Жылына 4 рет шығады

 
                                                                 
 
 
Хабаршы 
№2- 2015 ж. 
   
 
 
20 
Ключевые  слова:  принцип  научности,  физика,  астрономия,  лабораторно-практические  работы, 
проектная  деятельность,  научные  данные,  математическая  статистика,  Солнце,  Земля,  числа  Вольфа, 
солнечный ветер, межпланетное магнитное поле, геомагнитное поле, корреляция, компетентность. 
 
Одним  из  основных  принципов  дидактики  является  принцип  научности,  который 
предполагает преподавание предмета на основе достижений современной науки, освоение научных 
методов  познания  процессов  и  явлений окружающего мира, развитие  творческого  и  критического 
мышления, и формирование у обучаемых естественно-научной картины мира. Реализация принципа 
научности, формирование представлений о физической картине мира является одним из требований 
к содержанию обучения физики в школе и вузе. Соблюдению данного принципа в педагогической 
практике  способствует  выполнение  учащимися  учебно-исследовательской  деятельности.  Ее 
особенность заключается в осуществлении поиска обучаемыми необходимой научной информации 
и  в  освоении  ими  простейших  научных  методов  исследования,  анализа  получаемых  в  процессе 
работы  результатов.  Включение  научных  данных  в  содержание  учебного  процесса  позволяет 
формировать  навыки  работы  с  научной  информацией,  источниками  которой  могут  быть  фонды 
библиотек  и  материалы  Интернета.  Глобальная  сеть,  как  следствие  развития  средств  передачи  и 
распространения  информации,  может  предоставить  обучаемым  необходимые  им  в  ходе  своей 
работы  справочную  литературу,  новейшие  данные  исследований  ученых,  электронные  версии 
изданий  периодики,  и  многое  другое.  Успешность  учебно-исследовательской  работы  зависит  от 
совместных  усилий  преподавателей  и  учащихся  [1;  2;  3].  «В  астрономии  можно  говорить  о 
современных  научных  проблемах  и  нерешенных  вопросах,  в  отличие  от  традиционных  курсов 
физики  и  химии,  построенных  так,  что  у  преподавателя  практически  нет  возможности  много 
говорить о современном крае науки» [4]. 
Реализация  принципа  научности  как  одного  из  дидактических  принципов  имеет  важное 
значение в достижении цели и решении задач обучения физике и астрономии. В процессе обучения 
это обеспечивается содержанием учебного материала на всех видах и формах занятий. 
Содержание программ, учебников и учебных пособий школы и вуза по физике и астрономии 
включает  фундаментальные  эксперименты  и  фундаментальные  физические  теории.  В  процессе 
обучения  рассматривается  роль  абстракции  и  идеализации  в  научном  познании.  При  изучении 
многих  вопросов  физики  и  астрономии  важно  понимание  того,  что  наука  изучает  законы 
объективно  существующего  мира,  но  их  математическое  выражение,  количественные 
характеристики явлений могут зависеть от системы отсчета. В связи с этим, например, в астрономии 
особенно важно осмысление понятий «видимое» и «действительное» (вращение Земли вокруг своей 
оси представляется наблюдателю как вращение небесной сферы вокруг Земли). Различные явления, 
процессы  физического  мира  более  или  менее  тесно  связаны  между  собой.  Большое  количество 
внутренних  и  внешних  связей  осложняет  изучение  отдельных  явлений,  процессов.  Поэтому  в 
физической  науке  во  многих  случаях  при  анализе  количественного  результата  эксперимента  или 
данных  наблюдений  для  решения  конкретной  задачи  используются  различные  методы  обработки 
материала  с  различной  степенью  приближения.  Например,  сложная  форма  траектории  планет 
относительно Солнца, обусловленная воздействием на каждую планету не только гравитационного 
поля  Солнца,  но  и  полей  других  планет  и  других  небесных  тел,  может  в  первом  приближении 
рассматриваться  как  эллиптическая,  а  в  некоторых  задачах  и  как  круговая.  Однако  допустимы 
только  приближения,  не  искажающие  принципиально  сущности  явления.  В  исследованиях, 
требующих большей точности, необходимо учитывать различные возмущения траектории планеты. 
В задачах по определению ускорения свободного падения как функции расстояния от центра Земли 
или как глубины, отсчитываемой от поверхности, планету Земля даже приближенно нельзя считать 
однородной  [5].  На  все  эти  вопросы  обращается  внимание  при  теоретическом  изучении 
соответствующих дисциплин и при решении задач. 
Известные научные данные, количественные  характеристики реальных физических явлений, 
характеристики  состояния  Ближнего  и  Дальнего  Космоса  включаются  в  содержание  задач  по 
физике  и  астрономии.  Это  могут  быть  данные  о  скорости  и  периодах  обращения  планет  вокруг 
Солнца,  характеристиках  магнитного  поля  Земли,  межпланетного  магнитного  поля,  магнитных 
полей Солнца и звезд, межзвездного пространства и многие другие физические параметры. Такие 
данные можно найти в различных справочниках. Новейшие данные, еще не нашедшие отражения в 
широкой печати, в учебных пособиях, в настоящее время доступны в сети Интернет. 

 
                                                                 
 
 
Хабаршы 
№2- 2015 ж. 
   
 
 
21 
В  учебном  процессе  школы  и  вуза  при  изучении  физики  и  астрономии  важное  место 
занимают  лабораторные,  лабораторно-практические  работы,  подготовка  рефератов  и  разработка 
проектов.  Эти  формы  учебной  деятельности  в  процессе  подготовки  бакалавра  специальности 
«физика»  позволяют  значительно  расширить  использование  научных  данных,  полученных  в 
наземных  научных  лабораториях  и  с  помощью  космических  аппаратов.  Такими  данными,  в 
частности,  являются  характеристики  солнечной  активности,  солнечного  ветра,  межпланетного 
магнитного  поля,  магнитного  поля  Земли,  то  есть  различные  космофизические  и  геофизические 
характеристики  окружающего  нас  мира.  Их  использование  направлено  на  углубление  подготовки 
будущего  учителя  по  предмету,  освоение  им  простейших  методов  научных  исследований.  Более 
широкое  использование реальных  научных данных, освоение методов  их  обработки  способствует 
подготовке  будущего  учителя  физики  астрономии  к  организации  им  внеклассной  работы  по 
предмету  и  проведения  работы  по  ориентации  школьников  на  будущую  профессиональную 
деятельность в области физики и астрономии.  
Необходимые  для  использования  в  учебном  процессе  научные  данные,  полученные  в 
результате  экспериментов  и  наблюдений,  можно  найти  в  различных  источниках,  в  научных 
изданиях,  справочниках.  Космофизические  и  геофизические  данные  могут  быть  представлены  в 
виде таблиц, статистических рядов, рисунков, графиков и тому подобное. На основе таких данных 
нами  рассмотрена  возможность  разработки  заданий  для  лабораторно-практических  работ, 
проектной деятельности и решение отдельных задач. Известно, что физическая наука получила свое 
развитие  благодаря  использованию  математического  аппарата.  Математический  аппарат  –  это 
математические  символы,  функции,  графики,  уравнения  и  системы  уравнений,  различные 
математические  операции.  Его  использование  позволяет  описать  не  только  однозначные, 
динамические,  связи  между  физическими  величинами,  но  и  связи  статистические,  определяемые 
законами  теории  вероятностей,  математической  статистики.  Обучаемым  предлагается,  используя 
имеющиеся  научные  данные,  пройти  путь  исследователя,  освоить  методы  обработки  результатов 
экспериментов и наблюдений, на основе которых учеными были сделаны те или иные выводы. 
На основе космофизических данных нами разрабатываются учебные задания, которые можно 
условно разделить на две группы. К первой группе мы относим задания, при выполнении которых 
используется однозначная, то есть функциональная зависимость исследуемых физических величин. 
Во  второй  группе  –  задания  по  исследованию  неоднозначных,  статистических  связей  и 
закономерностей, определяемых на основе теории вероятностей, то есть связей и закономерностей, 
которые  могут  быть  обнаружены  в  больших  массивах,  данных,  называемых  статистической 
совокупностью.  Оба  вида  заданий  предполагают  использование  аналитического  и  графического 
методов  исследования  и  представление  результатов.  Статистические  связи  могут  быть 
представлены в аналитической форме, например, в виде уравнений регрессии. Графический метод 
исследования  широко  используется  в  физике  и  астрономии.  Если  материал  для  исследования 
представлен в виде графика, то уже по его анализу можно сделать некоторые выводы по вопросу 
исследования.  Поэтому,  в  случаях,  когда  характеристики  исследуемого  явления  представлены  в 
виде совокупности количественных данных, их графическое представление может быть полезным 
на  первом  этапе  исследования.  Во  многих  исследования  более  глубокому  пониманию  сущности 
полученных результатов также помогает их графическое представление. 
Многие  изменения  исследуемых  параметров  связаны  с  вращением  Солнца  с  периодом  27 
дней  относительно  земного  наблюдателя.  Поэтому  в  исследованиях  часто  используется 
распределение  наблюдаемых  данных  по  так  называемым  циклам  Бартельса,  основанным  на  27-
дневной вариации, в которой каждому периоду обращения Солнца присваивается номер оборота. В 
качестве начала отсчёта оборотов взята дата 8 февраля 1832 года. 
Далее  представлены  содержание  некоторых  разработанных  нами  заданий  к  лабораторно-
практическим  работам.  Отдельные  задания  лабораторно-практических  работ  могут  даваться  в 
качестве задач на практических занятиях. Предлагаемые темы исследования могут разрабатываться 
также в форме проектной деятельности. 
Лабораторно-практическая  работа  «Исследование  освещенности  планет  Солнцем  и 
еговидимой звездной величины» 
Исходные  данные  и  материалы:  расстояния  от  планет  до  Солнца,  солнечная  постоянная, 
видимая звездная величина Солнца относительно Земли [6]; 
Актуальные вопросы: 

 
Солнце – как основной источник света в Солнечной системе; 

 
                                                                 
 
 
Хабаршы 
№2- 2015 ж. 
   
 
 
22 

 
фотометрия,  особенность  фотометрии  –  два  вида  количественных  характеристик  света 
(энергетические и световые физические величины); 

 
кривая видности, световая отдача; 

 
освещенность,  обозначение,  единицы  измерения,  формула  освещенности  от  точечного 
источника; 

 
солнечная постоянная для Земли и других планет; 

 
линейные и угловые величины в физике и астрономии; 

 
относительная звездная величина, формула Погсона; 

 
графическое  изображение  взаимной  связи  физических  величин  (выбор  масштаба, 
использование  логарифмической  шкалы  и  т.п.);  выполнение  работы  традиционным  методом  и  с 
использованием ЭВМ; 
Данные  актуальные  вопросы,  знание  которых  необходимо  для  выполнения  данной  работы, 
изучались студентами в курсе общей физики и астрономии. 
Работа выполняется на основе формулы зависимости освещенности от расстояния до точечного 
источника,  формулы  Погсона,  формул,  связывающие  освещенности  в  энергетических  и  световых, 
линейные  и  угловые  характеристики  объектов,  градусные  и  радианные  меры  углов.  Используется 
известное значения солнечной постоянной и видимой звездной величины Солнца относительно Земли. 
В практической части работы требуется вычислить освещенность Солнцем планет Солнечной 
системы  в  энергетических  и  световых  единицах,  угловой  радиус  солнечного  диска,  видимую 
звездную величину Солнца для каждой из планет. Результаты расчетов оформляются в виде таблиц. 
Далее представляется графическая зависимость исследуемых характеристик от   lgr,   lg 1/r,    lg 1/r
2
. 
В выводах по выполненной работе приводится анализ аналитических и графических результатов и 
обоснование целесообразности использования логарифмической шкалы в научных исследованиях. 
Предлагаемая  работа  достаточно  обширна  по  объему.  Проведение  необходимых  расчетов, 
представление  результатов  в  графической  форме,  особенно  традиционным  методом,  требует 
больших затрат времени. Но этот вид работы необходим, так как позволяет обучаемым приобрести 
навыки графического представления зависимостей различных величин, которое в настоящее время 
широко  используется  не  только  в  физике,  но  и  в  других  областях  науки  и  практической 
деятельности.  Большой  объем  работы  не  позволяет  выполнить  ее  за  один  кредит  –  час.  Часть 
заданий  может  быть  вынесена  на  СРСП  или  СРС,  предусмотренных  современной  кредитной 
системой обучения. Данная работа может быть выполнена также в форме проектной деятельности. 
Содержание  и  методы  выполнения  данной  работы  доступны  школьникам.  Поэтому  она  может 
предложена  учащимся  классов  физико-математического  профиля  в  качестве  проектной 
деятельности. Работа может быть разделена на отдельные задания различным группам учащимся и 
затем объединена в единый групповой проект. 
Аналогичной  по  исходным  данным  и  методу  выполнения  заданий  первого  типа  является 
также  предлагаемая  работа  «Учет  поглощения  света  в  атмосфере  при  определении  видимой 
звездной  величины».  На  основе  известных  значений  коэффициента  прозрачности  атмосферы  и 
разработанных учеными формул, вычисляется поправка к видимому значению звездной величины 
при  различных  метеорологических  условиях  и  различном  расположении  звезд  над  горизонтом. 
Выполнение работы предполагает знание обучаемыми особенностей прохождение света в мутных 
средах,  то  есть  в средах  с  поглощением. Результаты  вычислений  представляются  графически,  что 
позволяет  провести  более  подробный  анализ  исследуемых  зависимостей.  К  первому  типу  работ 
можно  отнести  и  лабораторную  работу  по  определению  чисел  Вольфа,  которая  выполняется  по 
фотографиям, полученным в научных лабораториях. 
Задания  лабораторно-практических  работ  или  проектной  деятельности  второго  типа 
предлагаются с использованием статистических данных непрерывной регистрации геофизических и 
астрофизических  параметров.  Цикл  соответствующих  работ  можно  объединить  единой  темой 
«Исследование статистических рядов и корреляционных связей параметров солнечного ветра 
и геомагнитного поля».  Использование статистических рядов позволяет проводить исследование 
существования  периодических  и  непериодических  изменений  различных  параметров  и 
корреляционных связей между ними. В связи с этим исследования статистических данных можно 
условно  разделить  на  две  группы.  К  первой  группе  относятся  исследование  отдельных 
характеристик,  полученных  в  результате  измерений  в  форме  статистических  рядов,  которые,  как 
правило, представляются в виде таблиц. В первичной обработке они становятся более наглядными 
при 

 
                                                                 
 
 
Хабаршы 
№2- 2015 ж. 
   
 
 
23 
графическом изображении. На рис. 1 показано временное изменение скорости солнечного ветра по 
данным  за  период  1  -  30  сентября  2003  года.  Точки  соответствуют  данным  наблюдений  [7]. 
Соединение точек штрихами сделано для наглядности. 
 
 
 
Рис. 1. Скорость солнечного ветра за период 1-30 сентября 2003 года 
 
В 
исследовании 
статистических  материалов  одной  из 
характеристик  является 
частотаповторения  различных  параметров.  Для  ее  определения  проводят  упорядочивание  рядов, 
располагая данные в порядке возрастания или убывания. Затем такой упорядоченный ряд делится на 
равные  интервалы  и  подсчитывается  количество  данных  в  каждом  из  них.  Результаты  наглядно 
видны,  если  их  представить  в  форме  гистограммы  или  полигона  частот.  На  рис.  2 
показанагистограмма  для  плотности  солнечного  ветра,  построенная  по  материалам  [8]  за  период 
1965–1966 гг. Гистограмма показывает частоту повторений плотности частиц солнечного ветра (по 
вертикали) в различных диапазонах плотности (по горизонтали) с длиной интервала h = 2 см
-3
. 
 
 
 
Рис. 2.Гистограмма плотности солнечного ветра за период 1965 – 1966гг
 
 
Используя  имеющиеся  статистические  данные  и  метод  наложения  эпох,  обучаемые  могут 
проверить наличие 11-летней и 22-летней периодичностей солнечной активности по числам Вольфа 
и  27-дневной  периодичности  различных  параметров  по  методу  диаграмм  Бартельса.  На  рис.3 
представлена  диаграмма  Бартельса  для  скорости  солнечного  ветра,  построенная  по  данным  [7]: 
сплошные линии – 2321, штриховые – 2322, пунктирные – 2323 оборот Бартельса. 
 

 
                                                                 
 
 
Хабаршы 
№2- 2015 ж. 
   
 
 
24 
 
 
Рис. 3 Диаграмма скорости по 2321 – 2323 оборотам Бартельса
 
 
Повторяемость  в  значениях  различных  параметров  является  отражением  цикличности 
физических  процессов  на  Солнце,  которые  не  являются  строго  периодическими.  Например, 
известный  11-летний  период  -  это  среднее  значение  повторяемости  солнечной  активности, 
вычисляемой по временному промежутку между соседними минимумами чисел Вольфа. Реальная 
повторяемость изменяется от 9,0 до 13,7 лет. В связи с этим, интересно посмотреть, есть ли какая-то 
закономерность  в  изменении  периода  солнечной  активности  и  в  изменении  максимального  и 
минимального  значения  чисел  Вольфа  солнечной  активности  при  переходе  от  одного  цикла  к 
другому. Первичный анализ можно сделать с помощью графического анализа. 
В  статистических  рядах  наблюдается  разброс  данных  вследствие  действия  на  данную 
физическую  величину  различных  причин  и  вследствие  погрешности  измерения.  Уменьшить 
разброс,  связанный  с  погрешностью  измерения,  можно  методом  сглаживания  рядов  с  различным 
периодом.  Графическое  изображение  сглаженных  рядов  во  многих  случаях  позволяет  выявить 
закономерности, которые не видны в первичных рядах. 
Ко  второй  группе  исследования  статистических  характеристик  относится  определение 
взаимной  связи  космофизических  параметров.  С  этой  целью  можно,  например,  сравнивать 
гистограммы частот, полученные для различных характеристик по одному и тому же временному 
промежутку.  При  графическом  изображении  информацию  о  взаимной  связи  или  ее  отсутствии 
можно получить, если на одном графике построить временную зависимость различных параметров. 
На  рис.  4  показаны  результаты  одновременной  регистрации  скорости  (шарики)  и  плотности 
(кружочки) солнечного ветра по 2321 обороту Бартельса на основе данных [7].
 
 
 
 
Рис. 4. График временной зависимости скорости и плотности солнечного ветра по 2321 
обороту Бартельса
 
 
Исследование  взаимных  связей  параметров  может  быть  выполнена  на  нескольких 

 
                                                                 
 
 
Хабаршы 
№2- 2015 ж. 
   
 
 
25 
лабораторно-практических  занятиях  или  в  форме  проектной  деятельности.  Статистические, 
вероятностные или стохастические связи между физическими величинами возникают при условии 
одновременного  действия  нескольких  причин  на  исследуемые  явления  или  на  исследуемую 
характеристику,  (некоторые  из  них  могут  быть  неизвестными),  и  погрешности  измерений.  Такую 
связь  называют  также  корреляционной  [9;  10].  При  этом  различные  воздействия  на  исследуемую 
физическую  величину  может  быть  в  одном  направлении,  или  во  взаимно  обратном  направлении. 
Результатом сложных физических процессов являются количественные характеристики солнечного 
ветра, межпланетного и земного магнитных полей, связь между которыми оказывается, вследствие 
этого  неоднозначной.  На  рис.  5.апоказан  график  корреляционной  зависимости  суммарного  K
p
  – 
индекса  от  скорости  солнечного  ветра  с  положительным  значением,  близким  к  1  коэффициентом 
корреляции, на рис 5.б - от плотности солнечного ветра близким к 0 коэффициентом корреляции по 
2324 обороту Бартельсана основе материалов [7; 11]. 
 
 
Рис. 5. Графики корреляционной зависимости суммарного К
р
 – индекса а) от скорости;  
б) от плотности солнечного ветра по 2324 обороту Бартельса. 

жүктеу/скачать 6,08 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: