Так случилось в истории науки, что в познании законов вращательного движения человечество проигрывает по сравнению с познанием законов поступательного движения. История развития представлений о вращательном движении полна драматизма – это драма идей и личностей, стоящих за ними.
Вращательное движение чрезвычайно широко распространено в природе: вращаются галактики, планеты и планетные системы, на планетарном уровне достаточно интенсивные вращательные движения проявляются в виде циклонов в атмосферах Земли, Сатурна, Юпитера, замкнутых течений в мировом океане Земли и др.
Вращательные движения являются характерным и неотъемлемым (внутренним) свойством материи галактик. Вращаются все галактики – спиралевидные, эллиптические, неправильные: массивная центральная часть галактики совершает твердотельное вращение с постоянной скоростью и периодом, а звёзды, расположенные в пределах её “хвоста”, вращаются с переменными периодами в гравитационном поле её центральной области в полном соответствии с третьим законом Кеплера. Наша Галактика, относящаяся к наиболее обширному классу спиралевидных галактик, имеет в районе Солнца линейную скорость вращения около 220 – 250 км/с. Вращение других спиральных галактик обычно составляет 100 – 300 км/с.
На звёздном уровне вращательное движение распространено не меньше, чем на галактическом. В нашей солнечной системе на протяжении нескольких миллиардов лет планеты вращаются вокруг Солнца, их спутники – вокруг планет, а сами планеты – вокруг собственных осей. Подобных планетных систем только в нашей Галактике может насчитываться миллионы. По состоянию на конец 2011 года открыто 584 планетных системы [Jean Schneider. Interactive Extra-solar Planets Catalog].
Согласно последним данным, галактики образуют скопления, сверхскопления, ячеистые структуры, на которые, по всей видимости, распространяется всё сказанное о вращательном движении во Вселенной.
Единство природы прослеживается во всём пространственно-временном масштабе от макро- до микромира: вращение присуще всем материальным объектам Вселенной от галактик до элементарных частиц.
Если проследить историю развития представлений о природе вихревых движений материи, то будет несложно заметить, что по мере развития и совершенствования знаний о Вселенной происходит возврат на новом качественном уровне к идее Декарта-Канта-Лапласа об абсолютности вращательного движения. Авторы гипотезы Гамова-Вейцмана связывают природу вихревого движения материи во Вселенной с процессами, объясняющими её рождение - вращение могло быть “придано” материи в момент Большого взрыва.
Благодаря успехам астрономии в настоящее время с достаточно высокой точностью определены размеры, масса, моменты и средняя плотность планет и спутников, скорость их вращения вокруг Солнца и собственной оси, но целая группа фактов не находит правдоподобного объяснения [1]:
А. Орбиты планет почти круговые, лежат в одной плоскости и их обращение (у большинства из них и вращение) происходит в одном направлении с вращением Солнца.
В. Планеты распределены явно не случайным образом, в их расстояниях от Солнца есть закономерность, описываемая известным правилом Тициуса-Боде.
С. Разделение планет на две резко различающиеся группы: внутренние планеты - Меркурий, Венера, Земля и Марс - сравнительно небольшие, но с большей плотностью, более медленным вращением, с малым числом спутников (или без них) и внешние планеты - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун - большие по размерам, меньшей плотности, с большей скоростью вращения и многочисленными спутниками.
Д. Распределение момента количества движения: в то время как в Солнце сосредоточено более 99% всей массы солнечной системы, на него приходится менее 2% момента количества движения, остальные 98% принадлежат планетам.
Е. Вариации химического состава планет и спутников, существование разных типов метеоритов и астероидов, комет, изотопные данные.
Понимание природы вихревых движений во всём масштабе движений может привести к появлению новых физических представлений о свойствах пространства – времени.
Изучение закономерностей вращательного движения содействует формированию научного мировоззрения обучающихся и, в силу широкого использования законов вращательного движения в технике, политехническому образованию.
Формирование основных понятий вращательного движения твёрдого тела в школьном курсе физики, являясь достаточно трудной задачей, требует особого подхода. Изучение кинематики, динамики, законов сохранения момента импульса и энергии для вращающихся тел целостным блоком, с опорой на аналогию с поступательным движением твёрдого тела и криволинейным движением материальной точки и разъяснением глубинной нетождественности этих движений способствует формированию целостного представления о вращательном движении. Использование метода аналогии в данном случае оправданно и призвано мобилизовать рефлексивно-личностные ресурсы обучающихся. Иллюстрация многочисленных примеров проявления закономерностей кинематики и динамики вращательного движения, законов сохранения момента импульса и энергии в природе, технике, быту необходима для анализа роли вращательного движения в физической модели мира. Использование последовательной съёмки движущихся тел служит усилению наглядности проявления особенностей вращательного движения твёрдого тела.
Разработка урока по теме “Вращательное движение твёрдого тела” была опубликована в Интернете на портале “Мой университет” по адресу www.edu-reforma.ru
Приложение: презентация интерактивной лекции по теме “Вращательное движение твёрдого тела”.
Информационные материалы.
- Викулин А.В. Введение в физику Земли. Учебное пособие для геофизических специальностей вузов. Петропавловск-Камчатский: КГПУ, 2004. 240 с. http://astro-world.narod.ru/solarsystem/earth/book1.html
- Ремизов А. Н. Курс физики: Учеб. для вузов / А. Н. Ремизов, А. Я. Потапенко. М.: Дрофа, 2004.
- Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1990.
- Учебник для 10 класса с углублённым изучением физики под редакцией А. А. Пинского, О. Ф. Кабардина. М. : “Просвещение”, 2005.
- Факультативный курс физики. О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, А. В. Пономарева. М. : “Просвещение”, 1977 г.
- http://ru.wikipedia.org/wiki/
- http://elementy.ru/trefil/21152 и др.