В процессе проведения работы над исследовательским проектом по физике на тему «Моделирование в атомной физике» обучающаяся 11 класса расширила знания о предыстории атомной физики, атоме Бора, изучила теорию поэтапного формирования умственных действий, а также изучила физических моделей.

Подробнее о работе:

В готовом исследовательском проекте по физике на тему «Моделирование в атомной физике» автор сделала выводы о том, что чтобы правильно построить модель, необходимо поставить цель, придерживался схемы, представленной в теоретической части. Для развития физической науки важную роль играет не только теоретическое, но и экспериментальное моделирование химических и физических процессов. Моделирование глубоко проникает в теоретическое мышление. Важная познавательная функция моделирования состоит в том, чтобы служить импульсом, источником новых познаний.

Оглавление

Введение

1. Что такое моделирование
2. Что такое атомная физика
3. Основные понятия
4. Теория поэтапного формирования умственных действий
5. Виды моделей
6. Физические модели

Заключение

При изучении атомной физики я задалась вопросом : "помогают ли 3D модели при изучении атомной физики?"
Давайте попробуем ответить на вопрос: « Что такое 3Dмодель». Следует отметить, что под 3D моделями мы понимаем те, которые позволяют имитировать физическое явление, объект, идеализированные ситуации. (см приложение 1)

На самом деле, 3d – это сокращение английского 3-dimensional, что переводится как «три размера». Однако, сокращение не используется отдельно, обязательно добавляются поясняющие слова: звук, видео, шоу, принтер и так далее.
Основной смысл этого термина: переход из схематического, плоского пространства в трехмерное, более реалистическое. Такая визуализация нашла свое применение в создании объемных образов.

Таким образом, 3D моделирование – это создание руками объемных объектов.

Так в чем же преимущество? Прежде всего, 3D модели позволяют "прикоснуться" к эксперименту, веществу или явлению. Это больше помогает восприятию информации, так как в такой ситуации по мимо зрительной и слуховой памяти активируется осязательная. Особенно помогает само создание таких моделей, потому что во время создания, я углубилась в данную тему, что позволило лучше понять и запомнить изучаемый раздел. Разумеется 3D модель не заменит настоящий эксперимент, но он все также играет огромную роль в изучении физики.

Цели:

• Изучить на сколько полезно моделирование при изучении атомной физики

Задачи:

• Изучить предысторию атомной физики
• Изучение атома Бора
• Изучить теорию поэтапного формирования умственных действий
• Изучение физических моделей

Моделирование — исследование объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих объектов, процессов или явлений с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.
Моделирование издавна применялось в научном познании. Например, возникновение представлений Демокрита и Эпикура об атомах, их форме, и способах соединения, об атомных вихрях и ливнях, объяснения физических свойств различных веществ с помощью представления о круглых и гладких или крючковатых частицах, сцепленных между собой. Эти представления являются прообразами современных моделей, отражающих ядерно-электронное строение атома.

Моделирование как метод познания применялось человечеством - осознанно или интуитивно - всегда. На стенах древних храмов предков южно-американских индейцев обнаружены графические модели мироздания. Учение о моделировании возникло в средние века. Выдающаяся роль в этом принадлежит Леонардо да Винчи (1452-1519).

В науке Нового времени первоначально применялись различные механические модели. Постепенно метод моделирования стал приобретать все большее распространение, проникая во все отрасли научного знания. XX век принес методу моделирования новые успехи, связанные с расцветом кибернетики.
Модели позволяют представить в наглядной форме объекты и процессы, недоступные для непосредственного восприятия (очень большие или очень маленькие объекты, очень быстрые или очень медленные процессы и др.). Наглядные модели часто используются в процессе обучения.

Молекулярное моделирование — собирательное название методов исследования структуры и свойств молекул вычислительными методами с последующей визуализацией результатов, обеспечивающие их трехмерное представления при заданных в расчете условиях.

Методы молекулярного моделирования используются для изучения, как индивидуальных молекул, так и взаимодействия в молекулярных системах. Материальное (экспериментальное) моделирование широко используется в физике для познания и изучения строения веществ и особенностей протекания реакций взаимодействия частиц, для выявления особенностей протекания оптимальных условий химико-технологических природных процессов и др.

Общей чертой методов молекулярного моделирования является атомистический уровень описания молекулярных систем — наименьшими частицами являются атомы или небольшие группы атомов. В этом состоит отличие молекулярного моделирования от квантовой химии, где в явном виде учитываются и электроны. Таким образом, преимуществом молекулярного моделирования является меньшая сложность в описании систем, позволяющая рассмотрение большего числа частиц при расчётах.

Атомная физика, раздел физики, в котором изучают строение и состояние атомов. А. ф. возникла в конце 19 — начале 20 вв. В 10-х гг. 20 в. было установлено, что атом состоит из ядра и электронов, связанных электрическими силами. На первом этапе своего развития А. ф. охватывала также вопросы, связанные со строением атомного ядра. В 30-х гг. выяснилось, что природа взаимодействий, имеющих место в атомном ядре, иная, чем во внешней оболочке атома, и в 40-х гг. ядерная физика выделилась в самостоятельную область науки. В 50-х гг. от неё отпочковалась физика элементарных частиц, или физика высоких энергий.

Предыстория атомной физики: учение об атомах в 17—19 вв. Мысль о существовании атомов как неделимых частиц материи возникла ещё в древности; идеи атомизма впервые были высказаны древнегреческими мыслителями Демокритом и Эпикуром. В 17 в. они были возрождены французским философом П. Гассенди и английским химиком Р. Бойлем.

Представления об атомах, господствовавшие в 17—18 вв., были малоопределёнными. Атомы считались абсолютно неделимыми и неизменными твёрдыми частицами, различные виды которых отличаются друг от друга по размеру и форме. Сочетания атомов в том или ином порядке образуют различные тела, движения атомов обусловливают все явления, происходящие в веществе. И. Ньютон, М. В. Ломоносов и некоторые другие учёные полагали, что атомы могут сцепляться в более сложные частицы — «корпускулы». Однако атомам не приписывали определённых химических и физических свойств. Атомистика ещё носила абстрактный, натурфилософский характер.

В конце 18 — начале 19 вв. в результате быстрого развития химии была создана основа для количественной разработки атомного учения. Английский учёный Дж. Дальтон впервые (1803) стал рассматривать атом как мельчайшую частицу химического элемента, отличающуюся от атомов других элементов своей массой. По Дальтону, основной характеристикой атома является атомная масса. Химические соединения представляют собой совокупность «составных атомов», содержащих определённые (характерные для данного сложного вещества) числа атомов каждого элемента. Все химические реакции являются лишь перегруппировками атомов в новые сложные частицы. Исходя из этих положений, Дальтон сформулировал свой закон кратных отношений (см. Кратных отношений закон).

Исследования итальянских учёных А. Авогадро (1811) и, в особенности, С. Канниццаро (1858) провели чёткую грань между атомом и молекулой. В 19 в. наряду с химическими свойствами атомов были изучены их оптические свойства. Было установлено, что каждый элемент обладает характерным оптическим спектром; был открыт спектральный анализ (немецкие физики Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, 1860).

Т. о., атом предстал как качественно своеобразная частица вещества, характеризуемая строго определёнными физическими и химическими свойствами. Но свойства атома считались извечными и необъяснимыми. Полагали, что число видов атомов (химических элементов) случайно и что между ними не существует никакой связи. Однако постепенно выяснилось, что существуют группы элементов, обладающих одинаковыми химическими свойствами — одинаковой максимальной валентностью, и сходными законами изменения (при переходе от одной группы к другой) физических свойств — температуры плавления, сжимаемости и др. В 1869 Д. И. Менделеев открыл периодическую систему элементов. Он показал, что с увеличением атомной массы элементов их химические и физические свойства периодически повторяются.

Периодическая система доказала существование связи между различными видами атомов. Напрашивался вывод, что атом имеет сложное строение, изменяющееся с атомной массой. Проблема раскрытия структуры атома стала важнейшей в химии и в физике (подробнее см. Атомизм).

Результаты исследования свойств электрона и радиоактивности позволили строить конкретные модели атома. В модели, предложенной Томсоном в 1903, атом представлялся в виде положительно заряженной сферы, в которую вкраплены незначительные по размеру (по сравнению с атомом) отрицательные электроны.

Они удерживаются в атоме благодаря тому, что силы притяжения их распределённым положительным зарядом уравновешиваются силами их взаимного отталкивания. Томсоновская модель давала известное объяснение возможности испускания, рассеяния и поглощения света атомом. При смещении электронов из положения равновесия возникает «упругая» сила, стремящаяся восстановить равновесие; эта сила пропорциональна смещению электрона из равновесного положения и, следовательно, дипольному моменту атома. Под действием электрических сил падающей электромагнитной волны электроны в атоме колеблются с той же частотой, что и электрическая напряжённость в световой волне; колеблющиеся электроны, в свою очередь, испускают свет той же частоты.

Так происходит рассеяние электромагнитных волн атомами вещества. По степени ослабления светового пучка в толще вещества можно узнать общее число рассеивающих электронов, а зная число атомов в единице объёма, можно определить число электронов в каждом атоме.

Создание Резерфордом планетарной модели атома. Модель атома Томсона оказалась неудовлетворительной. На её основе не удалось объяснить совершенно неожиданный результат опытов английского физика Э. Резерфорда и его сотрудников Х. Гейгера и Э. Марсдена по рассеянию a-частиц атомами. В этих опытах быстрые a-частицы были применены для прямого зондирования атомов. Проходя через вещество, a-частицы сталкиваются с атомами. При каждом столкновении a-частица, пролетая через электрическое поле атома, изменяет направление движения — испытывает рассеяние.

В подавляющем большинстве актов рассеяния отклонения a-частиц (углы рассеяния) были очень малы. Поэтому при прохождении пучка a-частиц через тонкий слой вещества происходило лишь небольшое размытие пучка. Однако очень малая доля a-частиц отклонялась на углы более 90°. Этот результат нельзя было объяснить на основе модели Томсона, т.к. электрическое поле в «сплошном» атоме недостаточно сильно, чтобы отклонить быструю и массивную a-частицу на большой угол. Чтобы объяснить результаты опытов по рассеянию a-частиц, Резерфорд предложил принципиально новую модель атома, напоминающую по строению Солнечную систему и получившую название планетарной. Она имеет следующий вид.

В центре атома находится положительно заряженное ядро, размеры которого (~10-12см) очень малы по сравнению с размерами атома (~10-8 см), а масса почти равна массе атома. Вокруг ядра движутся электроны, подобно планетам вокруг Солнца; число электронов в незаряженном (нейтральном) атоме таково, что их суммарный отрицательный заряд компенсирует (нейтрализует) положительный заряд ядра. Электроны должны двигаться вокруг ядра, в противном случае они упали бы на него под действием сил притяжения. Различие между атомом и планетной системой состоит в том, что в последней действуют силы тяготения, а в атоме — электрические (кулоновские) силы.

Вблизи ядра, которое можно рассматривать как точечный положительный заряд, существует очень сильное электрическое поле. Поэтому, пролетая вблизи ядра, положительно заряженные a-частицы (ядра гелия) испытывают сильное отклонение. В дальнейшем было выяснено (Г. Мозли), что заряд ядра возрастает от одного химического элемента к другому на элементарную единицу заряда, равную заряду электрона (но с положительным знаком). Численно заряд ядра атома, выраженный в единицах элементарного заряда е, равен порядковому номеру соответствующего элемента в периодической системе.

Для проверки планетарной модели Резерфорд и его сотрудник Ч. Дарвин подсчитали угловое распределение a-частиц, рассеянных точечным ядром — центром кулоновских сил. Полученный результат был проверен опытным путём — измерением числа a-частиц, рассеянных под разными углами. Результаты опыта в точности совпали с теоретическими расчётами, блестяще подтвердив тем самым планетарную модель атома Резерфорда.

Однако планетарная модель атома натолкнулась на принципиальные трудности. Согласно классической электродинамике, заряженная частица, движущаяся с ускорением, непрерывно излучает лектромагнитную энергию. Поэтому электроны, двигаясь вокруг ядра, т. е. ускоренно, должны были бы непрерывно терять энергию на излучение. Но при этом они за ничтожную долю секунды потеряли бы всю свою кинетическую энергию и упали бы на ядро.

Другая трудность, связанная также с излучением, состояла в следующем: если принять (в соответствии с классической электродинамикой), что частота излучаемого электроном света равна частоте колебаний электрона в атоме (т. е. числу оборотов, совершаемых им по своей орбите в одну секунду) или имеет кратное ей значение, то излучаемый свет по мере приближения электрона к ядру должен был бы непрерывно изменять свою частоту, и спектр излучаемого им света должен быть сплошным. Но это противоречит опыту.

Атом излучает световые волны вполне определённых частот, типичных для данного химического элемента, и характеризуется спектром, состоящим из отдельных спектральных линий — линейчатым спектром. В линейчатых спектрах элементов был экспериментально установлен ряд закономерностей, первая из которых была открыта швейцарским учёным И. Бальмером (1885) в спектре водорода.
Наиболее общая закономерность — комбинационный принцип — была найдена австрийским учёным В. Ритцем (1908).

Этот принцип можно сформулировать следующим образом: для атомов каждого элемента можно найти последовательность чисел T1, T2, T3,... — т. н. спектральных термов, таких, что частота v каждой спектральной линии данного элемента выражается в виде разности двух термов: v = Tk - Ti. Для атома водорода терм Tn = R/n2, где n — целое число, принимающее значение n = 1, 2, 3,..., a R — т. н. постоянная Ридберга (см. Ридберга постоянная).

Т. о., в рамках модели атома Резерфорда не могли быть объяснены устойчивость атома по отношению к излучению и линейчатые спектры его излучения. На её основе не могли быть объяснены и законы теплового излучения, и законы фотоэлектрических явлений, которые возникают при взаимодействии излучения с веществом. Эти законы оказалось возможным объяснить, исходя из совершенно новых — квантовых— представлений, впервые введённых немецким физиком М. Планком (1900).

Для вывода закона распределения энергии в спектре теплового излучения — излучения нагретых тел — Планк предположил, что атомы вещества испускают электромагнитную энергию (свет) в виде отдельных порций — квантов света, энергия которых пропорциональна v (частоте излучения): E = hv, где h — постоянная, характерная для квантовой теории и получившая название Планка постоянной. В 1905 А. Эйнштейн дал квантовое объяснение фотоэлектрических явлений, согласно которому энергия кванта hv идёт на вырывание электрона из металла —работа выхода Р — и на сообщение ему кинетическую энергии Ткин; hv = Р + Tкин. При этом Эйнштейн ввёл понятие о квантах света как особого рода частицах; эти частицы впоследствии получили название фотонов.

Противоречия модели Резерфорда оказалось возможным разрешить, лишь отказавшись от ряда привычных представлений классической физики. Важнейший шаг в построении теории атома был сделан датским физиком Н. Бором (1913).

Постулаты Бора и модель атома Бора. В основу квантовой теории атома Бор положил 2 постулата, характеризующих те свойства атома, которые не укладывались в рамки классической физики. Эти постулаты Бора могут быть сформулированы следующим образом:

1. Существование стационарных состояний. Атом не излучает и является устойчивым лишь в некоторых стационарных (неизменных во времени) состояниях, соответствующих дискретному (прерывному) ряду «дозволенных» значений энергии E1, E2, E3, E4,... Любое изменение энергии связано с квантовым (скачкообразным) переходом из одного стационарного состояния в другое.
2. Условие частот излучения (квантовых переходов с излучением). При переходе из одного стационарного состояния с энергией Ei в другое с энергией Ek атом испускает или поглощает свет определённой частоты v в виде кванта излучения (фотона) hv, согласно соотношению hv = Ei - Ek. При испускании атом переходит из состояния с большей энергией Ei в состояние с меньшей энергией Ek, при поглощении, наоборот, из состояния с меньшей энергией Ek в состояние с большей энергией Ei.

Постулаты Бора сразу позволяют понять физический смысл комбинационного принципа Ритца (см. выше); сравнение соотношений hv = Ei - Ek и v = Tk - Ti показывает, что спектральные термы соответствуют стационарным состояниям, и энергия последних должна равняться (с точностью до постоянного слагаемого) Ei = - hTi, Ek =- hTk.

При испускании или поглощении света изменяется энергия атома, это изменение равно энергии испущенного или поглощённого фотона, т. е. имеет место закон сохранения энергии. Линейчатый спектр атома является результатом дискретности возможных значений его энергии.

Для определения дозволенных значений энергии атома — квантования его энергии — и для нахождения характеристик соответствующих стационарных состояний Бор применил классическую (ньютоновскую) механику. «Если мы желаем вообще составить наглядное представление о стационарных состояниях, у нас нет других средств, по крайней мере сейчас, кроме обычной механики», — писал Бор в 1913. Для простейшего атома — атома водорода, состоящего из ядра с зарядом +е (протона) и электрона с зарядом -e, Бор рассмотрел движение электрона вокруг ядра по круговым орбитам.

Бор вычислил частоты обращения v электрона вокруг ядра по круговым орбитам в зависимости от энергии электрона. Оказалось, что частоты излучаемого атомом света не совпадают с частотами обращения vn, как этого требует классическая электродинамика, а пропорциональны, согласно соотношению hv = Ei - Ek, разности энергий электрона на двух возможных орбитах.

Для нахождения связи частоты обращения электрона по орбите и частоты излучения Бор сделал предположение, что результаты квантовой и классической теорий должны совпадать при малых частотах излучения (для больших длин волн; такое совпадение имеет место для теплового излучения, законы которого были выведены Планком). Он приравнял для больших n частоту перехода частоте обращения vn по орбите с данным n и вычислил значение постоянной Ридберга R, которое с большой точностью совпало со значением R, найденным из опыта, что подтвердило боровское предположение. Бору удалось также не только объяснить спектр водорода, но и убедительно показать, что некоторые спектральные линии, которые приписывались водороду, принадлежат гелию.

Предположение Бора о том, что результаты квантовой и классической теорий должны совпадать в предельном случае малых частот излучения, представляло первоначальную форму т. н. принципа соответствия. В дальнейшем Бор успешно применил его для нахождения интенсивностей линий спектра. Как показало развитие современной физики, принцип соответствия оказался весьма общим (см. Соответствия принцип).

В теории атома Бора квантование энергии, т. е. нахождение её возможных значений, оказалось частным случаем общего метода нахождения «дозволенных» орбит. Каждой дозволенной орбите соответствует определённое возможное значение энергии атома (см. Атом).

Основные положения квантовой теории атома — 2 постулата Бора — были всесторонне подтверждены экспериментально. Особенно наглядное подтверждение дали опыты немецких физиков Дж. Франка и Г. Герца (1913—16).

Развитие модельной теории атома Бора. Весьма важным результатом теории Бора было объяснение спектра атома водорода. Дальнейший шаг в развитии теории атомных спектров был сделан немецким физиком А. Зоммерфельдом. Разработав более детально правила квантования, исходя из более сложной картины движения электронов в атоме (по эллиптическим орбитам) и учитывая экранирование внешнего (т. н. валентного) электрона в поле ядра и внутренних электронов, он сумел дать объяснение ряда закономерностей спектров щелочных металлов.

Теория атома Бора пролила свет и на структуру т. н. характеристических спектров рентгеновского излучения. На основе теории Бора удалось дать объяснение и периодичности свойств атомов. На основе же теории Бора немецким химиком В. Косселем были объяснены (1916) химического взаимодействия в т. н. гетерополярных молекулах.

Однако далеко не все вопросы теории атома удалось объяснить на основе модельных представлений теории Бора. Она не справлялась со многими задачами теории спектров, позволяла получать лишь правильные значения частот спектральных линий атома водорода и водородоподобных атомов, интенсивности же этих линий оставались необъяснёнными; Бору для объяснения интенсивностей пришлось применить принцип соответствия.

При переходе к объяснению движений электронов в атомах, более сложных, чем атом водорода, модельная теория Бора оказалась в тупике. Трудности при этом не исчерпывались количественными расхождениями с опытом. Теория оказалась бессильной и в решении такой проблемы, как соединение атомов в молекулу. Почему 2 нейтральных атома водорода соединяются в молекулу водорода? Как вообще объяснить природу валентности? Что связывает атомы твёрдого тела? Эти вопросы оставались без ответа. В рамках боровской модели нельзя было найти подхода к их решению.

Современная атомная физика. Основными разделами современной А. ф. являются теория атома, атомная (оптическая) спектроскопия, рентгеновская спектроскопия, радиоспектроскопия (она исследует также и вращательные уровни молекул), физика атомных и ионных столкновений. Важнейшая задача А. ф. — детальное определение всех характеристик состояний атома. Речь идёт об определении возможных значений энергии атома — его уровней энергии, значений моментов количества движения и других величин, характеризующих состояния атома.

Исследуются тонкая и сверхтонкая структуры уровней энергии (см. Атомные спектры), изменения уровней энергии под действием электрических и магнитного полей — как внешних, макроскопических, так и внутренних, микроскопических. Большое значение имеет такая характеристика состояний атома, как время жизни электрона на уровне энергии. Наконец, большое внимание уделяется механизму возбуждения атомных спектров.

Области явлений, исследуемых разными разделами А. ф., перекрываются.
Анализ результатов столкновений быстрых электронов и ионов с атомами даёт возможность получить сведения о распределении плотности электронного заряда («электронного облака») внутри атома, об энергиях возбуждения атома, энергиях ионизации.

Результаты детального исследования строения атомов находят самые широкие применения не только во многих разделах физики, но и в химии, астрофизике и других областях науки. На основании изучения уширения и сдвига спектральных линий можно судить о местных (локальных) полях в среде (жидкости, кристалле), обусловливающих эти изменения, и о состоянии этой среды (температуре, плотности и др.). Знание распределения плотности электронного заряда в атоме и её изменений при внешних взаимодействиях позволяет предсказать тип химических связей, которые может образовывать атом, поведение иона в кристаллической решётке. Сведения о структуре и характеристиках уровней энергии атомов и ионов чрезвычайно важны для устройств квантовой электроники.

Поведение атомов и ионов при столкновениях — их ионизация, возбуждение, перезарядка — существенно для физики плазмы. Знание детальной структуры уровней энергии атомов, особенно многократно ионизованных, важно для астрофизики.

Таким образом, А. ф. тесно связана с другими разделами физики и другими науками о природе. Представления об атоме, выработанные А. ф., имеют и важное мировоззренческое значение. «Устойчивость» атома объясняет устойчивость различных видов вещества, непревратимость химических элементов в естественных условиях, например при обычных на Земле температурах и давлениях. «Пластичность» же атома, изменение его свойств и состояний при изменении внешних условий, в которых он существует, объясняет возможность образования более сложных систем, качественно своеобразных, их способность приобретать различные формы внутренней организации. Так находит разрешение то противоречие между идеей о неизменных атомах и качественным многообразием веществ, которое существовало и в древности, и в новое время и служило основанием для критики атомизма.

Атомное ядро — центральная и очень компактная часть атома, в которой сосредоточено более 99,9% всей его массы. Ядро положительно заряжено, этим зарядом оно удерживает вблизи себя отрицательно заряженные электроны в количестве, необходимом для образования нейтрального атома. Большинство ядер имеет форму, близкую к сферической, с диаметром порядка 10-12 см, что в десять тысяч раз меньше диаметра самого атома. Плотность вещества в ядре — около 230 млн. тонн/см³.

Альфа-лучи – поток альфа-частиц при самопроизвольном радиоактивном распаде атомных ядер.
Нейтрон – электрически нейтральная элементарная частица с весьма малой массой покоя, нулевым магнитным моментом и спином ½. Участвуя только в слабом взаимодействии имеет очень большую проникающую способность.

Протоны: стабильная элементарная частица с положительным элементарным электрическим зарядом и спином ½. Вместе с нейтронами входит в состав атомных ядер всех химических элементов. В нейтральном атоме кол-во протонов равно кол-ву электронов. Кол-во протонов определяет атомный номер элемента в таблице Менделеева.

Альфа-частица: частица, состоящая из двух протонов и двух нейтронов, испускаемая атомными ядрами во время радиоактивного распада.
Энергетический уровень: одна из орбит, на которой могут находиться электроны атома.
Энергия связи – разность между энергией связанной системы частиц и суммарной энергией этих частиц в свободном состоянии. Для устойчивых систем отрицательна.

Элементарные частицы – простейшие структурные элементы материи, о которых на современном уровне нельзя сказать, что они являются простым соединением других частиц. Каждой э.ч. соответствует своя античастица. Взаимодействие пары частица – античастица приводит к аннигиляции. При изучении взаимодействия э.ч. особую роль играют законы сохранения.

П.Я. Гальперин, Н.Ф. Талызина
Каждое действие представляет собой сложную систему, включающую в себя следующие части:
Ориентировочную;
Исполнительную;
Контрольно-корректировочную;
1) Этапы формирования умственных действий
Полноценное формирование умственных действий требует организации специальной работы по его усвоению, состоящей из нескольких этапов:

• двух подготовительных, обеспечивающих условия для успешного выполнения действия (ориентировочная часть),
• и четырех основных, обеспечивающих непосредственное овладение действием (исполнительная и контрольно-корректировочная части).

Первый этап – мотивационный
- связан с формированием у учащегося мотивации на выполнение действия.
Более эффективной считается внутренняя мотивация обучающегося, базирующаяся на познавательном интересе и не насыщаемой познавательной потребности. Такая мотивация может успешно пробуждаться, например, в проблемном обучении, когда ученик, сталкиваясь с проблемой, видит противоречие, испытывает затруднение, удивление, восхищение, желание разобраться.
Внешняя мотивация, положительная или отрицательная (например, материальное вознаграждение или угроза наказания), сохраняется не столь длительно, как внутренняя, и требует постоянного поддержания извне.

Второй этап – ориентировочный
- на этом этапе создается ориентировочная основа действия (ООД).
ООД – это описание выполнения действия, модель действия, которая может быть представлена в текстовом или графическом виде, а также система условий правильного выполнения действия.
ООД может быть составлена и преподнесена учащемуся по-разному, в зависимости от этого наблюдается больший или меньший развивающий эффект обучения. П.Я. Гальперин и Н.Ф. Талызина выделили 3 типа ООД.

Важная педагогическая задача — обучение с самого начала безошибочному выполнению умственных действий.
Построение полной системы ориентиров не только сводит к минимуму количество ошибок, но и обеспечивает возможность самостоятельного контроля учеником правильности выполнения умственного действия на каждом этапе его формирования.

Третий этап – материальный (или материализованный)
- После ознакомления с учебным заданием ученик переходит к непосредственному выполнению самого действия.
Сначала такое действие должно было быть обязательно действием с материальными предметами.
В старшей школе вместо предметов ученик начинает пользоваться их изображениями: схемами, чертежами, описаниями, символами и т.д.
Материализованное действие является начальным этапом формирования любого умственного действия и обучать минуя его нельзя

Именно на этом этапе действие подвергается развертыванию и обобщению.
Развернуть действие – значит показать все его операции в их взаимной связи. Так, объясняя сложение, учитель вначале формирует из предметов отдельные слагаемые, затем соединяет их в общую группу и затем пересчитывает ее с начала до конца.
Обобщить действие — значит выделить из многих свойств объекта именно те, которые необходимы и достаточны для выполнения действия.

Что дает развертывание и обобщение действия?
В результате развертывания и обобщения действия его содержание становится понятным учащемуся. Но вслед за этим в формировании действия наступает обратный процесс — некоторые операции окращаются, а действие в целом как бы свертывается

Четвертый этап – внешнеречевой

Пятый этап – внутреречевой (с беззвучная устная речь)

Шестой этап – умственного, или внутреннего действия
Положения теории поэтапного формирования умственного действия позволяют организовывать эффективное обучение и самообучение не только в школе, но и вузе, а также при самообразовании.

Любой метод научного исследования базируется, по существу, на идее моделирования. При этом различают теоретические методы, для которых используются различного рода знаковые, абстрактные модели, и экспериментальные методы, для которых используют предметные модели. Предметное моделирование предполагает проведение реального физического эксперимента или построение макета, имитирующего реальный эксперимент. В ряде случаев предметное моделирование требует создания сложных и дорогостоящих установок, что не всегда оправдано.

На всем пути теоретического моделирования, начиная от выбора модели и интерпретации результатов, существует целая группа сложных проблем. Основные проблемы следующие:

1. Создание физической модели путем идеализации содержания реальной задачи.
2. Создание математической модели, описывающей физическую модель.
3. Исследование математической модели.
4. Получение, интерпретация и проверка результатов.

Физика как наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира, также базируется на моделях объектов материального мира. Эти модели характеризуются определенными понятиями: пространство, время, система отсчета, масса, скорость, импульс, электрическое или магнитное поле, температура, влажность и другие.
При построении физической модели необходимо в системе материальных объектов выделить и "идеализировать" физические тела, поля, условия движения, взаимодействия, ввести физические величины, характеризующие свойства объектов, сформулировать физические законы, описывающие связь между этими понятиями и взаимодействия между материальными объектами. При построении физических моделей можно выделить три этапа.

Этап 1. Моделирование полей и вещества.

• рассматриваемый объект представляет собой материальную точку;
• рассматриваемое тело является абсолютно твердым;
• рассматриваемое тело является абсолютно упругим;
• электрическое поле, в котором расположены тела, является постоянным и однородным;
• жидкость, текущая в трубе является несжимаемой и не имеет вязкости;
• газ в данном объеме является идеальным газом.

Этап 2. Моделирование условий движения и взаимодействий реальных объектов в рамках выбранных моделей полей и вещества для рассматриваемых реальных систем.
Например:

• движение происходит в инерциальной системе отсчета;
• удар является абсолютно упругим;
• тело движется при условиях, когда трение отсутствует;
• сила трения не зависит от скорости;
• материальная точка движется прямолинейно, равноускоренно;
• деформации тела являются линейными;
• силы взаимодействия консервативны;
• система взаимодействующих тел замкнута;
• процесс расширения газа является адиабатическим;
• электромагнитная волна является плоской и монохроматической.

Этап 3. Формулировка физических законов, описывающих состояние, движение и взаимодействие объектов, входящих в рассматриваемую физическую систему.
Например:

• движение тела подчиняется второму закону Ньютона;
• взаимодействие материальных точек подчиняется закону Всемирного тяготения;
• деформации тела подчиняются закону Гука;
• сила, действующая на движущийся электрический заряд, описывается законом Лоренца.

Подобного рода теоретические модели, включающие в себя модели вещества, поля, условия движения и взаимодействий, а также законы этих взаимодействий будем называть физическими моделями объекта или процесса.

В основе моделирования лежат подобия теория и размерностей анализ ,устанавливающие подобия критерии, равенство которых для натуры и модели обеспечивает возможность переноса экспериментальных результатов, полученных путём физического моделирования, на натурные условия. При выполнении надлежащих условий моделирования, т. е. при равенстве критериев подобия, значения переменных величин, характеризующих реальное явление (натуру), пропорциональны в сходственных точках пространства и в сходственные моменты времени значениям тех же величин для модели. Наличие такой пропорциональности позволяет производить пересчёт экспериментальных результатов, получаемых для модели, на натуру путём умножения каждой из определяемых величин на постоянный для всех величин данной размерности множитель - коэф. подобия.

Применение методов моделирования требует определ. уровня развития соответствующего раздела физики - установления критериев подобия и основных количеств. закономерностей, характеризующих рассматриваемое явление. Это позволяет сформулировать дополнит. условия однозначности измерений, необходимые для реализации моделирования. Кроме того, необходимым условием моделирования является возможность получения достоверной информации о процессах, происходящих на модели, т. е. соответствующее развитие материальной базы моделирования - создание экспериментальных установок, методики и техники эксперимента, способов измерения и обработки экспериментальных данных

Для развития физической науки важную роль играет не только теоретическое, но и экспериментальное моделирование химических и физических процессов. Моделирование глубоко проникает в теоретическое мышление. Важная познавательная функция моделирования состоит в том, чтобы служить импульсом, источником новых познаний.
После построение моделей, можно сделать вывод: чтобы правильно построить модель, необходимо поставить цель, придерживался схемы, представленной в теоретической части.