Nowożytne poglądy na ruch, czas i przestrzeń
Nowożytne poglądy na ruch, czas i przestrzeń
1. Cele lekcji
a) Wiadomości
Uczeń zna założenia teorii Kopernika.
Uczeń zna odkrycia dokonane przez Keplera.
Uczeń zna odkrycia dokonane przez Galileusza.
Uczeń zna istotę poglądów Izaaka Newtona.
Uczeń zna założenia teorii Alberta Einsteina.
b) Umiejętności
Uczeń umie przedstawić rozwój myśli dotyczącej ruchu.
Uczeń rozumie istotę badań fizycznych.
Uczeń rozumie problemy występujące przy krystalizowaniu się teorii naukowych.
2. Metoda i forma pracy
Podział metod nauczania według koncepcji nauczania wielostronnego W. Okonia:
Metody asymilacji wiedzy: praca z tekstem, rozmowa nauczająca
Metody samodzielnego dochodzenia do wiedzy: dyskusja
Metody praktyczne: wykonywanie strzałki czasu
Metody waloryzacyjne: prezentacja pracy grup
Forma pracy: grupowa lub indywidualna
3. Środki dydaktyczne
Tablica i kreda
Teksty dotyczące odkryć Kopernika, Keplera, Galileusza, Newtona i Einsteina (załącznik 1)
4. Przebieg lekcji
a) Faza przygotowawcza
Nauczyciel prosi uczniów o przedstawienie pracy domowej. Uczniowie odczytują przygotowane przez siebie poglądy starożytne ujęte w formę zwięzłych idei. Najlepsze sformułowania wybrany uczeń zapisuje na osobnych kartkach. Nauczyciel wiesza je na tablicy.
Nauczyciel zwraca uwagę uczniów, że myśl starożytnej Grecji cieszyła się olbrzymim autorytetem. Twierdzenia np. Arystotelesa czy Ptolomeusza wydawały się doskonale umotywowane i prawdziwe.
Nauczyciel dzieli uczniów na grupy i każdej grupie przydziela jeden tekst dotyczący nowożytnych odkryć dotyczących ruchu (załącznik 1). Wyjaśnia, że na tej lekcji będą próbować odtworzyć ciąg zdarzeń i odkryć, które doprowadziły do powstania współczesnych poglądów na ruch oraz sposobów jego opisu.
b) Faza realizacyjna
Każda grupa uczniów czyta tekst, który otrzymała od nauczyciela. Zadaniem uczniów jest przedyskutowanie i opracowanie odpowiedzi na trzy pytania:
Czy opisane odkrycia wprowadzały jakieś nowe idee dotyczące ruchu?
Czy opisane odkrycia potwierdzały jakieś idee sformułowane w starożytności?
Czy opisane odkrycia zaprzeczały jakimś ideom sformułowanym w starożytności?
Każdy zespół wypisuje nowe idee na osobnych kartkach.
Po ukończeniu pracy przez wszystkie grupy nauczyciel wybiera 2‑3 uczniów, którzy w trakcie prezentacji wyników grup oraz dyskusji będą tworzyć strzałkę czasu.
c) Faza podsumowująca
Grupy uczniów prezentują wyniki swoich prac. Opisują krótko postać uczonego oraz wyniki jego prac. Następnie przedstawiają propozycje swoich odpowiedzi na postawione przed nimi pytania. Nauczyciel inicjuje dyskusję pomiędzy uczniami. Po ustaleniu wspólnych wniosków uczniowie przygotowują strzałkę czasu z przekazanych im przez grupę idei wypisanych na oddzielnych kartkach. Uczniowie odwzorowują sobie strzałkę czasu w zeszytach przedmiotowych.
Po zakończeniu pracy nad strzałką czasu nauczyciel, podsumowując lekcję zwraca uwagę uczniów, że było wielu uczonych, o których nie wspomniano w toku lekcji. Zwraca uczniom uwagę na pułapkę pochopnego wyciągania wniosków z codziennych niedokładnych obserwacji oraz na wpływ niektórych założeń na sposób uprawiania nauki.
5. Bibliografia
A. Kaczorowska, Fizyka i astronomia. Podręcznik dla liceum ogólnokształcącego, liceum profilowanego. Część 1, Wydawnictwo Edukacyjne Zofii Dobkowskiej „Żak”, Warszawa 2002.
6. Załączniki
a) Teksty dla uczniów
załącznik 1
Mikołaj Kopernik w I rozdziale De Revolutionibus Orbium Coelestium (O obrotach sfer niebieskich) dokonał przeglądu wszystkich znanych wówczas teorii na temat ruchów planet.
Powszechnie akceptowana była teoria geocentryczna stworzona i opracowana przez Klaudiusza Ptolemeusza w II wieku. Zakładała, że nieruchoma Ziemia znajduje się w centrum Układu Słonecznego (wtedy wszechświata), a dokoła niej krążą pozostałe ciała niebieskie (Słońce, planety, Księżyc i gwiazdy).
Kopernik w swoich rozważaniach uwzględnił między innymi teorię Arystarcha z Samos twórcy hellenistycznej szkoły astronomii, który już w III wieku p.n.e., miał świadomość ruchu obrotowego Ziemi dookoła osi oraz dookoła Słońca, potrafił wyjaśnić zmianę pór roku, umieszczając Słońce w centrum świata. Rozumiał, że Słońce musi być większe od Ziemi, a gwiazdy bardzo od niej oddalone. Kopernik poparł tę teorię nowymi obliczeniami uzyskanymi dzięki obserwacji i zastosowaniu bardziej rozwiniętej matematyki.
Przewrót kopernikański w swojej istocie nie był więc nowym odkryciem, jak się wydaje wielu ludziom. Był jedynie nowym uzasadnieniem twierdzeń znanych od osiemnastu stuleci, nowym uzasadnieniem prawdy, zastąpionej przez fałszywe twierdzenie: „Ziemia środkiem wszechświata”, będące rodzajem pochlebstwa dla ludzkości. Przewrót dokonany przez Mikołaja Kopernika polegał na odwadze myślenia oraz na odwadze przeciwstawienia się autorytetom i panującym fałszywym poglądom. Kopernik zainicjował powstanie nowożytnej nauki.
Jan Kepler był wybitnym niemieckim matematykiem, fizykiem i astronomem. Dzięki interwencji duńskiego astronoma Tycha Brahego, którego był uczniem, Kepler otrzymał w 1601 zaszczytne stanowisko cesarskiego matematyka na dworze praskim. Brahe pozostawił wszystkie swe prace Keplerowi, gorącemu zwolennikowi heliocentrycznego systemu Kopernika.
Korzystając z obszernej spuścizny badawczej Brachego i z wyników własnych obserwacji, sformułował trzy reguły, jakimi rządzą się ruchy planet Układu Słonecznego. Były one bezwzględnie oparte na wynikach obserwacji ruchu planet.
Pierwsze prawo Keplera stwierdzało, że orbity, po których poruszają się planety, są elipsami, a nie okręgami. Słońce miało się znajdować w jednym z ognisk elipsy. Drugie prawo Keplera uważane obecnie za przypadkowe odkrycie innej ważnej zasady fizycznej, a mianowicie zasady zachowania momentu pędu, dowodzi, że planety poruszają się po orbitach z różnymi prędkościami liniowymi. Im bliżej Słońca, tym poruszają się szybciej. Trzecie prawo Keplera wskazywało na pewien stały stosunek pomiędzy odległością planety od Słońca i okresem jej obiegu wokół Słońca. Dawało to podstawy do formułowania wniosków dotyczących przyczyn tego ruchu.
Prawa Keplera uwzględniają ledwo zauważalne różnice w położeniach planet, wynikające z eliptyczności ich orbit. Różnice te mają jednak zasadnicze znaczenie. Drobne odchylenia od praw Keplera, wynikające z niewielkich oddziaływań między samymi planetami, były poddawane szczegółowej analizie, a astronomowie dokładali starań, by te efekty zmierzyć.
Galileo Galilei, znany także jako Galileusz, to włoski uczony, który dokonał olbrzymiej ilości ważkich odkryć. Jednym z nich było odkrycie zjawiska bezwładności. Udowodnił on, że im mniejsze tarcie, tym zmniejszanie się prędkości jest mniej zauważalne. Wniosek był taki: gdyby nie było tarcia, to ciało wprawione w ruch poruszałoby się dalej ze stałą prędkością. Historycy spierają się co do tego, czy Galileusz naprawdę przeprowadzał doświadczenia opisane poniżej. Niemniej jednak dość powszechnie przypisuje mu się sformułowanie wypływających z nich wniosków. Oba doświadczenia Galileusz wykonał około 1600 roku.
Eksperyment Galileusza – obserwacja swobodnego spadania ciał
Galileusz zrzucał kule o różnych masach z Krzywej Wieży w Pizie i mierzył czas ich spadania. W tym samym czasie upuścił z wieży 2 kule: ciężką kulę armatnią o wadze 80 kg i znacząco lżejszą kulkę muszkietową o wadze 200 g. Oba ciała miały podobną formę i dosięgły ziemi w tym samym momencie. Udowodnił więc, że czas ich opadania jest dokładnie taki sam (przy zaniedbaniu nieznacznego w tym przypadku efektu wynikłego z tarcia powietrza).
Obserwacja ruchu ciał staczających się z równi pochyłej
Równia składała się z blatu (o długość 20 kubitów i szerokość połowy kubita, czyli ok. 6 m na 15 cm), który pośrodku miał precyzyjnie nacięty rowek. Był on tak gładki, jak to tylko było możliwe do wykonania. Galileusz pochylił blat (tak, że utworzył on równię pochyłą) i spuszczał z niego mosiężne kule. Jednocześnie mierzył czas ich toczenia za pomocą zegara wodnego, dużego naczynia z wodą, która wypływała przez cienką rurkę. Za każdym razem ważył on wodę, która wypłynęła z naczynia i porównywał wyniki z przebytym przez kulę dystansem. Przy podwojeniu czasu toczenia kula przebyła drogę cztery razy dłuższą. Droga ta jest wprost proporcjonalna do kwadratu czasu. A powodem tego wszystkiego jest przyspieszenie wnoszone przez grawitację.
Oba eksperymenty dowodziły tej samej w istocie rzeczy: spadające lub toczące się obiekty (toczenie się jest wolniejszą wersją spadania, tak długo jak rozłożenie masy w obiekcie jest takie same) zwiększają prędkość niezależnie od ich masy.
Izaak Newton, angielski uczony pobierał nauki między innymi w Trinity College w Cambridge. W tamtych czasach programy nauczania w College'u oparte były na dziełach Arystotelesa, ale Newton wolał poznawać dzieła współczesnych sobie uczonych takich, jak Kartezjusz, Galileusz, Kopernik i Kepler. W 1665 r. odkrył twierdzenie o dwumianie i rozpoczął pracę nad teorią matematyczną znaną obecnie jako rachunek różniczkowy i całkowy. Wkrótce po tym, jak Newton uzyskał stopień naukowy w 1665 r., uniwersytet został zamknięty z powodu zarazy.
Przez następne dwa lata Newton pracował w zaciszu domowym nad rachunkiem różniczkowym i całkowym, a także optyką i grawitacją.W 1679 Izaak Newton pracował nad grawitacją i jej wpływem na orbity planet, odwołując się do praw Keplera. Swoje wyniki opublikował w De Motu Corporum (1684). Obejmowała ona początki praw ruchu, które zostały szerzej omówione w następnym dziele.
Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Matematyczne podstawy filozofii naturalnej, bardziej znane dzisiaj jako Principia), zostały opublikowane w 1687 r. dzięki zachęcie i finansowemu wsparciu Edmunda Halleya. W dziele tym Newton ogłosił trzy uniwersalne zasady dynamiki Newtona, które nie zostały ulepszone aż do czasów Alberta Einsteina. Użył łacińskiego słowa gravitas (ciężar) do nazwania siły, którą obecnie znamy pod nazwą grawitacji i zdefiniował prawo powszechnego ciążenia. W tej samej pracy przedstawił pierwsze analityczne wyprowadzenie, oparte na prawie Boyle'a, wzoru na prędkość dźwięku w powietrzu.
Pisarz William Stukeley, opisał w swoich Memoirs of Sir Isaac Newton's Life rozmowę z Izaakiem Newtonem w Kensington 15 kwietnia 1726r., w której Newton powiedział mu, że kiedy pierwszy raz przyszło mu na myśl pojęcie grawitacji, było to przy okazji widoku spadającego jabłka, kiedy siedział, będąc w nastroju kontemplacyjnym. Zadał sobie wtedy pytanie, dlaczego jabłko zawsze spada pionowo w kierunku ziemi. Dlaczego nie podąża na boki albo ku górze, ale zawsze w kierunku centrum?
Albert Einstein stworzył w 1905 roku szczególną teorię względności (STW). Zmieniła ona podstawy postrzegania czasu i przestrzeni opisane wcześniej w mechanice klasycznej Izaaka Newtona, tak aby można było usunąć trudności i sprzeczności pojawiające się na styku mechaniki (zwanej obecnie klasyczną) i elektromagnetyzmu po ogłoszeniu przez Jamesa Clerka Maxwella teorii elektromagnetyzmu. W 1916 roku Albert Einstein opublikował ogólną teorię względności, będącą rozszerzeniem STW. Einstein oprał się na następujących założeniach:
Prawa fizyki są jednakowe we wszystkich układach inercjalnych. Zasada ta musi obowiązywać dla wszystkich praw zarówno mechaniki, jak i elektrodynamiki.
Prędkość światła w próżni jest taka sama dla wszystkich obserwatorów, taka sama we wszystkich kierunkach i nie zależy od prędkości źródła światła.
Powyższe założenia pozwalają wyprowadzić ogólną postać transformacji pomiędzy układami inercjalnymi, którą nazywa się transformacją Lorentza. Gdyby zrezygnować z założenia o stałości prędkości granicznej, transformacja Lorentza byłaby tożsama z transformacją Galileusza. Założenia teorii Einsteina prowadzą z jednej strony do rozszerzenia zasady względności Galileusza na zjawiska inne niż mechaniczne, a z drugiej strony na zaprzeczenie założeniu absolutności upływu czasu.
b)Praca domowa
Przygotować krótką notatkę na temat pojęcia „eter”. Skąd wzięły się sformułowania „cisza w eterze” czy „na falach eteru”?
7. Czas trwania lekcji
45 minut
8. Uwagi do scenariusza
brak