РАЗВИТИЕ СПОСОБНОСТЕЙ К ПОСТРОЕНИЮ МОДЕЛИ ЯВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ.
статья по физике на тему

РАЗВИТИЕ СПОСОБНОСТЕЙ К ПОСТРОЕНИЮ МОДЕЛИ ЯВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКИ.

Н.Н. Семенова, к.п.н. , учитель физики Второй Санкт-Петербургской Гимназии.

Моделирование представляет собой весьма распространенный метод, применяемый во многих науках. Главной отличительной чертой моделирования как метода научного познания является использование для исследования непосредственно интересующего объекта другой объект, заменяющий первый.

Перечислим те ситуации, в которых мы прибегаем к помощи метода моделирования:

1. Необходимость в моделировании возникает вследствие отсутствия теории объекта:

1. при разработке теории объекта, когда непосредственное исследование не представляется возможным вследствие ограниченности современного уровня знания и практики;
2. для объяснения накопленных в науке фактов или законов, если для их объяснения еще нет теории;
3. для предсказания поведения непосредственно интересующего объекта путем анализа поведения другого, более известного объекта (последний выступает в роли модели).

2. Используется, когда непосредственное применение развитой теории к анализу описываемых объектов является трудоемким делом:

1. замена решения системы уравнений путем непосредственного экспериментального исследования процессов, протекающих в модели;
2. строят такую модель, которая описывалась бы гораздо более простой системой уравнений, нежели интересующий объект;
3. модель может быть использована для установления связи между двумя ранее не связанными теориями;
4. модель может выступать в роли промежуточного звена между теорией и действительностью.

3. Модель иногда позволяет осуществить практическую проверку тех или иных положений, непосредственное подтверждение которых не представляется возможным:

1. для исследования объектов недоступных для экспериментального оперирования с ними;
2. применение модели может быть вызвано соображениями экономии.

Несмотря на разнообразие всех моделей, все они имеют исследовательский характер. Являясь средством получения новых знаний, модель представляет собой специфическое орудие опосредованного познания действительности. Модель в науке - это не уменьшенная или увеличенная копия предмета, а картина явления (или тела), освобожденная от несущественных для поставленной задачи деталей.

При создании модели необходимо удовлетворить два требования: модель должна быть достаточно проста и в то же время содержать основные параметры и взаимодействия, которые влияют на изучаемый процесс (объект). Исключая ради простоты то или иное взаимодействие, можно потерять какие-то физические эффекты, что может сделать модель несодержательной. Лауреат нобелевской премии Ф. Андерсон писал: «Очень часто упрощенная модель проливает больше света на то, как в действительности устроена природа явления, чем любое число вычислений ab initio для различных конкретных случаев, которые, даже если они правильны, часто содержат так много деталей, что скорее скрывают, чем проясняют истину. Возможность рассчитать или измерить что-либо слишком точно может быть скорее помехой, а не преимуществом, так как часто то, что измеряется или рассчитывается, с точки зрения явления оказывается несущественным. В конце концов идеальный расчет просто копирует Природу, а не объясняет ее» [6].Таким образом, выбор модели, соответствующей физическому явлению - ключевой этап, требующий от исследователя знания и интуиции.

При построении модели и дальнейшей проверке ее адекватности изучаемому процессу очень полезными оказываются простые качественные методы (метод анализа размерностей, исследование частных и предельных случаев). Их использование дает возможность оценить порядок величин, найти характер решения.

Умение создать модель явления иногда называют искусством. Научиться этому искусству можно только в результате собственной практики, разбирая конкретные примеры, иллюстрирующие те или иные особенности процесса моделирования.

В качестве примера остановимся на построении моделей атома.

В конце 19 - начале 20 века было установлено, что атом не является "неделимым", а тоже состоит из некоторых "компонентов".

В 1904 году Дж. Томсон предлагает свою модель атома, которая состояла из массивного ядра, и внедренных в это ядро электронов.

В 1911 году Резерфорд выполняет эксперименты по уточнению строения атома. В 1913 году появляется простейшая планетарная модель "атома водорода" Бора-Резерфорда. 

Эта модель и является в настоящее время общепринятой "официальной" моделью атома.
Модель эта очень неуклюжая, грубая, и с самого начала вызвала огромное количество отрицательных откликов.

Пожалуй основное и единственное ее достоинство - это простота.
Согласно этой модели атом должен был состоять из компактного положительного ядра и электрона, 
вращающегося вокруг него по "стационарным круговым орбитам".

Почему по круговым?

- Потому что электрон, движущийся по эллиптической орбите, обязан испускать электромагнитные волны и терять свою энергию.

Почему по стационарным?

- Потому что энергию атом излучает квантами (фотонами), что в предположении Бора и Резерфорда должно было отвечать
переходу электрона в атоме с одного квантового уровня на другой.

Недостатки и противоречия модели атома Бора-Резерфорда более чем очевидны.
Эти недостатки просто бросаются в глаза:

1) электрон вокруг атома, согласно решению задачи движения тела в центральном поле, не может двигаться по круговым траекториям.  Траектории должны быть эллиптическими.
Но эллиптические траектории в такой модели невозможны, поскольку:

- во-первых, такие траектории приводят к электромагнитному излучению атома;

- во-вторых, эллиптические траектории "не квантуются". То есть, в разных точках такой траектории энергия перехода с одного
уровня на другой будет разной (что противоречит экспериментальным данным по излучению атомов).

Еще один и, главный недостаток модели Бора заключается в том, что эта модель не дает ответа на главный вопрос:

Что излучает электрон при переходе с более высокого уровня на более низкий?

Фотон?

Но где он этот фотон берет, если изначально у электрона этого фотона нет?

Сам Бор предполагал, что его модель атома проживет не более 10 лет, и очень быстро физики найдут более удачную модель атома.

Но прошло уже 100 лет, а до сих пор никто ничего лучше предложить так и не смог.

Практикум моделирования для учащихся:

1. Построить планетарные модели ряда атомов элементов таблицы Менделеева.

2. Изобразить схему энергетических уровней атома водорода, возможные переходы между уровнями, выделить серии переходов, изобразить спектр излучения водорода.

Наш мир сложен, изучается разными науками, в которые проникли методы физических исследований. Физические модели используются в химии и биологии, в медицине и в технологии, в экономике и политике. Природа и ее законы едины, взаимосвязь явлений и процессов объединяет не только науки, но и людей.

Литература:                              

1. Десненко М.А. Моделирование в физике, учебно-методическое пособие. Чита: ЗабГПУ, 2003г.
2. Газета ,,Первое сентября” Десненко М.А. Моделирование в физике //Газета ,,Первое сентября,, № 2, 2005 г.,
3. Разумовский В.Г. Развитие творческих способностей учащихся  в процессе обучения физике. Пособие для учителей. М.., Просвещение , 1985г
4. Шамова Т.И. Малинин А.Н. Инновационные процессы в школе как содержательная основа механизма её развития. Методика исследования. М, Просвещение, 1993г.
5. Хорошавин С.А. Физико-техническое моделирование. М., Просвещение,1983г
6. Ф. Андерсон. Локальные моменты и локализованные состояния. УФН, 1979