На стыке физики и химии
статья по физике (7, 8, 9, 10, 11 класс)

На стыке физики и химии. 

«О, физика, наука из наук!

         Все впереди! Как мало за плечами!

Пусть химия нам будет вместо рук,

Пусть будет математика очами»                            

 (М. Алигер)

“Химик без знания физики подобен человеку,

который всего должен искать ощупом.

 И сии две науки так соединены между собой,

что одна без другой в совершенстве быть не могут”.

(М.В. Ломоносов)

Контакты между химией и физикой могут быть осуществлены при изучении близких вопросов, понятий, явлений, использовании одних и тех же научных методов, а также теорий и законов. В курсах химии и физики рассматривается много общих объектов. К главным из них можно отнести вещество, его строение и свойства.

Сопоставление систем понятий в курсах химии и физики показывает, что общими для этих предметов являются понятия о веществе, его строении, об энергии и ее видах. Однако формирование этих понятий в смежных предметах производится неравномерно и неодновременно.

Использование межпредметных связей с химией даёт возможность учащимся не только глубже понять вопросы физики, но и увидеть то общее, что объединяет физические и химические явления, химическую и физическую науку, а, следовательно, и школьные учебные предметы. Осуществление межпредметных связей химии с физикой способствует повышению качества знаний по физике. У учащихся вырабатываются умения связывать знания, полученные учащимися при изучении физики и химии, выделять общие для химии и физики вопросы, теории и законы, переносить знания в новые ситуации, применять их при решении задач и т.п.

В классах без уклона в химию, химия изучается с 8 класса. В 7 классе на уроках физики учащиеся знакомятся с молекулами, с элементами молекулярно-кинетической теории. Эти знания ложатся в основу изучения первой темы курса химии 8класса, где рассматриваются основные химические понятия; даются представления о молекулах, их движении и т. д. В лицее химию начинают изучать, как и физику, с 7 класса и эти темы тесно переплетаются с первых дней обучения этим предметам.

Так, в самом начале курса физики учащиеся узнают о строении вещества из молекул, размерах молекул, их движении, взаимном притяжении, диффузии и броуновском движении как явлениях, подтверждающих молекулярное строение вещества, а также получают первоначальные представления о том, что молекулы состоят из атомов, что могут быть молекулы, состоящие из одинаковых атомов, например молекулы кислорода, или из разных атомов - молекулы воды, молекулы могут делиться на составляющие их атомы, а атомы соединяться в молекулы. На основании знаний учащихся о молекулярном строении вещества на уроках физики рассматриваются вопросы об агрегатных состояниях вещества, и перехода его из одного агрегатного состояния в другое, дается первоначальное представление о кристаллах. Все эти сведения составляют опору для усвоения учащимися на уроках химии  понятий о простых и сложных веществах, составе и свойствах веществ, основных типах химических реакций.

 При изучении темы «Атом и атомное ядро» следует отметить глубокую связь физики и химии. Дальнейшее углубление знаний о строении вещества происходит в 11 классе на уроках физики, где изучаются вопросы строения ядра атома. Здесь вновь повторяются вопросы строения атома и атомного ядра, природа изотопов, искусственная и естественная радиоактивность. Все эти вопросы рассматриваются с использованием периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Здесь рассматриваются исторические факты открытия радиоактивности, работы М. Кюри, А. Беккереля, Э. Резерфорда, Содди и многих других учёных.

Важно отметить, что наряду со строением атомов и молекул на занятиях по физике и химии рассматриваются также и количественные характеристики вещества. Как известно, раньше основной количественной единицей, характеризующей вещество, была масса. Величина массы в классической физике считалась постоянной. С открытием закона взаимосвязи массы и энергии изменились представления о массе. Оказалось, что она зависит от скорости. С увеличением скорости масса тела возрастает, хотя число частиц остается неизменным. Все это привело к необходимости разграничения понятий массы и количества вещества.

С массой вещества учащиеся знакомятся на уроках физики. С единицей количества вещества - молем - они впервые встречаются на уроках химии в 8 классе. Под количеством вещества учащиеся должны понимать физическую величину, определяемую числом атомов, молекул или других частиц, содержащихся в веществе. Важно отметить, что наряду со строением атомов и молекул на занятиях по физике и химии рассматриваются также и количественные характеристики вещества. Как известно, раньше основной количественной единицей, характеризующей вещество, была масса. Величина массы в классической физике считалась постоянной. С открытием закона взаимосвязи массы и энергии изменились представления о массе. Оказалось, что она зависит от скорости. С увеличением скорости масса тела возрастает, хотя число частиц остается неизменным. Все это привело к необходимости разграничения понятий массы и количества вещества.

Другим важным объектом, рассматриваемым на уроках химии и физики, является электрическая природа вещества. Впервые с электроном учащиеся встречаются на уроках физики в 7 классе. В курсе химии 8 класса эти знания используются при рассмотрении строения атома на основе периодического закона. Здесь электрон характеризуется как составная частица атома, имеющая отрицательный заряд.

Определенную трудность испытывают учащиеся при усвоении знаний об условиях протекания химических реакций, они затрудняются различать необходимость предварительного нагревания для начала реакции и непрерывного нагревания как условия протекания эндотермических реакций. Поскольку уже в 7 классе на уроках физики школьники овладевают знаниями об энергии и ее видах и превращениях, использование этих сведений позволит успешно сформировать следующие знания:

• для того, чтобы молекулы вещества начали вступать в реакцию, необходимо ослабить взаимодействие составляющих их атомов; это достигается увеличением кинетической энергии атомов, входящих в состав молекул, в результате нагревания вещества
• молекулы различных веществ требуют различного количества энергии для того, чтобы началась реакция, поэтому одни вещества вступают в реакции почти без нагревания, другие - требуют значительного предварительного нагревания
• химические реакции сопровождаются различными энергетическими изменениями: в одних случаях, начавшись после предварительного нагревания, реакция в дальнейшем идет с выделением энергии (экзотермическая); в этих случаях нагревание нужно только как толчок для начала реакции
• если реакция идет с поглощением энергии (эндотермическая), то необходимо постоянное нагревание для непрерывного поступления энергии, иначе реакция прекратится.

 При изучении физики и химии учащиеся знакомятся с рядом законов и теорий, применение которых можно найти в каждом из этих курсов. К ним можно отнести периодический закон, закон сохранения энергии, принцип минимума потенциальной энергии и др. Так, например, принцип минимума потенциальной энергии может быть использован как руководящий при изучении стереохимии молекул органических веществ. Любая перестройка пространственной формы молекулы связана с изменением ее энергии.

В 10 классе на уроках физики и химии изучается электролиз. На уроках химии процесс электролиза рассматривается многосторонне: окислительно-восстановительная сущность его, химизм процессов, проходящих на электродах, изменение ионного состава, зависимость продуктов электролиза от ионного состава среды, применение электролиза в промышленности. На уроках физики рассматривается количественная сторона электролиза - зависимость массы выделившегося при электролизе вещества от количества электричества, прошедшего через раствор или расплав. Таким образом, у учащихся формируемся система знаний об электролизе как сложном физико-химическом процессе. Большое значение межпредметные связи физики и химии имеют при формировании понятия электролитической диссоциации. Хотя учащиеся обладают лишь первоначальными знаниями об электрическом поле, усвоенными на уроках физики 8 класса, необходимо опираться на эти знания при формировании понятия о механизме электролитической диссоциации, указывая, что электрическое поле возникает вокруг ионов и каждого из плюсов полярной молекулы. Под действием электрических полей ионов (в ионном кристалле) или полярных молекул (например, хлороводорода) диполи воды ориентируются соответствующими полюсами. В то же время действие электрических полей молекул воды ослабляет взаимосвязи между ионами или атомами в молекуле, а в результате теплового движения их кристаллическая решётка (или молекула) разрушается. Правильное применение понятий физики на уроках химии также обеспечивает реализацию межпредметных связей физики с химиией. Применение единиц измерения должно соответствовать требованиям физики, так как именно в физике находит применение интернациональная система единиц.

На указанных выше примерах показаны возможности установления взаимосвязи химии с физикой и развития общих для химии и физики понятий. Приведенные выше примеры, конечно, не исчерпывают всех возможностей осуществления связи курсов физики и химии. Осуществление межпредметных связей физики и химии возможно лишь при согласованной работе учителей физики и химии.