Урок Физическая картина мира

Человек стремиться каким-то адекватным способом создать в себе простую и ясную картину мира.

Высшим долгом физиков является поиск одщих элементарных законов, из которых… можно получить картину мира.

А. Эйнштейн.

1. Приветствие учащихся. Проверка готовности к уроку.

2. Мы закончили изучение раздела: « Механика».

После изучения курса механики необходимо обеспечить его повторение и обобщение знаний для того , чтобы ещё раз выделить самые основные понятия и законы и, главное, показать их взаимосвязь.

Лучше всего это можно достичь . если логика повторения будет воспроизводить логику механики как науки , такая выражается в последовательном решении основной задачи механики.

Но знать - это прежде всего понимать , что является главным , что второстепенным, т.е. представлять иерархию , структуру знаний. Поэтому повторение должно не только воспроизводить решение основной задачи механики , но и приводить к осознанию структуры механики, как теории.

Чтобы повторение имело мировоззренческую направленность , необходимо раскрыть суть механической картины мира ( МКМ ). Следовательно цель нашего урока : повторить и закрепить знания по курсу « Механика», попытаться раскрыть сложное понятие МКМ.

3. Прежде чем приступить к работе вспомним основные правила работы с текстом учебника; алгоритм выполнения конспекта, правила работы в группе.

Основные разделы механики: кинематика , динамика , законы сохранения. О чем говорит каждый раздел ?

4. Переходим к основной части нашего урока. Делимся на три группы.

Повторение механики полезно осуществить по трем направлениям:

1. Основная задача механики и последовательность ее ре­шения.( ЗАДАНИЕ №1 )

2. Структура механики как теории.( ЗАДАНИЕ №2 )

3. МКМ.(механическая картина мира).( ЗАДАНИЕ №3 )

Исходя из выше сказанного каждая группа получит своё задание:

Задание № 1 : « Основная задача механики и последовательность её решения»

Задание № 2 : « Структура механики как теории».

Задание № 3 : « МКМ» ( механическая картина мира).

Вместе с заданиями вы получаете алгоритм выполнения.

Алгоритм к заданию № 1 « Основная задача механики и последовательность её решения»

1. Кинематика :

а) основные понятия , формулы

б) виды движения ; их характеристика.

2. Динамика:

а) законы , понятия

б) силы , виды сил.

в) следствия динамики.

3. Законы механики.

Алгоритм к заданию № 2 « Структура механики как теории».

1. Опытные факты.

2. Модели.

3. Физические величины.

4. Исходные принципы механики.

5. Следствия.

6. Эксперимент , наблюдения.

Алгоритм к заданию № 3 « МКМ».

1. Представления о материи.

2. Представление о движении.

3. Представления о пространстве и времени.

4. Представления о взаимодействии.

5. Представления о причинности.

6. Представления о закономерности.

Примерный конспект ответа на ЗАДАНИЕ №1.

а) Чтобы решить основную задачу механики, т. е. опреде­лить положение точки в пространстве в любой момент времени, надо прежде всего знать ее начальное положение (координаты) и начальную скорость, выбрав определенную систему отсчета.

б) Если начальные условия известны, то положение точки
любой момент времени в выбранной системе отсчета определя­ется вектором перемещения.

в) В простейшем движении - равномерном прямолинейном-перемещение за данное время тем больше, чем быстрее точка движется, а для оценки быстроты движения вводится скорость v= - ; тогда s = vt, или s_x = v_xt, откуда x=x_o + v_xt, что и позво­ляет для данного вида движения решить основную задачу ме­ханики.

г) Но если в равномерном прямолинейном движении v = const, то в равнопеременном движении скорость меняется со временем,и чтобы знать скорость в какой-то момент времени, надо знать быстроту ее изменения, характеризующуюся ускорением а =

откуда v = v_o + at и v_x = v_ox +a_xt.

д) На основе полученных кинематических уравнений можно найти уравнение, выражающее зависимость перемещения, а пото­му и координаты от времени для равнопеременного движения:

x=x₀+v_0xt+

Можно составить следующую структурно-логическую схему:

Таким образом, в рамках кинематики основная задача будет решена, если известны начальные условия (х₀; v_0х) и ускорение точки а_х. Чтобы найти а_х и тем самым решить основную задачу ме­ханики, надо знать, от чего зависит ускорение, а этот вопрос ре­шается в динамике.

е) Прежде чем решить его, надо установить, при каком ус­ловии точка не имеет ускорения, т. е. движется равномерно и прямолинейно. Ответ на это дает первый закон динамики.

ж) Ускорение же возникает, когда на данное тело действует другое тело, причем действия тел друг на друга всегда взаимны, т. е. всегда осуществляется взаимодействие.

З) ускорения, приобретаемые телами при взаимодействии, могут быть различными, но отношение их не зависит от условий1 взаимодействий и определяется лишь свойствами взаимодействующих тел, а именно - их инертностью. Свойство тел неодинаково быстро менять свою скорость (т. е. приобретать разные ускорения) при взаимодействии называется инертностью, при этом из тел более инертно то, которое медленнее меняет свою скорость, т.е. приобретает меньшее ускорение.

и) Инертность тела характеризуется физической величиной - массой тела, от которой и зависит его ускорение.

к) Ускорение данного тела зависит также и от степени дей­ствия на него другого тела, для характеристики которой вводит­ся физическая величина - сила.

л) Ускорение, таким образом, определяется массой тела и действующей на него силой; связь величин выражается вторым законом динамики F = ma, который и позволяет найти ускорение, а потому и положение тела, если задана масса его и известна сила.

м) Но как найти силу? Для этого надо знать, от чего она за­висит. В механике рассматриваются обычно три вида сил - силы тяготения, упругости и сопротивления (трения), каждый из которых характеризуется соответствующим законом:

Следовательно, силы зависят от коорди­нат и скорости, и зная вид этих зависимостей (законы сил), мож­но найти силу, а потому и ускорение и определить положение точки, т. е. ее координаты. Так в общем виде решается основная задача механики.

н) Следствием динамики является статика, опирающаяся на два условия равновесия, выводимые из законов динамики.

о) Однако в ряде задач механики силы, возникающие при взаимодействии, меняются со временем, что осложняет их нахож­дение, а потому и решение основной задачи механики (напри­мер, при соударении тел). В таких случаях задача может быть решена без нахождения сил, с которыми взаимодействуют тела, и без использования законов динамики. При этом используются вытекающие из них законы - законы сохранения импульса и механической энергии, являющихся важнейшими характеристикам (мерами) движения.

Нетрудно видеть, что раскрытие этой логической цепочки, вос­производящей построение механики, позволяет повторить все ос­новные понятия и законы механики. Таков один уровень повто­рения.

Примерный ответ на ЗАДАНИЕ №2

Теперь рассмотрим структуру механики как научной теории.

а) Опытные факты.

Как и всякая научная теория, механика исходит из опытных фактов, их анализа и обобщения. К числу их относится такой факт, как постоянство ускорения свободного падения, на основа­нии которого были сделаны выводы о пропорциональности силы тяготения массе тела и совпадении инертной и гравитационной масс. К числу исходных фактов относятся и данные астрономи­ческих наблюдений за движением планет, обобщенные Кеплером в эмпирические законы, на основе которых Ньютон установил за­кон всемирного тяготения. Из опытных данных вытекает и факт зависимости сил от координат и скорости.

б) Модели.

Механика использует ряд модельных представлений, каковы­ми являются, например, материальная точка, абсолютно твердое тело (повторяется суть этих понятий и метода идеализации).

в) Физические величины.

Для описания механических явлений используется язык физи­ческих величин, к числу которых относятся такие величины, как перемещение, координаты, скорость, ускорение, масса, сила, им­пульс, механическая энергия.

г) Исходные принципы механики.

В основе механики лежат три закона динамики и принцип от­носительности, являющиеся ведущими положениями (принципа­ми), связанными с экспериментом, но непосредственно из него не вытекающими.

д) Следствия.

Из основных принципов механики выводится ряд частных за­конов, следствий, к числу которых относятся условия равновесия тел, законы сохранения импульса и механической энергии.

е) Справедливость следствий, а потому и исходных принци­пов проверяется в эксперименте, наблюдениях. Так, например ,расчетные положения небесных тел, полученные на основе ис­пользования законов механики, хорошо согласуются с данными, полученными в результате астрономических наблюдений.

Такова в упрощенном виде. структура механики как научной теории. Перейдем теперь к рассмотрению, того, какие представ­ления о мире сложились в результате создания классической ме­ханики.

Примерный ответ на ЗАДАНИЕ №3.

МКМ состоит из ряда элементов, содержащих представление науки той эпохи о материи, движении, взаимодействии, прост­ранстве и времени, причинности и закономерности.

1. Представления о материи.

В то время ни о каких полях, конечно, не могло быть и речи, поэтому материей считалось вещество, макротела. Еще в античную эпоху была высказана гениальная идея о том, что вещество дискретно, т. е. состоит из отдельных неделимых и неизменных частиц - атомов. Эта идея признавалась и основоположниками классической механики. Из неизменности атомов следовало, что и свойства тел неизменны (например, неизменна масса тела).

Было известно, что в мире есть не только тела, но и свет. Од­нако о природе света не было определенной точки зрения. Нью­тон, как атомист, склонялся к тому, что свет представляет собой поток частиц - корпускул. Г. Гюйгенс считал, что свет есть ко­лебательный процесс, распространяющийся в особой среде - эфире, заполняющем все мировое пространство. Однако представ­лений об эфире были лишь недоказанной гипотезой.

Итак, материя существует в форме вещества, состоящего из атомов.

2. Представление о движении.

Идея о том, что мир - это движущаяся материя, была господ­ствующей в то время. Французский ученый Р. Декарт говорил: «Дайте мне материю и движение, и я построю весь мир». Но дви­жение понималось тогда односторонне, лишь как механическое перемещение тел и составляющих их частиц. Все другие процес­сы, формы движения сводились к механическому движению и их" специфика не признавалась. И даже в XIX в., когда утверждалась точка зрения о том, что теплота - это движение частиц, счита­лось, что тепловое движение ничем не отличается от механиче­ского и может быть полностью объяснено исходя из законов ме­ханики (позднее от такого взгляда пришлось отказаться).

Важно то, что движение и покой не противопоставляются так, как это делалось во времена Аристотеля. Ведь согласно принци­пу относительности нельзя отличить покой и равномерное прямо­линейное движение.

Считалось, что перемещение тел может происходить с любы­ми сколь угодно большими скоростями (в XX в. от этого взгляда также пришлось отказаться).

Итак, мир есть движущаяся материя и все виды движения сводятся к механическому.

3. Представления о пространстве и времени.

Механическое движение по Ньютону можно однозначно описать лишь в определенной системе отсчета/и законы механики одинаково хорошо выполняются во всех инерциальных системах отсчета. Всякая система отсчета, которая движется относитель­но инерциальной равномерно и прямолинейно, также будет инерциальной. Но любая система отсчета не является строго инер­циальной. Возникает вопрос: как найти ту абсолютно инерциальную систему отсчета, в которой законы выполнялись бы абсолют­но строго? Видимо, в поисках такой системы отсчета Ньютон, как человек, стремящийся к точности и определенности, и выдвигает идею об абсолютном пространстве и времени как аналогах абсолютной системы отсчета. То, что Ньютон явно признает, что движение происходит в пространстве и времени, - конечно, боль­шая его заслуга. Однако ньютоновские представления об абсо­лютном пространстве и времени - это бессодержательные абст­ракции. Абсолютное пространство - это нечто самостоятельно су­ществующее (субстанция) помимо тел и независимо от них, в виде некой однородной протяженности. Грубо говоря - это то, что останется в мире, если из него убрать материю (а что оста­нется?..), это некая абсолютная пустота, вместилище материи. Абсолютное время - это чистая длительность, не связанная ни с какими материальными процессами и текущая равномерно. Дол­гое время эти взгляды, освященные авторитетом Ньютона, удер­живались в науке. Из преобразований Галилея вытекает, что длина тела и промежуток времени не изменяются при переходе от одной системы отсчета к другой, т. е. длина как выражение про­странства и временной промежуток как выражение времени абсолютны, не зависят друг от друга и от движения материи. Лишь в XX в. эти представления были коренным образом пере­смотрены.

Итак, пространство и время есть некие абсолютные сущности, существующие независимо от материи и движения.

4. Представления о взаимодействии.

Огромной заслугой Ньютона является то, что он показал взаимность действий тел и ввел понятие взаимодействия, которое характеризуется силой. Открытое и математически описанное им явление всемирного тяготения, присущее всем телам и частицам, позволило объяснить все движения небесных тел и тел на Зем­ле. О взаимодействии наэлектризованных и намагниченных тел в то время знали очень мало. Поэтому в силу успехов ньютонов­ской теории тяготения было признано, что тяготение-единст­венный универсальный тин взаимодействия, которым можно объ­яснить все. Даже оптические явления, например известное явле­ние преломления света, объяснялось притяжением световых кор­пускул к веществу.

При этом Ньютон и его последователи не очень задумывались над тем, каков механизм передачи гравитационного взаимодей­ствия. И это понятно - обоснованную гипотезу о передаче дей­ствия тогда нельзя было выдвинуть из-за отсутствия фактов, на которые могла бы опираться такая гипотеза, а надуманных ис­кусственных гипотез Ньютон не признавал. Утверждение, соглас­но которому действие передается без какого-либо материального посредника и при этом мгновенно, получило название принципа дальнодействия, который был долгое время господствующим в науке.

Итак, взаимосвязь объектов осуществляется за счет тяготе­ния, являющегося универсальным типом взаимодействия, и осуществляется по принципу дальнодействия.

5. Представления о причинности.

Когда одно явление связано с другим так, что первое порож­дает второе, то говорят, что первое есть причина, а второе - след­ствие, т. е. между явлениями существует причинно-следственная связь.

Каждое явление причинно обусловлено, т. е. порождается дру­гим явлением. Ньютон показал, что сила - причина изменения движения, т. е. действие и изменение движения причинно связа­ны друг с другом. Вера в существование причин у каждого яв­ления, даже если эти причины неизвестны пока, всегда была ха­рактерна для науки. Уверенность в этом еще более окрепла в результате создания классической механики. При решении основ­ной задачи механики на основе законов динамики последующее состояние, движущейся точки (т. е. координаты точки и ее ско­рость) вычисляется совершенно однозначно, если известно на­чальное состояние. Значит, между начальным и последующим со­стоянием есть однозначная причинно-следственная связь, первое предопределяет второе. Итак, в классической механике причин­ность принимается как однозначная предопределенность -любого состояния начальным состоянием.

6. Представления о закономерности.

Установленные Ньютоном законы механики имели огромную предсказательную силу. Причем, как уже отмечалось, все по­следующие состояния движущегося тела предсказывались одно­значно и определенно. Такие законы называются динамическими (в отличие от статистических, предсказывающих последующие состояния лишь с некоторой вероятностью).

Так как считалось, что любые явления сводятся к механиче­ским, то и законы механики считались универсальными и применимыми во всех областях действительности. Программа механи­ческого объяснения явлений природы, 'отражающая свойствен­ный для той эпохи стиль мышления, выражена в следующих сло­вах Ньютона: «Было бы желательно вывести из начал механики и остальные явления природы..., ибо многое заставляет меня предполагать, что все явления обусловлены некоторыми силами, с которыми частицы тел вследствие причин пока неизвестных или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются»

5. Заключение.

Таковы наиболее существенные черты МКМ, сформировав­шейся к XVIII в. Создание ее представляло собой огромный шаг в познании природы. Мир, ранее мало понятный, представлявшийся людям как скопище разрозненных и несвязанных явлений, те­перь предстал как стройное, единое, упорядоченное целое, в ко­тором действуют строгие законы, объединяющие разнородные яв­ления. Казалось, все стало ясным в мире. Английский поэт А. Поп писал: «Природы строй, ее закон в известной мгле таился. Но бог сказал: «Приди, Ньютон!» И всюду свет разлился».

МКМ выражает материалистическое понимание мира, так как в ней все объясняется на основе естественных, природных при­чин и нет места для мистических, сверхъестественных толкований. Но во взглядах физиков той эпохи была и определенная ограниченность. Она проявлялась в признании неизменности и однокачественности материи и ее свойств, в отрицании связи материи и пространства и времени, в непонимании специфики разнородных групп явлений, в признании вечности, неизменности и универсальной применимости законов механики. Основывающееся на таких взгля­дах мировоззрение называется метафизическим. И черты этого ми­ровоззрения проявлялись вплоть до XX в. «Счастливец Ньютон,--говорил Лагранж,-систему мира можно создать только один раз». Однако надеждам такого рода не суждено было сбыться. И в XX в. к приведенному выше четверостишию А. Попа было до­бавлено в связи с созданием теории относительности: «Но сата­на недолго ждал реванша. Пришел Эйнштейн-и стало все как раньше». Изучение тепловых и электромагнитных явлений в XVIII-XIX вв. показало, что МКМ нуждается в существенных изменениях.

Первые попытки создать обобщенное и целостное представление о мире были предприняты еще в античную эпоху. Но конкретные знания о мире были тогда крайне скудными, а ведь общее по­стигается на основе частного, и в основе любого обобщения дол­жен быть широкий круг конкретных фактов. Факты в естествен­ных науках добываются на основе наблюдений и опытов, прак­тики. Древние мыслители же считали, что все знания о мире мож­но добыть только путем чистого мышления, т. е. умозрительно.

По-настоящему опыт стал основой научного познания, т. е. и источником, и критерием истинности знаний, лишь в результате работ Галилея, и именно поэтому его считают основоположником физики как науки. Широкое использование эксперимента позво­лило Галилею опровергнуть выводы, господствовавшие в науке еще со времен Аристотеля (такие, как: «тяжелые тела падают быстрее легких», «нет движения без силы»), и выдвинуть ряд но­вых идей, ставших ведущими в последующем развитии науки (идея инерции, принцип относительности). Идеи, выдвинутые Га­лилеем, доказывали справедливость учения Коперника, а оно оп­ровергало религиозное учение о мире. Поэтому работы Галилея заставляли людей вновь задуматься над проблемой «знание - или вера?», подрывали основы религиозного представления о ми­ре и содействовали утверждению материалистических взглядов на мир.

Дело, начатое Галилеем, продолжил Ньютон. Он выдвигает не отдельные идеи, а создает целостную систему знаний о меха­ническом движении, математически обоснованную и подтверж­денную экспериментально. Действительно, если раньше было лишь известно, как движутся небесные тела, то теперь стало по­нятным, и почему их движение подчиняется законам Кеплера, и стало возможным, опираясь на законы механики, предсказывать их положение в любой наперед заданный момент времени (хотя Ньютон и не дал объяснения тяготения). В результате работ Га­лилея и Ньютона механика выделяется из естествознания в от­дельную развитую науку, обладающую необычайной предсказа­тельной силой. Создание в XVII в. классической механики приве­ло к созданию первой научной картины мира, основанной на за­конах и принципах механики, - механической картины мира.

6. Наш урок подходит к концу.

Мы проделали очень большую и важную работу. Давайте подведем итоги и дадим краткий анализ проделанной работы. Выясним в чем были трудности , что далось труднее всего. Всем спасибо. Молодцы. Оценки за работу.