Использование материала по истории науки в преподавании физики и воспитании толерантности

В преподавании школьного курса физики основной упор делается обычно на решение задач. Причиной такого выбора стал, в первую очередь социальный заказ высшей школы. Экзамен по физике в технический ВУЗ требует именно этого навыка.

Но в погоне за задачами (часто просто приучая бездумно применять готовые формулы или алгоритмы) учитель, а за ним и ученик, перестают видеть красоту этой науки, ее исторические корни. А это ведь очень важно для общего развития личности человека. Особенно страдают учащиеся с гуманитарным складом ума, учащиеся, не определившие к 15 годам свой профиль.

Поэтому, на мой взгляд, очень важно на уроках физики, во внеурочной работе уделять время для описания жизнедеятельности великих ученых прошлого и настоящего времени. Важным моментом становится международность деятельности ученых, многие из них по доброй воле или вынужденно должны были переезжать из страны в страну. При этом менялись условия их работы, цели, задачи, но, в первую очередь, они оставались людьми науки.

Вынужденные переселенцы всегда вызывают противоречивые чувства, поэтому в воспитании современных школьников необходимо уделять время воспитанию толерантности. Лучше всего начинать такую работу на примере великих людей, людей науки.

Предлагаемый конспект урока посвящен теме “Уравнение Бернулли” и содержит сведения о биографии ученого, чья жизнь протекала в разных странах.

При подготовке урока использовались материалы газеты “Физика” и энциклопедия “Аванта плюс”.

 На доске написан эпиграф:

Учитель. Долгое время мы с вами изучали применение закона сохранения энергии к движению и взаимодействию твердых тел. Но нас окружает множество примеров движения и взаимодействия газов и жидкостей. Течет вода по водопроводным трубам, река – по руслу, кровь – по кровеносным сосудам, воздух – в шланге пылесоса. Выполняется ли закон сохранения энергии для этих случаев? Или это явление описывается какими-то другими законами?

Ни один писатель не обходится без описания брызг, возникающих при течении горной речки или фонтана, струи которого становятся все тоньше и тоньше. Иногда встречаются даже поучительные истории, которые могут заставить нас задуматься.

Учащиеся разыгрывают сцену “Суд визиря”.

Пленника бросили посреди небольшой круглой комнаты. Здесь вершил суд сам великий визирь. Сухо прошелестел его голос:

Аллах дарует тебе жизнь, - визирь увидел, как вздохнул пленник, - если отгадаешь великую загадку древних. – Он показал на плоскую чашу, подвешенную на цепях. – Стоит открыть отверстие в дне чаши, и из нее потечет вода. Каждый миг вытекает одно и то же количество воды. Отчего же сужается струйка, удалясь от чаши? Твое время – пока течет вода. С последней каплей падет и твоя голова.

Как быстро течет вода! Стража уже обнажила острые изогнутые сабли. Трудно решать на волоске от гибели. Но голос пленника не дрогнул. Он успел назвать причину сужения струи.

Что ответил пленник?

Ученики пытаются ответить на вопрос. Если у них это не получается, ученик-пленник подводит их к правильному ответу , приводя конкретный пример: а если падает не вода, а твердый предмет? Что происходит с его скоростью при приближении к земле?

Вместе с пленником учащиеся дают правильный ответ: Чем ближе к земле, тем быстрее движутся частицы струи. Из-за этого струя становится тоньше.

Учитель. Путем рассуждений мы пришли с вами к одному из принципов гидродинамики – науки изучающей движение жидкостей и их воздействие на обтекаемые ими твердые тела. Принципу неразрывности: v S = const. Здесь v – скорость жидкости, S – площадь сечения трубы, по которой течет жидкость. Сформулировать этот принцип можно и так: сколько вливается жидкости в емкость, столько должно и выливаться, если условия течения не изменяются. Скорость в узких участках трубы должна быть выше, чем в широких. Принцип неразрывности является случаем применения закона сохранения массы.

Но одна из самых важных величин, характеризующих жидкость и ее действие на погруженные в нее тела, это давление. Как меняется и меняется ли вообще давление при течение жидкости по трубе?

Уравнение, описывающее связь скорости движения жидкости и давления внутри струи, было получено в 1738 г. Даниилом Бернулли. Ему удалось описать движение несжимаемой идеальной жидкости ( силы трения между элементами идеальной жидкости, а также между идеальной жидкостью и стенками сосуда отсутствуют). Это уравнение является частым случаем проявления закона сохранения энергии, а также применения принципа неразрывности струи.

Уравнение Бернулли имеет вид:

Где - давление жидкости;

- кинетическая энергия единицы объема жидкости;

- потенциальная энергия единицы объема жидкости.

Для профильных классов можно предложить вывод этого уравнения, взяв за основу учебник “Физика-10” Л.А.Анциферов или любой другой.

Откуда родом Даниил Бернулли, ученый, впервые описавший движение жидкостей.

Кто он по происхождению? Голландец как все его предки, швейцарец – по месту рождения и большей части прожитого времени? Какое отношение он имеет к России?

Учащиеся рассказывают о жизни Даниила Бернулли.

Швейцарский ученый Даниил Бернулли – выходец из семьи голландского происхождения, многие члены которой стали известными математиками и физиками. Старшие представители этой плеяды – два брата Якоб Бернулли и Иоганн Бернулли – были учениками и сподвижниками великого Лейбница и участвовали в разработке открытого им исчисления бесконечно малых.

Сын Иоганна Даниил Бернулли ( 1700 –1782) по праву считается самым выдающимся представителем этой замечательной династии. Детство Даниила, родившегося в Гронингене, протекало в обстановке, типичной для семьи обретающего солидность и уверенность ученого муже. Иоганн был строгим, но заботливым отцом и учителем для Даниила. Помимо регулярных лекций по математике в университете он читал также курс экспериментальной физики. Лекции Иоганна Бернулли по этому новому тогда предмету пользовались большой популярностью. Этот период жизни и творчества Иоганна Бернулли почти точно повторился в судьбе Даниила, когда он работал в Петербугской академии наук: те же систематические занятия математикой, тот же глубокий интерес к практическим проблемам экспериментальной физики.

Закончив в 1716 г. Базельский университет и получив степень магистра философии, Даниил по совету отца начал изучать медицину в Базеле, а затем продолжил занятия ею в Гейдельберге и Страсбурге. В 1721г. он получил степень лиценциата медицины, а в 1724г. издал первую крупную работу “Математические упражнения”. Основная ее часть посвящена задаче истечения жидкости из сосуда. С медицинской точки зрения Бернулли интересовали вопросы определения скорости движения жидкости ( крови) в кровеносных сосудах, влияние величины кровяного давления на характер этого движения и т.д. В медицине молодой Даниил черпал разнообразие задач, проникал в их физическую сущность, полуинтуитивно отыскивал оптимальный подход к их решению. Однако смысл задач был чисто гидродинамическим.

В 1725 г. Даниил Бернулли вместе с группой других иностранных ученых был приглашен в качестве почетного члена в Петербургскую академию наук. До 1730 г. он работал на кафедре физиологии, а в 1730-1733 гг. руководил кафедрой чистой математики. В 1733 г. Даниил Бернулли возвратился в Базель и возглавил в университете кафедру анатомии и ботаники, а с 1750 г. – кафедру опытной физики, которой руководил до своей смерти.

Даниил был одним из самых выдающихся физиков и математиков XVII столетия. Парижская королевская академия наук десять раз присуждала ему премии за лучшие работы по вопросам математики и физики, а в 1734 г. он разделил со своим отцом двойную премию той же академии за сочинение “О причинах различного наклонения планетарных орбит к солнечному экватору”.

Основные научные интересы Даниила Бернулли – гидродинамика, кинетическая теория газов и теория колебаний. Он обосновал газовый закон Бойля-Мариотта, предложил дифференциальное уравнение колебаний струны и нашел его решение в виде бегущих волн. В своем главном труде “Гидродинамика, или Изъяснение сил и движений жидкости”, а также в ряде мемуаров Даниил Бернулли развил представления Лейбница о живых силах (на современном научном языке это понятие соответствует кинетической энергии). Применяя их к элементам сплошной среды, он вывел уравнение стационарного движения идеальной жидкости, носящее его имя.

Учитель. Уравнение Бернулли просто объясняет множество явлений, происходящих в жидкости и газе. Например, возникновение подъемной силы крыла. Капитаны морских и речных судов прекрасно знакомы с коварным проявлением уравнения Бернулли. Если два корабля идут параллельным курсом слишком близко один к другому, возникает гидродинамическая сила, толкающая их друг к другу, в результате чего может произойти кораблекрушение. Явление кавитации также объясняется этим уравнением. Если скорость течения по какой-либо причине значительно возрастет, то давление сильно понизится – настолько, что жидкость закипит. Такую скорость можно получить, если пропускать жидкость через очень узкий участок трубы. Большие скорости создаются и при быстром ращении корабельного винта. Закипающая жидкость может испортить винт или трубу, по которой она течет.

На основании уравнения Бернулли можно придумать и несложные, но оригинальные опыты, которые часто можно увидеть не только на уроке физики.

Учащиеся показывают подготовленные заранее опыты: шарик висит с струе воздуха от воздуходувки, поднимание листа бумаги с помощью трубочки с раструбом.

Учитель подводит итоги урока.

Сегодня мы с вами убедились, что наука похожа на реку. Река течет по территории многих государств, никому не принадлежит и одновременно принадлежит всем. Так и люди, занимающиеся наукой, часто не могут усидеть на месте, они могут переезжать из одной страны в другую, и при этом работать на благо всего человечества, а не отдельного государства.

Жизнь Даниила Бернулли похожа не его замечательное уравнение. Движение по разным странам, взаимодействие со многими учеными мужами, периодическое расширение и сжатие научных интересов в конечном итоге привели к устойчивой, неизменной научной деятельности , результатами которой человечество пользуется до сих пор, находя все новые и новые применения.