Трудные темы курса физики/Как учить физику

Основная статья: Трудные темы курса физики

Как учить физику

Трудные темы курса физики выявляются в практике преподавания курса физики в учебных заведениях любого уровня — институте, специализированном техникуме или средней школе, где успех зависит не только от внятности изложения материала и донесения его до обучающихся. Для этого от них требуется всего лишь внимание и хорошая память. Проблема состоит в том, чтобы полученные ими знания превратились в умение. То есть способность оторваться от конспекта лекций или страниц учебника и самостоятельно принять ответственное решение применительно к заведомо не рассмотренному в процессе преподавания конкретному случаю. Это требует активного участия обучаемых в формировании каждым применительно к своим способностям, склонностям и полученного персонального опыта и знаний личного взгляда на предмет обучения.

В годы средневековья практиковавшийся философами античности метод познания, основанный на задании вопросов Природе был забыт и возродился лишь во времена Бэкона и Галилея. Тогда было осознано, что только такой вопрос может получить осмысленный ответ, если он может , пусть только в принципе, быть проверенным простым наблюдением или специально поставленным экспериментом.

Физика, как наука, создавалась в течение многих веков, но её развитие заметно ускорилось в эпоху Возрождения, а в годы начавшейся научно-технической революции (с начала 18 века), увеличение знаний о Природе в странах, преимущественно придерживающихся христианского вероучения, стало лавинообразным.

В первой половине ХХ века делались попытки придать науке национальный характер, то есть поставить её на службу идеологии. Так появилась «советская наука» в СССР и «арийская наука» в нацистской Германии. Но эти тенденции сошли на нет вместе с исчезновением обслуживаемых ими тоталитарных режимов.

Общей чертой современного научного знание о природе и, в значительной степени, в физике, является её интернациональный характер. Научные сотрудники разных стран, в значительной степени получившие знания в национальных учебных заведениях и из учебников, написанных на национальных языках, собравшись на международных конференциях, понимают друг друга.

Изменилось отношение и к авторитетам. Современная наука помнит Эвклида и Пифагора, Аристотеля и Коперника , Ньютона и Кеплера и многих других создателей науки, но редко использует их имена, как последний аргумент в проблеме доказательств. Их труды, если и цитируются, то, главным образом, в плане историческом. Тем более сомнительным является апелляция с целью подтверждения своей позиции, и как решающий аргумент, к именам меньшей значимости , например, авторам популярных учебников. нередко находят удачные формулировки и примеры, помогающие прояснять трудные для понимания вопросы.Невозможно себе представить, чтобы докладчик на международной конференции решился бы в подтверждение своих слов цитировать положения какого-нибудь вторичного источника знания в виде учебника или вообще учебного пособия, о существовании которого его слушатели не имели никакого представления.

В физике нет единого труда, обобщающего в себе все знания о предмете и имеющим то же значение, как Библия, Тора или Коран в соответствующих религиозных конфессиях. И это относится не только к тем разделам физики, которые интенсивно развиваются, но и к так называемой классической физике, которая сложилась как достаточная универсальная система знаний, удовлетворительно отвечающая на вопросы, связанные с чувственным восприятием. Хотя и здесь не всё ясно, примером чего является вопрос о происхождении шаровой молнии.

И эффективным средством, способствующим созданию единого представления о законах природы, ставшим общественным достоянием и потому анонимным принципиально, иными словами общепринятой научной парадигмы является язык математики. Этот язык, постоянно совершенствовавшийся и продолжающий совершенствоваться и сейчас, способствовал тому, что средневековое представление об учёности радикально к настоящему времени изменилось. Если ранее верным способом достижения истины был диспут, в котором побеждало не только красноречие и умение жонглировать авторитетными источниками, но и административный ресурс, то в настоящее время источником знания в науке является первичная информация, получаемая на основании опыта или осмысленного наблюдения. Или же получаемая на основании использования бесспорно признаваемых приёмов математического анализа из исходных посылок.

От ошибок и ухода в область фантазии предохраняет бескомпромиссный принцип, сформулированный ещё Бэконом, заключающийся в том, что единственным критерием научной истины является опыт. При этом научная концепция может подтверждаться множеством опытов, но достаточно лишь одного, где она не срабатывает, чтобы поставить всю эту концепцию по крайней мере, под сомнение.

Сформулированные создателями современной науки законы, благодаря их математической формулировке, стали общественным достоянием в области научного знания. Мировая практика использования научного знания в случае принятия самого ответственного и связанного с большими затратами проекта, основывается на проверенном многократно принципе, базирующемся на на том, что вполне достаточно математического расчёта, который выдержал критику самого строгого и принципиально настроенного консилиума.

Примером тому был вопрос о создании атомной бомбы, когда было высказано опасение, что её взрыв может привести к тотальной катастрофе, связанной с цепной реакцией, которую нельзя будет остановить. Тем не менее нашлись специалисты, которые предложили сделанный ими расчёт, оказавшийся достаточно убедительным для продолжения работы.

Наибольшее удивление у Имануила Канта вызывало то обстоятельство, что в природе нет хаоса, но существуют определённые закономерности, причём эти закономерности познаваемы человеческим умом. Живший после него Пьер-Симон Лаплас в своей картине мира исключил необходимость использования в ней каких-либо сверхъестественных сил,не имеющих физического происхождения, что нашло отражение в его известном ответе на вопрос Наполеона о месте Бога в его представлениях о мироздании. Лаплас ответил, что он в этом не нуждался.

Произошедшая позже научно-техническая революция подтвердила, что эти закономерности, осознанные человеком в качестве сформулированных им законов природы, неизменно подтверждаются на практике, несмотря на ясно осознаваемую ограниченность и неполноту их осознания.

Иная картина наблюдается в тех случаях, где приходится обращаться к вопросам философским, затрагивающих проблему не применения, но происхождения используемых на практике понятий физики.Здесь следует отличать во многом философскую проблему определения понятия, как такового, от вопроса возникновения в конкретных условиях опыта той или иной физической величины, описываемых данным понятием.

В начале 20 столетия классическая наука переживала серьёзный кризис и естественным ответом на него стало появление эмпириокритицизма, известного также по имени физика Эрнста Маха, одного из создателей этого направления, как Махизм. Одним из основ его теории был Принцип экономии мышления, из которого следовало, что объяснительная функция науки, основанная на поисках причин того или иного наблюдаемого на опыте явления, является излишней и должна быть исключена. Науке по Маху следует отказаться от попыток объяснения причин возникновения этих эффектов. И потому физические понятия (в том числе и понятие о силах инерции) и связанные с ними термины, являются не более, чем удобным средством описания наблюдаемых физических явлений.

Сходная точка зрения встречается и в современных курсах механики. Так, например, не редко приходится встретить утверждение, что силы инерции, (точнее эйлеровы силы инерции), не существуют в действительности, но представляют собой искусственное понятие, вводимое по воле человека ради формальной возможности и удобства записи им уравнений движения тел в неинерциальных системах отсчёта. Ишлинский А. Ю. Классическая механика и силы инерции. — М.: «Наука», 1987. — 320 с.. Следует признать , что весьма большое количество авторов учебников по механике как в России, так и за рубежом придерживаются сходной ориентации во взглядах на силу инерции.

Bопрос о сущности сил инерции, чрезвычайно осложнён недомолвками и подчас полным непонимания того, что представляет собой феномен инерции и сопровождающих его сил. Многие сходятся на том, что в основе возникающих трудностей лежит нечёткая и неоднозначная терминология, а в термин «сила инерции» вкладывается разное содержание.(Ишлинский А. Ю. Классическая механика и силы инерции. — М.: «Наука», 1987. — С. 15. — 320 с.)

В своём научном завещании физик-ядерщик Ансельм, Алексей Андреевич. Теоретическая физика ХХ века - Новая философия Природы совершенно ясно и недвусмысленно указывает на то, что достижением теоретической мысли конца ХХ века является окончательное утверждение принципиальной материалистической линии, суть которой состоит в отказе от внесения субъективного элемента в описание Природы.Реально существующими могут считаться лишь те теории, явления или вещи, существование которых может быть подтверждено наблюдением или экспериментом.

В этом отношении , например, силы инерции ( если речь не идёт о даламберовых силах инерции, явно искусственном умозрительном продукте) истинно реальны, что подтверждается хотя бы образованием благодаря их действию приливного водяного горба на противоположной Луне стороне Земного шара.

Ансельм также высказал идею о правильно поставленных вопросах, т. е. таких вопросах, ответить на которые можно путём постановки эксперимента. В противном случае ждать ответа на неправильно поставленный вопрос бессмысленно.

Несмотря на то, что взгляды Маха представляли собой пример приложения философии к практике научного эксперимента, соединение философии с физикой не всем представлялось целесообразным. Так, например, Ричард Филипс Фейнман в своих Фейнмановских лекциях по физике высказывал мнение, что на стадии ускоренного развития науки философам делать нечего. Их время придёт, когда строительство научного знания будет закончено, и настанет время философского осмысления сделанного. А пока философам лишь остаётся "стоять в стороне и делать глупые замечания".

При этом Фейнман считал, что правильно поставленные вопросы могут быть выражены разным образом, но полученные разные по форме ответы будут относиться к одной и той же физической реальности, что особенно ясно проявилось в современной теоретической физике.При этом внутренняя логика, симметрия уравнений подчас значительно сильнее влияют на убедительность получаемых выводов, чем общие рассуждения по поводу правильности описания явлений

Специфика преподавания

Справедливости ради следует заметить, что человеку свойственно ошибаться и потому нельзя ожидать, что в текстах даже самых авторитетных авторов не могут встречаться досадные ошибки.

Поэтому постоянная бдительность читателя и критическое отношение к суждениям авторитетов, независимо от их ранга и степени, совершенно необходимы в том случае, если он действительно задался целью понять физику. В большинстве случаев такой скептицизм позволит обнаружить неполноту и ошибки в собственных знаниях. Однако, в редких случаях и уважаемые учёные способны удивить читателя.

Так, например, в цитируемой ниже глубокой работе профессора Хайкина С.Э. ("Силы инерции и невесомость", стр 205-208)рассматривается в частности вопрос о падении камня на Землю. Ради обострения ситуации автор рассматривает и вопрос о падении Земли на камень и делает существенную ошибку, ставящую под сомнение полученные им в данном вопросе выводы.Ошибка заключается в том, что и камень, и Земной шар в действительности падают на общий центр притяжения и потому путь, проходимый Землёй не равен пути, проходимому камнем.

Ещё одним примером этого являются рассуждения академика Шулейкина , Владимира Владимировича, в своём грандиозном труде (Шулейкин В.В. "Физика моря", 4-е Изд. 1968 г.) доказывающим, что приливы обусловлены "притяжением Луны", а не совместным действием гравитации и сил инерции.Нисколько не смущаясь при этом, что в случае справедливости такого подхода вся вода Мирового океана давно была бы на Луне.

Серьёзным препятствием в получении истинных знаний является существующая до сих пор нечёткость терминологии. И потому автор выдержавшего три издания учебника Механики Хайкин С.Э. проявив свою способность заглядывать в будущее, высказал мнение, что устранение широко распространённых заблуждений, вызванных дефектами терминологии «представляет собой задачу, почти безнадёжную» (Хайкин, Семён Эммануилович. Силы инерции и невесомость. М.,1967 г. Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы.стр. 3).

Отсутствие прогресса в этом отношении связано с тем, что система взглядов на пространства, время и движение входит в основу мировоззрения мыслящего субъекта и, поскольку взгляды людей имеют специфические особенности, нельзя ждать полного единства мнений и в вопросе объяснения явления инерции.Поколения сменяются и новое поколение наследует знания и ошибки предшествующего.

Лучшим способом достижения успеха в этом процессе является решение задач. Именно сравнение собственного решения с ответом и анализ того, почему он не сошёлся, и есть верный путь к пониманию предмета.

Примером выхода из создавшегося положения являются ставшие классическими книги по занимательной науке Перельмана, Якова Исидоровича ,или, на более высоком уровне, лекции профессора Кирпичёва, Виктора Львовича, академика Мандельштама, Леонида Исааковича и его коллеги академика Ландсберга, Григория Самуиловича. А также воспитанников школы Мандельштама профессоров Горелика, Габриэля Симоновича и Хайкина, Семёна Эммануиловича

Отличительной чертой работ этих авторов является то, что они намеренно предвосхищают возникающие по ходу изложения материала у своих учеников трудности и путём подробного, без потери мелких деталей, повествования, добиваются создания прочной базы понимания преподаваемого предмета. Авторы используют весьма эффективный педагогический приём, подводя усыплённого гладко идущем повествованием читателя к кажущемуся парадоксу, заставляя его активно включиться в осмысление материала и строить свою картину, связанную с личными особенностями восприятия закономерностей окружающего мира.

Весьма эффективным педагогическим приёмом стала манера профессора Зоммерфельда имитировать собой несведущего в вопросе человека в беседе со своим учеником. И, тем самым, побуждать его к связному и обоснованному изложению своих мыслей.

Своеобразное положение сложилось в преподавании физики, изложить которую, даже не в целом, то хотя бы в её ограниченной области, например в механике, с исчерпывающей полнотой невозможно. Поэтому добросовестный автор учебника, всегда ограниченный листажем и стоимостью издания, вынужден пойти на компромисс и согласиться на сокращение, а в ряде случаев и на исключение некоторого материала, руководствуясь своим субъективными представлениями о его познавательной ценности в рамках поставленной им самому себе задачи. То есть любой материал содержит недоговорки, сделанные по разным причинам, в том числе и потому, что автор посчитал некоторые положения со своей точки зрения (но не с точки зрения читателя) само собой разумеющимися.

До последнего времени уровень редакционной подготовки выпускаемых в продажу учебников был достаточно высок и принципиальные ошибки, в особенности в записи математических формул, всё же были большой редкостью. Но стиль в изложении материала разными авторами, рассматривавшими свою работу, как оригинальный труд, безусловно отражающий их личные предпочтения и взгляды на рассматриваемый вопрос, заметно отличается. Достаточно сравнить, например, сухой и педантичный курс физики Зоммерфельда и лекции Фейнмана или же курсы Высшей математики Смирнова и Фихтенгольца.

Поэтому ошибается тот, кто ограничивается в изучении курса физики одним, принятым в своём учебном заведении, учебным пособием. Это почти всегда ведёт к формальному усвоению знаний и школярству. Крайне желательно для выработки широкого взгляда на предмет, знакомства с по возможности с рядом учебных пособий.Кстати, это весьма эффективный способ приобрести чрезвычайно полезное свойство, а именно эрудицию.

И потому никогда не следует брать всё, что написано, на веру. Но не для того, чтобы обнаружить серьёзные ошибки автора, которые весьма мало вероятны, а для того, чтобы поддерживать в активном состоянии свою способность к сознательному, следовательно и критическому, усвоению материала.

Ещё в 1964 году Рихард Курант отмечал, что практикуемый некоторыми авторами метод обучения, основанный на использовании дедукции, опирающейся на догматические аксиомы и готовые формулировки законов, полностью дезориентирует учащегося. Хотя и позволяет быстрее обозреть большую область знания. Гораздо скорее к самостоятельному творческому мышлению ведёт конструктивный индуктивный способ, ведущий от частного к общему и избегающий догматического принуждения.

Академик Зельдович создал образ ограниченного читателя - крючкотвора, выдумывающего возражения и с радостью придирающегося к недостаточной обоснованности вычитанных им положений. От такого следует отбиваться , последовательно и упорно с помощью строгой последовательности логических следующих одна за другой построений. Академик настаивает на следующем: " ... сперва поверь на слово, пойми о чём идёт речь. После этого,став старше и образованнее, можешь вернуться к вопросу о строгости доказательств".

В своих сочинениях по механике, профессор Харкевич видит выход из создавшегося положения в отказе от бесплодного блуждания в области терминологии среди противоречащих друг другу мнений. Он полагается на здравый смысл и информированность читателя в рамках школьного курса физики. И считает, что читатель сам должен путём детального анализа физической картины самостоятельно уточнять терминологию при настолько детальном рассмотрении, чтобы дефекты терминологии выступили наиболее выпукло и очевидно. И только это позволит ему создать приемлемую для себя и при том адекватную действительности физическую картину явления или понятия.

Свою же роль, как педагога, автор видит в помощи читателя, снабжая его максимумом информации и обращая внимание на важные для понимания тонкости. Причём по возможности заменяя множество математических выражений гораздо большим количеством слов, объясняющих смысл этих выражений. При этом автора не смущает, что это ведёт к существенному увеличению объёма книги. Он надеется, что в случае, если такой подход позволит хотя бы частично устранить недоразумения в отношении силы инерции, то это увеличение объёма себя оправдает. (Силы инерции и невесомость.Стр.4)

Решение задач

В области точного знания широко распространено мнение, что в каждой науке столько науки, сколько содержится в ней математики. И физика в этом отношении в наибольшей степени отвечает этому положению. Во всяком случае, ни одна проблема, относящаяся к области физики, не может считаться окончательно решённой, если она не сопровождается расчётом, основанным на использовании понятий и правил математики.

Основой для усвоения знаний по физике, является решение задач. И не тех, которые содержат заранее известный алгоритм нахождения ответа. Следует выбирать такие, которые имеют характер самостоятельного оригинального исследования. Только таким образом можно избежать приобретения формального и потому по сути своей бесполезного, знания.

Академик Зельдович цитирует слова Эйнштейна, сетовавшего на то, что "современные методы обучения почти полностью удушили способность удивляться", что является сильнейшим побудительным стимулом для исследования там, где рядовой человек видит лишь общеизвестные факты.

Задачи этого типа решаются в несколько шагов. Первое, что следует сделать, это упростить рассматриваемую задачу, на свой страх и риск отбросив все детали, которые представляются несущественными в рамках конкретной проблемы. И ясно себе представить, в какой форме должен быть получен окончательный ответ.

Затем следует вспомнить количественные закономерности, выраженные формулами из привлекаемых разделов физики.

Затем записывается формула, позволяющая получить ответ на решаемый вопрос или, в достаточно сложных случаях, составляется план решения, состоящий на нахождении промежуточных результатов.

При этом надо быть готовым к тому, что эта формула не будет содержаться в известной учебной литературе. И вообще не будет воспроизведена ни в одном авторитетном источнике. Искать аналогии своему решению в случае, если не известно точно, где и кем подобная твоей задача была рассмотрена - напрасная трата времени,

Академик Зельдович советует учащемуся не оценивать трудности числом формул и их сложностью.Самое сложное и трудное -это математически сформулировать задачу в виде алгебраического уравнения, интеграла или дифференциального уравнения. Он пишет:

По собственному опыту автор знает, что те работы, которые ему не удалось сделать (которые тем временем были сделаны другими!) не были сделаны потому, что, ограничиваясь общим размышлением,автор не находил смелости писать уравнения, математически формулировать задачу; вычислительные трудности в чётко поставленной задаче с ясным физическим содержанием всегда преодолеваются, если не точным расчётом, то приближёнными методами

Но и здесь сразу браться за преодоление трудностей расчёта не целесообразно. Следует первоначально попытаться найти наиболее простой путь, пусть связанный с заведомой неточностью, имея при этом в виду,что в большом числе случаев путь, приводящий к общему решение нередко бывает непреодолимо сложен.С другой стороны, как подчёркивает академик, всегда есть простые, хотя и более грубые способы.

Не произвести приближённого расчёта и при этом ссылаться на то, что точный расчёт труден, значит просто прикрывать такой ссылкой свою нерешительность и робость. Чаще всего именно робость мешает начинающим учёным и изобретателям

Существует принцип, согласно которому если вначале в расчётную формулу входила некоторая величина, которая в окончательном результате сократилась, то это значит, что существует иной способ составления формулы, где эта величина вообще не фигурирует. Другой, и более простой вывод формулы открывает возможность на получение иного и нового взгляда на описываемое явление.

Если установлено, что задача не имеет точного решения в виде явной формулы, то следует искать хотя бы грубое решение задачи. Уметь это во много раз полезнее и плодотворнее злорадного подчёркивания недостатков грубых решений.

Следует помнить, что точное решение обычно очень чувствительно к малейшим изменениям при постановке задачи. И бывает достаточно небольшого усложнения задачи, чтобы стало невозможным найти точного решнгия.

Кроме всего, совершенно обязательным является проведение анализа размерностей. То есть размерности всех входящих в математическую запись формулы величин должны в результате давать размерность, соответствующие размерности ожидаемого результата.

Затем составляется программа вычислений по созданной формуле, что полезно, поскольку она позволит получить представление о поведении ответа при различных значениях входящих в роли аргументов величин. В результате откроется возможность изобразить результат в виде графика, который целесообразно строить при любой представившейся возможности, поскольку графическое представление результата намного информативнее таблицы числовых значений.

Наконец, если позволяет время, следует провести анализ созданной формулы, представив себе её поведение при крайних значениях входящих в неё аргументов, и оценить погрешность полученного результата при возможных вариациях их значений .

О целостности физической картины природы

В конечном счёте обучение физике ставит своей целью создание целостного, непротиворечивого представления о предмете, которое станет частью персонального варианта мировоззрения учащегося . Сразу можно сказать, что позаимствовать из какого-то сверх-авторитетного источника такие знания невозможно. Во-первых, их надо самому пережить и прочувствовать, т.е. создать на основании приобретения личного опыта путём произведения ошибок и их осознания и исправления собственный вариант. Во-вторых - потому, что такого источника, с положениями которого можно было бы безоглядно согласиться во всём, просто нет.

Так до сих пор, в течение десятилетий, не решён до конца вопрос о едином понимании основы классической физики - динамики и её законов.И причина лежит не только в терминологической путанице из-за различного понимания смысла используемых формулировок, но и глубже - в далеко не ясно осознаваемого влияния мировоззрения.

Существует и противоположная точка зрения, основанная на последовательном применении материалистического взгляда на явления природы, в соответствии с которыми силы инерции вполне реальны и по своему действию равноправны известным силам, рассматриваемым в инерциальных системах отсчёта, хотя и отличающиеся от них своим происхождением.

Это различие не сказывается на прикладных вопросах, с которыми приходится сталкиваться на практике по той причине, что математические формулы нечувствительны к идеологической нагрузке, которую несут входящие в них величины.

Рассмотрим роль сил инерции в формулировки Основного закона механики. Понятие о работе силы инерции входит в основной закон динамики:

$\Sigma (\delta A_{a}(i)+\delta A_{j}(i))=0$ (1)

или иначе :

$\Sigma (F_{a}(i)\cos \alpha (i)+F_{j}(i)\cos \beta (i))\delta s(i)=0$ (2)

Здесь : $\delta A_{x}(i)$ есть элементарная работа, совершаемая «активными силами» — индекс x=a (то есть силами, происхождение которых можно в принципе проследить) и силами инерции индекс — x=j (то есть силами, возникшими благодаря воздействию других активных сил не на сам i-тый компонент системы, но на систему отсчёта, что в результате изменило его ускорение.)

В (2) предполагается, что работа вызвана силой $F_{x}(i)$ , направленной под углом $\alpha (i)$ для активной силы и под углом $\beta (i)$ для силы инерции к направлению виртуального смещения $\delta s(i)$

Общее уравнение механики учитывает работу сил инерции наравне с работой активных сил. Это значит, что с позиции общих принципов механики в отношении сил инерции (точнее сил инерции) «…следует признать, что у нас нет сколько-нибудь веских оснований сомневаться в реальности сил инерции…» ("Силы инерции и невесомость", Стр.178)

Общее уравнение (закон) механики представляет собой математическую формулировку принципа Д’Аламбера — Лагранжа, дающего общий метод решения задач динамики и статики и являющегося одним из основных принципов теоретической механики.(^[1] Стр.142) Этот принцип объединяет принцип возможных перемещений и принцип Д'Аламбера

И субъективный идеалист, знакомый с основным законом динамики, в котором на равных представлены работы, совершаемые как силами в их общеизвестном понимании и фиктивными (по его мнению) силами инерции, получит в результате правильного применения этого закона правильные же результаты. Вопрос же о том, как можно суммировать наравне с реальной работой реальных сил ,работу "совершаемую фиктивными силами", останется на его совести. Здесь в пору вспомнить, уже в средние века с подобной проблемой столкнулся преподобный Тертуллиан, поставленный в трудное положение необходимостью объяснить единство Святой Троицы, представленной в трёх лицах. И он всё же нашёл не поддающийся оспариванию ответ: "Верую - ибо нелепо".

На этом мировоззренческие проблемы , касающиеся основ классической физики, не заканчиваются. В самом деле, исторический опыт Майкельсона - Морли, из которого стало ясно, что скорость света в любой инерциальной системе остаётся постоянной, покончил с убеждениями Ньютона о существовании гипотетического эфира, который может быть принят за изначальную систему отсчёта, в которой могут быть описаны движения материальных тел. Все инерциальные системы оказались равноправными, а движения, совершаемые в них телами - равномерными и прямолинейными (покой -частный случай ) тогда, когда на них не действуют силы, создаваемые окружающими их телами или полями (Первый закон Ньютона).

Ньютон же сформулировал основную концепцию классической динамики, согласно которой между силой, нарушающей равномерное и прямолинейное движение массивного тела, заключающееся в получении им ускорения, как векторной величины, имеется прямая пропорциональность (Второй закон Ньютона). По установившемуся к настоящему моменту времени мнению, Ньютон имел в виду лишь движение тела в инерциальной системе отсчёта, хотя определённо не утверждается, что Ньютон как-то специфицировал действующие на тело силы по причинам их возникновения.

В любом случае чрезвычайно распространённым и широко тиражируемым в учебной литературе является утверждение о том, что Второй закон справедлив и действует лишь применительно к инерциальным системам. При этом столь же распространёно убеждение, что инерциальная система, как таковая, является лишь предельным случаем системы неинерциальной. Причиной возникновения которой является её ускоренное движение под действием подействовавшей на материальное тело, являющейся носителем этой системы отсчёта силы. Частным, но чрезвычайно распространённым случаем реализации такой неинерциальной системы является тело, вращающееся под действием центростремительной силы, работы не совершающей .

Так искусственно создаётся парадоксальная ситуация, когда Второй закон Ньютона объявляется несправедливым в подавляющем большинстве практически интересных случаев. Поскольку он якобы применим лишь в системах инерциальных, представляющих собой исключение. Таким образом связь между силой и ускорением оказывается не объясняемой никаким законом природы. Хотя приходится признать, что силы инерции оказывали своё влияние на природные процессы с начала мироздания, во всяком случае задолго до того, как у кого-то появилась потребность провести какие-то расчёты.

Мир устроен так, что в реальной действительности помимо сил, непосредственно действующих на тело со стороны других тел и полей, существуют и действуют на то же тело силы, вызванные не непосредственным действием на тело, но косвенно через действие на систему отсчёта, в котором рассматривается его движение. Действующие на систему отсчёта силы ничем не отличаются от сил, приложенных к наблюдаемому телу и потому силы инерции имеют вполне реально выраженное физическое происхождение.

В итоге сила, действующая на тело в неинерциальной системе отсчёта плюс действующая на это же тело в этой же системе отсчёта сила инерции есть именно та сила, которая действует на тело в инерциальной системе.

Таким образом учёт сил инерции позволяет распространить Второй закон и на неинерциальные системы отчёта. Что, собственно, и предусмотрено в математической формулировке упомянутого выше основного закона динамики.

В связи с этим возникает проблема определения того, является ли система инерциальной, или же нет. Хотя более соответствующей духу физики является постановка вопроса о том, насколько неинерциальна/инерциальна выбранная для решения конкретной задачи система отсчёта. Ответ заключается в анализе сил, действующих в заданной системе на тело и установлении допустимого вклада в результирующую силу собственно сил инерции. Если это предел не превзойдён, система может считаться инерциальной со всеми безусловными выгодами, происходящими из такого упрощения задачи.

Сила инерции, понимаемая в таком смысле, есть объективно действующий физический фактор, определяющий свойства системы отсчёта и позволяющей считать её инерциальной, либо неинерциальной.

И этот вопрос - не единственный, который нарушает желаемую целостность физической картины мира. Например, образцом непреодолимого двоемыслия является дуализм "волна-частица", заставляющий считать свет в одних случаях явлением, связанным с распространением электромагнитной волны, в других - потоком специфических частиц - фотонов. И в основе этого лежит то обстоятельство, что все наши представления о мире в конечном счёте основаны на чувственном восприятии и повседневном опыте. У нас просто нет языка,т.е. адекватных понятий, для описания процесса излучения, поскольку в процессе освоения законов природы это явление не находило своего выражения в терминах повседневного опыта. На самом деле свет -это ни то, ни другое.

И эти соображения особенно наглядно проявляются при изучении явлений микромира или, наоборот,в космологии.

Трудные темы курса физики/Как учить физику

Содержание

Специфика преподавания

Решение задач

О целостности физической картины природы

Рекомендуемая литература