Игорь Джавадов - Понятная физика

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.

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.

С точки зрения современной физики наш мир состоит из частиц и полей. Частицы твердые, при соударении они разлетаются в стороны. Частицы не могут проходить одна сквозь другую. Предмет, состоящий из множества частиц, называют телом. Физическое тело имеет видимый объем и может вращаться вокруг своей оси. Частица выглядит как точка, поэтому ее вращение незаметно. Два тела не могут занимать одно и то же место. Например, если в лузу бильярда загоняют подряд два шара, первый падает на дно корзины, а второй остаётся сверху, так как нижний уровень уже занят.

Важнейшим свойством тела является масса. Обозначают массу буквой m. Масса тела зависит от вида частиц, из которых оно состоит. Например, свинцовая пуля массивнее деревянной пробки, хотя их размеры могут быть одинаковы. Массу измеряют в килограммах (кг). Когда проектируют новый самолет, то принимают, что масса пассажира в среднем равна 100 кг.

Поле это то, при помощи чего тела взаимодействуют друг с другом на расстоянии. Если тела взаимодействуют, то изменяется их скорость и положение в пространстве. Изменение положения тела называется пройденный путь или просто путь (s).

Напомним, что путь измеряют в метрах (м). Тысяча метров равна 1 километру (км). Время обозначается буквой t. Время измеряется в секундах (с). Скорость (v) это путь, деленный на время в пути: v = s/t (1.1). Изменение скорости тела – это разность между скоростью в конце взаимодействия (v2) и скоростью в начале (v1): v2 – v1. Изменение скорости, деленное на время взаимодействия, называется ускорением (а): a = (v2 – v1)/t = (s2/t – s1/t)/t. Поскольку s2 – s1 = s, в итоге получаем: a = s/t2 (1.2)

Поле существует вокруг тела, которое является его источником. При помощи полей тела могут притягиваться или отталкиваться. Направление действия поля зависит от вида частиц, из которого состоят тела. Принято отталкиванию приписывать знак плюс, а притяжению – минус. Если надуть воздушный шарик и потереть о волосы, он притянется к ладони. Если шарик подбросить, он притянется к потолку и прилипнет на некоторое время. Это пример электрического поля. Его источником являются мельчайшие частицы – электроны. Шарик зарядился электричеством в результате нашей работы. Другой пример: стальная кнопка притягивается к магниту. Магнитом можно гонять по столу кнопку, не касаясь её. Если взять другой магнит, то при определённом положении магниты будут отталкиваться друг от друга. Для краткости поле вокруг постоянного магнита называют магнитным. Если быть точным, это поле следует называть электромагнитным, так его источником являются электроны внутри магнита. Электромагнитное взаимодействие возникает при движении заряженных частиц.

Поля отличаются от частиц тем, что легко проходят друг сквозь друга. Например, когда солист поет в сопровождении оркестра, мы можем слышать и солиста и все инструменты оркестра. Это пример звуковых полей, которые заполняют воздушное пространство вместе, не влияя друг на друга. Для звукового поля необходимо иметь проводящее вещество: воздух, жидкость или твердый материал. Такое проводящее вещество называют средой. Воздушная среда за окном на улицу заполнена звуками от людей и машин. Мы можем прислушиваться к любому звуку, не обращая внимания на – остальные. Киты и дельфины переговариваются, используя водную среду для звукового общения. Сосед решил повесить полку и сверлит дыру в стенке. Твердая стена хорошо проводит звук. Если сверлящий звук надоел, можно постучать кулаком и напомнить соседу, что он не один в доме.

Важнейшим примером является поле притяжения, которое ещё называют гравитацией. Источником гравитации является любое тело, имеющее массу. Благодаря гравитации два тела всегда притягиваются друг к другу. Если два океанских лайнера поставить рядом у причала, то через некоторое время они сойдутся бортами. Это произойдет из-за их взаимного гравитационного притяжения. Земля благодаря огромной массе имеет мощное поле гравитации и притягивает к себе все тела. Когда у тела есть опора, оно давит на опору и деформирует ее. Тогда притяжение к Земле воспринимается как вес. Чем больше масса тела, тем больше его вес. Вес можно измерить на электронных весах. В них встроен тензодатчик. Это прибор, который деформируется под весом груза и посылает показания на цифровое табло. Вес обозначается буквой P, измеряется в ньютонах (Н). Например, гиря массой 16 кг весит почти 160 Н.