Новый облик раздела ''Оптика'' курса общей физики

Ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå â âóçàõ, Ò. 8, ¹ 1, 2002

5

Êîíöåïòóàëüíûå è ìåòîäè÷åñêèå âîïðîñû ïðåïîäàâàíèÿ îáùåãî êóðñà ôèçèêè â âóçå, òåõíèêóìå, êîëëåäæå Íîâûé îáëèê ðàçäåëà “Îïòèêà” êóðñà îáùåé ôèçèêè Â.Ì. Ãðàáîâ, Ñ.Þ. Òðîôèìîâà Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, ÐÃÏÓ èì. À.È. Ãåðöåíà Ðàçðàáîòàí ïîäõîä ê èçó÷åíèþ ðàçäåëà «Îïòèêà» êóðñà îáùåé ôèçèêè, íàïðàâëåííûé íà ïðåäñòàâëåíèå åå çàêîíîâ êàê íåîòúåìëåìîé ñîñòàâëÿþùåé ñèñòåìû çàêîíîâ ôèçèêè, íà ôîðìèðîâàíèå ó ñòóäåíòîâ öåëîñòíîé ôèçè÷åñêîé êàðòèíû ìèðà è îòðàæàþùåé åå ñèñòåìû ôèçè÷åñêèõ çàêîíîìåðíîñòåé. Ðàññìîòðåíà ëîãèêà ðàçäåëà, â êîòîðîé îïòèêà ïðåäñòàåò íàóêîé î ñóùåñòâåííî íåðàâíîâåñíûõ è íåîáðàòèìûõ ïðîöåññàõ.  ïðåäëàãàåìîì ïîäõîäå, îïòèêà áîëåå ýôôåêòèâíî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ïîäãîòîâêè ê èçó÷åíèþ è âîñïðèÿòèþ ñòóäåíòàìè êâàíòîâîé ôèçèêè.

Ðàíåå àâòîðàìè áûëà ïðåäëîæåíà ïðîãðàììà ìîäåðíèçàöèè âóçîâñêîãî êóðñà îáùåé ôèçèêè, îðèåíòèðîâàííàÿ íà âêëþ÷åíèå â íåãî íîâûõ íàó÷íûõ äîñòèæåíèé [1-3], ñðåäè êîòîðûõ îñîáîå ìåñòî çàíèìàþò ñîâðåìåííàÿ äèíàìèêà ñëîæíûõ ñèñòåì ñ âåðîÿòíîñòíûìè çàêîíîìåðíîñòÿìè ïåðåõîäà ÷åðåç íåóñòîé÷èâûå ñîñòîÿíèÿ è çàêîíîìåðíîñòÿìè äèíàìè÷åñêîãî õàîñà; òåðìîäèíàìèêà ñèñòåì, äàëåêèõ îò ðàâíîâåñèÿ ñ êèíåòè÷åñêèìè ôàçîâûìè ïåðåõîäàìè â ñëîæíûõ ñèñòåìàõ â íàïðàâëåíèè âîçíèêíîâåíèÿ äèññèïàòèâíûõ ñòðóêòóð è âîçðàñòàíèÿ ìàêðîñêîïè÷åñêîé óïîðÿäî÷åííîñòè. Çàÿâëåííàÿ ïðîãðàììà áûëà ðåàëèçîâàíà ïðè ðàçðàáîòêå ðàçäåëîâ “Ìåõàíèêà” [4], “Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà è òåðìîäèíàìèêà” [5], “Ýëåêòðè÷åñòâî è ìàãíåòèçì” [6] êóðñîâ îáùåé ôèçèêè. Íà îñíîâàíèè àíàëèçà ïîëó÷åííûõ òåîðåòè÷åñêèõ è ïðàêòè÷åñêèõ ðåçóëüòàòîâ ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî íîâîå ñîäåðæàíèå êóðñà íå òîëüêî ïðèâîäèò åãî â ñîîòâåòñòâèå ñîâðåìåííûì êîíöåïöèÿì ôèçèêè. Êîãäà ñîâðåìåííûå èäåè è êîíöåïöèè íå ïðîñòî âûäåëÿþòñÿ â îòäåëüíûå ãëàâû, à ðàññìàòðèâàþòñÿ íà ïðîòÿæåíèè âñåãî êóðñà, èçìåíÿåòñÿ âçãëÿä äàæå íà òðàäèöèîííî èçó÷àåìûå â îáùåé ôèçèêå çàêîíîìåðíîñòè. ×òî, â ñâîþ î÷åðåäü ÷àñòî ïîçâîëÿåò ãëóáæå è ïîëíåå ðàñêðûòü ñóòü ðàññìàòðèâàåìûõ ïðîöåññîâ, òî÷íåå è îáîñíîâàííåå îïðåäåëèòü èõ ìåñòî â êóðñå, öåëåñîîáðàçíîñòü èõ èçó÷åíèÿ. Íà îñíîâå íîâûõ ñîäåðæàòåëüíûõ èäåé êóðñà ñîçäàåòñÿ åãî áîëåå öåëîñòíàÿ îñíîâà è ïðîÿâëÿåòñÿ åäèíñòâî âíóòðåííåé ñòðóêòóðû, ñòàíîâÿòñÿ ÿñíåå ñâÿçè ìåæäó ôèçè÷åñêèìè çàêîíàìè, à ãðàíèöû èõ ïðèìåíèìîñòè - îò÷åòëèâåå. Öåëîñòíîñòü ñîäåðæàíèÿ ôîðìèðóåò ïðåäñòàâëåíèÿ î öåëîñòíîñòè ñèñòåìû ôèçè÷åñêèõ çàêîíîìåðíîñòåé è ìèðîâîççðåíèå, âêëþ÷àþùåå ïîíèìàíèå âçàèìîñâÿçàííîñòè ïðèðîäíûõ ñèñòåì è ñëîæíûõ íåðàçðûâíûõ âçàèìîäåéñòâèé ìåæäó íèìè. Âûøåèçëîæåííîå ïîçâîëÿåò ïîëàãàòü, ÷òî ïðîâåäåíèå ýòèõ èäåé ÷åðåç ðàçäåë “Îïòèêà” ñóùåñòâåííî óñèëèò åãî ôèçè÷åñêîå ñîäåðæàíèå è ìèðîâîççðåí÷åñêóþ íàïðàâëåííîñòü.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ýòîò ðàçäåë êóðñà îáùåé ôèçèêè ïðåäñòàåò íàèáîëåå îáîñîáëåííûì è ñàìîñòîÿòåëüíûì. Åãî îñíîâó ñîñòàâëÿåò ñî÷åòàíèå ôóíäàìåíòàëüíûõ çàêîíîìåðíîñòåé

6

Â.Ì. Ãðàáîâ, Ñ.Þ. Òðîôèìîâà

ýëåêòðîìàãíèòíîé òåîðèè Ìàêñâåëëà: çàêîíîìåðíîñòåé ðàñïðîñòðàíåíèÿ, èíòåðôåðåíöèè è äèôðàêöèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí è ïðèêëàäíûõ àñïåêòîâ ôîðìèðîâàíèÿ, ïðåîáðàçîâàíèÿ è ïåðåäà÷è îïòè÷åñêèõ èçîáðàæåíèé ñ âêëþ÷åíèåì ýëåìåíòîâ êâàíòîâîé îïòèêè. Ïðèõîäèòñÿ ïðèçíàòü, ÷òî òàêîå ñîñòîÿíèå ðàçäåëà íå â ïîëíîé ìåðå ñîîòâåòñòâóåò ñîâðåìåííûì ïðåäñòàâëåíèÿì î ìåñòå îïòèêè â ñòðóêòóðå ôèçè÷åñêîãî çíàíèÿ.  äåéñòâèòåëüíîñòè äèíàìè÷åñêèå çàêîíû ýëåêòðîäèíàìèêè Ìàêñâåëëà îïèñûâàþò ðàñïðîñòðàíåíèå è èíòåðôåðåíöèþ âîëí â ëèíåéíîì ïðèáëèæåíèè. Ïîäîáíûå ïðîöåññû ñîñòàâëÿþò íåìíîãî÷èñëåííûé êëàññ ïðîöåññîâ èçó÷àåìûõ îïòèêîé. Áîëüøèíñòâî æå èç íèõ íåîáðàòèìî, âñëåäñòâèå ÷åãî ïðèíöèïèàëüíîå çíà÷åíèå äëÿ èõ ïîíèìàíèÿ ïðèîáðåòàþò ñâÿçè îïòèêè è òåðìîäèíàìèêè. Òàê, èìåííî ñóùåñòâåííàÿ íåðàâíîâåñíîñòü èçëó÷åíèÿ ïîçâîëÿåò ââåñòè òàêèå ôóíäàìåíòàëüíûå ïîíÿòèÿ îïòèêè, êàê èñòî÷íèê ñâåòà, ñâåòîâîé ëó÷, ïðèåìíèê èçëó÷åíèÿ, îïòè÷åñêîå èçîáðàæåíèå. Èçó÷àåìîå â îïòèêå ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå çâåçä – îñíîâíûõ èñòî÷íèêîâ ñâåòà âî Âñåëåííîé, ÿâëÿåòñÿ íåðàâíîâåñíûì, ñòåïåíü åãî íåðàâíîâåñíîñòè âîçðàñòàåò ïî ìåðå óäàëåíèÿ îò çâåçäû. Ýòîé íåðàâíîâåñíîñòüþ îáóñëîâëåíû ïðîöåññû ñàìîîðãàíèçàöèè, òàêèå êàê âîçíèêíîâåíèå è ðàçâèòèå áèîñôåðû, ÷åëîâåêà è ÷åëîâå÷åñòâà â óñëîâèÿõ ñèëüíî íåðàâíîâåñíîé òåðìîäèíàìè÷åñêîé ñèñòåìû “ïëàíåòà Çåìëÿ”. Îñîçíàíèå ðîëè íåðàâíîâåñíîãî èçëó÷åíèÿ çâåçä â âîçíèêíîâåíèè è ýâîëþöèè æèçíè âî Âñåëåííîé ïîçâîëèëè ñ åäèíûõ ïîçèöèé ðàññìàòðèâàòü ÿâëåíèÿ èñïóñêàíèÿ, ðàñïðîñòðàíåíèÿ, ïîãëîùåíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí, èõ âçàèìîäåéñòâèÿ ñ âåùåñòâîì, ïðîöåññû ôîðìèðîâàíèÿ ñòðóêòóð â ðàçëè÷íûõ ôèçè÷åñêèõ ñèñòåìàõ, ÷òî ñïîñîáñòâîâàëî âûÿâëåíèþ ãëóáèííûõ êîíöåïòóàëüíûõ ñâÿçåé ñîâðåìåííîé îïòèêè, òåðìîäèíàìèêè, ýëåêòðîìàãíåòèçìà, àñòðîôèçèêè.  ñâÿçè ñ èçëîæåííûì, îäíîé èç öåëåé ôîðìèðîâàíèÿ è ñòðóêòóðèðîâàíèÿ ñîäåðæàíèÿ êóðñà îáùåé ôèçèêè ÿâëÿåòñÿ ðàçðàáîòêà ïîäõîäà ê èçó÷åíèþ îïòèêè, íàïðàâëåííîãî íà ïðåäñòàâëåíèå åå çàêîíîâ êàê íåîòúåìëåìîé ñîñòàâëÿþùåé ñèñòåìû çàêîíîâ ôèçèêè, íà ôîðìèðîâàíèå ó ñòóäåíòîâ öåëîñòíîé ôèçè÷åñêîé êàðòèíû ìèðà è îòðàæàþùåé åå ñèñòåìû ôèçè÷åñêèõ çàêîíîìåðíîñòåé [7]. Ðàçäåë “Îïòèêà”, ÿâëÿþùèéñÿ ëîãè÷åñêèì ïðîäîëæåíèåì ýëåêòðîìàãíåòèçìà, ïðåäñòàâëÿåòñÿ öåëåñîîáðàçíûì íà÷àòü ñ èçó÷åíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîé ïðèðîäû ñâåòà, øêàëû ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí è êëàññè÷åñêèõ ïðåäñòàâëåíèé î ìåõàíèçìàõ èçëó÷åíèÿ àòîìàìè. Ñëåäóþùóþ ÷àñòü ðàçäåëà ñëåäóåò ïîñâÿòèòü ðàññìîòðåíèþ ýêñïåðèìåíòàëüíî óñòàíîâëåííûõ çàêîíîâ òåðìîäèíàìèêè ðàâíîâåñíîãî òåïëîâîãî èçëó÷åíèÿ, îñíîâàì êâàíòîâîé òåîðèè Ïëàíêà-Ýéíøòåéíà. Çäåñü âàæíî ïîêàçàòü, ÷òî ëþáîé âèä òåïëîïåðåäà÷è, â òîì ÷èñëå è èçëó÷åíèå, íåðàçðûâíî ñâÿçàí ñ íåðàâíîâåñíîñòüþ, òàê êàê â ðàâíîâåñíûõ óñëîâèÿõ ïîòîêè, â òîì ÷èñëå ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ, îòñóòñòâóþò. Ñóùåñòâåííî íåðàâíîâåñíû òàêæå óñëîâèÿ ôîðìèðîâàíèÿ ëó÷à ñâåòà. Ñàìî ïîíÿòèå ëó÷à ïîäðàçóìåâàåò ñóùåñòâîâàíèå ïðåèìóùåñòâåííîãî íàïðàâëåíèÿ ïîòîêà èçëó÷åíèÿ, åãî àíèçîòðîïèþ, çíà÷èò âñå ïðèðîäíûå è ñîçäàííûå ÷åëîâåêîì èñòî÷íèêè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ èñïóñêàþò íåðàâíîâåñíîå èçëó÷åíèå. Åñòåñòâåííî, ÷òî òåðìîäèíàìè÷åñêîå ðàâíîâåñèå îòñóòñòâóåò â

Íîâûé îáëèê ðàçäåëà “Îïòèêà” êóðñà îáùåé ôèçèêè

7

ëþáîé ñèñòåìå èçëó÷àòåëü - èçëó÷åíèå - ïðèåìíèê, à ïðîöåññû èçëó÷åíèÿ è ïîãëîùåíèÿ ñâåòà è åãî âçàèìîäåéñòâèÿ ñî ñðåäîé ÿâëÿþòñÿ ïðèíöèïèàëüíî íåîáðàòèìûìè. Äëÿ êîëè÷åñòâåííîé õàðàêòåðèñòèêè íåðàâíîâåñíîñòè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ öåëåñîîáðàçíî ðàññìàòðèâàòü ýíåðãåòè÷åñêóþ òåìïåðàòóðó Tý, ââîäèìóþ íà îñíîâå çàêîíà Ïëàíêà äëÿ èíòåãðàëüíîé ïëîòíîñòè ýíåðãèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ è ñïåêòðàëüíóþ (öâåòîâóþ) Òñ òåìïåðàòóðó èçëó÷åíèÿ - íà îñíîâå çàêîíà Âèíà, óñòàíàâëèâàþùåãî ñâÿçü

ìåæäó ñïåêòðàëüíûì ïîëîæåíèåì ìàêñèìóìà ôóíêöèè ýíåðãåòè÷åñêîé ñâåòèìîñòè r (λ ) è òåìïåðàòóðîé èçëó÷åíèÿ.  óñëîâèÿõ òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ ýòè òåìïåðàòóðû ðàâíû, à ðàçëè÷èå ìåæäó íèìè ÿâëÿåòñÿ êîëè÷åñòâåííîé ìåðîé íåðàâíîâåñíîñòè ðàññìàòðèâàåìîãî ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ. Ñëåäóåò òàêæå îáðàòèòü âíèìàíèå íà òî, ÷òî íåðàâíîâåñíîå èçëó÷åíèå ÿâëÿåòñÿ àíèçîòðîïíûì, òî åñòü â çàíÿòîì èì îáúåìå ñóùåñòâóþò îòëè÷íûå îò íóëÿ ìàêðîñêîïè÷åñêèå ïîòîêè ýíåðãèè, íàïðèìåð, îò Ñîëíöà â îêðóæàþùåå ïðîñòðàíñòâî. Ïðè ýíåðãåòè÷åñêîì îïèñàíèè èçëó÷åíèÿ, îñíîâíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè ÿâëÿþòñÿ ïîòîê è ïëîòíîñòü ïîòîêà ýíåðãèè, à òàêæå ôîòîìåòðè÷åñêèå âåëè÷èíû: ñâåòîâîé ïîòîê, ñèëà ñâåòà, ÿðêîñòü, îñâåùåííîñòü, â êîòîðûõ åñòåñòâåííûì îáðàçîì îòðàæàåòñÿ ñóùåñòâåííàÿ íåðàâíîâåñíîñòü è àíèçîòðîïèÿ èçó÷àåìîãî â îïòèêå ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ. Ïðè èçëàãàåìîì ïîäõîäå ê ìîäåðíèçàöèè êóðñà ïîíÿòèå “ïîòîê” è íàëè÷èå ïîòîêîâ êàê ïðèçíàê íåðàâíîâåñíîãî ñîñòîÿíèÿ ñèñòåìû, íå ÿâëÿåòñÿ äëÿ ñòóäåíòîâ íîâûì. Ýòè ïðåäñòàâëåíèÿ ðàçâèâàëèñü â ðàçäåëàõ “Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà è òåðìîäèíàìèêà” è “Ýëåêòðè÷åñòâî è ìàãíåòèçì”.  ñëåäóþùåé ÷àñòè ðàçäåëà “Îïòèêà” èçó÷åíèå çàêîíîìåðíîñòåé ðàñïðîñòðàíåíèÿ, èíòåðôåðåíöèè è äèôðàêöèè ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí ñëåäóåò ïðîâîäèòü òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ïîêàçàòü: èõ îïèñàíèå íà îñíîâå ñèììåòðè÷íûõ îòíîñèòåëüíî èçìåíåíèÿ çíàêà âðåìåíè óðàâíåíèé ýëåêòðîìàãíèòíîé òåîðèè Ìàêñâåëëà íå ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íûì, ïîñêîëüêó ïî ñâîåé ñóòè ýòè îïòè÷åñêèå ïðîöåññû, êàê è ëþáîå âçàèìîäåéñòâèå, ïðèâîäÿùåå ê îãðàíè÷åíèþ âîëíîâîãî ôðîíòà è äèôðàêöèè, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íåîáðàòèìûé ïðîöåññ, êàê è êàæäûé ýëåìåíòàðíûé ïðîöåññ èçëó÷åíèÿ, õàðàêòåðèçóþùèéñÿ ðàäèàöèîííûì çàòóõàíèåì. Ôîðìèðîâàíèå èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû ìîæåò áûòü ïðåäñòàâëåíî êàê îáðàòèìûé ïðîöåññ òîëüêî ïðè íåîãðàíè÷åííîé âðåìåííîé è ïðîñòðàíñòâåííîé êîãåðåíòíîñòè èçëó÷åíèÿ. Ðåàëüíàÿ êîíå÷íîñòü ïàðàìåòðîâ êîãåðåíòíîñòè ïðèâîäèò ê ôóíêöèè âèäíîñòè èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû, ìåíüøåé åäèíèöû è îòëè÷íîé îò íóëÿ òîëüêî â ìàëîé îáëàñòè, îãðàíè÷åííîé õàîòè÷åñêîé ñóïåðïîçèöèåé âîëí, ÷òî äåëàåò ýòîò ïðîöåññ ñóùåñòâåííî íåîáðàòèìûì. Íåîáðàòèìîñòü ïðîöåññîâ äèôðàêöèè è ðàññåÿíèÿ èçëó÷åíèÿ îáóñëîâëåíà íå òîëüêî êîíå÷íîñòüþ ïàðàìåòðîâ êîãåðåíòíîñòè, íî è íàëè÷èåì óáûâàþùèõ äî ñêîëü óãîäíî ìàëîé, ñðàâíèìîé ñ õàîòè÷åñêèì ôîíîì, âåëè÷èíû èíòåíñèâíîñòåé äèôðàêöèîííûõ ìàêñèìóìîâ âûñîêèõ ïîðÿäêîâ, à òàêæå âçàèìîäåéñòâèåì ñ õàîòè÷åñêè ðàñïðåäåëåííûìè â ïðîñòðàíñòâå

8

Â.Ì. Ãðàáîâ, Ñ.Þ. Òðîôèìîâà

è õàîòè÷åñêè äâèæóùèìèñÿ îáúåêòàìè, âçàèìîäåéñòâèå ñ êîòîðûìè ïðèâîäèò ê ðàññåÿíèþ ñâåòà. Óêàçàííûå ñâîéñòâà ïðîöåññîâ äèôðàêöèè è ðàññåÿíèÿ íàðÿäó ñ äðóãèìè ïðè÷èíàìè ïðèâîäÿò ê àáåððàöèÿì îïòè÷åñêèõ ñèñòåì, äåëàÿ ñóùåñòâåííî íåîáðàòèìûìè ïðîöåññû ôîðìèðîâàíèÿ è çàêîíîìåðíîñòè ïðåîáðàçîâàíèÿ îïòè÷åñêèõ èçîáðàæåíèé. Êàê î÷åâèäíî íåðàâíîâåñíûå è ñóùåñòâåííî íåîáðàòèìûå ñëåäóåò ðàññìàòðèâàòü íåëèíåéíûå îïòè÷åñêèå ïðîöåññû ãåíåðàöèè ãàðìîíèê, ñàìîôîêóñèðîâêè, ñàìîêàíàëèçàöèè, ïàðàìåòðè÷åñêîé ãåíåðàöèè è äð. Êðîìå òîãî, îïòèêà äàåò íàèáîëåå ÿðêèé ïðèìåð êèíåòè÷åñêîãî ôàçîâîãî ïåðåõîäà è ñàìîîðãàíèçàöèè â ñëîæíûõ ñèñòåìàõ â óñëîâèÿõ, äàëåêèõ îò òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ: ïåðåõîä èçëó÷åíèÿ îò ñïîíòàííîãî ê êîãåðåíòíîìó ïðè óâåëè÷åíèè ìîùíîñòè íàêà÷êè âûøå íåêîòîðîãî ïîðîãîâîãî óðîâíÿ â îïòè÷åñêèõ êâàíòîâûõ ãåíåðàòîðàõ (ëàçåðàõ). Ýòîò ôàçîâûé ïåðåõîä òîæå öåëåñîîáðàçíî ïðîàíàëèçèðîâàòü ñ òî÷êè çðåíèÿ íåðàâíîâåñíîé òåðìîäèíàìèêè. Àíàëèç çàêîíîìåðíîñòåé ïîâåäåíèÿ íåëèíåéíûõ ñèñòåì â íåðàâíîâåñíûõ óñëîâèÿõ íàïðàâëåí íà ðàçâèòèå ó ñòóäåíòîâ àäåêâàòíûõ ïðåäñòàâëåíèé î õàðàêòåðå ïðîòåêàíèÿ ïðîöåññîâ â ïðèðîäå. Ðàçâèâàåìûé ïîäõîä ê èçó÷åíèþ îïòè÷åñêèõ ÿâëåíèé äàåò ïðåêðàñíóþ âîçìîæíîñòü ïîä÷åðêíóòü ìèðîâîççðåí÷åñêóþ êîìïîíåíòó ðàçäåëà “Îïòèêà”. Íàïðèìåð, îáñóäèòü ïðèðîäó íåðàâíîâåñíîñòè ïðîöåññîâ â îêðóæàþùåì ìèðå, îöåíèòü ðîëü íåðàâíîâåñíîñòè èçëó÷åíèÿ Ñîëíöà â ôîðìèðîâàíèè è ýâîëþöèè áèîñôåðû Çåìëè, êàê ïðîöåññà ñàìîîðãàíèçàöèè â ñèëüíî íåðàâíîâåñíûõ óñëîâèÿõ â ïðîöåññå èçó÷åíèÿ êîñìè÷åñêèõ èñòî÷íèêîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ, ðåëèêòîâîãî èçëó÷åíèÿ è àíàëèçå îäíîãî èç îñíîâíûõ ìåõàíèçìîâ, îïðåäåëÿþùèõ ýâîëþöèþ Âñåëåííîé: âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ñ âåùåñòâîì ïóòåì èñïóñêàíèÿ, ïîãëîùåíèÿ, ðàññåÿíèÿ, Òàêèì îáðàçîì, ñòóäåíòîâ ìîæíî óáåäèòü â òîì, ÷òî ñ ïîçèöèé òåðìîäèíàìèêè âñÿ îïòèêà ÿâëÿåòñÿ íàóêîé î ñóùåñòâåííî íåðàâíîâåñíûõ è íåîáðàòèìûõ ïðîöåññàõ è â ýòîì çíà÷èòåëüíî îòëè÷àåòñÿ îò êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè è ýëåêòðîäèíàìèêè. Îïòèêà, âîáðàâøàÿ â ñâîå ñîäåðæàíèå çàêîíîìåðíîñòè òåðìîäèíàìèêè ñóùåñòâåííî íåðàâíîâåñíûõ è íåîáðàòèìûõ ïðîöåññîâ, ïðèçâàíà, âìåñòå ñ äðóãèìè ðàçäåëàìè ôèçèêè, âíåñòè ñóùåñòâåííûé âêëàä â ôîðìèðîâàíèå ó ñòóäåíòîâ ïðåäñòàâëåíèé î ïðèíöèïèàëüíîé íåðàâíîâåñíîñòè è íåîáðàòèìîñòè ïðîöåññîâ â ïðèðîäå; î ñóùåñòâîâàíèè “ñòðåëû âðåìåíè”; ïðåäñòàâëåíèé îá èåðàðõèè âåðîÿòíîñòíûõ è äèíàìè÷åñêèõ ïðè÷èííî-ñëåäñòâåííûõ ñâÿçåé è çàêîíîìåðíîñòåé; î çàêîíîìåðíîñòÿõ äèíàìè÷åñêîãî õàîñà è ïðîöåññîâ ñàìîîðãàíèçàöèè â óñëîâèÿõ, äàëåêèõ îò ðàâíîâåñèÿ.  òî æå âðåìÿ, â ïðåäëàãàåìîì ïîäõîäå, îïòèêà áîëåå ýôôåêòèâíî èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ïîäãîòîâêè ê èçó÷åíèþ è âîñïðèÿòèþ ñòóäåíòàìè êâàíòîâîé ôèçèêè. Îñíîâû êâàíòîâîé òåîðèè ñâåòà Ïëàíêà-Ýéíøòåéíà èçó÷àþòñÿ â íà÷àëå ðàçäåëà “Îïòèêà”, ÷òî ïîçâîëÿåò ïîñëåäîâàòåëüíî ðàñêðûâàòü ôèçè÷åñêîå ñîäåðæàíèå êîðïóñêóëÿðíî-âîëíîâîãî äóàëèçìà ñâîéñòâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ. Ïðîâåäåíèå íà ïðîòÿæåíèè ôàêòè÷åñêè âñåãî êóðñà àíàëèçà èçó÷àåìûõ îïòè÷åñêèõ ÿâëåíèé íà îñíîâå, êàê ýëåêòðîìàãíèòíîé òåîðèè Ìàêñâåëëà, òàê è êâàíòîâîé òåîðèè äàåò âîçìîæíîñòü ïîêàçàòü îãðàíè÷åííîñòü âîëíîâîé êëàññè÷åñêîé

Íîâûé îáëèê ðàçäåëà “Îïòèêà” êóðñà îáùåé ôèçèêè

9

òåîðèè è ñóùåñòâåííî áîëüøóþ îáùíîñòü òåîðèè êâàíòîâîé. Àíàëèç íà îñíîâå êâàíòîâûõ ïðåäñòàâëåíèé èíòåðôåðåíöèè, äèôðàêöèè, âçàèìîäåéñòâèÿ ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ñ ãðàíèöàìè ðàçäåëà ñðåä, ñ âåùåñòâîì, ñîñòîÿíèé ïîëÿðèçàöèè è èõ èçìåíåíèÿ ïðè âçàèìîäåéñòâèÿõ èçëó÷åíèÿ è âåùåñòâà ñóùåñòâåííî ðàñøèðÿåò âîçìîæíîñòè ôîðìèðîâàíèÿ àäåêâàòíûõ ïðåäñòàâëåíèé î ñèñòåìå çàêîíîìåðíîñòåé êâàíòîâîé îïòèêè. Ñ êâàíòîâûõ ïîçèöèé íîâîå çíà÷åíèå ïðèîáðåòàåò âðåìåííîå è ñïåêòðàëüíîå ïðåäñòàâëåíèå îïòè÷åñêèõ ñèãíàëîâ, ñâÿçàííîå ôóðüå-ïðåîáðàçîâàíèÿìè, êîòîðîå ìîæåò áûòü îáåñïå÷åíî ðàññìîòðåíèåì â êóðñå îïòèêè ïîíÿòèÿ “âîëíîâîé ïàêåò” è óíèâåðñàëüíûõ ñîîòíîøåíèé äëÿ åãî ïàðàìåòðîâ. Ïðîäîëæåíèå òàêîãî äóàëèçìà â êâàíòîâîé ôèçèêå ìîæåò îêàçàòüñÿ âåñüìà ïëîäîòâîðíûì ïðè èçó÷åíèè íåñòàöèîíàðíûõ êâàíòîâûõ ïðîöåññîâ, ÷òî, â ñâîþ î÷åðåäü äàåò âîçìîæíîñòü ïîíÿòü ïðèðîäó êâàíòîâîé íåîáðàòèìîñòè, ïðèíöèï ñîîòâåòñòâèÿ ïðè îïèñàíèè îêðóæàþùåãî ìèðà ìåòîäàìè êëàññè÷åñêîé è êâàíòîâîé ôèçèêè. Ïîñëåäîâàòåëüíîå îñóùåñòâëåíèå ïðåäñòàâëåííîãî ïîäõîäà â ïðåïîäàâàíèè îïòèêè âîçìîæíî íà áàçå ñòàíäàðòíûõ âóçîâñêèõ ó÷åáíèêîâ è íå òðåáóåò óâåëè÷åíèÿ âðåìåíè, îòâîäèìîãî íà èçó÷åíèå äàííîãî ðàçäåëà. Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè íà ôàêóëüòåòå ôèçèêè ÐÃÏÓ èì. À.È. Ãåðöåíà çàâåðøåí ïåðâûé öèêë àïðîáàöèè ïîñòðîåííîãî òàêèì îáðàçîì êóðñà îáùåé ôèçèêè.

Ëèòåðàòóðà 1.

Ãðàáîâ Â.Ì. Ïóòè ñîâåðøåíñòâîâàíèÿ âóçîâñêîãî êóðñà îáùåé ôèçèêè // Âåñòíèê ÐÓÄÍ. Ñåðèÿ: Ôóíäàìåíòàëüíîå åñòåñòâåííîíàó÷íîå îáðàçîâàíèå. 1998, ¹ 3(1-3), Ñ. 198-202.

2.

Ãðàáîâ Â.Ì., Òðîôèìîâà Ñ.Þ. Ýëåìåíòû äèíàìèêè íåóñòîé÷èâûõ ñîñòîÿíèé è íåðàâíîâåñíîé òåðìîäèíàìèêè. Èçä. 2-å, èñïðàâë. Îðåíáóðã: Èçä-âî ÎÃÏÓ, 1999.

3.

Ãðàáîâ Â.Ì., Òðîôèìîâà Ñ.Þ. Ñîâåðøåíñòâîâàíèå âóçîâñêîãî êóðñà îáùåé ôèçèêè íà îñíîâå íîâûõ íàó÷íûõ äîñòèæåíèé // Ñúåçä ðîññèéñêèõ ôèçèêîâ-ïðåïîäàâàòåëåé “Ôèçè÷åñêîå îáðàçîâàíèå â ÕÕI âåêå”. Ìîñêâà, 28-30 èþíÿ 2000 ã. ÌÃÓ èì. Ì.Â. Ëîìîíîñîâà: Òåç. äîêë. Ì.: Ôèçè÷åñêèé ôàêóëüòåò ÌÃÓ, 2000.

4.

Ãðàáîâ Â.Ì., Òðîôèìîâà Ñ.Þ. Ìîäåðíèçàöèÿ ðàçäåëà “Ìåõàíèêà” âóçîâñêîãî êóðñà îáùåé ôèçèêè // Ïÿòàÿ ìåæäóíàð. êîíô. “Ôèçèêà â ñèñòåìå ñîâðåìåííîãî îáðàçîâàíèÿ (ÔÑÑÎ-99)”: Òåç. äîêë. Ò. 1. ÑÏá.: Îáðàçîâàíèå, 1999, Ñ. 156-157.

5.

Ãðàáîâ Â.Ì., Òðîôèìîâà Ñ.Þ. Êîíöåïòóàëüíûå ñâÿçè ìåõàíèêè è ìîëåêóëÿðíîé ôèçèêè // Ìåòîäèêà îáó÷åíèÿ ôèçèêè â øêîëå è âóçå. ÑÏá: Èçä-âî ÐÃÏÓ, 1999, Ñ. 131-134.

6.

Ãðàáîâ Â.Ì., Òðîôèìîâà Ñ.Þ., ßêîâëåâà Ò.À. Ñîâåðøåíñòâîâàíèå ðàçäåëà “Ýëåêòðè÷åñòâî è ìàãíåòèçì” âóçîâñêîãî êóðñà îáùåé ôèçèêè // Ìåòîäèêà îáó÷åíèÿ ôèçèêå â øêîëå è âóçå. ÑÏá.: Èçä-âî ÐÃÏÓ, 2000, Ñ. 168171.

7.

Ãðàáîâ Â.Ì., Òðîôèìîâà Ñ.Þ. Ñîâåðøåíñòâîâàíèå âóçîâñêîãî êóðñà îáùåé ôèçèêè (îïòèêà, àòîìíàÿ è ñóáàòîìíàÿ ôèçèêà) // Øåñòàÿ ìåæäóíàðîäíàÿ êîíôåðåíöèÿ “Ôèçèêà â ñèñòåìå ñîâðåìåííîãî îáðàçîâàíèÿ” (ÔÑÑÎ – 01)”: Òåç. äîêë. Òîì 1. ßðîñëàâëü: ßÃÏÓ, 2001, Ñ. 128-129.