Об изучении основных принципов физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Об изучении основных принципов физики

Волковыский Р.Ю.

Оглавление

Введение

1. Научное объяснение

2. Столкновение идей и смена физических представлений

3. Модели и теории солнечной системы

4. Абсолютное пространство и принцип относительности

5. Механика Аристотеля и механика Ньютона

6. Теплота и внутренняя энергия

7. Теория электричества и эфир

8. Световые волны, эфир и теория относительности

9. Квантовая механика и ее конфликт с классической физикой

10. Уровни научного знания и взаимоотношение физических теорий

Заключение

Указатель имен

Примечание

Рецензенты:

канд. физ.-мат. наук, доц. Г. Я. Мякишев,

канд. философских наук, доц. Л. А. Друянов

Волковыский Р. Ю.

Об изучении основных принципов физики в средней школе: Пособие для учителей. -- М.: Просвещение, 1982-- 64 с., ил.

В книге проведён интересный и глубокий методологический анализ основных вопросов развития физической науки с позиций их отражения в процессе преподавания (соотношение между логическим и историческим, экспериментальным и теоретическим, а также между феноменологическими и субстанциальными теориями). На протяжении всей книги прослеживается вопрос о сущности объяснения в науке и в преподавании.

Книга написана живым языком на материале школьного курса физики.

Введение

физический солнечный аристотель квантовый

Поиски методов преподавания, удовлетворяющих современным требованиям научности и высокоэффективных в педагогическом плане, заставляют учителя обращаться к теоретическому обоснованию методов обучения, иными словами, к общим методологическим проблемам преподавания. Всё более чётко осознаётся, что методика преподавания той или иной частной дисциплины или ее раздела должна основываться не только на достижениях соответствующей науки и общих принципах дидактики, но и на достижениях общей методологии наук и логики научного исследования. В частности, преподавателю физики в неменьшей, а, быть может, в большей степени, чем физику-исследователю, необходимо иметь представление об уровнях, методах и формах научного познания, знать общие методологические положения о роли наблюдения, эксперимента и измерения, знать виды определений физических понятий и величин, понимать философское значение принципов физических теорий.

Программа курса физики средней школы предусматривает изучение основ физических теорий -- механики Ньютона, электродинамики, термодинамики, теории относительности. Все теории имеют общую структуру: из небольшого числа общих положений -- принципов (от лат. principium -- начало, происхождение) выводится все здание теории. Наибольшие трудности для ученика и учителя возникают именно при изучении этих основ физических теорий, законов, не выводимых из других положений, а являющихся обобщением опытных данных. Способы изложения этого материала, средства педагогического разъяснения содержания принципов физики можно разработать только на основе анализа проблемы объяснения в общефилософском, естественнонаучном и научно-историческом аспектах.

Объяснение является одной из основных функций науки. Наука не может ограничиться только наблюдением, описанием и систематизацией фактов. Главное в науке -- ее простые, общие и глубокие законы. Чтобы познать их, приходится абстрагироваться от тех сторон изучаемых явлений, которые, будучи несущественными, часто выступают на первый план. Нередко это требует отказа от того, что диктуется «здравым смыслом». А отказаться от привычных заблуждений не легче, чем открыть новое явление.

История физики может служить иллюстрацией того, в каких мучительных сомнениях и в каких жестоких столкновениях идей рождается научная истина. Изучение взаимоотношений разных физических теорий, противоборства их принципов, определение значения той или иной теории, ее места в истории физики представляют не только исторический интерес. Преодолевать привычные представления приходится любому человеку, изучающему физику. Только вдумчивым и упорным трудом можно постичь законы природы: при этом во многих случаях приходится отказываться от идей, ранее представлявшихся бесспорно верными.

В рассказе «Опыт» Бертольд Брехт пишет об английском философе Френсисе Бэконе: «Всю жизнь Бэкон общался с величайшими умами, но его редко понимали, и не потому, что он говорил неясно, а потому, что он говорил слишком ясно». Не случайно это сказано о Ф. Бэконе (1561--1626) -- родоначальнике английского материализма и опытных наук нового времени, выступившем против средневековой схоластики.

Результат опыта может казаться непонятным, если он противоречит уже сложившимся представлениям, основанным на поверхностных наблюдениях или религиозных догмах. Но к нему всегда применимы слова Леонардо да Винчи: «Эксперимент никогда не обманывает, обманчивы наши суждения».

Об опытах Джоуля, Фарадея, Резерфорда, о законах фотоэлектрического эффекта, о волнах де Бройля и дифракции электронов знают все, изучавшие физику. Но многие ли представляют себе в полной мере, какие кардинальные изменения в ранее установившихся физических представлениях и даже в самом нашем мышлении повлекли за собой эти открытия?

Описать результаты опытов легко, каким бы сложным и тонким ни был сам опыт. Значительно труднее осмыслить его результат, если он не согласуется со сложившейся системой знаний и требует построения новой. Пока не построена новая теория и не установлено ее отношение к старой, смысл такого результата остается нераскрытым. Новые же принципы, даже когда они истолковывают опыт и не опровергаются никакими другими экспериментами, кажутся противоречащими «здравому смыслу». Овладеть новыми представлениями можно только путем отказа от попыток узнать в новых фактах уже известное, свести непривычное к знакомому. Чтобы удостовериться в справедливости этого утверждения, следует разобраться в том, что такое научное объяснение.

1. Научное объяснение

Распространены два подхода к природе объяснения. Согласно одному из них, объяснить -- значит сделать понятным, свести новое, непривычное к знакомому, привычному. Согласно другому подходу, объяснить -- значит найти причину явления, факта.

Поскольку нас интересует научное объяснение, оба подхода оказываются несостоятельными. Отождествление объяснения со «сведением к понятному» фактически подменяет анализ природы научного объяснения либо обыденным (объяснить -- сделать ясным; разве это не очевидно?), либо педагогическим пониманием объяснения. Сразу же возникает вопрос: что значит сделать ясным? Если это означает свести незнакомое к знакомому, непривычное к привычному, то всегда ли. это можно сделать? Не придется ли тогда примириться с существованием непонятного, необъяснимого, непознаваемого? И как найти критерий «понятного»? То, что одному представляется понятным, порождает недоумение у другого. Научное же объяснение не может зависеть от субъективного подхода.

Отождествление объяснения со сведением непривычного (незнакомого) привычному (знакомому) составляет сущность позитивистского подхода к проблеме объяснения, который получил распространение в 20-х годах нашего века. Эта концепция развивалась, в частности, в трудах Э. Маха и П. Бриджмена. По Маху, человек считает явление объясненным, когда он к нему привык. В качестве примера Мах приводит всемирное тяготение. Объяснение по Маху -- это сведение непривычно-непонятного к привычно-непонятному. Чтобы показать несостоятельность такого взгляда, достаточно вспомнить, к каким ошибкам он привел самого Маха. Привычными, по Маху, являются прежде всего законы механики. Отсюда -- стремление позитивистов найти аналогии с механикой и защита ими таких аналогий даже тогда, когда они искажают существо дела. Так, явление теплопроводности, переход тепла от горячего тела к холодному, пояснялось позитивистами аналогией с падением тела в поле тяготения. Тем самым проводилась недопустимая параллель между необратимым явлением, связанным с возрастанием энтропии системы, и обратимым переходом потенциальной энергии в кинетическую. В то же время махистская философия отрицала полезность построения новых моделей, отвергала более глубокий подход к объяснению различных явлений. Так, махисты категорически отвергали молекулярно-кинетическую теорию и механическую модель тепловых явлений. Мнение Маха, что тяготение уже не может беспокоить людей, тоже оказалось

несостоятельным. Об этом свидетельствует построение Эйнштейном теории тяготения (общей теории относительности).

Несмотря на очевидные провалы позитивистского подхода к проблеме объяснения, аналогичная точка зрения развивалась крупным физиком П. Бриджменом (1882--1961), который в известной книге «Логика современной физики» писал: «Сущность объяснения состоит в сведении ситуации к элементам, с которыми мы настолько знакомы, что принимаем их как сами собой разумеющиеся, и благодаря этому наше любопытство успокаивается». Но уже Бриджмен замечает, что такое сведение к привычному не всегда возможно. В этом случае он рекомендует ждать, пока не накопится соответствующий опыт и ситуация станет привычной или сведется к уже привычным элементам нового опыта. Таким образом, согласно Маху и Бридж-мену, объяснение состоит лишь в сведении незнакомого к знакомому. Такой подход лежит в русле агностицизма буржуазной идеалистической философии.

В рассуждениях Маха и Бриджмена имеет место смешение проблем объяснения и понимания. Проблема понимания -- это скорее психологическая, чем гносеологическая проблема. Достижение понимания может быть результатом не научного исследования, а ознакомления данного индивидуума с новыми фактами, постепенного привыкания к ним, их освоения. Объяснение же является определенной функцией науки и не может зависеть от привычки к тем или иным фактам.

Нередки случаи, когда объяснения требуют привычные и знакомые явления. Примером может служить голубой цвет неба. Примечательно, что глубокое и убедительное истолкование (объяснение) столь привычного, знакомого явления дается в виде характерной для физической теории точной количественной зависимости.

Ответ на вопрос «Почему небо голубое?» был дан Рэлеем на основе созданной им в 1871 г.. теории рассеяния света. Согласно закону Рэлея, интенсивность рассеяния обратно пропорциональна четвертой степени длины волны света. Чем меньше длина световой волны, тем сильнее рассеяние. Поэтому небо приобретает голубой оттенок, хотя падающий свет белый.

Когда человек сталкивается с чем-то необычным, противоречащим привычным наблюдениям, он, естественно, ищет этому объяснение. Так, броуновское движение представлялось загадочным именно потому, что это явление необычное. Мы привыкли к тому, что движется живое, а неживое неподвижно, если нет видимых причин, заставляющих его перемещаться. Создание Эйнштейном и Смолуховским теории броуновского движения позволило дать решающее доказательство справедливости молекулярно-кинетической теории. Одновременно была решена загадка «вечного движения» броуновских частиц. А голубой цвет неба многим ли представляется загадочным? И все же вопрос «почему?» здесь неизбежен, как неизбежен он в отношении смены дня и ночи, времен года и многих других привычных явлений.

В приведенных примерах объясняемые явления оказались следствиями других, скрытых процессов. В связи с этим напрашивается вопрос: нельзя ли свести объяснение к выяснению причины? Такой подход тоже нельзя считать полностью бесполезным или бессодержательным. Установление причины явления -- одна из функций теории. Гельмгольц писал по этому поводу в 1847 г., что теоретическая часть науки имеет своей целью «определить неизвестные причины явлении из их видимых действий; она стремится понять их из закона причинности»¹. Было бы, однако, неверным сводить объяснение целиком к установлению причинно-следственных связей. Отмечая, что Гегель по сравнению с предшествовавшими ему философами уделяет причинности малое внимание» В. И. Ленин писал: «Причина и следствие... лишь моменты всемирной взаимозависимости, связи (универсальной), взаимосцепления событий, лишь звенья в цепи развития материи» ².

В физике нередки случаи, когда даже непривычным, удивительным фактам нельзя дать причинного объяснения, и вопрос о причине просто неправомерен, не имеет смысла. В классической механике в принципе не дается прямого ответа па вопрос, почему тело движется равномерно и прямолинейно, если па пего не действует сила (можно лишь задать встречный вопрос: а почему, собственно, оно должно останавливаться?). Аналогично невозможно дать причинное объяснение необычному поведению квантовомеханических объектов (микрочастиц, подчиняющихся законам квантовой механики). Ответ на вопрос о причине в этом случае чисто негативный: микрообъекты не обязаны подчиняться законам классической механики, сформулированным для объектов обычных, макроскопических размеров. В то же время квантовая механика дает полное объяснение поведению микрочастиц. Непонятным это поведение может представляться лишь с точки зрения классической механики.

Прежде чем сформулировать, что такое объяснение, рассмотрим, как происходит движение и углубление знания на примере развития представления о механической энергии. Не вдаваясь в детали истории возникновения и развития понятия энергии, наметим основные этапы становления соответствующих представлений и возможный путь их изложения. При этом мы попытаемся выяснить, на каком этапе познания появится объяснение.

Познание начинается с изучения самых элементарных, доступных непосредственному наблюдению и имеющих очевидный смысл объектов и процессов. Большинство людей хорошо усваивает то пли иное понятие лишь в том случае, если может связать его с практикой, с опытом. Поэтому введение понятий физики должно, как правило, подсказываться опытом, вытекать из него. В качестве первого шага к представлению об энергии разумно использовать изучение простых механизмов -- рычагов, ворота, подвижного блока, полиспаста, наклонной плоскости. Каждый из этих простых механизмов позволяет получить выигрыш в силе, т. е. совершить требуемую работу с помощью меньшей силы, чем в случае, когда работа совершается без применения механизмов. При этом можно убедиться, что выигрыша в работе получить нельзя. Обобщая полученные в частных опытах результаты, можно сформулировать так называемое «золотое правило механики»: во сколько раз выиграно в силе, во столько же раз проиграно в пути; работа при применении механизмов остается неизменной. Таким образом, мы получили общее правило, которым можем воспользоваться и в других случаях, аналогичных том, рассмотрение которых позволило его установить. Нетрудно, например, убедиться в том, что оно справедливо для таких механизмов, как клин, винт, гидравлический пресс. Получение общей закономерности есть первый шаг к построению теории. Теперь для выяснения природы этой закономерности требуется серьезная мыслительная работа.

Прежде всего, четко сформулируем полученный вывод. Мы выяснили, что при заданных (фиксированных) начальном и конечном положениях тела работа по перемещению тела не зависит от способа изменения положения тела, способа совершения работы. При отсутствии ускорения и сопротивления движению она полностью определяется начальным и конечным положениями. Поэтому совершенную работу А можно представить как изменение некоей величины U, которая зависит от положения тела:

A=U₂-U₁

где U₁ -- значение этой величины в начальном положении, a U₂ -- ее значение в конечном положении ³. Эту величину можно найти для любого положения тела независимо от того, совершается работа пли нет. Величина, которая зависит от положения тела и изменение которой равно работе, называется потенциальной энергией тела. Подчеркнем еще раз, что возможность введения потенциальной энергии однозначно связана с тем, что работа не зависит ни от чего, кроме начального и конечного состояний тела. Полученную ранее закономерность можно поэтому сформулировать так: существует величина -- функция положения тела, изменение которой равно работе, совершаемой при перемещении тела.

Приведенные соображения показывают, что результатом совершения работы при перемещении тела является приобретение телом энергии, за счет которой оно само может совершить работу. Пусть, например, на конце одного из плечей рычага лежит тяжелый груз, который нужно поднять на определенную высоту, а конец второго плеча поднят высоко вверх. Нагружая конец второго плеча до тех пор, пока рычаг не придет в состояние равновесия, можно добиться того, чтобы этот конец опустился, а груз на конце первого плеча поднялся. Работа по перемещению груза вверх совершена за счет уменьшения потенциальной энергии грузов, находящихся на втором плече. Одновременно увеличилась энергия груза на первом плече, так что и эта работа не «пропала». Таким образом, механическая энергия есть не что иное, как «накопленная», «запасенная» работа.

Теперь можно утверждать, что в результате теоретического исследования получила объяснение подмеченная закономерность -- независимость работы от того, каким способом она совершается. Выигрыш в работе не может быть получен потому, что ее значение определяется изменением энергии тела. Когда совершается работа, одно тело получает энергию от другого, так что сумма энергий тел остается неизменной. Итак, «золотое правило механики» можно обосновать фактом сохранения энергии. За счет введения понятия энергии достигается более глубокое понимание «золотого правила», выявляется его скрытый смысл.

Приведенное рассмотрение нельзя считать полным, так как в нем не учитывалась возможность изменения скорости тела. Энергия рассматривалась лишь как функция положения (речь шла только о потенциальной энергии). В общем случае совершение работы может приводить не только к изменению положения тела, но и к изменению его скорости. Изменение скорости тела полностью определяет работу равнодействующей сил, приложенных к данному телу. Величина, изменение которой равно работе и которая зависит от скорости движения тела, есть кинетическая энергия. Таким образом, работа может накапливаться не только в виде потенциальной, но и в виде кинетической энергии. За счет кинетической энергии тело может совершить работу, которая будет сопровождаться изменением потенциальной энергии этого тела или изменением энергии других тел. Примером перехода кинетической энергии тела в его же потенциальную энергию может служить любой маятник (эффектен вращающийся маятник Максвелла). При упругом столкновении движущегося шара с покоящимся шаром той же массы происходит полная передача кинетической энергии от первого шара ко второму. Все сказанное означает сохранение полной механической энергии. Этот вывод является, несомненно, более широким и глубоким, чем «золотое правило механики». Из закона сохранения энергии следует вывод об абсурдности попыток создать «вечный двигатель» -- безостановочный механизм, который бы совершал работу без затраты энергии.

Подчеркнем, что переход от «золотого правила механики» к закону сохранения полной механической энергии есть не просто новое оформление известной закономерности, но обобщение, связанное с более глубоким проникновением в ее сущность. Чтобы сформулировать закон сохранения энергии в механике, необходимо отвлечься от ряда явлений, всегда сопровождающих совершение механической работы, признать несущественными явные нарушения этого закона, например, при наличии сил сопротивления движению, при неупругих соударениях, когда механическая энергия уменьшается. Поскольку само введение понятия энергии основано на независимости работы от условий ее совершения, эти явления могли бы породить сомнение в полезности понятия энергии. Необходима была большая проницательность, чтобы понять, что явления, в которых механическая энергия не сохраняется, вовсе не свидетельствуют об эфемерности самой энергии.

Переход к формулировке закона сохранения энергии в механике был необходим для раскрытия сущности «золотого правила механики» и других наблюдавшихся закономерностей. При этом общий закон связал между собой его различные проявления. В ходе исследования использовались разнообразные средства научного познания: наблюдение, измерение, систематизация фактов, формализация знания (т. е. поиск математического выражения найденной закономерности), обобщение и т. д. Таким образом, сущность раскрывается в результате всего процесса научного познания. Выявление сущности, являющееся одной из важнейших целей науки, и есть объяснение. «Объяснить... различные, доступные лишь различным органам чувств свойства, -- писал Ф. Энгельс, -- привести их во внутреннюю связь между собой как раз и является задачей пауки...» ⁴.

В результате установления взаимосвязи между разнообразными объектами и явлениями, относящимися к некоторой области, возникает научная теория. Теория может быть представлена как логическая система, в основе которой лежит небольшое число исходных принципов. При помощи законов и правил логики из исходных принципов могут быть выведены закономерности явлений и процессов, относящихся к кругу применимости теории, соотношения между величинами, характеризующими объекты теории и т. д. Тем самым происходит унификация и систематизация знания. Каждый объект рассматривается как элемент всеобщего, универсального отношения. Такая унификация знания возможна лишь через познание сущности объектов, выявление общих, закономерных, необходимых связей и отношений. Иначе говоря, построение теории и объяснение -- это тесно связанные, неотделимые друг от друга процессы. В частности, в рассмотренном примере объяснение найденной в механике простых механизмов закономерности путём введения понятия энергии есть одновременно установление связи объектов, для которых вводится понятие потенциальной энергии в поле тяготения, с другими объектами, для которых выполняется закон сохранения механической энергии. Энергия тел в поле тяготения оказывается частным случаем потенциальной энергии вообще.

Неправильное или слишком узкое понимание объяснения, отождествление его с пониманием или причинным объяснением может привести к отрицанию объяснения. Действительно, если объяснение состоит всего лишь в сведении к знакомому, к само собой разумеющемуся или к «привычно-непонятному», то это значит, что наука призвана не раскрывать сущность, а лишь описывать ее внешние проявления. Познание сущности при этом объявляется неразрешимой задачей, а теории отводится функция не раскрытия внутренних связей в объектах и явлениях, а лишь описания полученных об объектах или явлениях данных «наиболее экономным образом».

Некоторые ученые, сводя объяснение к выяснению причины и в то же время понимая, что вопрос о причине может не иметь смысла, отрицали, что объяснение является целью науки. Один из крупнейших физиков XIX в. Густав Кирхгоф (1824--1887) неоднократно подчеркивал, что задачей науки является не объяснение, а описание происходящих в природе явлений в наиболее полном и простом виде. Однако, уточняя свою мысль, он писал: «Я хочу этим сказать, что все сводится к тому, чтобы раскрыть происходящие явления, а не к тому, чтобы доискиваться их причин» ⁵. Ясно, что «раскрыть» и означает объяснить, вскрыть сущность в широком смысле этого слова, а не только в смысле выяснения причины. Задача науки состоит не только в описании, но и в объяснении и предсказании явлений. При этом, если под объяснением понимать познание сущности, установление необходимых внутренних связей, оно остается функцией пауки и в тех случаях, когда доискиваться причин явления бесполезно и бессмысленно.

От рассмотрения понятия научного объяснения перейдем теперь к вопросу об объяснении педагогическом. При этом нас будет интересовать наиболее сложный вопрос педагогического объяснения -- толкование основных принципов физики, ее начал, не выводимых в данной теории из других законов, а опирающихся на опыт. Трудность разъяснения основных принципов имеет две причины.

Во-первых, каждый из таких принципов, как мы видели на примере закона сохранения энергии, представляет собой не просто формулировку результата опыта, но обобщение опытных данных, причем формализованное, т. е. представленное в виде математического соотношения. Отсюда вытекает необходимость выяснения связи принципа, лежащего в основе теории, с экспериментом.

Во-вторых, принципы современной физики являются результатом длительного диалектического развития науки и кажутся подчас противоречащими привычным представлениям «здравого смысла». Учащиеся же склонны руководствоваться интуицией, которая в ряде случаев оказывается обманчивой. Отказаться от того, что кажется интуитивно очевидным (а на самом деле является лишь привычным), очень не просто. Крупнейшие ученые прошлого (например, Декарт) считали возможным основывать систему знаний на положениях, которые интуитивно очевидны. Поэтому понятно, что учащимся трудно отказываться от того, что им представлялось очевидным, и воспринять новые для них принципы. Для того чтобы учащиеся восприняли новые для них принципы недостаточно только обосновать эти принципы опытным путем. Формально усвоив тот или иной принцип (например, принцип инерции), учащийся все же склонен исходить из привычного, не сознавая того, что это привычное противоречит уже известным ему физическим законам. Когда же учащийся убеждается в том, что его интуиция расходится с истиной, он заявляет: «Я физики не понимаю» -- и теряет к ней интерес. В связи с этим полезно не только настойчиво разъяснять и раскрывать проявления физического закона в различных ситуациях, но также обратиться к истории физики, сопоставить старые и новые представления. Для этого учитель должен представлять себе характер развития науки и знать, какие преобразования в процессе эволюции физики претерпевал каждый из ее разделов.

2. Столкновение идей и смена физических представлений