Создание моделей в школьном курсе физики

СОЗДАНИЕ МОДЕЛЕЙ В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ

Физическая модель — это представление системы, объекта или процесса с целью их исследования, то есть это представление с помощью другого реального объекта, имеющего схожую динамику поведения. Это идеализация реального объекта или явления при сохранении основных свойств, определяющих данный объект или явление.

В школьном курсе физики часто встречается другое понимание термина физическая модель как упрощённой версии физической системы или процесса, сохраняющей его главные черты.

С точки зрения теории познания (гносеологии) физика представляется как система допущений, образных упрощений и соглашений, которые реализуются в форме научных (теоретических) моделей.

Чтобы отразить модельный характер процесса познания, физику следует определить как внутренне единую систему моделей.

Все модели можно разбить на два больших класса: модели материальные и информационные.

К материальным относятся такие модели, которые состоят из вещественных элементов и реально функционируют. Они предназначены для воспроизведения структуры объекта, характера протекания и сущности рассматриваемого процесса. Например, моделью жидкости может служить речной песок. Глобус – модель земного шара. Планетарий - устройство, с помощью которого демонстрируют модели звездного неба, Солнечной системы и других небесных явлений.

К информационным относятся такие модели, которые конструируются мысленно (материальная точка, математический маятник). Их можно фиксировать с помощью рисунков, мультипликации, определенных символов (например, таблица Менделеева).

Нельзя чисто теоретически установить, пригодна данная модель для описания конкретного явления или нет. Только опыт, практика дают уверенность в правильности той или иной модели явления.

Модель атома («Приписывание» свойств»)

Одной из первых моделей строения атома явилась модель английского физика Джозефа Томсона, предложенная им в 30е гг. 19 века, – «пудинг с изюмом»: атом представляет собой сферу положительного электричества с вкрапленными электронами. Для проверки этой модели в 1899-1911 гг. английский физик Эрнест Резерфорд провел опытные исследования и сформулировал планетарную (ядерную) теорию строения атома. Согласно этой модели, в центре атома находится очень маленькое ядро, размеры которого приблизительно в 100’000 раз меньше размеров самого атома. В ядре сосредоточена практически вся масса атома. Оно имеет положительный заряд. Вокруг ядра движутся электроны, заряженные отрицательно. Их число определяется зарядом ядра.

Однако такая модель имела свои недостатки:

1) Резерфорд не смог объяснить устойчивости атома. Двигаясь вокруг ядра, электрон расходует энергию и в какой-то момент, израсходовав ее всю, он должен остановиться – упасть на ядро, что равносильно гибели атома. Но на самом деле атомы – структуры довольно стабильные.

2) Резерфорд не смог объяснить линейный характер атомных спектров. Согласно его модели, электрон должен излучать энергию постоянно и поэтому атомный спектр должен быть сплошным, но экспериментальные данные доказывали обратное: спектр не сплошной, а прерывистый. Это означает, что электрон излучает энергию порциями.

Свою теорию строения атома, основанную на планетарной модели и квантовой теории, в 1913 году предложил датский физик Нильс Бор. Основные положения он сформулировал в виде постулатов:

Электрон может вращаться вокруг ядра по определенным, стационарным круговым орбитам. Двигаясь по стационарной орбите, электрон не излучает энергию. Излучение электромагнитной энергии (либо ее поглощение) происходит при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую.  

Но и эта модель не явилась совершенством, в ней также присутствовали противоречия.

В 1932 году Иваненко предложил протонно-нейтронную модель ядра. Эту теорию развил Гейзенберг. Эта модель строения атома существует до сих пор, сочетает в себе все предыдущие модели и «исправляет» их недостатки. Суть теории в том, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. В совокупности они называются нуклоны. Число протонов в ядре («+» заряд) характеризует его заряд. Количество электронов («-» заряд), движущихся вокруг ядра, соответствует количеству протонов в нем. Электроны движутся по определенным атомным орбитам, которые могут существовать в различных формах. При переходе с орбиты на орбиту испускается или поглощается электромагнитная энергия.

Модель Идеальный газ («Приписывание» свойств»)

Идеальный газ - модель газа, в которой: между молекулами отсутствуют силы взаимного притяжения; сами молекулы принимаются за материальные точки; а взаимодействия между молекулами сводится к их абсолютно упругим ударам. Разреженные реальные газы при температурах, далеких от температуры конденсации, близки по своим свойствам к идеальному газу.

МодельЭлектронный газ («Приписывание» свойств»)

Электронный газ — модель, описывающая поведение электронов в телах с электронной проводимостью. В электронном газе пренебрегается кулоновским взаимодействием между частицами, а сами электроны слабо связаны с ионами кристаллической решетки. Оправданием этого служит существование ионов кристаллической решётки, электростатический заряд которых в среднем компенсирует заряд электронов, и экранирование зарядов, существенно уменьшающее радиус действия кулоновских сил.

Модель электронного газа позволяет вычислить многие термодинамические и кинетические характеристики электронных проводников. В некоторых случаях (в полупроводниках) электронный газ может иметь температуру, отличную от температуры решётки. Под воздействием высокочастотных электромагнитных полей электронный газ металлов и полупроводников ведёт себя как электронная или электронно-дырочная плазма.

Модель Математический маятник (Предельный переход)

Рассматривают простой маятник. Затем модель математического маятника - материальную точку, подвешенную на нерастяжимой  невесомой нити. Модель демонстрирует свободные колебания математического маятника. Можно изменять длину нити, угол  начального отклонения маятника. Выводятся графики зависимости угловой координаты и скорости от времени, диаграммы потенциальной и кинетической энергий при свободных колебаниях. При работе с моделью необходимо учесть, что колебания математического маятника являются гармоническими только при достаточно малых амплитудах.

Модель Электромагнитное поле (Теоретические конструкты)

Школьникам напоминают, что в механике они изучали силы тяготения, упругости и трения, которые зависят или от расстояния между взаимодействующими телами, или от их относительных скоростей. Затем предлагают пронаблюдать опыт по взаимодействию параллельных токов. Это типичный пример электромагнитного взаимодействия. Ребята наблюдают взаимодействие проводников, но не могут объяснить причину возникновения силы притяжения или отталкивания, так как расстояние между проводниками и относительная скорость электронов в проводниках не изменяются (если токи одного направления). Значит, возникли силы, которые в механике не рассматривали, это силы электромагнитного взаимодействия. В этом случае говорят, что вокруг каждого из проводников возникло магнитное поле. Магнитное поле одного проводника действует на другой проводник с током с некоторой силой и, наоборот. Затем излагают вопрос о передаче взаимодействий.

Ньютоновская механика опирается на принцип дальнодействия (взаимодействия передаются мгновенно на сколь угодно большие расстояния). Отличительная особенность электродинамики — необходимость трактовки электромагнитных явлений с позиций другой концепции (концепции близкодействия), согласно которой взаимодействия между зарядами (токами, магнитами) передаются с конечной скоростью.

Далее школьникам сообщают, что конечность скорости передачи взаимодействий приводит к тому, что если заряд из точки А переместится в некоторую точку А', то изменение силы, действующей на заряд в точке В, произойдет не мгновенно, а спустя некоторое время. Поскольку взаимодействие между электрическими зарядами распространяется с конечной скоростью, то существует процесс, распространение которого происходит с конечной скоростью. Тогда должен быть и какой-то материальный объект (материальная среда), с которым этот процесс происходит. Все это можно объяснить, только введя понятие об электромагнитном поле. Реальность электромагнитного поля подтверждается хорошо известными учащимся фактами: распространением электромагнитных волн (радиосвязь, телевидение, радиолокацией Луны).

Знания учащихся об электрическом и магнитном полях, рассмотрение этих полей в различных системах отсчета дают возможность сделать вывод: существует единое электромагнитное поле. Школьникам сообщают, что задача электродинамики — выяснить свойства и закономерности поведения электромагнитного поля.

Модель Электрический заряд (Теоретические конструкты)

На современной ступени развития науки заряд принимают за свойство элементарных частиц. Наличие электрического заряда у тела или частицы проявляется в том, что они ведут себя определенным образом — взаимодействуют с другими заряженными телами (частицами).

Наличие у тела (частицы) заряда означает, что оно способно к электромагнитным взаимодействиям. Понятие электрического заряда и электромагнитного поля — два взаимосвязанных понятия. Если рассмотреть электрический заряд и связанное с ним поле в различных системах отсчета, то в случае равномерного движения заряда можно найти такие ИСО, где есть либо электрическое поле, либо и электрическое, и магнитное. В случае неравномерного движения заряда его поле всегда будет электромагнитным— одновременно будут существовать и действовать и электрическое, и магнитное поля. Таким образом, для описания электромагнитных явлений существен выбор системы отсчета.

Электрический заряд абсолютен — он не зависит от выбора системы отсчета. В настоящее время экспериментально доказано существование этого факта. Для введения понятия об электроне показывают делимость и дискретность электрического заряда. Делимость заряда ясна из простейших опытов перетекания заряда с одного заряженного тела на другое, незаряженное. Эти опыты осуществимы в школе, и школьники хорошо понимают их сущность. Дискретность же электрического заряда была доказана опытами Иоффе и Милликена, которые в школе осуществить нет возможности. Представим, что в электрическое поле между заряженными пластинами конденсатора попадает какое-то заряженное тело. В опыте Иоффе - это металлическая пылинка, а в опыте Милликена—капелька масла. В опыте Иоффе равновесие пылинки достигалось только при определенных зарядах на ней, т. е. заряд пылинки менялся как бы скачками. Этот опыт доказал дискретность электрического заряда. Опыт Милликена дал возможность определить и значение элементарного заряда (заряда электрона).

Модель Фотон (Теоретические конструкты)

Фотон — элементарная частица, квант электромагнитного излучения. Это безмассовая частица, способная существовать в вакууме, только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения±1. Является истинно нейтральной частицей. В физике фотоны обозначаются буквой γ.

Квантовый характер излучения и поглощения энергии электромагнитного поля был постулирован М. Планком в 1900 г. для объяснения свойств теплового излучения.

Фотон изначально был назван «световым квантом» его первооткрывателем, Альбертом Эйнштейном. Современная теория была разработана в 1905—1917 гг. Эйнштейном для объяснения наблюдаемых в экспериментах противоречий с классической волновой теорией света, например, при изучении фотоэффекта.

Термин «фотон» введён химиком Г. Льюисом в 1926 г.

Классическая электродинамика описывает фотон как электромагнитную волну с круговой поляризацией. С точки зрения классической квантовой механики, фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм: он проявляет одновременно свойства частицы и волны.

Квантовая электродинамика описывает фотон как бозон, обеспечивающий электромагнитное взаимодействие: виртуальные фотоны являются квантами-переносчиками электромагнитного поля и обеспечивают взаимодействие между двумя электрическими или магнитными зарядами. В современной физике фотон  — переносчик электромагнитного взаимодействия (часто называется элементарной частицей), фундаментальная составляющая света и всех других форм электромагнитного излучения.

Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.

Таким образом, с помощью приписывания свойств, предельного перехода и теоретических конструктов можно вводить модели реальных физических объектов и явлений на уроках физики в средней школе.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/208319-sozdanie-modelej-v-shkolnom-kurse-fiziki