Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Программа дисциплины'
От слушателей требуется знание основ математического анализа, линейной алгебры и аналитической геометрии, методовт оптимизации и тоснов теории принят...полностью>>
'Реферат'
Процессы информатизации современного общества, свидетелями которых мы сегодня являемся, характеризуются совершенствованием и распространением информац...полностью>>
'Семинар'
Ведущий. Изменения в информационной, коммуникативной, профессиональной и других сферах современного общества требу­ют корректировки содержательных, м...полностью>>
'Документ'
В 1869 г. В. А. Оленина, вспоминая декабристов, писала П. И. Бартеневу: «Никогда не могла ни понять, ни представить себе, почему должен был быть таки...полностью>>

Лекция №1 Содержание курса физики система научного знания (1)

Главная > Лекция
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Лекция №1

Содержание курса физики – система научного знания

§ 1. Физическая теория – система научных знаний

Фундаментом построения содержания курсов физики, формирования соответствующей системы знаний учащихся основной и профильной старшей школы является физическая теория. Она является формой выражения и определённой системой научных знаний. Теория отличается от понятий, гипотез, законов, но содержит их в качестве своих элементов. В теории научные знания взаимосвязаны с методами познания. Они обладают свойством тождественности и различия. Различия теории и метода состоит в том, что теория – результат предыдущей деятельности поколений, метод – исходный объект и предпосылка познавательной деятельности освоения теории. По утверждению философов, теория является системой идеального, отражающая сущность объектов, метод - система правил, регуляторов, предписаний, выступающих в качестве средств познания. Метод не может использоваться вне связи с содержанием теории, с реальной действительностью, практикой. В педагогических целях выявим структуру и основные элементы физических теорий, которые необходимы для конструирования содержания разделов и тем курса физики основной и средней школы, чтобы сформировать системные знания и способы научного познания.

Один из основателей квантовой механики, немецкий учёный В. Гейзенберг, выделил четыре фундаментальных теоретических направлений, объединяющих родственные физические теории по исходным идеям, понятиям, математическим моделям, объектам природы. Такими направлениями являются классическая механика, статистическая физика, электродинамика и квантовая физика. Указанные направления иногда называют фундаментальными физическими теориями. В соответствии с указанными направлениями курсы физики основной и средней школы имеют четыре раздела: классическую механику; молекулярную (статистическую) физику; электродинамику и квантовую физику.

А.Эйнштейн различал в теории следующие составляющие: понятия, основные принципы, следствия, вытекающие из них путём дедукции. Вслед за ним, В. Гейзенберг подчеркивал наличие такого отличительного признака теории от простой совокупности элементов, как замкнутость системы понятий, законов, следствий из них. Они исчерпывающе описывают определённый круг физических явлений.

В любой физической теории различают следующие части (этапы): основание, ядро, выводы. Эти части теории сопоставимы с элементами гносеологического цикла познания: предметная деятельность, содержательные обобщения, восхождения от абстрактного к конкретному результату. Каждый из этапов познавательной деятельности охватывает группу элементов теории. Над ними «надстраивается» общая интерпретация содержания теории. Рассмотрим подробнее части теории.

Основание теории содержит группу экспериментальных фактов (явлений), которые в процессе развития науки отбираются, осмысливаются, сопоставляются, образуя эмпирический базис теории. Анализ фактов, общенаучных понятий (категорий) приводит к созданию исходных абстракций, а в дальнейшем к содержательным обобщениям.

Абстрактные объекты наделяются определёнными свойствами и структурой, например, идеальный газ, квантово-механическая модель атома Бора, силовые линии поля. Они в модельной форме воплощают сущность, особенности исследуемой области теории. Их иногда называют «клеточкой» познания. В основание теории входят и правила операций с физическими величинами, например, векторами, функциональными связями между величинами (таблица 1).

Разработка свойств идеализированного объекта сопровождается введением системы физических величин, каждая из которых характеризует определённое свойство объекта или связь с другими объектами.

Таблица 1

Интерпретация

Интерпретации связаны с моделью материи и взаимодействием.

Анализ связей теории с другими теориями

Границы применимости теории

Выводы

Объяснение и предсказание новых фактов. Получение количественных выводов – функциональных зависимостей между физическими величинами. Теория указывает общие методы для решения широкого круга задач

Ядро

Система законов (уравнений), определяющая связи и изменения фундаментальных физических величин.

Совокупность законов сохранения.

Мировые постоянные.

Принципы симметрии и инвариантности.

Законы связей новых и старых теорий.

Основание

Правила действия над физическими величинами. Правила соотнесения физических величин с опытом.

Система фундаментальных понятий и величин.

Эмпирические факты (эмпирический базис)

Физические величины, как характеристики идеализированного объекта, абстрактны. Конкретное содержание они обретают через связь с реальными объектами в процессе измерения. Составным элементом основания теории входят физические измерения, заданные правилами определённых предметных действий.

Ядро теории есть общая математическая модель связей и отношений, заложенных в теоретическом обобщении и относящихся к идеализированному объекту. Как правило, современная физическая теория содержит группу дифференциальных уравнений. Таким образом, ядро теории составляет система законов, которые определяют связи между физическими величинами.

Ядро соотносится с основанием теории. Оно обусловлено основанием, так как связи между величинами характерны лишь для идеализированных объектов основания. Форма выражения связей в законах диктуется характером величин, заданным в основании. Вместе с тем ядро в процессе развития теории даёт основанию новые физические интерпретации.

В ядре выделяются постулаты и принципы, тесно связанные с основными уравнениями. Это либо словесные формулировки самих уравнений, либо положения приводящие к ним. Особая роль в ядре физической теории принадлежит законам сохранения энергии, импульса, момента импульса, чётности, электрических и других зарядов и чисел. Они относятся к ядру теории в качестве самостоятельного элемента. Теория даёт возможность сделать конкретные выводы благодаря измерению входящих в уравнение констант.

Выводы. Назначение теории состоит в получении из ядра конкретных выводов и прежде всего количественных функциональных зависимостей между физическими величинами. С развитием физики определился общий критерий истинности теории. Он лежит в области теоретических обобщений более высокого уровня, включающих данную теорию как частный случай.

Конкретные выводы теории не абсолютно конкретны. Они обладают некоторой общностью, охватывая главные совокупности явлений. Эти выводы справедливы только на уровне данных теоретических обобщений. В этом отношении, как известно, процесс познания не исчерпаем.

В выводах отчётливо проявляется познавательный характер теории. Она указывает общие методы для решения широкого круга задач, формируя способ их решения. Теория «учит» решать их.

Характерная особенность теории состоит в предсказании новых фактов. Ядро теории обобщения содержат в себе неизмеримо больше, нежели конкретные факты эмпирического базиса. В выводах раскрываются связи явлений, недоступные для эмпирических обобщений. Они показывают, что из теории вытекают факты, а не факты «подводятся» под теорию. Такой структурой диктуется определённая последовательность изучения теоретического материала школьного курса.

Следующий этап теоретического обобщения - интерпретация физических теорий. Каждая теория содержит определённые физические идеи, а также интерпретации математического аппарата и выводов. Во всех фундаментальных теориях идеи и интерпретации связаны с моделью материи и взаимодействия. При интерпретации теории прослеживаются связи её с другими теориями, четко очерчиваются рамки.

Чтобы сформировать у учащихся системные знания о физической теории, содержание обучения физике должно быть сконструировано на базе фундаментальных физических теорий и современной их интерпретации на основе идей, принципов и общенаучных понятий физической картины мира. Учебный материал разделов курса физики группируется в соответствии с предметными областями научного знания классической механики, молекулярной физики, электродинамики, квантовой физики.

§ 2. Составляющие фундаментальной теории

(на примере классической механики).

Важнейшими функциями фундаментальных теорий, в том числе и классической механики, является объяснительная и предсказательная функции. Познание реального физического мира начинается с описания наблюдаемых в реальном мире эмпирических закономерностей. Эмпирические законы, полученные индуктивным обобщением экспериментальных данных, не объясняют конкретное механическое явление.

Объяснение явления осуществляется с помощью дедуктивных следствий, выведенных из основных законов механики. Из обобщённых результатов эксперимента по наблюдению за свободным падением тел у поверхности Земли формулируется эмпирический закон свободного падения: все тела в отсутствии сопротивления воздуха падают с одинаковым ускорением. Теория раскрывает экспериментально не наблюдаемую сущность явления. Эмпирический закон свободного падения в рамках классической механики объясняется вторым законом Ньютона, законом всемирного тяготения и эквивалентностью инертной и гравитационной массы.

Предсказательная функция механики проявляется в том, что она предсказывает и объясняет результаты экспериментов с ранее не изученными механическими системами. Успешное применение законов механики и их следствий при разработке и конструировании технических устройств подтверждают предсказательную силу механики.

Теоретические и экспериментальные методы физики. Научить учащихся объяснять и предсказывать явления – это значит сформировать методы познания природы, которыми учёные – физики используют в процессе своего исследования. Как известно, методы познания условно разделяются на эмпирические и теоретические. Рассмотрим на примере свободного падения эмпирические методы, которыми пользовался Галилей - основатель общенаучного экспериментального метода познания. Затем обратимся к теоретическому методу, с помощью которого объясняет классическая механика свободное падение тел.

На рубеже ХVI – XVII веков Г.Галилей, обобщая опыт исследований, открыл новый научный метод опытного познания природы Впоследствии этот метод получил название метода Галилея или естественнонаучного, так как применяется во всех естественных науках. Галилей показал, каким образом из опыта можно прийти к научному выводу, открытию закона.

Вначале определяется объект исследования, разрабатывается план и собирается экспериментальная установка для проведения опытов. Посредством анализа результатов наблюдения и опытов формулируется предположение, называемое эмпирической гипотезой.

Научная гипотеза, выдвигаемая в результате индуктивного обобщения экспериментальных и наблюдаемых данных, называется эмпирической гипотезой и выражается эмпирическим законом. Она хотя и является обобщением опытов, включает элементы нового, не изученного в науке. Гипотеза позволяет вывести следствия, предсказать новые факты и проверить их на опыте. Схема естественнонаучного метода познания такова: опытные факты –эмпирическая гипотеза – следствия - эксперимент.

Естественнонаучный метод взаимосвязан с общелогическими методами, включая в себя методы наблюдения, воспроизведение явлений в эксперименте, метод эмпирических гипотез, моделирование, анализ и др. Рассмотрим пример применения естественнонаучного метода при исследовании Галилеем свободного падения тел. При этом будем использовать современную терминологию.

Известно, что свободное падение тел происходит под действием силы тяжести. Однако в обычных условиях падающее тело у поверхности Земли испытывает и другие воздействия. Так, на него действует сопротивление воздуха. Для тел разной формы сила сопротивления, действующая на тело, может быть различной. На падение тел влияет также ветер. Галилей стремился устранить эти сопутствующие падению тел воздействия.

Наблюдая и анализируя опыты с падающими телами, Галилей выдвинул предположение о том, что у поверхности Земли тело, в отсутствие сил сопротивления, совершает свободное падение с постоянным ускорением, т.е. движется равноускоренно. В этом состояла эмпирическая гипотеза исследования. Хотя она и основана на непосредственных наблюдениях и некоторых соображениях, все же является догадкой.

Гипотезу Галилея можно выразить математически: υ ~ t, где υ – модуль скорости падения тела из состояния покоя в момент времени t. Это означает, что при свободном падении скорость движения пропорциональна времени.

Техника эксперимента не позволила Галилею осуществить прямую зависимость между указанными величинами. В то время ещё не были изобретены приборы для определения скорости движения, а также маятниковые часы. Можно было лишь использовать для отсчёта времени песочные или водяные часы. Тогда Галилей решает проверить гипотезу посредством эксперимента для случая движения тела по наклонной плоскости. По его предположению, движение по наклонной плоскости, как и свободное падение, является равноускоренным.

Из выдвинутой гипотезы Галилей выводит следствие. Для этого он использует специальный прием. Суть его состоит в том, что, исходя из прямой пропорциональной зависимости скорости от времени при равноускоренном движении (υ ~ t), теоретически можно установить связь между длиной пройденного пути и временем движения.

С подобным приёмом учащиеся знакомятся в курсе физики 7 класса. Напомним его. Пусть шарик (материальная точка) движется по прямолинейной траектории равноускоренно. Путь, пройденный шариком при переменном движении, можно выразить через среднюю скорость υср и время t: s = υсрt. Средняя скорость равноускоренного движения равна среднему арифметическому значению скоростей в начале и конце пути:

. (1)

В случае движения шарика из состояния покоя начальная скорость υ0 равна нулю (υ0 = 0), а скорость в конце пути υ = аt, где а – ускорение шарика.

Тогда средняя скорость, согласно формуле (1), равна

,

а пройденный путь

s =. (2)

Формула (2) показывает, что при равноускоренном движении пройденный путь пропорционален квадрату времени: s ~ t2 .

Прямую пропорциональную зависимость между пройденным путем и квадратом времени Галилей мог проверить экспериментально. Он берёт длинную доску с жёлобом. Под один конец доски укрепляет подставку. Доска вместе с подставкой образуют наклонную плоскость. Чтобы уменьшить сопротивление при скольжении шарика, желоб в доске выстилался пергаментом. В эксперименте использовались одинаковые по объему шарики, изготовленные из разных материалов, например, из дерева, золота, слоновой кости. В опытах Галилей измерял время скольжения шарика водяными часами по количеству воды, вытекающей через малое отверстие из сосуда.

Галилей экспериментально установил, что пройденные шариком пути по наклонной плоскости пропорциональны квадрату времени. Следовательно, тела, изготовленные из разных материалов, движутся по наклонной плоскости равноускоренно. Данный вывод оказался справедливым для наклонных плоскостей с разными углами наклона.

Учёный обнаружил, что ускорение тел, соскальзывающих с гладкой наклонной плоскости, зависит от угла наклонной плоскости. Чем больше угол α ее наклона, тем большее ускорение сообщает сила тяжести шарикам. Отсюда Галилей делает вывод, что данное положение справедливо и для свободного падения. Действительно, вертикальное движение тела вниз можно рассматривать как движение его по наклонной плоскости, когда угол наклона α стремится к 90о. Так эксперимент подтвердил основную гипотезу: все тела независимо от их массы в отсутствие сил сопротивления воздуха падают на Землю с одинаковым ускорением, называемым ускорением свободного падения.

Схема исследования свободного падения Галилея такова: факты - эмпирическая гипотеза – следствие экспериментю

Впоследствии были созданы вакуумные насосы, которые позволили осуществить свободное падение тел. Особенно убедителен опыт с так называемой трубкой Ньютона (рис.1).


В 1656 г. Х.Гюйгенс с помощью изобретённых им маятниковых часов измерил ускорение свободного падения.

Отметим, что эмпирический закон может быть сформулирован словесно словами или в форме функциональной зависимости между величинами.

Эмпирические законы не объясняют сущности явлений, в эксперименте наблюдается лишь внешнее проявление этой сущности. Действительно, сколько бы экспериментов по измерению ускорения свободного падения не было бы поставлено, эти эксперименты не ответят на вопрос, почему все тела падают с одинаковым ускорением.

Рис. 1

Объяснение явления происходит на теоретическом этапе познания. С помощью второго закона Ньютона F = mg и закона всемирного тяготения F = доказывается, что у поверхности Земли сила тяжести сообщает всем телам, не зависимо от их массы, одинаковое ускорение, называемое ускорением свободного падения. Действительно:

mg =, т.е g =.

Другой пример того, что предсказательная функция классической механики реализуется вторым законом Ньютона, - это решение основной задачи механики. Оно начинается с нахождения ускорения по известным массе тела и силе, действующей на него: аx = Fx/m. Зная начальную скорость υ0 движения, можно найти скорость движения тела в любой момент времени t:

υx = υ0x +ax t = υ0x + (Fx/m)t.

По известной скорости υx движения и начальной координате х0 находят положение тела относительно выбранной системы отсчёта при равноускоренном движении: х = х0 + υ0xt + ax t2/2.

Процесс познания механического фрагмента реального мира можно разбить на три этапа. На первом этапе изучаются эмпирические закономерности механического движения с помощью эмпирических методов познания: экспериментальных методов и общелогических методов обобщения результатов экспериментов. На этом этапе, как это было уже сказано выше, внутренняя сущность явления не может быть раскрыта.

Второй этап познания – это этап теоретического осмысления экспериментально ненаблюдаемой внутренней сущности механических явлений. На этом этапе выдвигаются теоретические гипотезы об основных свойствах материальных объектов, а также о причине протекания явления в заданных условиях. Осуществляются теоретические обобщения эмпирического материала с помощью общелогических и теоретических методов познания - метода анализа и синтеза, методов аналогий, абстрагирования, моделирования, метода мысленного эксперимента, гипотетико-дедуктивного метода и др. Результатом познавательной деятельности второго этапа является формулировка фундаментальных законов классической механики, описывающих причинно-следственную сущность протекания механического явления. Законы могут быть сформулированы словесно (именно так формулируется первый закон) или в форме математического уравнения (второй закон Ньютона, теорема об изменение кинетической энергии тела и т.д.).

Третий этап познания – этап дедуктивного вывода следствий из основных законов в применении к конкретным механическим системам. Заметим, что именно дедуктивные следствия поддаются экспериментальной проверке. Соответствие дедуктивных следствий результатам экспериментов является критерием того, что основные законы отражают сущность механических явлений.

К основным законам классической механики относятся законы Ньютона, которые оперируют теоретическими модельными объектами. Законы Ньютона сформулированы для материальной точки, совершающей механическое движение в инерциальной системе отсчёта. В этой связи законы Ньютона не могут быть непосредственно проверены экспериментально. Так, первый закон Ньютона утверждает, что существует хотя бы одна инерциальная система отсчёта. Для непосредственной экспериментальной проверки этого утверждения необходимо иметь в распоряжении изолированную материальную точку, которая, разумеется, в природе отсутствует. Это же касается и остальных законов Ньютона. Второй закон сформулирован для материальной точки, находящейся в инерциальной системе отсчёта; третий закон - для изолированной механической системы, состоящей из двух материальных точек.

Однако из законов Ньютона можно дедуктивно (формально-логически с использованием математического аппарата) получить следствия, которые поддаются проверке. Примером могут служить динамика вращательного движения, колебательного движения, соударение шаров. Все математические выражения являются дедуктивными следствиями из основных законов классической механики, которые поддаются экспериментальной проверке. Оказалось, что эти следствия согласуется с данными физического эксперимента. Итак, критерием того, что классическая механика верно описывает фрагмент реального физического мира, является практика успешного применения теоретических следствий классической механики к описанию реальных механических явлений.

Классическая механика – система научных знаний. Знания о природе – это отражение объективных законов природы в мышлении, поэтому научные знания относятся к классу идеальных систем. (Для сравнения: механическая система взаимодействующих тел относится к классу материальных систем.)

Таким образом, содержательную структуру классической механики можно представить в виде цепочки трёх взаимосвязанных элементов: эмпирическое основание - теоретическое ядро – дидактические теоретические следствия - интерпретация законов и их практические применения. Содержательная модель классической механики курса физики средней школы представлена в форме таблицы 2.

Таблица 2

Составляющие

Теории

Классическая механика

Содержательные блоки,

главы курса

Следствие

Теоретические следствия классической механики: вопросы небесной механики, механика твёрдого тела, теория колебаний иволн.

Колебания и волны

Глава 8. Механические колебания

Глава 9. Волны

Ядро

Теоретические объекты классической механики (материальная точка, ньютоновское пространство, ньютоновское время). Законы Ньютона. Законы сил. Принцип относительности Галилея. Принцип независимости взаимодействий. Динамическое уравнение движения. Законы сохранения. Гравитационная постоянная. Ускорение свободного падения у поверхности Земли.

Мировые постоянные.

Принципы симметрии и инвариантности.

Законы связей новых и старых теорий

Основы динамики

Глава 4. Законы движения

Глава 5. Силы в природе и движения тел.

Законы сохранения

Глава 6. Закон сохранения импульса.

Гллава 7. Закон сохранения энергии.

Основание

Эмпирическое основание классической механики: правила действия с векторными величинами, координатный метод описания движения тел, свободное падение тел, периодическое движение.

Кинематические понятия и величины.

Кинематика

Глава 1. Общие сведения о движении.

Глава 2. Прямолинейное неравномерное движение.

Глава. 3. Криволинейное движение



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Лекция №1 Содержание курса физики система научного знания (2)

    Лекция
    Фундаментом построения содержания курсов физики, формирования соответствующей системы знаний учащихся основной и профильной старшей школы является физическая теория.
  2. 1. ок-1 Владеет целостной системой научных знаний об окружающем мире, способность ориентироваться в ценностях бытия, жизни, культуры

    Документ
    Готов к использованию этических и правовых норм, регулирующих отношение человека к человеку, обществу, окружающей среде, основные закономерности и формы регуляции социального поведения, права и свободы человека и гражданина при разработке
  3. «Теология в системе научного знания и образования»

    Книга
    Теология в системе научного знания и образования. Материалы слушаний в Общественной палате Российской Федерации. – М.: Изд. Общественной палаты Российской Федерации, 2008.
  4. Задачи криминалистики Система криминалистики Глава Криминалистика в системе научного знания Криминалистика юридическая наука

    Учебное пособие
    Зарождение и развитие специальных знаний в практике расследования преступлений (исторический аспект) .
  5. Лекция №4 «Принципы построения современной системы профильного обучения в старшей школе»

    Лекция
    дифференциации содержания обучения старшеклассников в соответ­ствии с их интересами и возможностями и построения на ее основе гибкихиндивидуальных образовательных программ;

Другие похожие документы..