Теоретические методы познания в обучении физике

   б) Модель перископа. Принцип действия зеркального перископа 
может быть продемонстрирован на простой модели, собранной из 
имеющегося в школьном кабинете оборудования. Для этого берут два 
плоских зеркала, закрепляют их в лапки штатива под углом 45°. 
Зеркальные поверхности должны быть обращены навстречу друг другу. С помощью полученной модели можно рассматривать различные 
предметы.

    в) Модель микроскопа. Простейшая модель микроскопа (рис. 2) 
может быть продемонстрирована на приборе по геометрической оптике. Для этого на прямоугольном экране сначала устанавливают 
малую собирающую линзу с фокусным расстоянием 70 мм, служащую объективом микроскопа. На нее с помощью поворотных зеркал направляют две пары узких пучков света, каждый из которых выходит из одной точки (точки пересечения перед линзой). Наблюдают пересечение этих лучей после прохождения линзы. Затем устанавливают вторую линзу с фокусным расстоянием 140 мм, которая выполняет роль окуляра микроскопа. После прохождения окуляра лучи расходятся, их продолжения дают мнимые изображения первоначальных точек. Обращают внимание учащихся на то, что окуляр действует так же, как и обычная лупа.

   г) Модель телескопа. Модель телескопа собирают аналогично модели микроскопа. Сначала устанавливают длиннофокусную линзу (F — 140 мм) - объектив, а затем короткофокусную линзу - окуляр (F₂ = 70 мм). Направляют пучки света на объектив и демонстрируют увеличение угла зрения при прохождении света через линзу телескопа. 
 
 

1. Мысленный эксперимент

  Мысленный эксперимент – анализ ситуации, которую невозможно осуществить реально.

  Под мысленным экспериментом понимают специфический вид умственной деятельности, при которой человек в целях  познания оперирует модельными представлениями. При этом тот или иной объект ставится мысленно в различные положения, и подбираются такие «экспериментальные» ситуации, в которых, как и в обычном опыте, должны проявиться наиболее важные или почему-либо интересные особенности данного явления.

  Мысленный эксперимент строится по типу реального и имеет аналогичную с ним структуру: осознание проблемы исследования, постановка познавательной задачи и разработка ее программы, осуществление эксперимента, проверка результатов.

  Можно выделить два основных типа мысленного эксперимента: во-первых, мысленный эксперимент, тесно связанный с реальным, и предшествующий ему; во-вторых, мысленный эксперимент, неосуществимый принципиально на практике (в виде реального эксперимента) в силу оперирования идеализированными объектами.

  Он ведет к глубокому пониманию действительных экспериментов, к установлению новых законов природы и более глубокому проникновению в сущность физических теорий.

 Мысленные эксперименты условно могут быть разделены на исторические и эксперименты чисто учебного характера, которые предлагают учитель или учащиеся в процессе объяснения какого-либо явления.

 Мысленные эксперименты учебного характера применяются, например, при выводе формулы архимедовой  силы, действующей на тело кубической формы, полностью погруженное в  жидкость (рис. 1); при выводе основного уравнения кинетической теории идеального газа (рис. 2) и т. д.

  Исторические мысленные эксперименты следует излагать, используя хрестоматийный материал: отрывки из сочинений ученых, исторические рисунки и др.

 Пример  мысленного эксперимента Симона Стевина. Стевин придерживался убеждения о невозможности создания вечного двигателя, т. е. такого механизма, который мог бы давать выигрыш в работе. И закон наклонной плоскости ученый получает, исходя из «золотого правила» механики, являющегося одним из проявлений закона сохранения энергии. Приводим рассуждения Стевина, используя рисунки 3, а, б, несколько видоизмененные по сравнению с историческим.

 Если  бы сила, действующая на шары, расположенные  на плоскости АВ, равнялась их общей  силе тяжести, то, так как число шаров на плоскости АВ больше, чем на плоскости ВС, то под действием силы, равной разности сил тяжести, действующих слева и справа, они скатывались бы вниз, заставляя ожерелье непрерывно вращаться против часовой стрелки. Таким образом, можно было бы запустить вечный двигатель, работающий без поступления энергии бесконечно долго. Но ввиду того что вечный двигатель невозможен, сила, действующая на шары, лежащие на плоскости АВ, должна быть меньше их общей силы тяжести. В случае равновесия шаров на наклонной плоскости эта сила должна равняться силе тяжести, действующей на шары, касающиеся плоскости ВС. Та часть ожерелья, которая свисает ниже основания АС, симметрична относительно АВ и ВС, и ею можно пренебречь (просто отрезать). Можно легко получить соотношение 

 Так же примером может служить мысленный опыт Галилея при изучении закона инерции.

 В качестве примера рассмотрим методику изложения  закона инерции, состоящую из двух взаимосвязанных этапов, включающих мысленный эксперимент.

 а) Подготовительный этап, связанный с реальным экспериментом. Учащиеся проводят усложненную лабораторную работу по изучению равнопеременного движения.

  Необходимое оборудование: наклонный  желоб, линейка, секундомер, транспортир. Сначала изучают движение шарика по желобу вниз и вверх, выясняют зависимость полученного ускорения от угла наклона желоба. Затем исследуют движение шарика под действием первоначального толчка по желобу, расположенному горизонтально. Делают вывод о причинах ускорения в рассмотренных случаях.

 б) Этап мысленного экспериментирования. В качестве постановки 
проблемы приводят утверждение Аристотеля: для поддержания механического движения обязательно действие силы, причем под действием постоянной силы тело движется с постоянной скоростью, т. е. 
равномерно. Прав ли Аристотель? Далее вспоминают описанную выше 
лабораторную работу и ее результат: неравномерное движение шарика 
обусловлено наклоном желоба и наличием трения между желобом и 
шариком. После этого проводят мысленный опыт Галилея.

 Представим  себе идеально гладкий желоб и  такой же идеально гладкий шарик, скатывающийся без трения. Расположим желоб под некоторым углом к горизонту и поместим на него шарик. Спрашивают, в каком состоянии будет находиться шарик, предоставленный самому себе. Обобщая результаты лабораторной работы, учащиеся приходят к выводу, что шарик будет двигаться вниз с постоянным положительным ускорением, скорость его равномерно возрастает. При уменьшении угла наклона желоба ускорение шарика уменьшается, а скорость возрастает медленнее.

 ^Затем  разбирают движение шарика по  тому же желобу вверх под  действием толчка. Учащиеся сразу  заявляют, что в этом случае  шарик будет двигаться равнозамедленпо  (с отрицательным ускорением), скорость  его непрерывно уменьшается. Чем  меньше угол наклона желоба, тем медленнее убывает скорость.'

 И наконец, рассматривается случай движения шарика по идеально горизонтальному желобу. В этом случае под действием толчка шарик получает некоторую скорость, которая дальше изменяться не будет ни по модулю, ни по направлению (нет причин ни для увеличения, ни для уменьшения скорости). По традиционной методике формулируют закон инерции, приводят примеры его проявления. 

2. Гипотеза

 Гипотеза  – выдвигаемое на основе известных фактов предположение о непосредственно ненаблюдаемых формах связи явлений или внутренних механизмах, обусловливающих эти явления и присущие им формы связи. Гипотеза не просто регистрирует и суммирует известные старые и новые факты, а пытается дать им объяснение, в силу чего ее содержание значительно богаче тех данных, на которые она опирается.

 Гипотезы, принципиально не проверяемые, не имеют права на существование в науке (например, гипотеза теплорода, магнитной жидкости), однако они часто стимулируют поиск ученых, наталкивая их на новые эксперименты и, подобно строительным лесам, помогают строить здание физической науки. Учащихся следует познакомить еще с одним свойством научной гипотезы — ее плодотворностью. Выдвинутая вначале для объяснения одного-единственного явления, гипотеза надежно служит в дальнейшем при исследовании целого ряда процессов. Таковы фундаментальные гипотезы об атомах, о квантах.

 Так же примерами могут являться гипотеза Коперника о движении Земли вокруг Солнца, составившая основу гелиоцентрической  системы; гипотеза Галилея об одинаковости падения тел в безвоздушном пространстве, получившая простую интерпретацию в механике Ньютона; гипотезы Бора о характере поведения электронов в атоме, включенные в виде постулатов в атомную теорию, и т. д.

  Научная гипотеза как предположительное знание требует своего экспериментального подтверждения, а поэтому должна быть принципиально проверяема. Пусть гипотеза не проверена сегодня (она, например, неактуальна для данного состояния науки, или технический уровень не позволяет это сделать), тогда она будет проверена в будущем, но до этого времени ученые относятся к ней с недоверием и не делают, как правило, эту гипотезу предметом исследования. В истории физики бывали случаи, когда гипотеза ждала своего подтверждения целые столетия (например, гипотеза Гюйгенса о волновых свойствах света, выдвинутая в XVII в., получила экспериментальное подтверждение в XIX в. и т. д.). Гипотеза, не подтвержденная экспериментально, не включается в научное знание. Так, гипотеза Ампера, согласно которой «атомы обтекаются токами», позволила объяснить постоянный магнетизм, но она оставалась гипотезой еще почти 100 лет, пока эксперименты Резерфорда не подтвердили наличие электронной оболочки атома.

 Между теорией и гипотезой, положенной в основу данной теории, нет качественного различия. Гипотеза служит отправной точкой, первой ступенью в построении физической теории. Экспериментальное подтверждение следствий теории является одновременно подтверждением тех основных посылок теории, которые были выдвинуты вначале как гипотезы. Это можно проиллюстрировать при изучении теории всемирного тяготения, теории электромагнитного поля, элементов теории относительности.

 В учебном  процессе логический процесс формирования гипотезы состоит в ее выводе из ранее изученных законов, теорий, идей. При этом происходит дедуктивная экстраполяция этих знаний на объяснение новых фактов и результатов экспериментальной деятельности учащихся.

  Приведем несколько обобщенных схем, отражающих логику включения гипотезы в процесс объяснения нового материала.