ИСМО РАО, г. Москва Два урока в 10-м классеУРОК 1/1 (урок изучения нового материала). Физика и методы научного познания. Цель урока: дать учащимся представление о физической науке, физических явлениях, научном методе познания. Ход урока 1. Сохранили ли вы способность удивляться и задавать вопросы? «Закройте глаза, освободите уши, напрягите слух, и от нежнейшего дуновения до самого дикого шума, от простейшего звука до высочайшей гармонии, от самого мощного страстного крика до самых кротких слов разума – всё это речь природы, которая обнаруживает своё бытие, свою силу, свою жизнь… Она даёт дивное зрелище; видит ли она сама, мы не знаем, но она его даёт для нас, а мы, незамеченные, смотрим из-за угла… Каждому является она в особенном виде. Она скрывается под тысячей имен и названий, и всё равно одна и та же. Она ввела меня в жизнь, она и уведёт. Я доверяю ей. Пусть она делает со мной что хочет…» – так писал о природе немецкий поэт, мыслитель и естествоиспытатель Иоганн Вольфганг Гёте. Физика – наука о природе. А человек – дитя природы. И он должен уметь с ней разговаривать. Но как? На каком языке? Французский поэт Шарль Бодлер писал: Природа – это храм, где камни говорят, Хоть часто их язык бывает непонятен. Вокруг – лес символов, тревожен, необъятен, И символы на нас с усмешкою глядят. Пытливый ум человека не делит мир на части непроницаемой перегородкой: это – лирика, а это – физика. В мозгу человека все сплетено в живой и неделимый клубок мыслей и чувств: – Зачем надевают кольцо золотое На палец, когда обручаются двое? – Меня любопытная леди спросила. Не став пред вопросом в тупик, Ответил я так собеседнице милой: – Владеет любовь электрической силой, А золото – проводник! Роберт Бёрнс2. Что такое научный метод познания? Пытаясь понять окружающий мир, человек ищет закономерности в многообразных явлениях. На основании того, что ему уже известно из наблюдений и опытов, он пытается угадать новую закономерность. Такая догадка называется гипотезой. Любоваться природой можно, и не зная физики. Но понять её и увидеть то, что скрыто за внешними образами явлений, можно лишь с помощью точной науки. Только она позволяет заметить, что «в явлениях природы есть формы и ритмы, недоступные глазу созерцателя, но открытые глазу аналитика. Эти формы и ритмы мы называем физическими законами» (Р.Фейнман). Научная гипотеза – это не любая догадка, а только такая, которая может быть проверена на опыте. Поэтому, после того как догадка высказана, учёные ставят многочисленные опыты с целью подтвердить или опровергнуть её. Но далеко не все гипотезы подтверждаются! И тогда начинают рождаться новые гипотезы. А для их проверки ставятся новые эксперименты. Этот процесс – процесс научного познания мира – имел начало, но конца ему не видно. Нам тайны нераскрытые раскрыть пора – Лежат без пользы тайны, как в копилке, Мы тайны эти с корнем вырвем у ядра – На волю пустим джина из бутылки! Владимир Высоцкий 3. Что и как изучает физика? «Учёный изучает природу не потому, что это полезно; он исследует её потому, что это доставляет ему наслаждение, а это даёт ему наслаждение потому, что природа прекрасна. Если бы природа не была прекрасна, она не стоила бы того, чтобы быть познанной; жизнь не стоила бы того, чтобы быть прожитой. Я не говорю: наука полезна потому, что она научает нас создавать машины; я говорю: машины полезны потому, что, работая для нас, они некогда оставят нам больше времени для научных занятий…» (Анри Пуанкаре). Есть два основных метода изучения физики – эксперимент и теория, которые удачно дополняют друг друга: О, сколько нам открытий чудных Готовят просвещенья дух И опыт, сын ошибок трудных, И гений, парадоксов друг, И случай, бог изобретатель. (А.С.Пушкин)
Удивительно точно подметил великий поэт характер научной деятельности. Что опыт – «сын ошибок трудных», вы можете почувствовать, выполняя лабораторные работы, что гений – «парадоксов друг», об этом вы узнаете, решая задачи (парадокс – неожиданная, непривычная мысль, казалось бы, противоречащая опыту). А случай? Есть и он! Настойчивым и внимательным всегда везёт. И это хорошо. (Примеры вы найдёте в наших книгах.) Вопросы к учащимся в ходе урока 1. Пословица гласит: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». А почему народ так решил? 2. Какие закономерности вы уже подметили в природе? Вы уверены, что это закономерности? Почему? Учитываете ли вы эти закономерности в повседневной жизни? Как учитываете? 3. Какие опасности угрожают нашей планете? Кто же подвергает Землю опасности? Можете ли вы лично принять участие в спасении Земли? Что для этого делают люди? 4. Верите ли вы в чудеса? А что такое чудо? Вы видели хотя бы одно чудо? Какие «чудеса» подарила людям наука? 5. Русский поэт И.Северянин в одном из своих стихотворений писал: Мы живём, словно в сне неразгаданном, На одной из удобных планет… Чего же нам хочется? УРОК 2/11 (урок закрепления знаний). Место человека во Вселенной Цель урока: сформировать умения учащихся применять первый закон Ньютона к объяснению соответствующих явлений и процессов в природе и технике. Вызвать интерес к истории развития физики. Ход урока
К проведению этого урока можно привлечь учащихся, чтобы они выступили с краткими сообщениями либо докладами (необходимо, чтобы они не читали по бумажке, а рассказывали своими словами) о борьбе за гелиоцентрическую систему мира и о том, как эта система мира изменила представление о месте человека во Вселенной. В конце урока необходимо отметить, что уникальность разумной жизни на нашей планете по-новому ставит вопрос о месте человека во Вселенной. 1. Когда Земля считалась неподвижной. Неподвижность Земли в древности никто не подвергал сомнению. Но людей в древности интересовали вопросы: Какую форму имеет Земля? На чём она держится? Как движутся Солнце, Луна и звёзды? Что такое небо? Вначале ответы были наивными, совершенно фантастическими. Например, люди считали, что Земля плоская, как блин, держится на трёх китах (или на трёх слонах), киты плавают в океане. А на чём держится океан? Этот вопрос задавать было нельзя: за это могли серьезно наказать, ибо всякие сомнения в этой картине мира трактовались как ересь. Когда же говорили о движении любых тел – от муравьёв до небесных светил, – имели в виду всегда их движение относительно Земли. Предположение о шарообразности Земли впервые, по-видимому, было сделано Пифагором. Опытные мореплаватели, древние греки обратили внимание на то, что при приближении корабля к наблюдателю сначала видны паруса и только потом весь корабль, что свидетельствовало о сферичности планеты. В развитие этих представлений Гераклитом была высказана идея о вращении Земли вокруг своей оси. В 340 до н.э. в книге «О небе» Аристотель привёл доказательства шарообразности Земли: при лунных затмениях Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а Полярная звезда в северных районах располагается выше над горизонтом, чем в южных. Объяснить движение Солнца и Луны было сравнительно просто: каждый своими глазами видел, что они движутся по окружностям вокруг неподвижной Земли. Так же, казалось, вращается вокруг Земли и «звёздная сфера» с «прикреплёнными» к ней звёздами. Пытаясь объяснить движение планет, учёные проявляли много изобретательности: предполагалось, что планеты, вращаясь вокруг «неподвижной» Земли, совершают ещё дополнительные сложные вращения.
Во ІІ в. александрийский ученый Клавдий Птолемей в труде «География» дал сводку географических сведений, включающую карту мира и 16 областей Земли. Он высказал предположение о центральном положении Земли во Вселенной (геоцентрическая система мира). Птолемей предположил, что планеты обращаются не вокруг Земли, а вокруг центра некоторой вспомогательной окружности – эпицикла. В свою очередь, центр этого эпицикла обращается вокруг другой вспомогательной окружности – деферента. Великий польский астроном Николай Коперник в своей книге «Об обращениях небесных сфер», над которой работал более 30 лет и которая вышла уже после его смерти, выдвинул смелую идею, что в центре Вселенной находится вовсе не Земля, а Солнце. Земля же является рядовой планетой, которая вместе с другими обращается вокруг Солнца. Вокруг Земли обращается только один её спутник – Луна. Поскольку в центр мира Коперник поместил Солнце, то эта система стала называться гелиоцентрической. Теорию Коперника развивали многие учёные, в их числе Джордано Бруно, Галилео Галилей, Иоган Кеплер, Исаак Ньютон. Церковь же, в учении которой Земля считалась центром Вселенной, развернула ожесточённую борьбу против теории Коперника, т.к. эта теория противоречила Священному писанию. Теория Николая Коперника сыграла исключительно важную роль в развитии физики, астрономии и всего естествознания. Она послужила основой для введения в науку понятий относительности движения и системы отсчёта – важнейших положений современной физики. Только на основе этой теории И.Ньютон смог открыть законы движения (законы механики). В России для пропаганды гелиоцентрической системы много сделал М.В.Ломоносов., несмотря на то, что такая деятельность грозила ему серьёзными неприятностями. Вот отрывок из его стихов, написанных в 1761 г.: Случились вместе два Астронома в пиру И спорили весьма между собой в жару. Один твердил: Земля, вертясь, круг Солнца ходит; Другой, что Солнце все с собой планеты водит: Один Коперник был, другой слыл Птоломей. Тут повар спор решил усмешкою своей. Хозяин спрашивал: «Ты звезд теченье знаешь? Скажи, как ты о сем сомненьи рассуждаешь?» Он дал такой ответ: «Что в том Коперник прав, Я правду докажу, на Солнце не бывав. Кто видел простака из поваров такова, Который бы вертел очаг кругом жаркова?» 3. Какой системой отсчёта удобнее пользоваться? Поскольку движение одного и того же тела можно описывать в различных системах отсчёта обычно выбирают ту, в которой движение данного тела описать проще. Называя систему отсчёта, часто для краткости упоминают только тело отсчёта. Телом отсчёта может быть любое тело, но мы выбираем то, которое является наиболее удобным в данном случае. Например, спортсмен, бегущий на соревнованиях, рассматривает соперника не относительно Земли, а относительно себя. При движении в потоке автомобилей по шоссе водитель рассматривает движение других машин относительно своей. 4. Земля как центр познания Вселенной. Наша Земля – пока что единственная обитаемая планета в известной нам части Вселенной: все попытки обнаружить жизнь на других планетах Солнечной системы или вблизи других звёзд не дали результатов. Но, может быть, наша Земля – единственная планета во всей Вселенной, где возникла чрезвычайно высокоорганизованная форма материи – живая материя. Более того, на Земле возникла разумная жизнь, а по сравнению с умным человеческим мозгом и горячим человеческим сердцем колоссальные галактики – всего лишь мёртвый «газ» из огромных звёзд. Есть ли где-либо ещё во Вселенной Галилей и Пушкин? А это значит, что наша «маленькая Земля», летящая в бесконечных просторах Вселенной, является «центром познания» – тем мозгом, которым Вселенная познаёт себя. И эта уникальность нашей планеты делает бесконечной меру нашей ответственности за жизнь на ней. Природа только чувствует. Человек и чувствует, и мыслит, и владеет словом. Поэтому он способен постигнуть «непостижимость» времени, сущность вещей, бесконечность пространства. Выразить невыразимое, предвидеть восхождение к большой гармонии, единству человека и природы, нерасторжимости их взаимного бытия, дарующего, по сути, вечную жизнь: Все сущности вместив в себя природы, Я был её устами и умом; Я в ней читал все символы, все буквы, И за неё я с богом говорил… Я утопал в гармонии вселенной И отражал вселенную в себе. (Ф. Глинка) Вопросы к учащимся в ходе урока 1. Что является причиной суточного движения небесных тел? 2. Вспомните известные вам доказательства шарообразности Земли. Какие из них были известны уже в древности? 3. Имеет ли смысл утверждение, что Солнце движется по небосводу с востока на запад? Что в этом случае принято за тело отсчёта? 4. Чем была вызвана необходимость пропаганды гелиоцентрической системы в России через 200 лет после выхода в свет книги Н.Коперника? Послесловие По пути великих открытий, сделанных учеными в течение нескольких столетий, мы с вами прошли всего за два года. Из-за этого многое пришлось оставить в стороне, но мы надеемся, что нам всё же удалось донести до вас радость, которую испытывали ученые, открывая законы природы. Жажда открытий и была главной движущей силой, «действующей» на учёных в их очень трудном, но и самом интересном деле — ПОИСКЕ ИСТИНЫ. Такой силы нет в перечне сил физики — так же, как нет, например, силы духа или силы чувства. Но на самом деле такие силы есть, и именно они движут настоящими людьми — в том числе и настоящими учеными. Природу этих сил изучает не физика, а другие науки: ведь физикой все науки не исчерпываются, хотя эта великая наука разгадала больше загадок мироздания, чем любая другая. Развитие физики и астрономии привело нас к развенчанию представления о центральном месте человека во Вселенной: выяснилось, что наша Земля – всего лишь одна из многих планет, кружащихся вокруг одной из бесчисленного множества звёзд… Однако в развитии науки можно увидеть и другое – торжество человеческого разума, дерзнувшего «объять необъятное». Живущий на «заурядной» планете человек оказался сам весьма незаурядным: создав науки и построив приборы, он заглянул со своей «маленькой» планеты в невероятные глубины космоса и разгадал загадку происхождения Вселенной. Вот уж поистине «не место красит человека, а человек – место». Земля может гордиться своими обитателями. А мы должны беречь свою обитель. |
2. Самый знаменитый выбор
системы отсчёта. Аристотель придерживался
точки зрения, что Земля – естественный центр
Вселенной, а все тяжёлые тела стремятся к этому
центру. Во времена Аристотеля, кроме Луны и
Солнца, были известны ещё пять небесных тел,
которые довольно сложно перемещались по
небосводу. Была создана геоцентрическая
система, в которой предполагалось, что вокруг
Земли как центра Вселенной располагается
множество сфер, на которых, считалось, находятся
небесные тела: Луна, Меркурий, Венера, Солнце,
Марс, Юпитер, Сатурн и неподвижные звёзды. Все эти
сферы должны были совершать суточное вращение
вокруг Земли, а сферы Луны, Солнца и пяти планет –
более сложное годичное движение.