Мои Телевизоры

Поговорим о школе

Шумер против Египта

Бороды, наколки, качки

Обратно в мавзолей



Про изучение основ физики

11.01.2014

См. также  «Про быстрое изучение основ математики»

 ph2Изучение физики в школе построено грамотно в плане «разворачивания явлений», другое дело, что, как и в случае с математикой,  далеко не всегда понятно — зачем это нужно знать.  Поскольку физика наука чисто практическая, то если речь не идет о каких-то специальных физматшколах, ее и нужно преподавать «чисто практически». Немного теории и тут же разбор вещей которые нас окружают с точки зрения только что преподанных физических законов. Или наоборот: сначала некое явление с которым каждый из нас сталкивается по сто раз на день, а потом «разбор полетов».

А у нас получается что всех готовят как будущих физиков, хотя реально в том виде в каком она преподается она нужна одному проценту не более.

Из личного опыта я могу заключить, что люди схватывают математику лучше чем физику, что как бы странно, учитывая куда более «приземленный» характер физики. И если в математике возможно всё что не выходит за рамки ее внутренней логики, то в физике  только то, что возможно в реальности.  Скажем, в математике я могу получать сверхсветовые скорости  и отрицательные абсолютные температуры,  в математике у меня величины могут убегать в бесконечность за конечный промежуток времени, но физически всё это будет лишено смысла.  Вот почему физика накладывает пусть даже на самые безупречные математические выкладки свой набор ограничений.  Хотя  всё равно удивительно, как например людям которые легко схватывали такие абстрактные вещи как тензорный анализ, было совершенно невозможно объяснить что такое фазовый переход второго рода, индуктивность или остаточная намагниченность. Хотя может как раз в этом и сложность физики – она переносит в реальный мир.

e2Традиционно физику начинают изучать с механики и это правильно.  Люди как раз с механики и стартовали.  Кидались камнями, дрались палками, рыли ямы, накрывая их ветками чтобы туда потом проваливалась глупые несчастные динозавры. Смотрели как двигаются звезды. Механика (классическая или ньютоновская) — она как бы естественна и понятна.  Поразительно, но простейшие законы которые ее описывают, были открыты всего лишь 325 лет назад.  Затем изучают основы термодинамики, предварительно объяснив что такое моль, молекулярно-кинетическая теория и идеальный газ. Как бы тоже понятно: овладев элементарными «механизмами» люди столкнулись с необходимостью добычи и удержания тепла – нужно было овладеть огнем, научиться  сохранять тепло в жилище.  Правда ничего не говорится о связи теории эволюции с термодинамикой, но как мы уже подчеркивали много раз, школа в принципе не дает никаких системных знаний. Каждый предмет представляется неким отдельным куском.  Затем делают небольшой экскурс в механику сплошных сред – изучают свойства жидкостей, элементы гидростатики, гидродинамики и пр.  Затем переходят к тому, что с самого начала вызывало у людей суеверный ужас и приписывалось действию богов – электричеству (сюда же включается изучение электрических разрядов, то есть молний испускаемых высшими богами – Зевском, Тором, Перуном). Напомню, первые электрические законы были открыты примерно 200 лет назад.   В конце переходят к самым малопонятным для человека явлениям – оптике (то есть прохождению видимого света и e1близких к нему участков спектра через среды) и началам квантовой физики –  в основном опять-таки связанных со светом (спектры излучения и поглощения, фотоэффект).  И в завершении дают элементы физики атомного ядра – рассказывают как маленькие отрицательно-заряженные шарики-электроны крутятся вокруг массивного положительно-заряженного ядра. Ни слова не говорится о том, что химия – это физика валентных электронов. Поэтому, скажем, воду изучают и в химии и в физике, но как-то по-разному и связать одно с другим получается далеко не во всякой голове.

Над всеми этими темами стоит то, на чем держится абсолютно всё мироздание – законы сохранения. Первый закон термодинамики (и его частный случай – закон сохранения механической энергии), закон сохранения импульса и момента импульса, закон сохранения электрического заряда и три квантовых закона сохранения – лептонного и барионного числа и четности.

Да, так вот, изучать физику «для себя» нужно в режиме 30% теории – 70% практики.  Скажем на примере обычного автомобиля можно изучать практически всю школьную физику.  Кинематику – то есть движение с постоянной скоростью и равноускоренное, движение по прямой и по окружности,  динамику – то есть действие сил (ну вот, скажем, почему при повороте автомобиля вправо, «клиента» отклоняет влево, почему на поворотах делают виражи – то есть создают поперечные уклоны),  движение по наклонной плоскости, можно показать действие сил трения, ну и конечно объяснить что такое импульс и кинетическая энергия.    Обязательно обратить внимание на то, что при увеличении скорости в 2 раза энергия увеличивается в 4 раза, то есть пропорционально квадрату. Ну а если кто вздумал гнать вместо положенных 60 км – 180 км, то при столкновении придется погасить энергию не в 3, а в 9 раз большую. Что может отрицательно сказаться на вероятности выживания.

carnotТочно  также можно изучать термодинамику – ее первый закон, изопроцессы, прямой и обратный цикл Карно. Изучить, например, почему у двигателя внутреннего сгорания (да и у любого теплового двигателя) есть предельный реально-достижимый КПД и равен он, конечно же, не 99% и даже не 70%, а примерно 40%.   При изучении работы газа обязательно изучить принцип действия кондиционера и холодильника. При изучении свойств газов изучить, почему по стандартам не делали газоснабжение в домах выше девяти этажей, какую опасность могут создавать газовые баллоны (на Украине в прошлом году один человек зарядил газовый баллон под завязку на сильном морозе, а затем внес его в свою теплую квартиру, баллон разорвало и погибла вся его семья).  При изучении движения жидкостей по трубам изучить почему, например, нельзя резко открывать вентиль при заполнении системы водой  или устройство канализации. Вы знаете как устроена канализация в вашем доме? Например, почему канализационный стояк выведен на крышу.  Или почему в унитазном сифоне может исчезнуть вода (плохой признак кстати!). Ну и так далее. Изучайте то, что вокруг вас. Даже можно изучать от теории к практике.

Сложная тема – электричество. То есть она конечно несложная, но обычно именно она становится неким камнем преткновения. Наверное потому, что электричество «невидимо»,  в отличие от механики или даже термодинамики. Идут себе проводочки, подходят к разного рода холодильникам и телевизорам, но как там и что неясно. Я уже рассказывал как я объяснял народу что такое напряжение и ток, но это самое простое. С такими важными явлениями как магнетизм, статическое электричество, разряд – дело обстоит сложнее. А нас как раз окружают моторы и генераторы (магнетизм) и лампы-экономки (газовый разряд). Да и статика тоже повсеместна. Походите в синетическом свитере, потом возьмете руками какую-то нежную плату, скажем DDR3 на 4 ГГб и он может тихо и незаметно для вас сдохнуть. Человек ведь на себе тысячи вольт держать может.

tunnel2Совсем мутная тема – квантовые явления. Скажем, работу светодиода и вообще полупроводников можно полноценно объяснить только зная соответствующие разделы квантовой физики, а они – исключительно сложны. Поэтому лезть туда не надо. Просто знайте что в светодиоде светится кристалл, а не раскаленная спираль как в обычной лампе и не газ как в экономке. Про диод достаточно знать что он проводит ток в одну сторону, а про транзистор — что он обладает усилительными свойствами. Не знать квантовую физику — нормально. У нас вот был крутой препод-физик в институте, но он один раз нам тайно признался что не понимает толком —  как элементарная частица преодолевает потенциальный барьер?  А я вот до сих пор толком не понимаю как p-n переход работает, что, в общем, не мешает мне разрабатывать и собирать схемы.

Опять-таки, важно видеть связи. В физике вообще всё связано. Любой известный нам физический процесс может быть описан с помощью всего лишь семи величин, ну и сейчас, если кто слышал физики бьются над созданием «единой теории поля» — то есть теории связывающие четыре типа известных нам физических взаимодействий. Но тут пока всё застопорилось. Застопорилось о гравитацию. Мы мне можем объяснить ее механизм.

Помню как я однажды «вдруг» увидел, что формула кинетической энергии mV2/2, формула энергии заряженного конденсатора CU2/2 и энергии катушки индуктивности LI2/2 —  похожи.  Мне до этого никогда не нравилось школьное определение индуктивности как «коэффициента пропорциональности между  током идущим в  замкнутом контуре, и магнитным потоком  создаваемым этим током через поверхность  dS ограниченным контуром». Не, ну оно как бы так, но для «работы» такое определение было неудобно.  Формулы ведь неспроста похожи.  И индуктивность там стоит на месте массы. А то, что ток это «скорость» — интуитивно понятно. Да, так вот, индуктивность – это «масса»!   Масса в механике препятствует мгновенному изменению скорости. Индуктивность препятствует мгновенному изменению тока в контуре – при резком прекращении тока возникает ЭДС самоиндукции, именно благодаря ей, можно из батарейки в несколько вольт «вынуть» десятки тысяч вольт, на этом принципе работают электрошокеры, генераторы «искры» в автомобилях и т.д.  Понятно, что и масса, и емкость и индуктивность – скаляры.  То есть подобно массе индуктивность способна накапливать энергию (магнитного поля) и препятствовать резкому изменению параметра который собственно и является «поставщиком» энергии (тока). То же самое и с емкостью. Емкость препятствует резкому изменению напряжения. Из-за этих задержек (тока на индуктивности и напряжения на емкости)  возникают все эти фазовые сдвиги которые приводят к грандиозным потерям энергии (по разным данным – до 20%).  На эти вещи тоже не обращают внимание.

doppВ разделе «Оптика и волны» важно обратить внимание на зависимость прохождения волн от их длины. Из-за этого, имея маломощный КВ-передатчик можно держать связь со всем миром, а мощные УКВ (FM)-станции не всегда слышно уже при выезде из города.  То же самое с СВЧ связью – например, мы принимаем сигнал на параболическую антенну со спутника который бьет с расстояния в 36 000 километров и в то же время до нас может не добивать сигнал с телевизионной антенны находящейся на расстоянии в 50 километров.  Ну и само собой на эффект Доплера – с помощью него гайцы ловят водителей превышающих скорость. Благодаря ему же меняется тон автомобильного клаксона при приближении и удалении авто. Сюда же можно присовокупить стробоскопический эффект: почему в старых фильмах часто колеса карет крутятся в сторону противоположную движению? Хотя понятно что реально они крутятся в правильную сторону.

В общем, идея понятна. Учите только то, что видите вокруг себя. Что непосредственно ощущаете. Но это есть учить для себя. Если же учить для сдачи ЕГЭ (ЗНО на Украине), то я сомневаюсь что это получится так же быстро как с математикой. При средних мозгах надо будет затратить полгода минимум. Ибо нужно решать задачи, ЕГЭ (ЗНО) – это решение задач. Я когда готовился поступать перерешал полторы тысячи задач из некоего старого задачника, не помню кто автор – хотя задачи в них везде типовые.  Где-то с января по июль, то есть полгода заняло, хотя как вы понимаете, я не на это убивал далеко не всё время.

Tags: , , , ,

Рецензии

Техника

Статьи

Оперы