К вопросу о формировании научного мировоззрения студентов на занятиях физики

К вопросу о формировании научного мировоззрения студентов на занятиях физики

Проблемы формирования научного мировоззрения студентов и вооружения их глубо- кими прочными знаниями являются одним из главных проблем образования и воспитания подрастающего поколения. Формирование мировоззрения студентов происходит в результа- те объединения усилий преподавателей всех учебных предметов. Рассмотрим, на каких ми- ровоззренческих вопросах целесообразно остановиться преподавателю физики при рассмот- рении материала, изучаемого студентами.

Колебания и волны.

Для формирования научного мировоззрения особенно большие возможности имеются при изучении электромагнитных волн, когда углубляется понятие электромагнитного поля (представление о нем дается в школе в разделе «Основы электродинамики»). Нужно показать особенности электромагнитного поля, и, прежде всего, подчеркнуть его материальность, об- ратив внимание студентов на следующие моменты:

•          В природе реально существует единое электромагнитное поле. Электрическое и магнит- ное поля – это лишь частные случаи его проявления. Разделение единого электромагнитного поля на электрическую и магнитную составляющие зависит только от системы отсчета, где оно описывается. Так, в системе отсчета, неподвижной относительного заряженного тела, проявляется электрическое (электростатическое) поле, а в системе отсчета, движущейся от- носительно заряженного тела, обнаруживаются электрическое и магнитное поля.

•          Статические (электрическое и магнитное) поля неразрывно связаны с зарядами (или тока- ми). Переменное электромагнитное поле может оторваться от своего источника и удалиться от него в виде электромагнитной волны.

Для укрепления в сознании студентов одной из основных идей современной физики - концепции близкодействия - необходимо, чтобы они рассматривали электромагнитное поле в тесной связи с понятием взаимодействия; при этом важно обращать внимание на то, что электрическое и магнитное поля отражают статическое проявление электромагнитного взаи- модействия, характеризуют среднее макроскопическое действие стационарного электромаг- нитного поля, у которого в каждой точке напряженность электрического и индукция магнит- ного полей остаются постоянными. Электромагнитные же волны характеризуют действие распространяющегося в пространстве электромагнитного поля, у которого напряженность

электрического и индукция магнитного полей в любой точке пространства меняются во вре- мени.

•          Электромагнитное поле материально, поскольку существует объективно, независимо от нашего сознания.

Для формирования представлений о материальности электромагнитного поля важен физический эксперимент, изучение физических величин, которые служат мерами тех или иных действий поля, рассмотрение взаимодействия его с веществом, а, следовательно, и ха- рактеристик материальности поля: энергии, массы и импульса. Полезно сказать студентам, что поле как вид материи в отношении этих характеристик аналогично другому ее виду – веществу. Развивая эту мысль, преподаватель может указать и на относительное различие между этими двумя видами материи: в отличие от вещества поле не имеет строгой локализа- ции в пространстве, обладает ничтожно малой концентрацией энергии, в вакууме распро- страняется только со скоростью света и т. д. Однако разделение материи на вещество и поле теряет смысл в явлениях микромира, где наиболее явно проступает единство обоих видов материи, их взаимопревращаемость. Можно лишь отметить, что в отличие от частиц вещест- ва частицы электромагнитного поля – фотоны – не обладают массой покоя.

Оптика.

Представления о волновых и квантовых свойствах света закладывает базу для форми- рования понятия о диалектическом единстве таких противоположностей, как свойства пре- рывности и непрерывности материальных объектов.

В разделе «Волновая оптика» подробно излагаются явления интерференции, дифрак- ции и поляризации света, которые с полной убедительностью подтверждают волновую при- роду света, его непрерывную структуру.

В разделе «Квантовая оптика» при изучении фотоэффекта, давления света и взаимо- действия его с веществом дается понятие о квантовых свойствах света. Важно подчеркнуть, что суть фотоэффекта удается правильно раскрыть только с квантовых позиций, в то время как давление света может быть объяснено и с волновой и с корпускулярной точки зрения.

При изложении материала о квантах, импульсе и массе фотона нужно еще раз обра- тить внимание студентов на двойственную корпускулярно – волновую природу света, пока- зать, что свойства непрерывности, характерные для электромагнитного поля световой волны, нельзя противопоставлять свойствам дискретности, характерным для фотонов.

Разбирая со студентами материал о давлении света, преподаватель объясняет это яв- ление как результат ударов световых частиц (фотонов) о поверхность освещаемого тела.

Уместно сделать небольшой экскурс в историю, рассказав о научном подходе русско- го физика П. Н. Лебедева, который в 1900 году экспериментально изменил световое давле- ние, предсказанное еще в 1619 году И. Кеплером.

Изготовленный П. Н. Лебедевым прибор для опытов был образцом ювелирного мас- терства, а сами опыты – вершиной экспериментального искусства того времени. Следует подчеркнуть, что опыты Лебедева послужили экспериментальным подтверждением матери- альности света.

Раздел «Элементы теории относительности» весьма желательно начать с краткого рассказа о научных заслугах ее создателя – А. Эйнштейна. Главная заслуга ученого состояла в том, что он смог усомниться во всеобщности законов классической механики, пересмотрел, казалось, незыблемые законы науки и показал их ограниченность. Построенная им теория относительности легла в основу последующего развития физики, она составляет важнейшую часть современной физики.

Остановимся на трех мировоззренческих вопросах этой темы.

Скорость света и ее независимость от системы отсчета.

При изучении кинематики студенты уяснили тот факт, что скорость любого тела зави- сит от системы отсчета. Все скорости относительны. Эта истина впервые была сформулиро- вана Г. Галилеем более трех столетий назад. Но в 1905 году, создавая теорию относительно- сти, А. Эйнштейн показал, что скорость света в вакууме является инвариантом. Эта уникаль- ная скорость занимает особое место среди важнейших физических констант.

Скорость света в вакууме самая большая в природе – с такой скоростью движется только фотон. При остановке фотоны – частицы света – исчезают, они существуют только в состоянии движения. Это одно из отличий фотонов от ньютоновских световых корпускул.

Закон взаимосвязи массы и энергии.

Из законов ньютоновской механики вытекает, что скорость тела может неограниченно возрастать, если к нему постоянно подводить энергию извне. Но можно ли увеличивать ско- рость бесконечно?

Ответ на этот вопрос дал А. Эйнштейн в теории относительности. Для выявления сущности проблемы можно провести следующие простые рассуждения, которые приведут студентов к пониманию важнейшего закона – взаимосвязи массы и энергии.

В классической механике масса тела считалась постоянной, следовательно, при неог- раниченном возрастании кинетической энергии тела, обусловленном подведением энергии извне, должна неограниченно возрастать его скорость. Однако если рост скорости ограничен, и она может только приближаться к скорости света, то следует вывод: масса тела не посто-

янная величина, она увеличивается по мере возрастания скорости согласно выражению, вы- текающему из теории относительности:

где m0

- масса покоя, а

  υ/c.

m     m0

,

Связь между энергией и массой определяется уравнением Эйнштейна: E=mc²

Однако следует отметить, что оно не сразу получило правильную в научном и фило- софском отношении трактовку. С. И. Вавилов подчеркивал, что закон взаимосвязи массы и энергии свидетельствует о неизбежности изменения энергии, соответствующего изменению массы движущихся тел, что важнейшие характеристики движущихся тел – масса и энергия – неразрывно связаны между собой и уравнение Эйнштейна дает количественное выражение этой связи.

Относительность расстояний. Относительность времени.

Изучение этого материала позволяет студентам понять важный вывод о связи про- странства, времени и движения материи, который был чужд классической механике.

Теория относительности Эйнштейна утверждает, что изменение скорости тела влечет за собой изменение его пространственно – временных характеристик.

Физика атома и атомного ядра.

При изложении материала, посвященного физике атома, полезно кратко рассказать студентам об истории развития взглядов на строение вещества.

В разделе «Физика атомного ядра» студенты знакомятся со специфическими внутри- ядерными процессами, ядерной формой движения материи, которая заключается во взаим- ных превращениях нуклонов и взаимодействии между ними.

При освещении вопроса о

 ,  ,  излучениях полезно рассказать студентам о

трудностях в начальной стадии научного объяснения явления радиоактивного излучения и

  распада.

При изложении материала об элементарных частицах следует отметить, что физика элементарных частиц содержит яркие примеры, подтверждающие научное учение о единстве мира.

После открытия позитрона (1933г) объектом серьезных философских дискуссий стало превращение электронно-позитронной пары в  кванты:

e  e  2 .

Здесь имеет место превращение материи из одного ее вида (вещество) в другой (поле).

В настоящее время деление материи на вещество и поле потеряло абсолютный смысл: ведь каждому полю соответствуют кванты, а частицы вещества обладают волновыми свойст- вами.

Разбирая со студентами этот материал, нужно отметить и такой вывод современной физики: элементарные частицы, представляемые простейшими элементами материи, все же не являются таковыми; об этом свидетельствует ряд научных данных. Современная физика микромира дает все основания для утверждения о неисчерпаемости свойств микромира, как целого, так и каждого его элемента.

Важную роль в формировании научного мировоззрения студентов играет освещение вопроса о познаваемости мира.

Ему, как правило, уделяют в курсе физики большое внимание. Но сведения, которые обычно сообщают студентам, нужно расширить. Полезно показать, как сложно подчас реа- лизовать практически возможности познания.

В обобщающей лекции «Современная научная картина мира» целесообразно рассмот- реть, хотя бы кратко, проблему «Есть ли предел познания?». Уместно привести по этому по- воду высказывания крупных ученых – физиков.

В конце XIX века выдающийся английский физик У. Томсон утверждал, что физику как науку можно считать законченной, если не обращать внимания на два небольших «об- лачка» на ее горизонте: трудности с интерпретацией опыта Майкелсона по измерению ско- рости света и неясности в объяснении излучения абсолютно черного тела. Однако из этих

«облачков» развилась почти вся современная физика: теория относительности и квантовая механика.

Следует остановиться и на такой стороне вопроса: «Не прекратится ли развитие науки из-за возрастающих трудностей исследования?». Нужно отметить то, что проникновение в глубь материи и в космические дали сопровождается совершенствованием и развитием са- мих методов исследования.

Важно подчеркнуть, что процесс перехода в область все более сложных и труднодос- тупных нашему восприятию объектов и явлений будет продолжаться.

Для формирования научного мировоззрения студентов полезны специальные темати- ческие семинары и конференции, например: «Познаваемость мира», «Единство материально- го мира», «Пределы применимости физических законов». Для повышения эффективности таких мероприятий можно привлечь к участию в них специалистов - ученых, с тем, чтобы они сделали более глубокий анализ материала, дополнили доклады студентов новыми дан- ными, провели интересные беседы об исследованиях, происходящих на передних научных рубежах.