Игорь Джавадов
Понятная физика
© И. Джавадов, 2014
© ООО «Написано пером», 2014
Все права защищены. Никакая часть электронной версии этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для частного и публичного использования без письменного разрешения владельца авторских прав.
© Электронная версия книги подготовлена компанией ЛитРес (www.litres.ru)
Введение, или о проблемах преподавания физики
В методике преподавания физики очевидны две проблемы. Во-первых, сложилась вековая традиция преподавать физику не как систему современных знаний о различных формах энергии, а как историю отдельных наблюдений и открытий, не всегда связанных между собой. Вторая проблема вытекает из первой – избыточность терминов. Взять хотя бы электричество. Электрические явления изучали Ампер, Фарадей, Ом, Максвелл и другие выдающиеся учёные. Вместе с их открытиями в физику вошли такие понятия как электродвижущая сила, разность потенциалов, напряжение, ток смещения и другие авторские термины. Разумеется, мы должны чтить вклад гениев в науку. Но с точки зрения современной физики речь идёт об одной и той же величине, измеряемой в вольтах. Для измерения указанных величин не нужны четыре разных прибора, достаточно одного вольтметра.
Отсутствие системного подхода и путаница в терминах приводит к непониманию физики. Возьмём, к примеру, известную фразу: «сила противодействия равна силе действия, но уравновесить ее не может». Возникают как минимум два вопроса: что такое сила противодействия и почему не может, если равна? Вразумительного ответа нет нигде, учащемуся остается слепо верить и запоминать. В результате кое-кто, храня веру в реальность силы инерции, до седых волос тратит силы и время, пытаясь собрать работающий инерцоид.
Почему преподаватель должен терять время, пересказывая заблуждения древних греков? Кто знает цену урока лучше учителя? Но авторы учебников до сих пор делают вид, что школьник XXI века не смотрит телевизор, не знает компьютер. Раздел «Электричество» традиционно начинается с рассказа о древних греках, которые полировали янтарь тряпочкой и получали при этом электрические искры. Да, сто лет назад это было новостью для рабочего, принятого без экзаменов на рабфак. Но это неинтересно современному школьнику, который играет на электрогитаре и сам собирает усилитель. А ему рассказывают сначала о физике Аристотеля, затем о Галилее, который опроверг Аристотеля, о Ньютоне, основателе механики, затем об Эйнштейне, который перевернул механику Ньютона. Ученику всё равно, он запоминает подряд всё, что слышит: современные знания, устаревшую натурфилософию, наивные взгляды древних греков. Вред от этого очевиден. Нам говорят, изучать ошибки прошлого надо, чтобы не повторять их в будущем. Конечно надо, но лучше факультативно и в конце курса. Сначала учащийся должен получить современные знания в системном виде. И только потом ему можно рассказывать о древних греках, которые верили, что тяжелые тела падают быстрее легких.
Настоящий курс физики составлен в виде системы, основанной на базисном понятии. Базис выбран по принципу: чем труднее определить понятие, тем ближе оно к базисному. Что совсем невозможно определить, то и является базисом. Другие понятия выводят из базиса. Кроме того, для определения величины взят один термин, а не два-три, как это бывает. Заметим, в традиционных курсах физики за базис взята сила, как причина движения. Так как сила считается вектором, стандартный курс физики начинают с векторной алгебры. Иначе «векторную» механику не понять.
Скажем сразу, что главной задачей физики является поиск новых форм энергии, а не изучение многомерных пространств. Поэтому в качестве базиса мы выбрали понятие энергии. Известно, что понятие энергии определить невозможно, хотя все согласны, что энергия не вектор. Значит, можно обойтись без векторной алгебры, которая сложнее обычной. Курс становится более легким, так как обычную алгебру преподают раньше физики.
ЧАСТЬ I
Раздел I. Механика
Глава 1. Движение частиц
§ 1. Частицы и поля
Практически любой курс механики начинается с фразы, что физика изучает окружающий мир: мол, физис, это природа по-древнегречески. Думается, это не совсем так. Окружающий нас мир изучают также географы, геологи, биологи и даже химики. Очевидно, должно быть нечто особенное, что изучает именно физика. Мы еще будем об этом говорить, но прежде должны разобраться, что такое окружающий нас мир.