мысленный эксперимент в физике курсовая. 8 тема курсовая мысленный эксперимент в преподавании физики. Введение Глава Роль мысленного эксперимента в физике
 Скачать 43.17 Kb.
|
СодержаниеВведение…………………………………………………………………………...3Глава 1. Роль мысленного эксперимента в физике 1.1 Понятие физического мысленного эксперимента…………………………..5 1.2 Исследования ученых………………………………………………………...7 Глава 2. Мысленный эксперимент в преподавании физики 2.1 Статус мысленного эксперимента в современной физике. Классификация мысленных экспериментов……………………………………………………...13 Заключение……………………………………………………………………….20 Список использованной литературы…………………………………………..24 ВведениеМысленный эксперимент — вид познавательной деятельности, в которой ключевая для той или иной научной теории ситуация разыгрывается не в реальном эксперименте, а в воображении. Мысленный эксперимент в физике зачастую напоминает доказательство теоремы методом от противного в математике, когда некоторое положение физической модели или схемы сначала отвергается, а затем путём преобразования модели мы приходим к противоречию с тем или иным принципом, который считается безусловно истинным. Термин «мысленный эксперимент» (Gedankenexsperiment) ввел в физику (а затем этим термином стали пользоваться во всех сферах науки) Эрнст Мах. В своей книге «Механика» Мах утверждал, что каждый из нас обладает большим запасом полученных из опыта «инстинктивных» знаний. Эти знания могут быть недостаточно ясно сформулированы, но в подходящей ситуации они найдут свое применение на практике. Например, ребенок, не зная закона Архимеда, из собственного опыта имеет представление о том, какие тела будут тонуть в воде, а какие плавать. Таким образом, каждый человек в своем воображении может мысленно создавать ту или иную ситуацию, выполнять определенные умственные действия и получать результат, который, так же как и результат материального эксперимента, будет соответствовать объективной реальности. История развития физики показывает, что в античные времена и средние века мысленный эксперимент являлся основным методом исследования. Мысленный эксперимент применяли практически все известные ученые. Создание теории относительности и квантовой механики были бы невозможны без использования мысленных экспериментов. Наиболее известными учеными, блестяще применявшими в своих исследованиях мысленный эксперимент были Галилей и Эйнштейн. В книге «Продуктивное мышление» Вейтгеймер дает анализ мысленной деятельности Галилея и Эйнштейна с точки зрения психологии творчества. Цель курсовой работы: изучить роль мысленного эксперимента в преподавании физики. Задачи работы: Изучить понятие физического мысленного эксперимента Рассмотреть мысленный эксперимент в преподавании физики Выявить статус мысленного эксперимента в современной физике. Классификация мысленных экспериментов. Объект работы: методика преподавания физики. Предмет работы: мысленный эксперимент в преподавании физики. Глава 1. Роль мысленного эксперимента в физике 1.1 Понятие физического мысленного эксперимента Физический мысленный эксперимент — это метод исследования физических явлений при помощи воображения. Мысленный эксперимент позволяет исследовать ситуации, неосуществимые практически, хотя иногда принципиально возможные. Причем процесс познания и проверка истинности знания осуществляется без обращения к материальному экспериментированию. Мысленный эксперимент может предшествовать реальному эксперименту в виде обдумывания и планирования последнего. В физике известно много мысленных экспериментов, среди которых наиболее яркими и известными являются: эксперименты Архимеда по открытию условий плавания тел; рассмотренные выше эксперименты Галилея и Эйнштейна; эксперимент Маха: есть ли инерция в пустой Вселенной; проекты идеальных двигателей (Карно); демон Максвелла, осуществляющий создание вечного двигателя второго рода; демон Больцмана — противовес демону Максвелла, доказывающий вероятностный характер второго начала термодинамики; парадокс близнецов, иллюстрирующий относительность временных промежутков в различных системах отсчета; [4;c.32]. лифт Эйнштейна — мысленный эксперимент Эйнштейна со свободно падающим лифтом, в результате которого сформулирован принцип эквивалентности тяжелой и инертной массы, положенный в основу общей теории относительности; кот (кошка) Шредингера — эксперимент, показывающий неполноту квантовой механики; гамма-микроскоп Гейзенберга — мысленный эксперимент, подтверждающий принцип неопределенности; Формально мысленные эксперименты можно разделить на три группы. К первой относятся эксперименты, которые давали теоретическое объяснение наблюдаемым фактам. Ко второй — мысленные эксперименты по изучению физических явлений, в настоящее время недоступных для проведения реальных экспериментов, и, естественно, мысленные эксперименты, изучающие явления в условиях, принципиально недоступных реальному эксперименту (например, работа идеальной тепловой машины). Таким образом, хотя нельзя преувеличивать роль мысленных экспериментов там, где возможна экспериментальная проверка положений теории, нельзя и недооценивать эту роль в тех областях физики, где реальный эксперимент сильно ограничен. Это касается и процесса обучения физике. Когда мы используем мысленный эксперимент, то должны постоянно подчеркивать связь между нашей мысленной моделью и реальностью, ею описываемой. Ахиллес и черепаха — одна из апорий Зенона. Быстроногий Ахиллес никогда не догонит черепаху, если в начале движения черепаха находится впереди на некотором расстоянии от него. Допустим, Ахиллес бежит в десять раз быстрее, чем черепаха, и находится от неё на расстоянии в 1 километр. За то время, за которое Ахиллес пробежит этот километр, черепаха проползёт 100 метров. Когда Ахиллес пробежит 100 метров, черепаха проползёт ещё 10 метров, и так далее. Процесс будет продолжаться до бесконечности, Ахиллес так никогда и не догонит черепаху. 1.2 Исследования ученых В главах 2-й, 8-й и 9-й своей «Физики» Аристотель подробно анализирует и отвергает рассуждения Зенона, подчёркивая, что хотя интервал времени можно неограниченно делить, но его нельзя составить из изолированных точек-моментов и нельзя этой бесконечной делимости соотносить бесконечное время: …никакое движение не может совершаться непрерывно, за исключением кругового. Зенон же рассуждает неправильно. Если всегда — говорит он — всякое тело покоится, когда оно находится в равном себе месте, а перемещающееся тело в момент «теперь» всегда находится в равном себе месте, то летящая стрела неподвижна. Но это неверно, потому что время не слагается из неделимых «теперь», а также никакая другая величина. Есть четыре рассуждения Зенона о движении, доставляющие большие затруднения тем, кто пытается их разрешить. Первое — о не существовании движения на том основании, что перемещающееся тело должно дойти до половины прежде, чем до конца. Второе — так называемый «Ахиллес»: оно состоит в том, что самое медленное существо никогда не сможет быть настигнуто в беге самым быстрым, ибо преследующему необходимо прежде прийти в место, откуда уже двинулось убегающее, так что более медленное всегда должно будет на какое-то расстояние опережать преследующего. И это рассуждение основывается на делении пополам, отличается же от предыдущего тем, что взятая величина делится не на две равные части [5;c.28]. Третье, о котором только что было упомянуто, состоит в том, что летящая стрела стоит неподвижно; оно вытекает из предположения, что время слагается из отдельных «теперь»; если это не признавать, силлогизма не получится. Д. Гильберт и П. Бернайс в монографии «Основания математики» (1934) высказывают мнение, что суть споров состоит в неадекватности непрерывной, бесконечно делимой математической модели физически дискретной материи: Понимание апорий состоит в указании на то обстоятельство, что мы вовсе не обязательно должны верить в то, что математическое пространственно-временное представление движения имеет физическое значение для произвольно малых интервалов пространства и времени; скорее, мы имеем все основания предполагать, что эта математическая модель экстраполирует факты из некоторой области опыта, а именно из области движений в пределах того порядка величин, который пока доступен нашему наблюдению, экстраполирует просто в смысле образования идей, подобно тому как механика сплошной среды совершает экстраполяцию, предполагающую непрерывное заполнение пространства материей… Ситуация оказывается сходной во всех случаях, когда имеется вера в возможность непосредственного узрения (актуальной) бесконечности как данной посредством опыта или восприятия… Более подробное исследование показывает затем, что бесконечность вовсе не была нам дана, а была только интерполирована или экстраполирована посредством некоторого интеллектуального процесса [9] Другими словами, парадоксы возникают из-за некорректного применения к реальности идеализированных понятий «точка пространства» и «момент времени», которые не имеют в реальности никаких аналогов, потому что любой физический объект имеет ненулевые размеры, ненулевую длительность и не может быть делим бесконечно. Кот Шрёдингера (кошка Шрёдингера) — герой кажущегося парадоксальным мысленного эксперимента Эрвина Шрёдингера, которым он хотел продемонстрировать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим. Суть эксперимента. В закрытый ящик помещён кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 50 %. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, он открывает ёмкость с газом, и кот умирает. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдения, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор обязан увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив». Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого. Вопреки расхожим представлениям, сам Шрёдингер придумал этот опыт вовсе не потому, что он верил, будто «мёртвоживые» коты существуют; наоборот, он считал квантовую механику неполной и не до конца описывающей реальность в данном случае. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это означает, что это верно и для атомного ядра. Оно обязано быть либо распавшимся, либо нераспавшимся [7;c.91]. Оригинальная статья вышла в немецком журнале Naturwissenschaften («Естественные науки») в 1935 году: E. Schrödinger: «Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik» («Сегодняшнее положение дел в квантовой механике»), Naturwissenschaften, 48, 807, 49, 823, 50, 844 (November 1935). Целью статьи было обсуждение ЭПР парадокса, опубликованного Эйнштейном, Подольским и Розеном ранее в том же году. Кроме того, что Шрёдингер в этой статье познакомил нас с котом, он ещё ввёл термин «запутанность» (По-немецки: Verschränkung, по-английски: entanglement). Демон Максвелла — мысленный эксперимент 1867 года, а также его главный персонаж — гипотетическое разумное существо микроскопического размера, придуманное Джеймсом Максвеллом с целью проиллюстрировать кажущийся парадокс Второго начала термодинамики. Суть эксперимента. Демон появился в 1871 г. в книге Джеймса Максвелла «Теория теплоты». Для уточнения Второго начала термодинамики («невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым») Максвел предложил следующий мысленный эксперимент. Герметичный сосуд разделён на две части, заполненные газом. Отверстие в непроницаемой перегородке контролирует существо, которое пропускает быстрые (горячие) молекулы только из левой части сосуда в правую, а медленные (холодные) — в обратном направлении. Таким образом правая часть сосуда нагревается, а левая охлаждается, система упорядочивается по сравнению с исходным состоянием, и второе начало термодинамики нарушается. Разницу температур можно использовать для получения работы, и, если существо будет сортировать молекулы вечно, получится вечный двигатель. Этого микроскопического вахтёра, не требующего платы за труд, физики назвали «демоном Максвелла». То же имя получил и сам мысленный эксперимент [8]. Оказалось, чтобы демон Максвелла заработал, ему самому требуется энергопитание в виде притока фотонов, необходимых для освещения приближающихся молекул и их просеивания. Кроме того, просеивая молекулы, демон и дверца должны вступать с ними во взаимодействие, в результате чего они сами будут получать от них тепловую энергию и наращивать свою энтропию. В результате суммарная энтропия системы всё равно уменьшаться не будет. Убедительный контраргумент против возможности существования демона-вахтёра появился вскоре после зарождения квантовой механики. Оказалось, что точно измерять скорость и определять местонахождение молекул, а следовательно, сортировать их, демон не может в силу принципа неопределенности Гейзенберга, а потому он не представляет угрозы второму началу термодинамики. Другой веский аргумент предложила компьютерная эра. Если представить демона Максвелла как управляющую дверцей компьютерную автоматизированную систему, производящую побитовую обработку входящей информации о скорости и координатах приближающихся молекул, то окажется, что пропустив или отклонив молекулу, система должна произвести сброс прежней упорядоченной информации. Это равносильно повышению энтропии на величину, равную снижению энтропии в результате упорядочивания газа при пропускании или отклонении молекулы, информация о которой стерта из оперативной памяти компьютерного демона. Сам компьютер, к тому же, греется, так что и в такой модели в замкнутой системе, состоящей из газовой камеры и автоматизированной пропускной системы, энтропия не убывает, и второй закон термодинамики выполняется. Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции - эвристический принцип, использованный Альбертом Эйнштейном при выводе общей теории относительности. Один из вариантов его формулировки: «Силы гравитационного взаимодействия пропорциональны гравитационным массам тел, а силы инерции пропорциональны их инертным массам. Инертная и гравитационная массы равны, поэтому невозможно отличить, какая сила действует на данное достаточно малое тело — гравитационная или сила инерции.» Для пояснения этого принципа Эйнштейн предложил два следующих мысленных эксперимента. В первом из них тела находятся в лифте, который бесконечно удалён от гравитирующих тел и двигается поступательно с ускорением. Тогда на все тела, находящиеся в лифте, действует сила инерции. Тела, связанные с лифтом, вследствие действия этих сил давят на опору или растягивают подвес. Во втором эксперименте лифт висит в однородном гравитационном поле. При этом все тела в нём обладают весом, давят на опоры или растягивают подвес. Эйнштейн полагает, что находясь в лифте, невозможно отличить эти два случая. Он считал, что все механические явления в обоих случаях происходят одинаково. Это предположение Эйнштейн обобщил на все физические явления. Несмотря на кажущуюся очевидность выводов, следующих из мысленных экспериментов Эйнштейна, полагаем, что в них содержится неявное предположение, очевидность которого сомнительна. Оно касается поведения антивещества в этих мысленных экспериментах. Эйнштейн неявно предполагает, что истинное гравитационное поле не различает вещество и антивещество [10] На примере простых мысленных экспериментов с лифтом Эйнштейна показано, что принцип эквивалентности, по-видимому, не является универсальным и не может рассматриваться как основополагающий в теории гравитации. Этот принцип не может рассматриваться как аргумент против или за двух альтернативных гипотез: • гравитация не различает частицы и античастицы; • гравитация их различает. Принцип эквивалентности может рассматриваться как эвристический при получении уравнений гравитационного поля в предельных случаях миров и антимиров. Используя этот принцип Эйнштейн нашёл их для случая нашего Мира. Оценивая мысленный эксперимент, нельзя к нему относиться как к готовому знанию; в этом случае он играет роль простой иллюстрации. Также нельзя сводить его содержание только к обдумыванию, планированию материального эксперимента (хотя он всегда предшествует материальному эксперименту). Мысленный эксперимент является скорее продолжением и обобщением, схематизацией последнего, нежели наоборот. Подводя итоги можно сказать, что в мысленном эксперименте человек в уме оперирует пространственными образами, мысленно ставит тот или иной объект в различные положения и мысленно подбирает такие «экспериментальные» ситуации, в которых, как и в обычном опыте, должны появиться более важные или почему-либо интересные особенности данного объекта. Глава 2. Мысленный эксперимент в преподавании физики 2.1 Статус мысленного эксперимента в современной физике. Классификация мысленных экспериментов В соответствии с природой объекта и процесса экспериментирования МЭ подразделяются на: - классические, - неклассические, - метафизические. Классические МЭ определяются объектами и процессами классической физики, привычного нам макроскопического мира. К этому типу принадлежат МЭ Галилея, Ньютона, Максвелла, Карно и многие другие. Неклассические МЭ связаны, прежде всего, с квантовыми объектами, процессами и закономерностями. Среди них, кроме уже вышеперечисленных, МЭ по квантовой телепортации, эйнштейновский МЭ с 2-мерными наблюдателями, разнообразные спецрелятивистские МЭ, современные квантовые МЭ Вайдмана, граничащие с метафизическими и др. Метафизические МЭ принадлежат либо чистой философии или бинару наука-философия. Примеры мысленных экспериментов этого класса были приведены в начале лекции [12;c.88]. Мысленные экспериментытакже различаются по: - материальной осуществимости, - целям, - степени фундаментальности, - онтологической глубине (т.е. по степени «близости» к (или, наоборот, «удаленности» от) обычной, макроскопической онтологии), - простоте, - наглядности. Материальная осуществимость. Вотношении возможности материальной реализациикаждогомысленного эксперимента возможна их дальнейшая классификация,в соответствии с которой МЭ можно разделить на: 1) реально осуществимые с помощью естественных макро- и микроскопических объектов и процессов (например, МЭ Галилея и ЭПР-парадокс); 2) реально выполнимые с помощью искусственных макроскопических объектов и процессов (например, поезд Эйнштейна); 3) реализуемые с помощью приборов макро- и микроскопического уровня различной степени сложности (от наклонной плоскости до детекторов адронного суперколлайдера); 4) реально выполнимые, но, возможно, имеющие в обозримом будущем технические трудности по их, например, приборной реализации (например, к настоящему времени уже проведен ряд экспериментов по проверке ЭПР-парадокса. Однако требуется еще большая точность такой проверки, что находится пока на стадии разработки), и 5) возможно, принципиально нереализуемые в инструменталистских или естественно физических экспериментах (например, движение наблюдателя через черную дыру; экспериментальное исследование процессов на планковских масштабах; исследование явлений, которые будет видеть эйнштейновский наблюдатель, движущийся вместе с фотоном («верхом на фотоне») и т.д.) [11] Представляет интерес вопрос о соответствии между МЭ и реальным экспериментом. С одной стороны, любой реальный материальный эксперимент можно рассматривать как имеющий в своей основе МЭ. При этом, реальный эксперимент способен подтвердить или опровергнуть выводы МЭ. С другой стороны, любой МЭ можно рассматривать в качестве предтечи реального. Но не каждый МЭ может стать реально осуществимым. Однако если не ограничивать такую возможность временными рамками, то никаких других принципиальных запретов (ограничений) на их реализацию, возможно, не существует[2]. Другими словами, по-видимому, нет никаких принципиальных физических запретов на возможность конструирования, «проведения» МЭ любой сложности и на любых уровнях физической реальности. Все зависит от уровня развития научного познания, искусства «ментального экспериментирования» и понимания физики исследователем, осуществляющим МЭ (М-экспериментатором). В идеале, конечно же, крайне желательна эмпирическая проверка (или, по крайней мере, ее принципиальная возможность) каждого конкретного физического мысленного эксперимента. Можно предположить, что в процессе построения теорий Эйнштейну не так уж были интересны реально выполненные эксперименты. Из его работ следует, что основное внимание (а может быть можно сказать, что всё внимание) он уделял именно мысленному экспериментированию. Если бы он подходил к построению своих теорий стандартно, классически, то ему пришлось бы ждать еще «очень долго» проведения реального эксперимента с «поездом Эйнштейна» или с «лифтом Эйнштейна». В целом эту ситуацию можно рассматривать как одну из характерных особенностей неклассической науки [14] Еще одна тенденция развития современной неклассической фундаментальной физики состоит в том, что реальный эксперимент отчасти теряет свой статус единственного и универсального средства «прямого разговора» с природой. Этот разговор происходит все с большим запаздыванием. Реальный эксперимент все чаще «не успевает» за развитием современной теоретической физики, хотя нередко и сам бывает в лидерах, на самом переднем крае получения новых знаний и указывает направления ее развития. Тем не менее, становятся все более необходимыми новые более оперативные средства эмпирического общения с природой. Можно предложить следующую аналогию. Чтобы поговорить со своим знакомым или родственником, живущими у Черного моря или во Владивостоке, можно было к ним съездить или написать письмо. Месяцы, недели или дни проходили до осуществления диалога. Сегодня пообщаться можно практически мгновенно с помощью телефона или даже видеотелефона. Вот таким современным более оперативным средством разговора с природой является мысленный эксперимент. По целям. По-видимому, большинство МЭ не всегда формулируются ради уже заранее известных целей. Скорее, исследователь сначала может вдруг интуитивно прозреть, увидеть глубокую, нередко парадоксальную физическую закономерность или ситуацию. И уже только затем становится ясно, что ее формулировка может иметь эксплицирующую, проблемную или какую-то другую функцию. Подобный генезис можно соотнести, например, с мысленными экспериментами «бегун Эйнштейна» и «лифт Эйнштейна». Однако существуют МЭ, поиск и формулировка которых происходила, исходя из четко поставленных задач. К подобного рода экспериментам можно, судя по всему, отнести галилеевский МЭ по опровержению аристотелевской точки зрения на природу движения [15;c.66]. В соответствии с этими особенностями можно выделить следующие разновидности целей МЭ: - поясняющая, - иллюстрирующая, - постановка парадокса, - разрешение парадокса, - поиск нового знания и др. Естественно, что каждая из них имеет свои характерные особенности. Степень фундаментальности. Большинство знаменитых МЭ содержат в себе фундаментальную глубину, имеют фундаментальный характер. Вместе с тем, естественно, что не все МЭ являются определяющими для физического познания. Такие эксперименты могут играть важную рабочую, промежуточную роль, выдвигаться в качестве эксплицирующих (объясняющих) и т.д. Онтологическая глубина. Это – довольно нетривиальная характеристика МЭ. Она классифицирует их в соответствии со степенью «близости» к (или, наоборот, «удаленности» от) обычной, макроскопической онтологии. (Упражнение. Проанализировать в этом плане в качестве примеров мысленные эксперименты Галилея и ЭПР-парадокс). Простота. Наглядность. Эти характеристики, а также примеры мысленных экспериментов в этой связи проанализировать самостоятельно. Существует также класс актуальных МЭ, потенциальное существование которых предполагается, и разработка которых позволит сделать фундаментальный прорыв в физическом познании. Ожидается, что они могут стать решающими МЭ. К ним можно отнести, например, мысленный эксперимент, который помог бы сделать выбор между двумя десятками эмпирически адекватных интерпретаций квантовой механики или МЭ, связанный с подтверждением или опровержением теории суперструн. Важным требованием мысленного конструирования является требование его непротиворечивости существующим, по крайней мере, фундаментальным физическим теориям (например, описание движения наблюдателя сквозь черную дыру не должно противоречить релятивистской теории). Однако последнее, как показывает история физики, совсем не обязательно. МЭ могут базироваться и на очень абстрактных гипотетических ситуациях. Например, эйнштейновский «бегун за световой волной» противоречит существующим физическим теориям (специальной теории относительности, согласно которой человек в принципе не может двигаться с такой скоростью). Тем не менее, этот мысленный эксперимент привел Эйнштейна к фундаментальным результатам [11] С другой стороны, как раз наиболее часто мысленные эксперименты предпринимаются в ситуациях, когда требуется доказать противоречивость или ограниченность существующих фундаментальных теорий. Справедлива ли точка зрения о том, что: -Мысленный эксперимент всегда основан на положениях некоторой теории? - Можно ли, исходя из предыдущего, сделать вывод о том, что все результаты МЭ не должны выходить за рамки соответствующей теории? Для ответа на эти вопросы достаточно рассмотреть МЭ Галилея, любой из эйнштейновских мысленных экспериментов при создании и обосновании СТО, ЭПР-эксперимент, и др. (Упражненеие: рассмотреть и сделать выводы ). Во-первых, ряд МЭ действительно формулировался на базе каких-то уже существующих теорий. Так, ЭПР-парадокс опирался на квантовую механику. Мысленный эксперимент «падение наблюдателя в черную дыру» формулировался на базе общей теории относительности. Однако в отношении многих других фундаментальных МЭ этого сказать нельзя. Так, галилеевский МЭ с пулей и ядром ни на какой теории не основывался, поскольку таковой в то время просто не существовало в принципе. Мысленные эксперименты Галилея только закладывали основы первой естественнонаучной теории. Ответ на второй вопрос также должен быть отрицательный. МЭ «лифт Эйнштейна» опирался на классическую механику и теорию тяготения Ньютона, однако его анализ и сделанные из него выводы привели к появлению принципиально новой теории – общей теории относительности. Принципиально важным является вопрос о том,может ли мысленный эксперимент дать новое знание?МЭ действительно приводят к принципиально новому знанию. Так, ЭПР-парадокс привел к появлению принципиально нового понятия несепарабельности в квантовой механике, а соответственно и к появлению новых представлений в области квантовых процессов. Мысленный эксперимент с «лифтом Эйнштейна» дал возможность сформулировать принцип эквивалентности между гравитационным полем и ускорением (неинерциальным движением), и т.д. [16] Некоторые вопросы методологии МЭ.Для формулировки и «проведения» мысленного эксперимента необходимо ответить на следующие вопросы: 1) как «приготовить» мысленный эксперимент, 2) как его строго (и наглядно?) сформулировать, 3) какие существуют критерии его корректности и какие из них можно применять к конкретному случаю (не ad hoc и ad hoc), 4) как и какие делать правильные выводы из мысленного эксперимента и др. (Упражнение.Потренироваться на конкретных МЭ). Несомненно, что каждый МЭ – специфичен и поэтому ответ на каждый из этих вопросов также индивидуален. Формулировка (построение) МЭ – это особого рода искусство и зависит от таланта исследователя. Из общих положений можно выделить, например, следующие: 1) Во-первых, нужно, прежде всего, увидеть основную проблему. 2) Во-вторых, МЭ должен быть сформулирован в отношении главного момента рассматриваемой проблемы, процесса или явления. 3) В-третьих, он должен быть максимально простым и ясным, чтобы его можно было эффективнее обсуждать. 4) В-четвертых, нужно постараться увидеть решение. Дело в том, что формулировка МЭ и выводы из него далеко не всегда вытекают «строго логически» из предыдущего знания. 5) В-пятых, МЭ должен, хотя бы в некотором своем базисе, опираться на определенные фундаментальные знания или хорошо проверенные эмпирические факты [17] В физике все более будет прослеживаться тенденция двигаться к истине не классически – от реальности к абстрактным теоретическим конструкциям, а наоборот, от абстрактных теоретических построений и объектов – к реальности, т.е. на пути разумного конструктивизма гипотетико-дедуктивных структур. Соответственно, развитие технологий мысленного эксперимента также будет приобретать все возрастающее значение и может превращаться в своего рода особый “метафизический эксперимент” Заключение Физика — наука экспериментальная. Типичным для физического научного метода является стремление количественно описать исследуемые объекты и процессы. Считается, что окончательный и бесповоротный отказ от умозрительного подхода к познанию окружающего мира был провозглашен И. Ньютоном фразой «Гипотез не измышляю». В этом знаменитом ньютоновском девизе содержатся истоки идеи экспериментальной достоверности, пронизывающей всю современную физику и науку в целом. Выражение М. В. Ломоносова «Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только воображением» является эпиграфом к разделу лабораторного эксперимента новых учебников физики [1] и постоянно напоминает школьникам, что в физике достоверность эмпирических данных подразумевает их соответствие объективной реальности. Обычно, когда говорят об эксперименте, подразумевают реальное изучение явления при его воспроизведении в строго контролируемых условиях, чему и учат в процессе выполнения лабораторных работ. Однако существуют ситуации, в которых сложно, а иногда невозможно подтвердить те или иные физические закономерности экспериментально. Например, как нынешним десятиклассникам экспериментально подтвердить утверждение, что «вес тела, измеренный одним и тем же динамометром, на полюсе Земли больше, чем его вес на экваторе» [1· с. 74]. Здесь на помощь приходит известное каждому преподавателю: «Представьте себе, что...», и ученики с достаточной легкостью проводят в своем сознании мысленный эксперимент по измерению веса тела одним и тем же динамометром, легко перемещаясь с полюса на экватор Земли. При этом ни у кого не вызовет сомнения достоверность полученных в этом умственном эксперименте результатов. Из этого простого примера можно сделать следующий вывод. Часто проведение реального физического эксперимента невозможно в связи с его сложностью по технологическим, каким-либо практическим или экономическим причинам. Иногда возможность реального эксперимента ограничена уровнем развития знаний, техники и технологии, а иногда он невозможен по принципиальным соображениям. Все эти ограничения, накладываемые на реальный эксперимент, не могут помешать проведению мысленного эксперимента — средству исследования тех или иных явлений при помощи воображения. Термин «мысленный эксперимент» (Gedankenexsperiment) ввел в физику (а затем этим термином стали пользоваться во всех сферах науки) Эрнст Мах. В своей книге «Механика» [2] Мах утверждал, что каждый из нас обладает большим запасом полученных из опыта «инстинктивных» знаний. Эти знания могут быть недостаточно ясно сформулированы, но в подходящей ситуации они найдут свое применение на практике. Например, ребенок, не зная закона Архимеда, из собственного опыта имеет представление о том, какие тела будут тонуть в воде, а какие плавать. Таким образом, каждый человек в своем воображении может мысленно создавать ту или иную ситуацию, выполнять определенные умственные действия и получать результат, который, так же как и результат материального эксперимента, будет соответствовать объективной реальности. История развития физики показывает, что в античные времена и средние века мысленный эксперимент являлся основным методом исследования. Возможно, благодаря именно этому способу исследования природы физика того времени носила название натуральной философии. Позже, начиная с Галилея, который одним из первых понял необходимость и значение для развития физики экспериментальных методов, реальный эксперимент стал все в большей степени завоевывать позиции как фундамента, на котором держаться физические закономерности. Несмотря на это, сам Галилей для вывода физических законов пользовался в основном экспериментами «на чертеже», т.е. мысленными экспериментами, логическая строгость которых убеждала его противников в большей степени, чем реальные эксперименты [3]. В дальнейшем, несмотря на бурное развитие техники, мысленный эксперимент оставался первоначальной моделью реальных экспериментов и составной частью новых теорий. Мысленный эксперимент применяли практически все известные ученые. Создание теории относительности и квантовой механики были бы невозможны без использования мысленных экспериментов. Общепризнанно, что наиболее известными учеными, блестяще применявшими в своих исследованиях мысленный эксперимент, классиками мысленного эксперимента были Галилей и Эйнштейн. Поскольку учиться всегда желательно у классиков, попробуем на примере мысленных экспериментов, приведших к революционным преобразованиям физики, определить основные закономерности проведения мысленных экспериментов. Очень трудно описать процесс мышления другого человека, даже психологу. Возможно, поэтому анализ техники и исследования структуры мысленного эксперимента в литературе практически отсутствуют. В своей книге «Продуктивное мышление» [4] Вейтгеймер дает анализ мысленной деятельности Галилея и Эйнштейна с точки зрения психологии творчества. Однако нас будут интересовать мысленные эксперименты, которые проводили эти великие ученые, как метод исследования в физике. На конкретных примерах попытаемся выяснить наиболее характерные черты физического мысленного эксперимента. Кроме того, что мысленные эксперименты позволяют лучше понять и почувствовать физические законы и явления, они необходимы и при решении физических задач. Даже не приводя конкретных примеров, можно утверждать: большинство задач сформулированы таким образом, чтобы описать часть реального процесса, поэтому мысленный эксперимент необходим, чтобы при решении задачи переводить реальные образы в образы идеальной модели, действия которой будут описываться математическими символами и понятиями. Кроме того, существует большое количество задач (олимпиадные, творческие, экспериментальные), где учебный мысленный эксперимент является эвристическим, позволяя провести исследования и получить серьезные и красивые результаты. Эти мысленные эксперименты ничем не отличаются от научных и позволяют делать свои маленькие открытия каждому ученику. Нельзя обойти стороной связь мысленного эксперимента и компьютерного моделирования физических процессов. Компьютерное моделирование дает возможность на экране наблюдать то, что мы должны представлять в своем сознании. Мы видим, что происходит с мысленным идеальным объектом в почти реальных условиях, при этом выделяется только самое существенное для этой идеальной модели. Подлинное использование мысленных экспериментов всегда должно учитывать колоссальную сложность и многообразие физических постулатов и посылок, которые лежат в основе той или иной аргументации. При этом необходимо помнить, что мысленный эксперимент имеет ряд аспектов, связанных не только с проблемой имитации тех или иных физических ситуаций, но и с компетенцией мыслящего субъекта. Поэтому мы должны обучать учащихся умению ставить не только реальные эксперименты, но и проводить мысленные. Таким образом, хотя нельзя преувеличивать роль мысленных экспериментов там, где возможна экспериментальная проверка положений теории, нельзя и недооценивать эту роль в тех областях физики, где реальный эксперимент сильно ограничен. Это касается и процесса обучения физике. Список использованной литературы 1. Алехина Т.Н., Силина Л.И. О практической направленности обучения физике. // Физика в школе. - 2004,№3. 2. Бугаев А.И. Методика преподавания физики в средней школе: Теорет. основы: Учебное пособие для студентов пед. ин-тов по физ. - мат. спец. - М.: Просвещение, 1981. - 288 с., ил. 3. Васильев, А.А. Цифровая лаборатория «L-микро». Учебно-методическое пособие: в 3-х частях. Часть 3. Методические рекомендации. [Текст] / А.А. Васильев; Под ред. к.п.н. И.И. Тимченко. - Новокузнецк: РИО КузГПА, 2010 – 35 с. 4. Генденштейн Л.Э., Кирик Л.А., Дик Ю.И. Физика не должна быть не любимой! // Физика в школе. - 2006,№5. 5. Гомулина Н.Н. Возможности использования электронных образовательных изданий по физике. // Физика в школе. - 2006,№4. 6. Делоне Н.Б. Школе нужна современная физика. // Физика в школе. - 2006, №5. 7. Иванов Б.Н. Современная физика в школе. – М.: Лаборатория базовых знаний, 2002. - 160 с. 8. Кабардин О.Ф. Факультативный курс физики: 10 кл.: Учебное пособие для учащихся// М.: Просвещение,1987. - 208 с. 9. Каменецкий С.Е. Теория и методика обучения физике в школе: Общие вопросы: Учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / С.Е. Каменецкий, Н.С. Пурышева, Н.Е. Важеевская и др.; Под ред. С.Е. Каменецкого, Н.С. Пурышевой. – М.: Издательский центр «Академия», 2000. – 368 с. 10. Костицын В.А. Физика в школе. // Физика в школе. - 2006,№3. 11. Поваляев О.А., Объедков Е.С. Перспективы использования компьютерного лабораторного комплекса в преподавании физики в школе. Материалы конференции «Образование-94» — Москва, 57 июля 1994, с.42. 12. Современный кабинет физики [Текст]: методическое пособие / Г.Г. Никифоров [и др.]. – М.: Дрофа, 2009. – 112 с. 13. Учебное оборудование для кабинетов физики общеобразовательных учреждений [Текст]: методическое пособие / Г.Г. Никифоров [и др.]. – М.: Дрофа, 2005. – 396 с.: ил. 14. Тарасов Л.В. Приобщение школьников к современной физики: Диологи с учителем. – М.: Книжный дом «Либриком», 2010. - 264 с. 15. Трофимова Т.И., Павлова З.Г. Сборник задач по курсу физики с решениями: Учеб. Пособие для вузов. – М.: Высш. Школа, 1999 г. – 591 с. 16. Универсальный энциклопедический словарь/ под ред. А. Г. Самсонова – М.: Изд. ЭКСМО. Большая российская энциклопедия, 2003. – 1552 с. 17. Усова А.В. Теория и методика обучения физике. Общие вопросы: Курс лекций. – СПб.: Медуза, 2002. - 157 с. |