Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОТБОРА СОДЕРЖАНИЯ СПЕЦКУРСА ПО ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ
1.1 Некоторые аспекты становления, развития и современного состояния преподавания теории относительности в средней школе 10
1.2 Цели преподавания теории относительности в основной школе 40
1.3 Изменения, внесенные теорией относительности в ньютоновские представления о пространстве и времени 46
1.4 Взаимосвязь свойств пространства и времени систем отсчета с физическими законами 53
1.5 Циклический характер познания природы в физике 61
1.6 А.Эйнштейн о методе научного познания в физике 77
ГЛАВА II. СОДЕРЖАНИЕ И МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ СПЕЩУРСА ПО ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ В ОСНОВНОЙ ШКОЛЕ
2.1 Структура курса 90
2.2 Формирование представлений о свойствах пространства и времени систем отсчета и их взаимосвязи с физическими законами 96
2.3 Принцип относительности 106
2.4 Обоснование предельности скорости света в вакууме 110
2.5 Некоторые особенности изучения кинематики СТО 112
2.6 Определение расстояний и промежутков времени в инерциальной системе отсчета 114
2.7 Относительность одновременности 123
2.8 Интерват 126
2.9 Относительность промежутков времени 130
2.10 Замедление времени движущейся системы отсчета 133
2.11 Относительность расстояний 138
2.12 Преобразования Лоренца 140
2.13 Релятивистский закон сложения скоростей 146
2.14 Влияние свойств пространства и времени инерциальных систем отсчета на законы динамики 148
2.15 Масса тела в СТО 151
2.16 Взаимосвязь массы тела и его энергии покоя 156
2.17 Физические основы общей теории относительности и ее следствия 158
2.18 Обобщающие занятия по СТО и ОТО , 170
2.19 Планируемые результаты обучения 175
2.20 Педагогический эксперимент 181
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 205
- Некоторые аспекты становления, развития и современного состояния преподавания теории относительности в средней школе
- Формирование представлений о свойствах пространства и времени систем отсчета и их взаимосвязи с физическими законами
- Определение расстояний и промежутков времени в инерциальной системе отсчета
Введение к работе
Актуальность исследовании. С момента создания А.Эйнштейном специальной теории относительности (СТО) минуло более 90 лет. Свыше 80 лет прошло после появления его общей теории относительности (ОТО). За эти годы СТО и ОТО, казавшиеся когда-то многим парадоксальной игрой ума, превратились в стройную законченную теорию. Они совершили подлинную революцию в физике и теории познания. Их выводы подтверждаются опытом и находят практическое применение. В настоящее время теория относительности - это важная составная часть современной физики и мировой культуры в целом.
В соответствии с действующими программами средней
общеобразовательной школы по физике элементы СТО изучаются в старших
классах после темы "Оптика" [186]. Подобный выбор места этой теории в
учебном плане обусловлен, вероятно, тем, что исторически она возникла как
результат распространения принципа относительности на
электродинамические явления. Поэтому принято считать, что для своего понимания СТО требует предварительного знакомства с основами электродинамики и оптики. Подавляющее большинство методических разработок и диссертаций о преподавании СТО в школе написано в духе указанного выше исторического подхода.
Вместе с тем анализ научной литературы по СТО свидетельствует о том, что знание электродинамики и оптики необходимо, скорее всего, для более глубокого понимания противоречий между классической физикой и электродинамическими явлениями, которые привели А.Эйнштейна к выдвижению известных постулатов. При построении самой теории данные разделы физики уже не требуются.
Таким образом, с точки зрения собственного содержания СТО в принципе допустимо ее преподавание в основной школе после изучения
законов Ньютона. Опираясь на результаты СТО, можно на качественном уровне ознакомить учащихся также с основами ОТО и ее наиболее важными следствиями, практически это можно осуществить в спецкурсе, который проводится в IX классе во второй и третьей четвертях учебного года за счет часов школьного компонента.
Актуальность темы определяется важной ролью СТО и ОТО в формировании научного мышления и мировоззрения, в раскрытии особенностей физики как науки. В соответствии с законом Российской Федерации "Об образовании" [80] обязательной становится основная школа -девятилетка. Часть учащихся после окончания IX класса пойдет в учебные заведения, в которых не будет изучаться систематический курс физики (классы гуманитарного профиля, некоторые ПТУ и т. п.). Поэтому для них занятия спецкурса окажутся единственной возможностью познакомиться с данным разделом современной физики.
Изучение теории относительности позволит девятиклассникам также выйти на качественно новый, более высокий уровень усвоения таких вопросов школьного курса механики, как относительность движения, инерциальные и неинерциальные системы отсчета, законы Ньютона, принцип относительности Галилея, закон всемирного тяготения, невесомость и т.д.
Актуальность исследования обусловлена еще одним обстоятельством. Преподаванию СТО в средней школе посвящены кандидатские диссертации Г.Б.Аверьянова [2], Г.МГолина [54], А.С.Дробата [74], Н.М.Зверевой [81], Л.Я.Зориной [84], З.К.Исмаилова [91], В.И.Коломина [101], Р.Э.Иудельмана [163], О.С.Руденко [203], А.С.Сиэппи [208], а также докторская диссертация А.А.Пинского [173]. Соответствующие параграфы есть в школьных учебниках и пособиях по физике А.Т.Глазунова, О.Ф.Кабардина, А.Н.Малинина, В.А. Орлова, А.А.Пинского [233]; Г.Я.Мякишева, Б.Б.Буховцева [1601; И.И.Нурминского [\65], Н.М.Шахмаева, С.Н.Шахмаева>
Д,Ш Шодиева [253]; Б.М.Яворского, А.АЛинского [261] и других. Однако, как представляется, данные работы не могут быть непосредственно использованы в основной школе. И дело не только в необходимости их
дополнительной адаптации к уровню знаний девятиклассников. Это сделать несложно.
Основная же причина состоит в том, что указанные авторы не рассматривают понятия пространства и времени систем отсчета, не раскрывают взаимосвязь их свойств с физическими законами и, как следствие, не дают ответа на вопросы о том, "что" и "как" изучает СТО. СТО не используется ими для показа циклического характера процесса познания природы и того нового, что внес А.Эйнштейн в развитие метода научного познания в физике. Само изложение данной теории носит у них не системный, а, скорее, фрагментарный характер. Все это, по нашему мнению, снижает эффективность изучения СТО с точки зрения раскрытия особенностей физики как науки, формирования у учащихся научного мировоззрения и мышления. Между тем именно эти цели становятся в настоящее время приоритетными при обучении физике в основной школе [50, с. 257]. Кроме того, в отдельных работах есть неточности в трактовке некоторых эффектов СТО (релятивистские свойства времени).
Что касается ОТО, то за исключением [261] она вообще не дается в учебной школьной литературе, но и здесь, как представляется, ее изложению присущи отмеченные выше недостатки.
Проблемой исследования является приведение содержания и методики преподавания СТО и ОТО в школе в соответствие с физическим, гносеологическим и мировоззренческим содержанием теории относительности в доступном пониманию девятиклассников объеме. В частности, необходимо рассмотреть модели пространства-времени, используемые в классической механике, СТО и ОТО, показать их
взаимосвязь с физическими законами и, наконец, дать учащимся ясный и убедительный ответ на вопрос, "что" и "как" изучает теория относительности.
Решение этой проблемы должно содействовать достижению следующих целей преподавания теории относительности.
Формированию у учащихся научного мировоззрения, ознакомлению школьников с современными представлениями о пространстве и времени систем отсчета и взаимосвязи их свойств с физическими законами.
Раскрытию на примере теории относительности диалектических закономерностей процесса познания природы в физике, знакомству учащихся с методами научного познания.
3) Формированию научного мышления учащихся, развитию их
творческих способностей, воспитанию любви к поиску истины.
4) Обобщению и углублению знаний учащихся об основных понятиях и
законах школьного курса механики.
Объект исследования: процесс обучения физике в основной школе.
Предмет исследования: содержание и методика изучения теории относительности в спецкурсе основной школы.
Целью исследования является разработка спецкурса по СТО и ОТО для учащихся основной школы и методики его проведения.
Задачи исследования:
Разработать теоретические основы отбора содержания спецкурса по СТО и ОТО, которые отвечали бы приоритетным целям обучения физике в основной школе (раскрытие особенностей физики как науки, формирование у учащихся научного мировоззрения и мышления).
Используя теоретические основы отбора содержания, разработать поурочное содержание спецкурса по СТО и ОТО, которое наиболее полно соответствовало бы физическому, гносеологическому и мировоззренческому
содержанию теории относительности в доступном для девятиклассников объеме.
3) Разработать методику изучения спецкурса по теории
относительности в основной школе, в частности, таких вопросов, как
свойства пространства и времени инерциальной и неинерциальной систем
отсчета, интервал, релятивистские свойства времени, влияние свойств
пространства и времени инерциальных систем отсчета на законы динамики,
эйнштейновская теория гравитации.
4) Экспериментально проверить доступность учебного материала для
учащихся основной школы, эффективность предлагаемой методики с точки
зрения раскрытия особенностей физики как науки, формирования у
школьников научного мировоззрения и мышления.
Методологической основой исследования является методология физики, современные педагогические теории активизации познавательной деятельности учащихся.
Методы исследования: анализ научной и методической литературы по теории относительности, отбор учебного материала, написание учебного пособия, проведение педагогического эксперимента (наблюдение за ходом учебного процесса, опросы, анкетирование, тестирование учащихся, проведение контрольных работ) и анализ его результатов.
Гипотеза исследования: физические, гносеологические и мировоззренческие основы СТО и ОТО доступны для учащихся основной школы при соответствующем отборе содержания и методики их изучения. Введение данного спецкурса способствует формированию у девятиклассников научного мировоззрения и мышления, усвоению ими особенностей физики как науки.
Научная новизна исследования состоит в том, что до настоящего времени не разработаны ни содержание, ни методика преподавания СТО и
ОТО в основной школе. Предлагаемая работа является первой попыткой системного мировоззренческо-гносеологического подхода к изучению теории относительности в IX классе общеобразовательной школы, когда объектами рассмотрения становятся не только физическое содержание теории, но и связанные с ним физическая картина мира, методы и сам процесс познания.
При этом здесь впервые в теории и практике преподавания СТО и ОТО в качестве теоретической основы отбора содержания разработаны и целенаправленно использованы изменения, внесенные теорией относительности в ньютоновские представления о пространстве и времени; взаимосвязь свойств пространства и времени систем отсчета с физическими законами; циклический характер познания природы в физике; взгляды А.Эйнштейна на метод научного познания.
Кроме того, нами предложено наглядное и доступное для девятиклассников изложение свойств пространства и времени инерциальной и неинерциальной систем отсчета, интервала, релятивистских свойств времени, влияния свойств пространства и времени инерциальных систем отсчета на законы динамики и эйнштейновской теории гравитации, ранее не встречавшееся в научно-методической и учебной литературе.
Теоретическое значение работы заключается в том, что она раскрывает возможности использования теории относительности для формирования у учащихся основной школы научного мировоззрения и мышления, показа особенностей физики как науки, воспитания любви к поиску истины, готовности к продолжению образования.
Практическая значимость результатов исследования: данный спецкурс по СТО и ОТО и методика его проведения могут быть непосредственно использованы в практике преподавания в IX классе, а в перспективе частично внедрены и в систематический курс физики основной общеобразовательной школы.
Экспериментальная проверка разработанных диссертантом учебных пособий по теории относительности [264, 268] и методики ее изучения осуществлялась)-в 1994 - 1998 г.г, в общеобразовательных школах N14 и N64 г. Москвы.
Основные теоретические положения данного исследования изложены в статьях [265, 266, 267].
На защиту выносятся:
системный мировоззренческо-гносеологический подход к преподаванию теории относительности в основной школе, при котором объектами изучения становятся не только физическое содержание теории, но и связанные с ним физическая картина мира, методы и сам процесс познания;
- теоретические основы отбора содержания спецкурса по СТО и ОТО в
основной школе (изменения, внесенные теорией относительности в
ньютоновские представления о пространстве и времени; взаимосвязь свойств
пространства и времени систем отсчета с физическими законами;
циклический характер познания природы в физике; взгляды А.Эйнштейна на
метод научного познания);
- содержание и методика изучения в основной школе свойств
пространства и времени инерциальной и неинерциальной систем отсчета,
интервала, релятивистских свойств времени, влияния свойств пространства и
времени инерциальных систем отсчета на законы динамики, эйнштейновской
теории гравитации.
Структура диссертации обусловлена задачами исследования и состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы.
Некоторые аспекты становления, развития и современного состояния преподавания теории относительности в средней школе
Долгое время релятивистские идеи не изучались в средней школе. Среди ученых-методистов господствовало мнение, что теория относительности недоступна пониманию учащихся.
В начале 60-х годов передовые учителя и преподаватели педвузов "на свой страх и риск" провели педагогические эксперименты по ознакомлению учащихся выпускных классов с основными представлениями СТО. Эксперименты показали, что при соответствующем отборе содержания и методики преподавания школьники усваивают материал.
Проблемам изучения СТО в школе был посвящен ряд докладов на конференции ИОПО АПН РСФСР (1963 г.), Научно-методической конференции преподавателей физики, методики физики и общетехнических дисциплин педагогических институтов Урала, Сибири и Дальнего Востока (1964 г.), IV Всероссийской научно-методической конференции преподавателей физики, методики физики, астрономии и общетехнических дисциплин в высшей и средней школе (1965).
В печати появились публикации, освещающих методику преподавания СТО в школе. Наиболее полно указанные вопросы излагались в статьях И.Г.Пустыльника, Д.ИЛеннера "Школе - новую физику"(1963 г.) [190]; И.И.Логвинова, Д.Х.Рубинштейна "О введении современных научных представлений в курс физики средней школы" (1963 г.) [118]; Л.И.Резникова "Физические идеи Эйнштейна в школьном преподавании" (1965) [198].
В 1965 году Л.Я.Зорина защитила кандидатскую диссертацию "Идеи специальной теории относительности в курсе физики средней школы", где показала возможность и целесообразность изучения СТО отдельной темой в X (выпускном) классе (после оптики, перед атомной физикой). Необходимость включения СТО в школьный курс физики она обосновывает следующим образом [84, с. 3].
1. Без знания СТО нельзя создать у учащихся верного представления о физической картине мира, а, следовательно, нельзя решить одну из главных задач школы - формирование научного мировоззрения.
2. Отсутствие СТО снижает научный уровень образования, без нее нельзя обосновать основные вопросы квантовой оптики и атомной физики.
3. Без СТО нельзя понять ограниченность классической механики, тогда как изучение СТО способствует развитию понятий и законов классической физики, выявлению методологической роли законов сохранения.
4. При изучении теории относительности учащиеся знакомятся с новой формой наглядности - мысленным экспериментом, развивающем логическое мышление учащихся.
5. Изучение теории относительности необходимо для развития диалектического мышления.
6. Изучение СТО имеет большое воспитательное значение, так как ознакомление с этой теорией показывает учащимся движущиеся силы в развитии научной мысли, вред догматизма, роль революционных идей в науке, процесс познания природы, соотношение абсолютной и относительной истин.
Основную цель преподавания СТО в школе Л.Я.Зорина сформулировала так: "Показать учащимся причины замены одних теорий другими, структуру теорий, требования, предъявляемые к любой новой теории, роль основных принципов в теории, внутреннюю логику теории, проверку на практике" [84, с. 5]. Исходя из задач формирования научного мировоззрения i отражения в школьном курсе методологических вопросов науки, она предложила включить в школьный курс физики раздел по СТО, изучаемый в следующей последовательности.
Формирование представлений о свойствах пространства и времени систем отсчета и их взаимосвязи с физическими законами
Приступая в IX классе к изучению механики, учащиеся узнают о том, что все в мире происходит в пространстве и времени [252, с. 15; 17, с. 45]. В частности, механическое движение тела они рассматривают как изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени. В кинематике девятиклассники знакомятся с тем, "как" описывать механическое движение в той или иной системе отсчета, а в динамике узнают, "почему" оно так происходит. Изучая движение тел, учащиеся не задумываются, однако, над свойствами пространства и времени систем отсчета и их взаимосвязью с законами физики. Эти понятия кажутся им очевидными и не заслуживающими внимания. Единственно, что они, как правило, отмечают, это то, что пространство имеет три измерения, а время - одно. И то, и другое бесконечно. Таким образом, пространство и время любой системы отсчета представляются им в образах пустых, неизменных и независимых друг от друга "вместилищ", в которых происходят все явления природы.
В этой связи сама постановка вопроса об изучении неких свойств пространства и времени систем отсчета и их взаимосвязи с физическими законами является для девятиклассников весьма необычной и вызывает у них большой интерес. Как показывает практика преподавания, требуется не менее трех занятий, чтобы учащиеся психологически привыкли к предмету и методу исследования и хотя бы в общих чертах уяснили, что и как изучает теория относительности.
Целью первого занятия ("Пространство и время в классической физике. Противоречия между ньютоновскими представлениями о пространстве и времени и результатами опытов А.Майкельсона") является создание проблемной ситуации. В VIII классе учащиеся узнали, что скорость света составляет примерно с 3-Ю8 м/с. Но тогда они не поинтересовались тем, а к какой системе отсчета относится данное значение скорости света? Теперь же, после изучения основ механики постановка такого вопроса просто необходима, т.к. нельзя говорить о скорости чего-либо без указания системы отсчета.
Для ответа на этот вопрос мысленно переносимся в XVIII - XIX века, когда развитие физики привело к выдвижению гипотезы о существовании мирового эфира - особой всепроникающей среды, в которой протекают все физические явления и в которую как бы погружен мир. Распространение света в эфире уподоблялось при этом распространению звука в воздухе. Считалось, что лишь в системе отсчета, связанной с эфиром, которой придавался статус "абсолютно неподвижной", скорость света одинакова по всем направлениям и равна с « 3 -108 м/с. Во всех же остальных движущихся относительно эфира системах отсчета его скорость должна отличаться от "с".
Далее рассматриваем три мысленных эксперимента, в которых некая физическая лаборатория движется относительно мирового эфира с постоянной скоростью V. При этом наглядно показываем, что если световой сигнал распространяется по направлению ее движения, то по законам классической механики скорость света в системе отсчета, связанной с лабораторией, должна быть "с - V" (рис. 1). И, наоборот, если световой сигнал распространяется против движения лаборатории, то скорость света в ней равна "с + V" (рис. 2). Наконец, если в физической лаборатории световой сигнал распространяется строго перпендикулярно ее движению относительно мирового эфира, то его скорость в этой системе отсчета имеет значение "Vc:- v: " (рис. 3). Таким образом,-как полагали ученые, путем измерения скорости света по различным направлениям в данной физической лаборатории в принципе можно определить и скорость ее "абсолютного движения" относительно "абсолютно неподвижного мирового эфира".
В рамках экспериментальной проверки гипотезы о зависимости скорости света от системы отсчета схематично рассматриваем знаменитый опыт А.Майкельсона (рис. 4). Используя расчеты указанных выше мысленных экспериментов [268, с. 5], показываем несовместимость его результатов с классическим законом сложения скоростей, а, следовательно, и с существовавшими тогда представлениями о пространстве и времени инерциальных систем отсчета.
Определение расстояний и промежутков времени в инерциальной системе отсчета
Как "вместилища" материальных тел и явлений пространство и время инерциальных систем отсчета сами по себе недоступны для восприятия органами чувств. Их свойства проявляются в закономерностях соотношений расстояний и промежутков времени между событиями, которые, в свою очередь, можно изучать опытным путем с помощью линеек и часов.
Под событием понимается любое физическое явление, происходящее в определенной точке пространства в некоторый момент времени произвольной системы отсчета. При этом предполагается, что пространственные размеры явления и его длительность настолько малы, что ими можно пренебречь (включение лампочки, прохождение частицей некоторой точки пространства в некоторый момент времени и т.д.).
Представим себе инерциальную систему отсчета, связанную, например, с железнодорожной станцией. Обозначим ее буквой К. Поскольку по определению ее пространство однородно и изотропно, то в ней можно построить идеально прямые взаимно перпендикулярные оси координат ОХ, OY, OZ и, измерив метровыми линейками расстояние до тела отсчета, пусть это будет середина платформы, приписать каждой точке пространства три координаты х, у, z.
Когда мы- говорим, что в системе К какое-то событие произошло в точке с координатами х, у, z , то это означает, что на отрезке от начала координат О, где находится середина платформы, до проекции этой точки на ось ОХ метровая линейка укладывается х раз, на ось OY - у раз, а на ось OZ - z раз. Расстояния между любыми точками в таком пространстве определяются разностью их пространственных координат: L =V(x - xi)2 + (у» - У1)3 +(ZJ - г,)2 .
Для измерения времени поместим во все точки станции одинаковые "точечные" часы. Тогда каждая точка инерциальной системы отсчета К будет иметь не только свои пространственные координаты (х, у, z,), но и свое "местное время", определяемое по находящимся в ней "точечным" часам.
Благодаря однородности времени все часы станции идут одинаково. Однако, чтобы эти часы можно было использовать для измерения промежутков времени между событиями, происходящими в разных точках пространства, необходимо установить на них единое начальное время, или, как говорят физики, синхронизировать.
Как это сделать? Например, можно было бы собрать все часы станции в середине платформы, установить на них один и тот же момент времени, а затем вновь развести по своим местам. При таком способе синхронизации возникает вопрос о том, а не повлияет ли перемещение часов из одной точки пространства в другую на их ход. Будут ли все они после этого показывать одинаковые моменты времени? Этого мы пока не знаем.
В принципе можно придумать множество других способов синхронизации с использованием самых различных физических процессов. Но все они будут обладать существенным недостатком: мы еще не знаем, как данные процессы могут повлиять на ход часов.
Единственно, что нам достоверно известно и из чего мы можем уверенно исходить, это то, что скорость света в вакууме имеет одно и то же значение во всех инерциальных системах отсчета. Об этом говорит второй постулат СТО. Кроме того, так как в инерциальных системах отсчета пространство является однородным и изотропным, а время однородным, то в них световой сигнал распространяется с одной и той же скоростью по всем направлениям.
