Папа Карп

Обучая детей основам физики, важно держать в голове не только конкретные сведения о тех или иных физических явлениях, законах и приборах. Необходимо еще и четко понимать тот общий подход, который свойственен физике как науке. Нужно с самого начала делать акцент на принципах устройства физики как системы получения знаний о природе.

Почему это важно? Потому что в разных областях нашей жизни, в различных сферах знаний все устроено очень по-разному. И надо четко понимать “правила игры” в той сфере, в которой мы сейчас находимся, о которой говорим. И детей надо постепенно приучать понимать, как все работает именно в физике. А не переносить туда совсем иные “правила игры” из других далеких областей.

Однако тут нет абсолютно ничего сложного. И это не надо как-то особо долго профессионально изучать. Любой школьный учебник физики дает в том числе и описание того, как устроена эта наука в целом, что это за такая специфическая система изучения мира, как она работает в нашей жизни. Да и в популярных книжках по физике вполне подробно об этом рассказывается.

Сейчас я кратко вам расскажу самое основное на данный счет, как я сам это привык понимать и как привык втолковывать своим детям и другим ученикам.

В древние времена ученые в основном о физике просто размышляли. Она была близка к философии. Потому что измерять точно почти ничего не умели. Ну, разве что вес предметов и их размеры, углы да расстояния. А время, скажем, измерять умели лишь очень приближенно. И поэтому движение предметов толком изучать не могли…

Конечно, мудрые древние ученые даже в таких скромных условиях сумели открыть ряд важнейших физических законов. Но все же настоящей современной физики тогда еще не было.

Все радикально изменилось примерно 400 лет назад. Галилей и Ньютон научили всех, как делать физику. И с тех пор она стала бурно развиваться.

Все началось с того, что Галилей наблюдал в церкви, как качается на длинном подвесе лампада. Он измерял период ее качания по ударам своего пульса. И обнаружил (к своему великому удивлению), что время, за которое лампада качнулась туда-сюда, не зависит от размаха ее колебаний.

Галилей принялся ставить опыты в своей лаборатории. И выяснил, что да, период качания маятника не зависит от его размаха. А зависит лишь от длины подвеса (то есть от длины веревочки или проволоки, или длинного металлического стержня, на котором внизу прикреплен груз).

Галилей открыл закон качания маятника. Он понял, что это именно закон природы, то есть общее правило, которое выполняется абсолютно всегда. И с радостью стал всем об этом рассказывать. И в книжках об этом написал. И все ученые заинтересовались…

И что вы думаете? Поверили Галилею на слово? Нет!!! Ученые стали его проверять и перепроверять. Они делали похожие опыты в своих лабораториях. Они подвешивали разные грузики на веревочках разной длины – и раскачивали их, измеряя время колебаний. Они хотели найти ошибку в опытах Галилея. Но не нашли. Ни разу. И тогда уже все успокоились и сказали: да, это такой закон природы, так устроен наш мир, что период колебаний маятника не зависит от размаха его качаний, а зависит лишь от длины этого маятника.

И уже поняв данный закон природы, люди смогли изобрести часы с маятником. То есть произошел существенный прогресс в технике. Все научились гораздо более точно измерять время.

И вот это как раз и есть общая схема того, как устроена физика.

Сначала люди просто наблюдают окружающую природу. Вокруг нас в мире много всего интересного…

Потом у некоторых особо зацикленных на изучении законов природы людей возникают некие идеи, некие предположения. Вот Галилей, например, предположил сначала, что период колебаний лампады на длинном подвесе должен зависеть от размаха этих колебаний.

Затем физик ставит эксперименты. То есть прицельно начинает что-то измерять. Раз за разом он измеряет одно и то же. Или измеряет что-то в сходных условиях. Галилей измерял по своему пульсу время, за которое маятник качнется туда-сюда. И он делал это честно, не пытаясь подогнать результат под свои первоначальные предположения.

Обычно просто наблюдений и измерений тех явлений, которые происходят в природе, ученому не хватает, чтобы открыть закономерность. Поэтому он ставит еще и кучу сходных экспериментов – уже специально в своей лаборатории. Вот Галилей и подвешивал разные грузики на веревочках разной длины – и раскачивал их, измеряя период колебаний.

А далее ученый (если ему посчастливилось) открывает закон природы. Это уже именно закон – правило устройства нашего мира. То есть, разумеется, это лишь одно из многих-многих правил устройства нашей огромной Вселенной.

А если просто чисто абстрактно размышлять и рассуждать (вообще не опираясь ни на какие эксперименты), то можно напридумывать много всякой ерунды, которая совершенно никакого отношения к реальности не имеет.

После Галилея народ ринулся измерять всякие явления природы и отыскивать законы. Причем очень пригодилась математика. Скоро физики уже не мыслили своей науки без математики. Законы природы стали записывать в виде формул. И с помощью этих формул и правил математических преобразований ученые научились выводить новые закономерности и рассчитывать всяческие конкретные ситуации. Например, зная формулу Галилея, я могу уже теперь просто на бумаге рассчитать период колебаний маятника определенной длины.

Конечно, ученые довольно часто используют не только результаты своих экспериментов, но и результаты других исследователей. Например, Ньютон использовал измерения множества старательных астрономов, которые до него век за веком измеряли пути движения планет по небу. Ньютон размышлял над результатами их наблюдений, размышлял, размышлял… И вдруг его осенило: и он догадался про закон всемирного тяготения! И формулу даже написал для него. И все сказали, что Ньютон молодец!

Но, конечно, потом и Ньютона стали проверять, стали делать специальные опыты с огромными металлическими шарами, чтобы проверить его формулу для всемирного тяготения… И никто не смог ее опровергнуть.

Однако Ньютон и сам опыты ставил. Например, его знаменитый эксперимент с пропусканием солнечного луча сквозь стеклянную призму. Так он получил спектр на экране. И доказал, что белый свет – это смесь из многих цветов.

А еще был, скажем, такой ученый по фамилии Ом. Он возился с измерениями силы тока в разных проводах при разном напряжении. Брал провода из различных металлов, разной толщины, разной длины… Присоединял к ним батарейку. И измерял силу тока, которая получалась в проводе. И так постепенно открыл закон Ома. И этот закон работает во всех проводах, всегда.

Конечно, бывает, что ученые путаются в своих экспериментах или ошибаются в измерениях, или делают неверные выводы… Ну, их потом опровергают. Просто в других лабораториях ставят такие же опыты и тоже измеряют все тщательно. И смотрят, что получается.

Так и делается наука физика. Так она устроена.

Читая школьный учебник за любой класс, вы можете найти множество примеров, подобных тем, которые я тут привел. Также полезны популярные книжки или описания из Интернета. Важно не только донести до ребенка некие знания по физике, но и показать, как же эти знания были получены, как люди искали и ошибались, спорили и размышляли…

В данном плане физика сильно отличается от очень многих сфер нашей жизни. Физику в основном получают из опытов и проверяют в опытах и в технических устройствах. Причем это проверки максимально придирчивые и максимально объективные. Лаборатории в Японии и в Канаде, в России и в Бразилии, в Швеции и в Австралии, в Индии и в Кении… – все могут проверить еще раз закон Галилея о качании маятника – и все они получат одни и те же результаты, которые подтверждают этот закон. И сие не зависит ни от настроения ученых, ни от их национальности, ни от их мировоззрения, ни от времени года…

Ясное дело, в физике есть и передний край исследований, где знание еще не определилось, где ученые ставят разные опыты и получают не очень понятные результаты, где они спорят и даже ругаются друг с другом… Но в школьный курс физики, конечно, включены уже хорошо проверенные сведения, составляющие устойчивую основу науки. То есть теории и законы, проверенные сотни и тысячи, и десятки тысяч раз множеством ученых в разных экспериментах, в разных странах и в разные времена.

Сила физики именно в том и состоит, что она находит (иногда в процессе многовековых поисков) объективные законы устройства нашего мира. И это знание – устойчивое и логичное. На него можно опереться. И можно на его основе изобретать множество технических приспособлений, машин, лекарств, методов…

В наших домашних занятиях с детьми вполне уместно “заново открывать” с ними некоторые законы физики – в простых опытах. Тот же закон качания маятника или закон Архимеда, или правило рычага… И почувствовать на практике, как получается научное знание, как это происходит реально.

Ну а обо всем остальном можно просто рассказывать – весело и с картинками. Фактически, в любой теме по физике можно показывать детям данную общую схему устройства науки – на конкретных примерах, на исторических анекдотах про ученых, на древних легендах…

И это завораживает! Не просто безграничное многообразие явлений природы и конкретных ситуаций. Не просто хаотическое нагромождение непонятных “устройств” в окружающем мире. Не просто набор сведений из учебника, которые нужно усвоить и запомнить… А гармоничный порядок мироздания и логика вечных законов. Устойчивая сила знаний о мире вокруг нас.

И не забудьте, кстати, рассказать детишкам о том, как в течение двух тысяч лет люди верили Аристотелю, который там в своей Древней Греции поразмышлял и решил, что более тяжелые предметы падают быстрее, чем более легкие. И так все ученые потом две тысячи лет в книжках писали и студентов учили в университетах.

А тот же самый Галилей не поверил Аристотелю. И решил проверить. И стал с высокой и наклонной Пизанской башни вниз чугунные шары разного веса сбрасывать – одновременно тяжелые и более легкие. И они падали на землю одновременно! И все это видели!

Но, кстати, Галилею и в этом не поверили… И во многих других городах ученые еще десятки лет после этого чугунные шары скидывали с высоких зданий вниз – и проверяли, проверяли, проверяли… А уж потом все согласились, что тяжелые и более легкие предметы падают с одинаковой скоростью (если не сильно влияет сопротивление воздуха при падении).

Вот так и делается наука физика. Это эксперименты и измерения, эксперименты и измерения… – и поиск общих законов природы.