Педагогика. Методика преподавания физики.

М.В. Ерошкин, Г.В. Киселев, Е.Н. Моос

Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина, Россия

Элементы квантовомеханического моделирования

в курсах современной физики

Восприятие квантовой физики в школе, а затем в вузах привносит в ее освоение трудности, связанные с возможностями обучаемых, а также со спецификой квантового описания законов на основе дуалистических концепций. В то же время, все предыдущие разделы этой дисциплины строятся исключительно на монистичных представлениях, свойственных классической теории. При этом в действующей программе курса не предусмотрен подготовительный этап перехода к квантовым разделам и, по-прежнему, доминируют взгляды начала 20 века. Однако в настоящее время элементы квантовомеханического моделирования приобрели особую актуальность не только с мировоззренческих позиций при описании Микро- и Мегамира, но и настоятельно необходимы для восприятия базовых понятий современной микро- и наноэлектроники с точки зрения классической физики. Достигнутые при этом вычислительные мощности позволяют на базе квантовомеханических представлений перейти к рассмотрению физических процессов на уровне атомно-молекулярных структур - нанообъектов.

До настоящего времени нет решения проблемы методики преподавания квантовой физики, что, безусловно, тормозит модернизацию курса физики общеобразовательных и специальных учреждений среднего и высшего образования. Образовательные учреждения ставят новые цели, на основе приоритетного роста человеческого фактора и стимулирования инноваций. Следовательно, необходимость решения вышеописанной методической проблемы остается на прежнем уровне. Вышеописанная проблема обоснования квантовой теории в рамках школьного курса по физике не осталась без внимания. Некоторые результаты по введению квантово-механических понятий в общий курс представлены [1-5] в учебниках и учебных пособиях по физике Касьянова В.А., Глазунова А.Т., Дика Ю.И., Яворского Б.М., Кабардина О.Ф., Коровина В.А., Савельева И.В., Резникова Л.И., Пинского А.А. и др. При этом необходимо отметить ряд замечаний. Основные вопросы преподавания квантовой физики так и не были решены. К примеру, при формировании раздела «Квантовая физика» школьного курса остались проблемы насыщения квантовых представлений современными идеями, а также расширение спектра изучаемых квантово-механических понятий в рамках отведенных часов преподавания физики.

В качестве примера, обратимся к разделу «Квантовая теория электромагнитного излучения» из учебника по физике для общеобразовательных учреждений под редакцией В.А. Касьянова [1]. По мнению автора одно из наиболее значительных достижений современной физики является понимание ошибочности противопоставления оптических и квантовых свойств света. Понятие корпускулярно-волнового дуализма есть не что иное, как проявление в поведении одного объекта как корпускулярных, так и волновых свойств. По-видимому, во избежание подобных трудностей, в учебнике по физике для общеобразовательных учреждений и школ с углубленным изучением физики под редакцией А.А. Пинского, рассмотрение темы «квантово-волновой дуализм» практически отсутствует.

При этом на помощь может придти исторический аспект в развитии данных базовых концепций квантовой механики. В частности, в курсе физики рассматривается развитие гипотезы Луи де Бройля. Французский ученый предложил новое представление об универсальности теории корпускулярно-волнового дуализма, приписывая наряду с корпускулярными также и волновые свойства фотонов, электронов и других частиц материи. Луи де Бройль исходил из существования «волны-лоцмана», несущей на себе любое корпускулярное образование. Однако попытки ее материального проявления не увенчались успехом вплоть до сегодняшних дней. Тем не менее, именно неявно признанным фактом ее существования можно объяснить методическую приверженность принципу корпускулярно-волнового дуализма.

С одной стороны в случае описания света волновой и корпускулярный подходы противоречат друг другу. Луи де Бройль внес предположение о том, что эти два подхода взаимно дополняют друг друга. Например, такие явления, как интерференция и дифракция света, указывают на волновую природу света и их просто описать, исходя из аналогии их внешнего проявления с соответствующими механическими процессами, как, впрочем, и такое явление как поляризация. Действительно, классическая физика построена на разграничении объектов, имеющих волновую структуру и объектов, имеющих дискретную, материальную структуру. При этом в развитии такого рода подходов часто ошибочно принимается деление материи на ее полевую и вещественную формы. Но двойственность природы веществ не свойственна объектам реального мира, что позволяет предположить наиболее выгодным упрощением рассмотрение теории света, применяя волновую теорию, при изложении квантовой механики в школьных и вузовских курсах по физике.

Метод дифракции электронов, наряду с дифракцией протонов и нейтронов, является базовым методом при рассмотрении многих исследовательских и технологических проблем, а также при изучении структуры вещества. Симметрия расположения рефлексов дифракционной картины электронов указывает на симметрию атомов, находящихся в верхних слоях [6].

Следующие факторы определяют правомочность применения теории вероятности при рассмотрении дифракционных явлений:

1. Многократность повторения одного и того же события. В нашем случае это множество электронов в пучке, зондирующем поверхность твердого тела.

2. Большое число случайных факторов, воздействующих на результат взаимодействия зонда с веществом: генерация и рекомбинация фононов, ионные и электронные флуктуации в атомных слоях и т.п.

Следует отметить некоторые основные понятия теории вероятности. В нашем случае, дифракция электронов относится к числу массовых событий, охватывающих большие повторяющиеся совокупности электронов, непрерывно пребывающие в движении. Показатели в итоге, то есть дифракционная картина, носит вероятностный характер. Исходный пучок электронов, в конечном счете, дает разные дифракционные картины. Но если мы воспроизведем подобные условия многократно, то сможем увидеть превалирующее влияние весьма определенных факторов. Подобные факторы носят название статистических закономерностей[7].

Немецкий физик Макс Борн, основоположник квантовой механики и сторонник квантовых идей Эйнштейна и применения их к проблемам твердого тела, в своей книге указывает на необходимость в физике описывать суть своих абстрактных формул, насколько это возможно, на обычном языке, интуитивными понятиями. При этом встречаются специфические трудности, изученные копенгагенской школой Нильса Бора, который показал, что атомные процессы можно описывать на языке "классических" понятий, если только при этом воздерживаться от одновременного описания всех свойств физической системы[8]. Для исследования всех возможных свойств такой системы необходимы различные, взаимно исключающие, но "дополнительные" экспериментальные установки. Право экспериментаторов выбирать вид установки однозначно вносит субъективность. Это приводит к утрате объективности из-за субъективной интерпретации результатов исследования.

Корпускулярно-волновой дуализм можно исключить из рассмотрения, заменив его вероятностным подходом. Действительно, механические и электромагнитные волны хорошо описываются волновыми дифференциальными уравнениями второго порядка. Аналогичное по виду волновое уравнение. Шрёдингер применил к понятию волн вероятности, носящее его имя и определяет вероятность обнаружения частицы в заданной точке пространства. Дифференциальные уравнения 2-го порядка одинаково хорошо описывают волновые химические и биологические процессы. Но из этого не следует дуалистическая сущность биологических и химических объектов.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Касьянов В.А. Физика 11 кл., - М.: Дрофа, 2012. С.154-164.

2. Глазунов А. Т., Дик Ю. И., Игошев Б. М. и др. Политехническое образование и профориентация учащихся в процессе преподавания физики в средней школе, - М.: Просвещение, 1985.

3. Пинский А.А., Кабардин О.Ф., Глазунов А.Т и др. Физика 11 кл., - М.: Просвещение, 2011, с. 212-236.

4. Детлаф А. А. , Яворский Б. М. Курс физики - М.: Высшая школа, 1989.

5. Савельев И. В. Курс общей физики в 3 т., - М.: Наука, 1987. Т. 3.

6. Eroshkin M.V., Kiselyev G.V., Moos E.N., et al. In Book of Abs. of Reg. Workshop EMAS-2012, Italy, Padova. P. 345.

7. Савельева Р.Ю. Основы теории вероятностей и математической статистики, методические указания, - Новый Уренгой, 2008. С. 3-6.

8. Борн М. Моя жизнь и взгляды, - М.: Прогресс, 1977, С. 127.