Главная / Методические материалы / Преподавание физики

О представлении метода аналогий в школьном курсе физики

Автор(ы): Коган Ирина Борисовна, Учитель

Notice: Undefined variable: content in /home/area7ru/area7.ru/docs/metodic-material.php on line 278
Метод аналогий довольно часто используется в преподавании, и иногда сделать явление понятным помогают аналогии между процессами очень далёкими по своей физической природе. В чем причина такого на первый взгляд парадоксального явления? Впервые задуматься об этом меня заставила статья Б.И. Спасского и Ц.С. Сарангова [1], в которой авторы, исследуя роль аналогий в развитии физики, остановились на классическом исследовании Карно и его аналогии движущей силы теплоты с силой падающей воды. Авторы указывали, что работа Карно интересна потому что, несмотря на неправильность предпосылок, он получил правильные результаты, в частности, правильно построил идеальную модель тепловой машины. Мне подумалось тогда, что хорошо было бы раскрыть загадку успеха Карно и, заодно, понять, как правильно выбирать аналогии, чтобы использовать их для преподавания.
Попробуем выяснить, почему Карно, используя аналогию, основанную на неправильном представлении о природе теплоты, смог правильно построить идеальную модель тепловой машины.
Метод Карно представляет собой реализацию положения, выдвинутого им в качестве методологического принципа: "Чтобы рассмотреть принцип получения движения из тепла во всей его полноте, надо его изучить независимо от какого-либо механизма, какого-либо агента, надо провести рассуждения, приложимые не только к паровым машинам, но и ко всем мыслимым тепловым машинам вообще, каково бы ни было вещество пущенное в дело, и каким бы образом на него не производилось воздействие". [2, стр. 18]
Исследование Карно не является первой попыткой изучить явление в чистом виде. Подобный принцип представляет основу вывода Галилеем закона инерции, но у Галилея он не был сформулирован в качестве отдельного положения, По-видимому, впервые, со всей отчётливостью он был высказан Декартом. Исходя из особенностей именно такого рассмотрения, Декарт обосновывает расхождение своих выводов о движении тел под влиянием удара с результатами опытов.
Все выводы Карно опираются на несколько положений, используемых им в качестве аксиом:

о невозможности физического perpetuum mobile;
о сохранении количества теплоты;
об изменении температуры газов при сжатии или разрежении,
о том, что рассматриваемые газы подчиняются законам Мариотта, Гей-Люссака и Дальтона.

Опираясь на эти аксиомы, Карно доказывает три следующих положения:
1) "Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы". [2, стр. 22]
2) "Повсюду, где можно затратить эту (движущую) силу, возможно образовать разность температур". [2, стр. 22]
3) "Движущая сила тепла не зависит от агентов взятых для её развития, её количество исключительно определяется температурами тел, между которыми, в конечном счёте, производится перенос теплорода". [2, стр. 30]
В соответствии с выдвинутым методологическим принципом, для доказательства приведенных положений Карно рассматривает работу идеальной тепловой машины. Построение идеальной модели является главным элементом большинства мысленных экспериментов. Именно оно представляет собой то звено мысленного эксперимента, которым осуществляется его связь с другими методами теоретической физики, например с методом аналогий.
Далее мы рассмотрим возможный путь развития идеи идеальной тепловой машины.
Из рассуждений о работе реальной тепловой машины, в соответствии с вещественной теорией теплоты, Карно составил себе следующее представление о процессе получения движения из тепла: "Возникновение движущей силы в паровых машинах обязано не действительной трате теплорода, а его переходу от горячего тела к холодному, т.е. восстановлению его равновесия... Мы увидим, что этот принцип приложим ко всем машинам, приводимым в движение теплотой". [2, стр. 20] Рассмотрев, каким образом получается движущая сила действием теплоты на водяной пар, Карно заключает, что этот процесс является аналогичным процессу получения работы за счёт падения воды с более высокого уровня на более низкий: "После установленных выше положений можно с достаточным основанием сравнить движущую силу тепла с силой падающей воды..."
[2, стр. 26] Но Карно отмечает, что это не даёт ещё права говорить о полной аналогии процессов, так как "при падении воды движущая сила строго пропорциональна разности уровней в верхнем и нижнем резервуарах. При падении теплорода движущая сила без сомнения возрастает с разностью температур между горячим и холодным телами; но мы не знаем, пропорциональна ли она этой разности". [2, стр. 22]
Тем не менее, усмотрение даже частичной аналогии процессов приводит к мысли, что и машины, в которых происходят эти процессы, должны удовлетворять аналогичным требованиям.
В механике в то время уже были разработаны требования к машинам, в которых происходило взаимопревращение видов механической энергии, и была развита мысль об идеальной механической машине. Полагая, что процессы, происходящие в тепловой машине аналогичны процессам, происходящим в механической машине Сади Карно предъявил к модели тепловой машины требования аналогичные предъявляемым к модели механической машины.
К построению идеальной модели механической машины приводит метод, основанный на принципе сохранения энергии (в современной терминологии), впервые развитый Гюйгенсом и Ньютоном, и который до открытия закона эквивалентности теплоты и работы считался применимым только к системам без трения в отсутствии неупругих соударений. Наличие в системе трения или неупругого удара приводило к неучитываемым, данным методом, тратам энергии. Вопрос о минимизации потерь при трении и неупругом ударе был исследован отцом Сади Карно, Лазаром Карно, который для второго случая доказал теорему о потере живой силы при неупругом ударе, на основании которой заключил, что при конструировании машин, надо стремиться к передаче в них движения между деталями с равными скоростями. Для сравнения метода, который приводит к построению идеальной механической машины с методом, развитым Карно опишем их существенные признаки.

	Метод, приводящий к построению идеальной модели механической машины	Метод Карно
Основное положения	Принцип сохранения механической энергии:^E = const	Принцип сохранения количества теплоты:^Q = const
Применим к системам	Подчиняются системы, в которых все процессы обратимы (отсутствуют трение и неупругий удар):в системе происходит обратимое превращение потенциальной энергии в кинетическую энергию и - наоборот	Подчиняются системы, в которых все процессы обратимы (движение при равенстве давлений, теплопередача при равенстве температур). В системе происходит обратимый процесс "падение" теплорода совершает работу, затратив такую же работу можно "поднять" такое же количество теплорода до прежнего температурного уровня
Способ построения идеальной модели	Построение идеальной модели механической машины заключается в устранении трения и сведении к нулю разности скоростей тел, между которыми происходит передача движения	Построение идеальной модели тепловой машины заключается в устранении разности давлений при движении и сведении к нулю разности температур тел, между которыми происходит передача теплорода

Мы видим, что способ построения идеальной модели Сади Карно представляет аналогию способа построения идеальной модели механической машины. Следует подчеркнуть, что у Карно аналогичным было сохранение величин механической энергии и теплоты.
Таким образом, на построение идеальной тепловой машины оказала влияние развитая Лазаром Карно мысль об идеальной механической машине и сыграло роль то обстоятельство, что Сади Карно был инженер...

ВНИМАНИЕ!
Текст просматриваемого вами методического материала урезан на треть (33%)!

Чтобы просматривать этот и другие тексты полностью, авторизуйтесь на сайте:

Простая ссылка на эту страницу:

Ссылка для размещения на форуме:

HTML-гиперссылка:

Добавлено: 2010.11.22 | Просмотров: 1408
При использовании материалов сайта, активная ссылка на AREA7.RU обязательна!