Методика формирования астрономических понятий в школьном курсе физики

Введение

 

В настоящее время астрономия, благодаря своим достижениям и средствам массовой информации стала интересна и доступна широкому кругу людей вне зависимости от возраста и уровня образования. Ее эвристическое значение и эмоциональное воздействие на людей чувствуется ежедневно. Поэтому не удивляет стремление как можно раньше приобщить учеников к астрономическим знаниям, введение астрономической информации в начальной школе и даже в детском саду. С другой стороны, в силу своей специфичности и необычности, ограничений по времени, обучение астрономии требует больших усилий для учителей, поэтому в системе среднего образования наметилась тенденция убрать отдельный предмет астрономии из программы общеобразовательной школы. В США эти тенденции еще в конце ХГХ в. привели к тому, что астрономия была исключена как предмет из школьного курса. Ситуация, которая существует и посей день, не смотря на то, что во многих школах астрономию преподают, по-видимому, как дополнительный факультативный предмет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Особенности изложения вопросов астрономии в школьном курсе физики

 Включение астрофизических  вопросов в школьный курс физики  с целью демонстрации универсальности  физических законов и их применимости  для описания явлений галактического  масштаба основывается на уверенности в справедливости этих законов, по крайней мере, для широкого круга явлений, достаточно подробно изученных к настоящему времени. Хорошо известно, что сомнения по этому поводу регулярно высказывались самыми выдающимися исследователями. Так, например, в 1928 г. Д. Джине писал: «Каждая неудача при попытках понять происхождение спиральных ветвей делает все более и более трудным противостоять подозрению, что в спиральных туманностях действуют совершенно неизвестные нам силы, быть может, отражающие новые и неожиданные метрические свойства пространства» [65, с. 352]. Однако дальнейшее развитие астрофизики показало, что именно вопрос о происхождении спиральных ветвей галактик удалось решить в рамках существующих современных физических представлений и теорий.

В последнее время появился ряд сообщений, согласно которым разбегание галактик, описываемое законом Хаббла, в свете последних астрономических наблюдений оказывается происходящим не с замедлением, обусловленным всемирным тяготением, а с ускорением, что в настоящее время не удается объяснить в рамках существующих представлений [66]. Надежное подтверждение этого факта, по-видимому, должно будет привести к определенным изменениям (возможно, весьма радикальным) во всей системе представлений об окружающем мире. Возможно, что такая информация на новом уровне делает актуальной идею о том, что «ядра галактик представляют собой новую форму существования материи, не известную современной физике» [87, 88]. Однако и такая ситуация методически может явиться очень полезной, ибо при правильном методологическом подходе к изучению современной физики выявление и демонстрация модельного характера наших знаний о природе и установление границ применимости конкретных моделей является особенно важным фактором при обучении и развитии научного мировоззрения.

Вопрос о возможности обнаружения новых фундаментальных законов физики на астрофизическом материале имеет еще один, не менее важный аспект. Необходимость введения новых физических представлений при дальнейшем развитии физики сама по себе не вызывает сомнений. Например, при создании квантовой теории гравитации для анализа сингулярностей, появляющихся в решении уравнений классической общей теории относительности. Однако при рассмотрении отмеченных выше вопросов нельзя исключать возможности появления каких-то новых обстоятельств, связанных с обнаружением огромных масс на космических, пока недоступных для наблюдения расстояниях и т. п., которые позволят объяснить наблюдаемые факты на основе существующих представлений. Возможно, что для объяснения процессов в ядрах галактик никакая «новая физика» не нужна.

По мнению большинства астрофизиков, еще далеко не исчерпана возможность объяснения всех наблюдаемых в галактиках и их ядрах, в квазарах, нейтронных звездах и черных дырах явлений на основе существующих представлений, не прибегая к существенно новым физическим представлениям. Такого же мнения придерживается большинство ведущих ученых о проблеме «недостающих масс» (missing mass) в скоплениях галактик [89]. Из сказанного следует, что рассмотрение основных свойств космических объектов, не говоря уже об описании свойств «ближнего» космоса - Солнца и солнечной системы, может быть адекватно выполнено на основе фундаментальных положений современной физики.

Методика изложения вопросов астрофизики в рамках курса физики средней школы характеризуется рядом специфических моментов, отличающих ее от методики изложения традиционных тем курса физики. Основное различие связано с невозможностью постановки эксперимента не только в условиях школы, но и вообще. Все «экспериментальные» данные, которые во всех без исключения случаях определяют генеральное направление развития физической теории, получаются в астрофизике в результате наблюдений и измерений, проводимых над природными явлениями. Традиционно это были результаты, получаемые в наблюдательной астрономии. В последнее время сюда добавились измерения, проводимые с помощью физических приборов, запускаемых в космическое пространство, что сразу на несколько порядков расширило количество и качество получаемой информации. Однако во всех без исключения случаях объектом наблюдения являются реальные процессы и явления, происходящие в природе, а не осуществленные в результате действия человека.

Целью сообщения астрономических знаний учащимся I - IX классов является формирование системы астрономических знаний, приблизительно соответствующей по объему и качеству содержания современному курсу астрономии XI класса, адаптированному к уровню естественно-математических знаний и познавательным возможностям и интересам 14-15-летних подростков.

В этом случае астрономическое образование учащихся становится всеобщим и в то же время дифференцированным. Подавляющая часть астрономического материала изучается в V - IX классах основной школы, что позволяет обеспечить знание основ астрономии для всех учащихся, независимо от их дальнейшего дифференцированного обучения в старших классах общеобразовательной школы или других типах средних учебных заведений. Построение содержания и методики преподавания курса "Физики и астрономии" на основе научного метода познания обеспечивает наибольшую оптимальность, доступность и эффективность сообщения астрономических знаний: методология науки становится одновременно объектом изучения и способом познания, методологическая связь в развитии понятий реализуется в эволюционном подходе к изучению космических тел и космических систем. Идейно-понятийное ядро определяется относительно небольшой системой ведущих (фундаментальных) понятий курса, вокруг которых осуществляется генерализация основного учебного материала. Основным объектом изучения является Вселенная; целью изучения физической части курса является формирование понятий о самых простых и самых общих, всеобъемлющих законах движения материи во Вселенной, материальном единстве и физической картине мира. Базовый (минимальный) уровень формирования астрономических знаний предназначен для удовлетворения мировоззренческого аспекта астрономических интересов большинства школьников в соответствии с уровнем современного государственного стандарта по физическому образованию. Расширенный (максимальный) уровень рассчитан на уровень подготовки учащихся физико-математических классов, и предусматривает изучение вопросов астрономии в объеме, превосходящем базовый курс астрономии XI класса с более глубоким осмыслением материала. В основе сообщения астрономических знаний в рамках курса "Физика и астрономия" лежит концепция поэтапного формирования фундаментальных астрономических понятий, состоящая в последовательном рассмотрении ряда основных характеристик и свойств объектов познания астрономии в неразрывной связи с изучаемым физическим материалом: сведения о Вселенной и природе космических объектов используются как феноменологическая основа для формирования фундаментальных понятий физики и астрономии. Понятия о природе и физических характеристиках космических объектов и их систем, и космических явлений формируются на уроках в ходе последовательного поэтапного формирования моделей космических объектов в соответствующих разделах физики, причем каждая предыдущая модель становится опорной при построении последующей, чтобы затем на стадии синтеза отдельные, получившие определенное осмысление характеристики и свойства космических объектов объединились причинно-следственной связью с формированием интегральной модели данного типа космических объектов (космических тел и их систем). Ученики используют известные им понятия для объяснения новых процессов и явлений, самостоятельно устанавливают взаимосвязи между понятиями и решают основанные на этом задачи поискового и эвристического характера. В ходе изучения учебного материала по физике и использования межпредметных связей с курсами других естественно-математических дисциплин происходит постепенное расширение объема и обогащение содержания понятий, раскрытие их свойств и взаимных связей. Уровень усвоения понятий характеризуется установлением связей между понятиями различных систем и предметов (межпредметными связями) с высокой степенью обобщенности понятий и умением оперировать ими при решении задач творческого характера. В итоге изучения ряда последовательных разделов курса с постепенным усложнением понятий и обобщением полученных знаний, с четким отграничением главного и второстепенного, в рамках данной физической теории формируется понятие Вселенной, включающее в себя элементы историзма и методологии (в определении понятия) и сочетающее развитие философского аспекта понятия с развитием содержания понятия на уровне пространственно-временного континуума.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Формирование  понятия плазма в школьном  курсе физики

2.1.Введение понятия «плазма»

 

Одно из важных условий обучения состоит в том, чтобы дать основы научных знаний о природе. Эти знания должны соответствовать динамично развивающимся научным взглядам, т.е. преподаватель должен иметь понятие и о новых физических теориях, и о перспективных с точки зрения применения областях науки, прежде всего о тех, которые становятся базой новой техники. Согласно проекту Стандарта образования требуется сформировать определенную систему знаний о веществе. Она включает в себя знания о строении и физических свойствах вещества в трех его состояниях: твердом, жидком и газообразном. 
Но существует еще и четвертое агрегатное состояние - плазма.

Ведение понятия «плазма» лучше начать с истории его возникновения, и объяснения значения слова «плазма».

Долгий путь вёл человека к познанию плазмы, к её использованию в различных отраслях техники. Когда же наука и техника включили плазму в сферу своего внимания, рост знаний о ней и её практическое применение пошли семимильными шагами. Тут и возникли плазмохимия и плазмохимическая технология.

Ещё крупнейший древнегреческий учёный Аристотель предполагал, что все тела состоят из четырёх низших элементов-стихий: земли, воды, воздуха и огня. Дальнейшее развитие науки наполнило новым содержанием эти термины.

Действительно вещество может быть в четырёх состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном.

Человек познакомился с плазмой на заре своего существования, увидев молнию. Плазма окружает нашу Землю в виде ионосферы, обеспечивая устойчивую радиосвязь на Земле. Плазму представляют собой наше Солнце и все звезды(человек уже давно пытается воспроизвести Солнце на Земле в установках управляемого термоядерного синтеза). Наконец, плазма заполняет всю Вселенную в виде очень разреженного межпланетного газа. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной — звёзды, звёздные атмосферы, туманности галактические и межзвёздная среда. Около Земли плазма существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли(образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу. Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури полярные сияния. Отражение радиоволн от ионосферной плазме обеспечивает возможность дальней радиосвязи на Земле.

Термин плазма был введен физиологами в середине прошлого века для обозначения бесцветного жидкого компонента крови, молока или живых тканей. 
Кровь представляет собой красную непрозрачную жидкость, состоящую из плазмы 
(55 %) и взвешенных в ней клеток, форменных элементов (45 %) - эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов. Плазма крови содержит 90-92 % воды и 8-10 % неорганических и органических веществ. Неорганические вещества составляют0,9-1% (ионы К, Na, Mg, Са, Cl, P и др.). Остальное приходится на органические вещества плазмы: 6-8 % составляют белки (альбумины, глобулины, фибриноген). Около 2 % приходится на них комолекулярные органические вещества (глюкоза, аминокислоты, мочевина, мочевая кислота, липиды, креатин). Водный раствор, который по концентрации солей соответствует плазме крови, называют физиологическим раствором.

В 1923 г. американские физики И.Ленгмюр и Л.Тонкс назвали плазмой особое состояние ионизованного газа. Физиков плазма сначала интересовала как своеобразный проводник электрического тока, а также как источник света. В настоящее время мы рассматриваем физические свойства плазмы под другим углом зрения - и плазма предстает перед нами в новом облике. Во-первых, это естественное состояние вещества, нагретого до очень высокой температуры, во- вторых, это динамическая система - объект приложения электромагнитных сил.Новые подходы к изучению поведения плазмы органически связаны с большими техническими проблемами, для которых физика служит научным фундаментом. 
Важнейшие из них - это управляемый термоядерный синтез и магнитогидродинамическое преобразование внутренней энергии в электрическую. 
Плазма (греч. plasma) – оформленное. 
При очень низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии. 
Нагревание вызывает переход вещества из твёрдое в жидкое, а затем и в газообразное….

Для более быстрого и ёмкого восприятия темы процесс возникновения плазмы можно показать на достаточно простом опыте (процесс нагревания):

Пусть в замкнутом сосуде, сделанном из очень тугоплавкого материала, находиться небольшое количество какого-либо вещества. Начнём подогревать сосуд, постепенно повышая его температуру. Если первоначально вещество, содержащееся в сосуде, было в твёрдом состоянии, то в некоторый момент оно начнёт плавиться, а при ещё более высокой температуре испариться и образовавшийся газ равномерно заполнит весь объём. Когда температура достигнет достаточно высокого уровня, все молекулы газа (если это молекулярный газ) диссоциируют, т.е. распадутся на отдельные атомы. В результате в сосуде будет содержаться газообразная смесь элементов, из которых состоит вещество. Атомы этих элементов будут быстро и беспорядочно двигаться, испытывая время от времени столкновения между собой.

Естественно, возникает вопрос: как будут изменяться свойства вещества, если нагревание продолжиться дальше и температура выйдет за пределы нескольких тысяч градусов? Конечно, при очень высокой температуре изображаемую нами картину нагревания вещества в тугоплавком сосуде можно представить только теоретически, т.к. предел термической стойкости даже самых тугоплавких материалов сравнительно невелик – 3 000 – 4 000 градусов.

Допустим, что стенки сосуда способны противостоять сколь угодно высокой температуре, не разрушаясь и не испытывая никаких изменений. Итак, нагревание продолжается. В таком случае уже при 3 000 – 5 000 градусов мы сможем заметить признаки проявления новых процессов, которые будут связаны с изменением свойств самих атомов вещества.