URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Львовский В.А. Самоучитель по физике. Справочное руководство
Id: 170033
 
594 руб.

Самоучитель по физике. Справочное руководство

2013. 189 с. Мягкая обложка. ISBN 978-5-906242-01-3.

 Аннотация

Справочное руководство завершает линейку пособий в серии «Самоучитель по физике», оно нацелено на систематизацию знаний по физике через решение ключевых задач, на знакомство с элементами современной физики, которые обычно изучаются в старшей школе (10 – 11 классы). Справочное руководство написано кандидатами трех наук – физики, психологии, педагогики. Авторский коллектив стремился к тому, чтобы содержание было научным, и, вместе с тем, соответствовало психологии возраста; систематизировало знания и развивало физическое мышление. Справочное руководство формирует компетенции, необходимые для успешного продолжения обучения в любом высшем учебном заведении. Справочное руководство построено в логике задачного подхода, многие теоретические вопросы раскрываются через задачи. Это пособие нацелено на общее образование, но будет полезно и для тех учащихся, кто готовится к ЕГЭ по физике и связывает свою судьбу с естественнонаучными и техническими профессиями. Мы надеемся, что оно найдет признание и у учителей физики.


 Предисловие к Справочному руководству

Справочное руководство завершает линейку пособий в серии «Самоучитель по физике». Оно адресовано тем, кто уже знаком с основным содержанием курса физики и поставил перед собой задачу дальнейшего изучения этой науки. Справочное руководство призвано помочь сориентироваться в огромном объеме содержания физики, понять, как устроен этот учебный предмет, построить «дорожную карту» его изучения (в этом поможет примерная Программа по физике и Предметно-именной указатель).

Читатель, уже знакомый с базовым курсом физики, не нуждается в многочисленных определениях и последовательном введении тех или иных физических понятий – все это при желании он может найти в Интернете. Справочное руководство приглашает к совместным открытиям при решении разнообразных физических задач, к построению теорий в процессе этих открытий, к формулировке новых вопросов.

Физика как фундаментальная наука фокусируется на изучении двух форм существования материи – вещества и поля. Она исследует те «кирпичики», из которых построено вещество (от элементарных частиц до молекул) и те поля (фундаментальные взаимодействия), которые «склеивают» эти кирпичики. Соответственно, физику можно разделить на две большие области – структурную физику и физику взаимодействий (или полевую физику), которые нашли отражение в последнем разделе Справочного руководства – «Частицы и поля».

Кроме этого, выделяется область, связанная с физикой движений (механикой). Механика по отношению к остальным областям физики выступает в функции средств и методов исследования, поэтому Справочное руководство начинается тремя большими разделами: «Пространство и время», «Сила и импульс», «Работа и энергия». Изучаем ли мы молекулярную теорию или классическую электродинамику, теорию атома или колебания и волны, – на помощь нам приходят три ключевых способа описания и объяснения: кинематический, динамический, энергетический. Это различение в достаточной степени условно, не всегда эти способы можно противопоставить друг другу, нередко они комбинируются при решении конкретных задач.

Классическая физика четко разграничивала частицы и поля, дискретное и непрерывное. XX век нанес сокрушительный удар по классическим представлениям, постепенно стала меняться физическая картина мира. Частицы в некоторых опытах проявляли волновые свойства (ярким примером является дифракция электронов), а электромагнитная волна демонстрировала корпускулярные свойства (например, при фотоэффекте). Наряду с так называемым лапласовским детерминизмом все большую роль в физике стали играть вероятностные теории. Специальная теория относительности заставила пересмотреть классические представления о пространстве и времени, о движении частиц с релятивистскими скоростями. Принцип дополнительности, соотношение неопределенностей, теория относительности привели к серьезным философским дискуссиям, которые продолжаются до сих пор.

Принцип соответствия указал место классических теорий как частного случая новых, более общих, квантовых и релятивистских. Именно поэтому каждый раздел Справочного руководства начинается с научно-популярного изложения основополагающих вопросов современной физики. «Старые» теории не потеряли свое значение – для решения задач в макромире они адекватны и более удобны, поэтому значительное внимание в пособии уделяется классической физике».


 Содержание и структура Справочного руководства

Новая структура концентров по физике породила множество трудностей, которые по-разному преодолеваются разными авторами программ и учебных пособий. Учителю досталось самое трудное – проблема мотивации, падение интереса учащихся к физике. Эта проблема имеет объективные основания, главные из которых:

1) сложный, не сообразный возрасту, перегруженный курс основной школы;

2) дублирующий и поэтому не очень интересный курс старшей школы (то, что учащиеся неважно усвоили курс основной школы, не делает более увлекательным повторение, которое, по меткому выражению Э.В. Ильенкова, является не матерью, а мачехой учения).

Решая вторую проблему, мы вышли на неклассическую структуру Справочного руководства. Идея новой структуры родилась у нас в процессе тренинга по физике для старшеклассников, который мы проводили вместе с учителями города Набережные Челны (на базе гимназии №36 «Золотая Горка», директор Ф.Г. Ивлева). Проанализировав дефициты учащихся, выходящих на ЕГЭ, основные проблемы по аналитическим отчетам ФИПИ, мы пришли к выводу, что многие проблемы связаны с отсутствием целостного, системного видения физики. Даже хорошие ученики часто не понимают, «на что задача», не могут преодолеть границы общепринятых разделов физики, им не хватает легкости, мобильности. Обычно эти проблемы решаются за счет многократного повторения, решения множества задач. Но современные дети – это не дети середины или даже конца прошлого века, у них намного больше соблазнов, намного меньше стимулов к учебе, меньше терпения. Интуитивно они чувствуют, что можно обойтись меньшими затратами при том же результате, с помощью специальных технологий можно повысить КПД.

Одна из таких технологий была нами применена в Справочном руководстве. Мы предлагаем нашим читателям двигаться не в той логике, которая так или иначе была реализована в основной школе: механика, молекулярная физика, далее везде. Ученику, который уже один раз более или менее успешно двигался этим маршрутом, мы предлагаем совершенно другой угол зрения, другие «очки», через которые можно посмотреть на всю физику, на все разделы. Мы предлагаем три проекции для «сканирования» физики: кинематический, динамический, энергетический. Первые три раздела в пособии посвящены этим трем способам/средствам описания и объяснения явлений: «Пространство и время», «Импульс и сила», «Работа и энергия». Конечно, такое разделение весьма условно, но от этого оно не становится менее полезным для учащихся. У учителя и его учеников появляется возможность заново изучить всю физику, но без дублирования, совершенно новым путем. При этом мы реализуем задачный подход, при котором соответствующие способы конкретизируются через цепочку физических задач. Таким образом, уже знакомый изученный материал оказывается рядом с новым, ученик попадает в ситуацию определения границы «знание-незнание».

Рассмотрим подробнее эти три раздела.

В разделе «Пространство и время» решаются не только традиционные кинематические задачи, но рассматриваются также элементы кинематики СТО, принципы относительности Галилея и Эйнштейна, изучается кинематика колебаний и волн (в том числе, электромагнитных). Здесь же есть достаточно обширный задачный материал по геометрической оптике, законы которой являются следствием свойств евклидового пространства. Приводится очень полезный обобщенный способ решения задач на сложение скоростей и других векторных характеристик движения при переходе из одной СО к другой (этот способ излагался на удивительно интересных семинарах Анатолия Ивановича Наумова; сайт, посвященный его памяти и его делу http://www.naumovphysics.ru). Для углубленного изучения предлагается материал, посвященный производной по времени и по направлению. Рассматривается неинерциальная система отсчета (НСО), показывается, что некоторые задачи удобнее решать именно в НСО. Приводится решение обобщенной графической задачи, а также дается таблица графиков зависимости ускорения, скорости, координаты и пути от времени для частных случаев (равномерное движение, движение с постоянным ускорением, движение с линейно растущим ускорением). Рассматриваются законы Кеплера, движение по эллиптической и круговой орбите. В процессе решения задач выводятся основные формулы для равномерного движения по окружности, опираясь на которые разбирается кинематика гармонических колебаний. Для углубленного изучения можно использовать метод векторных диаграмм, с помощью которого рассматривается сложение двух колебаний (позже это будет использовано при изучении интерференции волн). Записываются уравнения плоской и сферической волн, рассматривается двойная периодичность (пространственная и временнáя).

Раздел «Импульс и сила» начинается с рассмотрения закона инерции и первого закона Ньютона, введения ИСО, записи второго закона Ньютона в обобщенной (импульсной) форме. Рассматриваются элементы динамики СТО, вводится релятивистская масса. Традиционная форма записи второго закона Ньютона F = ma рассматривается как частный случай при постоянной массе тела, вводится понятие инертной массы. Доказывается инвариантность второго закона Ньютона относительно преобразований Галилея. Решая систему задач, мы выходим на принцип суперпозиции сил, закон сохранения импульса, теорему о движении центра масс. Обсуждается третий закон Ньютона и его нарушение при релятивистских скоростях. Рассматривается второй закон Ньютона для системы тел, а также разбираются ключевые задачи на его применение, поясняются частные случаи применения закона сохранения импульса. На задачах рассматриваются силы в природе: сила трения покоя и скольжения, сила тяготения (рассчитывается первая космическая скорость) и сила тяжести, выталкивающая сила, сила упругости, сила Ампера, электрическая сила. Подробно разбирается алгоритм решения задач на законы Ньютона, показывается метод анализа ответа в общем виде. Вес тела и невесомость рассматриваются при ускоренном движении тела, для углубленного изучения предлагается рассмотреть задачу в НСО, вводится представление об общей теории относительности, эквивалентности инертной и гравитационной массы. Динамика гармонических колебаний рассматривается на примере решения нескольких задач (пружинный маятник, колебания в U-образной трубке, колебания кубика, колебание зарядов), вводится представление о квазиупругой силе, изучаются графики колебаний. Ознакомительно рассматривается теорема Ирншоу о равновесии системы зарядов, с этой точки зрения оцениваются модели строения атома. На основе классической механики рассчитываются параметры движения электрона по боровской орбите, а также вводятся представления о вероятностных моделях, о соотношении неопределенностей, рассчитывается относительная погрешность скорости микро- и макрообъектов.

Раздел «Работа и энергия» начинается с решения нескольких задач, демонстрирующих недостаточность импульсно-силового рассмотрения явлений (баллистический маятник, упругий удар, вводится энергетический способ описания). Демонстрируется случай ошибочного применения закона сохранения механической энергии в микромире, вводится представление о внутренней энергии, энергии покоя, решаются задачи на энергию связи, дефект массы, энергетический выход ядерных реакций и др. Мы вновь возвращаемся к СТО, но теперь уже на энергетическом уровне. Мы знакомимся с принципом соответствия Бора и переходим к классической динамике как частному случаю релятивистской механики. Показывается две линии развития спора Декарта и Лейбница о мере количества движения – одна выводит на импульс силы и второй закон Ньютона, вторая – на механическую работу и теорему о кинетической энергии. Рассматривается «золотое правило» механики как основа для введения понятия механической работы, формула работы элементарной силы и частные случаи ее применения. На задачах показывается работа различных сил (силы Лоренца, электрической силы, силы трения, силы тяжести), для углубленного изучения рассматривается работа силы упругости и силы тяготения (интегрирование, площадь под графиком). Подробно обсуждается понятие потенциальной энергии и теорема о потенциальной энергии. Кроме консервативных систем рассматриваются также диссипативные системы, рассчитывается выделяющееся количество теплоты. Затем вводится уравнение теплового баланса и удельные величины (теплоемкости, теплоты плавления и парообразования), рассматриваются аномалии воды, показывается принцип введения средних величин. Закон сохранения энергии для тепловых процессов с газом – первый закон термодинамики – рассматривается для различных процессов, для углубленного изучения вводится представление о степенях свободы, уравнение Майера, физический смысл универсальной газовой постоянной. Решаются задачи на расчет работы газа, в том числе, по графику цикла, определяется КПД цикла, рассматривается цикл Карно, тепловые и холодильные машины. Абсолютно упругий удар двух тел является моделью для объяснения замедления быстрых нейтронов, охлаждения или нагревания газа при адиабатном процессе. Закон сохранения энергии записывается в общем случае (незамкнутая диссипативная система) и приводятся примеры его применения для частных случаев, решается много частных задач (КПД наклонной плоскости, движение заряженных частиц, закон Ома для полной цепи и закон Джоуля – Ленца, работа и мощность тока). Рассматриваются энергетические превращения при колебаниях (математический и пружинный маятники, колебательный контур), затухающие колебания. Завершается раздел рассмотрением спектров излучения и поглощения, изучением квантовых постулатов Бора и расчетом спектральных серий атома Бора, а также законами внешнего фотоэффекта.

После изучения первых трех разделов, которые должны позволить рефлексивно отнестись к уже приобретенным знаниям в основной школе; построить иерархию средств и способов, которые используются в физике, расширить поле применения этих средств и способов за счет элементов современной физики и более глубокого рассмотрения задач классической физики. На этом этапе мы решаем задачу преодоления разрозненности физических представлений, систематизируем инструментарий физики. Но этого недостаточно для старшеклассников. Теперь необходимо погрузиться в то, что является непосредственным содержанием физики и рассмотреть два важнейших вопроса – что есть вещество и поле. Почву для этого мы достаточно разрыхлили, многие трудные места через задачи прошли не по одному разу, учащиеся должны быть готовы к этому погружению в физику.

Четвертая глава «Частицы и поля» начинается с описания четырех типов фундаментальных взаимодействий, общей характеристики и научно-популярного рассказа о мире элементарных частиц. Затем рассматриваются методы регистрации элементарных частиц, радиоактивный распад и правила смещения, закон радиоактивного распада, период полураспада, активность. Коснувшись атомной и ядерной физики, мы переходим к молекулярной физике, где есть возможность на упрощенном уровне построить теорию газа. Здесь рассматриваются основные явления (упругость, диффузия, броуновское движение, испарение и др.) и интерпретируются с точки зрения молекулярной гипотезы. Описывается опыт Штерна, объясняется распределение Максвелла (распределение молекул по скоростям). Далее вводятся микро- и макропараметры, уравнение Клапейрона – Менделеева, число Авогадро и число Лошмидта, средняя квадратичная скорость. На основании импульсно-силового подхода дается приближенный вывод основного уравнения МКТ; на основании энергетического подхода дается представление о связи температуры со средней кинетической энергией молекулы; пересечение этих двух подходов позволяет получить сначала уравнение p = nkT, а затем уравнение Клапейрона – Менделеева и все газовые законы. Параллельно решается серия задач на молекулярную физику, в том числе дается обобщенный подход к решению графических задач. Нарушение закона Бойля – Мариотта позволяет понять, что мы имели дело с моделью «идеальный газ», что реальный газ и его законы отличаются. Рассматривается уравнение Ван-дер-Ваальса (для углубленного изучения), интерпретируются изотермы реального газа. Далее изучается водяной пар, вводятся абсолютная и относительная влажности, рассматриваются поверхностные явления, коэффициент поверхностного натяжения, капиллярность. Кратко рассматривается диаграмма растяжения твердого тела, закон Гука, модуль Юнга. Графики силы и энергии взаимодействия молекул позволяют понять некоторые явления, в частности, упругость, тепловое расширение тел, различия в агрегатных состояниях. Рассматриваются потенциальные кривые, финитное и инфинитное движения, дается представление о туннельном эффекте.

Переход к полям начинается с введения двух линий рассмотрения, которые можно условно назвать математической и физической. Математическая теория поля не требует обращения к его природе, для нее неважно, это поле гравитационное или электрическое. На примере скалярного температурного поля поясняется понятие изотермической поверхности и градиента, различаются стационарные и нестационарные поля. Для понимания идеи физического поля противопоставляются теории дальнодействия и близкодействия, описываются те открытия, которые привели к победе теории близкодействия. Полевая модель рассматривается на примере магнитного поля, вводится индукция, линии магнитной индукции, сила Ампера, сила Лоренца, закон электромагнитной индукции, объясняется природа ЭДС индукции. Затем рассматриваются доказательства реальности существования поля – теория Максвелла, опыты Герца, вводятся представления об электромагнитной природе света и рассматриваются элементы волновой оптики (интерференция, дифракция, принцип Гюйгенса – Френеля и вывод законов отражения и преломления света). От электромагнитных волн мы переходим к более простому случаю стационарного поля, рассматриваются законы Кулона и Ньютона (всемирного тяготения), сравнивается электрическое и гравитационное взаимодействия. Параллельно вводятся силовые и энергетические характеристики электрического и гравитационного полей, для углубленного изучения предлагается теорема Остроградского – Гаусса (поле шара и бесконечной заряженной плоскости), рассматриваются эквипотенциальные поверхности и силовые линии. Также рассматривается работа сил поля по перемещению частиц в однородном и центрально-симметричном полях, вводится электроемкость, энергия конденсатора, решаются задачи на этот материал. Затем рассматривается упорядоченное движение зарядов (ток), закон Ома в дифференциальной и интегральной форме, решаются графические и аналитические задачи на законы постоянного тока, рассматриваются границы применимости закона Ома. В завершении этого раздела приводится таблица, помогающая решать задачи на последовательное и параллельное соединения проводников.


 Методические комментарии

Объем Справочного руководства – 189 страниц формата А4, в обычном формате – около 400 страниц. Многовато для учебника, маловато для справочника. Но мы не случайно дали нашему пособию название «руководство». В XXI веке странно выглядело бы желание составить исчерпывающий справочник в бумажном варианте, без привлечения цифровых ресурсов, ресурсов Интернета. Наша главная задача – научить учиться. Полученные предметные знания и умения лишь опосредовано сказываются на желании и возможности осуществления непрерывного образования на протяжении всей жизни. Наши ученики должны научиться ставить учебные цели, выбирать необходимые средства их достижения, работать с различными источниками информации, составлять собственное мнение на основании сопоставления разных текстов, преобразовывать информацию, кодировать и декодировать, схематизировать и читать схему. Мы надеемся, что в этой работе наше пособие окажется полезным и ученику и учителю (поставляя необходимый материал для формирования и предметных, и метапредметных умений).

Мы постарались в той или иной степени подробности затронуть все основные вопросы школьной программы. Некоторые вопросы осветить не удалось, мы планируем их включить в последующие издания. Например, не вошли вопросы, связанные с электрическим током в вакууме, в газах, жидкостях, полупроводниках. Эти пробелы полезно использовать для организации информационного поиска с использованием Интернета и других источников. Теоретический материал изложен в различной степени подробности: то, что уже изучалось в основной школе, дается в кратком схематическом виде; содержание, которое обычно относится к старшей школе, излагается достаточно подробно. Решено около 150 задач по разным темам школьной программы.

К Справочному руководству подошел бы эпиграф «Просто о сложном, сложно о простом». Мы работали в двух направлениях – «вширь и вглубь»: 1) простым языком рассказали о довольно сложных проблемах физики XX века, познакомили с фундаментальными открытиями последнего столетия; 2) досконально проанализировали все тонкости классических моделей, обсудили все ограничения, на простых задачах показали глубину физического мышления.

Мы нашли способ преодоления слабой математической подготовки учащихся – одной из главных трудностей на пути понимания физики. Одновременно нам удалось использовать во благо клиповое сознание, которое, увы, приобрели многие современные подростки (они не в состоянии сосредоточиться на большом по объему тексте, на сложном решении задачи). Вместо длинных, подробных и математически сложно выстроенных решений физических задач, учащимся предлагаются схемы. В этих схемах наглядно показывается процесс решения задачи (какие формулы используются, в какой последовательности, что и куда подставляется, как получается ответ). Меняется задача, стоящая перед учеником: вместо чтения объяснений, он должен раскодировать схему, самостоятельно объясняя переходы.

Работа со Справочным руководством может организовываться по-разному – все зависит от поставленных целей и возможностей учащихся. Можно просто идти подряд и предлагать учащимся некоторый объем материала для разбора (конечно, учитывая индивидуальные возможности-склонности-потребности) с последующей организацией общеклассного обсуждения. Можно двигаться в логике традиционных разделов с использованием программы. Наконец, можно предлагать учащимся темы, выстраивая свой собственный маршрут – в этом случае незаменимым будет подробный предметно-именной указатель.

 
© URSS 2016.

Информация о Продавце