Формирование понятия «Вероятность» в школьном курсе физики элементарных частиц

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Народное образование. Педагогика


Узнать стоимость новой

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ФОРМИРОВАНИЕ ПОНЯТИЯ «ВЕРОЯТНОСТЬ»
В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
© Басков С. В. *
Челябинский государственный педагогический университет, г. Челябинск
В статье раскрывается связь между понятиями «физическая величина» и «физический закон», проблема формирования понятия «вероятность» в школьном курсе физики элементарных частиц- раскрываются аспекты метода решения проблемы адаптации абстрактного понятия «вероятность» при изучении свойств частиц.
Все объекты и явления окружающей природы обладают определенными свойствами. Для того чтобы описать эти свойства, ученые ввели целый ряд строго определенных понятий, которые носят название физическая величина и физический закон (например, ускорение и закон Всемирного тяготения, электрический заряд и закон сохранения электрического заряда, импульс и закон сохранения импульса и т. д.).
По теории Л. С. Выготского понятие — это есть результат теоретического познания [1]. Между понятиями «физическая величина» и понятием «физический закон» возникает сложная связь, поскольку, закон, описывающий какое-либо физическое явление или процесс, выражается с помощью физических величин. В данном случае физические величины отображают определенные свойства конкретного реального объекта или явления, а физический закон отображает закономерности поведения объектов. Любушкина Л. М., Павлова М. С. в статье «К формированию понятия „физическая величина“» указывают на то, что «изучая физику, мы постоянно имеем дело с величинами, на основе которых определяем законы и строим теории. Следовательно, без осмысления содержания понятия „физическая величина“ невозможно понять физические законы» [2, с. 110].
Поскольку, физическая величина является количественной характеристикой свойств состояния материи (вещества или поля) и результатом их измерения, то понятие «физическая величина» выступает как математическая характеристика, поскольку язык измерения носит чисто математическое описание (количественный результат какого-либо математического объекта, измеряемого в каких-то системных единицах).
Что отображает «физическая величина» в физическом законе? Понятие «физический закон» формируется (познается) в заключительный момент, когда многократно осуществляется эксперимент над реальными объектами и находят определенные количественные и качественные отличия и сходства в свойствах объектов. Сходные результаты экспериментов приобретают статус коли-
* Аспирант кафедры Теории и методики преподавания и воспитания.
чественной характеристики свойства объекта. Это еще не физическая величина и не закон. В результате формируется идеальный математический объект, который позволяет создать идеальную математическую формулировку закона.
Качественный поход к формированию понятия «физический закон», был предпринят еще давно. Примером качественного описания закона является формирование закона Всемирного тяготения. Кеплер пытался объяснить движение небесных тел с помощью математического моделирования (геометрии) и наблюдения за небесными телами. В результате его работы были сформированы три правила, качественно описывающие поведения объектов, движущихся вокруг Солнца. Ньютон на основе этих трех правил объяснил закон Всемирного тяготения, в результате чего получил идеальную математическую зависимость, но пока еще не закон, поскольку, он не знал количественного значения гравитационной постоянной. Он определил этот закон как обратную зависимость физической величины от квадрата расстояния между телами. Эта зависимость прямопропорциональна некоторой постоянной, которая сейчас уже известна как произведение гравитационной постоянной О и масс, взаимодействующих тел М и т, и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними Я. Только потом спустя некоторое время в опыте Кавендиша, который он называл «Измерение массы Земли», было экспериментально определено значение гравитационной постоянной.
Таким образом, физическая величина — это выражение качественной и количественной характеристик измеряемого свойства объекта, процесса или явления. Это есть произведение количества (числовое значение) на единицу измерения (качественное свойство материи). Она показывает, как измерять и в чем измерять.
Из понятия «физическая величина» формируется понятие «физический закон». Закон показывает, как осуществляется взаимодействие определенных свойств исследуемых объектов и явлений, которые образуют определенные закономерности, подчиняющие весь окружающий мир единому поведению. Определив понятия, физическая величина и физический закон, мы столкнулись с проблемой формирования понятий в процессе обучения учащихся физике элементарных частиц, без которых объяснить физику микромира невозможно. Эти понятия касаются не только физики элементарных частиц, но и всей фундаментальной науки, поскольку, на законах микромира строится общая физическая картина макромира, устанавливаются общие законы взаимодействия объектов природы.
Понятие «вероятность», сущность которого мы будем раскрывать ниже, невозможно отнести к понятию «физическая величина», потому что оно ему противоречит.
Что такое вероятность? Как ее можно измерить и в чем она измеряется? Понятие вероятности появилось в физике в связи с развитием кинетической теории газов, в которой модель газа представляла собой структуру материи, состоящую из большого числа движущихся частиц — молекул. Первый кто
применил это понятие в физике, был английский физик Джеймс Клерк Максвелл. Он построил теорию идеального газа, в которой состояние газа задавалось не положением и скоростью каждой частицы, а функцией распределения, то есть вероятностью найти молекулу с заданной скоростью в конкретном месте сосуда.
Вероятность является математической функцией, с помощью которой можно рассчитывать протекание различных физических процессов, в которых участвует много частиц (теплопроводность, диффузия, различные химические реакции, явления фотоэффекта). Конкретно для одной частицы это понятие не рассматривается. До создания квантовой механики считалось, что определение вероятности связано обычно с большим числом частиц, координаты и скорости которых практически нельзя измерить. Но квантовая механика показала, что конкретно для определенной частицы, помимо перечисленных выше физических величин, невозможно измерить координату и импульс одновременно. Такой результат может носить только вероятностный характер.
Ярким примером вероятности является соотношение неопределенностей Гейзенберга, которое изучается в школе. Мы можем зарегистрировать частицу, но возможность точно измерить траекторию частицы отсутствует. Можно лишь указать вероятность отклонения частицы на тот или иной угол. Дело в том, что в любом опыте существует большое количество неучтенных факторов. В случае определения положения частицы, ее скорости или импульса неучтенными факторами можно будет считать непостоянство температуры, неточность в измерении длины волны, излучаемой ускоренно движущейся частицей и т. д. Рассмотрим степень достоверности, что данная частица имеет конкретные свойства, описываемые физическими величинами, на примере свободного электрона.
— Частица электрон: е--
— Заряд электрона равен: -1,602 189−10−19 Кл-
— Масса частицы: 9,10 953−10−31 кг-
— Классический радиус частицы: ~10−15м-
— Спин электрона: +½-
— Среднее время жизни: t = да.
Все эти утверждения имеют разный характер достоверности. Степень достоверности, которая определяет количественную характеристику свойства объекта вплоть до восьмого-девятого знака после запятой, называется вероятностью [3, с. 107]. Обозначим вероятность буквой Ж.
Теория вероятности очень важна при вычислении достоверных значений основных физических величин. Поскольку квантовая теория, построенная на понятии «вероятность», то она является базисной в познании мира элементарных частиц. Охарактеризуем физические величины, которые отображают свойства реального объекта — частицы электрона. Для того чтобы сформировать понятие вероятность как характеристики физической величины мы разработали обобщающий план:
1. Задать ряд свойств объекта (определить физические величины -следует подбирать такие свойства объекта, доказательность которых учащиеся уже знают) —
2. Разбить все физические величины на две группы, в которых, по мнению учащихся количественные значения физических величин носят вероятностный (Ж = ?) или точный характер (Ж = 1) —
Рис. 1
3. Привести доказательства по каждой группе исследуемых свойств объекта (почему учащиеся отнесли данные физические величины к определенной группе) —
4. Определить вероятность количественных значений по 8 или 9 знаку после запятой-
5. Сделать вывод.
Пример:
Таблица 1
Точное значение Вероятностное значение
Заряд электрона равен: -1,602 189−10−19Кл Классический радиус частицы: =10'-15м
Масса равна: 9,10 953−10−31 кг Спин свободного электрона: ±У2
Среднее время жизни электрона: t = да
1. Заряд электрона равен минимальному отрицательному элементарному заряду. Опыт Милликена показывает, что данная физическая величина носит точный характер, степень достоверности которой составляет 1, то есть вероятность Ж = 1. Элементарный заряд имеет количественное значение 1,602 189−10−19Кл. Единица измерения является [Кулон]. Таким образом, мы говорим, что если Ж = 1, то значение физической величины определено со стопроцентной точностью.
2. Примером вероятностной характеристики может выступать радиус электрона, поскольку экспериментальной проверки точности этой физической величины нет[4]. Классический радиус электрона вычисляется по формуле:
е. 2
П =------2
тес
2
где е2 =------= 2,307 113 -10 28 кг-м3-с2
4ле0
ш" = 9,10 953 -10−31 кг
Он зависит от следующих параметров. Значения элементарного заряда, который мы указали с вероятностью = 1, массы электрона Жт = 1 и скорости света с. Поскольку точное определение физических величин для микромира чрезвычайно необходимо и труднодостигаемо, то в таблицах пишут, что скорость света равна 2,99 792 4580(1,2)-108м/с- величина, которая указывается в скобках называется стандартным отклонением. Из теории вероятности следует, что истинная скорость света не может отличаться от написанной более чем на 1,2 единицы в последнем знаке с вероятностью 0,683. Таким образом, используя формулу для вычисления классического радиуса электрона, мы сможем узнать, как колеблется значение радиуса электрона при неточном значении определения скорости света:
— - (2& gt-3°7113−10"-8) 2,8 179 383 664-КГ"*
9,10 953 -10 31 • 2,997 924 580 -108
(2,307 113-Ш-28) 2,8 179 383 646−10 ^
9,10 953 • 10−31 • 2,997 924 581 • 108
(2,307 113−10−28) 2,8 179 383 627−10^
9,10 953 -10−31 • 2,997 924 582 -108
(2,307 113−10−28) 2,8 179 383 683−10^
9,10 953 • 10−31 • 2,997 924 579 • 108
(2,307 113−10−28) 2,8 179 383 702 -1045 м
9,10 953 -10−31 • 2,997 924 578 -108
Таким образом, при определении скорости света с вероятностью 0,683 колебания значений в 1,2 единицы «вправо или влево» изменяется свойство реального объекта (мы говорим конкретно о частицах). Радиус электрона колеблется в пределах [37- 38] в 7−9 знаке после запятой. В данном случае из теории вероятности следует, что истинный радиус электрона не может отличаться от написанного более чем на 37,38 единиц в восьмом знаке с вероятностью 0,683.
Вывод: понятие «вероятность» необходимо внести в школьный курс изучения физики элементарных частиц, для того чтобы учащиеся умели оценивать отклонение физических величин от их истинного значения и понимали значимость определения точного значения порядка физической величины. Учащиеся должны знать к чему может приводить ошибочное определение той или иной физической величины, как получить истинное значение физической величины, что необходимо для того, чтобы вероятностная физическая величина приобрела статус точной физической величины, какие физические величины являются точными, какие вероятностными и понимать сущность понятия «вероятность».
Ге
Список литературы:
1. Выготский Л. С. Собрание сочинений в шести томах. Т. 2 Проблемы общей психологии. — М.: Педагогика 1982. — 504 с.
2. Любушкина Л. М., Павлова М. С. К формированию понятия «физическая величина // Сборник материалов ФССО-11. — С. 110.
3. Теория вероятностей и математическая статистика / Н. Ш. Кремер. -М.: 2002. — 543 с.
4. Фейнман Р. Характер физических законов. — М.: Наука, 1987.
ПРЕЕМСТВЕННОСТЬ ШКОЛЬНОГО И ВУЗОВСКОГО ХИМИЧЕСКОГО ОБРАЗОВАНИЯ
© Беликов К. Б. *
Поволжская государственная социально-гуманитарная академия, г. Самара Школа с углублённым изучением отдельных предметов № 176, г. Самара
В статье рассматривается одна из актуальных проблем современного образования — преемственность школьного и вузовского образования.
Автор делится опытом проведения элективных курсов по химии как части профильной подготовки учащихся.
Переход к рыночным отношениям, реконструкция общественного производства и перспектива развития важнейших отраслей народного хозяйства выдвигают новый социальный заказ на подготовку современных специалистов. Старшекласснику необходимо определиться в современной социально-экономической ситуации, выбрать ту профессиональную деятельность, которая позволила бы максимально приблизиться к идеальному соотношению составляющих успеха в профессии — «хочу — могу — надо», то есть выбрать ту профессию, которая бы была востребована современной экономикой, соответствовала желанию и интересам личности, её возможностям и общеобразовательной подготовке. В подготовке учащихся к выбору профессии ведущая роль принадлежит современной школе. В то же время школа может рассматриваться только как начальное звено профессионального самоопределения личности, как её допрофессиональная подготовка.
Правильное профессиональное самоопределение наиболее значимы в старшем школьном возрасте. По уровню своего развития учащиеся данного возрастного периода уже психологически готовы к тому, чтобы переосмыслить эту проблему в своём личном плане, актуализировать его в конкретном выборе профессии. Это, в свою очередь, предполагает достижение определённого уровня сформированности личности, выражающегося в наличии у неё определённых знаний, опыта, установок, качеств характера, необходимых работнику
* Доцент кафедры Химии и методики её преподавания ПГСГ А, кандидат педагогических наук.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой