Молекулалық физиканы оқыту әдістемесі

1. Молекулалық физиканы оқыту әдістемесі

В разделе «Молекулярная физика» учащиеся изучают поведение качественно нового материального объекта: системы, состоящей из большого числа частиц (молекул и атомов), новую присущую именно этому объекту форму движения (тепловую) соответствующий ей вид энергии (внутреннюю). Здесь учащихся впервые знакомят со статистическими закономерностями, которые используют для описания поведения большого числа частиц. Формирование статистических представлений позволяет понять смысл необратимости тепловых процессов. Именно необратимость является отличительным свойством тепловых процессов позволяет говорить о тепловом равновесии, температуре, понять принцип работы тепловых машин.

Задача учителя - рассмотреть в единстве два метода описания тепловых явлений и процессов: термодинамический (феноменологический), основанный на понятии энергии, и статистический, основанный на молекулярно-кинетических представлениях о строении вещества. При рассмотрении статистического и термодинамического методов необходимо четко разграничить знания, полученные эмпирически, и знания, полученные в результате моделирования внутреннего строения вещества и происходящих с ним явлений и процессов.

Важно показать, что эти два подхода, по сути, описывают с разных точек зрения состояние одного и того же объекта и потому дополняют друг друга. В связи с этим, формируя такие понятия, как температура, внутренняя энергия, идеальный газ и т.д., учитель должен раскрыть их содержание как с термодинамической, так и с молекулярно-кинетической точки зрения.

Многие вопросы из молекулярной физики рассматривались в базовом курсе, но это было только первоначальное знакомство с этим разделом курса физики. Изучая физику в базовом курсе, учащиеся научились объяснять целый ряд физических явлений, свойств веществ (свойства жидкостей и газов, давление, тепловые явления и пр.) с точки зрения внутренней структуры вещества. Однако понятия, составляющие содержание соответствующих тем, изучали на уровне представлений, а все явления описывали, в основном, качественно. Поэтому при преподавании молекуляр­ной физики в старших классах, знания, имеющиеся у учащихся, нужно актуализировать, углубить и расширить, довести их до уровня понятий и количественного описания явлений. В частности, в курсе физики старших классов изучают основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов значительно глубже, чем в курсе физики основной школы, рассматривают свойства газов, жидкостей и твердых тел.

В разделе получают дальнейшее развитие энергетические представления, происходит обобщение закона сохранения энергии на тепловые процессы, вводится формула первого закона термоди­намики и рассматриваются применения этого закона к анализу конкретных процессов. Изучение одного из основных принципов термодинамики имеет огромное познавательное и мировоззрен­ческое значение для старшеклассников.

Раздел «Молекулярная физика» дает возможность продолжить знакомство учащихся с экспериментальным методом исследования, который находит отражение в фундаментальных опытах (броуновское движение, опыт Штерна) и опытах, иллюстрирующих газовые законы (опыт Бойля, Шарля и пр.).

Мировоззренческое значение раздела «Молекулярная физика» трудно переоценить. При его изучении происходит углубление понятия материи. Молекулы и атомы являются вещественной формой материи, объективно существующей в окружающем мире. Они обладают массой, импульсом, энергией. Являясь видом мате­рии, молекулы и атомы имеют присущие материи свойства, одно из которых - движение. Молекулы и атомы участвуют в особом движении, называемом тепловым, которое отличается от про­стейшего механического движения большой совокупностью участвующих в нем частиц и хаотичностью. Тепловое движение опи­сывается статистическими законами. В связи с этим важно пока­зать школьникам различие между статистическими и динамиче­скими закономерностями, соотношение между ними и обратить внимание учащихся на отражение в этих закономерностях категорий необходимого и случайного. Таким образом, изучение раздела «Молекулярная физика» создает базу для формирования научного мировоззрения учащихся.

Большое воспитательное значение имеет рассмотрение истории становления молекулярно-кинетических представлений, которая представляет собой пример того, как в процессе развития науки, ее методов человечество переходило от незнания к знанию, как в борьбе идей и мнений рождалось истинное знание.

Раздел «Молекулярная физика» дает прекрасную возможность для демонстрации дедуктивного метода изучения явлений природы. Применение дедукции в преподавании вносит свой вклад в развитие абстрактного мышления учащихся.

Велико политехническое значение этого раздела курса физики. Достижения молекулярной физики являются научной основой такой отрасли промышленности, как материаловедение. Знание внутреннего строения тел позволяет создавать материалы с заранее заданными свойствами, целенаправленно работать над повышением твердости, термостойкости, теплопроводности металлов и сплавов.

Изучение тепловых явлений дает возможность ознакомить учащихся с основами теплоэнергетики - отрасли, занимающей одно из ведущих мест в обеспечении энергией нужд промышленности и быта. Связь теоретических знаний с их практическим применением можно реализовать при применении законов термодинамики к рассмотрению принципов работы тепловых двигателей, играющих огромную роль в экономике страны.

Раздел «Молекулярная физика» изучается в старших классах после раздела «Механика». Такое расположение материала, с одной стороны, соответствует методическому принципу рассмотрения физических явлений в порядке усложнения форм движения материи, а с другой - позволяет изучать микроявления на количественном уровне и использовать известные из курса механики величины: масса, скорость, сила, импульс, энергия и т. д.

Существуют разные методические подходы к изложению вопросов термодинамики и молекулярной физики и в связи с этим различные структуры раздела. Рассмотрим некоторые варианты.

Структура и содержание раздела «молекулярная физика»

Структуру раздела «Молекулярная физика» определяют два об­стоятельства: избранный метод изучения газовых законов (индук­тивный или дедуктивный) и метод введения понятия температуры.

При индуктивном изучении газовых законов вначале на качественном уровне рассматривают основные положения молекулярно-кинетической теории, затем некоторые вопросы термодинамики, газовые законы вводят эмпирически и объясняют с точки зрения молекулярных представлений и на основе термодинамического подхода. Методическая идея в этом случае заключается в совмест­ном изучении тепловых явлений и молекулярной физики, в опыт­ной изучении свойств веществ и их объяснении на основе теории.

В этом случае раздел имеет следующую структуру: основные положения молекулярно-кинетической теории - основы термодинамики (тепловое равновесие, параметры состояния, температура, газовые законы, абсолютная температура, первый закон термодинамики) - молекулярно-кинетическая теория идеального газа (основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов, тем­пература - мера средней кинетической энергии молекул) - свойст­ва газов, жидкостей и твердых тел и их взаимные превращения.

Эмпирический подход к изучению газовых законов вполне доступен для учащихся, при его использовании представления и понятия формируют на чувственно-конкретной основе, он не требует высокого уровня абстрактного мышления, соответствует ис­тории открытия газовых законов и позволяет знакомить учащихся с путями развития физики. Недостатком этого подхода является то, что он не позволяет полностью использовать молекулярно-кинетическую теорию для описания свойств идеального газа.

При дедуктивном подходе вначале изучают молекулярно-кинетическую теорию идеального газа: выводят основное уравне­ние молекулярно-кинетической теории газов посту­лируют или выводят из мысленных экспериментов связь темпера­туры со средней кинетической энергией его молекул и устанавливают уравнение состояния идеального газа р = пкТ или Газовые законы рассматривают как следствия уравне­ния состояния идеального газа и подтверждают эксперименталь­но. Далее можно изучать законы термодинамики и рассматривать применение первого закона термодинамики к изопроцессам.