Законы физики как один из языков описания действительности
учебно-методический материал по физике

Законы физики как один из языков описания действительности

Шполянская Е.В.

Образование является одним из стратегических национальных приоритетов, а стратегической целью государственной политики в области образования является повышение доступности качественного образования, соответствующего требованиям инновационного развития экономики, современным потребностям общества и каждого гражданина.

Стратегические направления развития российского образования зафиксированы в Указе Президента Российской Федерации от 7 мая 2018 г. № 204 "О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года" и Национальном проекте «Образование». Одна из целей национального проекта в сфере образования - это воспитание гармонично развитой и социально ответственной личности на основе духовно-нравственных ценностей народов Российской Федерации, исторических и национально-культурных традиций.

Важную роль в развитии содержания образования призваны  сыграть государственные стандарты, которые определяют базовый уровень содержания образования, общий для всей России. Главной задачей Федерального государственного образовательного стандарта третьего поколения заявлена конкретизация требований к обучающимся. Сделан акцент на развитие   личностных и метапредметных навыков. Указан перечень предметных и межпредметных навыков, которыми должен обладать ученик в рамках каждой дисциплины.

Одним из требований к метапредметным результатам является освоение межпредметных понятий, которые используются в нескольких предметных областях и позволяют связывать знания из различных учебных предметов в целостную научную картину мира. Это дает человеку понимание того, как устроен мир, какими законами он управляется, что лежит в его основе и какое место занимает сам человек во Вселенной.

При обучении научная картина мира формируется в рамках многих предметов, таких как физика, химия, биология, география, обществознание. В  рамках собственного предмета педагог обычно пользуется специальной терминологией, позволяющей описывать происходящие явления в той или иной области знаний. Но если мы говорим о необходимости формирования целостной научной картины мира, то и язык, которым мы описываем действительность, должен быть универсальным, применимым в разных предметных областях.

Язык физики – один из примеров такого универсального языка.

Можно также провести аналогию физических законов и законов отношений, тем самым связав физику и гражданское воспитание.

Я рассмотрю некоторые примеры применения законов физики в рамках разных предметов и разных сферах жизни.

1. Законы диалектики на физических примерах

Описывая действительность, нельзя подходить к ней как к чему-то статичному, заданному раз и навсегда. Действительность постоянно изменяется, но у этих изменений есть закономерности. Применяя диалектический подход, можно выявить и исследовать эти закономерности в различных физических явлениях. Рассмотрим три закона, имеющих большое значение для формирования мировоззрения учащихся и ярко проявляющихся в физических явлениях, изучаемых в школьном курсе физики. Это всеобщие законы движения и развития природы, общества, мышления:

• закон единства и борьбы противоположностей;
• закон взаимопереходов количественных и качественных изменений ;
• закон отрицания отрицания.

Для формирования мировоззрения учащихся важно не только показать им, что физические объекты и явления подчиняются рассмотренным трем законам диалектики, но и помочь понять, что эти законы связаны между собой. Лишь рассмотрение взаимосвязей этих законов способно отразить диалектичность движения материи. Понимание этой взаимосвязи необходимо человеку для оценки и прогнозирования хода различных очень сложных окружающих его процессов.

Взаимосвязь законов диалектики можно иллюстрировать бесчисленным множеством примеров из области физических явлений.

Иллюстрации 1 закона диалектики «Закон единства и борьбы противоположностей»:

 На начальных этапах изучения физики учу обнаруживать в любом объекте или явлении существование противоположностей.

7 класс:  Изучении атмосферного давления.

Существование атмосферы Земли определяется, с одной стороны, тепловым движением молекул, с другой стороны, гравитационным взаимодействием молекул с Землей. Целесообразно поставить перед учащимися вопросы: «Что произойдет, если исчезнет движение молекул газов, входящих в состав атмосферы?» и «Что произойдет, если Земля перестанет притягивать эти молекулы?». Обсуждение этих вопросов поможет прийти учащимся к выводу о том, что два «противоборствующих явления» (притяжение частиц атмосферы к Земле и отталкивание их друг от друга в процессе теплового движения) вместе приводят к тому, что у Земли есть атмосфера.

11 класс (астрономия) Изучение эволюции звезд

В стадии квазистатического равновесия в каждой точке звезды вес внешних слоев уравновешивается газовым и световым давлением изнутри. Можно задать аналогичные вопросы: «Что произойдет, если температура внутренних слоев звезды повысится?» и «Что произойдет, если звезда потеряет часть массы?». Обсуждение этих вопросов поможет прийти учащимся к выводу о том, что два «противоборствующих явления» (гравитационное сжатие и давление газа изнутри в результате  термоядерной реакции) вместе приводят к существованию звезды стабильных размеров и светимости, которые практически не меняются в течение нескольких миллиардов лет.

8 класс:  Изучение процесса испарения жидкости в закрытом сосуде.

Часть молекул жидкости переходит в пар над поверхностью жидкости. Одновременно идет противоположный процесс — возврат молекул в жидкость — конденсация. Процессы испарения и конденсации — противоположные стороны одного явления. Они происходят одновременно. В состоянии динамического равновесия, которое устанавливается, если сохраняется температура в сосуде, эти противоположности уравновешивают друг друга. При изменении внешних условий возможно преобладание одного из процессов. При повышении температуры будет преобладать испарение, при понижении — конденсация. Длительное преобладание одной из противоположностей, например, испарения, с течением времени приведет к полному превращению жидкости в пар — к качественному скачку.

9 класс: Изучение третьего закона Ньютона

Суть закона в том, что сила действия равна силе противодействия. Причем силы имеют одну природу, а приложены они к разным телам.

Действие и противодействие встречаются повсюду:

• мы притягиваем к себе Землю с той же силой, с какой она притягивает нас;
• боксер носит перчатки потому, что груша ударяет его с той же силой, что и он;
• ноутбук давит на стол с той же силой, что и стол на ноутбук;
• прыжок гребца из лодки непременно вызовет движение лодки в противоположную сторону;
• лебедь плавает по озеру за счет взаимодействия с водой.

При изучении систематического курса физики можно показать уже не только существование противоположных сторон, тенденций, свойств, но и проиллюстрировать возможность преобладания одной из противоположностей и переход в новое качество, если «победа» одной из противоположностей будет «окончательной».

8 класс: Ускорение: Реальному движению всегда сопутствуют силы сопротивления.  Если  при изначально равномерном движении начинает преобладать сила трения, то состояние движения меняется- оно становится равнозамедленным, и со временем перейдет в новое качество- состояние покоя.

10 класс:  Изучение свойств диэлектриков

Ориентационная поляризация диэлектриков есть единство разбрасывающего действия теплового движения (хаос) и ориентирующего действия поля (упорядоченность). Однако, при определенных условиях возможно преобладание одной из противоположностей. При повышении температуры хаотическое движение частиц может разрушить ориентационную поляризацию, и возможен переход диэлектрика в новое состояние (диэлектрик может расплавиться, сгореть и т. п.). Если будут созданы условия для преобладания другой противоположности — упорядоченности, будет увеличиваться напряженность внешнего электрического поля, то также возможен качественный скачок — пробой диэлектрика.

11 класс:  «Классическими» для обучения физике примерами проявления закона диалектики о единстве и борьбе противоположностей является корпускулярно-волновой дуализм.  Суть его заключается в двойственной природе света. При распространении свет ведет себя как волна, а при поглощении или излучении как поток частиц. Причем свойства волны и частицы диаметрально противоположны.

Иллюстрации 2 закона диалектики «Закон взаимопереходов количественных и качественных изменений»

Качественный скачок целесообразно обсуждать с учащимися после их знакомства учащихся с законами диалектики в гуманитарном цикле предметов.

Слайд Яблоко и атом

У древнегреческого ученого Демокрита есть идея о том, что при делении объекта на части (при уменьшении числа частиц) происходит качественный скачок, когда от все меньших и меньших частей тела мы «переходим» к атому. Этот скачок в познании объекта состоит в том, что макроскопические тела мы воспринимаем органами чувств, а микроскопические (атомы) — лишь рационально, разумом, или опосредовано с помощью приборов. Интересно, что для того, чтобы при делении обычного яблока (диаметром примерно 10 см) «добраться» до атома, придется сделать не так уж много шагов (делений) — всего около 90!

Слайд Шкала эл.-м. волн

11 класс: корпускулярные и волновые свойства света

Рассмотрение единства и борьбы (в смысле взаимоотрицания) корпускулярных и волновых свойств возможно на основе взаимосвязи количества и качества. Так, на шкале электромагнитных волн, где символически изображены различные виды электромагнитного излучения в порядке убывания длины волны и возрастания частоты излучения (слева направо) хорошо иллюстрируется закон диалектики о взаимопереходах количественных и качественных изменений и одновременно его связь с законом единства и борьбы противоположностей, а также с понятием диалектического отрицания. Свойства различных диапазонов электромагнитного излучения существенно отличаются. Эти различия связаны с различием количественных характеристик излучения — длины волны и частоты. Для длинноволнового (низкочастотного) излучения — радиоволн — характерно резкое преобладание волновых свойств. Для коротковолнового (высокочастотного) излучений — γ-лучей — резкое преобладание корпускулярных свойств. С изменением длины волны (или частоты излучения) от очень больших значений для радиоволн (103 м) до малых значений (10'12 м) у γ-лучей происходят существенные качественные скачки в свойствах излучений. При этом свойства каждого следующего диапазона диалектически отрицают свойства предыдущего.

Слайд β-распад

11 класс: ядерные превращения

С точки зрения иллюстрации законов диалектики интересны ядерные превращения. Изменение числа нуклонов в ядре — количественные изменения — приводят к появлению новых свойств — к качественным изменениям. Если изменится число нейтронов в ядре, то получившийся новый изотоп будет иметь другие радиоактивные свойства. Если изменится число протонов, то появится совсем новый элемент с новыми физическими и химическими свойствами, занимающий другую клеточку в таблице Д. И. Менделеева. Именно такое превращение происходит, например, при  β-распаде, когда в ядре атома нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино.

Иллюстрации 3 закона диалектики «Закон отрицания отрицания»

Суть третьего закона диалектики в этом его понимании состоит в том, что он утверждает следующее. Система в ходе своего развития из начального состояния переходит в конечное не непосредственно, а через свое отрицание (качественно иное состояние по сравнению с исходным) — промежуточное состояние. Каждый из этих переходов (переход из начального состояния в промежуточное и из промежуточного в конечное) представляет собой одновременно разрешение борьбы противоположностей, качественный скачок и диалектическое отрицание. Конечное состояние при этом представляет собой некий возврат к исходному, начальному состоянию, но на новом витке спирали, на новом более высоком уровне развития.

Слайд    методы Изучения строения вещества и тепловых процессов:

термодинамический и молекулярно-кинетический

(непрерывность и дискретность строения вещества)

10 класс. История становления знаний о тепловых процессах.

Изучение строения вещества и тепловых процессов проводится с помощью термодинамики и молекулярно-кинетической теории. В основе термодинамического подхода лежат представления о непрерывной твердой, жидкой, газообразной средах, о непрерывности процессов и величин, описывающих состояние среды и процессы в ней. В основе молекулярно-кинетической теории лежат представления о дискретности строения вещества. Можно сказать, что основную роль в термодинамике выполняет понятие непрерывности, а в молекулярно-кинетической теории — дискретности. В этом смысле эти теории противоположны — основаны на противоположностях. Возникновение молекулярно-кинетической теории отрицало в диалектическом смысле выводы термодинамики. Выводы молекулярно-кинетической теории явились качественно новым этапом в познании большого круга явлений. Это качественное изменение и можно назвать диалектическим отрицанием. Дальнейшее развитие науки привело к созданию современной статистической физики, в которой единство противоположных методов, термодинамического и молекулярно-кинетического, обеспечивает успех в изучении тепловых явлений. Более того, при изучении, объяснении каждого свойства тела и любого теплового процесса мы обязательно используем эти два подхода одновременно и видим, как они взаимно проникают, взаимодополняют друг друга, переплетаются и, в то же время, взаимоотрицают друг друга. Развитие данного раздела физики привело к отрицанию отрицания, к синтезу прежних представлений на качественно новом уровне познания.

Физическая форма движения материи является наиболее простой по сравнению с химическим, биологическими, психологическими, социальными процессами. Если учащиеся на примере физической формы движения поймут, что объекты и явления подчиняются законам диалектики, поймут суть, специфику и взаимосвязи этих законов, то им, несомненно, будет проще обнаружить проявление этих законов в более сложных явлениях, которые окружают человека в жизни, и, следовательно, понять, объяснить или просто примириться с этими явлениями, проанализировав их с позиций законов диалектики.

II. Законы физики и законы отношений

- А не могли бы Вы рассказать о теории относительности максимально просто?
- Ну смотрите, все в мире относительно: три волосины на голове - это мало, а три волосины в супе - это уже много...
Анекдот

Очень интересно экстраполировать (распространять) законы физики на  сферу человеческих взаимоотношений. Кроме того, такой прием помогает достичь личностных результатов в процессе обучения.  

Эти примеры можно включать как иллюстрацию для усиления воспитательного  эффекта  на  занятиях  как в урочной так и внеурочной деятельности.

2.1 Формирования осознанного, уважительного и доброжелательного отношения к другому человеку

Теория относительности в физике прекрасно ложится на область человеческих взаимодействий.

До сих пор еще встречаются люди, которые живут по принципу: "есть только два мнения - мое и неправильное", но еще больше тех, кто искренне верит, что правда только одна, и многие ее даже ищут, эту "правду жизни"...Хотя есть одна из концепций философии гештальт-подхода: правд, столько же, сколько и людей.  Каждый отдельно взятый индивид - это отдельная, независимая система (отсчета), относительно которой все в жизни происходит, с момента появления этой самой системы.  Процесс формирования каждой личности уникален, в результате формируется личность с собственным опытом и мнением.

2.2. Формирование готовности и способности вести диалог с другими людьми и достигать в нем взаимопонимания

Ньютоном было доказано, что любая сила действия равна силе противодействия.  

Все люди-системы развиваются только относительно друг друга: человек осознает себя только через другого. Мы все влияем друг на друга, но при этом живем свою жизнь. Важно не забывать об этом, чтобы не отравлять отношения борьбой за власть идей.  Единственная задача отношений - это донести ближнему о своих потребностях, прямо и доходчиво, о своих чувствах к нему, о своих желаниях или не желаниях.

2.3. Формирование ответственного отношения к учению; уважительного отношения к труду

Второй закон термодинамики. Энтропия замкнутой системы может только возрастать. Если не совершать работу (работу над собой) хаос будет увеличиваться.

2.4. Формирование  ценности здорового и безопасного образа жизни

Принцип минимума, или «Таким образом, термоядерная реакция уравновешивает гравитационное  сжатие звезды и она обретает стабильные размеры и светимость, которые для звезды с массой Солнца практически не меняются в течение нескольких миллиардов лет.

» (стремление системы к состоянию с минимальной энергией) является универсальным принципом, действующим в нашем материальном мире. Поэтому любая замкнутая система стремится к такому состоянию, в котором её энергия минимальна. Соответственно, необходимо соблюдать правила здорового образа жизни,  разумно подходить к планированию своей деятельности.

Ш. Язык физики в литературе

Связь с физикой наблюдается в художественных произведениях различного жанра: стихах, прозе и сказках. Задачи на литературном материале представляют возможности для моделирования ситуаций, помогают глубже понять окружающий мир, формируют критическое, образное и логическое мышление.

Есть общее в творческой деятельности поэта и ученого-физика. Сколько сил и времени тратится, чтобы пробиться к истине – и в литературе, и в науке! Не случайно Владимир Владимирович  Маяковский писал:

Поэзия—та же добыча радия.

В грамм добыча, в годы труды.

Изводишь единого слова ради

Тысячи тонн словесной руды.

Рассмотрение законов физики на литературном материале помогает сформировать в процессе обучения познавательные УУД, в частности смысловое чтение, для чего необходимо:

∙ находить в тексте описание физических явлений;

∙ устанавливать взаимосвязь описанных в тексте событий с физическими законами, явлениями;

∙ критически оценивать содержание на достоверность описания физических явлений в тексте

Из множества литературных источников можно выделить представление физики в различных её проявлениях:

3.1 Достоверное (коронный разряд в газах, шаровая молния, полярные сияния, миражи) - художественное описание помогает создать наглядный (зрительный) образ изучаемого.

Например, можно проиллюстрировать отрывком из поэмы «Кавказский пленник» Михаила Юрьевича Лермонтова:

Природа шумная уснула;

Лишь слышен дев издалека

Напев унылый. Вторят горы,

И нежен он, как птичек хоры,

Как шум приветный ручейка: 

(Описанное явление здесь –Эхо).

Или отрывком из стихотворения Ивана Алексеевича Бунина «Отлив»

В кипящей пене валуны,

Волна, блистая, заходила—

Ее уж тянет, тянет Сила

Всходящей за морем луны.

Во тьме кокосовых лесов

Горят стволы, дробятся тени—

Луна глядит — и, в блеске, в пене,

Спешит волна на тайный зов.

3.2. Иллюстративное изображение открытий физики – история открытия законов, явлений, изобретения технических устройств мысли ученых, живших в далекие века, обычно всегда привлекает читателей, вызывают у них живой интерес, побуждают задуматься о своей значимости в этом мире.

Например, в фантастический роман Александра Романовича Беляева «Властелин мира». Роман посвящён проблеме передачи мысли на расстоянии, которой автор всегда интересовался. Положенная в основу романа фантастическая идея восходит к исследованиям Ганса Бергера, изучавшего электрическую активность головного мозга.

3.3. Описание работы физических приборов, машин, описание  изобретений – фрагменты многих приключенческих и фантастических романов содержат интересные описания физических приборов как существующих в действительности, так и выдуманных авторами.

Например фантастический роман Алексея Николаевича Толстого «Гиперболо́ид инженéра Га́рина»

Гиперболоид Гарина иногда называют предвестником идеи созданного в 1960 году лазера — квантового генератора оптического диапазона, луч которого на первый взгляд похож на «лучевой шнур» гиперболоида. В действительности здесь имеет место лишь чисто внешнее сходство. Физические принципы работы лазера — совершенно иные.

. Даже если описание работы механизмов и физических явлений не является самоцелью, как, например, в документалистике или публицистике, оно используется автором для иллюстрации процессов в обществе, описания человеческих качеств. Например, на уроках по теме «Мощность» в 7 классе я использую отрывок из документального рассказа  Б. Полевого «На заре великой победы» для воспитания патриотизма. В рассказе говорится о подвиге советского танкиста:

 «7 ноября 1941 года после парада на Красной площади советские танки двинулись на фронт под Тулу и сходу вступили в бой. Танк КВ, на котором механиком-водителем был комсомолец Григорьев, подбил два вражеских танка. Но тут что-то случилось с подачей топлива из баков к двигателю и КВ остановился.                  
Немцев заинтересовал новый советский танк. Они решили перетащить его к себе в тыл. Два вражеских танка взяли КВ на буксир. К этому времени Григорьев подключил запасные баки с топливом, завел, дал задний ход, и его могучая машина потащила за собой оба танка противника. Приволок их в распоряжение своей части. Отважный танкист был удостоен звания Героя Советского Союза».

ВЫВОД

Диалектическая философия учит нас, что нечто новое может возникнуть и развиваться только в результате взаимодействия двух противоположностей.

Язык – продукт мышления, порожденный взаимодействием логики и восприятия. Язык физики – один из примеров такого универсального языка, на котором можно описывать действительность и в результате связывать знания из различных учебных предметов в целостную научную картину мира, таким образом развивая метапредметные умения у обучающихся.

Таким образом, применение на уроках законов физики как одного из языков описания действительности помогает связывать знания из различных учебных предметов в целостную научную картину мира.