Урок 100 Еволюція фізичної картини світу. Розвиток уявлень про природу світла. 9 клас

9 клас

Урок 100

Еволюція фізичної картини світу.

Розвиток уявлень про природу світла.

Мета уроку:

• сформувати знання учнів про еволюцію фізичної картини світу, побачити його матеріальну єдність, своєрідність форм руху матерії;
• сформувати знання учнів про теорію корпускулярно-хвильового дуалізму та роль фізичної науки в науково-технічному прогресі суспільства;
• ознайомитися з умовним поділом простору на мега-, макро-, і мікросвіт; побачити роль фізики в науково-технічному розвитку людства.

Тип уроку: урок засвоєння нових знань.

Наочність і обладнання: навчальна презентація, комп’ютер, підручник.

Очікувані результати:

• учні повинні знати, як за майже 2500 років свого існування фізична наука розвинула загальне уявлення про природу;
• розуміти зміст корпускулярно-хвильового дуалізму як теорії, зумовленої двоїстою природою світла;
• оцінювати роль фізики в науково-технічному прогресі, аналізувати корисні та негативні наслідки цього прогресу.

Людина прагне якимось адекватним способом

створювати в  собі просту і ясну картину світу.

Вищим обов'язком фізиків є пошук загальних

елементарних законів, із яких ... можна

одержати картину світу.

/А. Ейнштейн/

Хід уроку

І. Організаційний момент

II. Актуалізація опорних знань та вмінь

Ви вивчаєте фізику три роки і вже ознайомились із основними розділами цієї науки – механікою, оптикою, електрикою та іншими, довідалися про те, що у фізиці називають законами, дізналися, як відбувається дослідження фізичних явищ, вмієте розв’язувати задачі застосовуючи набуті раніше знання.

Сьогодні на уроці ми обговоримо питання:

• еволюція фізичної картини світу;
• взаємозв’язок фізики й суспільного розвитку.

IІІ. Вивчення нового матеріалу

Еволюція фізичної картини світу

Протягом тисячоліть людину цікавили питання:

• що являє собою навколишній Всесвіт?
• як він «побудований»?
• за якими законами розвивається?
• що таке світло?

Від часу зародження наук учені прагнули об’єднати наукові знання в певну систему.

  Узагальнену й систематизовану сукупність фізичних знань про навколишній світ називають фізичною картиною світу.

Фізична картина світу - це особливий самостійний вид знань – найзагальніше теоретичне знання у фізиці (система понять, принципів і гіпотез), що є основою для побудови наукових теорій.

Фізична картина світу — це  ідеальна модель природи, що включає в себе поняття, гіпотези та принципи фізики й характеризує певний етап її розвитку.

    Фізична картина світу має певну структуру. До неї входять уявлення про матерію, простір і час, рух і взаємодію, а також фізичні теорії.

  Важливо зрозуміти, що уявлення про матерію, простір і час, рух і взаємодію, які є загальнонауковими, філософськими категоріями, формуються у фізичній науці та змінюються відповідно до її розвитку.

Розвиток фізики безпосередньо пов’язаний з утвердженням фізичних картин світу, що змінюють одна одну

При всій своїй різноманітності навколишній матеріальний світ єдиний. Його єдність виявляється насамперед у тому, що всі явища, хоч би якими складними вони здавалися, є різними станами і властивостями рухомої матерії, мають у кінцевому результаті матеріальне походження. Єдність світу проявляється також у взаємозв’язку всіх явищ, можливості взаємоперетворень форм матерії і руху. Разом з тим єдність світу виявляється в існуванні загальних законів руху матерії.

Завдання фізики та інших природничих наук полягає в тому, щоб виявити найзагальніші закони природи і пояснити на їх основі конкретні явища і процеси.

Відображенням єдності світу в пізнанні є синтез наукових знань, здобутих у процесі дослідження природи різними науками. На кожному етапі розвитку науки виникає потреба об’єднання наукових знань в єдину систему знань про явища, процеси та інші об’єкти природи у природничо-наукову картину світу.

Фізична картина світу становить частину всієї системи знань про природу, оскільки вона стосується лише фізичних властивостей матеріальних тіл і фізичних форм руху матерії.

Фізична картина світу дає найзагальніше синтезоване уявлення про суть фізичних явищ на певному етапі розвитку фізичної науки. Природно, що з розвитком фізики вчені відкривають нові закони. Одночасно встановлюється зв’язок між цими законами, деякі з них отримують теоретичне обґрунтування і подальше узагальнення, на основі чого часто стає можливим вивести відомі раніше закони із загальніших фізичних теорій, принципів.

У стародавньому світі всі знання про природу об’єднувала в собі фізика, і вже на той час було сформульовано основні елементи матеріалістичного розуміння світу. Мислителі Давньої Греції Демокріт, Епікур, Лукрецій Кар стверджували, що навколишній світ за своєю природою матеріальний, нестворюваний і незнищуваний, існує вічно в часі й безмежний у просторі. Усі тіла складаються з первинних, далі неподільних частинок - атомів, які за всіх змін не виникають з нічого і не знищуються, а лише взаємодіють і перетворюються.

Стародавні філософи визнавали Землю центром усього Всесвіту. Давньогрецький філософ Клавдій Птоломей у II ст. н. е. створив геоцентричну систему світу, в якій Земля знаходиться у центрі Всесвіту. Землю у просторі оточують 8 сфер, на яких розташовані Місяць, Сонце та 5 відомих у ті часи планет: Меркурій, Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. На 8-й сфері знаходяться зорі, які з’єднані між собою та обертаються навколо Землі як єдине ціле.

Микола Коперник (1473 – 1543 рр.) створивши геліоцентричну систему світу, в якій Сонце розташоване в центрі Всесвіту, а всі тіла, в тому числі планети (і зокрема Земля), обертаються навколо Сонця.

Наукові пошуки і дослідження, проведені протягом багатьох століть, дали можливість І.Ньютону відкрити і сформулювати фундаментальні закони механіки – науки про механічний рух, матеріальних тіл і взаємодії між ними, які при цьому відбуваються. На той час закони Ньютона були такими всеосяжними, що лягли в основу побудови так званої механічної картини світу, за якою всі тіла мають складатися з абсолютно твердих частинок - атомів, що перебувають у безперервному русі, які мають масу та інертні властивості.

Тіла взаємодіють між собою за допомогою сил тяжіння (гравітаційних сил). Уся різноманітність навколишнього світу, за Ньютоном, полягала за відмінності руху частинок.

Фізика Ньютона давала досить загальну і відносно наочну картину світу. Вона стала теоретичною основою різних галузей техніки того часу. До другої половини XIX ст. механічна картина світу досягла певної завершеності й здавалася непохитною.

Під час вивчення електромагнітних явищ (дослідження Ерстеда, Ампера та ін.) з’ясувалося, що вони не підкоряються механіці Ньютона. Виходячи із цього Майкл Фарадей, розвиваючи теорію електромагнітного поля, установив взаємозв’язок між електричними та магнітними явищами.

 Дж. Максвел в 1873  сформулював рівняння, які описують основні закони надмірності електромагнітних явищ. Ці закономірності не можна було пояснити з точки зору механіки Ньютона. На відміну від класичної механіки, де припускають, що тіла взаємодіють миттю (теорія далекодії)теорія Максвела твердила, що взаємодія відбувається з скінченою швидкістю, яка дорівнює швидкості світла у вакуумі, за допомогою електромагнітного поля (теорія близькості).

З розвитком електродинаміки у фізиці поступово утверджується уявлення про світ як про загальну систему, побудовану з електрично заряджених частинок, які взаємодіють між собою за допомогою електромагнітного поля. Інакше кажучи, починається створення єдиної електромагнітної картини світу, усі події в якій підпорядковуються законам електромагнітних взаємодій.

Створення спеціальної теорії відносності – нового вчення про простір і час – дало можливість повністю обґрунтувати електромагнітну теорію. У спеціальній теорії відносності виведено релятивістські рівняння руху, які для великих швидкостей замінюють рівняння класичної механіки. До складу всіх без винятку атомів входять електрично заряджені частинки. Це дає можливість за допомогою електромагнітної теорії пояснити природу сил, які діють всередині атомів, молекул і макроскопічних тіл. Це положення покладено в основу створення так званої електромагнітної картини світу, намагалися пояснити за допомогою законів електродинаміки. Проте пояснити будову і рух матерії тільки електромагнітними взаємодіями не вдалося.

Дальший розвиток фізики показав, що крім гравітаційної і електромагнітної є й інші типи взаємодії. Перша половина ХХ ст. позначилась інтенсивними дослідженнями будови електронних оболонок атомів і тих закономірностей, які керують рухом електронів у атомі. Це привело до виникнення нової галузі фізико-квантової механіки. У квантовій механіці використано поняття дуалізму: рухома матерія є водночас і речовиною і полем, тобто має і корпускулярні і хвильові властивості. У класичній фізиці матерія – завжди або сукупність частинок, або потім хвиль.

Розвиток ядерної фізики, відкриття елементарних частинок, дослідження їхніх властивостей і взаємоперетворень привели до встановлення ще двох типів взаємодій, які назвали сильними і слабкими. Отже, сучасною фізичною картиною світу передбачено чотири типи взаємодії: сильна (ядерна), електромагнітна, слабка і гравітаційна. Кожному типу взаємодії відповідає своє поле і свої кванти цього поля. Сильна взаємодія забезпечує зв’язок нуклонів у ядрі і зумовлена Пі-мезонним обміном між нуклонами. Слабка взаємодія проявляється в основному під час розпаду елементарних частинок. Отже, вчення про будову матерії тепер є атомістичним, квантовим, релятивістським. У ньому застосовують статистичні уявлення.

З погляду сучасної фізики існують дві основні форми матерії - речовина і поле. Речовина має переривчасту (дискретну) будову, а поле - безперервну.

Сучасна фізична картина світу є результатом узагальнення найважливіших досягнень усіх фізичних наук. Однак хоча ця картина світу і відзначається великою загальністю й успішно пояснює багато явищ, але у природі існує багато явищ, які сучасна фізика ще пояснити не може.

За останні 100 років знання людства про Всесвіт значно поглибилися:

- загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна пояснила існування багатьох загадкових об’єктів Всесвіту, наприклад чорних дір;

- завдяки радіотелескопам, які працюють в багатьох діапазонах електромагнітних хвиль, розширилися можливості отримання інформації про космічний простір;

- космічні апарати пролетіли повз усі планети Сонячної системи, сфотографували їхні поверхні «зблизька», побували на Марсі, Венері, Місяці, на інших небесних тілах;

- із 1990 р. на орбіті Землі працює телескоп «Габбл», завдяки якому вдалося «побачити» об’єкти в далеких галактиках (за допомогою космічного телескопа вдалося сфотографувати Туманність Орла – скупчення зір, яке розташоване на відстані 7000 світлових років від Землі);

- наприкінці XIX – на початку XX ст. з’явилися незаперечні докази атомно-ядерної структури матерії.

- за допомогою новітніх надчутливих мікроскопів, які було створено наприкінці минулого століття (тонельний, автоелектронний, автойонний, електронний), удалося сфотографувати окремі атоми.

Розвиток уявлень про природу світла

• Ми знаємо, що таке мікро-, макро-, мегасвіт. До якого із світів можна віднести світло?

Фізика вивчає будову матерії, починаючи з елементарних частинок (з розмірами порядку ) і закінчуючи галактиками (з розмірами порядку ).

Умовний поділ простору на мега-, макро-, і мікросвіт:

З нагородженням експериментальних даних поступово вимальовувались і формувались величина і складна картина навколишнього світу і Всесвіту в цілому.

Ви вже знаєте те, що від джерела світла, наприклад від лампочки або свічки, світло поширюється в усі боки й падає на навколишні предмети, зокрема, нагріваючи їх. Потрапляючи в око, світло спричиняє зорове відчуття - ми бачимо те, що оточує нас. Можна сказати, що під час поширення світла передається дія від одного тіла - джерела світла - до іншого - приймача.

Узагалі ж одне тіло може діяти на інше двома різними способами: або переносити речовину від джерела до приймача, або змінювати стан середовища між тілами (у даному випадку речовина не переноситься).

Можна, наприклад, змусити задзвонити дзвінок, що перебуває на деякій відстані, поціливши в нього кулькою (мал. 293, а). При цьому відбувається перенесення речовини. Але можна діяти інакше: прив’язати шнур до осердя дзвінка і змусити дзвінок звучати, посилаючи по шнуру хвилі, які розгойдуватимуть його осердя (мал. 293, б).

У цьому випадку речовина не переноситиметься. По шнуру буде поширюватися хвиля, змінюючи його стан (форму). Отже, дія від одного тіла до іншого може передаватися хвилями.

Відповідно до двох можливих способів передавання дії від джерела до приймача виникли й почали розвиватися дві зовсім різні теорії про те, що таке світло і яка його природа. Причому виникли вони майже одночасно в XVII ст.

Майже одночасно два видатні фізики створили дві абсолютно різні теорії світла:

- корпускулярна теорія (Ісак Ньютон);

- хвильова теорія (Крістіан Гюйґенс).

Згідно з корпускулярною теорією Ньютона світло – це потік частинок (корпускул), що випускаються світними тілами, причому рух світлових корпускул підпорядковується законам механіки.

Так, відбиття світла Ньютон пояснював відбиванням корпускул від поверхні, на яку падає світло, а заломлення світла – зміною швидкості руху корпускул унаслідок їх взаємодії з частинками середовища.

За хвильовою теорією Гюйгенса, світло – це хвилі, що поширюються в особливому, гіпотетичному середовищі – ефірі, який заповнює увесь простір і проникає всередину всіх тіл.

Обидві теорії тривалий час існували паралельно. Жодна з них не могла перемогти. Лише авторитет Ньютона змусив більшість учених віддавати перевагу корпускулярній теорії.

На основі корпускулярної теорії було важко пояснити, чому світлові пучки, перетинаючись у просторі, ніяк не діють один на одного. Адже світлові частинки повинні стикатися й розсіюватися.

Хвильова ж теорія це легко пояснювала. Хвилі, наприклад, на поверхні води вільно проходять одна крізь одну і не впливають одна на одну.

Проте за хвильовою теорією важко пояснити прямолінійне поширення світла, яке обумовлює утворення за предметами чітких тіней. За корпускулярною ж теорією прямолінійне поширення світла - це просто наслідок закону інерції.

Так було до початку XIX ст., доки не з’явилися роботи англійського фізика Томаса Юнга (1773–1829) і французького фізика Оґюстена Жана Френеля (1788–1827). Досліджуючи світло, вчені спостерігали явища, властиві лише хвилям: огинання світлом перешкод (дифракція) та посилення й послаблення світла в разі накладання світлових пучків (інтерференція). З того часу в науці стала переважати хвильова теорія Гюйґенса.

У 60-х роках XIX ст. Дж. Максвелл створив теорію електромагнітного поля, одним із наслідків якої було встановлення можливості існування електромагнітних хвиль. За розрахунками, швидкість поширення електромагнітних хвиль дорівнювала швидкості світла.

На основі теоретичних досліджень Максвелл дійшов висновку, що світло – це електромагнітні хвилі. Після дослідів Г. Герца жодних сумнівів щодо електромагнітної природи світла не залишилось.

Електромагнітна теорія світла дозволила пояснити багато оптичних явищ, однак уже на кінець XIX ст. з’ясувалося, що цієї теорії недостатньо для пояснення явищ, які виникають під час взаємодії світла з речовиною. Так, процеси випромінювання та поглинання світла, явище фотоефекту та ін. змогли пояснити тільки в першій половині XX ст. – з позицій квантової теорії світла, згідно з якою світло випромінюється, поширюється та поглинається речовиною не безперервно, а скінченними порціями – квантами. Кожен окремий квант світла має властивості частинки, а сукупність квантів поводиться подібно до хвилі. Така двоїста природа світла (та й будь-якої частинки) отримала назву корпускулярно-хвильовий дуалізм.

Таким чином, через кілька сотень років дві абсолютно різні теорії «об’єдналися».

• Хочете, щоб ваше майбутнє було пов’язано з новими відкриттями, що змінюють світ?

IV. Підсумок уроку

• За допомогою яких приладів вивчають мегасвіт?
• Які методи й прилади використовують фізики для вивчення властивостей атомів?
• Якими є сучасні уявлення про природу світла?
• У чому сутність корпускулярно-хвильового дуалізму?
• Наведіть докази того, що знання закону Ома є необхідним для інженерів.

V. Домашнє завдання.

Опрацювати § 40(п.1,2)