Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование понятия об элементарных частицах как компонента физической картины мира при изучении курса физики 13
1.1 Современная трактовка понятия об элементарных частицах, методах их исследования и проблема создания теории элементарных частиц в XXI веке 13
1.2 Особенности формирования представлений о современной физической картине мира в основной и средней школе 25
1.3 Психологические основы процесса формирования понятия об элементарных частицах 34
1.4 Основные тенденции совершенствования содержания учебного материала об элементарных частицах в современных учебниках 40
Глава 2. Теоретические основы формирования понятия об элементарных частицах в основной школе 52
2.1. Система научных знаний об элементарных частицах в курсе физики основной школы 52
2.2 Взаимосвязь методов познания природы и научных знаний об элементарных частицах 74
2.3 Система заданий по формированию понятия об элементарных частицах в основной школе 83
2.4 Содержательная модель процесса формирования понятия об элементарных частицах в основной школе 91
Глава 3. Технология формирования понятия об элементарных частицах в основной школе 97
3.1. Изучение элементарных частиц на пропедевтическом этапе 98
3.2. Развитие знаний и способов учебных действий при изучении элементарных частиц в курсах физики 7-8 класса 109
3.3 Теоретические обобщения на уровне физической картины мира знаний учащихся об элементарных частицах в 9 классе 121
Глава 4. Организация и результаты педагогического эксперимента 136
4.1. Общая характеристика этапов исследования 136
4.2. Анализ результатов педагогического исследования 139
Заключение 149
Список литературы 152
- Современная трактовка понятия об элементарных частицах, методах их исследования и проблема создания теории элементарных частиц в XXI веке
- Система научных знаний об элементарных частицах в курсе физики основной школы
- Развитие знаний и способов учебных действий при изучении элементарных частиц в курсах физики 7-8 класса
Введение к работе
Современный школьник — будущий гражданин XXI века. Ему
предстоит жить и творить в условиях стремительно развивающихся высоких
технологий, новых отраслей науки и техники. Главная задача
общеобразовательной школы — воспитать, развить и обучить молодого
человека так, чтобы он не только уверенно ориентировался в быстро
изменяющемся окружающем мире, но и мог влиять на происходящие вокруг
события. Концепция модернизации российского образования на период до
2010 года указывает: «развивающемуся обществу нужны современно
образованные, нравственные, предприимчивые люди, которые могут
самостоятельно принимать ответственные решения в ситуации выбора».
Каждая школьная дисциплина вносит свой вклад в образование подростка,
которое сегодня ориентируется на цели и задачи, определенные
Национальной доктриной образования в Российской Федерации до 2025 года.
Вот некоторые из них: «формирование у детей и молодежи целостного
миропонимания и современного научного мировоззрения; организация
учебного процесса с учетом современных достижений науки,
систематическое обновление всех аспектов образования, отражающего
изменения в сфере культуры, экономики, науки, техники и технологий;
вариативность образовательных программ, обеспечивающих
индивидуализацию образования, личностно ориентированное обучение и воспитание».
Традиционно физика как учебный предмет являлась средством формирования научных знаний о природе и выполняла не только познавательную, но и развивающую, и воспитывающую функции. Современные цели образования, определенные Концепцией модернизации российского образования — развитие познавательных способностей, формирование универсальных обобщенных знаний, способов учебных действий с опорой на субъективный опыт — дополняют традиционные.
Достижение названных целей предполагает приобретение таких новых
качеств личности как - способность анализировать факты, физические
явления, моделировать изучаемые объекты и процессы, объяснять
результаты эксперимента; наблюдать объекты изучения, выделять их
основные свойства, измерять физические величины и находить связи между
ними; планировать, осуществлять и оценивать результаты познавательной
деятельности при проведении исследований. Основным условием
достижения указанных результатов обучения является переход к новому
содержанию образования, которое бы позволило сформировать стиль
мышления, соответствующий идеям современной картины мира и выстроить
процесс учебной деятельности, близкий по сути к научному исследованию.
Теоретические основы учебной деятельности по физике исследовались
в методике преподавания Зориной Л.Я., Кабардиным О.Ф., Мултановским
В.В., Орловым В.А., Пурышевой Н.С., Разумовским В.Г., Сауровым Ю.А.,
Синявиной А.А., Хижняковой Л.С. и др. Ими установлено, что процесс
учебного познания имеет общие и отличительные черты с процессом
научного исследования. Учебная деятельность должна строиться на
фундаменте теоретических обобщений, принципа взаимосвязи системы
научных знаний и методов познания природы — эмпирических и
теоретических. Курс физики основной школы строится на базе таких уровней
теоретического обобщения как понятия, законы и идеи физической картины
мира. Они согласованы с принципами развивающего обучения и личностно
ориентированного подхода, которые направлены на развитие мышления
каждого обучающегося, воспитание его нравственных качеств и
формирование мировоззрения.
Современное миропонимание формируется под непосредственным
влиянием основных идей физики и, в особенности, физики XX века.
Мировоззрение современного молодого человека должно соответствовать
уровню развития науки в XXI веке, достижениям высоких технологий, в
частности нанотехнологий, качественно отличающихся от традиционных. В
^—/С --
связи с этим преподавание элементов квантовой теории, атомной, ядерной физики и физики элементарных частиц должно занять достойное место в структуре курса физики средней общеобразовательной школы. Знания по этим разделам должны формироваться также тщательно, как, например, по классической механике или молекулярной физике. Следовательно, уже в основной школе необходимо начинать ознакомление с элементами квантовой, атомной, ядерной физики и физики элементарных частиц, выводы которых формируют главные черты современной физической картины мира, а достижения широко используются в медицине, химии, биологии, энергетике.
Стандарт образования по физике в основной школе предусматривает изучение элементов квантовой физики в заключительном разделе курса. Опыт преподавания по учебникам нового поколения показывает, что понятие об элементарных частицах формируется фрагментарно при изучении атомной и ядерной физики в 9 классе. Такой подход не обеспечивает вовлечения учащихся в активную учебную деятельность, как требуют .>. Национальная доктрина образования в Российской Федерации до 2025 года и Концепция модернизации российского образования на период до 2010 года. , Вопросы методики преподавания квантовой и атомной физики в' школьном курсе рассматривались в ряде исследований (Каменецкий С.Е., Майер В.В., Пурышева Н.С., Сауров Ю.А., Тарасов Л.В. и др.)- Однако в современных учебниках и методических пособиях для основной школы отсутствует системное ознакомление учащихся со свойствами элементарных частиц, методами их исследования и историей открытия. Методика формирования понятия об элементарных частицах в курсе физики основной школы специально не исследовалась.
Таким образом, возникает ряд противоречий:
- между необходимостью ознакомления учащихся с определенным объемом содержания учебного материала об элементарных частицах как одним из ведущих понятий современной физической картины мира и
традиционной структурой изучения атомной физики в конце курса основной школы;
-между требованием организации продуктивных и творческих видов учебной деятельности при изучении вопросов современной физики, в частности, свойств элементарных частиц, методов их познания и перегрузкой фактологическим материалом репродуктивного характера курса основной школы;
-между возможностью использования современных информационно-коммуникационных технологий обучения и отсутствием методики формирования понятия об элементарных частицах с использованием этих технологий.
Из данных противоречий вытекает проблема исследования: определение и обоснование методической системы формирования понятия об элементарных частицах в основной школе; разработка технологии ее реализации.
Объект исследования — процесс обучения физике в основной школе.
Предмет исследования - процесс формирования понятия об элементарных частицах при изучении курса физики основной школы и на пропедевтическом этапе обучения (5-6 классы).
Цель исследования - определение и обоснование методической системы формирования понятия об элементарных частицах в основной школе.
Гипотеза исследования: методическая система формирования понятия об элементарных частицах в основной школе позволит познакомить учащихся с элементами современной физической картины мира и освоить ими продуктивные и творческие виды учебной деятельности, если:
- осуществлять обучение на пропедевтическом этапе (5-6 классы) и в процессе систематического изучения курса физики основной школы;
- проводить генерализацию учебного материала об элементарных частицах на пропедевтическом этапе вокруг планетарной модели атома; на
этапе систематического изучения курса - на основе понятий, величин, связей между ними при изучении: строения и свойств вещества, элементов классической электронной теории, элементов квантовой, атомной и ядерной физики;
- ориентировать учебную деятельность на развитие интеллектуальных,
практических умений учащихся в процессе ознакомления их с
экспериментальными и теоретическими методами познания, моделями атома,
ядра и видами взаимодействий на разных исторических этапах изучения
микромира;
- использовать современные информационно-коммуникационные
технологии для моделирования микрообъектов.
Цель исследования определила его задачи. Задачи исследования:
Провести анализ учебной, научно-популярной литературы по<> физике элементарных частиц, методической, философской и психолого-педагогической литературы по проблеме формирования научного >> мировоззрения и представлений о физической картине мира. Выявить теоретико-методологические основания формирования понятия об элементарных частицах в основной школе как составной части современной * физической картины мира.
Выявить теоретические положения методической системы по формированию понятия об элементарных частицах в основной школе. Разработать методику изучения понятия об элементарных частицах в основной школе.
Разработать комплект заданий по формированию понятия об элементарных частицах, его закреплению и обобщению на уровне элементов физической картины мира.
Разработать дидактический и иллюстративный материал по формированию понятия об элементарных частицах на основе информационно-коммуникационных технологий.
5. Провести педагогический эксперимент и оценить
эффективность предлагаемой методики.
Методологической и теоретической основой исследования являются работы педагогов, методистов высшей и средней школы в области: философии (Лебедев С.А., Мостепаненко М.В., Степин B.C.), также работы, посвященные проблеме формирования научного мировоззрения учащихся (Ефименко В.Ф., Мощанский В.Н., Мултановский В.В. и др.); физики атома, ядра и элементарных частиц (Мякишев Г.Я., Пинский А.А. Савельев И.В., Сивухин Д.В., Тарасов Л.В., Яворский Б.М. и др.); теории и методики обучения физике (Каменецкий С.Е., Пурышева Н.С., Усова А.В., Хижнякова Л.С. и др.); теории развивающего обучения (Выготский С.Л., Давыдов В.В., Занков Л.В., Лернер И.Я., Рубинштейн Л.С, Скаткин М.Н., Эльконин Д.Б. и
др.)-
Методы исследования: ^
Теоретические: анализ психолого-педагогической, философской и методической литературы; анализ содержания учебников для основной и л средней школы, программ, дидактического материала по физике; изучение состояния проблемы исследования в практике преподавания; системный, анализ и синтез; моделирование; математико-статистические методы.
Эмпирические: анкетирование, тестирование, педагогические наблюдения за ходом учебного процесса, педагогический эксперимент, статистическая обработка данных педагогического эксперимента.
Научная новизна исследования.
Определены и обоснованы:
- методическая система поэтапного формирования понятия об элементарных частицах с двумя подсистемами: пропедевтический курс и систематическое изучение физики в основной школе; систематизирующие факторы первого этапа обучения - свойства некоторых элементарных частиц и планетарная модель атома; второго - элементы физической картины мира;
- содержательная модель формирования понятия об элементарных
частицах, включающая цели преподавания, принципы отбора содержания
учебного материала, методы, формы организации учебного процесса,
средства обучения, а также планируемый результат;
- главные принципы отбора содержания учебного материала - принцип
историзма, отражение понятия на уровне достижений науки 20 века,
формирование представлений об элементах физической картины мира,
поэтапное формирование понятия, принцип неразрывной связи с материалом
основного курса; принципы проблематизации, личной и социальной
значимости, эвристичности;
система заданий по формированию понятия об элементарных частицах, диагностике уровней усвоения знаний, методов познания и ключевых компетентностей;
формы организации продуктивной и творческой деятельности с v преобладанием сравнений, моделирования, аналогий, проектной деятельности, решения расчётных и экспериментальных задач эвристического характера, конструирование презентаций реферативных работ;
комплект дидактических иллюстративных материалов по *
формированию понятия об'элементарных частицах, разработанных на основе
информационно-коммуникационных технологий (компьютерное
сопровождение дидактических игр — «Путешествие в глубь вещества», «Паспорт» элементарной частицы, конструктор «Микромир»); цикл лабораторных работ для различных разделов курса физики основной школы с применением элементов научного знания по элементарным частицам.
Теоретическая значимость результатов исследования определяется их вкладом в развитие теоретических основ методики преподавания физики в основной школе. Она состоит в том, что:
- результаты исследования вносят вклад в обоснование идеи о
поэтапном формировании понятия об элементарных частицах при изучении
физической составляющей интегрированного курса естествознания (5-6 классы) и курса физики (7-9 классы) как ведущего понятия современной физической картины мира;
- разработана содержательная модель формирования понятия об
элементарных частицах с двумя подсистемами: пропедевтической и базового
курса физики основной школы, ориентированная на формирование
элементов современной научной картины мира, а также коммуникативных и
информационных компетентностей;
- конкретизирован системный подход к формированию понятия об
элементарных частицах через построение методической системы,
осуществляющей более раннее развитие личности школьника и подготовку к
систематическому изучению физики основной школы.
Практическая значимость исследования заключается в разработке:
- методики поэтапного формирования понятия об элементарных *'
частицах в основной школе с учётом задачи организации продуктивной и
творческой деятельности учащихся;
- физической составляющей интегрированного курса естествознания в
5-6 классах; системы заданий для учащихся, комплекта дидактических .
иллюстративных материалов, разработанных на основе информационно-
коммуникационных технологий и цикла лабораторных работ с применением
элементов научного знания по элементарным частицам;
- тематики информационных, исследовательских, реферативных и
проектных работ учащихся при изучении элементарных частиц;
- системы диагностики уровней сформированности знаний, умений и
компетентностей при изучении элементарных частиц.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Средством формирования элементов современной физической картины мира в основной школе может служить более раннее ознакомление учащихся с элементарными частицами на пропедевтическом этапе обучения физике (5-6 классы) и базового курса физики, основанное на
внутрипредметной связи научных знаний. Содержательная модель конструируется по схеме: пропедевтические сведения о частицах (5-6класс) - строение и свойства вещества в молекулярной физике, элементы электронной теории в электродинамике (8 класс) — элементы атомной и ядерной физики - элементарные частицы ( 9 класс).
2. Отбор содержания учебного материала для формирования понятия
об элементарных частицах проводится на основе принципов
проблематизации, личной и социальной значимости, доступности,
наглядности, историзма и эвристичности, а также теории развивающего
обучения, на базе которых разработана соответствующая методическая
система обучения.
3. Поэтапное формирование понятия об элементарных частицах
осуществляется в формах организации продуктивной и творческой
деятельности. Она включает моделирование, аналогии, проектную ч
деятельность, решение расчётных и экспериментальных задач
эвристического характера, презентации реферативных работ, дидактические ,,
игры - «Путешествие в глубь вещества», «Паспорт» элементарной частицы,
конструктор «Микромир», лабораторные работы для различных разделов
и курса с применением элементов научного знания по элементарным частицам. "
4. Диагностика уровней формирования у учащихся знаний и умений
осуществляется в единстве планового традиционного контроля и
результатов их исследовательской и конструкторской деятельности:
исследование - описание свойств частиц, ознакомление с конструкцией
экспериментальной установки, исследование- анализ треков частиц и их
свойств, исследование- наблюдение мультимедийных моделей объектов
микромира, конструирование презентаций реферативных работ.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационном исследовании результатов и выводов обеспечиваются:
-использованием в ходе работы современных достижений педагогики, методики преподавания физики и информационных технологий;
-теоретическим анализом исследуемой проблемы;
-результатами педагогического эксперимента и использованием адекватных статистических методов обработки его результатов.
Апробация результатов исследования:
-основные положения настоящего исследования докладывались и обсуждались с 2002 по 2008 годы на Международных конференциях МПФ МГОУ, заседаниях кафедры МПФ МГОУ, методологических семинарах МПФ МГОУ, заседаниях городского методического объединения учителей физики города Жуковского Московской области;
-обучение по рассмотренной в работе методике за период с 2002 по 2008 годы прошли 410 учащихся 5-9 классов лицея №14, МОУ №12, 9, 3 г. Жуковского, лицея №15 г. Химки Московской области; ГОУ ЦО №548 «Царицыно» г. Москвы, СОШ № 16, 17 города Тобольска.
-по теме исследования опубликовано 11 работ.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.
Основные положения диссертации отражены в публикациях:
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных
результатов исследования
1. Блохина Н.Г. Формирование понятия об
элементарных частицах в основной школе // Вестник Московского государственного областного университета. Серия «Педагогика». - №3. — М.:Изд-во МГОУ, 2008. - 262 с. (ISBN 978-5-7017-1338-1)
Статьи в сборниках научных трудов и тезисы докладов на научно-практических конференциях 2.Блохина Н.Г. Ознакомление учащихся 5-го класса с планетарной моделью атома // Проблема теоретических обобщений на уровне законов при
обучении физике. Педагогический ВУЗ, средние общеобразовательные учреждения. - М.: МПУ, 2002. - С.75-76.
3. Блохина Н.Г. Изучение электрона как элементарной частицы в
основной школе // Проблемы формирования обобщений на уровне теории
при обучении физике. Общеобразовательные учреждения, педагогический
вуз. -М.:МГОУ, 2003.- С.132-133.
Блохина Н.Г. Некоторые рекомендации к изучению темы «Физические методы изучения природы» курса физики 7 класса // Совершенствование методической системы обучения физике в основной школе. Введение, механика (перемещение, скорость, ускорение). -М.:МГОУ, 2004.-С.48-51.
Блохина Н.Г. Программа спецкурса: «Занимательная физика элементарных частиц» // Проблемы формирования обобщений на уровне физической картины мира при обучении физике. Общеобразовательные учреждения, педагогические вузы. Доклады Международной научно-практической конференции. - М.:МГОУ, 2004. - С. 120-121.
Блохина Н.Г. Ознакомление учащихся с теоретическими методами познания природы при изучении элементарных частиц в курсе физики основной школы // Проблемы взаимосвязи эмпирических и теоретических методов познания в учебном процессе по физике. Общеобразовательные учреждения, педагогические вузы. Доклады Международной научно-практической конференции. -М.:МГОУ, 2005. - С. 194-196.
Блохина Н.Г. Этапы формирования представлений об элементарных частицах в основной школе // Целеполагание и средства его достижения в процессе обучения физике. Общеобразовательные учреждения, педагогический вуз. Доклады Международной научно-практической конференции. -М.:МГОУ, 2006. - С. 195-197.
8. Блохина Н.Г. Развитие творческого воображения при изучении
элементарных частиц в основной школе // Проблемы развивающего обучения
физике в условиях предметной информационно-образовательной среды.
Общеобразовательные учреждения, педагогический вуз. Доклады научно-практической конференции. -М.: МГОУ 2007. — С. 128-130.
9. Блохина Н.Г. Оценка качества знаний выпускников основной школы
по учебному материалу об элементарных частицах // Проблемы контроля и
оценки качества образования по физике. Общеобразовательные учреждения,
педагогический вуз. Доклады научно-практической конференции. —
М.:МГОУ, 2008. - С. 113-115.
Блохина Н.Г. Оценка элементов научного знания об элементарных частицах в учебниках по физике для основной школы // Проблемы контроля и оценки качества образования по физике. Общеобразовательные учреждения, педагогический вуз. Доклады научно-практической конференции. - М..-МГОУ, 2008. - С.81-85.
Блохина Н.Г., Строгонова А.В. Использование ИКТ на уроках физики и биологии // Материалы XIX Международной конференции «Применение новых технологий в образовании», 2008, Троицк.
Современная трактовка понятия об элементарных частицах, методах их исследования и проблема создания теории элементарных частиц в XXI веке
Понятие об элементарных частицах — это понятие об объектах окружающего мира, его также можно рассматривать как общенаучное, непосредственно связанное с такими философскими категориями как элементарность и материя. В современной физике термин элементарные частицы употребляется не в своем обычном значении чего-то первичного, неразложимого на более простое, а для наименования большой группы мельчайших субъядерных частиц. Большинство частиц не удовлетворяют обычному определению элементарности, поскольку по современным представлениям они сами являются составными системами. Объединяющий. их признак заключается в том, что они представляют форму материи, не объединенной в ядра и атомы. Наиболее важное свойство всех элементарных частиц - способность к взаимным преврагцениям, т.е. способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Все процессы с элементарными частицами, включая их распады, протекают через последовательность актов поглощения и испускания, в которых непременно выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического, барионного, лептонных зарядов. Величины, характеризующие различные особенности в поведении элементарных частиц, например, странность, изотопический спин, четность, комбинированная четность, зарядовая сопряженность сохраняются не при всех взаимодействиях. Рассмотрим некоторые примеры определений элементарных частиц.
«При введении понятия элементарных частиц первоначально предполагалось, что это есть первичные, далее неделимые частицы, из которых состоит вся материя... в настоящее время мы с достоверностью не знаем, какие частицы являются действительно элементарными и есть ли вообще элементарные частицы в первоначальном смысле этого слова. Элементарными частицами сейчас условно называют большую группу мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протонов — ядер атома водорода). Общее, что роднит все элементарные частицы, состоит в том, что все они являются специфическими формами материи, не ассоциированной в атомы и атомные ядра» [126, С. 733]
«Дать строгое определение понятия элементарной частицы оказывается затруднительным. В качестве первого приближения можно понимать под элементарными частицами такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. Во всех наблюдавшихся до сих пор явлениях каждая такая частица ведет себя как единое целое. Элементарные частицы могут превращаться одна в другую...
Для,того чтобы объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделить, кроме массы, электрического заряда и спина, рядом дополнительных, характерных для них величин (квантовыми числами)...» [118, С. 318]
«В микромире выделяют три уровня, различающиеся характерными масштабами R и энергиями W. Первый из них - молекулярно-атомный уровень, для которого R (10"8- 10"10) м, W (1-H0) эВ; второй - ядерный уровень с R (10"14-K0"15) м, W (106-108) эВ. На третьем уровне располагаются мельчайшие микрочастицы, не являющиеся молекулами, атомами или ядрами. По традиции они именуются элементарными частицами, хотя и не обязаны быть бесструктурными образованиями» [172, С. 656-657].
Это понятие не имеет строгого определения, а в научной литературе, вузовских и школьных учебниках [10, 12, 14, 90, 92, 93, 98, 118, 126, 153, 169, 170, 171, 172, 173] в качестве определения используется перечень свойств частиц (масса, электрический заряд, спин, время жизни, взаимопревращаемость, различные квантовые числа), сведения об участии их во взаимодействиях и о принадлежности к определенной группе в современной классификации.
Для описания свойств отдельных элементарных частиц, в указанных выше изданиях, вводится целый ряд физических величин и квантовых чисел, значениями которых они различаются. Некоторые из этих квантовых чисел имеют необычные названия: странность, очарование, красота (іти прелесть), г\вет и пр. Все эти термины не имеют никакого отношения к тому, в каком смысле они употребляются в обыденной жизни. Наиболее известными физическими величинами, характеризующими свойства элементарных частиц, являются: масса, среднее время жизни, спин, электрический заряд, магнитный момент.
Масса, т, измеряется в энергетических единицах (МэВ или ГэВ), в соответствии с соотношением Эйнштейна: E=mc . Спектр масс известных элементарных частиц простирается от О(фотон) до 90 ГэВ (промежуточные бозоны), для сравнения те=0,5 МэВ. Первоначально систематика элементарных частиц основывалась на значениях их масс. Появились соответствующие термины: лептоны («легкие»), мезоны («средние»), барионы («тяжелые»), гипероны (греческий префикс «гипер» - «над», «сверх»). Эти термины сохранились, но они потеряли свой исходный смысл, например, лептон т" более чем в три раза тяжелее бариона - протона.
Среднее время жизни, т, служит мерой стабильности частицы и измеряется в секундах. Фотон, нейтрино, электрон, протон (его стабильность в настоящее время подвергается сомнению) абсолютно стабильны (т=оо), резонансы предельно нестабильны (т 10" -И О" с). Для нестабильных частиц в таблицах наряду с временем жизни указываются также типы распадов с вероятностями их осуществления.
Спин, J, - собственный момент импульса частицы, измеряется в единицах h, принимает целые и полуцелые значения. Значение спина однозначно определяет тип статистики, которой подчиняются данные частицы: все частицы с целыми спинами являются бозонами, все частицы с полуцелыми спинами - фермионами, для которых справедлив принцип Паули. Для известных частиц значения спина лежат в интервале от 0 (например, пионы к) до 9/2 (некоторые резонансы).
Электрический заряд, q, измеряется в единицах элементарного заряда е. Для всех частиц, существующих в свободном состоянии, он принимает целочисленные значения: обычно 0 и ±1, для некоторых резонансов ±2.
Магнитный момент, ju - максимальное значение проекции вектора собственного магнитного момента рт частицы. Вектор рт и вектор спина J коллинеарны; если они параллельны, то д 0, если антипараллельны, то д. 0. Магнитные моменты элементарных частиц обычно измеряются в единицах соответствующих магнетонов цо=еп/2т.
У каждой частицы имеется античастица. Массы, времена жизни и спины частицы и античастицы одинаковы. Остальные характеристики, в том числе электрический заряд и магнитный момент, равны по модулю, но противоположны по знаку. Понятия частицы и античастицы являются относительными, условными. Например, п мы называем нейтроном, an — антинейтроном только потому, что объектов первого типа во Вселенной неизмеримо больше, чем объектов второго типа. В то же время основные уравнения теории не изменяются при замене частиц на античастицы и обратно. Природа зарядовой асимметрии реальной Вселенной до конца не выяснена и составляет одну из загадок современной физики и космологии. Преобразование всех величин, описывающих физическую систему, при котором все частицы заменяются античастицами, называется зарядовым сопряжением.
Система научных знаний об элементарных частицах в курсе физики основной школы
Процесс формирования понятий в курсе физики основной школы предполагает системное построение содержания учебного материала.
Системообразующим фактором научного знания об элементарных частицах являются этапы развития физики элементарных частиц. Примерно пятьдесят лет назад разделения на ядерную физику и физику элементарных частиц в науке не было. В настоящее время эти два самостоятельных раздела имеют разные предметные области. Содержание одного из них составляет изучение структуры и превращений атомных ядер, а содержание другого -изучение природы, свойств и взаимопревращений элементарных частиц. Отметим, что в отношении применяемых методов исследования ядерной физики и физики элементарных частиц сохранилось много общего. В истории физики элементарных частиц условно выделяют три этапа: от электрона до позитрона (1897-1932 гг.); от позитрона до кварков (1932-1970 гг.); от гипотезы о кварках (1964 г.) до наших дней [93]. Содержание учебного материала об элементарных частицах в курсе физики основной школы соответствует идеям, характерным для первого и второго этапов. На первом этапе элементарные частицы рассматривались как первичные, неделимые объекты, из которых состоит весь окружающий мир. Такими микрообъектами были электрон, протон, нейтрон и фотон. На втором этапе экспериментально обнаружены новые частицы (мюоны, пионы, нейтрино и пр.) и внутренняя структура многих из них. Современные научные теории по физике микромира ставят под сомнение сам факт существования элементарных частиц в первоначальном смысле слова.
Объем понятия «элементарная частица» включает множество элементов научного знания о природе, свойствах и взаимных превращениях объектов микромира.
Для ознакомления в основной школе из большого числа элементарных частиц, известных на сегодняшний день, выбраны электрон, протон, нейтрон, фотон, позитрон, нейтрино, 71-мезон, кварк. Выбор частиц не является случайностью. Факт их существования можно доступно и наглядно обосновать учащимся на примерах из истории развития физики микромира. Эти частицы открывались постепенно, одна за другой. Учитель имеет возможность продемонстрировать школьникам настоящий процесс познания природы.
По мере изучения курса физики основной школы должны быть усвоены следующие элементы научного знания об элементарных частицах:
- электрон, протон, нейтрон, фотон, позитрон, нейтрино, тс-мезон, кварк - объекты микромира, изучаемые физикой;
- свойства элементарных частиц:
- каждой известной на сегодняшний день частице соответствует античастица, различаются они знаком электрического заряда;
- краткая история открытия выше названных элементарных частиц:
Таблица 2 - методы исследования и регистрации.
Учебный материал об элементарных частицах, в курсе физики основной школы не выделяется в специальный раздел, ознакомление со свойствами частиц вещества, историей их открытия, методами исследования и регистрации происходит постепенно, в процессе изучения основного курса.
В таблице 3 представлены этапы формирования понятия об элементарных частицах в курсе физики основной школы, темы курса; приведено краткое содержание соответствующего материала по темам и годам обучения.
Развитие знаний и способов учебных действий при изучении элементарных частиц в курсах физики 7-8 класса
В седьмом классе - начале систематического изучения предмета - с целью формирования научного мировоззрения, ознакомления с элементами физической картины мира и повторения учебного материала по элементарным частицам, изученного на пропедевтическом этапе, в разделе «Введение: физические методы исследования природы» [155] учитель организует урок: «Микро, макро и мегамир».
Рассказ учителя сопровождается показом фрагментов компьютерной презентации: «Микро-макро-мегамир».
Во вступительном слове учитель сообщает школьникам, что в окружающем мире, в результате многовекового изучения природы человеком, можно выделить следующее разделение объектов по их размерам:
элементарные частицы (протоны, нейтроны, электроны)-ядра-атомы-молекулы-макротела (кристаллы, жидкости, газы)-планеты-звезды-галактики-Вселенная (мир как целое).
Человек обычно имеет дело с макротелами, сам таковым является. К макромиру относится родная планета Земля и вся Солнечная система.
В ходе эвристической беседы учитель организует повторение учебного материала, изученного в 5-6 классах по физическим явлениям и свойствам вещества в трех агрегатных состояниях.
С целью усиления эмоциональной окраски урока и организации логического перехода к микро и мегамиру учитель сообщает школьникам, что, как исследователь, человек во все времена стремился познать природу в ее двух крайних проявлениях: в очень малом (микромир) и в очень большом (мегамир). Учитель цитирует известного писателя-фантаста Е.И.Парнова: «... Человек стоит на перекрестке бесконечностей. Одна дорога уводит его в мир галактик, туда, где разлетающееся вещество достигает почти световых скоростей, другая - в микромир с исчезающе малыми масштабами расстояний и длительностей...» [170].
Подростки, под руководством учителя, вспоминают, что вещество состоит из отдельных частиц - молекул, ионов, атомов, между которыми есть промежутки; частицы непрерывно и беспорядочно движутся; они взаимодействуют друг с другом: притягиваются и отталкиваются.
В 1911 году строение атома впервые экспериментально исследовал Э.Резерфорд и пришел к идее существования атомного ядра - тела малых размеров, в котором сосредоточена почти вся масса и весь положительный заряд атома. Вокруг ядра в атоме, как планеты вокруг Солнца, вращаются электроны — частицы, обладающие отрицательным электрическим зарядом.
Радиус орбиты самого удаленного от ядра электрона и есть радиус атома. Модель атома Резерфорда была названа планетарной или ядерной.
Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть ни в один оптический микроскоп. По своим размерам они во столько же раз меньше обыкновенного яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара. Число атомов в яблоке также велико, как и число звезд в наблюдаемой Вселенной. Если попытаться изобразить атом, в котором ядро имеет вид пятнышка диаметром 1 мм, получится рисунок поперечником 100 м.
Ядро образуют еще более мелкие частицы - протоны и нейтроны. Они имеют примерно одинаковую массу, в 2000 раз больше массы электрона. Протон обладает положительным электрическим зарядом, нейтрон нейтрален.
Особое внимание следует уделить применению знаний школьников по элементарным частицам к объяснению электромагнитной природы взаимодействия молекул и атомов, акцентировать внимание учащихся на зависимости свойств макротел от расположения, движения и взаимодействия частиц вещества.
Организуя повторение учебного материала о трех агрегатных состояниях вещества, т.е. о ставших для нас привычными явлениях, учитель решает важную воспитательную задачу: он учит детей видеть удивительное рядом, в обыденных явлениях и учит школьников задавать самому себе вопрос: «Почему?» даже в тех случаях, когда казалось бы все ясно и понятно.
Важно подчеркнуть, что многообразие существующих в макро и мега мире объектов - результат различных соединений сотни атомов, которые состоят из элементарных частиц - протонов, нейтронов и электронов. И в этом заключается единство природы.
В качестве домашнего задания можно предложить творческую, научно-фантастическую работу на тему: «Если вдруг отключились электрические заряды...» или написать «книжку-малышку» для учеников начальной школы «Мегамир. Макромир. Микромир».
После повторения темы: «Строение вещества» в ходе изучения основного курса [155] целесообразно провести самостоятельную работу, цель, которой проверить качество знаний школьников по свойствам элементарных частиц, изученным в 5-6 классах; по свойствам вещества в трех агрегатных состояниях и зависимости их от внутреннего строения; по объяснению электромагнитной природы взаимодействия молекул и атомов.
Цель: пронаблюдать изменение объема веществ в жидком и газообразном состояниях и объяснить зависимость этих свойств от расположения, движения и взаимодействия частиц вещества.
Приборы и материалы: шприц, стакан с водой.
Порядок выполнения работы:
1. Заткните пальцем отверстие шприца и двигайте поршень. Что вы чувствуете? Насколько продвинулся поршень? Сделайте вывод о сжимаемости газов. Почему поршень нельзя продвинуть до конца шприца? Опираясь на знания о строении атома, объясните результаты опыта.
2. Наберите в шприц воды из стакана. Двигайте поршень, заткнув выход из поршня пальцем. Что вы чувствуете? Сделайте вывод о сжимаемости жидкостей. Опираясь на знания о строении атома, объясните результаты опыта.
3. Сделайте общий вывод из проделанных опытов о зависимости свойств веществ в различных агрегатных состояниях от расположения, движения и взаимодействия частиц вещества.
Лабораторная работа №4: «Наблюдение возникновения силы упругости при деформации тела» [13].
Цель: закрепить понятие «сила упругости» и представление учащихся об ее электромагнитной природе.
Приборы и материалы: лист картона, мешочек с песком. Порядок выполнения работы:
1. Положите лист картона на две книги.
2. На середину листа картона положите мешочек с песком. Обратите внимание на изменение формы картона и мешочка с песком.
3. Ответьте на вопросы:
Что произошло в результате взаимодействия мешочка с картоном? Какие силы возникли в результате взаимодействия в картоне и мешочке с песком?
К какому телу приложена сила упругости картона и сила упругости мешочка с песком?
4. Сделайте схематичные рисунки с обозначением сил, действующих на картон и на мешочек.
5. Объясните возникновение силы упругости, опираясь на знания о строении атома.
В 8 классе в процессе усвоения тем курса: «Агрегатные состояния вещества», «Элементы классической электронной теории», «Магнитное поле» [156] расширяются и углубляются знания учащихся о свойствах электрона как элементарной частицы. Восьмиклассники знакомятся с действием камеры Вильсона, получают представление о методах исследования и регистрации объектов микромира. Учащиеся узнают о существовании в природе античастиц, знакомятся с краткой историей открытия электрона и позитрона.
