Л.А.КИРИК, Л.Э.ГЕНДЕНШТАЙН,
ИСМО РАО, г. Москва

Два урока в 10-м классе

УРОК 1/1 (урок изучения нового материала). Физика и методы научного познания.

Цель урока: дать учащимся представление о физической науке, физических явлениях, научном методе познания.

Ход урока

1. Сохранили ли вы способность удивляться и задавать вопросы? «Закройте глаза, освободите уши, напрягите слух, и от нежнейшего дуновения до самого дикого шума, от простейшего звука до высочайшей гармонии, от самого мощного страстного крика до самых кротких слов разума – всё это речь природы, которая обнаруживает своё бытие, свою силу, свою жизнь…

Она даёт дивное зрелище; видит ли она сама, мы не знаем, но она его даёт для нас, а мы, незамеченные, смотрим из-за угла… Каждому является она в особенном виде. Она скрывается под тысячей имен и названий, и всё равно одна и та же. Она ввела меня в жизнь, она и уведёт. Я доверяю ей. Пусть она делает со мной что хочет…» – так писал о природе немецкий поэт, мыслитель и естествоиспытатель Иоганн Вольфганг Гёте.

Физика – наука о природе. А человек – дитя природы. И он должен уметь с ней разговаривать. Но как? На каком языке? Французский поэт Шарль Бодлер писал:

Природа – это храм, где камни говорят,

Хоть часто их язык бывает непонятен.

Вокруг – лес символов, тревожен, необъятен,

И символы на нас с усмешкою глядят.

Пытливый ум человека не делит мир на части непроницаемой перегородкой: это – лирика, а это – физика. В мозгу человека все сплетено в живой и неделимый клубок мыслей и чувств:

– Зачем надевают кольцо золотое

На палец, когда обручаются двое? –

Меня любопытная леди спросила.

Не став пред вопросом в тупик,

Ответил я так собеседнице милой:

– Владеет любовь электрической силой,

А золото – проводник!

Роберт Бёрнс

2. Что такое научный метод познания? Пытаясь понять окружающий мир, человек ищет закономерности в многообразных явлениях. На основании того, что ему уже известно из наблюдений и опытов, он пытается угадать новую закономерность. Такая догадка называется гипотезой.

Любоваться природой можно, и не зная физики. Но понять её и увидеть то, что скрыто за внешними образами явлений, можно лишь с помощью точной науки. Только она позволяет заметить, что «в явлениях природы есть формы и ритмы, недоступные глазу созерцателя, но открытые глазу аналитика. Эти формы и ритмы мы называем физическими законами» (Р.Фейнман).

Научная гипотеза – это не любая догадка, а только такая, которая может быть проверена на опыте. Поэтому, после того как догадка высказана, учёные ставят многочисленные опыты с целью подтвердить или опровергнуть её. Но далеко не все гипотезы подтверждаются! И тогда начинают рождаться новые гипотезы. А для их проверки ставятся новые эксперименты. Этот процесс – процесс научного познания мира – имел начало, но конца ему не видно.

Нам тайны нераскрытые раскрыть пора –

Лежат без пользы тайны, как в копилке,

Мы тайны эти с корнем вырвем у ядра –

На волю пустим джина из бутылки!

Владимир Высоцкий

3. Что и как изучает физика? «Учёный изучает природу не потому, что это полезно; он исследует её потому, что это доставляет ему наслаждение, а это даёт ему наслаждение потому, что природа прекрасна. Если бы природа не была прекрасна, она не стоила бы того, чтобы быть познанной; жизнь не стоила бы того, чтобы быть прожитой.

Я не говорю: наука полезна потому, что она научает нас создавать машины; я говорю: машины полезны потому, что, работая для нас, они некогда оставят нам больше времени для научных занятий…» (Анри Пуанкаре).

Есть два основных метода изучения физики – эксперимент и теория, которые удачно дополняют друг друга:

О, сколько нам открытий чудных

Готовят просвещенья дух

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг,

И случай, бог изобретатель. (А.С.Пушкин)

 

Удивительно точно подметил великий поэт характер научной деятельности. Что опыт – «сын ошибок трудных», вы можете почувствовать, выполняя лабораторные работы, что гений – «парадоксов друг», об этом вы узнаете, решая задачи (парадокс – неожиданная, непривычная мысль, казалось бы, противоречащая опыту). А случай? Есть и он! Настойчивым и внимательным всегда везёт. И это хорошо. (Примеры вы найдёте в наших книгах.)

Вопросы к учащимся в ходе урока

1. Пословица гласит: «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». А почему народ так решил?

2. Какие закономерности вы уже подметили в природе? Вы уверены, что это закономерности? Почему? Учитываете ли вы эти закономерности в повседневной жизни? Как учитываете?

3. Какие опасности угрожают нашей планете? Кто же подвергает Землю опасности? Можете ли вы лично принять участие в спасении Земли? Что для этого делают люди?

4. Верите ли вы в чудеса? А что такое чудо? Вы видели хотя бы одно чудо? Какие «чудеса» подарила людям наука?

5. Русский поэт И.Северянин в одном из своих стихотворений писал:

Мы живём, словно в сне неразгаданном,

На одной из удобных планет…
Много здесь, чего вовсе не надо нам,
А того, что нам хочется — нет…

Чего же нам хочется?

УРОК 2/11 (урок закрепления знаний). Место человека во Вселенной

Цель урока: сформировать умения учащихся применять первый закон Ньютона к объяснению соответствующих явлений и процессов в природе и технике. Вызвать интерес к истории развития физики.

Ход урока

  • Проверка знаний: 1. Почему способность тел сохранять движение долго оставалась незамеченной? 2. Тело покоится относительно инерциальной системы отсчёта. Как движется это тело относительно любой другой инерциальной системы отсчёта? 3. При каком движении самолёта связанную с ним систему отсчёта можно считать инерциальной (хотя бы приближённо)?

  • Изложение нового материала

К проведению этого урока можно привлечь учащихся, чтобы они выступили с краткими сообщениями либо докладами (необходимо, чтобы они не читали по бумажке, а рассказывали своими словами) о борьбе за гелиоцентрическую систему мира и о том, как эта система мира изменила представление о месте человека во Вселенной. В конце урока необходимо отметить, что уникальность разумной жизни на нашей планете по-новому ставит вопрос о месте человека во Вселенной.

1. Когда Земля считалась неподвижной. Неподвижность Земли в древности никто не подвергал сомнению. Но людей в древности интересовали вопросы: Какую форму имеет Земля? На чём она держится? Как движутся Солнце, Луна и звёзды? Что такое небо? Вначале ответы были наивными, совершенно фантастическими. Например, люди считали, что Земля плоская, как блин, держится на трёх китах (или на трёх слонах), киты плавают в океане. А на чём держится океан? Этот вопрос задавать было нельзя: за это могли серьезно наказать, ибо всякие сомнения в этой картине мира трактовались как ересь. Когда же говорили о движении любых тел – от муравьёв до небесных светил, – имели в виду всегда их движение относительно Земли.

Предположение о шарообразности Земли впервые, по-видимому, было сделано Пифагором. Опытные мореплаватели, древние греки обратили внимание на то, что при приближении корабля к наблюдателю сначала видны паруса и только потом весь корабль, что свидетельствовало о сферичности планеты. В развитие этих представлений Гераклитом была высказана идея о вращении Земли вокруг своей оси. В 340 до н.э. в книге «О небе» Аристотель привёл доказательства шарообразности Земли: при лунных затмениях Земля всегда отбрасывает на Луну круглую тень, а Полярная звезда в северных районах располагается выше над горизонтом, чем в южных.

Объяснить движение Солнца и Луны было сравнительно просто: каждый своими глазами видел, что они движутся по окружностям вокруг неподвижной Земли. Так же, казалось, вращается вокруг Земли и «звёздная сфера» с «прикреплёнными» к ней звёздами. Пытаясь объяснить движение планет, учёные проявляли много изобретательности: предполагалось, что планеты, вращаясь вокруг «неподвижной» Земли, совершают ещё дополнительные сложные вращения.

2. Самый знаменитый выбор системы отсчёта. Аристотель придерживался точки зрения, что Земля – естественный центр Вселенной, а все тяжёлые тела стремятся к этому центру. Во времена Аристотеля, кроме Луны и Солнца, были известны ещё пять небесных тел, которые довольно сложно перемещались по небосводу. Была создана геоцентрическая система, в которой предполагалось, что вокруг Земли как центра Вселенной располагается множество сфер, на которых, считалось, находятся небесные тела: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн и неподвижные звёзды. Все эти сферы должны были совершать суточное вращение вокруг Земли, а сферы Луны, Солнца и пяти планет – более сложное годичное движение.

Во ІІ в. александрийский ученый Клавдий Птолемей в труде «География» дал сводку географических сведений, включающую карту мира и 16 областей Земли. Он высказал предположение о центральном положении Земли во Вселенной (геоцентрическая система мира). Птолемей предположил, что планеты обращаются не вокруг Земли, а вокруг центра некоторой вспомогательной окружности – эпицикла. В свою очередь, центр этого эпицикла обращается вокруг другой вспомогательной окружности – деферента.

Великий польский астроном Николай Коперник в своей книге «Об обращениях небесных сфер», над которой работал более 30 лет и которая вышла уже после его смерти, выдвинул смелую идею, что в центре Вселенной находится вовсе не Земля, а Солнце. Земля же является рядовой планетой, которая вместе с другими обращается вокруг Солнца. Вокруг Земли обращается только один её спутник – Луна. Поскольку в центр мира Коперник поместил Солнце, то эта система стала называться гелиоцентрической. Теорию Коперника развивали многие учёные, в их числе Джордано Бруно, Галилео Галилей, Иоган Кеплер, Исаак Ньютон. Церковь же, в учении которой Земля считалась центром Вселенной, развернула ожесточённую борьбу против теории Коперника, т.к. эта теория противоречила Священному писанию.

Теория Николая Коперника сыграла исключительно важную роль в развитии физики, астрономии и всего естествознания. Она послужила основой для введения в науку понятий относительности движения и системы отсчёта – важнейших положений современной физики. Только на основе этой теории И.Ньютон смог открыть законы движения (законы механики).

В России для пропаганды гелиоцентрической системы много сделал М.В.Ломоносов., несмотря на то, что такая деятельность грозила ему серьёзными неприятностями. Вот отрывок из его стихов, написанных в 1761 г.:

Случились вместе два Астронома в пиру

И спорили весьма между собой в жару.

Один твердил: Земля, вертясь, круг Солнца ходит;

Другой, что Солнце все с собой планеты водит:

Один Коперник был, другой слыл Птоломей.

Тут повар спор решил усмешкою своей.

Хозяин спрашивал: «Ты звезд теченье знаешь?

Скажи, как ты о сем сомненьи рассуждаешь?»

Он дал такой ответ: «Что в том Коперник прав,

Я правду докажу, на Солнце не бывав.

Кто видел простака из поваров такова,

Который бы вертел очаг кругом жаркова?»

3. Какой системой отсчёта удобнее пользоваться? Поскольку движение одного и того же тела можно описывать в различных системах отсчёта обычно выбирают ту, в которой движение данного тела описать проще. Называя систему отсчёта, часто для краткости упоминают только тело отсчёта.

Телом отсчёта может быть любое тело, но мы выбираем то, которое является наиболее удобным в данном случае. Например, спортсмен, бегущий на соревнованиях, рассматривает соперника не относительно Земли, а относительно себя. При движении в потоке автомобилей по шоссе водитель рассматривает движение других машин относительно своей.

4. Земля как центр познания Вселенной. Наша Земля – пока что единственная обитаемая планета в известной нам части Вселенной: все попытки обнаружить жизнь на других планетах Солнечной системы или вблизи других звёзд не дали результатов. Но, может быть, наша Земля – единственная планета во всей Вселенной, где возникла чрезвычайно высокоорганизованная форма материи – живая материя. Более того, на Земле возникла разумная жизнь, а по сравнению с умным человеческим мозгом и горячим человеческим сердцем колоссальные галактики – всего лишь мёртвый «газ» из огромных звёзд. Есть ли где-либо ещё во Вселенной Галилей и Пушкин? А это значит, что наша «маленькая Земля», летящая в бесконечных просторах Вселенной, является «центром познания» – тем мозгом, которым Вселенная познаёт себя. И эта уникальность нашей планеты делает бесконечной меру нашей ответственности за жизнь на ней.

Природа только чувствует. Человек и чувствует, и мыслит, и владеет словом. Поэтому он способен постигнуть «непостижимость» времени, сущность вещей, бесконечность пространства. Выразить невыразимое, предвидеть восхождение к большой гармонии, единству человека и природы, нерасторжимости их взаимного бытия, дарующего, по сути, вечную жизнь:

Все сущности вместив в себя природы,

Я был её устами и умом;

Я в ней читал все символы, все буквы,

И за неё я с богом говорил…

Я утопал в гармонии вселенной

И отражал вселенную в себе. (Ф. Глинка)

Вопросы к учащимся в ходе урока

1. Что является причиной суточного движения небесных тел?

2. Вспомните известные вам доказательства шарообразности Земли. Какие из них были известны уже в древности?

3. Имеет ли смысл утверждение, что Солнце движется по небосводу с востока на запад? Что в этом случае принято за тело отсчёта?

4. Чем была вызвана необходимость пропаганды гелиоцентрической системы в России через 200 лет после выхода в свет книги Н.Коперника?

Послесловие

По пути великих открытий, сделанных учеными в течение нескольких столетий, мы с вами прошли всего за два года. Из-за этого многое пришлось оставить в стороне, но мы надеемся, что нам всё же удалось донести до вас радость, которую испытывали ученые, открывая законы природы.

Жажда открытий и была главной движущей силой, «действующей» на учёных в их очень трудном, но и самом интересном деле — ПОИСКЕ ИСТИНЫ. Такой силы нет в перечне сил физики — так же, как нет, например, силы духа или силы чувства. Но на самом деле такие силы есть, и именно они движут настоящими людьми — в том числе и настоящими учеными.

Природу этих сил изучает не физика, а другие науки: ведь физикой все науки не исчерпываются, хотя эта великая наука разгадала больше загадок мироздания, чем любая другая.

Развитие физики и астрономии привело нас к развенчанию представления о центральном месте человека во Вселенной: выяснилось, что наша Земля – всего лишь одна из многих планет, кружащихся вокруг одной из бесчисленного множества звёзд…

Однако в развитии науки можно увидеть и другое – торжество человеческого разума, дерзнувшего «объять необъятное».

Живущий на «заурядной» планете человек оказался сам весьма незаурядным: создав науки и построив приборы, он заглянул со своей «маленькой» планеты в невероятные глубины космоса и разгадал загадку происхождения Вселенной. Вот уж поистине «не место красит человека, а человек – место».

Земля может гордиться своими обитателями.

А мы должны беречь свою обитель.

.  .