физика - физика - от_вася - 3
3. Основните етапи във формирането на знанията на учениците за методическата идея за единството на физическата картина на света (на примера на тема / раздел, програма / учебник "..." на училищния курс по физика по избор на ученика). (38)
Физическата картина на света като предмет на изучаване в училищния курс по физика
Съдържанието на училищния курс по физика е основата на науката-физика, която е система от знания за света около нас.Идеалният модел на природата, който включва общи понятия, принципи, хипотези на физиката и характеризирана определен етап от нейното развитие, се нарича физическа картина на света (ФКМ),Във физическата картина на света се конкретизират философските идеи за материята и движението, пространството и времето, взаимовръзката и взаимодействието.
Физическата картина на света е част от естественонаучната картина на света, която е най-високото ниво на обобщение и систематизиране на цялата съвкупност от природонаучни знания, които от своя страна са част от общата научна картина на света.
Най-важните компоненти на концептуалната структура на FKM са:първоначални философски идеии идеи за материя, пространство и време, движение и взаимодействие;физически теориис характеристики, присъщи на всяка от тях (система от фундаментални постулати и принципи, концептуален апарат, емпирична основа и др.), както и система от фундаментални физически идеи и принципи, изразяващи взаимовръзките между физическитетеории).
В историята на физиката има три физически картини на света: механична (MKM), електродинамична (EDKM), квантово поле (KPKM). Всеки от тях се характеризира с определени представи за материя, пространство и време, движение и взаимодействие; всеки от тях включва определена систематеории и закони. Промяната на картините на света е качествена, фундаментална промяна в тези представи.
Характеристиките на физическите картини на света, тяхното формиране и еволюция са подробно разгледани във философската и методическата литература 1 . Тази информация е обобщена в таблица 10.
Таблицата показва как идеите за материята и движението, пространството и времето и взаимодействието се променят с развитието на физическата наука. В същото време картините на света се оказват взаимосвързани по принципа на съответствието: в момента съществува съвременна квантово-полева картина на света, в която механичните и електродинамичните картини са включени като специални гранични случаи, съдържащи закони и теории, описващи определен набор от физически явления.
Един от структурните елементи на FKM е физическата теория. Всяко познание има системен характер, т.е. се състои от определени елементи, свързана е с други елементи на знанието, може да се развива и т.н. Тази система намира своя най-висок израз във физическата теория. Отличителна черта на физическата теория е затвореността на системи от понятия, които изчерпателно описват определен набор от явления. Всяка теория има специфични изходни концепции, дефиниции, аксиоми, математически апарат и идеи, свързани с тълкуването на теорията.
Има различни класификации на физическите теории; една от общоприетите е класификацията на В. Хайзенберг, който отделя четири големи системи от понятия и аксиоми, които вече са намерили окончателната си форма по това време: механиката на Нютон, включително небесната механика; статистическа механика; електродинамика, включително вълнова оптика и специална теория на относителността; квантова теория". Тези системи от понятия и аксиоми по-късно бяха нареченитеоретични направления или фундаментални физични теории. Тази класификация се извършва в съответствие с формите на движение на материята и отчита динамиката на развитието на физическата наука, по-специално еволюцията на FKM.
Тези теории включват както динамични, така и статистически теории, между които могат да бъдат установени връзки.
В допълнение към фундаменталните има теории, които имат по-малка степен на обобщеност, така наречените частни теории или частни теоретични схеми, които в исторически аспект формират основата за създаване на фундаментални теории.Така класическата механика е създадена като обобщение на частните теории за свободното падане, колебанията на махалото и движенията по наклонена равнина. В съвременната физика, преди създаването на квантовата механика, различни аспекти на квантово-механичните процеси са описани и обяснени с помощта на такива специфични теоретични схеми като модела на атома на Бор, теорията на фотоелектричния ефект, теорията за излъчването на черното тяло и т.н. Когато се изгражда фундаментална теория, определени теории се включват в нейния състав като компоненти на нейното съдържание. В същото време частните теории запазват своето значение в областта на явленията, за чието обяснение са създадени. На нивото на конкретни теории се извършва емпирично обосноваване и експериментална проверка на основните положения на фундаменталните теории. Както фундаменталните, така и частните теории имат една и съща структура, която включваоснова, сърцевина, последствия и интерпретация.Основатана теорията включваемпирична основа, т.е. експериментални факти, послужили като отправна точка за развитието на теорията;модел, т.е. идеализирания обект, за който се изгражда теорията;система от понятия, включително физически величини ипроцедури за измерване на последните.случаи основата включваемпирично установени закони, например законите на движението.
движението на телата, свободното падане на телата, трептенията на махалото и др.
Модели:материална точка, абсолютно твърдо тялоКонцептуална система:
път, движение, скорост, ускорение, маса, сила, импулс и др.
Кине, ятични уравнения на движението
ЗакониЗакони на Нютон, движения на абсолютно твърда топлина, универсална топлина! о-цпия
закони за запазване на енергията, импулс, ъглов моментПостулати:хомогенност на пространството, изотропност на пространството, хомогенност на времетоПринципи:действие на големи разстояния, независимост на действието на силите
Константа:константа на кавитация
Обяснениена различни видове движениеРешениена преки и обратни проблеми на механикатаПриложениена законите в инженерството: движение на космическа техника, самолети, транспорт и др., работа на металорежещи машини и др.
Нова прогноза:Откриване на планетата Плутон
Граници на приложимост:макроскопични тела, движещи се със скорости, много по-ниски от тези на светлината
Сърцевинатана теорията езакони, описващи промяната в състоянието на материален обект,закони за запазване, постулати и принципи, както ифундаментални физически константи.Последствиятавключватизводни знания, прилагане на законите, включени в ядрото на теорията,обяснениена емпирични факти,предсказаниена новото.интерпретациитевключваттълкуване на основни понятия и закони,както иразбиране на границите на приложимост на теорията.Таблица 11 показва структурата на класическата механика като пример.
Връзките между физическите теории са многообразни иизвършвани на различни нива. Те се проявяват преди всичко във факта, че има понятия, общи за всички теории (скорост, маса, импулс и т.н.), общи закони (законът за запазване на енергията-импулс). Връзките между теориите се осъществяват и на ниво общи физични принципи, които понастоящем имат статут на методологични общонаучни принципи. Те включват принципите на съответствие, допълване, симетрия и причинно-следствена връзка.
Принципът на съответствиетопредполага, че теориите, „. чиято валидност е установена за определена предметна област, с появата на нови по-общи теории, не се елиминират като нещо невярно, но запазват значението си за предишната област като ограничаваща форма и частен случай на нови теории. Принципът на съответствие е въведен от И. Бор при разработването натеориятана атома и установяването на връзка между движението на електроните в атома и излъчването. По-късно тя става отправна точка в изграждането на квантовата механика. Действието на принципа на съответствие обаче не се ограничава до рамките на класическата и квантовата механика. По този начин той свързва класическата и релативистката механика, вълновата и геометричната оптика, класическата и квантовата статистика и т.н.Принципът на комплементарносттасъщо е въведен в науката от Бор, когато обсъжда проблемите на интерпретацията на квантовата теория. Той разбира комплементарността като комплементарност на вълнови и корпускулярни представи, което в рамките на квантовата механика е комплементарност на класически концепции и квантово отричане на тези концепции, а самата концепция за „комплементарност“ означава, че всеки от допълнителните аспекти губи своето физическо значение без другия.
По-късно Бор разширява този принцип към светлинните явления. По-късно допълването започва да се разбира доста широко, по-специално във физикататермодинамичните и статистическите методи за описание на макроскопични системи се допълват взаимно по същия начин, както теориите на Максуел, Друде-Лоренц и термодинамиката, описващи явлението електропроводимост от различни гледни точки.
Принципът на допълване, подобно на принципа на съответствие, в момента е общ научен принцип, тъй като процесите от всякакво естество са подчинени на него. По този начин е възможно разглеждането на биологичните явления на клетъчно, молекулярно ниво, на нивото на организма като цяло.Знанията, получени на тези нива, взаимно се допълват и позволяват да се създаде по-пълна картина на явлението.
Принципът на симетриятасе разбира и като методологичен общонаучен принцип на познанието. Концепцията за симетрия е неразривно свързана с понятията за хомогенност и хетерогенност, изотропия и анизотропия, еднаквост и неравномерност, еднаквост и разнообразие, ред и безпорядък, почивка и движение, запазване и промяна, равенство и неравенство и др. Най-важна роля играе принципът на симетрията във физиката, тъй като всички физически закони са проникнати от определени свойства на симетрия, които се отразяват в тях. Законите за запазване са пряко свързани със симетрията.
Съдържаниетона принципа на причинно-следствената връзкасе промени с времето. В рамките на механичната картина на света се е развила идеята за динамична причинност, чиято същност е в наличието на недвусмислени връзки между причина и следствие. По-специално, състоянието на тялото по време на механично движение се определя еднозначно от първоначалното му състояние и действащите сили.
С развитието на науката динамичната причинност беше заменена от вероятностна причинност, което означава невъзможност за еднозначно определяне на състоянието на системата според дадено първоначално състояние и неговия закон.промени. Но тъй като статистическите закони са формулирани на базата на динамичните, те се считат за основни, а статистическите се извеждат от тях. Освен това се смяташе, че статистическите закони се дължат на непълнотата на нашите знания и че вероятностното описание се прибягва, когато е трудно да се вземат предвид всички данни, всички взаимодействия.
Появата и развитието на квантовата теория доведе до преразглеждане на идеите за връзката между динамичните и статистическите закони и теории. Формира се идеята, че и двете изразяват обективно съществуващи причинно-следствени връзки, но статистическите теории и закони
отразяват тези връзки по-дълбоко и затова са фундаментални в сравнение с динамичните. Основната разлика между статистическите закони и динамичните се състои в "разбирането на вътрешната структура на необходимостта: в статистическите закони тя се явява в диалектическа връзка със случайното, а в динамичните - като абсолютна противоположност на случайното."
Доскоро се смяташе, че поведението на системите, описани от динамичните закони, е строго детерминирано. Но в реалните процеси винаги възникват случайни флуктуации, които само при определени условия не играят съществена роля. Следователно случайността е характерна и за простите динамични системи. Така в съвременния FCM статистическите теории и закони най-пълно отразяват реалността. По-долу е дадена подробна диаграма на структурата на FCM (схема 5).