БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ В ФИЗИКЕ
Учителя физики
Пояснительные выражения
объясняют темные мысли.
(Козьма Прутков)
К общеметодологическим принципам формирования содержания общего среднего образования относят, в частности, основообразующий и системообразующий характер учебного материала [1]. Следовательно, содержание учебного предмета, в данном случае физики, должно обеспечить формирование прежде всего системы основных (базовых) положений. Физика – наука экспериментальная, значит её основные положения могут быть получены только в результате наблюдений, измерений и планомерных экспериментов.
Физика – сложная или (и) простая?
Физика в школе считается одним из наиболее сложных предметов. Но…
Физики – народ «ленивый»: если есть два возможных способа решения задачи, они выбирают тот, который проще! Если для объяснения какого-то явления или группы явлений учеными разработаны разные теории, то в качестве рабочей принимается более простая, в том числе описываемая более простым математическим языком.
На самом деле основы физики понять может любой нормальный ученик. Для этого нужно:
во-первых, понять и запомнить не слишком большое число базовых понятий (положений);
во-вторых, понять принципы построения системы физических величин;
в-третьих, понять принцип формулировки законов физики.
Словесное оформление большинства положений физики, приводимое в разных источниках информации, может быть различным, но практически всегда из них можно выбрать наиболее точное. По-разному определяется и сам предмет физики. Приведем здесь три формулировки, взятые из разных источников.
«Физика — наука о природе».[2]
«Физика – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения» [3]
«Физика – наука, занимающаяся изучением основополагающих и вместе с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира» [4]
Первое определение самое короткое, но наук о природе много. Формулировка не отвечает требованию необходимости. Второе и третье определения избыточны, не отвечают требованию достаточности.
Опираясь на принцип необходимого и достаточного, получим наиболее краткое определение:
Физика – наука о строении (структуре), фундаментальных свойствах и проявлениях материи.
Основа этого определении – родовидовое соотношение: физика – вид рода «наука». Учтены требования современного науковедения: есть объект изучения – материя, и предмет изучения – структура (из чего состоит), свойства (на что способна), проявления – (явления). Слово «фундаментальных» говорит о том, что базовые положения физики справедливы для всех других «естественных» наук и являются для них основой (базой, фундаментом).
Лишних слов нет.
Материя (основа картины мира)
Одна из главных задач изучения физики в школе, закрепленная во ФГОС общего образования – формирование в сознании ученика научной картины мира. Некоторые проблемы формирования картины мира у школьников были рассмотрены автором ранее [5]. В статье [6], было обращено внимание на то, что ещё в программе первого класса есть формулировка: «Мир — это всё, что нас окружает, мы сами — часть мира», которая фактически является определением материи. В настоящей статье остановимся на основных (базовых) элементах структуры картины мира, которая должна и может быть сформирована в самом начале изучения физики.
Большой толковый словарь русского языкатрактует это слово так: МАТЕРИЯ – 1. Вещество, из которого состоят все тела. 2. Филос. То, что существует вне и независимо от человеческого сознания. 3. Разг. Ткань, материал. 4. Разг. Предмет обсуждения, внимания; тема речи. [7]
В работе [6] было обращено внимание на неоднозначность некоторых терминов. Как видно, термин «материя» относится к их числу. Из приведенных в словаре наиболее близка для физики вторая формулировка. Первая и третья формулировки относятся к частным формам материи. Последняя формулировка относится к деятельности материального объекта – человека – мышлению.
Материя – первое (исходное) базовое понятие физики.
Материя – первый, исходный уровень картины мира. На этом уровне больше нет ничего, материя – всеобъемлющий термин.
Пара взаимосвязанных базовых понятий – пространство и время – второй уровень структуры материи и, соответственно, базовых понятий физики. Пространство и время также являются формами материи (они же существуют!).
С термином «пространство» согласуются глагол «находятся» и существительное «объекты». Термин «объект» широко используется в самых разных областях науки и общественной жизни, естественно, с разным толкованием его смысла. В научной деятельности объект исследования – это то, что взято для изучения и исследования, причем не обязательно существующее в природе. Например, объектом исследования в лингвистике может быть термин.
Термином «объекты» в физике обозначены все частные формы материи, которые существуют (или могут существовать) в пространстве. Объекты заполняют пространство, пустого пространства не существует. Совокупность объектов в их взаимосвязи определяет структуру пространства.
Физики описывают объекты используя слова-термины – характеристики объекта. Совокупность (набор) характеристик определяет состояние объекта. Если состояние объекта меняется, говорят, что происходит явление. С явлениями связано понятие «время» – явления происходят (протекают) во времени.
Завершается начальная картина положением: все объекты взаимодействуют друг с другом (действуют друг на друга). Взаимодействие – причина всех явлений.
Таким образом, совокупность терминов «материя», «пространство», «время», «объекты», «явления» и «взаимодействие» составляют базовую полную систему понятий, объединяющих всё, изучаемое физикой. Все остальные физические понятия – это частные формы материи, виды взаимодействий и явлений, характеристики объектов и явлений, связь между ними – физические законы (законы природы).
Базовые свойства пространства и времени
Пространства без объектов – «пустого пространства» – не существует. Экспериментальная физика изучает пространство вместе с заполняющими его объектамичерез свойства объектов.
Пространство.
Все эксперименты свидетельствует о том, что свойства объектов одинаковы в любом месте пространства. Отсюда делается вывод: пространство однородно.
Положение точки в пространстве в любой системе отсчета можно однозначно определить заданием трех чисел – координат. Отсюда – пространство трехмерно.
Численное значение ускорения тела при заданной силе одинаково вне зависимости от направления действия силы. Отсюда – изотропность пространства –свойство пространства, заключающееся в том, что все направления в нем равнозначны (отсутствуют выделенные каким-либо образом направления).
Однородность и изотропность – свойства «пустого» пространства. В реальном пространство ситуация иная. Так, пространство между телами заполнено физическими полями – гравитационным и электромагнитным, которые существенно неоднородны. При решении задач физики очень важно то, что в данном месте на Земле или околоземном пространстве есть избранное направление, причем только одно – вертикальное. Это направление действия силы тяжести. Именно поэтому при решении пространственных задач выбирая систему координат, целесообразно сначала определить (выделить) вертикальное направление, а уже потом выбирать перпендикулярное ему горизонтальное направление, удобное для решения задачи.
Время.
Из анализа результатов экспериментов определено, что время как форма материи обладает следующими основными свойствами: одномерность, однородность, необратимость.
Отмеченные свойства пространства и времени характерны для классической физики, которая изучается и используется в школе. В использовании современных теорий (моделей) пространства и времени, например, теории Эйнштейна, для решения практических, «земных» задач нет необходимости. К тому же они сложны математически – необходимый для их описания и практического применения математический аппарат в школьную программу математики не входит (по крайней мере пока).
Базовые свойства объектов
Природные объекты как правило, настолько сложны, что их полное описание затруднительно, а иногда и невозможно. Но, физики народ «ленивый». Поэтому они выделяют в изучаемом объекте наиболее важные (существенные) его особенности и получают упрощенную модель объекта или явления. Практическое значение моделей заключается прежде всего в том, что их можно относительно просто описать математически. Это позволяет на основе расчетов предсказывать поведение объектов в тех или иных условиях, а также создавать (конструировать) новые объекты.
Положение в пространстве.
Система отсчета.
Положение тела в пространстве (место) в физике принято определять (задавать) введением «системы отсчета». Основа системы отсчета – тело отсчета – любое тело, выбираемое человеком при решении конкретной задачи исходя из удобства (простоты) решения. С телом отсчета связывается система координат. Положение любого другого тела определяется расстояниями между точками этого тела и тремя избранными по определенным правилам точками системы координат. При использовании прямоугольной (декартовой) системы координат положение точки определяется тремя расстояниями между началом координат и проекциями точки на оси координат.
Добавление к телу отсчета и системе координат часов задает полную систему отсчета, в которой можно отслеживать изменение положения тел с течением времени, т. е. явления.
Базовые понятия, относящиеся к пространству – расстояние и направление.
Объём и форма.
Объекты находятся в пространстве и занимают некоторую его часть, характеризуемую физической величиной «объём». Объекты, объём которых ограничен по своей природе, называют телами. Газы и физические поля не имеют собственного объема. Их объем может быть ограничен только другими телами – сосудами.
Тела кроме объёма характеризуют формой*. Форма – характеристика качественная, но она может быть определена количественно через совокупность расстояний между точками, принадлежащими телу (на практике обычно точками на его поверхности). Например: шар – тело, ограниченное сферической поверхностью, все точки которой равноудалены от одной точки, называемой центром сферы и шара.
Граница между телом и окружающим его пространством называется поверхностью тела. Поверхность характеризуется величиной площади, но не имеет толщины. Формы тел и поверхностей изучает раздел математики – геометрия. Геометрическая поверхность, как и геометрические точка и линия, в природе не существует. Поверхности реальных тел – объекты физические, свойства вещества на поверхности тел существенно отличаются от свойств вещества внутри тела. Но это уже отдельная самостоятельная тема.
Объекты простые и сложные.
Объект простой – не имеет структуры, т. е. не может быть разделен на другие объекты. Характеризуется единственной физической величиной. В физике самый простой объект – материальная точка – не имеет размеров и формы, характеризуется лишь какой-то одной физической величиной. Обычно материальной точкой называют объект, характеризуемый только массой. Объект, характеризуемый только электрическим зарядом – точечный заряд, только светимостью – точечный источник света и т. д.
Объект сложный имеет структуру, т. е. состоит из простых и может быть разделен на другие более простые объекты. Характеризуется более чем одной величиной.
Способности тел.
Возможные явления, т. е. что может произойти с объектами, определяется их способностями. Телам присущи от природы следующие (базовые) способности:
– к действию на другие объекты (участие во взаимодействии) и противодействию (реакция на действие других объектов, инертность);
– к формоизменению (деформируемость) и к сохранению формы (прочность, твердость);
– к делению на части (разрушению) и объединению с другими телами с образованием новых тел.
Свойства присущи объектам всегда, но для их реализации (проявления) необходимы определенные условия. Например, для проявления способности тела взаимодействовать необходимо наличие другого тела. Инертность тела проявляется лишь при условии действия на него со стороны другого тела.
Резюме. Обобщение
Базовые понятия и положения
Материя – всё, что существует в мире, независимо от того, воспринимается ли это человеком (людьми), познано или не познано им в настоящее время.
Наука, искусство, религия – отражение понимания человеком материи, ее форм и проявлений.
Физика – наука, изучающая структуру, базовые свойства и проявления материи.
Базовые формы материи – пространство и время.
В пространстве существуют (находятся, размещаются…) объекты – частные формы материи.
Объекты обладают (характеризуются) присущими им от природы свойствами.
Во времени происходят изменения объектов – явления.
Взаимодействие объектов – причина всех явлений*.
Объекты и явления могут быть охарактеризованы количественно физическими величинами (физика – наука количественная). Свойства объектов измеримы (физика – наука экспериментальная).
*Из этого положения есть исключение: равномерное прямолинейное движение происходит в отсутствие взаимодействий (первый закон Ньютона).
Человек в науке:
– дает названия частным формам материи, объектам, явлениям;
– изучает и описывает объекты и явления, вводя понятия, характеристики, величины;
– выявляет связи между объектами и явлениями, формулирует их в виде законов природы.
Источники.
1.Лихачев Б. Т. Педагогика: курс лекций: Учеб. пособие. М.: Юрайт, 1999. 523 с.
2.Фундаментальное ядро содержания общего образования. https://sys-corr.ru/images/Dop_mat/fundamental'noe...
3.https://gufo.me/dict/bse/Физика
4.Физика. 10 класс: учеб. для общеобразоват. организаций: базовый и углубл. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. Н. А. Парфентьевой.
5.Ивлев В. И. Особенности формирования научной картины мира у обучающихся // Мастер-класс методиста. № 3. 2024. С. 13-19
6.Ивлев В. И. С чего начинается физика. https://socpedagog13.edurm.ru/articles/16644-s-che...
7.Кузнецов С. А. Большой толковый словарь русского языка. Авторская редакция, 2000.