Физика XI класс.

Тема урока: Единая физическая картина мира.

Цели урока: Раскрыть сложное понятие физической картины мира (ФКМ), вооружить учащихся конкретным знанием, обобщаю­щим весь школьный курс физики, показать материальное единство мира, с одной стороны, и качественное своеобразие форм движения материи и описание их в различных теориях — с другой.

  Обобщение зна­ний, полученных школьниками при изучении разных разделов кур­са физики.

  Выработка общего отношения к миру, для формирования активной жизненной позиции. Это также необходи­мо для любой целеполагающей, целенаправленной деятельности.

  Показать, что физическая картина мира входит в диалектико-материалистическое мировоззрение в качестве элемента, обеспечивающего фунда­мент научного миропонимания.

  В целях формирования научного мировоззрения познакомить учащихся с условным делением области пространства на мега- макро-, микромир, со структурными единицами деления материи в каждой из этих областей, с размерами и составом объектов; подвес­ти учащихся к выводу о материальном единстве мира, проявляю­щемся в единстве природы физических объектов и явлений.

Методы обучения: Лекция. Записи на доске и в тетради. Демонстрация и обсуждение таблиц. Беседа с учащимися.

Оборудование: Демонстрационное: таблицы, изготовленные в виде кодо-диапозитивов: шкала размеров физических объектов «Масштабы во Вселенной», «Структура основных материальных объектов», «Фундаментальные взаимодейст­вия», «Элементарные частицы».

Литература: 1. Г.Я. Мякишев. Физика 11 класс. – М.: Просвещение, 1994 г.

2. В.Г. Разумовский, Л.С. Хижнякова. Современный урок физики в средней школе. – М.: Просвещение, 1983.

3. Энциклопедический словарь юного физика.

Структура урока:  1. Организационный момент…………………….2 мин.

2. Изучение материала…………………………..33 мин.

План:       1)  Вселенная и ее масштабы;

2)     Взаимодействия и законы сохране­ния;

3)     Проявления взаимодействий в природе и основные физические теории:

механическая картина мира;

полевые представления;

статистические представления;

квантовые представления;

4)     Рамки современной физической картины мира;

5)     Неисчерпаемость знаний о мире.

3. Закрепление……………………………………..8 мин.

4. Анализ урока……………………………………2 мин.

Ход урока.

1.  Организационный момент.

1)   Приветствие учащихся.

2)   Сообщение темы и целей урока.

2. Изучение темы.

Учитель. Мы заканчиваем изучение школьного курса физики. Он содержит основные законы и понятия из самых важных областей физики: классической механики, электродинамики, молекулярно-кинетической теории, атомной физики, физики ядра и элементарных частиц. Цель физики — отыскание общих законов природы, объяснение с их помощью различных процессов и явле­ний для овладения и управления ими. По мере развития физичес­кой науки перед человечеством все больше раскрывается величест­венная и сложная картина единства природы.

Сегодня мы обобщим изученный курс, стремясь показать, что мир и отражающие его физические законы представляют собой не просто сумму разрозненных и независимых объектов, явлений и отражающих их научных положений, а части единого целого, разнообразные и многочисленные проявления единых сущностей.

План лекции записан на доске. Он поможет вам выделить основ­ные вопросы лекции.

Вселенная и ее масштабы.

В физике изучается строение материи на первых структурных уровнях и исходные простейшие формы ее движения во всей Все­ленной, начиная от элементарных частиц (размеры порядка 10^-15 — 10^-18 м) и кончая огромными звездными островами — галакти­ками (размерами порядка 10²² м).

Наглядное представление о доступной наблюдению и изучению в настоящее время области Вселенной дает шкала размеров объек­тов (рис. 3.4). Смещение по этой шкале на одно деление вправо со­ответствует увеличению размеров (данных в метрах) в 10 раз.

Структура основных физических объектов показана в таблице 18. Обратите внимание, что таблица 1 и рисунок 1 взаимосвя­заны. Область пространства, указанная на рисунке 3.4 условно разделена в таблице 1 на три области: мегамир, макромир, микро­мир. Для каждой области можно указать свои объекты, т. е. струк­турные единицы деления материи.

рис. 1.

Мегамир включает галактики и звезды; макромир — планетные системы звезд, планеты, окру­жающие нас тела; микромир — молекулы, атомы, ядра атомов, эле­ментарные частицы. Электромагнитное и гравитационное поля вхо­дят в состав мега- и макромира. Если сравнить состав объектов всех трех областей (мегамир, макромир, микромир), то можно сделать важный вывод: все состоит из элементарных частиц, причем в состав вещества в стабильном состоянии входит всего три вида основных частиц. Это протоны, нейтроны и электроны, а электромагнитное поле состоит из фотонов.

Строение и движение всех этих объектов и изучает физика.

Взаимодействия и законы сохранения

Любой материальный объект, начиная от элементарной частицы и кончая макроскопическим телом и системой тел, обладает энер­гией и импульсом — это универсальные физические характеристи­ки физических объектов. Самое общее и основное свойство всех объектов состоит в их способности взаимодействовать между собой. Так, тела притягиваются к Земле, а Земля — к Солнцу, электрон отталкивается от другого электрона и притягивается к ядру, вступают во взаимодействие атомы и молекулы, образуя кристал­лы, взаимодействуя, отскакивают при ударе друг от друга сталь­ные шарики и т. д.

Всеобщая причина изменения и движения в материальном ми­ре — взаимодействие. Несмотря на разнообразие взаимодействий, все они приводят к двум основным результатам:

1.      В результате взаимодействия меняются энергия, импульс и другие характеристики объекта. Например, шарики при столкновении меняют направление скорости, а значит, изменяется импульс; одни элементарные частицы превращаются в другие и т. д.

Таблица 1.

2.            В результате взаимодействия частицы или тела объединяются в новую устойчивую систему. Так, например, образуется ядро из нуклонов, взаимодействующих между собой, атом — из ядра и электронов, Солнечная система — из Солнца и планет и т. д.

В настоящее время все взаимодействия удалось понять как про­явление четырех исходных, или, как говорят, фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного. Основные харак-теристики трех, изучаемых в школе, взаимодействий видны из таблицы 2. Гравитационное взаимодей­ствие универсально, т. е. имеет место между любыми материаль­ными объектами. Оно убывает пропорционально r ^-2, т. е. прости­рается па большие расстояния, образуя макроскопическое грави­тационное поле. По сравнению с двумя другими взаимодействиями гравитационное взаимодействие мало. Электромагнитное взаимо­действие проявляется только для электрически заряженных тел и частиц, оно на много порядков больше гравитационного и также образует макроскопические поля.

Фундаментальные взаимодействия 

Таблица 2

Сильное взаимодействие, превышая по интенсивности гравитационное и электромагнитное, осу­ществляется только на очень малых расстояниях порядка размера элементарных частиц. Поэтому макроскопического поля оно не образует, а проявляется только между элементарными частицами. Сильному взаимодействию подвержены мезоны и барионы. Лептоны же и фотоны не участвуют в сильном взаимодействии (см. таблицу элементарных частиц).

Хотя различные взаимодействия проявляют себя в различных физических явлениях и в разных пространственных областях (на­пример, сильное — в микромире, гравитационное — в макромире) и описываются различными физическими законами (например, в частных случаях гравитационное — законом всемирного тяготе­ния, электромагнитное — законом Кулона), есть общие для всех взаимодействий законы — это законы сохранения. Так, при любом взаимодействии для замкнутой системы (т. е. если учтены все взаи­модействующие тела и частицы) сохраняется энергия, импульс, электрический заряд системы и некоторые другие величины. По­этому законы сохранения применяются при изучении всех физиче­ских явлений. Так, в механике закон сохранения импульса приво­дит к третьему закону Ньютона, в теплоте с помощью закона со­хранения энергии рассчитывают количество теплоты, выделяющее­ся при совершении работы (первое начало термодинамики), в физи­ке элементарных частиц закон сохранения заряда «разрешает» об­разование заряженных частиц только разноименно заряженными в паре и т. д.

Проявление взаимодействий в природе и основные физические теории

Механическая картина мира. Все огромное многообразие окру­жающего нас мира обязано своим происхождением различным про­явлениям фундаментальных взаимодействий в зависимости от струк­туры, размеров физических объектов и расстояний между ними. Так, в макромире расстояния между телами значительно превышают радиус сильного взаимодействия, поэтому оно здесь не прояв­ляется. Макроскопические тела состоят из множества положитель­ных ядер и близко расположенных к ним отрицательных электронов, образующих в целом электронейтральные системы (или не­сущие небольшие заряды по сравнению с общими входящими в со­став вещества зарядами). Поэтому электромагнитные взаимодейст­вия здесь для удаленных друг от друга тел отсутствуют или неве­лики, а решающее значение имеет гравитационное взаимодействие: все тела притягиваются друг к другу силами всемирного тяготения. Гравитационная сила — одна из основных сил механики; она вы­зывает ускорение тел по второму закону Ньютона.

К механическим относятся и силы, возникающие при соприкос­новениях тел друг с другом. Это силы упругости, трения, сопротив­ления среды движению тела. Все они имеют электромагнитную природу, так как возникают за счет электромагнитного взаимодей­ствия зарядов, входящих в состав тел. К механическим можно отнести и силу Кулона, действующую между двумя макроскопиче­скими телами, несущими макроскопические заряды, а также силу, действующую на проводник с током в магнитном поле.

Движение под действием указанных сил изучается в классиче­ской механике. Ей соответствует механическая картина данной части природы. Согласно Ньютону, мир состоит из «твердых, весо­мых, непроницаемых, подвижных частиц». Частицы действуют друг на друга на расстоянии с силами, вызывающими ускорения, в ре­зультате чего они движутся по определенным траекториям, могут образовать устойчивые системы. Типичным примером механической системы является наша Солнечная планетная система.

Со времен Ньютона и до середины прошлого века считалось, что механическая картина мира всеобъемлюща, т. е. все физические объекты и явления имеют описанную выше механическую природу. Однако оказалось, что все механикой не объясняется, и механиче­скую картину мира пришлось дополнять.

Полевые представления. В механической картине отсутствует материальный агент, передающий взаимодействия между телами. Между тем он существует в природе: это гравитационное и электро­магнитное поле, передающее действие одного тела на другое со ско­ростью света. Окончательно понятие поля как самостоятельного материального объекта — вида материи, существующего наряду с веществом, утвердилось после создания специальной теории относительности.

В случае электромагнитного взаимодействия передатчиком взаи­модействия служит электромагнитное поле. Оно дополняет меха­ническую картину: на тело действует сила не непосредственно со стороны другого тела, а со стороны поля, созданного заряжен­ным телом и непрерывно заполняющим пространство. Электромаг­нитное поле изучается электродинамикой; с помощью ее законов по расположению и движению электрических зарядов можно рас­считать напряженность поля в каждой точке пространства. Важно, что поле может «отрываться» от зарядов и существовать в свобод­ном состоянии в виде электромагнитных волн. При изучении строе­ния материи на микроуровне оказывается, что поле, как и вещество, состоит из элементарных частиц — фотонов.

Сила тяготения также передается посредством поля — грави­тационного, существующего вокруг любых материальных частиц и тел (вне зависимости от их электрического заряда). Предполага­ется существование элементарных частиц гравитационного поля — гравитонов, которые экспериментально пока не обнаружены.

Статистические представления. В механике и электродинамике рассматриваются макроскопические тела на макроскопических рас­стояниях друг от друга. Перейдем теперь к рассмотрению строения тел из микроскопических частиц (т. е. «заглянем внутрь» тела). Твердые, жидкие, газообразные тела состоят из огромного коли­чества атомов и молекул. Расположение и движение микрочастиц обусловлено здесь электромагнитным взаимодействием, так как на этих расстояниях при малых массах и больших зарядах гравита­ционное взаимодействие мало по сравнению с электромагнитным, а сильное еще не проявляется (для него расстояния велики).

В свое время огромным достижением физической науки было объяснение тепловых явлений и теплоты механическим движением микрочастиц в теле. Однако очень важно учитывать, что к од­ной механике теплота не сводится. Механическую картину оказа­лось необходимым также дополнить, теперь представлениями о хао­тичности теплового движения микрочастиц. Координаты и скоро­сти отдельных частиц оказываются случайными величинами, они изменяются случайным образом по вероятностным законам. Для макроскопического тела в целом законы термодинамики имеют статистический смысл, они связывают средние значения физичес­ких величин для огромного множества микрочастиц. Так, в молекулярно-кинетической теории давление определяется суммой средних импульсов, передаваемых молекулами газа стенке при соуда­рении, внутренняя энергия — суммой средних энергий микро­частиц, температура — средней кинетической энергией движения микрочастиц и т. д.

Квантовые представления. Далее, при уменьшении размеров пространственной области, следуют внутренние области молекул и атомов. В микромире, в диапазоне расстояний от 10^-10 до 10^-15 м, основную роль играет электромагнитное взаимодействие, объеди­няющее ядро и электроны в устойчивые системы — атомы и моле­кулы. Типичные физические явления состоят в переходе атома из одного стационарного состояния в другое с излучением или погло­щением кванта энергии.

Переход в эту область микромира заставляет существенно пере­смотреть механическую картину движения. Микрочастицы не дви­жутся здесь по определенным траекториям, а проявляют двойствен­ные корпускулярно-волновые свойства. По-новому решается во­прос и об изменении состояния систем: появляются квантовые скачки, сразу переводящие систему из одного дискретного состояний в другое, минуя все промежуточные. Эту область микромира изу­чает квантовая механика, элементы которой мы изучили в физике атома, в квантовой природе света.

Перешагнем последний достаточно изученный в физике рубеж — 10^-16 м — и обратимся к системе, состоящей из протонов и нейтро­нов, т. е. к ядру. Нуклоны связаны самым интенсивным взаимо­действием — сильным, которое осуществляется путем обмена p-мезонами между парой нуклонов на расстояниях, не превышающих 10-¹⁶ м и обеспечивающих притяжение. Электромагнитное взаимо­действие в этой области тоже имеет место и играет важную роль, хотя и уступает сильному. Так, пока ядра состоят из немногих нуклонов, сильное взаимодействие — притяжение — превышает электромагнитное отталкивание положительных протонов и ядро прочно. Но для тяжелых ядер, состоящих из сотен нуклонов, при­тяжение и отталкивание выравниваются, так как отталкивание осуществляется между каждым и всеми остальными протонами, а притяжение — только между соседними. После известного предела (уран, трансурановые элементы) ядра неустойчивы.

Далее, вплоть до достигнутого в настоящее время предела на шкале расстояний порядка 10^-17 — 10^-18 м материя представлена только элементарными частицами, причем, кроме названных выше частиц, имеется много неустойчивых, возникающих и исчезающих в реакциях, взаимных превращениях элементарных частиц. Эти процессы обусловлены как сильными, так и электрослабыми взаи­модействиями.

Рамки современной физической картины мира.

 Неисчерпаемость знаний о мире

Хотя физическая наука охватывает огромную область различ­ных физических явлений, содержит множество законов и выводов, она не является полностью завершенной. Последняя точка в ней никогда не будет поставлена, так как материальный мир много­образен, а знания о нем неисчерпаемы.

Современная ФКМ ограничена «снизу», со стороны малых рас­стояний, но даже в этой области наши знания о природе и строе­нии элементарных частиц пока что далеко не полны. Сейчас с по­мощью самых мощных ускорителей доступны изучению структур­ные элементы и их взаимодействия внутри элементарных частиц на расстояниях порядка 10^-17 — 10^-18 м. В последнее время здесь достигнуты замечательные успехи: открыто сложное строение ме­зонов и барионов. Оказалось, что они состоят из более «простых» частиц—кварков. Кварки и лептоны сейчас следует рассматри­вать как элементарные.

Ограничена современная ФКМ и «сверху», со стороны больших расстояний, пределами «видимости» в оптические и радиотелескопы. С их помощью получают сведения о строении и движении материи в мегамире до расстояний порядка 10²⁵ — 10²⁶ м. В последнее время, несмотря на скудность информации о таких отдаленных обла­стях Вселенной, и здесь сделаны удивительные открытия. Открыты новые, ранее неведомые человеку объекты: пульсары — нейтрон­ные звезды чрезвычайно высокой плотности, квазары и ядра галак­тик — объекты с непостижимо большим излучением энергии, при­рода которых не ясна, и другие.

Наконец, Вселенная развивается. Наши знания об эволюции Вселенной, об ее образовании и дальнейшей судьбе, об изменении важнейших физических законов и констант с течением времени также нельзя назвать сейчас окончательными.

3. Закрепление.

Итак, человечество обладает большим объемом физических зна­ний, знает о материальном мире уже много, но не все.

Теперь подведем итоги. Как можно определить понятие физиче­ской картины мира?

Ученик. Физическая картина мира — это общее описание природы в физике, общий обзор строения и движения материи. В физическую картину входят основные представления механики, молекулярно-кинетической теории, электродинамики и квантовой физики, а также общие для всех теорий законы сохранения.

Учитель. Верно. Запишем краткое определение в тетради:

«ФКМ — это система самых общих представлений о строении, взаимодействии и движении материи от уровня элементарных ча­стиц до галактик, описываемых как универсальными, так и специ­фическими для разных областей основными законами физики. Единая картина складывается из взаимосвязанных механических, полевых, статистических и квантовых представлений»

Назовем основные понятия, входящие в общее сложное понятие ФКМ и раскрывающие ее содержание Что здесь главное?

Ученик. Главное в ФКМ — понятие о взаимодействии

Учитель. Верно. Но как же разнообразие взаимодействий связано с единством природы?

Ученик. Исходных, фундаментальных взаимодействий всего три, а проявлений, притом очень различных, много.

Учитель. Это так, фундаментальные взаимодействия при­водят в разных пространственных областях к качественно своеоб­разным формам движения материи. В чем еще можно видеть физи­ческую основу материального единства мира?

Ученик. Весь материальный мир состоит из небольшого числа основных элементарных частиц.

Учитель. Верно. Сделаем вывод.

Материальное единство мира проявляется в том, что физичес­кие объекты и явления на Земле и во всей Вселенной имеют единую природу, состоят из небольшого числа (стабильных) элементарных частиц и вызываются тремя фундаментальными взаимодействиями.

Как отражается единство природы в физических законах?

Ученик. В физике есть величины и законы, применимые к любым физическим объектам и явлениям. Это энергия, импульс, электрический заряд, законы сохранения.

Учитель. Совершенно верно.

Универсальность физических величин и законов выражается в том, что элементарные частицы, атомы, молекулы, физические тела и поля характеризуются несколькими общими величинами. Глав­ные из них следующие: энергия, импульс, масса, электрический заряд. Ряд физических законов применим к любым физическим явлениям в любой области пространства. Важнейшие из них: за­коны сохранения энергии, импульса, электрического заряда.

Но все ли физические величины и законы универсальны? На­пример, применим ли второй закон Ньютона к движению электро­на в атоме, к фотонам?

Ученик. Нет, ни второй закон Ньютона, ни понятие движе­ния по траектории не применимы в микромире. Здесь частицы дви­жутся по другим законам, обладают корпускулярно-волновыми свойствами.

Учитель. Да, имеются качественно различные формы дви­жения материи, например механическая, тепловая. Законы механи­ки не применимы к полю, где справедливы законы электродинамики и т. д. Запишем это в краткой формулировке.

Качественное своеобразие физических явлений обнаруживается в том, что в зависимости от размеров, строения, расстояния между физическими системами имеют место различные взаимодействия и качественно различные формы движения материи. Законы основ­ных физических теорий соответственно применимы в своих областях.

В заключение попробуем разобраться в роли и назначении изу­ченного понятия о ФКМ как обобщения физических знаний. Почему важно овладеть этим понятием?

Ученик. ФКМ дает возможность обозреть и представить весь мир, а это важно хотя бы для правильного выбора профессии.

Второй ученик. И не только поэтому. Говорить о все­сторонне развитой личности можно только при условии, что чело­век осознал свое место в мире.

Третий ученик. Важно, что ФКМ не оставляет места для религиозных верований, для суеверия. Мы получаем конкрет­ные сведения обо всем мире, где нет места ни богу, ни черту.

Четвертый ученик. ФКМ показывает, что мир по­знаваем, что, хотя природа и очень сложна, она подчиняется строгим законам, ее можно понять и использовать в своих целях.

Пятый ученик. Мы видим, что знания о мире неисчер­паемы, что есть где приложить свои силы следующим поколениям людей.

Шестой ученик. Я заметил, что изученные на уроках обществоведения абстрактные законы диалектики наполняются в ФКМ конкретным содержанием

Учитель. Вы правы. ФКМ — мировоззренческое обобще­ние курса, это часть нашего материалистического мировоззрения, помогающего правильно ориентироваться в мире, целенаправленно в нем действовать, жить и работать.

4. Анализ урока.

Поскольку данный урок является последним в курсе изучения физики, то за несколько минут до его конца можно рассмотреть вопросы подготовки к выпускным экзаменам. Пожелать выпускникам полнее использовать знания, полученные на уроках и вовремя внеклассных мероприятиях по физике.

Напишите мне: demkin-nik@yandex.ru      ICQ: 276-807-301       E-mail  школы:  stshkola1@mail.ru 

[Главная] [Новости] [О себе] [Фото] [Методика] [Уроки] [Мероприятия] [Планирование] [Олимпиады] [Карта сайта] [Гостевая] [Ссылки] [Разное] [Юмор]