Цікавитись навколишнім світом та закономірностями його функціонування та розвитку природно та правильно. Саме тому розумно звертати увагу на природничі науки, наприклад, фізику, яка пояснює саму сутність формування та розвитку Всесвіту. Основні фізичні закони неважко зрозуміти. Вже дуже юному віці школа знайомить дітей із цими принципами.
Для багатьох починається ця наука із підручника "Фізика (7 клас)". Основні поняття та термодинаміки відкриваються перед школярами, вони знайомляться з ядром основних фізичних закономірностей. Але чи має знання обмежуватися шкільною лавою? Які фізичні закони має знати кожна людина? Про це й йтиметься далі у статті.
Наука фізика
Багато нюансів описуваної науки знайомі всім з раннього дитинства. А пов'язано це з тим, що, по суті, фізика є однією з областей природознавства. Вона розповідає про закони природи, дія яких впливає на життя кожного, а багато в чому навіть забезпечує її, про особливості матерії, її структуру та закономірності руху.
Термін «фізика» був уперше зафіксований Аристотелем ще четвертому столітті до нашої ери. Спочатку він був синонімом поняття "філософія". Адже обидві науки мали єдину мету – правильним чином пояснити усі механізми функціонування Всесвіту. Але вже у шістнадцятому столітті внаслідок наукової революції фізика стала самостійною.
Загальний закон
Деякі основні закони фізики застосовують у різноманітних галузях науки. Крім них існують такі, які прийнято вважати загальними для всієї природи. Мова йде про
Він має на увазі, що енергія кожної замкнутої системи при протіканні в ній будь-яких явищ обов'язково зберігається. Проте вона здатна трансформуватися в іншу форму і ефективно змінювати свій кількісний зміст різних частинахназваної системи. Водночас у незамкненій системі енергія зменшується за умови збільшення енергії будь-яких тіл та полів, які вступають у взаємодію з нею.
Крім наведеного загального принципу, містить фізика основні поняття, формули, закони, які необхідні тлумачення процесів, які у навколишньому світі. Їхнє дослідження може стати неймовірно захоплюючим заняттям. Тому в цій статті будуть розглянуті основні закони фізики коротко, а щоб глибше розібратися в них, важливо приділити їм повноцінну увагу.
Механіка
Відкривають юним вченим багато основних законів фізики 7-9 класи школи, де повніше вивчається така галузь науки, як механіка. Її базові засади описані нижче.
- Закон відносності Галілея (також його називають механічною закономірністю відносності або базисом класичної механіки). Суть принципу у тому, що за аналогічних умов механічні процеси у будь-яких інерційних системах відліку проходять цілком ідентично.
- Закон Гука. Його суть у тому, що чим більшим є вплив на пружне тіло (пружину, стрижень, консоль, балку) з боку, тим більшою є його деформація.
Закони Ньютона (є базис класичної механіки):
- Принцип інерції повідомляє, що будь-яке тіло здатне перебувати у спокої чи рухатися рівномірно і прямолінійно тільки у тому випадку, якщо ніякі інші тіла жодним чином на нього не впливають, або якщо вони якимось чином компенсують дію один одного. Щоб змінити швидкість руху, на тіло необхідно впливати з будь-якою силою, і, звичайно, результат впливу однакової сили на різні за величиною тіла теж відрізнятиметься.
- Головна закономірність динаміки стверджує, що чим більша рівнодіюча сил, які зараз впливають на дане тіло, тим більше отримане ним прискорення. І, відповідно, що більша маса тіла, то цей показник менший.
- Третій закон Ньютона повідомляє, що будь-які два тіла завжди взаємодіють одне з одним за ідентичною схемою: їх сили мають одну природу, є еквівалентними за величиною і обов'язково мають протилежний напрямок уздовж прямої, що з'єднує ці тіла.
- Принцип відносності стверджує, що це явища, які відбуваються за тих самих умов в інерційних системах відліку, проходять абсолютно ідентичним чином.
Термодинаміка
Шкільний підручник, який відкриває учням основні закони ("Фізика. 7 клас"), знайомить їх і з основами термодинаміки. Її принципи ми розглянемо далі.
Закони термодинаміки, є базовими у галузі науки, мають загальний характері і пов'язані з деталями будови конкретної речовини лише на рівні атомів. До речі, ці принципи важливі як для фізики, а й у хімії, біології, аерокосмічної техніки тощо.
Наприклад, у названій галузі існує правило, що не піддається логічному визначенню, що в замкнутій системі, зовнішні умови для якої незмінні, згодом встановлюється рівноважний стан. І процеси, що тривають у ній, незмінно компенсують один одного.
Ще одне правило термодинаміки підтверджує прагнення системи, що складається з колосального числа частинок, що характеризуються хаотичним рухом, до самостійного переходу з менш ймовірних для системи станів більш ймовірні.
А закон Гей-Люссака (його називають стверджує, що з газу певної маси за умов стабільного тиску результат розподілу його обсягу на абсолютну температуру неодмінно стає величиною постійної.
Ще одне важливе правило цієї галузі – перший закон термодинаміки, який також прийнято називати принципом збереження та перетворення енергії для термодинамічної системи. Згідно з ним, будь-яка кількість теплоти, яку було повідомлено системі, буде витрачено виключно на метаморфозу її внутрішньої енергії та здійснення нею роботи по відношенню до будь-яких діючих зовнішніх сил. Саме ця закономірність і стала базисом на формування схеми роботи теплових машин.
Інша газова закономірність – це закон Шарля. Він говорить, що чим більший тиск певної маси ідеального газу в умовах збереження постійного обсягу, тим більша температура.
Електрика
Відкриває юним вченим цікаві основні закони фізики 10 класу школи. У цей час вивчаються основні принципи природи та закономірності впливу електричного струму, а також інші нюанси.
Закон Ампера, наприклад, стверджує, що провідники, з'єднані паралельно, якими тече струм однаково, неминуче притягуються, а разі протилежного напрями струму, відповідно, відштовхуються. Іноді таку ж назву використовують для фізичного закону, який визначає силу, що діє в існуючому магнітному полі на невелику ділянку провідника, який на даний момент проводить струм. Її так і називають – сила Ампера. Це відкриття було зроблено вченим у першій половині дев'ятнадцятого століття (а саме 1820 р.).
Закон збереження заряду одна із базових принципів природи. Він говорить, що сума алгебри всіх електричних зарядів, що виникають в будь-який електрично ізольованій системі, завжди зберігається (стає постійною). Незважаючи на це, названий принцип не виключає і виникнення у таких системах нових заряджених частинок внаслідок перебігу деяких процесів. Проте загальний електричний заряд всіх новостворених частинок неодмінно має дорівнювати нулю.
Закон Кулона є одним із основних в електростатиці. Він висловлює принцип сили взаємодії між нерухомими точковими зарядами та пояснює кількісне обчислення відстані між ними. Закон Кулона дозволяє обґрунтувати базові принципи електродинаміки експериментальним чином. Він говорить, що нерухомі точкові заряди неодмінно взаємодіють між собою з силою, яка тим вище, чим більший добуток їх величин і, відповідно, тим менше, чим менше квадрат відстані між зарядами, що розглядаються, і середовища, в якому і відбувається описувана взаємодія.
Закон Ома одна із базових принципів електрики. Він говорить, що чим більше сила постійного електричного струму, що діє на певній ділянці ланцюга, тим більша напруга на її кінцях.
Називають принцип, який дозволяє визначити напрямок у провіднику струму, що рухається в умовах впливу магнітного поля певним чином. Для цього необхідно розташувати кисть правої руки так, щоб лінії магнітної індукції образно торкалися розкритої долоні, а великий палець витягнути за напрямом руху провідника. У такому разі інші чотири випрямлені пальці визначать напрямок руху індукційного струму.
Також цей принцип допомагає з'ясувати точне розташування ліній магнітної індукції прямолінійного провідника, що проводить струм в даний момент. Це відбувається так: помістіть великий палець правої руки таким чином, щоб він вказував, а рештою чотирма пальцями образно обхопіть провідник. Розташування цих пальців продемонструє точний напрямок ліній магнітної індукції.
Принцип електромагнітної індукції є закономірністю, яка пояснює процес роботи трансформаторів, генераторів, електродвигунів. Цей закон полягає в наступному: в замкнутому контурі індукції, що генерується, тим більше, чим більше швидкість зміни магнітного потоку.
Оптика
Галузь "Оптика" також відбиває частину шкільної програми (основні закони фізики: 7-9 класи). Тому ці принципи не такі складні для розуміння, як може здатися на перший погляд. Їхнє вивчення приносить із собою не просто додаткові знання, але краще розуміння навколишньої дійсності. Основні закони фізики, які можна зарахувати до галузі вивчення оптики, такі:
- Принцип Ґюйнеса. Він є методом, який дозволяє ефективно визначити в кожну конкретну частку секунди точне положення фронту хвилі. Суть його полягає в наступному: всі точки, які опиняються на шляху біля фронту хвилі в певну частку секунди, по суті, самі по собі стають джерелами сферичних хвиль (вторинних), у той час як розміщення фронту хвилі в ту саму частку секунди є ідентичним поверхні , що огинає всі сферичні хвилі (вторинні). Цей принцип використовується з метою пояснення існуючих законів, пов'язаних із заломленням світла та його відображенням.
- Принцип Гюйгенса-Френеля відбиває ефективний методвирішення питань, пов'язаних із поширенням хвиль. Він допомагатиме пояснити елементарні завдання, пов'язані з дифракцією світла.
- хвиль. Застосовується однаково і для відображення у дзеркалі. Його суть полягає в тому, що як спадаючий промінь, так і той, який був відбитий, а також перпендикуляр, побудований з точки падіння променя, розташовуються в єдиній площині. Важливо також пам'ятати, що кут, під яким падає промінь, завжди абсолютно дорівнює куту заломлення.
- Принцип заломлення світла. Це зміна траєкторії руху електромагнітної хвилі (світла) в момент руху з одного однорідного середовища в інше, яке значно відрізняється від першої по ряду показників заломлення. Швидкість поширення світла у них різна.
- Закон прямолінійного поширення світла. За своєю суттю він є законом, що стосується області геометричної оптики, і полягає в наступному: у будь-якому однорідному середовищі (незалежно від її природи) світло поширюється строго прямолінійно, по найкоротшій відстані. Цей закон легко і доступно пояснює утворення тіні.
Атомна та ядерна фізика
Основні закони квантової фізики, а також основи атомної та ядерної фізики вивчаються у старших класах середньої школи та вищих навчальних закладах.
Так, постулати Бора є рядом базових гіпотез, які стали основою теорії. Її суть полягає в тому, що будь-яка атомна система може залишатися стійкою виключно у стаціонарних станах. Будь-яке випромінювання чи поглинання енергії атомом неодмінно відбувається з допомогою принципу, суть якого така: випромінювання, що з транспортацією, стає монохроматичним.
Ці постулати відносяться до стандартної шкільної програми, яка вивчає основні закони фізики (11 клас). Їхнє знання є обов'язковим для випускника.
Основні закони фізики, які має знати людина
Деякі фізичні принципи, хоч і відносяться до однієї з галузей цієї науки, проте мають загальний характер і мають бути відомі всім. Перерахуємо основні закони фізики, які має знати людина:
- Закон Архімеда (належить до областей гідро-, а також аеростатики). Він має на увазі, що на будь-яке тіло, яке було занурене в газоподібну речовину або рідину, діє свого роду виштовхувальна сила, яка неодмінно спрямована вертикально вгору. Ця сила завжди чисельно дорівнює вазі витісненої тілом рідини чи газу.
- Інше формулювання цього закону таке: тіло, занурене у газ чи рідина, неодмінно втрачає у вазі стільки ж, скільки склала маса рідини чи газу, у який воно було занурено. Цей закон став базовим постулатом теорії плавання тел.
- Закон всесвітнього тяжіння (відкритий Ньютоном). Його суть полягає в тому, що абсолютно всі тіла неминуче притягуються один до одного з силою, яка тим більша, чим більший добуток мас даних тіл і, тим менше, чим менше квадрат відстані між ними.
Це і є три основні закони фізики, які повинен знати кожен, хто бажає розібратися в механізмі функціонування навколишнього світу та особливостях перебігу процесів, що відбуваються в ньому. Зрозуміти принцип їхньої дії досить просто.
Цінність подібних знань
Основні закони фізики повинні бути в багажі знань людини, незалежно від її віку та роду діяльності. Вони відображають механізм існування всієї сьогоднішньої дійсності, і, по суті, є єдиною константою в світі, що безперервно змінюється.
Основні закони, поняття фізики відкривають нові можливості вивчення навколишнього світу. Їхнє знання допомагає розуміти механізм існування Всесвіту та руху всіх космічних тіл. Воно перетворює нас не на просто виглядачів щоденних подій та процесів, а дозволяє усвідомлювати їх. Коли людина ясно розуміє основні закони фізики, тобто всі процеси, що відбуваються навколо нього, вона отримує можливість управляти ними найбільш ефективним чином, здійснюючи відкриття і роблячи тим самим своє життя більш комфортним.
Підсумки
Деякі змушені поглиблено вивчати основні закони фізики для ЄДІ, інші – за діяльністю, а деякі – з наукової цікавості. Незалежно від цілей вивчення цієї науки, користь отриманих знань важко переоцінити. Немає нічого більш задовольняючого, ніж розуміння основних механізмів та закономірностей існування навколишнього світу.
Не залишайтеся байдужими – розвивайтеся!
Вчені з планети Земля використовують масу інструментів, намагаючись описати те, як працює природа та всесвіт загалом. Що вони приходять до законів та теорій. В чому різниця? Науковий закон можна звести до математичного твердження, на кшталт E = mc²; це твердження базується на емпіричних даних та його істинність, як правило, обмежується певним набором умов. У випадку E = mc² – швидкість світла у вакуумі.
Наукова теорія найчастіше прагне синтезувати низку фактів чи спостережень за конкретними явищами. І загалом (але не завжди) виходить чітке і твердження, яке перевіряється щодо того, як функціонує природа. Зовсім не обов'язково зводити наукову теорію до рівняння, але вона насправді є чимось фундаментальним про роботу природи.
Як закони, і теорії залежать від основних елементів наукового методунаприклад, створення гіпотез, проведення експериментів, знаходження (або не знаходження) емпіричних даних та висновок висновків. Зрештою, вчені мають бути в змозі повторити результати, якщо експерименту судилося стати основою для загальноприйнятого закону чи теорії.
У цій статті ми розглянемо десять наукових законів і теорій, які ви можете освіжити в пам'яті, навіть якщо ви, наприклад, не так часто звертаєтеся до електронного мікроскопа, що сканує. Почнемо з вибуху та закінчимо невизначеністю.
Якщо і варто знати хоча б одну наукову теорію, то нехай вона пояснить, як всесвіт досяг нинішнього свого стану (або не досяг,). На підставі досліджень, проведених Едвіном Хабблом, Жоржем Леметром та Альбертом Ейнштейном, теорія Великого Вибуху постулює, що Всесвіт почався 14 мільярдів років тому з масивного розширення. У якийсь момент Всесвіт був укладений в одній точці і охоплював всю матерію нинішнього всесвіту. Цей рух триває й донині, а сам всесвіт постійно розширюється.
Теорія Великого Вибуху отримала широку підтримку у наукових колах після того, як Арно Пензіас та Роберт Вілсон виявили космічний мікрохвильовий фон у 1965 році. За допомогою радіотелескопів два астрономи виявили космічний шум, або статику, яка не розсіюється з часом. У співпраці з принстонським дослідником Робертом Діке пара вчених підтвердила гіпотезу Діке про те, що початковий Великий Вибух залишив після себе випромінювання низького рівня, яке можна виявити по всьому Всесвіту.
Закон космічного розширення Хабла
Давайте на секунду затримаємо Едвіна Хаббла. У той час як у 1920-х роках вирувала Велика депресія, Хаббл виступав із новаторським астрономічним дослідженням. Він не тільки довів, що були й інші галактики крім Чумацького Шляху, але також виявив, що ці галактики мчать геть від нашої власної, і цей рух він назвав розбіганням.
Щоб кількісно оцінити швидкість цього галактичного руху, Хаббл запропонував закон космічного розширення, він також закон Хаббла. Рівняння виглядає так: швидкість = відстань H0 x. Швидкість є швидкість розбігання галактик; H0 - це стала Хаббла, або параметр, який показує швидкість розширення всесвіту; відстань - це відстань однієї галактики до тієї, з якою порівнюється.
Постійна Хаббла розраховувалася за різних значень протягом досить довгого часу, проте нині вона завмерла на точці 70 км/с на мегапарсек. Для нас це не так важливо. Важливо те, що закон є зручним способом вимірювання швидкості галактики щодо нашої власної. І ще важливо те, що закон встановив, що Всесвіт складається з багатьох галактик, рух яких простежується до Великого Вибуху.
Закони планетарного руху Кеплера
Протягом століть вчені боролися один з одним та з релігійними лідерами за орбіти планет, особливо за те, чи обертаються вони навколо Сонця. У 16 столітті Коперник висунув свою спірну концепцію геліоцентричної Сонячної системи, у якій планети обертаються навколо Сонця, а чи не Землі. Однак лише з Йоганном Кеплером, який спирався на роботи Тихо Брага та інших астрономів, з'явилася чітка наукова основа для руху планет.
Три закони планетарного руху Кеплера, що склалися на початку 17 століття, описують рух планет навколо Сонця. Перший закон, який іноді називають законом орбіт, стверджує, що планети обертаються навколо Сонця еліптичною орбітою. Другий закон, закон площ, каже, що лінія, що з'єднує планету із сонцем, утворює рівні площі через рівні проміжки часу. Іншими словами, якщо ви вимірюєте площу, створену намальованою лінією від Землі від Сонця, і відстежуєте рух Землі протягом 30 днів, площа буде однаковою, незалежно від положення Землі щодо початку відліку.
Третій закон, закон періодів, дозволяє встановити чіткий взаємозв'язок між орбітальним періодом планети та відстанню до Сонця. Завдяки цьому закону ми знаємо, що планета, яка відносно близька до Сонця, на кшталт Венери, має набагато короткіший орбітальний період, ніж далекі планети, на зразок Нептуна.
Універсальний закон тяжіння
Сьогодні це може бути в порядку речей, але більш ніж 300 років тому сер Ісаак Ньютон запропонував революційну ідею: два будь-які об'єкти, незалежно від їхньої маси, надають гравітаційне тяжіння один на одного. Цей закон представлений рівнянням, з яким багато школярів стикаються у старших класах фізико-математичного профілю.
F = G × [(m1m2)/r²]
F - це гравітаційна сила між двома об'єктами, що вимірюється в ньютонах. M1 і M2 – це маси двох об'єктів, тоді як r – це відстань між ними. G - це гравітаційна постійна, в даний час розрахована як 6,67384 (80) · 10-11 або Н · м² · кг -2.
Перевага універсального закону тяжіння полягає в тому, що він дозволяє обчислити гравітаційне тяжіння між двома будь-якими об'єктами. Ця здатність дуже корисна, коли вчені, наприклад, запускають супутник на орбіту або визначають курс Місяця.
Закони Ньютона
Якщо ми вже заговорили про одного з найбільших вчених, які коли-небудь живуть на Землі, давайте поговоримо про інші знамениті закони Ньютона. Його три закони руху складають істотну частину сучасної фізики. І як і багато інших законів фізики, вони елегантні у своїй простоті.
Перший із трьох законів стверджує, що об'єкт у русі залишається у русі, якщо на нього не діє зовнішня сила. Для кульки, яка котиться по підлозі, зовнішньою силою може бути тертя між кулею і підлогою, або хлопчик, який б'є по кульці в іншому напрямку.
Другий закон встановлює зв'язок між масою об'єкта (m) та його прискоренням (a) у вигляді рівняння F = m x a. F є силою, що вимірюється в ньютонах. Також це вектор, тобто він має спрямований компонент. Завдяки прискоренню, м'яч, який котиться по підлозі, має особливий вектор у напрямку його руху, і це враховується при розрахунку сили.
Третій закон досить змістовний і має бути вам знайомий: для кожної дії є однакова протидія. Тобто кожної сили, прикладеної до об'єкта лежить на поверхні, об'єкт відштовхується з такою самою силою.
Закони термодинаміки
Британський фізик і письменник Ч. П. Сноу одного разу сказав, що невчений, котрий не знав другого закону термодинаміки, був як учений, який ніколи не читав Шекспіра. Нині відома заява Сноу наголошувала на важливості термодинаміки і необхідності навіть людям, далеким від науки, знати його.
Термодинаміка - це наука у тому, як енергія працює у системі, чи це двигун чи ядро Землі. Її можна звести до кількох базових законів, які Сноу позначив так:
- Ви не можете виграти.
- Ви не уникнете збитків.
- Ви не можете вийти із гри.
Давайте трохи розберемося із цим. Говорячи, що ви не можете виграти, Сноу мав на увазі те, що оскільки матерія та енергія зберігаються, ви не можете отримати одне, не втративши друге (тобто, E=mc²). Також це означає, що для роботи двигуна вам потрібно постачати тепло, однак без ідеально замкнутої системи деяка кількість тепла неминуче йтиме у відкритий світ, що призведе до другого закону.
Другий закон - збитки неминучі - означає, що у зв'язку зі зростаючою ентропією, ви не можете повернутися до колишнього енергетичного стану. Енергія, сконцентрована в одному місці, завжди прагнутиме місць нижчої концентрації.
Нарешті, третій закон - ви не можете вийти з гри - відноситься до найнижчої теоретично можливої температури - мінус 273,15 градуса Цельсія. Коли система досягає абсолютного нуля, рух молекул зупиняється, а отже, ентропія досягне найнижчого значення і не буде навіть кінетичної енергії. Але в реальному світідосягти абсолютного нуля неможливо – тільки дуже близько до нього підійти.
Сила Архімеда
Після того, як стародавній грек Архімед відкрив свій принцип плавучості, він нібито крикнув "Еврика!" (Знайшов!) І побіг голяка Сиракузами. Так свідчить легенда. Відкриття було настільки важливим. Також легенда свідчить, що Архімед виявив принцип, коли помітив, що вода у ванній піднімається під час занурення в нього тіла.
Відповідно до принципу плавучості Архімеда, сила, що діє на занурений або частково занурений об'єкт, дорівнює масі рідини, яку зміщує об'єкт. Цей принцип має найважливіше значення у розрахунках щільності, і навіть проектуванні підводних човнів та інших океанічних судів.
Еволюція та природний відбір
Тепер, коли ми встановили деякі з основних понять про те, з чого почався Всесвіт і як фізичні закони впливають на наше повсякденне життя, звернемо увагу на людську форму і з'ясуємо, як ми дійшли до такого. На думку більшості вчених, усе життя Землі має спільного предка. Але для того, щоб утворилася така величезна різниця між усіма живими організмами, деякі з них мали перетворитися на окремий вигляд.
Загалом, ця диференціація відбулася у процесі еволюції. Популяції організмів та його риси пройшли через такі механізми, як мутації. Ті, у кого риси були вигіднішими для виживання, на зразок коричневих жаб, які відмінно маскуються в болоті, були природно обрані для виживання. Ось звідки розпочав термін природний відбір.
Можна помножити дві ці теорії на багато часу, і власне це зробив Дарвін в 19 столітті. Еволюція та природний відбір пояснюють величезну різноманітність життя на Землі.
Загальна теорія відносності
Альберта Ейнштейна була і залишається найважливішим відкриттям, яке назавжди змінило наш погляд на всесвіт. Головним проривом Ейнштейна була заява про те, що простір і час не є абсолютними, а гравітація – це не просто сила, яка додається до об'єкта чи маси. Швидше гравітація пов'язана з тим, що маса викривляє простір і час (простір-час).
Щоб осмислити це, уявіть, що ви їдете через всю Землю прямою лінією в східному напрямку, скажімо, з північної півкулі. Через деякий час, якщо хтось захоче точно визначити ваше місце розташування ви будете набагато південніше і східніше свого вихідного положення. Це тому, що Земля вигнута. Щоб їхати прямо на схід, вам потрібно враховувати форму Землі та їхати під кутом трохи на північ. Порівняйте круглу кульку та аркуш паперу.
Простір - це значною мірою те саме. Наприклад, для пасажирів ракети, що летить навколо Землі, буде очевидно, що вони летять прямо у просторі. Але насправді, простір-час навколо них згинається під дією сили тяжіння Землі, змушуючи їх одночасно рухатися вперед і залишатися на орбіті Землі.
Теорія Ейнштейна справила величезний вплив на майбутнє астрофізики та космології. Вона пояснила невелику та несподівану аномалію орбіти Меркурія, показала, як згинається світло зірок та заклала теоретичні основи для чорних дірок.
Принцип невизначеності Гейзенберга
Розширення теорії відносності Ейнштейна розповіло нам більше про те, як працює Всесвіт, і допомогло закласти основу для квантової фізики, що призвело до несподіваного конфузу теоретичної науки. У 1927 році усвідомлення того, що всі закони всесвіту у певному контексті є гнучкими, призвело до приголомшливого відкриття німецького вченого Вернера Гейзенберга.
Постулюючи свій принцип невизначеності, Гейзенберг зрозумів, що неможливо одночасно знати з високим рівнем точності дві властивості частки. Ви можете знати стан електрона з високим ступенем точності, але не його імпульс, і навпаки.
Пізніше Нільс Бор зробив відкриття, що допомогло пояснити принцип Гейзенберга. Бор з'ясував, що електрон має властивості як частинки, так і хвилі. Концепція стала відома як корпускулярно-хвильовий дуалізм і лягла в основу квантової фізики. Тому, коли ми вимірюємо положення електрона, визначаємо його як частинку в певній точці простору з невизначеною довжиною хвилі. Коли вимірюємо імпульс, ми розглядаємо електрон як хвилю, отже можемо знати амплітуду її довжини, але з становище.
Починаємо серію статей про проблеми та застарілі концепції у шкільній програмі та пропонуємо поміркувати про те, навіщо школярам потрібна фізика, і чому сьогодні її викладають не так, як хотілося б.
Навіщо сучасний школяр вивчає фізику? Або для того, щоб йому не набридали батьки та вчителі, або для того, щоб успішно здати ЄДІ на вибір, набрати потрібну кількість балів і вступити до хорошого вузу. Є ще варіант, що школяр фізику любить, але це кохання зазвичай існує якось окремо від шкільної програми.
У кожному з цих випадків викладання ведеться за однаковою схемою. Воно підлаштовується під систему власного контролю - знання повинні подаватися у такій формі, щоб їх можна було легко перевірити. Для цього і існує система ДІА та ЄДІ, а підготовка до цих іспитів у результаті стає головною метою навчання.
Як влаштовано ЄДІ з фізики у його сьогоднішньому варіанті? Завдання іспиту складаються за спеціальним кодифікатором, до якого входять формули, які, за ідеєю, повинен знати кожен учень. Це близько сотні формул за всіма розділами шкільної програми – від кінематики до фізики атомного ядра.
Більшість завдань - десь 80% - спрямовано саме застосування цих формул. Причому інші способи рішення використовувати не можна: підставив формулу, якої немає у списку - недоотримав якусь кількість балів, навіть якщо відповідь зійшлася. І лише 20%, що залишилися, - це завдання на розуміння.
В результаті головна мета викладацької роботи зводиться до того, щоб учні знали цей набір формул та могли його застосовувати. А вся фізика зводиться до простої комбінаторики: прочитай умови завдання, зрозумій, яка формула тобі потрібна, підстав потрібні показники і просто отримай результат.
В елітарних та спеціалізованих фізико-математичних школах навчання, звичайно, влаштоване інакше. Там, як і під час підготовки до всіляких олімпіад, є якийсь елемент творчості, а комбінаторика формул стає набагато складнішою. Але нас тут цікавить саме базова програма з фізики та її недоліки.
Стандартні завдання та абстрактні теоретичні побудови, які має знати звичайний школяр, дуже швидко вивітрюються з голови. У результаті фізику після закінчення школи вже ніхто не знає – крім тієї меншості, якій це чомусь цікаво чи потрібно за фахом.
Виходить, що наука, головною метою якої було пізнання природи і реального фізичного світу, в школі стає дуже абстрактною і віддаленою від повсякденного людського досвіду. Фізику, як і інші предмети, вчать зубріжкою, а коли у старших класах обсяг знань, який необхідно засвоїти, різко зростає, все зазубрити стає просто неможливо.
Наочно про «формульний» підхід до навчання.
Але це було б і необов'язково, якби метою навчання було застосування формул, а розуміння предмета. Розуміти - це, зрештою, набагато легше, ніж зубрити.
Формувати картину світу
Подивимося, наприклад, як працюють книжки Якова Перельмана «Цікава фізика», «Цікава математика», якими зачитувалися багато поколінь школярів і після-школярів. Майже кожен параграф перельманівської «Фізики» вчить ставити питання, які кожна дитина може собі поставити, відштовхуючись від елементарної логіки та життєвого досвіду.
Завдання, які нам тут пропонують вирішити – не кількісні, а якісні: потрібно не підрахувати якийсь абстрактний показник на кшталт коефіцієнта корисної дії, а поміркувати, чому вічний двигун неможливий насправді, чи можна вистрілити з гармати до місяця; Необхідно провести досвід та оцінити, яким буде ефект від будь-якої фізичної взаємодії.
Приклад із «Цікавої фізики» 1932 року: завдання про криловські лободи, рак і щуку, вирішена за правилами механіки. Равнодіюча (OD) повинна захоплювати віз у воду.
Одним словом, заучувати формули тут не обов'язково – головне розуміти, яким фізичним законам підпорядковуються предмети навколишньої дійсності. Проблема тільки в тому, що знання такого роду набагато складніше піддаються об'єктивній перевірці, ніж наявність у голові школяра точно певного набору формул і рівнянь.
Тому фізика для звичайного учня обертається тупою зубрінням, а в кращому разі - якоюсь абстрактною грою розуму. Формувати в людини цілісну картину світу - зовсім не те завдання, яке де-факто виконує сучасна системаосвіти. Щодо цього, до речі, вона не надто відрізняється від радянської, яку багато хто схильний переоцінювати (бо раніше ми, мовляв, атомні бомбирозробляли і в космос літали, а зараз лише нафту вміємо продавати).
За знанням фізики учні після закінчення школи зараз, як і тоді, діляться приблизно на дві категорії: ті, хто її знає дуже добре, і ті, хто не знає зовсім. З другою категорією ситуація особливо погіршилася, коли час викладання фізики у 7-11 класі скоротився з 5 до 2 годин на тиждень.
Більшості школярів фізичні формули та теорії справді не потрібні (що вони чудово розуміють), а головне – нецікаві в тому абстрактному та сухому вигляді, в якому вони подаються зараз. У результаті масове освіту не виконує жодної функції - тільки забирає час та сили. У школярів – не менше, ніж у вчителів.
Attention: неправильний підхід до викладання точних наук може мати руйнівні наслідки
Якби завданням шкільної програми було формування картини світу, ситуація була б зовсім іншою.
Звичайно, мають бути й спеціалізовані класи, де вчать вирішувати складні завдання та глибоко знайомлять із теорією, яка вже не перетинається із повсякденним досвідом. Але звичайному, «масовому» школяреві було б цікавіше і корисніше знати, за якими законами працює фізичний світ, у якому він живе.
Справа, звісно, не зводиться до того, щоб школярі замість підручників читали Перельмана. Потрібно змінити сам підхід до викладання. Багато розділів (наприклад, квантову механіку) можна було б вилучити зі шкільної програми, інші – скоротити чи переглянути, якби не всюдисущі організаційні труднощі, принциповий консерватизм предмета та освітньої системи загалом.
Але дозволимо собі трохи помріяти. Після цих змін, можливо, підвищилася б і загальна соціальна адекватність: люди менше вірили б усіляким торсіонним аферистам, які спекулюють на «захисті біополя» та «нормалізації аури» за допомогою нехитрих пристосувань і шматків невідомих мінералів.
Всі ці наслідки порочної системи освіти ми вже спостерігали в 90-х, коли найщасливіші шахраї навіть користувалися чималими сумами з держбюджету, - спостерігаємо і зараз, хоч і в менших масштабах.
Знаменитий Григорій Грабовий не лише запевняв, що може воскресати людей, а й відводив астероїди від Землі силою думки та «екстрасенсорно діагностував» урядові літаки. Йому заступався не хтось, а генерал Георгій Рогозін, заступник начальника Служби безпеки при президенті РФ.
Найпоширеніша скарга школяра на складність предмета звучить так: “Навіщо мені ця безглузда …. (тут можна поставити будь-що – фізику, математику, історію, біологію), якщо я не збираюся займатися їй після школи?!”
Справді, а чи потрібно бідній дитині зубрити формули і розбиратися із законами Ньютона і Фарадея? Може, ну її, цю гидоту, займемося краще чимось цікавим? Дивно, але багато дорослих і самі не розуміють, навіщо вчили фізику в школі та щиро не бачать зв'язку між цією цікавою наукою та повсякденним життям. Давайте ж знайдемо цей зв'язок!
Уявіть собі звичайний день. Ось ви підвелися з ліжка, потягнулися і подивилися в дзеркало. І закони фізики запрацювали просто з початком вашого дня!
Рух, відображення в дзеркалі, гравітація, яка змушує вас йти по землі, а воду текти в раковину, а не вам в обличчя, сила, яка потрібна для того, щоб підняти сумку або відчинити двері – все це фізика.
Зверніть увагу на ліфт, який легко і швидко піднімає вас на потрібний поверх, автомобіль або інший транспорт, комп'ютери, планшети та телефони. Без фізики все це б нікуди не поїхало, не включилося і не запрацювало.
Розвиток фізики можна прирівняти до прогресу.
Спочатку люди зрозуміли закони оптики та винайшли прості окуляри, щоб ті, хто погано бачить, могли краще орієнтуватися, читати та писати. А потім у світі з'явилися мікроскопи, за допомогою яких вчені зробили неймовірні відкриття в таких галузях, як біологія та медицина. І телескопи, в які астрономи побачили планети, зірки і цілі галактики і змогли зробити висновки про будову Всесвіту. Кожне відкриття у фізиці допомагає людству зробити новий крок уперед.
Гаразд, скажете ви. Але для всього перерахованого, для всіх цих відкриттів та розробок існують фізики. Тобто люди, які свідомо вибрали саме цю науку своєю основною професією. До чого ж тут інші, та ще й гуманітарії? Їм на що ці знання, якщо можна просто прочитати інструкцію до свого телефону, і цього буде достатньо для його використання?
Ми вже писали, що, але крім цього, наведемо кілька прикладів з повсякденного життя, коли базове знання фізики може стати у нагоді кожному. Причому розберемо лише один розділ фізики, практично повністю створений Ісааком Ньютоном, - механіку.
Рух, швидкість, прискорення.
Отже, все у Всесвіті постійно рухається, включаючи нашу планету та землю, якою ми ходимо. А ходимо ми майже щодня у різні місця. Отже, ми постійно розраховуємо, наскільки швидко дістанемося театру, роботи, друзів, щоб не запізнитися. Завдання на швидкість ми вирішуємо у середній школів рамках курсу математики, але насправді базова фізика.
Тепер уявіть, що ви вибираєте машину. У вас є бажання отримати швидкий автомобіль, але вам потрібно возити сім'ю, тому розмір теж має значення. Тобто жвавий і великий. І як зрозуміти, який підійде? На що ви звернете увагу? На прискорення, звичайно! Є такий параметр - постійне прискорення, тобто розгін від 0 до 100 км. за кількість секунд. Так ось чим менше час від 0 до 100, тим бадьорішим буде ваша машина на старті та віражах. І це вам підкаже фізика!
Коли ви починаєте (і продовжуєте) водити машину, дещо з базового курсу фізики вам знадобиться. Наприклад, ви самі зрозумієте, що різко гальмувати на трасі при швидкості 120 км/год тільки тому, що вам раптово захотілося помилуватися гарним краєвидом, мабуть, не варто.
Навіть якщо за вами не їде на такій же швидкості ще кілька автомобілів, водії яких можуть не встигнути зреагувати. Просто при гальмуванні прискорення негативне, тому всіх, хто сидить у машині, різко кидає вперед. Повірте, ремені, що впиваються в тіло, і розтягнуті шийні м'язи - це неприємно. Просто майте на увазі таке поняття з фізики, як прискорення.
Сила тяжіння, імпульс та інші корисності.
Фізика розповість про закон тяжіння. Тобто ми вже й так знаємо, що якщо кинути предмет, він упаде на землю. Що це означає? Земля притягує нас та всі предмети. Мало того, планета Земля приваблює навіть такий важкий космічний предмет, як Місяць. Зауважимо, що Місяць не відлітає своєю траєкторією і щовечора показується людям. Також не зависають у повітрі будь-які штуки, які ми в серцях кинули на підлогу. На кинуті предмети діє ще й прискорення, оскільки Землі величезна сила тяжіння. А також сила тертя.
Тому, знаючи про ці закони, можна зрозуміти, що відбувається, якщо людина стрибає з парашутом. Чи пов'язана площа парашута пов'язана із уповільненням швидкості падіння? Може, варто просити більше парашут? Як діє імпульс на коліна парашутиста, і чому не можна приземлятися на прямі ноги?
Як вибрати гірські лижі? Ви чудово катаєтесь чи тільки починаєте? Подумайте про тертя, уточніть саме ці параметри нових лиж. Якщо ви новачок, який не знає фізики, то дуже ймовірна помилка у виборі. Чи встигнете ви зупинитися?
Окей, ви не збираєтесь стрибати з парашутом і нічого не хочете знати про гірські лижі.
Повернімося до повсякденності. Ось перед вами гайка та гайковий ключ. За яку частину ключа потрібно взятися, щоб прикласти до гайки максимальну силу? Ті, хто вивчав фізику, візьмуться за ключ якнайдалі від гайки. Щоб відкрити важкі двері в стару будівлю, потрібно тиснути на неї з самого краю, подалі від петель. Чи потрібно розповідати про важіль та точку опори, якої так не вистачало Галілею?
Напевно, цих прикладів поки що достатньо для ілюстрації щоденної присутності фізики у нашому житті. І це була лише механіка! Адже є ще оптика, яку ми згадували на початку статті, та електрику з магнітними полями. І це ми скромно мовчимо про теорію відносності.
Повірте, фізика на базовому рівнінеобхідна кожному, щоб не виглядати безглуздо і смішно у звичайнісіньких ситуаціях.
Насамперед потрібно оцінити свій поточний рівень знань та зрозуміти, чого хочеться досягти. Якщо під "з нуля" розуміється повне незнання предмета, то перш ніж кидатися вирішувати купу тестів з усіляких книг ФІПД, потрібно постаратися розібратися в самих процесах і законах фізики, на мою думку, розуміння має бути основним моментом, на який необхідно звертати увагу . Розуміння сильно допоможе вам при вирішенні частини, де є вибір відповіді (якщо вона ще є, я не в курсі). І так, щоб почати щось розуміти, потрібно брати підручник, відкривати розділи фізики по-порядку і читати, по кілька разів, не потрібно думати, що прочитавши один раз, вам цього буде достатньо, потрібно перечитувати, тож запасіться терпінням. З книг з теорії я рекомендував би підручники Г.Я.Мякишева, тільки профільний рівень, кожному розділу присвячена окрема книга. Але не для постійного читання, а на випадок, щоб відкрити незрозумілі місця та прочитати докладніше, подробиця викладу найчастіше вирішує проблему розуміння. А для основного вивчення теорії: mathus.ru, там все в міру коротко і розумно розписано. Не бачу сенсу читати щось фундаментальне типу Ландсберга, дуже багато часу витратите, для ЄДІ не варто. Відмінним варіантом можуть стати навчальні відео, тільки не аби що. СПРАВЖНЯ рекомендую відео Михайла Пєнкіна (викладач МФТІ), їх дуже багато в мережі і якісніше не думаю, що можна знайти. Його ролики, можливо, зможуть вам замінити всі підручники, навіть краще буде, якщо ви розпочнете саме з них! Далі на рахунок зубріння формул і т.п. Не варто зубрити формули, намагайтеся вирішувати завдання, де ці формули застосовуються, згодом ви їх запам'ятаєте; вчитеся виводити формули самостійно, знаючи основні закони, можна отримати практично все, що завгодно. Звичайно, скажіть ви, що це складно, з нуля, але все ж варто пробувати. На рахунок вирішення завдань з розрахунками та розгорнутою відповіддю: починайте з простих, як тільки зможете вирішувати, ускладнюйте рівень завдань. Щоб навчитися вирішувати завдання в першу чергу варто розбирати вже вирішені завдання з розділів, що цікавлять, тому що методи, підходи і взагалі розуміння що робити ніяк не виникне у вас саме, скільки б часу ви не сиділи над завданням. Рекомендую книги "Репетитор з фізики" Касаткіна І.Л., безліч розібраних завдань, читайте, розбирайтеся, спробуйте вирішити аналогічну. Якщо готові платити гроші, то не раджу йти до репетитора, а раджу портал http://foxford.ru/, це не реклама. Там можна пройти курси підготовки, викладачі є унікальні. Найголовніше - не здавайтеся, і не думайте, що все складно, як тільки почнете розбиратися, зрозумієте, що хочеться розбиратися далі. Попереджу на рахунок купи матеріалів з інтернету, скрізь можуть бути помилки, а людині, яка тільки-но розпочала, практично не під силу відрізнити хороші матеріалиДля підготовки від чогось незрозуміло, не приймайте на віру перше, що трапилося, намагайтеся розібратися, ставте все під сумнів, це ключ до прогресу. І так, якщо підвести межу:
1) намагатися розуміти
2)починати розбиратися з простого
3) не зациклюватися на нарішуванні простих завдань, якщо розумієте - з голови не вилетить
4) не зубрити
5) використовувати хороші джерела (ті, які я навів, перевірені особисто мною)
Нехай краще ви зрозумієте і з упевненістю відповісте на ЄДІ, ніж назубріть і нарішаєте. Зрозуміти все за рік НЕ можливо, можете повірити, чи фізика не просто алгоритм дій. Але у вас обов'язково повинні бути теми, які ви вникли, щоб вирішити з упевненістю все з них, або майже все. Отже, коли "пробіжитесь" по всіх розділах, варто особливо звертати увагу на ті, які краще даються. Бажаю удачі!