logo
Кротов В М Научные основы содержания школьного

§5 Описание видов движения материи в курсе физики средней школы

Учебный материал по описанию основных простейших видов движения материи включен отдельными модулями в темы на первой и второй ступенях обучения физике. На второй ступени обучения физике все виды движения материи изучаются более полно по содержанию.

Представим описание свойств и особенностей физических видов движения материи в курсе физики средней общеобразовательной в виде таблицы:

Физическое

движение

Вид движения

Физическая величи- на, закономерность

Класс

Механическое

Особенности и свойства

Пройденный путь (s)

Энергия (Ек)

Перемещение ()

Импульс (), закон сохранения импульса

7,9

7,9

9

9

Поступательное

  • равномерное прямолинейное

  • неравномерное

  • равноускоренное прямолинейное

  • криволинейное

Скорость (υ)

Уравнение движения

Средняя скорость

Мгновенная скорость

Ускорение )

Уравнение движения

Уравнение скорости

7

9

7,9

9

9

9

9

9

Вращательное

Угловая скорость (ω)

Центростремительное

ускорение (ац)

Период, частота

9

9

9

Колебательное

Период, частота,

уравнение гармоничес ких колебаний

11

Волновое

Скорость, частота и период волны

11

Тепловое

Особенности и свойства

Внутренняя энергия

1 и 2 закон термоди- намики

8,10

10

Средняя квадратичная скорость

10

Внутренняя энергия

10

Электромагнит-ное

Постоянный электрический ток

Сила тока (I), закон Ома для однородного участка цепи, работа и мощность электри-ческого тока (А,Р), закон Джоуля-Ленца

Закон Ома для полной электрической цепи

8,10

10

Переменный электрический ток

Действующее значение силы тока и напряжения

11

Явление электромагнитной индукции

Закон электромагнит-ной индукции

10

Электромагнитные

колебания

Период, частота,

уравнение гармоничес ких колебаний

11

Электромагнитные волны

Скорость, частота и период волны

11

Световые волны

11

Взаимное превращение частиц и поля

11

Анализ типовой учебной программы по физике для учреждений, обеспечивающих получение общего среднего образования, показывает, что содержание учебного материала по физике на первой и второй ступенях обучения отобрано с учетом основных дидактических принципов и идей.

Содержание обучения, включающее описание особенностей, проявления и взаимосвязи различных видов движения материи целесообразно выделить в качестве одной из основных идей систематизации предметных знаний по физике.

При этом имеет смысл расширить содержание учебного материала по изучению взаимопревращения отдельных видов движения материи и взаимного превращения элементарных частиц. Требуется также усиление гуманитарного аспекта содержания обучения физике и более полного раскрытия содержания структурных элементов физических знаний.

Вопросы для самоконтроля:

1.Какие виды движения материи изучаются в 7-ом классе?

2.Какие виды движения материи изучаются в 8-ом классе?

3.Какие виды движения материи объеме изучаются в 9-ом классе?

4.Какие виды движения материи изучаются в 10-ом классе?

5.Какие виды движения материи изучаются в 11-ом классе?

Гл.5 Фундаментальные взаимодействия и их описание в школьном курсе физики

Понятие взаимодействия является фундаментальным для всей физической науки. Любой вид и форма движения материи есть изменение пара­метров ее состояния и вызывается взаимодействием. Все проявле­ния материи в виде окружающего нас вещества в стабильном состоянии, начиная с атомных ядер и атомов и кончая макроско­пическими телами и планетными системами звезд, есть не что иное, как системы в стационарных состояниях, свойства которых определяются внутренним взаимодействием.

Можно выделить два проявления взаимодействий, характер­ные для всей изученной пространственной области: 1) кратко­временное, приводящее к изменению состояния и называемое рассеянием (например, столкновение упругих тел) и 2) длитель­ное, объединяющее отдельные материальные точки в систему, находящуюся в устойчивом стационарном состоянии.

Все взаимодействия материи сводятся к одному из четырех основных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Фундаментальные взаимодействия (гравитационные, электро­магнитные, сильные и слабые) различаются по ряду признаков, в том числе по расстояниям, на которых они проявляются, и по относительной интенсивности. Кроме того, взаимодействия различаются по специфическим законам сохра­нения и по «степени универсальности». Так, гравитационные взаимодействия проявляются у всех частиц, электромагнитные же требуют наличия электрического заряда (и в гораздо меньшей степени выражены для нейтральных частиц с магнитным моментом). Сильные взаимодействия имеют место не у всех частиц, а у частиц, называемых адронами, и не про­являются у другой группы — лептонов. Слабые взаимодействия «универсальнее» сильных — они характерны и для лептонов.

Модель взаимодействия может быть построена на основе гео­метрической модели пространства—времени—материи. Взаимо­действие есть не что иное, как изменение ха­рактеристик материальных точек и прежде всего передача энер­гии, импульса от одной точки к другой. Поскольку даль­нодействия нет, взаимодействие между ними осуществляется только посредством контакта. Это значит, что при взаимодейст­вии на расстоянии имеется материальный посредник (физическое поле, частица), движущийся со скоростью меньшей скорости света. Такая модель взаимодействия является исходной для макроскопического и микроскопического уровней деления материи.

Все физические проявления взаимодействий, в конечном счете, сводятся к той или иной совокупности или последовательности элементарных актов взаимодействия в системах элементарных частиц. Это общая материальная основа, выражающая единство физического мира. В квантово-релятивистской модели элементарный акт взаимодействия не может быть ничем иным, как поглощением или испусканием одной частицей других элементарных частиц. До и после взаимодействия час­тицы свободны, взаимодействие же происходит в точке простран­ства в миг времени. Это обстоятельство весьма существенно, так как только такие локальные представления естественно согла­суются с преобразованиями Лоренца, выражающими важнейшее свойство пространства-времени.

Взаимодействие ограничено законами сохранения, первая группа которых относится к введенным согласно геометрической модели величинам (называемым, поэтому геометрическими): энергии, импульсу, момента импульса, четности. Для аддитивных величин их суммы составляют полные значения в системе; они и сохра­няются при взаимодействии, так что величины количественно передаются от одних частиц к другим или ими наделяются новые, возникающие частицы. Это сумма энергий и (векторные) суммы импульса и момента. Что касается четности, то она мультипли­кативна, т. е. для системы сохраняется произведение четностей. Сохраняются величины в замкнутой, или изолированной, систе­ме, что означает учет всех частиц, принимающих участие во взаимодействии.

Кроме названной группы сохраняющихся величин, имеются и другие, такие, как электрический заряд, барионный и лептонный заряды, по-видимому, не менее фундаментальные, чем гео­метрические.

В макромире не проявляются короткодействующие сильные и слабые взаимодействия, наблюдаются лишь гравита­ционные и электромагнитные. Благодаря наличию электрических зарядов двух знаков, возможно существование электрически нейт­ральных систем: макроскопические тела, состоящие из огромного количества заряженных частиц, как правило, в целом электри­чески нейтральны или несут сравнительно небольшие заряды. Поэтому решающее значение приобретает гравитационное взаи­модействие. Оно определяет движение небесных тел и наряду с другими — их строение. Существенна сила тяготения и для дви­жения всех макроскопических тел на Земле.

Особенности фундаментальных взаимодействий представим в виде следующей таблицы.

Взаимодействие

Частицы обмена

Интенсивность

Радиус(м)

Время (с)

Сильное

Электромагнитное

Слабое

Гравитационное

глюоны

фотоны

бозоны

гравитоны

~1

1/137

~10-10

~10-38

~10-15

∞

~10-18

∞

~10-18

~10-18

~10-18

Сильные и слабые взаимодействия вместе с электромагнит­ными ответственны за строение и свойства атомных ядер и элементарных частиц. Они обеспечивают процессы их взаимных превращений на последнем достигнутом структурном уровне де­ления материи.

В рамках геометрической модели взаимодействия существен­ны различия между квантами при конечном (сильные и слабые) и бесконечном (электромагнитные и гравитационные) радиусе взаимодействия. Для обеспечения бесконечного радиуса взаимо­действия необходимы кванты со сколь угодно большим временем существования и, следовательно, сколь угодно малой энергией. Но тогда взаимодействие осуществляется квантами без массы покоя. При конечном радиусе взаимодействия должно существовать минимальное значение энергии и соответственно массы.

Взаимодействие тел (материальных частиц) описывается количественно с помощью силы. Сила – это физическая величина, характеризующая (определяющая) взаимодействие тел. Из этого определения следует:

  1. Сила - величина векторная, изображается направленным отрезком, причем, чем больше сила, тем длиннее направленный отрезок.

  2. Следствие действия силы на материальную точку - изменение скорости материальной точки.

3.Если на материальную точку действует одновременно несколько сил: , , ,…, то каждая из сил, независимо от других вызывает ускорение , , ,…, а их совместное действие можно заменить одной силой =+ + +…, называемой равнодействующей силой.

4.Если различные точки тела приобретают при взаимодействии различные ускорения, то они движутся некоторое время по разному, что приводит к изменению формы тела, т.е. к его деформации. Таким образом, деформация – это вторичный эффект действия силы.

5.Равнодействующую силу можно находить только для сил, приложенных к одной точке.

Силы взаимного действия обладают следующими особенностями (рис.25):

Из третьего закона Ньютона следует, что в любой механической системе материальных точек геометрическая сумма всех сил взаимодействия точек (внутренних сил) равна нулю.