Введение. О физике

Литература

О том, как и зачем была написана эта книга

Когда-то давным-давно…я вел кружки по физике, на которые приходили интересующиеся этой самой физикой школьники, и мы под видом подготовки к олимпиадам могли заниматься этой самой физикой так, как нам было интересно. В олимпиадах они тоже побеждали, но это никогда не было главным. Просто у некоторой небольшой части населения в любую эпоху и в любой стране в голове сидит неизбежная болезнь исследований и тяги к новому. И среди школьников такая часть есть, причем она проявлена наиболее ярко, ведь они еще не загружены рутиной, их мышление быстрое и развивается интенсивно. Им интересны задачи с нешаблонными решениями, логичное построение теории, которая к тому же (хотя и не всегда) неплохо согласуется с наблюдениями и опытами. Это и было образованием – образованием (развитием) физически мыслящих людей. Образованных, а не эрудированных.

И когда я пришел в основное (общее среднее) образование, которое часто бывает весьма общим, и не менее средним, я подумал, что таким школьникам не стоит терять время на зубрежку, запись и заучивание по книжечкам формул и типовых задач. Нужен курс физики, имеющий внутреннюю логику, с одной стороны, и связанный с реальным миром, с другой. Он не должен быть набором заучиваемых фактов, и не должен быть скопищем умозрительных конструкций. Он должен развивать логику исследователя, быть интересным, доступным, логически непротиворечивым, и в то же время выводящим слушателя в безграничное поле исследования реального мира. Стараясь добиваться всего этого на занятиях, я четко представлял себе необходимость учебников и книг, ибо никто не может считать себя истиной в последней инстанции. Я пришел к выводу, что учебника для углубленного изучения физики в 7-8 классах средней школы на данный момент не существует. Так и появился этот конспект, отражающий мой взгляд на то, чем должны заниматься в 7-8 классе на уроках физики вышеупомянутые школьники. Безусловно, многие идеи, примеры и задачи взяты из прекрасных книг, неполный список которых приведен ниже.

ü Р.Фейнман «Фейнмановский курс физики», т.1-2

ü Г.С. Ландсберг «Элементарный учебник физики», т.1-3

ü А.В. Перышкин «Физика» 7,8 класс

ü С.В. Громов Н.А.Родина «Физика», 7-9 класс

ü «Физика» под ред. А.А.Пинского и В.Г.Разумовского, 7-9 класс

ü В.И. Лукашик «Сборник задач по физике», 7-8 класс

ü В.И. Лукашик «Физическая олимпиада»

ü Я.И. Перельман «Занимательная физика»

ü Э. Роджерс «Физика для любознательных», т 1-3

ü Д. Мэрион «Физика и физический мир»

ü Д. Уокер «Физический фейерверк»

ü Д. Орир «Популярная физика»

Нас окружает некая реальность, которую мы называем природой. Люди всегда получали информацию о ней, то есть изучали. Постепенно, наряду с некоторыми другими методами, сложился научный метод изучения природы. Научный метод исследования состоит в том, чтобы на основе некоторой полученной информации сформулировать утверждения, которые могут быть использованы для описания более широкого круга явлений и предсказания поведения объектов, которые не были использованы при построении этих утверждений. Информация накапливается в процессе наблюдений и экспериментов. Эксперимент отличается от наблюдения тем, что он запланирован, условия его проведения заранее заданы и в процессе эксперимента проводятся измерения.

Наука использует термины (понятия)– слова, имеющие специальный однозначный смысл. Например «симметрия» - термин означающий «свойство предмета переходить в самого себя при его определенном преобразовании (например, повороте на 90⁰)». Слово «красота» научным термином не является, у него нет однозначного смысла. Обычно частные понятия определяются через более общие. Береза – дерево. Однако, наиболее общие нельзя таким образом определить. Такими терминами являются «состояние» и «процесс» («явление»). Процесс - это изменение состояния.

В основе всех явлений природы лежат простейшие процессы, изучением которых и занимается физика. Эти процессы происходят с участием структурных частиц вещества (атомов) и их составных частей. Описанием этих процессов с использованием математики и занимается физическая наука. Однако с помощью математики можно описывать и некоторые процессы, происходящие с огромными совокупностями таких частиц - физическими телами. Камень и человек - очень различные объекты. Но сила тяготения действует на составляющие их атомы совершенно одинаково, Поэтому в поле силы тяжести оба этих тела движутся, подчиняясь одному закону. Другие естественные науки изучают более сложные тела и процессы, применение для их описания математики пока затруднительно.

Поскольку физика занимается исследованием структуры вещества, она является основанием всех естественных наук. Системы, которые исследует физика – молекулы, атомы, элементарные частицы – лежат в основе систем, изучаемых другими науками. (например, органических молекул, изучаемых биохимией). Однако другие науки часто дают важнейшую информацию для развития физики, как химия в XVIII-XIX веках была важнейшим источником информации для построения термодинамики и молекулярной физики. Астрономические наблюдения движения планет в XVII веке стали важнейшим подтверждение справедливости механики Ньютона.

«Веществом» мы назовем совокупность определенных элементарных частиц (имеющих массу покоя), входящих в состав атомов. Другие частицы, не имеющие массы покоя, называют «полем». Поле связывает частицы вещества, приводит к взаимодействию между ними. Совокупность вещества и поля в физике называется «материей».

Результатом научных исследований является формулировка физических законов. Физический закон – сформулированная математически количественная связь между физическими величинами. Физическая величина – представимая числом характеристика данного объекта или явления. Определить физическую величину – указать однозначный способ ее измерения. На языке математики формулировать физические законы удобно. Например, закон Гука был сформулирован фразой «ut tensio sic vis (Каково растяжение – такова сила)». Формула F=kx, k=const более краткая. Теория – логически непротиворечивая замкнутая система законов. Любая теория применима только для определенного круга явлений, вне его (за границами применимости) - нет. В теорию могут входить физические величины, которые невозможно вычислить в рамках данной теории. Кроме того, в рамках самой теории нельзя установить границы ее применимости. Это может сделать с помощью более общей теории.

Например, закон Гука, связывающий приложенную к упругому телу силу и его деформацию – физический закон, входящий в теорию, называемую классической механикой. Она применима к описанию движения и взаимодействия тел, движущихся с малыми скоростями по сравнению со скоростью света и имеющих размеры во много раз больше размеров молекул. Движение больших тел с околосветовыми скоростями описывается более общей теорией (специальной теорией относительности), важнейшей константой которой является скорость света в вакууме. Эта теория начинается «за границей» классической механики, она же и проводит эту границу. Движение атомов и молекул с малыми скоростями описывает квантовая механика. Она дает другое ограничение классической механики.

В законы Гука входит параметр k – коэффициент упругости, вычисление которого нельзя провести в рамках классической механики. Для этого необходимо воспользоваться более общей теорией, описывающей взаимодействие атомов материала стержня. Эта же теория даст границу применимости этого закона, справедливого лишь для малых деформаций, которые можно считать упругими. В закон Архимеда входит плотность жидкости, вычислить которую в рамках механики невозможно.

Законы, входящие в теорию необходимо формулировать в наиболее общем виде. Тогда, имея небольшой объем информации, они будут применимы к большому кругу явлений. Чем больший круг явлений охватывается – тем более фундаментальным является закон. Если какое-либо явление им не описывается, значит, оно находится за пределами применимости этого закона. Либо для исходных явлений закон был сформулирован ошибочно, его нужно исправить.

Объектами изучения математики являются абстракции – продукты человеческого сознания, а не объекты, реально существующие в природе. Поэтому критериями правильности математических теорий является не опыт, а, например, логическая непротиворечивость. Однако, по непонятным причинам, математический язык оказался наиболее удобным для формулировки физических законов, то есть связей между характеристиками, присущими реальным объектам. Видимо это имел в виду Эйнштейн в фразе «Самое непостижимое в мире то, что он все-таки постижим». В современной теоретической физике стало возможным аксиоматическое построение многих физических теорий. То есть, сформулировав небольшое число утверждений, принимаемых без доказательства, можно получить все физические законы, входящие в теорию, как их логические следствия. Ясно, что аксиомы выбираются уже не столь произвольно, как в математике, а должны соответствовать правильному описанию природы.