Фундаментальные постоянные в физической науке и обучении
6М011000 - ФИЗИКА
Диссертация на соискание
академической степени магистра педагогических наук
Научный руководитель:
кандидат физико-математических наук,
профессор Кузьмичева А.Е.
Республика Казахстан
Уральск, 2016
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ЗАПАДНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.УТЕМИСОВА
Допущен (а) к защите:
зав. кафедрой физики и математики
кандидат физико-математических наук
_____________ А.А. Кульжумиева
(подпись)
«___»________________20__ г.
Магистерская диссертация
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОСТОЯННЫЕ
В ФИЗИЧЕСКОЙ НАУКЕ И ОБУЧЕНИИ
специальность: 6М011000 - ФИЗИКА
Уральск, 2016
СОДЕРЖАНИЕ
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ………………………………………………………..5
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ………………………….6
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..7
1 Постоянные величины в физической науке...…………………………………..10
1.1 Универсальные физические постоянные, их классификация……………….10
1.2 Универсальные физические постоянные молекулярной физики…………...13
2 Фундаментальные физические постоянные…………………………………….18
2.1 Роль фундаментальных постоянных в науке………………………………....18
2.1.1 Фундаментальные взаимодействия и физические постоянные…………..18
2.1.2 Постоянная Планка в квантовой теории…………………………………...19
2.2 Гравитационная постоянная в истории физики………………………………23
2.2.1 Закон Всемирного тяготения………………………………………………...23
2.2.2 Экспериментальное определение гравитационной постоянной………….24
2.2.3 О постоянстве гравитационной постоянной……………………………….29
2.2.4 Принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс (масса
тяготения)…………………………………………………………………………...30
2.2.5 Гравитационная постоянная в различных единицах измерений:
гео -, гелио -, селено-, планетоцентрические, Гауссова, Эйнштейна
гравитационная постоянная………………………………………………………..32
2.3 Зарождение квантовой физики. Постоянная Планка………………………..36
2.3.1 Проблема излучения абсолютно черного тела …..……………………......36
2.3.2 Введение в физику постоянной Планка………………………………..…..40
2.3.3 Методы определения Постоянной Планка………………………………....41
2.3.3.1 Определение постоянной Планка по законам теплового
излучения……………………………………………………………………………41
2.3.3.2 Определение постоянной Планка с использованием явления
Фотоэффекта……………………………………………………………………......43
2.3.3.3 Определение постоянной Планка по эффекту Джозефсона…………….44
2.4 Электродинамическая постоянная. Скорость света…………………………47
2.4.1 Роль фундаментальной постоянной «с» в физической науке…………....47
2.4.2 Определение скорости света………………………………………….…….50
2.5 Современные методы измерения фундаментальных постоянных………....53
2.5.1 Измерение гравитационной постоянной методами атомной интерферометрии……………………………………………………………53
2.5.2 Измерение постоянной Планка на основе нестационарного эффекта Джозефсона.………………………………………………………………….55
2.5.3 Современные методы измерения скорости света………………………....57
2.5.4 Возможное изменение физических констант в пространстве и времени.58
3 Методическая часть....……………………………………………………………62
3.1 Постоянные в содержании физики СОШ……………………………………..62
3.2 Представление фундаментальных постоянных в задачах…………………..67
3.2.1 Величина и размерность гравитационной постоянной…………………....67
3.2.2 Представление фундаментальных постоянных в задачных ситуациях…..69
3.2.3 Задачи с использованием универсальных постоянных молекулярной физики………………………………………………………………….……………74
3.3 Биография ученых, внесшие значительный вклад в развитие физических теорий, содержащих фундаментальные постоянные……………………………77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………….………….84
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ………………………………88
НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ
В настоящей диссертации использованы ссылки на следующие стандарты:
1 ГОСО РК БАКАЛАВРИАТ ФИЗИКА/ утверждено Приказом Министра образования и науки РК от 03.11.2010 г. №514
2 ГОСО СОШ РК/ утверждено Постановлением правительства РК от 23.08.2012 г. №1080
3 ГОСО СОШ РК/ утверждено Приказом Министра образования и науки РК от 24.09.2002 г. №693
4 Физика и астрономия. Учебная программа для 7-11 классов общеобразовательной школы/ Казахбаева Д.М., Токбергенова У.К., Башарулы Р., Кронгарт Б.А./ утверждено Приказом Министра образования и науки Республики Казахстан от 09.07.10 г. №367. – Астана, 2010 г.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
В настоящей магистерской диссертации применяют следующие термины с соответствующими определениями:
Физическая картина мира – это не просто совокупность знаний об окружающем мире, но это понятие включает также в себя обобщение знаний, расширение, углубление и развитие представлений об окружающем мире с выделением их мировоззренческого содержания.
Квантовый эффект Холла - эффект квантования холловского сопротивления или проводимости двумерного электронного газа в сильных магнитных полях.
В настоящей магистерской диссертации применяют следующие термины с соответствующими обозначениями и сокращениями:
АЧТ - абсолютно черное тело.
Бакалавр – академическая степень, присуждаемая лицам, освоившим соответствующие образовательные программы высшего образования.
БАК – Большой адронный коллайдер.
ВУЗ – высшее учебное заведение.
ГОСО РК – государственный образовательный стандарт образования Республики Казахстан.
ИСЗ – искусственный спутник Земли.
ИСЛ - искусственный спутник Луны.
КА - космический аппарат.
КЭХ – квантовый эффект Холла.
МКТ – молекулярно – кинетическая теория.
ОТО – общая теория относительности.
СИ – система единиц.
СТО – специальная теория относительности.
СОШ – средняя общеобразовательная школа.
ФКМ – физическая картина мира
ВВЕДЕНИЕ
Система образования Республики Казахстан непрерывно развивается, совершенствуется в соответствии с существующими условиями. Содержание среднего и высшего образования, их цели и задачи определяют Государственные Общеобязательные Стандарты Образования (ГОСО)[1-3]. В соответствии с требованиями ГОСО разработаны Программы по дисциплинам учебного плана, в том числе по физике [4]. Согласно ГОСО и программам по предмету «Физика и астрономия» содержание обучения включает изучение физики на основе фундаментальных физических теорий, одним из элементов которых являются фундаментальные постоянные.
Актуальность исследования определяется ролью фундаментальных постоянных в развитии физической науки, в переходе ее от классической физики к современной, то есть квантовой и релятивистской. Изучение физики позволяет получить представления о явлениях и процессах, протекающих в окружающем нас пространстве, о физической картине мира. Современная физическая наука представляет собой совокупность четырех фундаментальных теорий, которые являются отражением четырех известных фундаментальных взаимодействий. Процесс развития физической науки, построение фундаментальных теорий происходит с использованием математического аппарата. При этом в математической формулировке физических законов, математических выражениях различных физических процессов появляются постоянные коэффициенты (константы). Таких постоянных в физике большое количество, но роль их в науке неодинакова. Одни из них имеют часто прикладное значение и могут даже оказаться не совсем постоянными при определенных условиях. Другие – являются фундаментальными и имеют особенно важное значение для физической науки в целом. К таким постоянным относятся гравитационная постоянная, заряд электрона, скорость света и постоянная Планка. С каждой из них связан целый пласт физической науки. Эти постоянные определяют и основные характеристики фундаментальных взаимодействий. С фундаментальными постоянными связано и содержание физики, входящего в программы школы и вузов. Поэтому изучение истории введения в физику фундаментальных постоянных, экспериментального определения их значений, их роли в физических теориях являются актуальным для процесса обучения.
Новизна результатов: в разработанных научно – методических материалах о роли фундаментальных физических постоянных в истории развития науки, принципиальной необходимости повышения точности их измерения; в представлении информации о фундаментальных постоянных в форме задачных ситуаций (задач).
Цель исследования: Формированиенаучного мировоззрения обучаемых, развитие у них понимания современной физической картины мира на основе рассмотрения роли фундаментальных констант в физической науке.
Объект исследования: Содержание физики в процессе обучения.
Предмет исследования: Фундаментальные физические постоянные в науке и обучении.
Исходя из цели, были сформулированы следующие задачи исследования:
· Исследовать проблемы физики, которые привели к появлению в физической науке фундаментальных постоянных.
· Учитывая значимость количественных значений фундаментальных постоянных, рассмотреть экспериментальное определение их значений.
· Исследовать роль фундаментальных постоянных в фундаментальных физических теориях, в физической картине мира.
· Представить разработанные материалы в форме учебно – методического пособия на бумажном носителе и электронный вариант для использования в учебном процессе.
Методы исследования: аналитический, практический.
Теоретическая значимость исследования. Представлениев логической и исторической связи фундаментальных постоянных с формированием теорий фундаментальных взаимодействий, взаимной связи некоторых проблем современной физики с точностью измерения физических постоянных.
Практическая значимость исследования. Возможность использования разработанных материалов в процессе обучения физике в школе и вузе на учебных занятиях, а также при выполнении обучаемыми индивидуальных заданий, проектной деятельности.
Структура диссертационной работы соответствует предъявляемым требованиям и состоит из введения, трех глав основной части, заключения и списка использованных источников.
Апробация работы проводилось в учебном процессе бакалавриата при изучении дисциплин: Электродинамика и теория относительности (СТО), квантовая механика, физическая картина мира (ФКМ); и при изучении магистрантами дисциплины «Актуальные проблемы современной физики».
Степень изученности. Фундаментальные физические постоянные широко используются в науке и процессе обучения, входя в различные законы, формулы и связи, как коэффициенты пропорциональности; в своей совокупности они определяют константы фундаментальных взаимодействий. При этом не уделяется должного внимания значимости этих постоянных, их принципиального отличия от многих других постоянных, используемых в физике. Недостаточно представлена классификация физических постоянных в целом.
Гипотеза исследования: Если в процессе обучения усилить внимание к рассмотрению роли фундаментальных постоянных в физической науке, их конкретных значений, то это должно способствовать повышению уровня понимания обучаемыми проблем перехода от классической физики к современной, проблемы создания единой теории фундаментальных взаимодействий в физической картине мира.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При выполнении диссертационной работы в соответствии с темой, поставленными целями и задачами проведено научно-методическое исследование, разработаны и выносятся на защиту следующие материалы, которые могут быть использованы в учебном процессе:
1. Представленныев логической и исторической связи фундаментальных постоянных с формированием теорий фундаментальных взаимодействий.
2. Обоснование значимости количественных значений фундаментальных постоянных для решения принципиальных проблем фундаментальной физической теории и связанной с этим необходимостью повышения точности их измерения.
3. Анализ представления фундаментальных постоянных в содержании физики СОШ и разработанный цикл задачных ситуаций с их использованием.
Положения, выносимые на защиту, являются основополагающими в формировании у учащихся представлений о физической картине на основе фундаментальных физических теорий и эксперимента.
Первая часть работы посвящена постоянным величинам в физической науке, их роли и места в теории фундаментальных взаимодействий.
Рассмотрена классификация универсальных физических постоянных по их месту и роли в физике, которая может быть различной в зависимости от рассматриваемого вопроса.
· Классификация по разделам физики, в которых данные постоянные наиболее широко употребляются в учебном процессе: в механике – гравитационная постоянная, скорость света в вакууме; в молекулярной физике – постоянная Больцмана, постоянная Авогадро, универсальная газовая постоянная; в электричестве – заряд электрона, постоянная Фарадея; в оптике – постоянная Планка, постоянная Ридберга и в физике элементарных частиц – массы покоя электрона, протона, нейтрона.
· Разделение постоянных на две группы. В первую группу включаются постоянные, которые применяются при описании физических явлений в мире, доступном нашему непосредственному наблюдению, так называемом макромире. Константы второй группы являются характеристиками мельчайших частиц, относящихся к микромиру.
· Выделение постоянной Планка и скорости света по их особой роли в фундаментальной физике: постоянная Планка определяет область квантовой физики; скорость света - важнейшая характеристика релятивистской физики. Обе эти постоянные определяют границы применимости классической физики.
· Объединение фундаментальных постоянных G,e,c,h в особую группу по их значимости в современной физике.
Подчеркнуто, что все физические постоянные являются объективными характеристиками окружающего нас мира и о бращено внимание на вопрос,являются ли универсальные постоянные действительно постоянными.
В первой части представлена также история введения в науку универсальных физических постоянных молекулярной физики и термодинамики: постоянная Авогадро (
), постоянная Больцмана (
), универсальная газовая постоянная (R).
Вторая часть посвящена фундаментальным постоянным - G,c,h, имеющим особую значимость в теории фундаментальных взаимодействий, истории введения в физику и экспериментальному определению их значений.