Физика как система
Для изучения физики с детьми имеет смысл выбрать некоторую ясную структуру информации.
Обычная школьная или вузовская схема опирается на “взрослый” подход, на логику последовательного профессионального изучения тем и разделов (от простого к сложному), на многовековую традицию физико-математического образования. И все сие прекрасно, разумеется.
Но для задач домашних занятий с ребенком более удобен “детский” вариант структурирования учебных тем. Тут другая логика: дать самые первые опорные точки, объяснить некоторые базовые вещи, показать на примерах из жизни работу физических законов…
Причем начинать надо с самого интересного и впечатляющего!
Я предлагаю вам опорный список из восьми пунктов – один из возможных вариантов структурирования всей учебной информации. Он основан на моем личном опыте рассказов детям о физике – начиная с дошкольного возраста и потом в младших и средних классах.
1. СВЕТ И ЦВЕТ
2. СТРОЕНИЕ АТОМА
3. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
5. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
6. ПЛАВАНИЕ И ПЛОТНОСТЬ
7. ДВИЖЕНИЕ ОБЪЕКТОВ
8. СТАТИКА
Здесь нет никакой особо глубокой методической философии или особо сложной научной логики. На мой взгляд, такая структура информации просто удобна с практической точки зрения.
1. СВЕТ И ЦВЕТ
По-моему, начать рассказывать детям о законах физики наиболее естественно с вопросов о том, почему и как мы видим, почему разные предметы имеют разные цвета, что такое отражение света и его рассеяние, что такое преломление света, почему бывает радуга и т.п.
Это то, что всегда есть вокруг нас и что дети активно воспринимают, чем интересуются. Солнышко, Луна, звезды в небе, свет карманного фонарика или настольной лампы, фары автомобиля и глаза кошки в темноте… – все это прекрасные темы для обсуждения!
Ну а если вы можете объяснить ребенку и про лупу, и про микроскоп, и про лазер, и про скорость движения света, и про устройство человеческого глаза, и про фотоаппарат… – так вообще здорово!
Но даже и такие простые и обычные вещи, как зеркало, оконное стекло, тени от предметов, блики света в луже или в пруду, разноцветные капельки росы… – все это тоже поводы для весьма серьезных разговоров об основах оптики.
Законы движения света и законы цветовых вариаций очень просты. Их легко объяснять детям любого возраста.
Обратите внимание: огромное количество разнообразных оптических явлений и устройств вокруг нас можно понять на основании всего лишь нескольких простых законов.
И это чрезвычайно удачный момент, чтобы показать ребенку, что мир природы не хаотичен, а устроен по четким фундаментальным правилам. Много-много разных примеров движения света и игры цветовых комбинаций – и всего несколько базовых правил, на основе которых все это происходит!
Отдельно хочется сказать про лазеры. Ну, они же такие интересные! Это совершенно особые оптические приборы, с удивительными свойствами! Не забудьте про них порассказывать детишкам.
Да и про маленькие фотончики расскажите обязательно – как они бегут к нам от Солнышка и от далеких звездочек, как преодолевают космические просторы, как рассеиваются и поглощаются разными предметами…
Фотончики – это очень-очень крошечные частички света. Откуда они берутся? Вот мы и подошли к следующему пункту нашего списка.
2. СТРОЕНИЕ АТОМА
Странный парадокс в истории науки: о строении атома ученые узнали лишь сравнительно недавно, это весьма сложный раздел физики, но общие принципы устройства атомов легко понять любому самому маленькому ребенку.
Ядро из протонов и нейтронов, летающие вокруг электроны (которых ровно столько же, сколько и протонов в ядре) – это простая картинка. Ее легко и понять, и запомнить, и нарисовать, и обсудить.
Что такое изотопы, что такое радиоактивный распад, как устроена Таблица Менделеева, как работает ядерный реактор, почему взрывается атомная бомба, почему светит Солнце… – все эти вещи легко понять на основе базового понимания об устройстве атома.
Для начала надо хорошо осознать “конструкцию” атома – как системы из протонов, нейтронов и летающих на разных орбитах электронов. И тогда в обсуждении любых тем можно на нее опираться.
Испускание и поглощение света атомом тоже легко объяснить на основе понимания его устройства. Просто электрон перебирается с одной орбиты на другую – вот и все. И при этом испускается или поглощается фотон. Именно так и получается тот видимый свет, который мы видим, все цвета радуги, все маленькие фотончики!
Ну а далее наш путь – к пониманию принципа химических связей. Почему некоторые атомы сцепляются друг с другом? Как это происходит? Как устроены разные молекулы разных веществ?..
Подчеркиваю: это вещи, доступные для понимания даже дошкольнику! Их можно объяснять буквально “на пальцах”. И опять же: одни и те же законы устройства атомов дают нам ключи для понимания огромного числа самых различных явлений природы и для создания множества технических устройств.
3. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА
Ну просто грех не насладиться тем фактом, что наша Солнечная система устроена по схеме, весьма похожей на устройство атома! Это по-настоящему красивое совпадение в природе! И оно сразу дает нам какое-то более объемное и более системное восприятие устройства нашего мира…
Космос – совершенно особая тема для активизации интереса детей к науке. Космические полеты, космические ракеты, межзвездные расстояния, безграничность Вселенной, поиски инопланетной жизни, реальные фотографии пейзажей других планет… – все это захватывает воображение!
И в космосе нам, конечно, пригодятся знания о распространении света, об устройстве атомов, о разных цветах, о телескопах, о лазерах…
Обращаю ваше внимание: Солнечная система – это именно система. Это ясная картинка в голове. Это понятная структура расположения планет и других тел, их движения вокруг Солнца.
Мы можем год за годом возвращаться к данной простой и понятной схеме, к данной базовой картинке – “нанизывая” на нее все новые и новые знания.
Когда мы говорим о космосе, то очень легко приводить интересные примеры из реальной жизни. Любые текущие новости содержат в себе миллионы возможностей поговорить с ребенком обо всем, что там происходит.
Полетела новая ракета? Поехал новый марсоход по поверхности Марса? Долетел зонд до Юпитера? Миссия к Плутону наконец достигла цели?.. Любая такая информация дает нам зажигательный материал для домашних миниуроков по физике с детишками.
Чем старше дети, тем более сложные вещи про процессы и перемещения в Солнечной системе, про устройство космических аппаратов и про работу космонавтов с ними можно разбирать. Да и в межзвездные дали можно заглянуть…
А такой вопрос, как “Сколько времени радиосигнал идет от Сатурна до Земли?” – это вообще задачка для младших школьников. Только не забудьте, что взаимное расположение Земли и Сатурна (а значит, и расстояние для радиосигнала) может быть различным. И данный факт тоже имеет смысл подробно обсудить…
4. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Конечно, устройство разнообразной электронной техники – очень сложная тема, поэтому ее вряд ли целесообразно детально изучать с маленькими детьми. Но про сущность электрического тока и про его основные законы поговорить с ребенком вполне можно.
Оказывается, электрончики, находящиеся в атоме на самых дальних от ядра орбитах, могут убегать от своего атома. Они начинают двигаться по всему куску металла. А если их начать еще и специально толкать электрическим полем в одну сторону, то электрончики словно бы потекут по проводу … Поэтому и говорят: “электрический ток”.
Однако на пути бегущих электрончиков постоянно попадаются неподвижные атомы. Они мешают электрончикам двигаться вперед… Так возникает “сопротивление проводника электрическому току”.
Ну и в таком духе. Не обязательно вдаваться в более сложные вещи. Но на чисто качественном уровне легко детям объяснить такие базовые штуки, как принцип работы выключателя, постоянный и переменных ток, параллельное и последовательное соединение проводников… И что такое сила тока, напряжение и сопротивление тоже легко объяснить (на самом упрощенном уровне).
Мы можем возвращаться к устройству атома, чтобы понять, почему одни вещества хорошо проводят электрический ток, а другие проводят его плохо или вообще почти не проводят.
Еще очень удобная тема – электрический ток в вакуумном диоде или триоде. Принцип работы данных устройств прост. И он дает сразу много впечатлений и опорных точек для понимания многих разделов физики.
Ну и про молнию не забудьте, конечно!
Ясное дело, детишкам интересно, откуда берется электрический ток. Однако не так-то просто рассказать “на пальцах” про принцип работы электрогенератора или батарейки, или аккумулятора…
С другой стороны, сама идея, что надо электрогенератор чем-то крутить (чтобы он вырабатывал ток), уже дает повод для разговоров об основных типах электростанций: гидроэлектростанции, тепловые электростанции и атомные электростанции. Что там крутится, как и почему?
А ведь существуют еще и солнечные батареи, и радиоизотопные генераторы на космических аппаратах, и всякие другие хитрые источники тока…
5. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Почему электрический ток, проходя по проводу, нагревает его? Почему светится лампочка накаливания? И что такое вообще теплота и температура?
Дело в том, что атомы твердых тел не жестко неподвижно закреплены на своих местах, а колеблются около них туда-сюда, дрожат на месте. И чем сильнее они дрожат, тем выше температура материала. Именно энергию движения атомов мы и воспринимаем как тепло или холод.
А электрончики, когда бегут по проводу, ударяются в атомы – и заставляют их дрожать сильнее. Вот и происходит нагрев. И даже так сильно может провод нагреться, что начинает светиться.
Кстати, чем сильнее дрожат около своих мест атомы, тем больше они мешают электрончикам бежать по проводу. Попробуйте бегать между деревьями, которые все сильнее и сильнее раскачиваются (или даже слегка прыгают) перед вами! Поэтому сопротивление электрическому току возрастает с увеличением температуры.
Я привел сейчас лишь один пример той огромной роли, которую играют колебания в устройстве природы. В данном случае речь идет о колебаниях атомов. Но бывают и колебания электромагнитного поля, и колебания волн на воде, и колебания плотности воздуха (звуковые волны), и раскачивание маятника в часах, и движение обычных детских качелей, и вибрация в автомобильном двигателе, и гравитационные волны…
Проще всего, конечно, начинать с понятных и наглядных вещей. Кинули камушек в пруд – и побежали по воде волны. Почему и как это происходит? А в океане какие волны нам встретятся, если мы поплывем на корабле? А что такое цунами?..
Качели или обычный маятник (качающийся на веревочке грузик) – удобные объекты для подробного разбора таких фундаментальных понятий, как период колебаний и частота. Данные понятия применяют к самым различным волнам, любой природы, любого размера, любой скорости…
Наблюдая за волнами на поверхности воды, мы видим: вот расстояние между двумя гребнями волн. Его в физике называют длиной волны. Логично?
Здесь стоит поговорить о разных цветах как о колебаниях с разными длинами волн. Оказывается, свет – это не только поток частичек-фотончиков, но одновременно еще и волны. Сложная идея… Но так уж устроен наш мир…
Нужно показывать детям, что колебания (чего-то на одном месте или бегущие в виде волн) пронизывают весь наш мир, что все в природе колеблется. И хорошенько разобравшись с тем, как устроены колебания и волны вообще, мы получаем сразу же ключи к бесконечному многообразию явлений природы.
6. ПЛАВАНИЕ И ПЛОТНОСТЬ
Я бы выделил особо данную тему – потому что она очень важна в нашей жизни, потому что она интересна и актуальна для каждого ребенка.
Атомы в веществе могут быть более плотно “упакованы” или менее плотно. Термин “плотность” поэтому очень естественен.
Вся штука в том, сколько весит один кубический сантиметр данного вещества. Железный кубик с ребром 1 см весит около 8 грамм. А такого же размера кубик из воды весит ровно 1 грамм. А деревянный кубик такой же весит примерно полграмма… Если вещество более плотное, чем вода, то оно в воде тонет. А если вещество менее плотное, чем вода, то оно плавает. Примерно такова базовая логика.
Кубический сантиметр – понятная для ребенка вещь. Его даже можно сделать дома из бумаги или отпилить от деревянной рейки…
Поняв главное про плотность и про плавание объектов в воде, мы легко начнем понимать и множество примеров из жизни: о кораблях и о подводных лодках, о рыбах и о льдинах, о нашем купании в озере и о надувных резиновых кругах… Принцип плотности и закон Архимеда дают нам универсальную базу для разбора всех конкретных ситуаций в природе и в технике, связанных с плаванием тел в жидкостях и в газах.
Кстати, воздушные шары и дирижабли – тоже очень интересные объекты для детишек! И они тоже плавают как бы (в воздухе).
А еще полезно связать плотность вещества с весом каждого отдельного его атома, с количеством протонов и нейтронов в его ядре. Таблица Менделеева нам в этом всегда поможет. Почему золото – один из самых плотных металлов? А почему алюминий гораздо легче серебра? Обратите внимание: играют роль и атомный вес, и способ “упаковки” атомов в твердом веществе.
Ну и конечно, надо поговорить о том, почему корабли сейчас делают из железа, а не из дерева. Как вообще такое чудо стало возможным?
7. ДВИЖЕНИЕ ОБЪЕКТОВ
Вот мы и приближаемся к началу стандартного школьного курса физики. Ведь именно с описания движения тел обычно начинается любой учебник. Так уж повелось, так удобно с точки зрения логики науки…
На мой взгляд, вполне достаточно лишь слегка познакомиться с базовыми понятиями данного раздела: путь, перемещение, траектория, скорость, расстояние, время движения… Ну и посмотреть, как все эти понятия применимы к различным жизненным обстоятельствам.
Полет подброшенного в воздух мяча (вертикально вверх или под углом) или скидывание мяча с крыши дома – нормальный пример из жизни, который и достаточно интересен, и удобен для разбора.
Да и всякие автомобили, поезда, самолеты, корабли, лодки, а также летающие мухи и бегающие зайцы… Движение планет вокруг Солнца и движение ракет между планетами…
Особые темы: вращение объекта и движение по кривой траектории, инерция и торможение, невесомость и перегрузка… Космос и тут будет кстати!
8. СТАТИКА
Равновесие действующих на объект сил и вообще понятие силы в физике, понятие о сложении нескольких сил (по законам векторов), правило рычага… – все данные темы очень важны, конечно. Они составляют базу физической науки, основу физического мышления. И очень полезно с детишками потихоньку все это понять и освоить – на уровне сути дела (а не формул).
Но это скучновато, если правильно, долго и тщательно разбираться…
Поэтому необходимо стараться подбирать разнообразные и живые образы, интересные картинки из окружающего мира или просто выдуманные.
Прыжок из люка самолета с парашютом – и вот вам пример сложения силы тяжести и силы сопротивления воздуха. Поскольку в данном случае обе они направлены вдоль одной прямой, то и маленький ребенок сумеет понять, как они складываются (то есть, по сути, вычитаются друг из друга).
А еще для каждого человека важно понимать, что такое центр тяжести, что такое равновесие на опоре и от чего оно зависит.
Распределение груза в грузовике или в морском судне, размещение тяжелых и легких предметов на разных полках высокого шкафа, устойчивость скамейки или кресла, равновесие человека в разных ситуациях и позах… – все это полезно понимать просто по жизни.
Ну и про рычаг знать тоже должны все, это само собой! Причем как в одну сторону (когда мы выигрываем в силе), так и в другую (когда мы выигрываем в расстоянии). И примеров использования принципа рычага вокруг нас – великое множество.
Понятие силы проще всего начинать изучать с силы тяжести. И постепенно говорить и о других силах: о силе трения, и силе натяжения веревки (на которой висит грузик), о силе упругости в разных веществах, о силе сопротивления воздуха (или воды), о всеобщей силе гравитации на Земле и в космосе, об электрических и магнитных силах, о ядерных силах внутри атомного ядра между протонами и нейтронами…
И все время надо вспоминать про атомы! Мы должны учиться видеть единство в устройстве природы. Скажем, сила упругости возникает, когда мы пытаемся изменить расстояния между атомами (растянуть объект или сжать его, или скрутить как-то). А электрический ток возникает, когда электрическая сила начинает отдирать электрончики от атомов и гнать их куда-то…
Важно почувствовать эту картину мира: есть разные объекты, а есть силы между ними. Объекты влияют друг на друга. Есть силы большие и маленькие, существенные для данного конкретного объекта и несущественные, далекие и близкие, направленные по-разному…
Именно так работает физика: выделяет некоторые основные влияния объектов природы друг на друга и математически описывает данное взаимодействие. И в этом суть физики как системы изучения природы.
Довольно странно: мы начинаем употреблять слово “сила” уже начиная с разговоров об атомах и о Солнечной системе, но более досконально разбираемся с данным понятием лишь много позже… Мне кажется, так лучше, чем строго по логике классических учебников физики. Ведь главное – чтобы детям было интересно!
