Раздел «Электростатика». Анализ школьного учебника физики

Раздел «Электростатика» занимает особое место в школьной физической программе. С изучения этого раздела начинается изучение курса «Электродинамика», поэтому в этом случае в преподавании имеется благоприятная возможность выстроить весь курс в дальнейшем на основе принципа восхождения от абстрактного к конкретному. При изучении этого раздела у школьников формируются основы понятийного содержания всего курса электродинамики и логики ее построения. Выше нами сформулированы требования структурирования учебного материала на основе принципа восхождения от абстрактного к конкретному. Покажем их применение в разработке структуры раздела «Электростатика».

В соответствии с этим, согласно первому требованию структурирования, при построении логической структуры учебного материала, в первую очередь, необходимо выделить набор исходных абстракций и понятий. В разделе «Электростатика» можно выделить несколько фундаментальных понятий, которые составят набор исходных абстракций. Это понятия «электрический заряд», «электрическое поле» и «электромагнитное взаимодействие».

Возникает закономерный вопрос: «Какое из понятий — электрический заряд, электрическое поле или электромагнитное взаимодействие — может быть положено в основу курса как генетически исходное?» На наш взгляд, генетически исходным понятием раздела «Электростатика» и всего курса «Электродинамика» должно выступать понятие «электрический заряд». В большинстве учебных пособий отсутствует определение понятия «электрический заряд»! В учебнике Г. Я. Мякишева и Б. Б. Буховцева так и говорится: «…понятие заряд — это основное первичное понятие, которое не сводится на современном уровне развития наших знаний к каким-либо более простым, элементарным понятиям» [24]. С одной стороны авторы этой фразы автоматически «признаются» в том, что понятие «электрический заряд» является генетически исходным для всего курса электродинамики, а с другой стороны о заряде с самого начала говорится как чем-то само собой разумеющемся после демонстрации простейших опытов по электростатике. Обобщения и определения понятия электрический заряд не происходит. Выход для традиционного преподавания в данном случае только один — постепенное овладение понятием «электрический заряд» на уровне мысленно нерасчлененного конкретного знания. Возникает противоречие между преподаванием и тем, что понятие «электрический заряд» определено во многих учебных и научных изданиях.

Обратимся к ряду определений того, что такое «электрический заряд»:

физическая величина, характеризующая свойство тел или частиц вступать в электромагнитные взаимодействия и определяющая значения сил и энергий при таких взаимодействиях, называется электрическим зарядом[18].

заряд — физическая величина, являющаяся источником поля, посредством которого осуществляется взаимодействие частиц, обладающих этой характеристикой (электрический заряд, слабый заряд, цветовой заряд)"[15].

электрический заряд — источник электромагнитного поля, связанный с материальным носителем; внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая ее электромагнитное взаимодействие. Вся совокупность электрических и магнитных явлений есть проявление существования, движения и взаимодействия электрического заряда" [16].

электрический заряд. Свойство частиц материи или тел, характеризующее их взаимосвязь с собственным электромагнитным полем и их взаимодействие с внешним электромагнитным полем; имеет два вида, известные как положительный заряд (заряд протона, позитрона и др.) и отрицательный заряд (заряд электрона и др.); количественно определяется по силовому взаимодействию тел, обладающих электрическими зарядами" [14].

Как следует из этих определений в генетически исходном понятии «электрический заряд» заключены внутренние противоречия, а именно — с одной стороны, заряд характеризует свойства тел или частиц, а другой стороны — заряд может быть определен количественно по силовому взаимодействию тел, обладающих определенными этими свойствами. Раскроем это противоречие более подробно.

Свойство раскрывает сторону предмета, обуславливающую его различие или сходство с другими предметами и проявляющуюся во взаимодействии с ними. Всякое свойство относительно. Измерить свойство нельзя, можно только сравнивать объекты по наличию у них определенных свойств (по типу «мягче-тверже», «холоднее-горячее» и т. п.). Поэтому, если заряд характеризует особое свойство тел или частиц, то можно лишь говорить о наличии или отсутствии заряда у тел. Однако, с другой стороны, заряд может быть определен количественно, что говорит об определенном, числовом значении параметра, которым обладает тело. Вследствие этого в понятии «электрический заряд» существует диалектическое противоречие.

Разрешение этого противоречия возможно путем введения двух понятий, являющихся по сути дела прививочными абстракциями, одно из которых характеризовало бы заряд как особое свойство тел или частиц, а другое способствовало бы характеристике заряда с численной стороны. Эти две прививочные абстракции — «электрическое поле» и «электрическое взаимодействие» непосредственно связаны с генетически исходным понятием «электрический заряд». Электрические заряды наделяют окружающее их пространство особыми физическими свойствами — создают электрическое поле. Основным свойством поля является то, что на находящуюся в этом поле заряженную частицу действует некоторая сила, т. е. взаимодействие электрических зарядов осуществляется посредством создаваемых ими полей.

Проследим теперь генезис структуры раздела в виде структурной схемы:

Рисунок 1 — Генезис структуры раздела в виде структурной схемы.