Для вивчення основ фізики, BUDYON - S OFFICIAL SITE
також «Про швидке вивчення основ математики»
Вивчення фізики у школі побудовано грамотно у плані «розгортання явищ», інша річ, що, як і у випадку з математикою, далеко не завжди зрозуміло — навіщо це потрібно знати. Оскільки фізика наука суто практична, то якщо не йдеться про якісь спеціальні фізматшколи, її й треба викладати «чисто практично». Трохи теорії і тут же розбір речей, які нас оточують з погляду щойно поданих фізичних законів. Або навпаки: спочатку якесь явище з яким кожен із нас стикається по сто разів на день, а потім «розбір польотів».
А у нас виходить, що всіх готують як майбутніх фізиків, хоча реально в тому вигляді в якому вона викладається вона потрібна одному відсотку не більше.
З особистого досвіду я можу зробити висновок, що люди схоплюють математику краще ніж фізику, що ніби дивно, враховуючи куди більш «приземлений» характер фізики. І якщо в математиці можливо все, що не виходить за рамки її внутрішньої логіки, то у фізиці тільки те, що можливо в реальності. Скажімо, в математиці я можу отримувати надсвітлові швидкості та негативні абсолютні температури, в математиці у мене величини можуть тікати в нескінченність за кінцевий проміжок часу, але фізично все це не матиме сенсу. Ось чому фізика накладає нехай навіть на найбездоганніші математичні викладки свій набір обмежень. Хоча все одно дивно, як, наприклад, людям, які легко схоплювали такі абстрактні речі як тензорний аналіз, було абсолютно неможливо пояснити, що таке фазовий перехід другого роду, індуктивність або залишкова намагніченість. Хоча, може, саме в цьому і складність фізики – вона переносить у реальний світ.
Традиційно фізику починаютьвивчати з механіки, і це правильно. Люди якраз із механіки й стартували. Кидалися камінням, билися палицями, рили ями, накриваючи їх гілками, щоб туди потім провалювалися дурні нещасні динозаври. Дивилися, як рухаються зірки. Механіка (класична чи ньютонівська) — вона природна і зрозуміла. Вражаюче, але найпростіші закони, які її описують, були відкриті лише 325 років тому. Потім вивчають основи термодинаміки, попередньо пояснивши, що таке моль, молекулярно-кінетична теорія та ідеальний газ. Як би теж зрозуміло: опанувавши елементарні «механізми» люди зіткнулися з необхідністю видобутку та утримання тепла – треба було опанувати вогнем, навчитися зберігати тепло в житлі. Щоправда нічого не йдеться про зв'язок теорії еволюції з термодинамікою, але, як ми вже підкреслювали багато разів, школа в принципі не дає жодних системних знань. Кожен предмет є окремим шматком. Потім роблять невеликий екскурс у механіку суцільних середовищ – вивчають властивості рідин, елементи гідростатики, гідродинаміки та ін. Потім переходять до того, що з самого початку викликало у людей забобонний жах та приписувалося дії богів – електриці (сюди ж включається вивчення електричних розрядів, тобто блискавок, що випускаються вищими богами – Зевським, Тором, Перуном). Нагадаю, перші електричні закони було відкрито приблизно 200 років тому. Наприкінці переходять до найменш зрозумілих для людини явищ – оптики (тобто проходження видимого світла та близьких до нього ділянок спектру через середовища) та початків квантової фізики – переважно знову-таки пов'язаних зі світлом (спектри випромінювання та поглинання, фотоефект) . І на завершення дають елементи фізики атомного ядра – розповідають як маленькі негативно-заряджені кульки-електрони крутяться навколо масивногопозитивно-зарядженого ядра. Ні слова не йдеться про те, що хімія – це фізика валентних електронів. Тому, скажімо, воду вивчають і в хімії та у фізиці, але якось по-різному і зв'язати одне з одним виходить далеко не у будь-якій голові.
Над усіма цими темами стоїть те, на чому тримається абсолютно вся світобудова – закони збереження. Перший закон термодинаміки (і його окремий випадок – закон збереження механічної енергії), закон збереження імпульсу та моменту імпульсу, закон збереження електричного заряду та три квантові закони збереження – лептонного та баріонного числа та парності.
Так, вивчати фізику «для себе» потрібно в режимі 30% теорії - 70% практики. Скажімо, на прикладі звичайного автомобіля можна вивчати практично всю шкільну фізику. Кінематику - тобто рух з постійною швидкістю і рівноприскорений, рух по прямій і по колу, динаміку - тобто дія сил (ну ось, скажімо, чому при повороті автомобіля вправо, клієнта відхиляє вліво, чому на поворотах роблять віражі - тобто створюють поперечні ухили), рух по похилій площині, можна показати дію сил тертя, і пояснити що таке імпульс і кінетична енергія. Обов'язково звернути увагу, що при збільшенні швидкості в 2 рази енергія збільшується в 4 рази, тобто пропорційно квадрату. Ну а якщо хтось надумав гнати замість належних 60 км - 180 км, то при зіткненні доведеться погасити енергію не в 3, а в 9 разів більшу. Що може негативно зашкодити ймовірності виживання.
Точно також можна вивчати термодинаміку – її перший закон, ізопроцеси, прямий та зворотний цикл Карно. Вивчити, наприклад, чому у двигуна внутрішнього згоряння (та й у будь-якого теплового двигуна) є граничний реально-досяжний ККД і дорівнює він,звичайно ж, не 99% і навіть не 70%, а приблизно 40%. При вивченні роботи газу обов'язково вивчити принцип дії кондиціонера та холодильника. При вивченні властивостей газів вивчити, чому за стандартами не робили газопостачання у будинках вище дев'яти поверхів, яку небезпеку можуть створювати газові балони (на Україні минулого року одна людина зарядила газовий балон під зав'язку на сильному морозі, а потім вніс його до своєї теплої квартири, балон розірвало та загинула вся його родина). При вивченні руху рідин по трубах вивчити чому, наприклад, не можна різко відкривати вентиль під час заповнення системи водою чи пристрій каналізації. Ви знаєте, як влаштована каналізація у вашому будинку? Наприклад, чому каналізаційний стояк виведено на дах. Або чому в унітазному сифоні може зникнути вода (погана ознака до речі!). Ну і таке інше. Вивчайте те, що довкола вас. Навіть можна вивчати від теорії до практики.
Складна тема – електрика. Тобто вона звичайно нескладна, але зазвичай саме вона стає якимось каменем спотикання. Напевно тому, що електрика «невидима», на відміну від механіки чи навіть термодинаміки. Ідуть собі проводочки, підходять до різноманітних холодильників і телевізорів, але як там і що неясно. Я вже розповідав як я пояснював народу що така напруга та струм, але це є найпростіше. З такими важливими явищами як магнетизм, статична електрика, розряд – справа складніша. А нас оточують мотори і генератори (магнетизм) і лампи-економки (газовий розряд). Та й статика також повсюдна. Походьте в синетичному светрі, потім візьмете руками якусь ніжну плату, скажімо DDR3 на 4 ГГб і він може тихо і непомітно вам здохнути. Адже людина на собі тисячі вольт тримати може.
Зовсім каламутна тема - квантові явища. Скажімо, роботусвітлодіода та взагалі напівпровідників можна повноцінно пояснити лише знаючи відповідні розділи квантової фізики, а вони – виключно складні. Тож лізти туди не треба. Просто знайте, що у світлодіоді світиться кристал, а не розпечена спіраль як у звичайній лампі і не газ як в економці. Про діод досить знати що він проводить струм в один бік, а для транзистор - що він має підсилювальні властивості. Не знати квантової фізики — нормально. У нас ось був крутий препод-фізик в інституті, але він один раз нам таємно зізнався, що не розуміє до ладу — як елементарна частка долає потенційний бар'єр? А я ось досі до ладу не розумію як p-n перехід працює, що загалом не заважає мені розробляти і збирати схеми.
Знову ж таки, важливо бачити зв'язки. У фізиці взагалі все пов'язано. Будь-який відомий нам фізичний процес може бути описаний за допомогою всього лише семи величин, та й зараз, якщо хтось чув фізики б'ються над створенням «єдиної теорії поля» — тобто теорії, що зв'язують чотири типи відомих нам фізичних взаємодій. Але тут поки що все застопорилося. Застопорилося про гравітацію. Ми можемо пояснити її механізм.
Пам'ятаю як одного разу «раптом» побачив, що формула кінетичної енергії mV 2 /2, формула енергії зарядженого конденсатора CU 2 /2 і енергії котушки індуктивності LI 2 /2 — схожі. Мені раніше ніколи не подобалося шкільне визначення індуктивності як «коефіцієнта пропорційності між струмом, що йде в замкнутому контурі, і магнітним потоком створюваним цим струмом через поверхню dS обмеженим контуром». Ні, ну воно хіба що так, але для «роботи» таке визначення було незручно. Адже формули неспроста схожі. І індуктивність там стоїть дома маси. А те, що струм це «швидкість», — інтуїтивно зрозуміло. Так, так от,індуктивність - це "маса"! Маса в механіці перешкоджає миттєвим змінам швидкості. Індуктивність перешкоджає миттєвій зміні струму в контурі – при різкому припиненні струму виникає ЕРС самоіндукції, саме завдяки ній можна з батарейки в кілька вольт «вийняти» десятки тисяч вольт, на цьому принципі працюють електрошокери, генератори «іскри» в автомобілях і т.д. Зрозуміло, як і маса, і ємність і індуктивність – скаляри. Тобто подібно до маси індуктивність здатна накопичувати енергію (магнітного поля) і перешкоджати різкій зміні параметра, який власне і є «постачальником» енергії (струму). Те саме і з ємністю. Місткість перешкоджає різкій зміні напруги. Через ці затримки (струму на індуктивності та напруги на ємності) виникають усі ці фазові зрушення, які призводять до грандіозних втрат енергії (за різними даними – до 20%). На ці речі також не звертають уваги.
У розділі «Оптика та хвилі» важливо звернути увагу на залежність проходження хвиль від їхньої довжини. Через це, маючи малопотужний КВ-передавач, можна тримати зв'язок з усім світом, а потужні УКХ (FM)-станції не завжди чути вже при виїзді з міста. Те саме з НВЧ зв'язком – наприклад, ми приймаємо сигнал на параболічну антену з супутника який б'є з відстані 36 000 кілометрів і водночас до нас може не добивати сигнал з телевізійної антени, що знаходиться на відстані 50 кілометрів. Ну і само собою на ефект Доплера – за допомогою нього гайці ловлять водіїв, що перевищують швидкість. Завдяки йому змінюється тон автомобільного клаксона при наближенні та видаленні авто. Сюди ж можна додати стробоскопічний ефект: чому у старих фільмах часто колеса карет крутяться у бік протилежного руху? Хоча зрозуміло, що реально вони крутяться вправильний бік.
