван-дер-Ваальса может претендовать лишь на качественное описание реального газа» [8, с. 222]. Вывод прямо или косвенно, явно или не явно, такой: реальный газ – это модель газа, именно тогда будет понятна характеристика «реальный», в смысле «более точная модель». Мораль. Известный методолог Г.П. Щедровицкий жестко утверждал: «модели не должны соответствовать натуре, если бы они соответствовали, процедура моделирования была бы бессмысленной. Иначе: модели не должны быть похожи на реальность. Соответствие есть внешнее отношение, которое накладывается за счет метамышления, «сбоку». А вы все время спрашиваете морфологически, ищите эти маркеры. Их нету. Мышление же работает в функциональных структурах. И как только вы это забываете, начинает деградация и отставание» [24, с. 532]. Хотя такое видение с ходу воспри нимается трудно, но методика как наука должна осваивать для своего развития эти представления. И многое станет понятнее, а отсюда – проще. Вопросы для обсуждения. Чем отличается «газ» от «реального газа»? Чем отличается «идеальный газ» от «реального газа»? (Если это модели, то они просто разные, реальный газ – более точная и сложная модель газа.) Почему кристаллическая решетка лишь модель? И модель чего? (Это модель расположения частиц определенного вида твердого тела.) Чем отличаются модели вещества в трех агрегатных состояниях? (Расположением частиц, их движением и характером взаимодействия.) Для каких газов не подходит модель идеального газа? На графике (рис. 1) изображена эмпирическая закономерность изменения произведения давления кислорода на его объем при увеличении давления. Дополните рисунок графиком для модели «идеальный газ» (выполнено на рис.). Выскажите гипотезы отличия такого поведения «реального» кислорода от идеальной модели? (В модели «идеальный газ» зафиксированы две черты: частицы не взаимодействуют на расстоянии и имеют точечные размеры. На этих свойствах модели и строится объяснение: факт «до 400 атмосфер реальный газ кислород сжимается сильнее» объясняется взаимодействием частиц на Рис. 1
МЕТОДИКА. ОБМЕН ОПЫТОМ 9 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. расстоянии. Факт «уменьшение сжимаемости кислорода при больших давлениях» объясняется учетом конечного размера частиц [6, с. 77].) Законы. С точки зрения методологии и интересов физического образования следует признать и принять, что физические явления (процессы) задают реальность. На этой позиции их и надо определять. А далее описывать. Важнейшим средством описаний являются законы. Не забудем, что они формулируются для моделей. И в этом их принципиальные роли (границы). Обратимся к практике. В термодинамике в одних случаях явления задаются как реальность на языке взаимодействия, хотя и не всегда последовательно [12, с. 286 и др.]. Но во многих случаях используется известный жаргон: «Теплообмен – процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы» [5, с. 265]. А причем здесь совершение работы? И что это: реальность или ее модельное описание? Аналогично и дальше: «Адиабатный процесс – термодинамический процесс в теплоизолированной системе» [5, с. 275]. Как понять: это явление природы или модель? Но в другом учебнике читаем: «Основные модели квазиравновесных процессов…» [12, с. 256]. Как рассматривать изопроцессы: как реальность или как модель? С нашей точки зрения, при явной ограниченности (идеализированности) этих газовых процессов они все же задают реальность. А вот, при их описании, сначала при задании модели идеальный газ, потом при использовании закона и графиков, мы явно имеем дело с моделями. Так яснее. Расширим сказанное. В известном и признанном пособии читаем: «Обратимыми являются процессы, протекающие в системах, где действуют консервативные силы»; обратимые процессы представляют собой идеализацию реальных природных явлений (Б.М. Яворский, А.А. Пинский, [13, с. 276]). Значит, это модели, тем более, ниже приводится аргумент: «…все реальные процессы в природе необратимы» [13, с. 277]. Мало что для выбора – реальность или модель – дает определение учебника для X класса: «Обратимый процесс – процесс, который может происходить как в прямом, так и в обратном направлении» [4, с. 283]. В итоге складывается не очень ясный вывод: все изопроцессы – не реальные явления природы, а модели; диффузия – реальна, она и необратима. В целом возникает представление об этой системе понятий как не очень согласованной. А каково ученику? В методике обучения физике уже становится почти общепризнанным, что законы формулируются для моделей. Первый закон термодинамики практически во всех учебниках формулируется на языке модельных представлений, на языке физических величин: «Изменение внутренней энергии системы при ее переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе» [2, с. 32]; аналогично у В.А. Касьянова [5, с. 270], причем понятие о системе используется, но не определяется. Как, например, воспринимать язык изложения второго начала термодинамики: «…любая замкнутая макроскопическая система рано или поздно переходит в состояние теплового равновесия, из которого самопроизвольно выйти уже никогда не сможет» [2, с. 21]? Что это: эмпирическое определение закономерности явления или задание поведения модели? Раз подчеркивается замкнутость системы, то, значит, это модель. Но по логике важен вопрос: модель чего? Общий ответ: для «реальных тепловых процессов», т.е. такого явления природы. В учебниках ответы такие: это закон, «который указывает направление протекания реальных тепловых процессов»; «В идеале такие процессы могут происходить только в замкнутых системах» [2, с. 40]; «Замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное»
ФИЗИКА В ШКОЛЕ 5/2018 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. [5, с. 285]. Нечеткость представлений сейчас уже практику не устраивает. Как различать при формулировке законов реальность от моделей? Какую реальность описывают законы термодинамики? – важные вопросы. И методика должна этим заниматься. Вопросы для обсуждения. Какие модели изучаются в молекулярной физике? (На этот вопрос типично дают удивительно бедный ответ: идеальный газ. Но разве иных моделей нет?) Какие модели тела рассматриваются в молекулярной физике? (Абсолютно твердое тело, идеаль ная кристаллическая решетка.) Какие математические модели используются в теории? И есть ли у них границы применимости? Каковы границы применимости газовых законов? Каковы границы применимости уравнения состояния идеального газа: p = nkT? Для какой модели и какого явления твердого тела формулируется закон Гука? (Для упругого тела, для малых деформаций.) И каковы отсюда границы применимости закона Гука? Применим ли закон Гука для тел с переменной жесткостью? для аморфных тел? для жидких тел? Почему трудно формулируются законы для жидкостей? Почему нельзя применить второй закон термодинамики ко всей Вселенной? (Один из аргументов: не ясно, замкнутая ли это система [6, c. 221].) Теории. В школьном курсе молекулярной физики можно выделить две теории – молекулярно-кинетическую (микроскопическую, обычно только для идеального газа) и термодинамику (макроскопическую, феноменологическую). Отсюда даже существуют два определения модели идеального газа: а) частицы газа – материальные точки, они хао тически движутся, взаимодействуют только при соударении, б) газ, подчиняющийся газовым законам, называют идеальным. Второе определение сейчас почти не встречается, но логически определение модели от закона правомерно, не случайно говорят о законе как о модели явления (процесса). В.А. Касьянов в учебнике подчеркивает: «Любая теория является описанием некоторой модели физической системы, некоторым приближением к реальности…» [5, с. 9]. В целом, это достаточно глубоко и верно. Но, во-первых, раз модель системы, то понятие «физическая система» интерпретируется как задающая реальность. Во-вторых, правильнее развести понятия: теория представляет (задает) модели реальности, а не описывает модели; лучше – она описывает реальность. В-третьих, теория в принципе не может быть приближением к реальности, это разные категории, разный уровень представления. Иное дело, что теория как модель точно или грубо описывает реальность, например, новая теория, как правило, точнее описывает реальность. Еще вопрос: одно дело основные положения МКТ, другое – модель идеального газа. Первые описывают, задают реальность, поэтому в них речь идет о частицах, молекулах и т.п., т.е. об объектах. В модели идеального газа последовательно речь должна идти о материальных точках. Это разного уровня понятия. А как быть иначе? Все уровнять? И в конце концов ничего не понимать, жизнь не строить?.. Вопросы для обсуждения. Чем отличается термодинамический метод от статистического метода? И есть ли границы применимости у термодинамического метода? (Хотя он широко применяется, вплоть до ядерной физики, но границы применимости у него есть: малое число частиц вещества, флуктуации, описание полей…) Почему статистический метод считают фундаментальнее термодинамического метода? (Микроскопический взгляд на явление позволяет внешнее проявление понять через внутреннее строение объекта, точнее, глубже описывает суть явления.) Почему модели (законы) механики не применимы для описания МТК-систем? (Из-за числа объектов-частиц невозможно ни экспериментально зафиксировать их начальные условия, ни теоретически ре
МЕТОДИКА. ОБМЕН ОПЫТОМ 11 Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции. шить системы уравнений второго закона динамики даже для пяти частиц.) Каковы границы применимости статистической закономерности υ = 2 0 3 nm p ? Приемы обучения. При решении сюжетных задач проще формулируются и решаются вопросы выделения границ применимости конкретных фактов, понятий, законов, принципов и даже теорий. Приведем пример ограничений при решении качественной задачи. Почему, прежде чем налить крутой кипяток в толстостенный стакан, в него опускают металлическую ложку? Решение. По существу, любое решение любой задачи – это описание-объяснение выделяемого явления (или явлений). И здесь на каждом шагу возникают границы возможного. Например: можно ли в школьных условиях использовать дифференциальные уравнения как формы выражения законов? Какими явлениями в задаче всегда можно пренебречь? Каждый вопрос (сомнение) на каждом этапе решения задачи – это проверка на прочность (т.е. границ применимости) наших физических преставлений. Первый этап: анализ текста и физического явления. Какие явления с какими объектами наблюдаются? – вот ключевой вопрос. Словом, сначала надо задать, обозначить реальность. Например: выберем только взаимодействие воды и ложки. И сразу столкнемся с границами применимости требования задачи: нет стакана – нет задачи. И что значит «толстостенный стакан»? И для любого ли вида стекла разумна такая постановка вопроса задачи? Надо ли рассматривать взаимодействие воды и ложки? И какое оно? (Теплопередача.) Второй этап: идея или план решения. Фактически на этом этапе формулируется идея-гипотеза решения. Например, такая: ложка обладает большой теплоемкостью, а значит, возьмет большое количество теплоты, и вода тем самым охладится. Но верное ли это предположение? Для ответа надо поработать с теоретическими фактами. Третий этап: решение (математическая модель явления). Итак, первая идеягипотеза: предположим, что для решения важно только тепловое взаимодействие воды и ложки. Оценим количество теплоты, «полученное» водой при ее нагревании, допустим, от 20 до 100°С: = Δ = ⋅ ⋅ = 4200 0,2 80 67200 в Q сm t (Дж). Но количество теплоты, полученное при опускании в такую воду ложки, равно = ⋅ ⋅ = 440 0,02 80 704 л Q (Дж). Вывод: ложка сравнительно мало «отберет» энергии от воды, примерно 1%. На этом факте возникает реальное сомнение: вряд ли наличие ложки может значимо уменьшить температуру воды и повлиять на сохранность стакана. Вторая идея-гипотеза: необходимо учесть процессы, которые происходят с самим стаканом при заполнении его кипятком. Выясним, при каких условиях стекло стакана треснет. Как вариант, можно предположить, что это произойдет из-за неравномерного нагрева стекла. Если наличие металлической ложки в стакане играет существенную роль и это эмпирический факт, то какова природа этого факта? Предположим, при большой теплопроводности металла наличие ложки делает нагрев стакана более равномерным. Как экспериментально доказать это предположение? Можно попробовать заменить металлическую ложку деревянной? Последняя к тому же имеет удельную теплоемкость примерно в пять раз больше железа. Четвертый этап: анализ решения. Какой факт (эмпирический и теоретический) играет ключевую роль при решении задачи? А может быть так, что наличие ложки никакого значения не имеет для стакана? И как это доказать? Пример количественной задачи. Под колоколом воздушного насоса находится чашка с водой. При откачивании га
ФИЗИКА В ШКОЛЕ 5/2018
Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции.
за под колоколом установилось давление
р = 1 кПа и температура t = 17°С. Спустя
время τ = 30 мин после начала работы насоса давление резко упало. Найдите исходную
массу m воды, которая содержалась в чашке. Насос откачивает в единицу времени
воздух объемом V = 5⋅10–3 м3/с.
Решение.
Анализ текста и физического явления.
Какая модель газа рассматривается в данной задаче – реальный или идеальный газ?
(Реальный газ.) Можно ли для описания состояния реального газа использовать уравнение Менделеева–Клапейрона? (Да.) Почему? (Давление газа невелико.)
Идея или план решения. Давление газа при откачивании остается постоянным
вследствие того, что вода постоянно испаряется. Резкое понижение давления связано с
полным испарением воды, в этот момент газ
становится ненасыщенным. Пока давление
газа оставалось постоянным, насос забирал
из-под колокола постоянную массу водяного
пара.
Решение (математическая модель явления). Ежесекундно (т.е. за время τ0 = 1 с)
насос откачивает массу водяного пара
0
pV
m
RT
μ
=
. Тогда за время τ будет откачана
масса воды
0
0
0
3
3
3
3
10
5 10
18 10
30 60
67 10
кг).
8,31 290 1
pV
m
m
RT
−
−
−
τ
μτ
=
=
=
τ
τ
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=
=
⋅
(
⋅
⋅
Анализ решения. Как численный результат (ответ) подтверждает экспериментальный факт падения давления? Реально ли
67 г воды испарить за это время? Почему
все же в задаче сначала задается модель
газа «реальный газ», а при расчете используется закон идеального газа? (Сначала
важно зафиксировать явление испарения,
которое можно понять только на основе модели «реального газа», так как идеальный
газ жидкость не образует. А вот при указан
ном давлении хорошо использовать уравнение Менделеева–Клапейрона.)
Еще примеры качественных заданий.
В чем выражаются границы примени •
мости идеального цикла Карно при описании теплового двигателя внутреннего сгорания?
Какая из формул КПД носит более об •
щий характер:
1
2
1
Q
Q
Q
−
η =
или
1
2
1
T
T
T
−
η =
?
Какая из двух графических моделей
•
циклического теплового двигателя (рис. 2,
рис. 3) точнее описывает процессы дизельного двигателя? (На рис. 2: процесс 1-2 соответствует изотермическому расширению
газа, 3-4 изотермическому сжатию, 2-3 –
адиабатическому расширению, 4-1 – адиабатическому сжатию. На рис. 3: процесс 1-2
– адиабатическое сжатие горючей смеси,
2-3 – изохорное сгорание, 3-4 – рабочий ход
(адиабата), 4-1 – открывание выпускного
клапана и связанное с этим изохорное падение давления, 0-1 и 1-0 – засасывание рабочей смеси и выпуск отработанных газов
соответственно.)
Вопросы для обсуждения: Может ли
модель газа взаимодействовать с газом?
Может ли сила давления изменить газ?
Почему все известные законы (МКТ идеального газа, газовые законы, термодинамики) в форме уравнений записываются
на одном языке физических величин, т.е.
Рис. 2 Рис.3