Преодоление мисконцепций в квантовой физике

NovaInfo 33, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Педагогические науки
Просмотров за месяц: 4
CC BY-NC

Аннотация

Мисконцепции в квантовой физике– это представления, заимствованные из обыденного опыта повседневной жизни и изучения классической физики, противоречащие принципам квантовой теории. Выявление и устранение у школьников и студентов мисконцепций позволяет результативно осваивать знания квантовой физики. В статье рассмотрены типичные мисконцепциии пути их преодоления.

Ключевые слова

МИКРОМИР, КВАНТОВАЯ ФИЗИКА, МИСКОНЦЕПЦИИ, ЭЛЕКТРОН

Текст научной работы

Квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред, и других систем с электронно-ядерным строением. Квантовая механика также способна описывать поведение электронов, фотонов, а также других элементарных частиц. Таким образом, становится возможным объяснить, почему листья зеленые; почему одни виды пластмассы сломать легко, а другие - трудно; почему металлы проводят электричество; почему требуется так много энергии, чтобы подогреть воду, по сравнению с равным количеством другого вещества; и почему химические реакции проходят именно так, как проходят. Знание основ квантовой механики позволит достичь лучшего понимания при изучении таких разделов, как электричество, термодинамика, оптика, магнетизм.

К сожалению, в школе квантовой механике не уделяют должного внимания, т.к. считают эту науку сложной. Не только ученики и учителя, но также и создатели этой области физики отмечали, что квантовая физика вызывает удивление. Возникает вопрос, почему квантовая механика является трудной наукой? Является ли она сама по себе сложной, либо ее интерпретируют запутанными объяснениями и не понятными формулами? Важно отметить, что проблеме изучения этой области физики не уделяют должного внимания. Действительно, средне статический житель нашей страны не должен во всех подробностях разбираться во всех деталях квантовой механики, как и не нужно ему знать все 20 аминокислот, входящих в состав белков. Однако каждый образованный человек имеет представление о ДНК, однако в современном обществе знают чрезвычайно мало о такой важной теории, как квантовая механика.

Вопрос о том, почему квантовая механика трудная, не является тривиальным вопросом, а шагом к решению поставленной проблемы. Если понять, что делает квантовую механику трудной, то можно создать новый позитивный опыт ее изучения. Есть и более тревожная проблема: не только неспециалисты, но также и студенты физических факультетов находят квантовую механику чрезвычайно сложной для понимания. Ответ кроется в мисконцепциях.

Термин «мисконцепция» близок по значению понятию «ошибочное понимание». И. Кребс пишет о природе мисконцепций: "На протяжении веков развития науки, люди, участвующие в ее развитии, делали что могли, чтобы понять и описать природу, используя доступные знания и инструменты, будучи в рамках политического и религиозного климата своего времени". Мисконцепция - это понимание физического явления, не соответствующее общепринятой физической картине мира. Синонимами этого термина являются преконцепция, наивная идея, неверное представление, заблуждение. Значение этих терминов соответствует непониманию, неверной интерпретации, иллюзии и подсознательной ошибке.

Появление мисконцепций легко объяснить с точки зрения, разделяемой сторонниками когнитивизма, согласно которой человек активно пытается понять окружающий мир. Мисконцепция зачастую легче интуитивно объясняет явление, нежели общепринятая теория. Таким образом, мисконцепции помогают человеку поддерживать равновесие, описанное Пиаже. Однажды усвоенная мисконцепция становится частью организованной информационной структуры, которая находится уже в долговременной памяти. Поэтому часто мисконцепция остается устойчивой, если только аргументация против нее недостаточно сильна. Если же мисконцепции не выявлены и не устранены, то все дальнейшее обучение будет строиться на этой искаженной основе. Добиться того, чтобы ученики достигали глубокого понимания естественнонаучных дисциплин, можно, внеся необходимые изменения в содержание и сменив акцент в преподавании [1].

Изменение содержание обучения проводится по двум направлениям: во первых, для понятий, имеющих важность для объяснения множества других, упрощается терминологический состав. Во-вторых, количество изучаемых тем приносится в жертву глубине объяснения. То есть, за счет сокращения количества изучаемого материала наиболее важные (с точки зрения создателя учебного плана) темы изучаются более глубоко и подробно) [2].

Чтобы помочь ученикам преодолеть мисконцепции, надо их, прежде всего, выявить. Проведенный со школьниками 11 классов общеобразовательных и профильных школ и студентами Политехнического университета эксперимент в Санкт-Петербурге позволил выявить группу мисконцепций по квантовой физике:

  1. Структура атома аналогична строению солнечной системы. Ядро – это Солнце. Электроны – это планеты. (Планетарная модель атома).

  2. Электрон можно увидеть, если использовать специальный микроскоп.

  3. Атом нельзя увидеть.

  4. При переходе с одного уровня на другой электроны продолжают двигаться по прямой.

  5. Свободный электрон движется по своей траектории движения.

  6. Можно одновременно измерить координату и импульс электрона у свободного электрона. Однако, невозможно точно определить положение электрона относительно ядра, потому что он очень маленький и движется очень быстро.

  7. Электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам с высокой скоростью. Электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. В конечном счете электрон должен упасть на ядро. Электродинамика не может объяснить, почему электрон не падает на ядро.

  8. Электрон – это очень маленький шарик, всегда ведет себя как частица.

  9. Свет – это обязательно всегда волна.

  10. Неопределенность измеряемой величины в физике - это погрешность измерения.

  11. Все свойства элементарных частиц одновременно можно померить точно.

  12. Большой прибор толкает маленькую частицу при измерении.

Мисконцепции должны быть заменены на справедливые для квантового мира знания.

  1. О местоположении электрона в определенной точке атома можно судить не точно, а с определенной долей вероятности. Вероятность не связана с нашим незнанием. (Квантово-механическая модель строения атома).

  2. Электрон как частица не виден.

  3. Атом нельзя увидеть с помощью обычного света. Размеры атома много меньше длины волны света, так что свет - из-за дифракции - отдельного атома просто не замечает. Однако, "разглядеть" отдельные атомы можно с помощью специальных инструментов - туннельного микроскопа или атомно-силового микроскопа. Они строят изображение, но не на принципах волновой оптики (как электронный микроскоп), а на совершенно других. Эти приборы позволяют увидеть структуру вещества и разглядеть каждый атом, правда это будет компьютерное синтезированное изображение, но все же абсолютно реальное. Так что это получается, а не настоящее, изображение, но это РЕАЛЬНОЕ изображение.

  4. Электрон переходит с одного уровня на другой, испуская или поглощая фотон. При этом между уровнями электрон вообще нигде не находится.

  5. У свободных электронов нет траекторий. Т.е. точка испускания известна точно. Точка регистрации – тоже точно известно. Однако ни про одну промежуточную точку нельзя вообще ничего сказать.

  6. В квантовой механике действует так называемый «Принцип неопределённости Гейзенберга». Согласно этому принципу, невозможно одновременно определить координату и скорость электрона, не важно, свободный ли он, или в атоме. Более того, математический аппарат квантовой механики приводит к тому, что координата и импульс не могут одновременно существовать у частицы в привычных нам численных значениях.

  7. Соотношение неопределенностей позволяет объяснить тот факт, что электрон не падает на ядро атома.

  8. Электрон может вести себя и как волна, и как частица, в зависимости от проводимого эксперимента.

  9. Свет также обладает корпускулярно-волновой природой.

  10. Неопределенность измеряемой величины в физике - это дисперсия измеряемой величины.

  11. Не все свойства элементарных частиц одновременно можно померить точно (например, импульс и координату нельзя, т.к. в микромире им соответствуют некоммутирующие операторы импульса и координаты).

  12. Согласно принципу относительности к средствам измерения, между прибором и частицей происходит несиловое взаимодействие.

Для избежания мисконцепций при изучении квантовой физики следует:

  • На первых занятиях объяснить разницу между квантовой и классической физикой, после чего не использовать аналогии между ними.

  • Начать курс следует с двухщелевого эксперимента, чтобы продемонстрировать корпускулярно-волновую природу света.

  • Как можно раньше и обязательно рассказывать о принципе неопределённости Гейзенберга

  • При обсуждении атома водорода следует избегать планетарной модели Бора.

  • Следует делать акцент на современное состояние квантовой физики.

В борьбе с мисконцепциями возможны два пути — поддерживающий и конфронтационный [3]. Поддерживающий метод опирается на принципы конструктивизма. Используя его, учитель позитивно и осторожно поддерживает ученика, пока тот, анализируя эксперимент, обнаруживает несоответствие результатов эксперимента существующей у него идее и формирует новое правильное понимание явления. Другой метод - конфронтационный, когда учитель активно «атакует» неверные идеи ученика на каждом шагу с безоговорочными аргументами и поддерживающими экспериментами. Одни учащиеся откликаются лучше на поддерживающий метод, другие - на конфронтационный. Недостаток первого метода заключается в необходимости значительного количества времени, а также в частом нежелании учителя и ученика довести процесс до конца. Второй метод считается более экономным в плане времени, но многим учащимся он не подходит психологически.

Вывод: классическую физику можно вывести из квантовой, но не наоборот. Невозможно понять принципы микромира, основываясь на обыденные представления. Важно применить другой стиль мышления, выявив и преодолев мисконцепции в квантовой физике, для ее лучшего понимания.

Читайте также

Список литературы

  1. Сергиенко А Ю. Исследование технологий обучения физике в системе общего образования США: дис. ... канд. пед. наук: 13.00.02 / Александра Юрьевна Сергиенко. - СПб. - 2009. – 204 с.
  2. Strauss S. How cognitive development and science education theory and research can conjoin. / S. Strauss, W. Dammon .- Handbook of Child Psychology: Child Psychology in Practice. 5th Edition, New York: John Wiley & Sons, Inc. – 1998. - Vol. 4. - pp. 365-377.
  3. Comins N. Explanation of Misconceptions about the Universe/ N. Comins. - Columbia University Press. – 2003. – 250 p.

Цитировать

Петрова, Д.В. Преодоление мисконцепций в квантовой физике / Д.В. Петрова. — Текст : электронный // NovaInfo, 2015. — № 33. — URL: https://novainfo.ru/article/3410 (дата обращения: 27.09.2022).

Поделиться