Викладення елементів сучасної фізики 

в профільних класах

 

Роль сучасної школи на даний момент полягає у формуванні гармонійної інноваційної особистості, яка здатна навчатися впродовж життя і вміє орієнтуватися в оточуючому середовищі. З такої точки зору фізика, як предмет, корисна як для класів фізико-математичного, так і інших профілів, не менше, ніж предмети гуманітарного циклу. В першу чергу через потужний інструмент розвитку мислення та формування світогляду. Але не тільки, тому що вона має великий «гуманітарний» потенціал : формування діалектичного світосприйняття. Саме сучасна фізика надала людству переконливий урок діалектики – продемонструвала ряд діалектичних істин, що за своїм значенням виходять за рамки власне фізики : фундаментальність імовірнісних причинних зв’язків, загальність принципу симетрії, відносність в природі. Тому в викладанні саме сучасної фізики вбачаю гарну можливість формування діалектичного світогляду.

Про актуальність цієї теми говорить те, що на думку багатьох авторів фізика «захворіла» технократизмом – одним із серйозних захворювань ХХ ст.  Саме в цьому полягає одна з причин забутого гуманітарного потенціалу фізики, як і інших природничих наук./ 8, с. 270 /

Важливість затронутої теми, на мою думку, полягає в тому, що сучасна фізика викладається в 11 класі – на завершальному етапі вивчення фізики. Отже,  саме розділи сучасної фізики формують у учнів цілісну картину  світу та діалектичний світогляд. 

Викладаючи сучасну фізику, необхідно звернути особливу увагу на НТП. Важко переоцінити роль фізики в розвитку техніки. Але говорячи про зв'язок між розвитком фізики і науково технічним прогресом, необхідно підкреслювати, що цей зв'язок двохсторонній. З однієї сторони, досягнення фізики лежать в основі розвитку техніки, але і підвищення рівня техніки сприяє інтенсифікації фізичних досліджень, дає можливість проведення принципово нових досліджень.

Говорячи про НТП, важливо звернути увагу і на його складові, науково – технічні революції, для сприйняття учнями фізики як науки, що перебуває в постійному розвитку. Недоліком більшості підручників є те, що науково – технічна революція кінця ХІХ – початку ХХ століття виділяється, а на  науково – технічні революції інших часів увага не акцентується.

Крім того у учнів формується хибне уявлення про те, що розвиток фізики – «спокійний» еволюційний процес, який зводиться до поступового накопичення фактів. Отримується така ситуація : з ходом століть відбуваються нові відкриття, які готують підґрунтя для нових відкриттів і т.д. В результаті відбувається накопичення фактів, зростає кількість законів, а підручники з фізики стають просто більш об’ємними. Тобто, «нова» фізика – це «стара» фізика плюс деякі нові факти. В такій ситуації руйнується «дух» фізики як науки. А між тим, в фізиці завжди є протиріччя між накопиченими експериментальними фактами та прийнятою на цей час парадигмою. Парадигма – це загальноприйнята концепція, система поглядів, яку суспільство вважає основною. Якщо деякі факти, накопичуючись протирічать існуючій парадигмі, то створюється революційна ситуація. Ця ситуація в кінці-кінців приводе до зміни парадигми : змінюється уявлення, руйнується сам метод мислення, а як результат, корінно змінюється погляд на природу – відбувається наукова революція.

Говорячи про певні відкриття, ми називаємо конкретних вчених, які зробили ці відкриття. Навіть, говорячи про наукові революції, ми пов’язуємо їх теж з певними вченими. У учнів може скластися думка, що якби не було цих людей, то такі відкриття, або навіть революції не відбулись би. Звісно, з цими хибними уявленнями треба боротися – розповідати про роль випадковості та закономірності в відкриттях фізики.

Сучасна фізика добре нам в цьому допоможе в тому, що нам відомі не тільки ті відкривачі, з ім’ям яких закріпилося відкриття, а й інші; ми маємо більше документальних підтверджень відкриттів різних вчених. Але в той же час важливо, щоб учні не недооцінювали роль того чи іншого вченого.

Ще в ХVІІІ столітті відомий французький фізик Ж. Лагранж відмітив: «На випадок при великих відкриттях наштовхуються ті, хто цього заслуговує». Тобто, вдача приходе до тих, хто заслуговує на це.

Важливу роль при вивченні сучасної фізики відіграє розуміння учнями діалектики симетрії і асиметрії. З явищем симетрії учні знайомляться на уроках математики. В фізиці симетрія розглядається як закономірність природи і як принцип пізнання. Поняття симетрії основується на діалектиці збереження і зміни. В той же час слово «симетрія» в підручнику фізики зустрічається вкрай рідко;ми зустрічаємося з нею майже тільки при вивченні кристалів. Між тим, багато процесів демонструють симетрію, що так сказати, «лежить на поверхні». Це симетрія структур, графіків, симетрія кинутого тіла під кутом до горизонту, симетрія графіків правління і кристалізації, симетрія частинок і античастинок. Але щоб у учнів не склалося хибне враження про абсолютність симетрії, знайомлю з її вадами. Так, будівники знають, що конструкція не повинна мати абсолютно симетричною через небезпеку виникнення резонансних коливань, які можуть привести до руйнування будівель або конструкцій. Тому, щоб порушити симетрію, вводять окремі асиметричні елементи. На факультативному курсі розповідаю про дослідження  нестійкості симетрії і як наслідок  новий науковий напрямок – теорію катастроф. Математичний апарат дещо складний для учнів, але приклади «катастроф» зрозумілі: миттєва кристалізація переохолодженої рідини, виникнення генерації в лазері, горний обвал або навіть виникнення життя на Землі.

Вважаю, що в викладанні фізики вчитель повинен звертати увагу на такі прояви симетрії:

1. Симетрія фізичних законів: симетрія по відношенню до переносу часу і однорідність часу (всі моменти часу фізично рівнозначні, будь-який момент часу може бути обраний як початок).

2. Симетрія по відношенню до переносів в просторі(закони природи незалежні від вибору місця експерименту).

3. Симетрія по відношенню до поворотів в просторі ( простір ізотропний, немає «виділених» напрямків).

4. Симетрія по відношенню переходу від однієї інерційної системи до іншої ( це не що інше, як сформульований А. Ейнштейном принцип відносності). 

5. Симетрія відносно дзеркального відображення ( незмінність при заміні лівого на праве і навпаки).

Цей вид симетрії витримав цікаве підтвердження; в 1956 році американські вчені Т. Лі та Ч. Янг висунули гіпотезу, що інваріантність фізичних законів по відношенню до дзеркального відображення порушується в явищах, що обумовлені слабкою взаємодією, наприклад, при β-розпаді атомних ядер, в 1957 році це твердження було підтверджене прямими експериментами, але Ландау згодом довів, що симетрія відтворюється коли одночасно з відбиванням в дзеркалі виконати заміну всіх частинок на їх античастинки. 

  Але, говорячи про діалектику симетрії, необхідно признати роль асиметрії в світі та науковому пізнанні. Говорячи про асиметрію в науковому пізнанні, треба відмітити, що ця діалектика симетрії та асиметрії лежить в основі будь-якої наукової класифікації, адже класифікація в рівній мірі використовує як збереження  ( спільність ), так і зміну ( відмінність) властивостей.

Серед «штрихів», що «малюють» сучасну картину світу дуже важливим є поняття корпускулярно-хвильового дуалізму.

Проблема викладання теми «Корпускулярно-хвильовий дуалізм» в шкільному курсі є досить актуальною. В методиці навчання фізики існує декілька підходів до вивчення питання корпускулярно-хвильового дуалізму. \8,с.6\ На жаль, досвід показує, що учні дуже формально засвоюють це поняття. Причина цього, на мою думку, в тому, що у них ще не сформовано діалектичне світосприйняття. Тому принципово важливо в процесі навчання йти вглиб, поступово уточнюючи і виходячи за раніше встановленні межі, долаючи застарілі уявлення. Для цього вважаю доцільним історичний екскурс в проблему не тільки природи світла, а й матерії. Підкреслюю, що про корпускулярно - хвильовий дуалізм заговорили фізики на початку ХХ  ст. В якості елементарних «цеглинок» , з яких побудована вся матерія, розглядалися три частинки – електрон, протон і фотон. Фотони виступали «цеглинками» електромагнітного поля, а дуалізм «примирював» хвильову природу поля з корпускулярною : розглядаючи електромагнітне поле разом з хвильовими використовуються корпускулярні уявлення. В 1916 р. Ейнштейн ввів поняття світлових квантів, а у 1922 р. квантова природа світлового випромінення була експериментально доведена А. Комптоном під час спостереження розсіювання рентгенівського випромінювання в речовині. Так на основі цього А. Ейнштейн уперше висловив гіпотезу про корпускулярно-хвильовий дуалізм.

Наступним етапом в формуванні поняття корпускулярно-хвильового дуалізму вважаю необхідність підкреслити, що він характерний не тільки для світла, а й всім мікрочастинкам. На цьому етапі важливо, щоб учні зрозуміли, що уявлення про електрон як «маленьку заряджену негативно частинку» недостатнє. Необхідно підкреслити, що електрони, які є частинками, за певних умов проявляють хвильові властивості. Так, потік електронів, що падає на кристал, утворює дифракційну картину, яку можна пояснити на основі хвильових уявлень. 

Доцільно познайомити учнів і з спробами представити електрон як деякий «симбіоз» корпускули і хвилі хвильового пакета або хвильового цугу та хвилі-пілота ( згідно якої будь-який мікрооб’єкт є деяке «з’єднання» корпускулярної «серцевини» з хвилею, що управляє рухом). В той же час важливо, щоб учні розуміли, що це тільки модель і вона не може бути абсолютно вірною, як і будь-яка модель. 

Потім вважаю за необхідне познайомити учнів з гіпотезою де-Бройля, що всі мікрочастинки мають хвильові властивості λ=h/mv

Так за цією  формулою можна, наприклад, розрахувати довжину хвилі де-Бройля для електрона , що пройшов певну різницю потенціалів. На цьому етапі у учнів завжди виникає питання: «Чи існує принципова відмінність між мікрочастинками і макротілами для утворення хвиль де-Бройля?». Відповідь, що хвилі де-Бройля в принципі супроводжують рух і будь-яких макроскопічних тіл викликає здивування та недовіру, що приміром футбольний м’яч має хвильові властивості. Тоді я пояснюю, що в таких випадках довжини цих хвиль дуже-дуже малі і пропоную обчислити хвилю де-Бройля для тенісного м’яча, а потім пропоную порівняти з відповідним значенням для електрона.

Після цього говорю учням, що корпускулярно-хвильовий  дуалізм треба розуміти як потенційну можливість проявляти різні свої властивості мікрооб’єктами в залежності від зовнішніх умов спостереження. Так, наприклад, електрони при проходженні крізь щілини проявляють хвильові властивості, а при попаданні на екран-детектор – корпускулярні.

Як писав В. Фок : «У атомних об’єктів в одних умовах  виступають на передній план хвильові властивості, а в інших – корпускулярні; можливі і такі умови, коли ті і інші властивості виступають одночасно. Можна сказати, що для атомного об’єкта існує потенціальна можливість проявляти себе, в залежності від зовнішніх умов, або як частинка, або як хвиля, або проміжним чином. Саме в цій потенціальній можливості різних проявів властивостей , притаманних мікрооб’єкту, і полягає дуалізм хвиля – частинка. Будь-яке інше, більш буквальне, розуміння цього дуалізму в вигляді будь-якої моделі невірне». \10 , с.163\ І нарешті, розповідаю про те, як на сучасному етапі хвильові властивості електронів та нейтронів використовуються в науці і техніці. 

Фізика ХХ ст. відкрила ряд дуже важливих істин, значимість яких виходить за рамки самої фізики, істин, що стали загальнолюдським надбанням. Тому викладання сучасної фізики в школі потребує від вчителя не тільки чіткого розуміння певних явищ, законів та їх взаємозв’язків, що утворюють цілісну фізичну картину світосприйняття, а й вміння сформувати таку картину у кожного учня. 

 

Список використаних джерел 

1. Арнольд В. И. Теорія катастроф. – М.: «Наука»,1990. – с.128

2. Гончаренко С.У. Фізика: Пробний навчальний посібник для 11 кл. ліцеїв і  гімназій природничо - наукового профілю. – К.:Освіта,1995.-448 с. 

3. Дем’яненко П., Зінківський Ю. Про природу когерентних світлових хвиль// Фізика та астрономія в школі.2004. - №1-3.

4. Королюк І., Циб А. Бесіди про ядерну медицину. – М.: «Молода гвардія», 1988, - С. 6- 19.

5. Непорожня Л.В. Ще раз про вивчення корпускулярно-хвильового дуалізму// Газета «Фізика»,ШС, №2(266),січень 2006. 

6. Сущенко С.С., Недбаєвська Л.С. Вивчення квантових властивостей              світла у школі – Х.:Вид. група «Основа», 2007. – 144 с. 

7. Сущенко С.С., Недбаєвська Л.С. Питання методики викладання квантової фізики в школі. – Миколаїв:Атол,2003. – 128 с.

8. Тарасов Л.В. Современная физика в средней школе. – М.:Просвещение,1990.-288с.

9. Фізика, 11 кл.:Підручник для загально освіт. Навч. Закл./ Є.В. Коршак, О.І. Ляшенко, В.Ф.Савченко – К.:Ірпінь:ВТФ Перун, 2004. – 288 с.

10. Фок В.А. Об интерпретации квантовой механики // Философские вопросы современной физики.-М.: Изд-во АН СССР, 1959.