VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Мы все чаще слышим о фундаментальных физических константах. Но какова их роль и так ли она велика? Попробуем разобраться.

Свойства нашего мира определяются значениями фундаментальных физических констант. Именно поэтому учащимся важно знать не столько их численные значения, сколько законы и теории, которые с ними связаны.

Единого мнения о том, какие константы являются фундаментальными не существует. Некоторые ученые относят к таковым скорость света в вакууме c, гравитационную постоянную G, постоянную Планка h, элементарный электрический заряд e, постоянную Больцмана k. К фундаментальным физическим константам так же относят массу электрона m_e и протона mp.

"Хотя физические константы — это всего лишь числа, на самом деле они гораздо больше, чем просто числа. Они — тайный шифр, с помощью которого мы, наверное, когда-нибудь разрешим загадку мироздания. Физические константы кодируют фундаментальные тайны Универсума. Они выражают вкупе пределы нашего знания и незнания. С одной стороны, мы готовы все точнее измерять значения этих констант, а, с другой стороны, истолковать их не можем — не объяснили до сих пор смысла ни одной из констант"— полагает Джон Бэрроу, профессор Кембриджского университета. [1]

Открытия, сделанные в последние десятилетия, являют нам неожиданную истину: сам факт существования нашей цивилизации обусловлен тем, что физические константы приняли единственно верные значения, при которых только и возможна жизнь на Земле.

Согласно теории тонкой настройки вселенной в основе Вселенной и ряда её составляющих лежат не произвольные, а строго определённые значения фундаментальных констант, входящих в физические законы. Современная проблема тонкой настройки заключается в том, почему наша Вселенная является такой, а не другой. В рамках этой проблемы утверждается, что если бы ряд параметров (как констант, так и исходных характеристик в моделях Большого Взрыва) был бы слегка иным, то не могла бы возникнуть жизнь и всё многообразие в целом.

Существуют разные объяснения тонкой настройки. Теория "мировой формулы" гласит, что все предопределено некоей "формулой мироздания", "мировой формулой", обуславливающей все и вся. Мир — лишь форма проявления той изначальной сущности, что диктует константам их значения. Это дает полное объяснение сути фундаментальных физических констант. Теорией в последние годы жизни занимался Альберт Эйнштейн. Сегодня эта теория возрождается под разными именами: "теория струн", "М-теория", "квантовая гравитация", "квантовая геометрия" или даже "теория всего». В теория "мирового ансамбля" описывается вероятность существования множества параллельных Вселенных, имеющих свои специфические параметры. Среди них — наша, возможно, единственная, где могла зародиться жизнь.

Так же существует теория "Творца", суть которой заключена в том, что образ нашего мироздания предначертан свыше — Природой или некоей сознательной силой, диктующей миру его свойства.

Учитель и учащиеся должны ориентироваться на глубокое и прочное усвоение основ преподаваемых наук. К основополагающим понятиям школьного курса физики относятся фундаментальные константы: скорость света в вакууме (с), элементарный электрический заряд (е), постоянные Планка (h) и Больцмана (k) и гравитационная постоянная (G). Они рассматриваются во многих разделах и темах, но разрозненное изучение констант приводит к тому, что знания учащихся о них становятся обрывочными, беспорядочными, неполными.

Для того, чтобы знания о константах были целостными и системными, необходим единый подход к изучению. Реализация такого подхода возможна благодаря тому, что фундаментальные константы имеют общие признаки и функции в системе физических знаний.

Каждый раз, изучая новую физическую константу, учащиеся должны находить признаки сходства с уже изученными константами. Например, в 10 классе выясняется, что элементарный электрический заряд имеет общие с уже изученной гравитационной постоянной: во-первых, обе константы определяются только экспериментально, во-вторых, характеризуют соответствующие взаимодействия - гравитационное и электромагнитное и т.д.

Особая роль отводится обобщениям на уровне физических законов, теорий и картины мира. Именно здесь выявляются такие признаки констант, которые помогают раскрыть методологическое содержание учебного материала, осуществить его обобщение.

1. Определение, физический смысл, основные признаки константы;

2. Причины введения константы в науку;

3. Формулы физических законов, в которые входит константа, ее место и роль в законах;

4. Идея, схема, результат опыта по измерению константы, значение константы в СИ;

5. Физические теории, в которые входит константа, ее место и роль в этих теориях и современной физической картине мира;

6. Примеры использования на практике.

Так же ученикам можно предложить поразмышлять и выяснить, что произошло бы при других значениях фундаментальных физических констант. Как выглядела бы вселенная при других значениях? Могла ли при иных значениях констант зародиться жизнь на земле? Какие последствия имеет увеличение или уменьшение той или иной константы? Поиск ответов на эти вопросы может вылиться в целое исследование. Так же изучение различных теорий в рамках этой темы будет интересно не только ученикам, увлекающимся физикой, но и детям, интересующимся знаниями в других областях. Учащиеся будут размышлять не только о том, как устроен мир, но и о том, почему он устроен так, а не иначе.

Например, можно предложить ученикам разбиться на группы, в которые будут входить ученики разного уровня подготовки. Затем каждая группа выбирает для себя одну или несколько констант, с которыми они будут работать. Задание будет включать несколько этапов:

1. Ответ по плану обобщенного характера о константе;

2. Как изменилась бы вселенная, если бы значение выбранной константы изменилось в большую или меньшую сторону.

Ученики могут начать выполнять задание на уроке, попутно задавая вопросы учители, но на завершение работы потребуется больше времени, т.к. она довольно объемна. Отчетом о выполнении работы может стать компьютерная презентация, плакаты, рисунки, таблицы.

Возможные краткие ответы учеников на второй вопрос задания:

• Если бы гравитационная постоянная былавыше звезды были бы слишком горячими и горели бы слишком быстро и неравномерно, как результат, невозможность формирования химической основы жизни, если ниже температура звезд была бы недостаточной для осуществления ядерного синтеза, что привело бы к невозможности появления многих элементов необходимых для формирования химической основы жизни. [2]• Если бы отношение массы электрона к массе протона было выше или ниже отсутствовали бы химические соединения. [2]• Если бы скорость света была выше или ниже, звезды были бы слишком яркими или недостаточно яркими для того чтобы поддерживать жизнь. • Если бы сильное взаимодействие, скрепляющее атомные ядра, было на несколько процентов слабее или сильнее, то процесс термоядерной реакции в недрах звезд прекратился бы и не произошел синтез тяжелых элементов, не образовался углерод — основа всей известной нам жизни, а, возможно, не возникло вообще никаких звезд. [1]• Если бы слабое взаимодействие было несколько сильнее или слабее, то почти весь водород вскоре после Большого Взрыва превратился бы в гелий, перестали взрываться сверхновые звезды, а ведь благодаря этим взрывам происходит синтез тяжелых элементов — основного сырья для новых звезд и планет. [1]• Если бы электромагнитное взаимодействие, удерживающее, в частности, электроны возле атомных ядер, было в десятки раз сильнее, то атомы утратили бы стабильность, перестали бы существовать макроскопические тела, а химические реакции, обуславливающие зарождение жизни земного типа и ее эволюцию, протекали бы слишком медленно. [1]

Как известно, в физической науке огромную роль играет эксперимент. Поэтому для формирования прочных знаний и научной картины мира у учащихся так важно выполнение лабораторных работ. При изучении фундаментальных физических констант выполнение лабораторных работ помогает ученикам усвоить их общий существенный признак – экспериментальный характер определения значений.

В школьной программе по физике предусмотрена только лабораторная работа по измерению лишь одной фундаментальной константы- элементарного заряда. Но если представится такая возможность, учитель может провести работы по измерению постоянных Планка, Больцмана, скорости света в вакууме, гравитационной постоянной.

Изучение фундаментальных констант важно для формирования у учащихся научного мировоззрения, то есть такого мировоззрения, которое опирается не на опыт обыденной жизни и веру, а на законы, многократно проверенные научным методом и подтвержденные практикой человечества в целом. [7] В мировоззрении на человека как бы проецируются все приобретенные знания, благодаря чему оно создает в человеческом сознании определенную картину окружающей действительности.

Пониманию школьников вполне доступны некоторые [3] существенные связи и зависимости в явлениях природы и общества, носящие мировоззренческий характер. К ним относятся начальные представления о сезонных изменениях в жизни природы, материальном единстве мира и его постоянном развитии, о социальных противоречиях и др. Изучая систематические курсы основ наук, подростки совершают более глубокий анализ предметов и явлений реальной действительности, находят в них черты сходства и различия, взаимной связи и причинной обусловленности, устанавливают закономерности и движущие силы исторического процесса, приходят к самостоятельным мировоззренческим выводам и обобщениям. [5]

Таким образом, изучение фундаментальных физических констант способствует упрочнению знаний учащихся о физических законах и современных теорий. Для достижения этого результата достаточно эффективным является использование поэтапного изучения каждой из констант.

Библиографический список

1. http://cdks.crimea.ua/index.php?page=fundamentalnye-konstanty-skryvayut-poslednyuyu-tajnu-mirozdaniya2. http://khristos.org/article/743.http://mobile.studme.org/166311165497/psihologiya/vozrastnye_vozmozhnosti_ovladeniya_mirovozzreniem4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Тонкая_настройка_Вселен..5. http://www.detskiysad.ru/ped/ped201.html6. http://studopedia.ru/2_102934_tema--formirovanie-nauchnogo-mirovozzreniya-uchashchihsya.html

Код для цитирования: Скопировать