Формування фундаментальних фізичних понять у студентів технічних вузів у процесі вивчення розділу «Теплове випромінювання»

Abstract

У роботі розглядається формування фундаментальних фізичних понять у студентів технічних спеціальностей вишів у процесі вивчення розділу «Теплове випромінювання». На основі системи фундаментальних фізичних понять розроблена методика вивчення законів Кірхгофа, Стефана-Больцмана, Віна та, виходячи із точки зору класичної фізики, доведена формула Релея-Джінса. Проаналізовано істотні закономірності, не сумісні з уявленнями класичної фізики, які привели до гіпотези Планка про те, що електромагнітна енергія випромінюється у вигляді окремих порцій (квантів), величина яких пропорційна частоті випромінювання. На основі фундаментальних фізичних понять проаналізовано розподіл коливань за значенням енергії, який описується законом Больцмана, та обчислено середнє значення енергії випромінювання у стані рівноваги, отримано вираз для густини енергії, що припадає на інтервал частот та вираз для відношення випромінювальної та поглинальної здатності у разі теплового випромінювання. Останні два вирази і є формулами, отриманими М. Планком, та дають вичерпне пояснення рівноважного теплового випромінювання. Такий підхід цілком виправданий, бо дозволяє під час вивчення розділу «Теплове випромінювання» у студентів технічних спеціальностей вишів сформувати уявлення про дискретний характер електромагнітного випромінювання та його квантову природу. Пропонована методика вивчення розділу «Теплове випромінювання» поглиблює розуміння суті фізичних процесів з точки зору сучасних фізичних теорій та методології фізичної науки, дозволяє розробити методику формування у студентів технічних спеціальностей вишів квантових уявлень про природу електромагнітного випромінювання на основі фундаментальних фізичних понять «симетрія», «ймовірність», «електромагнітна взаємодія», «фотон» з точки зору сучасних фізичних теорій. У роботі проаналізовано квантову природу електромагнітного випромінювання, розкрито зміст фундаментальних понять «електромагнітне поле», «електромагнітна взаємодія», «фотон». Розроблено методику формування у студентів квантових уявлень про природу електромагнітного випромінювання на основі системи фундаментальних фізичних понять «симетрія», «відносність», «ймовірність», «електромагнітна взаємодія», «фотон» з точки зору сучасних фізичних теорій. Пропонований підхід вивчення розділу «Теплове випромінювання» дозволяє якісно засвоїти студентам поняття «фотон» та «електромагнітне поле»; пояснити дискретний характер електромагнітного випромінювання; розробити методику вивчення квантової фізики для студентів технічних спеціальностей вишів на основі фундаментальних фізичних понять та принципів без логічного конфлікту зі знаннями, набутими раніше.

Formation of fundamental physical concepts in technical university students when studying the section “Thermal radiation”. The work examines the formation of fundamental physical concepts among students of technical specialties of universities in the process of studying the section “Heat radiation”. Based on the system of fundamental physical concepts, a method of studying Kirchhoff’s, Stefan-Boltzmann’s, and Wien’s laws was developed and, based on the point of view of classical physics, the Rayleigh-Jeans formula was proven. Essential regularities incompatible with the ideas of classical physics, which led to Planck’s hypothesis that electromagnetic energy is emitted in the form of separate portions (quanta), the size of which is proportional to the radiation frequency, are analyzed. On the basis of fundamental physical concepts, the distribution of oscillations according to the energy value, which is described by Boltzmann’s law, was analyzed, and the average value of radiation energy in the equilibrium state was calculated, an expression for the energy density corresponding to the frequency interval and an expression for the ratio of radiative and absorptive capacity during thermal radiation were obtained. The last two expressions are formulas obtained by M. Planck and provide a comprehensive explanation of equilibrium thermal radiation. This approach is fully justified, because it allows students of technical specialties of universities to form an idea about the discrete character of electromagnetic radiation and its quantum nature when studying the section “Thermal radiation”. The proposed method of studying the section “Thermal radiation” deepens the understanding of the essence of physical processes from the point of view of modern physical theories and methodologies of physical science, allows to develop a method of forming quantum ideas about the nature of electromagnetic radiation in students of technical specialties of universities based on the fundamental physical concepts of symmetry, probability, electromagnetic interaction, photon from the point of view of modern physical theories. The work analyzed the quantum nature of electromagnetic radiation, revealed the meaning of the fundamental concepts “electromagnetic field”, “electromagnetic interaction”, “photon”. A method of forming students’ quantum ideas about the nature of electromagnetic radiation based on the system of fundamental physical concepts of symmetry, relativity, probability, electromagnetic interaction, photon from the point of view of modern physical theories has been developed. The proposed approach to studying the section “Thermal radiation” allows students to qualitatively learn the concepts of “photon” and “electromagnetic field”; explain the discrete nature of electromagnetic radiation; to develop a methodology for studying quantum physics for students of technical specialties of universities based on fundamental physical concepts and principles without logical conflict with the knowledge acquired earlier.