Симонова Н.В. Об изложении вопроса «Идеальный газ» в современном учебнике физики

В свете разработки новых подходов к преподаванию предметов естественно-научного цикла, призванных реализовать на практике концептуальные положения реформы школьной образовательной системы, вернемся к предложенной нами для обсуждения проблеме введения новых физических терминов в словарь ученика (см. «Фiзiка: праблемы выкладання», 2000, № 2).

Рассмотрим, например, как вводится в учебниках по физике понятие идеального газа. Наиболее часто встречается определение, подобное следующему: «Идеальный газ с точки зрения молекулярно-кинетической теории – простейшая физическая модель реального газа». И далее: «В молекулярно-кинетической теории идеальным газом называют газ, состоящий из молекул, взаимодействие между которыми пренебрежимо мало. Иными словами, предполагается, что средняя кинетическая энергия молекул идеального газа во много раз больше потенциальной энергии их взаимодействия» (Б.Б.Буховцев, Ю.Л.Климонтович, Г.Я.Мякишев. 9 кл.). Далее авторы данного учебника подчеркивают, что расстояние между молекулами идеального газа во много раз больше их размеров, поэтому можно пренебречь силами притяжения между молекулами, а силы отталкивания «появляются лишь на ничтожно малых интервалах при столкновениях молекул друг с другом». Однако если мы обратимся к одному из более ранних параграфов этого учебника, в котором дается описание газообразного состояния, то прочтем буквально то же самое, но уже относящееся к реальным газам. Таким образом, у учеников возникают трудности при разделении понятий «газ» и «идеальный газ». Более того, ученики правильно подчеркивают модельный характер идеального газа, но при этом, как правило, не могут даже на качественном уровне описать отличия в поведении реального газа.

Если мы обратимся к опыту изложения этого вопроса, например, у Ф.Н.Индрексона (Учебник физики, 1918) или у А.В.Цингера (Начальная физика, 1916), то обнаружим, что на уровне изучения начал физики авторы обходятся без этой модели. Более того, даже в пособии для высшей школы М.Планка (Термодинамика, 1925) мы находим иное толкование понятия «идеальный газ», существенно различающееся от принятого в действующих учебниках. А именно: уравнение состояния имеет наиболее простую форму для таких газов, как водород, кислород, азот и ряд других, отмечает Планк. Именно эти газы в качестве термометрических веществ демонстрируют в пределах значительной области температур почти полное совпадение температурных показаний, они имеют одни и те же абсолютные величины расширения. И именно поэтому они называются «идеальными» или «совершенными» газами. Далее, рассматривая уравнение состояния для идеальных газов, Планк подчеркивает, что для газов, которые легко сгущаются, рассмотренное уравнение подлежит корректировке. Следовательно, речь идет о границах применимости газовых законов.

К слову сказать, наш признанный авторитет в области методики преподавания физики А.В.Перышкин (Курс физики, 1963) также вводит определение идеального газа только после того, как рассмотрены законы Гей-Люссака, Шарля, Бойля – Мариотта: «... реальные газы лишь приближенно следуют газовым законам. Однако можно представить себе газ, для которого эти законы выполнялись бы в точности. Молекулы такого газа можно представить себе в виде упругих шариков исчезающе малого объема, взаимодействие между которыми осуществляется только при их столкновении друг с другом. В физике такой газ принято называть идеальным газом». Как видим, и здесь речь идет о границах применимости газовых законов.

Представляется, что восстановление такого способа введения в курс школьной физики понятия идеального газа является возвращением к традиции рассматривать на уроках физики явления, отталкиваясь от личного опыта учащегося: измерение температуры – различное тепловое расширение у разных веществ – пренебрежимо малые отличия для определенной группы веществ – идеальный газ -идеальный газ как физическая модель реального газа. Как известно, эта традиция была прервана в 60-х годах в результате принятой установки на повышение научно-теоретического уровня содержания учебных предметов. В настоящее время, по-видимому, уже ни у кого не вызывает сомнения тот факт, что чем гармоничнее, безболезненнее будет выбранный учителем путь для знакомства ученика с новым для него понятием, явлением, процессом, тем успешнее потом сможет ученик ориентироваться в явлениях окружающего мира, адекватно их описывать. Опора на личный опыт ученика, использование уже известных слов в новых контекстах — один из таких путей.

На наш взгляд, возможности этого пути в действующих учебниках физики не раскрыты, а иногда просто игнорируются. В то же время вводится большое количество физических моделей, что, как нам кажется, не всегда обоснованно. Это может привести к формированию убеждения, что всегда можно построить модель, с помощью которой удастся объяснить любое неизвестное явление. С другой стороны, известный принцип «Бритвы Оккама» гласит: «не множь сущностей без надобности». И было бы хорошо, если бы авторы школьных учебников помнили о нем.