Цель урока: проследить процесс познания мира на примере последовательного выстраивания физических картин мира.
Тип урока: урок закрепления знаний.
Оборудование:
- Компьютер, проектор, экран.
- Приборы для демонстрации:
- I, II, III законов Ньютона;
- определения ускорения свободного падения по весу и массе тела;
- опытов Фарадея;
- генерирования и передачи на расстояние электрической энергии;
- линий индукции магнитного поля в объеме;
- линий напряженности однородного электрического поля;
- дисперсии, дифракции, интерференции, поляризации света;
- явления фотоэффекта;
- преобразования световой энергии.
За две недели до урока учащихся класса необходимо распределить по группам и организовать в каждой группе проектную деятельность. Ребята под руководством учителя выбирают тему проекта, составляют и осуществляют план работы, включающий в себя выбор тем для повторения, систематизацию материала, постановку лабораторного или демонстрационного эксперимента, обработку получившихся данных эксперимента в Microsoft Excel, выполнение в Power Point презентации результатов работы. Для логического перехода от одной картины мира к другой необходимо привлечь учащихся к роли ведущих от имени Исаака Ньютона, Альберта Эйнштейна, Джеймса Максвелла.
Ход урока
О сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель.
А.С. Пушкин
Учитель: Цель физики заключается в отыскании общих законов природы и в объяснении конкретных процессов на их основе. По мере продвижения к этой цели пред учеными постепенно вырисовывалась величественная и сложная картина единства природы. Мир представляет собой не совокупность разрозненных, независимых друг от друга событий, а разнообразные и многочисленные проявления одного целого.
Ньютон: Весь мир состоит «из твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц». Эти «первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем тела, которые из них состоят, настолько тверды, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются вдребезги». Все богатство, все качественное многообразие мира – это результат различий в движении частиц.
Максвелл: Многие поколения ученых поражала и продолжает поражать величественная и цельная картина мира, созданная на Ваших, уважаемый сэр, законах! Но законы поведения электромагнитного поля нельзя свести к механике, а между тем электромагнитные силы чрезвычайно распространены в природе: они действуют и в атомном ядре, и в атоме, и в молекуле, и между отдельными молекулами в макроскопических телах. Действие электромагнитных сил обнаруживается и на ядерных расстояниях, и на космических. Я думаю, уважаемые коллеги, что все события в мире управляются законами электромагнитных взаимодействий.
Ньютон: А мои законы движения частиц и закон гравитационного взаимодействия может быть выведен из ваших законов?
Максвелл: Нужно подумать над этим.
Эйнштейн: Я думал, очень долго думал над этим вопросом.
Максвелл и Ньютон одновременно: И каков результат?
Эйнштейн: Я верил, что у Природы есть законы, объясняющие все взаимодействия масс и зарядов, все проявления гравитации и электромагнетизма и «сплачивающие» их и единое целое. Я глубоко верил в разумное устройство Природы. Эта вера воодушевляла меня в поисках единой теории, но теория никак не давалась мне в руки… да и коллеги по цеху моих поисков не одобряли. С годами я превратился в одинокого смотрителя маяка, который освещал «дорогу в никуда».
Учитель: И все-таки в своих надеждах Вы оказались правы. Поиски единой теории, правда, на несколько иных путях, позднее захватили многих физиков и не без успеха продолжаются в наши дни. В сущности, в науке выполняется именно Ваша программа. А чтобы она была успешно выполнена, наши ученики знакомятся со всеми картинами мира, которые были построены ранее.
Современные физические приборы позволяют наблюдать различные явления, с достаточно большой точностью измерять физические величины, обрабатывать получившиеся результаты, а на их основе выводить законы и положения, которые вновь могут быть проверены на опыте.
Создадим ситуацию, когда все силы, действующие на тележку, находящуюся на горизонтальной скамье демонстрационного набора «Механика», скомпенсированы. Зарегистрируем с помощью компьютерного измерительного блока лаборатории L–микро и оптоэлектрических датчиков интервалы времени, которые потребовались тележке, чтобы пройти мимо каждого из датчиков. Выведем эти интервалы времени на экран компьютера. Войдем в режим проведения эксперимента и проанализируем получившийся результат:
(Демонстрация первого закона Ньютона)
Ньютон: У вас получилось, что время, которое потребовалось телу для прохождения одного и того же расстояния в начале и конце пути одно и то же?
Учитель: Да это так.
Ньютон: Следовательно, движение тела было равномерным?!
Учитель: Совершенно справедливо!
Ньютон: Значит, я был прав, утверждая в своих «Началах», что «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние» Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (“Математические начала натуральной философии”)
Учитель: Сейчас это Ваше утверждение изучается ребятами в школе как первый закон Ньютона.
Ньютон: Что же тогда вы изучаете во втором?
Учитель: Зависимость ускорения движения тела под действием нескомпенсированной силы. Для этого можно воспользоваться уже собранной установкой, а в качестве силы, использовать составляющую силы тяжести. Изменять действующую на тело силу можно изменением угла наклона скамьи к горизонту с шагом, например 2º.
(Демонстрация второго закона Ньютона)
Установим тележку в стартовое устройство и осуществим запуск. После завершения измерений на экране компьютера появляются три интервала времени, соответствующие прохождению тележки мимо первого и второго оптоэлектрических датчиков, а также время движения между датчиками. Эти значения времени записываются в память компьютера и на их основе в программе обработки рассчитываются мгновенные скорости в начале и в конце пути, ускорение на протяжении всего пути, а с клавиатуры вводится только угол наклона. Повторим опыт несколько раз. На основе полученных данных строятся графики зависимости ускорения от угла наклона и от синуса угла наклона. Для просмотра данных графиков достаточно нажать кнопку «ОБРАБОТКА».
Ньютон: Видно, изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.
Учитель: Поскольку коэффициентом пропорциональности в данной зависимости является ускорение свободного падения, то можно сравнить тангенс угла наклона с величиной 9,8 м/с2. Еще одно нажатие кнопки «ДАЛЕЕ» приведет к появлению на экране таблицы, включающей как данные эксперимента, так и величины, полученные при их обработке.
Ньютон: Вы хотите сказать, что сейчас так просто определить ускорение свободного падения?
Учитель: Эту задачу с легкостью сейчас выполняют ученики школы, причем несколькими способами.
1 учащийся 1группы: Мы знаем, что вес определяется произведением массы тела на ускорение свободного падения. Следовательно, если определить экспериментально вес и массу, то ускорение свободного падения можно просто рассчитать. Для определения массы воспользуемся рычажными весами с разновесами. (Демонстрация определения массы тела).После их уравновешивания можно приступить к определению массы: на одну чашечку весов мы поставим исследуемое тело, а на другую методом подбора – гири, так, чтобы весы вновь оказались в равновесии. Так как масса – величина аддитивная, то определяем ее сложением масс гирь. В нашем случае масса тела оказалась равной 53 г, или 0,053 кг. Подвешиваем тело на крючок динамометра с ценой деления 0,02 Н/дел. (Демонстрация определения веса тела).Под весом тела пружина динамометра растянулась на 26 делений. Таким образом, вес цилиндра равен, 0,52 Н.Рассчитав по формуле ускорение свободного падения, получаем, что оно равно 9,8 м/с2.
Ньютон: Так точно!
2 учащийся 1группы: На уроке с помощью демонстрационного набора «Механика» мы наблюдали свободные колебания и выяснили, что их период прямо пропорционально зависит от квадратного корня из длины подвеса. В коэффициент пропорциональности входит ускорение свободного падения. Поэтому, измерив длину подвеса измерительной лентой и определив период малых свободных колебаний с помощью секундомера можно рассчитать ускорение свободного падения. В нашем случае оно оказалось равным 9,79 м/с2. Относительная ошибка эксперимента – 0,12 %.
Ньютон: О такой точности определения величины я в свое время даже не мечтал.
Учитель: Просто в 17 веке не было столь точных приборов, а в 21 – они есть!
(Демонстрация третьего закона Ньютона)
Учитель: Подвесим два шара в непосредственной близости друг от друга и поставим оптоэлектрические датчики так, чтобы один измерял время движения первого шара мимо датчика перед ударом, а второй – время пролета второго шара сразу же после взаимодействия. Отведем шар на некоторый угол и проведем эксперимент. Время прохождения шаров мимо датчиков практически одинаково.
Ньютон: Значит, действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе – взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны. Радостно, что мои законы изучают в школе, мой метод принципов применяют для изучения законов природы.
Максвелл: Сэр Исаак Ньютон, Вы счастливейший из людей! Вы открыли законы, которым с удивительной точностью подчиняются как громадные небесные тела, так и мельчайшие песчинки, гонимые ветром. И даже ветер – движение невидимых глазом частиц воздуха – подчиняется тем же законам!
Ньютон: Я понимаю, что все, созданное мною, не есть окончательная истина, что познание мира бесконечно. “Не знаю, чем я могу казаться миру, но сам себе я кажусь только мальчиком, играющим на морском берегу, развлекающимся тем, что до поры до времени отыскиваю камешек более цветистый, чем обыкновенно, или красивую раковину, в то время как великий океан истины расстилается передо мной неисследованным”.
Максвелл: «Нет человека счастливее Вас: ведь только однажды одному человеку суждено построить картину мира».
Ньютон: «Сделал, что мог, пусть другие сделают лучше».
Эйнштейн: Уважаемый профессор! Ваш «Трактат об электричестве и магнетизме» по своему значению стоит рядом с «Началами». А ваши уравнения остаются до сих пор образцом глубокого теоретического обобщения и источником бесчисленного числа приложений. Не даром Генрих Герц как-то сказал об этих уравнениях: “Кажется, будто они живут отдельной жизнью и обладают собственным разумом, будто они мудрее нас, даже мудрее того, кто их впервые написал...”
Максвелл: Вы приняли мои уравнения?!
1 учащийся 2 группы: Конечно! Ведь с их помощью легко объяснить явления электромагнитной индукции в знаменитых опытах Фарадея (Демонстрация третьего опыта Фарадея), соединим катушку с гальванометром, он регистрирует появление тока, при приближение и удаление магнита от катушки. Переменное магнитное поле, созданное движущимся магнитом, порождает в пространстве переменное электрическое, которое в свою очередь, действуя на свободные заряды в проводнике, заставляет их двигаться направлено.
2 учащийся 2 группы: На основе электромагнитной индукции сейчас основано генерирование электрической энергии (Демонстрация генерирования электрической энергии на модели генератора), если создавать переменный магнитный поток, пронизывающий замкнутый контур, быстрым вращением его в постоянном магнитном поле, при этом можем наблюдать появление электрического тока.
3 учащийся 2 группы: Передача полученной энергии на расстояние тоже осуществляется на основе применения явления электромагнитной индукции (Демонстрации передачи электроэнергии на расстояние).
Учитель: На основе вашей теории близкодействия ученики изучают свойства магнитных (Демонстрация модели линий магнитной индукции в объеме) и электрических полей. Расположим горизонтально обкладки плоского демонстрационного конденсатора, на нижнюю из которых них прикрепим легкие фигурки, вырезанные из копировальной бумаги. Соединим каждую из пластин конденсатора с разрядниками электрофорной машины и создадим электрические заряды. (Опыт по выстраиванию легких диэлектрических тел по линиям напряженности однородного электрического поля, созданного между обкладками конденсатора) Диэлектрические фигурки, выстраиваются вдоль линии напряженности электрического поля. Видно, что оно однородно.
Учитель: Ваши уравнения завоевали всеобщее признание, ведь Генрих Герц обнаружил электромагнитные волны, а то, что они распространяются со скоростью света, позволило считать свет одним из видов электромагнитного излучения. И Ваши знаменитые опыты (обращается к Ньютону) по дисперсии света (Демонстрация дисперсии света) объясняются как зависимость показателя преломления от длины (частоты) волны. С помощью демонстрационного набора «Волновая оптика» смоделировать их в лабораторных условиях достаточно легко: в качестве источника света возьмем лампу от кодоскопа, пропустим луч света через оптическую щель на поворотное зеркало, направим пучок света на призму, перед которой в непосредственной близости поместим вторую оптическую щель. На экране появится разложение белого света в спектр. Правда, как и в ваше время его можно наблюдать в полной темноте.
Ньютон:
О, в этом радужном виденье
Какая нега для очей!
Оно дано нам на мгновенье,
Лови его – лови скорей!
Ф.И. Тютчев
Учитель: С помощью этого же набора можно пронаблюдать Ваши кольца и даже в монохроматическом свете от полупроводникового лазера. Причем четкая картина получается как в проходящем так и в отраженном свете. (Демонстрация «Колец Ньютона»).
Ньютон: И что, вы смогли объяснить данное явление?
Учитель: «Кольца Ньютона» – это результат интерференции световых волн. Длины этих волн определить достаточно просто.
1 учащийся 3 группы: (Демонстрация дифракции света). Мы производили измерения длины волны излучения полупроводникового лазера с помощью дифракционной решетки. Число штрихов в нашем приборе было 50, 75, 300, 600 на 1 мм. Так как период решетки был известен, то определение длины волны сводится к измерению угла, соответствующего направлению на максимум. Качество решетки позволяла наблюдать дифракционную картину до спектра шестого порядка. В результате расчетов длина волны оказалась равной 690 нм, что составляет 4 % погрешности от паспортных данных.
Ньютон: Значит, свет все-таки волна и какая, позвольте спросить: поперечная или продольная?
2 учащийся 3 группы: Ответить на этот вопрос можно пропустив свет через два одноосных кристалла или поряроида; первый из которых будет выполнять роль поляризатора, а второй - анализатора. (Демонстрация опыта по поляризации света на базе лабораторного набора «Оптика»). Свет, испускаемый лампой накаливания, не поляризован. Пройдя сквозь поляризатор, свет становится плоскополяризованным. Анализатор пропускает поляризованный свет определенной ориентации кристалла относительно плоскости поляризации.
3 учащийся 3 группы: Если расположить поляризатор и анализатор друг за другом, то анализатор будет пропускать, ослаблять или полностью гасить проходящий через него свет в зависимости от расположения плоскости поляризации поляризатора. Если эти плоскости параллельны, то свет проходит через анализатор. Если же они перпендикулярны, то свет полностью гасится анализатором. Если же эти плоскости расположены под некоторым углом, то свет проходит через анализатор, но при этом ослабляется.
2 учащийся 3 группы: Поляризация присуща только поперечным волнам. Продольные волны не поляризуются.
3 учащийся 3 группы: Изменение вектора напряженности электрического поля и вектора магнитной индукции можно наглядно представить с помощью данной модели (Демонстрация работы волновой машины).
Ньютон: Ну, что ж… Вы доказали, что свет – это поперечная электромагнитная волна. Выходит, я ошибся со своей корпускулярной теорией.
Учитель: Не совсем так. Свет проявляет двойственную природу, для него характерен так называемый корпускулярно-волновой дуализм, как, впрочем, и для всех квантовых объектов. К вашей теории вернулся господин Эйнштейн при объяснении фотоэффекта. (Демонстрация явления фотоэффекта). Соединим цинковую пластину с электрометром, зарядим ее с помощью эбонитовой палочки, потертой о мех, отрицательно. При освещение пластины лампой накаливания, заряд пластины не меняется, а при освещении источником ультрафиолетового света – заряд пластины уменьшается. Мы наблюдаем явление фотоэффекта, т.е. вырывание электронов с поверхности металла под действием света
1 учащийся 4 группы: Фотоэффект нашел себе широкое применение в технике. Под действием света возникает электрический ток, способный управлять приборами, например оптоэлектрическими датчиками в демонстрационном наборе «Механика», или преобразовывать световую энергию в звуковую. (Демонстрация преобразования световой энергии).
Эйнштейн: Энергия фотона при взаимодействии с металлов расходуется на совершение работы выхода и на придание кинетической энергии электрону. А вообще мир квантовых объектов – столь удивителен, интересен, до конца непознан, что на ум приходят строки:
Быть может, эти электроны –
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!
Еще, быть может, каждый атом –
Вселенная, где сто планет;
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
Их меры малы, но все та же
Их бесконечность, как и здесь;
Там скорбь и страсть, как здесь, и даже
Там та же мировая спесь.
В.Я. Брюсов
Учитель: Эволюция физической картины мира отражает непрерывный процесс познания – это сложное развитие представлений о природе. С накоплением новых фактов происходят коренные изменения во взглядах на строение и движение материи, на особенности фундаментальных физических взаимодействий, ведущие к появлению сменяющих друг друга качественно новых физических картин мира. Единая картина мира еще не построена, но эта задача будет выполнена.