Методологічна роль законів збереження у фізиці

КУРСОВА РОБОТА

‘’МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ ЗАКОНІВ ЗБЕРЕЖЕННЯ В ШКІЛЬНОМУ КУРСІ ФІЗИКИ‘’

 

 

Студентки IV курсу групи ФІ-08

Трофимчук Альони Миколаївни

Керівник:

к. ф.-м. н., доцент

Кадченко Валентина Миколаївна

 

КРИВИЙ РІГ-2012

ЗМІСТ

 

ВСТУП

РОЗДІЛ I. ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ У ФІЗИЦІ

Методологічна роль законів збереження у фізиці

Аналіз навчальної програми середньої та старшої школи з фізики…

Висновок до розділу I

РОЗДІЛ II.МЕТОДИКА ВИВЧЕННЯ ЗАКОНІВ ЗБЕРЕЖЕННЯ В ШКІЛЬНОМУ КУРСІ ФІЗИКИ

Закон збереження енергії

Закон збереження імпульсу

Закон збереження електричного заряду

Висновок до розділу II

ВИСНОВКИ

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

 

ВСТУП

 

Фізика - це наука про найбільш загальні властивості і форми руху матерії. Фізика допомагає учням пізнавати навколишній світ.

Одним із найголовніших завдань фізики є дослідження закономірностей природних явищ і знаходження способів застосування цих явищ у житті людини. Задача учителя не тільки знати фізику, а й оволодіти науково-обгрунтованим арсеналом прийомів і способів передачі знань учням.

Фундаментальні фізичні закони - це найбільш повне на сьогоднішній день, але наближене відображення об'єктивних процесів у природі. Різні форми руху матерії описуються різними фундаментальними теоріями. Кожна з цих теорій описує цілком певне явище: механічний або тепловий рух, електромагнітні явища, тощо.

Закони збереження фізичних величин - це твердження, згідно з якими чисельні значення цих величин не змінюються з часом, за певних умов.

Закони збереження енергії, імпульсу та моменту імпульсу відносяться до числа тих найбільш фундаментальних принципів фізики, значення яких важко переоцінити. Роль цих законів особливо зросла після того, як з’ясувалося, що вони далеко виходять за рамки механіки і представляють собою універсальні закони природи. До цих пір не було виявлено жодного явища, де б порушувались ці закони. Вони безпомилково “діють” і в області елементарних частинок, і в області космічних об’єктів, у фізиці атома і фізиці твердого тіла та являються одними з тих небагатьох загальних законів, які лежать в основі сучасної фізики.

Відкривши можливість іншого підходу до розгляду класичних механічних явищ, закони збереження стали потужним інструментом дослідження, яким кожного дня користуються фізики. Ця найважливіша роль законів збереження як інструмента дослідження обумовлена рядом причин.

. Закони збереження не залежать ні від траєкторій частинок, ні від характеру діючих сил. Тому вони дозволяють отримати ряд досить загальних і важливих висновків про властивості різних механічних процесів, не занурюючись в їх детальний розгляд за допомогою рівнянь руху. Якщо, наприклад, виявляється, що якийсь процес суперечить законам збереження, то одразу можна стверджувати: цей процес неможливий і безглуздо намагатися його здійснити.

. Той факт, що закони збереження не залежать від характеру діючих сил, дозволяє використовувати їх навіть тоді, коли сили взагалі невідомі. В цих випадках закони збереження є єдиним і незамінним інструментом дослідження.

. Навіть в тих випадках, коли сили відомі, закони збереження допомагають розв’язувати багато задач про рух частинок. Всі ці задачі можуть бути розв’язані за допомогою рівнянь руху, але застосування законів збереження дуже часто дозволяє отримувати розв’язок більш простим шляхом.

Актуальність обраної теми полягає в тому, що сучасна фізика вивчає величезну кількість різних процесів у природі. Не всі з них піддаються вивченню і поясненню з точки зору механізму процесу. Тим не менш наука йде вперед і загальні концепції існування природи відомі вже сьогодні. Якраз на цьому етапі перед вчителем і постала проблема створення таких методів пізнання, які б змогли пояснити непізнане і невідоме.

У даній роботі мова піде про методику вивчення законів збереження, на яких сьогодні і тримається сучасна картина світу.

Об'єктом дослідження є процес вивчення закону збереження енергії, імпульсу, заряду в шкільному курсі фізики.

Предметом дослідження служать методи і прийоми навчання при вивченні закону збереження енергії, імпульсу, заряду в шкільному курсі фізики.

Мета дослідження:

ü розглянути методологічну роль законів збереження енергії, імпульсу, заряду;

ü виявити особливості вивчення законів збереження в середній та старшій школі;

ü проаналізувати вікові особливості учнів;

ü визначити зв’язки між явищами збереження і перетворення енергії;

ü розкрити можливості вдосконалення навчання фізики;

ü розробити рекомендації та методичні вказівки, щодо вивчення тем «Закон збереження механічної енергії», «Закон збереження імпульсу», «Закон збереження електричного заряду».

Завдання дослідження:

ü вивчити і проаналізувати наукову і навчальну літературу з теми «Закон збереження механічної енергії», «Закон збереження імпульсу», «Закон збереження електричного заряду»;

ü зібрати методичні рекомендації, щодо вивчення тем пов’язаних із законами збереження;

ü ознайомитись з методикою викладання тем «Закон збереження механічної енергії», «Закон збереження імпульсу», «Закон збереження електричного заряду»;

ü описати умови при яких закони збереження справедливі;

ü оцінити перспективи і подальший розвиток методики вивчення законів збереження.

 

РОЗДІЛ I. ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ У ФІЗИЦІ

Методологічна роль законів збереження у фізиці

методика вивчення фізика шкільний

Місце фізики в системі загальноосвітніх предметів визначається особливостями фізики серед інших наук. Сучасна фізика є найважливішим джерелом знань про навколишній світ, основою науково-технічного прогресу і разом з тим одним з найважливіших компонентів людської культури[9].

Фізика є наукою, що відкриває фундаментальні закони природи. Фізичні теорії і фізичні методи дослідження все більше проникають в інші природничі науки (хімію, астрономію, біологію тощо) і дають важливі результати. Фізику вважають теоретичною основою сучасної техніки, багато галузей якої виникли на базі фізичних відкриттів.

Фізика вивчає первинні структури матерії і відповідні їм найпростіші форми її руху. Цим вона створює природничо-наукову базу для сучасного світогляду[7]

Значення того чи іншого навчального предмета визначається через його специфічні особливості та ознаки. Фізика як навчальний предмет навчального плану середньої школи дозволяє озброїти учнів основами фізики - науки про природу. Зміст, система і методологія фізики відкривають великі можливості для формування наукового світогляду учнів, вироблення практичних умінь і навичок, дійових навичок самостійної роботи. При реалізації цих завдань розвиваються розумові здібності учнів, зокрема логічне мислення учнів, як відображення вищої логіки - логіки природи. Фізика має величезний виховний потенціал[6].

Сучасний етап розвитку загальноосвітньої школи спрямований на виховання учнів засобами навчального предмета. Виховання невіддільне від мислення, формування наукової картини світу і оволодіння методами пізнання природи. Наукове мислення як психічний процес, полягає в узагальненому відображенні суб'єктом суттєвих зв'язків і відносин дійсності.

Перехід школи на нову систему фізичної освіти передбачає вивчення в основній школі систематичного курсу. Систематизація змісту навчального матеріалу кожного розділу курсу фізики на основі понять, законів, деяких ідей фізичної теорії та фізичної картини світу дозволяє виділити загальнонаукові поняття, фундаментальні закони, основними з яких є закон збереження і перетворення енергії, імпульсу, заряду[9]

У концепції модернізації освіти підкреслено, що вирішення завдань навчання фізики в основній школі неможливо без розкриття універсального характеру законів збереження, без показу їх значення в науці і техніці. Вивченню енергетичних характеристик фізичних явищ, речовини і поля відводиться значна частина навчального матеріалу курсу фізики. Відображення універсальності закону збереження і перетворення енергії важливо для формування наукової картини світу, зокрема її ідей про матеріальну єдність світу, енергії - кількісної міру руху, рух - спосіб існування матерії[2]

Фізична картина світу - частина наукового світогляду. Формуючи світогляд, розвиваючи теоретичне мислення учнів, важливо залучати їх увагу до процесів зміни, властивим матеріальним об'єктам. Для фізичних форм руху існує єдина кількісна міра, якою є енергія. Встановлення єдиної міри руху обумовлено тим, що фізичні форми руху здатні перетворюватися друг у друга в певних кількісних співвідношеннях. Це стверджує закон збереження і перетворення енергії.

В даний час проблема відбору змісту навчального матеріалу в основній школі, послідовність його вивчення, які забезпечували б засвоєння енергії як заходи руху і взаємодії об'єктів природи, знаходяться в центрі уваги педагогічної науки.

В основній школі (на першому ступені навчання) раніше не вивчався закон збереження і перетворення енергії. Розглядалося перетворення окремих видів енергії в інші без вивчення закону збереження механічної енергії, закону збереження енергії в теплових процессах[9]. Досвід вивчення цих питань на першій ступені обмежений. Строго, логічно, несуперечливо ввести поняття енергії вкрай важко. Енергія - це теоретичне поняття, вона характеризує рух і взаємодію різних видів матерії. На відміну від більшості інших понять енергія являє собою абстракцію більш високого рівня, необхідну для формування в учнів фізичної картини світу. Дослідження психологів (П.Я. Гальперін, В.В. Давидов, О.М. Леонтьєв, Ж. Піаже, C.JI. Рубінштейн) показують, що учні 7-9 класів здатні до освоєння системи знань з фізики[14]. Психологи вважають важливою властивістю особистості школяра підліткового віку можливість абстрактних узагальнень, освоєння розумових дій, характерних для наукового мислення, оперування емпіричними і теоретичними методами пізнання природи. Змістовне узагальнення розглядається нами як теоретичне узагальнення, що формується в учнів при вивченні курсу фізики в основній школі, на рівні понять, законів, ідей фізичної картини світу. Систематизируючими факторами теоретичних узагальнень можуть слугувати поняття енергії, а також закон збереження і перетворення енергії.

Даний висновок базується на результатах багаторічного досвіду середньої загальноосвітньої школи по змістовному узагальненні, зокрема за методикою формування поняття енергії. Істотний внесок у формування поняття енергії при вивченні фізики в середній школі внесли такі видатні вчені методисти, як JI.A. Іванова, І.К. Кікоїн, А.К. Кікоїн, В.В. Мултановський, В.Н. Мощанский та ін.[14]. Ними досліджено поняття енергії на різних рівнях теоретичного узагальнення: закон збереження і перетворення енергії, фізична картина світу, природнича картина світу.

Значимість поняття енергії у формуванні наукового світогляду при вивченні курсу фізики основної школи змушує звертатися до теоретичних передумов вивчення взаємодії, енергії і закону збереження і перетворення енергії, що відображає єдність природи. Рівень засвоєння учнями поняття енергії визначається багатьма факторами. Найважливішим із них є методична підготовка вчителя. Удосконалення методичної підготовки студентів - майбутніх вчителів фізики є однією з умов підвищення наукового рівня викладання курсу фізики основної школи.

Вивчення наукової літератури, спостереження навчального процесу з фізики дозволили визначити і обгрунтувати принципи відбору змісту навчального матеріалу та розробити методику формування поняття енергії в курсі фізики основної школи. Поняття енергії і закон збереження енергії пронизує всі розділи курсу фізики. Зміст навчального матеріалу, що відноситься до даного поняття і закону, можна розглядати як систему понять, ідей природничо-наукової картини світу і методів наукового пізнання[9]. Система включає: поняття видів енергії, взаємодії фізичних об'єктів, властивості збереження і перетворення енергії; ідеї фізичної картини світу (рух як спосіб існування матерії, енергія як кількісна міра руху, універсальність закону збереження енергії, матеріальна єдність світу). Система наукових знань тісно взаємопов'язана з методами пізнання природи. Закон збереження і перетворення енергії є також методом перевірки результатів дослідження не тільки у фізиці, але й в інших природничих науках.

Проведено аналіз методологічних функцій загальнонаукових понять взаємодії та енергії[14]. В результаті взаємодії об'єктів змінюється їх енергія. Енергія є спільною кількісною мірою руху і взаємодії всіх видів матерії. Поняття енергії пов'язує воєдино всі явища природи. Є якісно різні форми руху матерії, які здатні перетворюватися один в одного в строго певних кількісних співвідношеннях. Закон збереження і перетворення енергії реалізує методологічний принцип збереження.

Аналіз становлення і розвитку поняття енергії показує, що основна властивість енергії - збереження на початку було встановлено при механічних, теплових, а потім електромагнітних і квантових взаємодіях. Принцип історизму, покладений в основу конструювання змісту навчального матеріалу, передбачає врахування даного факту в послідовності вивчення видів енергії, починаючи з механічної енергії і внутрішньої енергії систем об'єктів.

У систематичних курсах фізики у відповідності з різними формами руху матерії розглядають різні форми енергії. Матеріал про закон збереження енергії кожного розділу фізики можна розглядати як дидактичну підсистему, пов'язану з емпіричним та теоретичним методами пізнання.

Виявлено тенденції вдосконалення викладу матеріалу про енергію у вітчизняних та зарубіжних курсах фізики. У механіці систематичних курсів фізики поняття механічної енергії вводиться з використанням зв'язку роботи і механічної енергії (терема про кінетичну енергію). Внутрішня енергія в термодинаміці вивчається на основі експерименту, а закон збереження і перетворення енергії розглядається у зв'язку з першим законом термодинаміки. В електродинаміці енергія електромагнітного поля і закон збереження і перетворення енергії застосовується при поясненні дії електричних машин і коливального контуру; у квантовій фізиці при вивченні теорії Бора, енергії зв'язку та поясненні дії ядерного реактора.

Методика формування поняття про енергію спирається на психологічні теорії поетапного формування розумових дій та видів узагальнення. Для оцінки досягнень використовуються різні типи систематизації, що дозволяють виявити рівні засвоєння енергії і закону збереження і перетворення енергії[14].

На підставі принципів формування в учнів основної школи поняття енергії визначена змістовна модель. Вона включає цілі вивчення системи понять, пов'язаних з поняттям енергії та її збереження. Основний зміст моделі відноситься до механіки, термодинаміки, основам електродинаміки, елементам квантової фізики курсу фізики загальноосвітньої школи. Узагальнення навчального матеріалу про енергію і законів збереження енергії проводиться в кінці курсу фізики дев'ятого класу на основі ідей фізичної картини світу. Найважливішими з них є ідеї про енергію як міру руху матерії, єдності і пізнаванності світу, незнищенності руху матерії, універсальності закону збереження енергії.

В основу введення поняття енергії в кожному розділі курсу покладена відомий пізнавальний ланцюжок діяльності: мета - мотив - досвід-визначення величини - одиниця величини в СІ - приклади застосування поняття[14].

У механіці закон збереження енергії розглядається на прикладі тіла, піднятого над Землею. Логічний ланцюжок вивчення даного закону такий:

 

Перший закон термодинаміки виражає закон збереження і перетворення енергії, поширений на теплові явища. Схема його вивчення в курсі фізики 9 класу наступна:

 

При вивченні основ електродинаміки розвивається поняття енергії. Учні дізнаються про енергію електричного поля, магнітного поля, електромагнітного поля. Закон збереження і перетворення енергії поширюється на електричні явища:

 

 

Так, дія ідеального коливального контуру пояснюється періодичними перетвореннями енергії електричного поля конденсатора в енергію магнітного поля котушки. Повна енергія ідеального контуру постійна.

Вивчаючи елементи квантової фізики, учні дізнаються про енергію атома і ядра, знайомляться з квантовим характером випромінювання і поглинання світла. Закон збереження і перетворення енергії учні застосовують при вивченні ядерного реактора.

Незважаючи на відмінності схем вивчення закону збереження і перетворення енергії, в них можна виділити загальні риси. У всіх розділах розглядаються приклади його використання для пояснення механічних, теплових, електричних, квантових явищ. Ці приклади показують, що для фізичних форм руху існує єдина кількісна міра, якою є енергія. Встановлення єдиної міри руху обумовлено тим, що фізичні форми руху здатні перетворюватися одна в одну в певних кількісних співвідношеннях[16].

Вивчення енергетичних понять і закону збереження і перетворення енергії супроводжується аналізом демонстраційних дослідів і лабораторних робіт. Методика формування поняття енергії та вивчення закону збереження і перетворення енергії передбачає різні форми проведення уроків.