![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Физическая картина мира как предмет изучения в школьном курсе физики
Содержание школьного курса физики составляют основы науки-физики, которая представляет собой систему знаний об окружающем мире. Идеальную модель природы, включающую в себя общие понятия, принципы, гипотезы физики и характеризующую оп- ределенный этап ее развития, называют физической картиной мира (ФКМ). В физической картине мира конкретизируются философские представления о материи и движении, пространстве и времени, взаимосвязи и взаимодействии. Физическая картина мира является частью естественнонаучной картины мира, представляющей собой высший уровень обобщения и систематизации всей совокупности естественнонаучных знаний которая в свою очередь является частью общенаучной картины мира.' Важнейшими компонентами понятийной структуры ФКМ являются: исходные философские идеи и представления о материи, пространстве и времени, движении и взаимодействии; физические теории с присущими каждой из них характеристиками (система основополагающих постулатов и принципов, понятийный аппарат, эмпирический базис и т.д.), а также система фундаментальных физических идей и принципов, выражающих взаимосвязи между физическими теориями (схема 4). Схема 4
В истории физики существовали три физические картины мира: механическая (МКМ), электродинамическая (ЭДКМ), квантово-полевая (КПКМ). Каждая из них характеризуется определенными представлениями о материи, пространстве и времени, движении и взаимодействии; в каждую из них входит определенная система теорий и законов. Смена картин мира - качественное, коренное изменение этих представлений. Характеристика физических картин мира, их становление и эволюция рассмотрены подробно в философской и методической литературе1. В систематизированном виде эти сведения приведены в таблице 10. Из таблицы видно, как изменялись представления о материи и движении, пространстве и времени, взаимодействии по мере развития физической науки. При этом картины мира оказываются связанными между собой принципом соответствия: в настоящее время существует современная квантово-полевая картина мира, а механическая и электродинамическая картины входят в нее как частные предельные случаи, содержащие законы и теории, описывающие определенный круг физических явлений.
Таблица 10
Одним из структурных элементов ФКМ является физическая теория. Любое знание по своей природе системно, т.е. состоит из определенных элементов, связано с другими элементами знания, способно развиваться и т.д. Наивысшее выражение эта система находит в физической теории. Отличительным признаком физической теории является замкнутость систем понятий, исчерпывающе описывающих определенный круг явлений. Каждая теория имеет специфические исходные понятия, определения, аксиомы, математический аппарат и идеи, связанные с интерпретацией теории. Существуют разные классификации физических теорий; одной из общепринятых является классификация В.Гейзенберга, который выделил четыре большие системы понятий и аксиом, уже нашедшие к тому времени свою окончательную форму: механика Ньютона, включая небесную механику; статистическая механика; электродинамика, включая волновую оптику и специальную теорию относительности; квантовая теория1. Эти системы понятий и аксиом в дальнейшем стали называть теоретическими направлениями или фундаментальными физическими теориями. Данная классификация проведена в соответствии с формами движения материи и учитывает динамику развития физической науки, в частности эволюцию ФКМ. Иной подход к классификации физических теорий принят известным философом и физиком, автором школьных учебников Г.Я.Мякишевым. Полагая, что одномерная классификация, т.е. классификация теорий по формам движения материи, не может вместить в себя все богатство и разнообразие физических теорий и их взаимосвязей, он проводит классификацию по двум признакам: формам движения материи и уровням глубины познания окружающего мира2. В соответствии с этим выделяются теории макроскопических систем и теории микроскопических объектов. Теории процессов в макросистемах делятся на макроскопические (феноменологические) и микроскопические. В число этих теорий входят как динамические, так и статистические теории, между которыми могут быть установлены связи. Помимо фундаментальных существуют теории, обладающие меньшей степенью общности, так называемые частные теории или частные теоретические схемы, которые являются в историческом аспекте основой создания фундаментальных теорий. Так, классическая механика создавалась как обобщение частных теорий свободного падения, колебаний маятника, движения по наклонной
2 См.: Мякишев Г.Я. Динамические и статистические закономерности в физике. - плоскости. В современной физике до создания квантовой механики различные аспекты квантовомеханических процессов описывались и объяснялись с помощью таких частных теоретических схем, как боровская модель атома, теория фотоэффекта, теория излучения абсолютно черного тела и др. При построении фундаментальной теории частные теории включаются в ее состав в качестве компонентов ее содержания. При этом частные теории сохраняют свою значимость в области явлений, для объяснения которых они были созданы. Именно на уровне частных теорий происходит эмпирическое обоснование и опытная проверка основных положений фундаментальных теорий. И фундаментальные, и частные теории имеют одинаковую структуру, которая включает основание, ядро, следствия и интерпретацию. В основание теории входят эмпирический базис, т.е. экспериментальные факты, которые послужили отправной точкой развития теории; модель, т.е. тот идеализированный объект, для которого строится теория; система понятий, включая физические величины и процедуры измерения последних. В ряде случаев в основание входят эмпирически установленные законы, например законы движения. Таблица 11
Ядро теории представляет собой законы, описывающие изменение состояния материального объекта, законы сохранения, постулаты и принципы, а также фундаментальные физические постоянные. К следствиям относятся выводное знание, применение законов, входящих в ядро теории, объяснение эмпирических фактов, предсказание нового. К интерпретации относятся истолкование основных понятий и законов, а также осмысление границ применимости теории. В таблице 11 в качестве примера приведена структура классической механики. Связи между физическими теориями многообразны и осуществляются на разных уровнях. Они проявляются прежде всего в том, что существуют общие для всех теорий понятия (скорость, масса, импульс и др.), общие законы (закон сохранения энергии-импульса). Связи между теориями осуществляются и на уровне общих физических принципов, которые в настоящее время имеют статус методологических общенаучных принципов. К ним относятся принципы соответствия, дополнительности, симметрии и причинности. Принцип соответствия предполагает, что теории, «...справедливость которых установлена для той или иной предметной области, с появлением новых более общих теорий не устраняются как нечто ложное, но сохраняют свое значение для прежней области как предельная форма и частный случай новых теорий»1. Принцип соответствия ввел Н. Бор при разработке теории атома и установлении связи между движением электронов в атоме и излучением. В дальнейшем он стал исходным при построении квантовой механики. Однако действие принципа соответствия не ограничивается рамками классической и квантовой механики. Так, он связывает классическую и релятивистскую механику, волновую и геометрическую оптику, классическую и квантовые статистики и т.д. Более того, принцип соответствия «работает» и в математике (геометрия Лобачевского и геометрия Евклида), и в биологии (хромосомная теория и теория Менделя). Таким образом, принцип соответствия, возникнув как полезный эвристический прием, превратился в один из методологических принципов современного естествознания. Принцип дополнительности также был введен в науку Бором при обсуждении проблем интерпретации квантовой теории. Им дополнительность понималась как дополнительность волновых и корпускулярных представлений, что в пределах квантовой механики является дополнительностью классических понятий и квантового отрицания этих понятий, причем само понятие «дополнительность» означает, что каждый из дополнительных аспектов теряет без другого физический смысл.
В дальнейшем Бор распространил этот принцип на световые явления. Позже дополнительность стала пониматься достаточно широко, в частности, в физике термодинамический и статистический методы описания макроскопических систем дополняют друг друга так же, как теории Максвелла, Друде-Лоренца и термодинамика, с разных точек зрения описывающие явление электропроводимости. Принцип дополнительности, подобно принципу соответствия, является в настоящее время общенаучным принципом, поскольку ему подчиняются процессы любой природы. Так, рассмотрение биологических явлений возможно на клеточном, молекулярном уровнях, на уровне организма в целом. Знания, полученные на этих уровнях, взаимно дополняют друг друга и позволяют создать более полную картину явления. Принцип симметрии также понимается как методологический общенаучный принцип познания. Понятие симметрии неразрывно связано с понятиями однородности и неоднородности, изотропности и анизотропности, равномерности и неравномерности, однообразия и разнообразия, порядка и беспорядка, покоя и движения, сохранения и изменения, равенства и неравенства и т.д. Наиболее заметную роль играет принцип симметрии в физике, поскольку все физические законы пронизаны теми или иными свойствами симметрии, которые отражаются в них. С симметрией непосредственно связаны законы сохранения. Согласно теореме Не-тер, из инвариантности действия относительно непрерывной од-нопараметрической группы преобразований следует существование одного закона сохранения. Содержание принципа причинности менялось с течением времени. В рамках механической картины мира сложилось представление о динамической причинности, суть которой заключается в существовании однозначных связей между причиной и следствием. В частности, состояние тела во время механического движения однозначно определяется его начальным состоянием и действующими силами. С развитием науки на смену динамической причинности пришла вероятностная, означающая невозможность однозначного определения состояния системы по заданному начальному состоянию и закону его изменения. Однако, поскольку статистические законы были сформулированы на базе динамических, они считались основными, а статистические - производными от них. Более того, считалось, что статистические законы обусловлены неполнотой наших знаний и что к вероятностному описанию прибегают тогда, когда трудно учесть все данные, все взаимодействия. Возникновение и развитие квантовой теории привело к пересмотру представлений о соотношении динамических и статистических законов и теорий. Сформировалось представление о том, что и те, и другие выражают объективно существующие причинно-следственные связи, однако статистические теории и законы глубже отражают эти связи и потому являются фундаментальными по сравнению с динамическими. Главное отличие статистических законов от динамических состоит в «понимании внутренней структуры необходимости: в статистических законах она выступает в диалектической связи со случайным, а в динамических - как абсолютная противоположность случайного»1. До недавнего времени считалось, что поведение систем, описываемых динамическими законами, жестко детерминировано. Однако в реальных процессах всегда происходят случайные флуктуации, которые только при определенных условиях не играют существенной роли. Поэтому случайность свойственна и простым динамическим системам. Таким образом, в современной ФКМ статистические теории и законы наиболее полно отражают реальность. Ниже приведена детализированная схема структуры ФКМ (схема 5).
|