какой она должна быть
Физика как наука - очень разнообразна и широка, ибо охватывает все сферы нашей жизни, наше окружение, нас самих и вообще всё. Без классификации и структурирования с ней разобраться очень тяжело (читай - невозможно), поэтому прямо со школьной скамьи мы знаем, что есть в ней разделы. Они выделяются по группам явлений. В явлениях есть характерные величины. Величины имеют связи друг с дугом. И над всем этим стоят физические системы (объекты). Кратко (в ущерб точности) можно описать структуру физики на современном этапе именно так.
Явления
Явления (что происходит) вокруг нас настолько разнообразны, что разных подгрупп до чёртиков. Я взял группировку явлений из учебника по физике. Там она вполне удобная.
- механические явления,
- тепловые явления,
- электро-магнитные явления,
- квантово-механические явления,
- релятивистские явления.
В каждый раздел входит группа явлений соответствующего типа. Часть из них в школе проходят, а некоторые и в институтах не изучают. Как только учёные открывают новое явление, они его к тому или иному разделу добавляют.
Величины
Величина - очень сложное комплексное понятие. Те, кто скажет - "Да что там величина, мы знаем, что это такое!" - скорее всего опираются на один единственный аспект этого понятия. В большинстве случаев, этого вполне достаточно, но если Вы желаете научиться решать любые задачи по физике, то стоит рассмотреть следующие аспекты величин:
- Наименование
- Обозначение
- Единица измерения
- Методика измерения (прибор и/или формула-определение)
- Значение
Думаю, никто не будет спорить, что эти части неотъемлемы от понятия величина. Для чего это полезно знать? Величины тоже можно группировать. В школе группировка (неявная) ведётся только по последнему аспекту: по типам значений выделяют векторные и скалярные величины. Разумеется, существуют и другие, которые в школе не проходят, например, тензорные. Но мы пока на школьном уровне остановимся. В одном случае нам надо знать число и направление действия этой величины, а во втором достаточно только числа. Такая классификация является достаточной для школьника, но она, разумеется, не полна. Мы все прекрасно знаем, что сила тока не рассматривается в школе как векторная. Кто-то видел над её обозначением знак вектора? А потом нам тут же говорят, что ток течёт в том-то и том-то направлении. Выходит, сила тока от части скалярная, от части векторная... Я уж не говорю про модуль Юнга, про который каждый физик скажет, что он - тензорный.
Я бы, например, добавил ещё пару классификаций. По методам измерения их можно разделить на прямо измеряемые и косвенно измеряемые. Для школьника было бы полезно знать, можно ли вообще величину измерить прямым методом. Если да, то почему бы это не сделать прямо сейчас?
Можно по единицам измерения классифицировать: системообразующие и производные. К первым можно отнести величины, единицы измерения которых прямо прописаны в системе единиц измерения (СИ, СГСИ и пр.), например, Дж, м, с, кг. А ко вторым - которые имеют "составные" единицы, и к этим приводятся, как Дж/с, м/с и пр.
Мало делить величины на такие или сякие. Гораздо важнее представлять себе их, понимать, что они значат. Что скрывается за таким привычным словом, как "скорость"? Спросите кого угодно, знают ли они, что такое скорость, и Вам ответят "да" в ста процентах случаях (не, ну могут с сарказмом сказать "нет"). А потом попросите объяснить. Это будет довольно забавно, ибо объяснение получится путанное и, наверное, будет отсылать к быстроте. А между тем, понимание любой величины хорошо демонстрируется на попытке сравнить одну величину у разных объектов. Вот как Вы узнаете, у кого из бегунов скорость больше? Наверняка поставите их на стометровку и дадите старт. Кто быстрее пробежал, у того и... Погодите! Быстрее, значит, меньше времени затратил! Число на секундомере меньше, а скорость больше. Диссонанс, не так ли? А всё от того, что скорость Вы понимали неправильно. Надо было поставить двух бегунов на неограниченную дистанцию, дать каждому час времени, и посмотреть, какой из них дальше убежит. Скорость не часами измеряется, а линейкой. Число на линейке больше - скорость больше.
С какими-то величинами таких проблем не возникнет, потому что понимаете их правильно. Длину легче сравнить?
Существует величинообразующий, как я его называю, вопрос. К каждой величине его можно задать. Обязан этот вопрос начинаться со слова "сколько". Скорость тогда определится как "сколько километров пробегает бегун за каждый час". К длине вопрос задать чуть сложнее, тут нам поможет...
... герой мультика и сказки Г. Остера.
В физике есть ещё несколько интересных величин. Их вопросы начинаются со слов "на сколько". Это служебные величины-связи. Например, для величины "напряжение" вопрос звучал бы "на сколько Вольт потенциал поля в этой точке отличается от потенциала поля в той точке?". Такие величины на пересчёт, их достаточно просто знать. Чаще всего их можно узнать по значку "дельта", который ставится перед буквой-обозначением.
Связи
между величинами условно можно поделить на две категории.
- Законы
- Определения
Они очень похожи, их невероятно сложно отличить. формулы-законы и формулы-определения могут не просто быть похожими, а практически идентичными! Вот какая из этих двух закон, а какая определение?
Законы связывают между собой несколько величин, констант (тоже величины), коэффициентов. Их связь выражается через арифметические действия. Самый хороший пример связи - уравнение Менделеева-Клапейрона.
О чём говорит закон: если Вы измерите все величины, которые в него входят, с их числовыми значениями выполните все арифметические действия, которые указаны в формуле для их обозначений, то слева от знака "=" будет стоять число, очень близкое к тому, что окажется справа от него. На сколько близко - теория погрешностей сможет подсказать.
Определения внешне выглядят точно так же, например, определение плотности. Учитель физики говорит "формула плотности" тем же тоном, как и "формула Менделеева" (во втором случае, учитель неправ). В них есть тот же знак равенства, те же действия, даже буквы те же (и это запутывает ещё больше).
Здесь слева стоит определяемая величина. Эта величина - ненастоящая, в природе нет такой. Её люди придумали. И придумана она так, что её значение вычисляется именно таким способом. Зачем, почему - это пока не важно. Придумали и всё тут. И такие формулы-определения бывают только у выдуманных величин. Сила тока, плотность, концентрация, скорость, энергия, импульс...
У формул-определений есть один интересный момент. Любые связи могут математически выражаться по разному, но определением будет только одна из форм. Например так:
Впрочем, даже с точки зрения математики эти три выражения не равносильны. С точки зрения физики, вообще существует вообще только первая, а вторая и третья - не физичны по сути своей. Возражаете? Напрасно. Пусть у нас будет скорость нулевая. Ну например, мы стоим. В какой формуле невозможно выполнить действия? К тому же, раз уж это формула-определение, то определяемая величина стоит слева, так? Получается, вторая формула определяет... расстояние? Но ведь расстояние определяется совсем не так! Какое время брать и какую скорость, чтобы узнать расстояние от левого края стола до правого? Да бред же полный, нам надо просто линейку приложить - узнаем.
Многие учителя (и ученики им совершенно беззаветно верят) абсолютно искренне считают, что знать физику - значит знать формулы. Уверен, что это не так. Формулы знать полезно, не без этого, но их всегда можно подсмотреть в справочнике. Даже когда речь заходит о многострадальном ЕГЭ. Куда важнее знать явления и какие величины в этих явлениях можно измерять. Чтобы хотя бы знать, какую формулу искать.
Физические системы (объекты)
Начало и конец нашей структуры - объекты. Именно с ними происходят явления, у них и между ними мы измеряем величины. Системой может быть любой предмет, у которого в нашей задаче можно что-то измерить, с которым может что-то происходить. Банальный пример (не люблю я этого, но тут не могу обойтись): пешеход вышел со скоростью 5 км в час из города А в город БЭ, шёл два часа, найдите расстояние между городами. У чего тут можно измерять?
- У пешехода, - скажете Вы, и будете правы.
- А ещё?
- У городов.
- Тоже очко в Вашу пользу. Ещё?
- А разве ещё что-то есть?
- А Вы ходили когда-нибудь между городами?
И вот тут возникает проблема. Никто никогда не ходил между городами! Зачем, когда есть - поезд или машина (не, ну я, надо признаться, как-то прогулялся из одного посёлка в другой, и то - не города). Но если себе представить эту ситуацию, прожить её, хотя бы мысленно, то появится ещё один объект - дорога. У неё тоже можно много что измерить.
И вот потом начинается самое странное. В идеале, мы должны держать в голове все величины, которые можно измерять у этих объектов (город А, город БЭ, пешеход, дорога) и во всех явлениях (спасибо, что только одно - механическое движение пешехода), которые с ними могут происходить. Тут возникает такая вселенская проблема: величин оказывается реально много. Вот придумайте вопрос, начинающийся со слова "сколько" к пешеходу. А ещё один? А ещё? Когда иссякнет поток? Уже? Десятка не набралось... При желании, можно и сотню сочинить, вплоть до "сколько лет назад он закончил школу".
*Вот сейчас меня будут закидывать шапками*
В физике важно держать именно всё бесконечное разнообразие вопросов в голове. Хотя бы на уровне "там ещё можно спросить". Существенно сэкономить усилия помогает использование моделей, в которых явно указывается, что надо измерять, а что нет, и какие связи нужно использовать. И вот в рамках модели держать в голове точно надо всё. Благо, таких моделей в школе всего по пальцам.
Модель можно себе представить как список величин и список формул-законов, которые надо учитывать при решении этой задачи. Тогда "применение модели" будет означать "достали оба списка, прошлись по ним, выписали всё, что там есть.
Опытные решальщики задач держат все эти списки в голове, на лету, ещё читая задачу, по ключевым фразам определяют, какая пара из них нужна, а потом из списков выбирают только те величины, которые входят в формулы наряду с искомой. И формулы так же отсеиваются.
Учителя нельзя к таким приписать, потому что он просто за тридцать лет стажу выучил решение всех задач, и скажите "спасибо", что не врубил презентацию, и не пошёл пить чай в учительскую.
Заключение
Примерно так можно обозначить, что нужно изучать в физике в школе.
- Вещи,
- что с ними происходит,
- что при этом можно измерять,
- как связаны между собой полученные значения.
Учителя, как правило, могут хорошо рассказать о вещах... Ну, точнее, не о всех вещах, а только о тех, которые ребёнок видел. Он может рассказать, что с ними происходит. Есть в учебнике и главы о том, что можно измерять. Но, поскольку спрашивают почему-то только формулы, ученик только их и пытается выучить. Иногда ещё спрашивают решения задач, их тоже ученики пытаются зубрить. Как-то так получается, что формул в физике много, особенно, если бессмысленно учить все их модификации. А задач ещё больше:
Вот ученики и не любят физику. Учат, учат, а зачем? Задачи-то всё равно только учитель решает, да иногда Петров, но он умный...
