Методические особенности формирования целостной физической картины мира

Сегодня мы обобщим изученный курс, стремясь показать, что мир и отражающие его физические законы представляют собой не просто сумму разрозненных и независимых объектов, явлений и отражающих их научных положений, а части единого целого, разнообразные и многочисленные проявления единых сущностей.

План конференции записан на доске. Он поможет вам выделить основные вопросы.

Вселенная и ее масштабы. (1 ученик)

В физике изучается строение материи на первых структурных уровнях и исходные простейшие формы ее движения во всей Вселенной, начиная от элементарных частиц (размеры порядка 10-15 — 10-18 м) и кончая огромными звездными островами — галактиками (размерами порядка 1022 м).

Наглядное представление о доступной наблюдению и изучению в настоящее время области Вселенной дает шкала размеров объектов (рис. 1). Смещение по этой шкале на одно деление вправо соответствует увеличению размеров (данных в метрах) в 10 раз.

Структура основных физических объектов показана в таблице 2. Обратите внимание, что таблица 2 и рисунок 1 взаимосвязаны. Область пространства, указанная на рисунке 1 условно разделена в таблице 2 на три области: мега-мир, макромир, микромир. Для каждой области можно указать свои объекты, то есть структурные единицы деления материи. Мега-мир включает галактики и звезды, макромир — планетные системы звезд, планеты, окружающие нас тела, микромир — молекулы, атомы, ядра атомов, элементарные частицы. Электромагнитное и гравитационное поля входят в состав мега- и макромира. Если сравнить состав объектов всех трех областей (мега-мир, макромир, микромир), то можно сделать важный вывод: все состоит из элементарных частиц, причем в состав вещества в стабильном состоянии входит всего три вида основных частиц. Это протоны, нейтроны и электроны, а электромагнитное поле состоит из фотонов.

Строение и движение всех этих объектов и изучает физика.

Взаимодействия и законы сохранения. (2 ученик)

Любой материальный объект, начиная от элементарной частицы и кончая макроскопическим телом и системой тел, обладает энергией и импульсом — это универсальные физические характеристики физических объектов. Самое общее и основное свойство всех объектов состоит в их способности взаимодействовать между собой. Так, тела притягиваются к Земле, а Земля — к Солнцу, электрон отталкивается от другого электрона и притягивается к ядру, вступают во взаимодействие атомы и молекулы, образуя кристаллы, взаимодействуя, отскакивают при ударе друг от друга стальные шарики и т. д.

Всеобщая причина изменения и движения в материальном мире — взаимодействие. Несмотря на разнообразие взаимодействий, все они приводят к двум основным результатам:

1. В результате взаимодействия меняются энергия, импульс и другие характеристики объекта. Например, шарики при столкновении меняют направление скорости, а значит, изменяется импульс; одни элементарные частицы превращаются в другие и т. д.

2. В результате взаимодействия частицы или тела объединяются в новую устойчивую систему. Так, например, образуется ядро из нуклонов, взаимодействующих между собой, атом — из ядра и электронов, Солнечная система — из Солнца и планет и т. д.

В настоящее время все взаимодействия удалось понять как проявление четырех исходных, или, как говорят, фундаментальных взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного (в настоящее время слабое и сильное взаимодействия понимают как проявления единого электрослабого поля). Основные характеристики трех, изучаемых в школе, взаимодействий видны из таблицы 3. Гравитационное взаимодействие универсально, то есть имеет место между любыми материальными объектами. Оно убывает пропорционально 1/r², то есть простирается на большие расстояния, образуя макроскопическое гравитационное иоле. По сравнению с двумя другими взаимодействиями гравитационное взаимодействие мало. Электромагнитное взаимодействие проявляется только для электрически заряженных тел и частиц, оно на много порядков больше гравитационного и также образует макроскопические поля. Сильное взаимодействие, превышая по интенсивности гравитационное и электромагнитное, осуществляется только на очень малых расстояниях порядка размера элементарных частиц. Поэтому макроскопического поля оно не образует, а проявляется только между элементарными частицами. Сильному взаимодействию подвержены мезоны и барионы. Лептоны же и фотоны не участвуют в сильном взаимодействии.