Елементи ньютонівської космології в освіті учнів фізико-математичного профілю навчання

Abstract

Базисом сучасної космології є загальна теорія відносності, математичний апарат якої є доволі складним. Виникає проблема викладення елементів сучасної космології у прийнятному для сприймання учнями вигляді. З одного боку це викладення повинно відповідати математичному апарату, наданому і засвоєному в школі, з іншого – формувати відповідний пізнавальнодослідницький компонент фізико-математичної освіти. На засадах ньютонівської теорії та космологічного принципу запропоновано методику побудови та викладу елементів теорії космологічних моделей еволюції Всесвіту учням старших класів профільного рівня навчання у загальноосвітній середній школі. Використовуються якісні методи класичної механіки на простій математичній основі. Математичний апарат складають елементарні алгебраїчні операції і перетворення. Виведення і дослідження, що пропонуються, відповідають фізичному і математичному рівню знань учнів старших класів профільного рівня навчання. Пропонується елементарне виведення рівнянь сферично-симетричних моделей у космології на простій основі ньютонівської механіки. Детально аналізується космологічний принцип і обґрунтовується коректність використання ньютонівського підходу. Будуються рівняння еволюції космологічної ньютонівської моделі та вивчаються закони збереження, розмір і вік Всесвіту. Подано якісне дослідження сферично-симетричної пилової космологічної моделі. Практичне значення дослідження полягає у розширенні можливостей формування пізнавального компоненту підготовки учнів старших класів профільного рівня навчання з фізики. Викладення матеріалу за темою «Елементи космології» за таким підходом стає наочнішим, сприяє кращому усвідомленню учнями основ космології, таких базових понять як космологічний принцип, радіус та вік Всесвіту, критична густина Всесвіту, типи еволюції Всесвіту. Даний підхід може бути використаний у старших класах профільної середньої школи, гуртковій роботі та на факультативних заняттях з фізики та астрономії. при вивченні елементів теорії космологічних моделей і розгляду найпростіших наслідків їхньої реалізації. Підвищуються також педагогічна майстерність й методичні можливості викладача.

The basis of modern cosmology is the general theory of relativity, the mathematical apparatus of which is quite complex. There is a problem of presenting the elements of modern cosmology in a form acceptable for students to perceive. On the one hand, this presentation should correspond to the mathematical apparatus provided and learned at school, on the other hand, it should form the appropriate cognitive-research component of physical and mathematical education. The article based on Newtonian theory and cosmological principle, to propose a method of construction and presentation of the elements of the theory of cosmological models of the evolution of the universe to students of senior classes of a specialized level of education in a general secondary school. Qualitative methods of classical mechanics are used on a simple mathematical basis. The mathematical apparatus consists of elementary algebraic operations and transformations. The proposed derivation and research correspond to the physical and mathematical level of knowledge of high school students of a specialized level of education. The cosmological principle is analyzed in detail and the correctness of using the Newtonian approach is substantiated. An elementary derivation of the equations of spherically symmetric models in cosmology on the simple basis of Newtonian mechanics is proposed. Equations of the evolution of the cosmological Newtonian model are constructed and conservation laws, the size and age of the Universe are studied. A qualitative study of the spherically symmetric dust cosmological model is presented. The practical significance of the research lies in the expansion the possibilities of forming the cognitive component the training of high school students of the specialized level physics education. The presentation of the material on the topic «Elements of Cosmology» using this approach becomes clearer, contributes to a better understanding of the basics of cosmology by students, such basic concepts as the cosmological principle, the radius and age of the Universe, the critical density of the Universe, the types of Universe evolution. This approach can be used in senior classes of specialized secondary schools, group work and optional classes in physics and astronomy, when studying the elements of the theory of cosmological models and considering the simplest consequences of their implementation. Pedagogical skill and methodical capabilities of the teacher are also increasing.