Введение
Человечество в любых областях своей деятельности постоянно создает и использует модели окружающего мира. Модели позволяют представить в наглядной форме объекты и явления недоступные для непосредственного восприятия (очень большие или очень маленькие объекты, очень медленные или очень быстрые явления и др.).
В физике это, например, явления связанные молекулярной и атомной структурой вещества, электрические и тепловые явления и др.
Возьмем в качестве среды для моделирования школьный класс и создадим несколько моделей известных физических явлений. В этом случае каждый ученик класса представляется нами как малая частица, а весь класс – как совокупность большого числа малых частиц.
1. Газы, жидкости, твердые тела
1.1. Физические свойства
Газы отличаются тем, что их молекулы находятся друг от друга на расстояниях в среднем много превышающих размеры молекул. Газ занимает весь предоставленный ему объем, молекулы газа хаотически движутся во всех направлениях, мало взаимодействуя друг с другом.
В жидкостях молекулы «упакованы» плотно. Как следствие, жидкость имеет постоянный объем. Молекулы жидкости длительное время находятся в определенном месте (положение равновесия), совершая около него хаотические колебания. Это, так называемые, «оседлые положения». Однако молекулы жидкости время от времени могут менять оседлые положения (с этим связано свойство текучести жидкости).
В твердых телах молекулы так же располагаются плотно. Колеблются около некоторых положений равновесия, но менять их не могут. Если это кристалл, то такие положения распределены в пространстве периодично и называются узлами кристаллической решетки.
1.2. Модели
Школьный класс на перемене – это модель газа. Школьники занимают весь предоставленный им объем («растекаются» по зданию школы), общий характер движения – хаотический.
Класс на уроке физкультуры – модель жидкости. Учащиеся находятся в ограниченном пространстве (спортзал). Играя, например, в волейбол находятся некоторое время около некоторого положения равновесия, совершая около него движения. Затем это положение меняется.
На уроке, например, физики – модель твердого кристаллического тела. Ученики не покидают своих мест, совершая мелкие движения около них. Существует периодичность в расположении учеников (ряд, парта в ряду).
2. Фазовые переходы
2.1. Плавление
Плавление – процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. При этом атомы (молекулы) покидают положения равновесия, и вещество приобретает свойство текучести.
Моделью плавления можно считать поведение класса сразу же после звонка с урока. Ученики покидают свои места (положения равновесия) и «текут» к выходу из кабинета.
При звонке на урок происходит обратная ситуация: происходит «отвердевание» (кристаллизация) – ученики занимают свои места за партами.
2.2. Парообразование
В процессе парообразования происходит переход вещества из жидкого состояния в газообразное. Атомы (молекулы) становятся более подвижными, двигаются хаотически и удаляются на значительные расстояния друг от друга.
Поведение класса за дверьми школьного кабинета после звонка на перемену – модель парообразования.
Обратный процесс, конденсация, моделируется случаем, когда класс входит с перемены на урок в школьный кабинет
3. Электрические явления
Хорошо известна гидродинамическая модель для
явлений, связанных с протеканием электрического
тока. В этой модели аналогами, например,
проводника являются трубы, а источников тока –
насосы.
Построим «классную» модель некоторых
электрических явлений.
3.1. Электрическое сопротивление
Известно, что причиной сопротивляемости металлов протеканию электрического тока является «рассеяние» электронов на узлах металлической решетки. С увеличением температуры сопротивление металлов растет, что связано с увеличением амплитуды тепловых колебаний атомов в узлах решетки и, соответственно, к увеличению вероятности рассеяния электронов.
Представим, что ученик (электрон) должен пройти через толпу неподвижно стоящих одноклассников (металлическая решетка). Ученик легко будет находить промежутки между одноклассниками и пройдет сквозь толпу, испытывая некоторые отклонения от прямолинейного направления. Так же и электрон движется в металле, испытывая его сопротивление.
Теперь представим, что каждый одноклассник в толпе начинает совершать беспорядочные движения (влево-вправо, вперед-назад и т.п.) около некоторого положения. Тем самым мы моделируем тепловые колебания атомов в металлической решетке. В этом случае ученику уже труднее пробраться сквозь толпу, ему то и дело придется сталкиваться со своими одноклассниками. Сопротивление повысилось.
Повышение температуры моделируется увеличением амплитуды беспорядочных движений учеников в толпе. Вероятность столкновений (рассеяния) увеличивается – увеличивается сопротивление.
Заключение
Подобное моделирование физических явлений «оживляет» интерес учеников, заставляет их «включиться» в тему, «подключает» их фантазию. Такие модели дают возможность ученикам посмотреть на физические явления с необычной точки зрения. Всё это помогает развивать и удерживать интерес к изучению физики, стимулирует творческие способности учащихся.