В механике и электродинамике рассматриваются макроскопические тела на макроскопических расстояниях друг от друга. Перейдем теперь к рассмотрению строения тел из микроскопических частиц (т е. «заглянем внутрь» тела). Твердые, жидкие, газообразные тела состоят из огромного количества атомов и молекул. Расположение и движение микрочастиц обусловлено здесь электромагнитным взаимодействием, так как на этих расстояниях при малых массах и больших зарядах гравитационное взаимодействие мало по сравнению с электромагнитным, а сильное еще не проявляется (для него расстояния велики). В свое время огромным достижением физической науки было объяснение тепловых явлений и теплоты механическим движением микрочастиц в теле. Однако очень важно учитывать, что к одной механике теплота не сводится. Механическую картину оказались необходимым также дополнить, теперь представлениями о хаотичности теплового движения микром частиц. Координаты и скорости отдельных частиц оказываются случайными величинами, они изменяются случайным образом по вероятностным законам. Для макроскопического тела в целом законы термодинамики имеют статистический смысл, они связывают средние значения физических величин для огромного множества микрочастиц. Так, в молекулярно кинетической теории давление определяется суммой средних импульсов, передаваемых молекулами газа стенке при соударении, внутренняя энергия -- суммой средних энергий микрочастиц, температура -- средней кинетической энергией движения микрочастиц и т. д. Далее, при уменьшении размеров пространственной области, следуют внутренние области молекул и атомов. В микромире, в диапазоне расстояний от 10-10 до 10-16 м, основную роль играет электромагнитное взаимодействие, объединяющее ядро и электроны в устойчивые системы -- атомы и молекулы. Типичные физические явления состоят в переходе атома из одного стационарного состояния в другое с излучением или поглощением кванта энергии. Переход в эту область микромира заставляет существенно пересмотреть механическую картину движения. Микрочастицы не движутся здесь по определенным траекториям, а проявляют двойственные корпускулярно-волновые свойства. По-новому решается вопрос и об изменении состояния систем: появляются квантовые скачки, сразу переводящие систему из одного дискретного состояния в другое, минуя все промежуточные. Эту область микромира изучает квантовая механика, элементы которой мы изучили в физике атома, в квантовой природе света. Перешагнем последний достаточно изученный в физике рубеж -- 10-15 м -- и обратимся к системе, состоящей из протонов и нейтронов, то есть к ядру. Нуклоны связаны самым интенсивным взаимодействием -- сильным, которое осуществляется путем обмена р-мезонами между парой нуклонов на расстояниях, не превышающих 10-15 м и обеспечивающих притяжение. Электромагнитное взаимодействие в этой области тоже имеет место и играет важную роль, хотя и уступает сильному. Так, пока ядра состоят из немногих нуклонов, сильное взаимодействие -- притяжение -- превышает электромагнитное отталкивание положительных протонов и ядро прочно. Но для тяжелых ядер, состоящих из сотен нуклонов, притяжение и отталкивание выравниваются, так как отталкивание осуществляется между каждым и всеми остальными протонами, а притяжение -- только между соседними. После известного предела (уран, трансурановые элементы) ядра неустойчивы.

Далее, вплоть до достигнутого в настоящее время предела на шкале расстояний порядка 10-17 -- 10-18 м материя представлена только элементарными частицами, причем, кроме названных выше частиц, имеется много неустойчивых, возникающих и исчезающих в реакциях, взаимных превращениях элементарных частиц. Эти процессы обусловлены как сильными, так и электрослабыми взаимодействиями.

3.5 Методические особенности формирования целостной физической картины мира

Физическая картина мира, как часть общенаучной его картины, представляет собой очень широкое теоретическое обобщение знаний, полученных школьниками при изучении разных разделов курса физики. Это обобщение имеет большое практическое значение для ориентации человека в материальном физическом мире, осознания своего места в нем, выработки общего отношения к миру, для формирования активной жизненной позиции. Это также необходимо для любой целеполагающей, целенаправленной деятельности. Физическая картина мира входит в диалектико-материалистическое мировоззрение в качестве элемента, обеспечивающего фундамент научного миропонимания.

Примерный конспект урока, позволяющего сформировать у учащихся целостную ФКМ

Класс 10

Тема: «Физическая картина мира»

Тип урока: урок-зачёт в форме конференции

Примерное время 2ч.

Цели и задачи урока, реализуемые учителем:

Раскрыть сложное понятие физической картины мира (ФКМ), вооружить учащихся конкретным знанием, обобщающим весь школьный курс физики, показать материальное единство мира, с одной стороны, и качественное своеобразие форм движения материи и описание их в различных теориях -- с другой.

В целях формирования научного мировоззрения познакомить учащихся с условным делением области пространства на мега-, макро-, микромир, со структурными единицами деления материи в каждой из этих областей, с размерами и составом объектов; подвести учащихся к выводу о материальном единстве мира, проявляющемся в единстве природы физических объектов и явлений.

Структура урока:

Ход урока:

Оборудование. Демонстрационные таблицы: шкала размеров физических объектов «Масштабы во Вселенной», «Структура основных материальных объектов», «Фундаментальные взаимодействия».

Учитель. Мы заканчиваем изучение школьного курса физики. Он содержит основные законы и понятия из самых важных областей физики: классической механики, электродинамики, молекулярно кинетической теории, атомной физики, физики ядра и элементарных частиц. Цель физики -- отыскание общих законов природы, объяснение с их помощью различных процессов и явлений для овладения и управления ими. По мере развития физической науки перед человечеством все больше раскрывается величественная и сложная картина единства природы.

Сегодня мы обобщим изученный курс, стремясь показать, что мир и отражающие его физические законы представляют собой не просто сумму разрозненных и независимых объектов, явлений и отражающих их научных положений, а части единого целого, разнообразные и многочисленные проявления единых сущностей.

План конференции записан на доске. Он поможет вам выделить основные вопросы.

Вселенная и ее масштабы. (1 ученик)

В физике изучается строение материи на первых структурных уровнях и исходные простейшие формы ее движения во всей Вселенной, начиная от элементарных частиц (размеры порядка 10-15 -- 10-18 м) и кончая огромными звездными островами -- галактиками (размерами порядка 1022 м).

Наглядное представление о доступной наблюдению и изучению в настоящее время области Вселенной дает шкала размеров объектов (рис. 1). Смещение по этой шкале на одно деление вправо соответствует увеличению размеров (данных в метрах) в 10 раз.

Структура основных физических объектов показана в таблице 2. Обратите внимание, что таблица 2 и рисунок 1 взаимосвязаны. Область пространства, указанная на рисунке 1 условно разделена в таблице 2 на три области: мега-мир, макромир, микромир. Для каждой области можно указать свои объекты, то есть структурные единицы деления материи. Мега-мир включает галактики и звезды, макромир -- планетные системы звезд, планеты, окружающие нас тела, микромир -- молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы. Электромагнитное и гравитационное поля входят в состав мега- и макромира. Если сравнить состав объектов всех трех областей (мега-мир, макромир, микромир), то можно сделать важный вывод: все состоит из элементарных частиц, причем в состав вещества в стабильном состоянии входит всего три вида основных частиц. Это протоны, нейтроны и электроны, а электромагнитное поле состоит из фотонов.

Строение и движение всех этих объектов и изучает физика.

Взаимодействия и законы сохранения. (2 ученик)

Любой материальный объект, начиная от элементарной частицы и кончая макроскопическим телом и системой тел, обладает энергией и импульсом -- это универсальные физические характеристики физических объектов. Самое общее и основное свойство всех объектов состоит в их способности взаимодействовать между собой. Так, тела притягиваются к Земле, а Земля -- к Солнцу, электрон отталкивается от другого электрона и притягивается к ядру, вступают во взаимодействие атомы и молекулы, образуя кристаллы, взаимодействуя, отскакивают при ударе друг от друга стальные шарики и т. д.

Всеобщая причина изменения и движения в материальном мире -- взаимодействие. Несмотря на разнообразие взаимодействий, все они приводят к двум основным результатам:

1. В результате взаимодействия меняются энергия, импульс и другие характеристики объекта. Например, шарики при столкновении меняют направление скорости, а значит, изменяется импульс; одни элементарные частицы превращаются в другие и т. д.

2. В результате взаимодействия частицы или тела объединяются в новую устойчивую систему. Так, например, образуется ядро из нуклонов, взаимодействующих между собой, атом -- из ядра и электронов, Солнечная система -- из Солнца и планет и т. д.

В настоящее время все взаимодействия удалось понять как проявление четырех исходных, или, как говорят, фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного (в настоящее время слабое и сильное взаимодействия понимают как проявления единого электрослабого поля). Основные характеристики трех, изучаемых в школе, взаимодействий видны из таблицы 3. Гравитационное взаимодействие универсально, то есть имеет место между любыми материальными объектами. Оно убывает пропорционально 1/rІ, то есть простирается на большие расстояния, образуя макроскопическое гравитационное иоле. По сравнению с двумя другими взаимодействиями гравитационное взаимодействие мало. Электромагнитное взаимодействие проявляется только для электрически заряженных тел и частиц, оно на много порядков больше гравитационного и также образует макроскопические поля. Сильное взаимодействие, превышая по интенсивности гравитационное и электромагнитное, осуществляется только на очень малых расстояниях порядка размера элементарных частиц. Поэтому макроскопического поля оно не образует, а проявляется только между элементарными частицами. Сильному взаимодействию подвержены мезоны и барионы. Лептоны же и фотоны не участвуют в сильном взаимодействии.

Хотя различные взаимодействия проявляют себя в различных физических явлениях и в разных пространственных областях (например, сильное -- в микромире, гравитационное -- в макромире) и описываются различными физическими законами (например, в частных случаях гравитационное -- законом всемирного тяготения, электромагнитное -- законом Кулона), есть общие для всех взаимодействий законы -- это законы сохранения. Так, при любом взаимодействии для замкнутой системы (т. е. если учтены все взаимодействующие тела и частицы) сохраняется энергия, импульс, электрический заряд системы и некоторые другие величины. Поэтому законы сохранения применяются при изучении всех физических явлений.

Так, в механике закон сохранения импульса приводит к третьему закону Ньютона, в теплоте с помощью закона сохранения энергии рассчитывают количество теплоты, выделяющееся при совершении работы (первое начало термодинамики), в физике элементарных частиц закон сохранения заряда «разрешает» образование заряженных частиц только разноименно заряженными в паре и т. д.

Таблица 2. Структура основных материальных объектов.

Таблица 3. Фундаментальные взаимодействия.

Проявление взаимодействий в природе и основные физические теории (3 ученик)

Механическая картина мира. Все огромное многообразие окружающего нас мира обязано своим происхождением различным проявлениям фундаментальных взаимодействий в зависимости от структуры, размеров физических объектов и расстояний между ними. Так, в макромире расстояния между телами значительно превышают радиус сильного взаимодействия, поэтому оно здесь не проявляется. Макроскопические тела состоят из множества положительных ядер и близко расположенных к ним отрицательных электронов, образующих в целом электрически нейтральные системы (или несущие небольшие заряды по сравнению с общими входящими в состав вещества зарядами). Поэтому электромагнитные взаимодействия здесь для удаленных друг от друга тел отсутствуют или невелики, а решающее значение имеет гравитационное взаимодействие: все тела притягиваются друг к другу силами всемирного тяготения. Гравитационная сила -- одна из основных сил механики; она вызывает ускорение тел по второму закону Ньютона.

К механическим относятся и силы, возникающие при соприкосновениях тел друг с другом. Это силы упругости, трения, сопротивления среды движению тела. Все они имеют электромагнитную природу, так как возникают за счет электромагнитного взаимодействия зарядов, входящих в состав тел. К механическим можно отнести и силу Кулона, действующую между двумя макроскопическими телами, несущими макроскопические заряды, а также силу, действующую на проводник с током в магнитном поле.

Движение под действием указанных сил изучается в классической механике. Ей соответствует механическая картина данной части природы. Согласно Ньютону, мир состоит из «твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц». Частицы действуют друг на друга на расстоянии с силами, вызывающими ускорения, в результате чего они движутся по определенным траекториям, могут образовать устойчивые системы. Типичным примером механической системы является наша Солнечная планетная система.

Со времен Ньютона и до середины прошлого века считалось, что механическая картина мира всеобъемлюща, т. е. все физические объекты и явления имеют описанную выше механическую природу. Однако оказалось, что все механикой не объясняется, и механическую картину мира пришлось дополнять.

(4 ученик) Полевые представления

В механической картине отсутствует материальный агент, передающий взаимодействия между телами. Между тем он существует в природе: это гравитационное и электромагнитное поле, передающее действие одного тела на другое со скоростью света. Окончательно понятие поля как самостоятельного материального объекта -- вида материи, существующего наряду с веществом, утвердилось после создания специальной теории относительности. В случае электромагнитного взаимодействия передатчиком взаимодействия служит электромагнитное поле. Оно дополняет механическую картину: на тело действует сила не непосредственно со стороны другого тела, а со стороны поля, созданного заряженным телом и непрерывно заполняющим пространство. Электромагнитное поле изучается электродинамикой; с помощью ее законов по расположению и движению электрических зарядов можно рассчитать напряженность поля в каждой точке пространства. Важно, что поле может «отрываться» от зарядов и существовать в свободном состоянии в виде электромагнитных волн. При изучении строения материи на микро-уровне оказывается, что поле, как и вещество, состоит из элементарных частиц -- фотонов.

Сила тяготения также передается посредством поля -- гравитационного, существующего вокруг любых материальных частиц и тел (вне зависимости от их электрического заряда). Предполагается существование элементарных частиц гравитационного поля -- гравитонов, которые экспериментально пока не обнаружены.

(5 ученик) Статистические представления

Страницы: 1, 2, 3, 4