исторические аспекты в курсе общей физики
advertisement
Международная научно-практическая конференция «Молодежь в постиндустриальном обществе» 25 декабря 2012 года 1 УДК 372.853 М.А. Старшов, С.В. Чурочкина Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского ИСТОРИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ В КУРСЕ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ В работе приводятся примеры использования элементов истории науки в курсе физики. Ключевые слова: история науки, физический закон, преподавание Общеизвестно, что наука есть драма, драма идей, и вполне естественно большое познавательное и воспитательное значение в подготовке специалиста высшей квалификации фрагментов истории науки в учебном курсе. Включение таких фрагментов в лекции, например, по физике, сохраняет ценность даже в том случае, когда в учебном плане присутствует самостоятельный курс истории физики. Рассказ об истории конкретного открытия и отношения к нему современников естественно включается в изложение сегодняшнего состояния этой проблемы, возникает как бы экспромтом и поэтому оказывает заметное эмоциональное воздействие на слушателей. Особенно следует отметить различное изложение многих исторических фактов, и даже описание известных классических экспериментов различными авторами. Порой приходится удивляться, как много было, скажем, Штернов, встречая чуть ли не в каждом учебнике по общей физике своё описание и его установки для измерения скорости теплового движения атомов, с различными размерами, температурами, скоростями вращения знаменитых цилиндров, материалами накаливаемой проволоки, и полученные в этом опыте результаты. Даже выдающиеся физики порой попадают в неприятное положение, небрежно обращаясь с историческими фактами, если доверяют исключительно своей памяти. В замечательной книге американского Нобелевского лауреата знаменитого Ричарда Фейнмана «Характер физических законов» встречается вполне правдоподобное предположение — на первый взгляд: «Если бы мы не знали закона тяготения, потребовалось бы гораздо больше времени, чтобы определить скорость света, ибо мы не знали бы, чего ожидать от спутников Юпитера...». Возможно, это справедливо, но выше на той же девятнадцатой странице Р. Фейнман допускает явную историческую ошибку: «Рёмер, убеждённый в правильности закона тяготения, пришёл к интересному выводу, что для путешествия от спутников Юпитера до Земли свету требуется определённое время, и, глядя на спутники Юпитера, мы видим их не там, где они находятся сейчас, а там, где они были несколько минут назад — столько минут, сколько требуется свету, чтобы дойти до нас. Когда Юпитер ближе к нам, свет приходит быстрее, а когда Юпитер дальше — идёт дольше; поэтому Рёмеру Электронная версия на сайте: http://hsjournal.org/conference/youth001 ISBN 978-5-904767-01-3 2 Международная научно-практическая конференция «Молодежь в постиндустриальном обществе» 25 декабря 2012 года пришлось внести поправку в наблюдения на эту разницу во времени, т.е. учесть, что иногда мы делаем эти наблюдения раньше, а иногда позже. Отсюда ему удалось определить скорость света. Так было впервые установлено, что свет распространяется не мгновенно» [1]. Гениальная интуиция великого учёного удержала его от конкретного значения той скорости света, которую якобы определил Рёмер, огромное большинство физиков и популяризаторов помельче, рассказывая об этом весьма популярном событии в истории физики, почти все приводят «полученное Рёмером» значение, причем чуть ли не каждый называет придуманное самим число. И не только этим любопытна история открытия молодого датского астронома, но к этому ещё вернёмся. Пока же заметим, что Оле Рёмер предсказал запаздывание начала затмения первого спутника Юпитера, которое должно было наблюдаться в ноябре 1675 г. (если верить таким историкам, как М. Льоцци, например, или Г. Липсон), а закон всемирного тяготения впервые стал известен науке лишь после опубликования великой книги И. Ньютона «Математические начала натуральной философии», в 1687 г. Ньютон, скорее всего, знал о работе Рёмера, когда готовил к изданию своё произведение, во всяком случае, в «Оптике», опубликованной в 1704 г., Ньютон, не колеблясь, признал, что Рёмер измерил скорость света, но Рёмер едва ли мог быть убеждённым «в правильности закона тяготения», как писал Фейнман. Вообще, это событие далёкого семнадцатого века обросло почему-то рекордным количеством легенд и разночтений, не только по величине якобы измеренной им скорости света, но и в понимании самой идеи, да даже по дате «эксперимента», от 1666 г в учебнике К.А. Путилова и В.А. Фабриканта, через наиболее популярный 1675 г. до 1676 г., некоторые авторы предпочитают абсолютно точную дату — 9 ноября 1676 года во «Всемирной истории физики» [2]. Между прочим, здесь зато предлагается и наиболее загадочное объяснение: «...наблюдая затмение одного из спутников Юпитера, заметил, что он появляется из тени планеты на 10 минут позднее, чем это было в августе того же года». А вот Г. Липсон излагает суть дела совершенно иначе: «Затмения спутников Юпитера должны наблюдаться в различные времена года в соответствии с относительным положением Земли и Юпитера. Было найдено, что интервал между затмениями принимает максимальное и минимальное значения через промежутки времени примерно в шесть месяцев. Разница между этими двумя значениями была совершенно несомненной — около 30 секунд, а затмения происходили достаточно часто — каждые 42 ¾ ч, так что можно было отчётливо видеть постепенное изменение интервала» [3]. Совсем иначе выглядит вся история открытия Рёмера в «Истории физики» Марио Льоцци. Изменения в моментах вхождения первого спутника Юпитера в конус тени планеты и выхода из неё заметил один из итальянских учёных, приглашённых в Париж королём Людовиком XIV, астроном, создатель и первый директор Парижской обсерватории Жан Доминик Кассини. Он не мог поЭлектронная версия на сайте: http://hsjournal.org/conference/youth001 ISBN 978-5-904767-01-3 Международная научно-практическая конференция «Молодежь в постиндустриальном обществе» 25 декабря 2012 года 3 верить в существование подобных нерегулярных процессов в природе, но не находил для наблюдаемых колебаний разумного объяснения. Вскоре в обсерватории появился новый молодой сотрудник, датчанин Олаф (или Оле) Рёмер, и включился в работу и обсуждение этой таинственной особенности спутника далёкой планеты. Он-то и сделал вывод о связи такого движения с конечностью скорости света. В сентябре 1676 г. он предвычислил запаздывание одного из ноябрьских затмений примерно на 22 минуты. «Однако,- пишет Льоцци, - в Парижской академии и в Парижском университете господствовала тогда картезианская философия, поэтому теория Рёмера встретила сильное сопротивление. Кассини, который сам принимал большое участие в наблюдениях, публично снял с себя ответственность за выводы Рёмера. Но всё же нашлось много сторонников Рёмера, как во Франции, так и особенно за рубежом; особенно важна была энергичная поддержка астронома Эдмонда Галлея». В самом деле, это особенно важно, учитывая год рождения Галлея — 1656, и приняв дату открытия Рёмера по учебнику [4]. Эти и многие другие разночтения и нелепости вокруг одного из наиболее знаменитых достижений человеческого разума могут использоваться в практике преподавания физики для развития умения читать и думать. Основа всей современной физики, классическая физика достигла сегодня удивительного совершенства, но платит за это своим статусом, превратившись, в сущности, в прикладную математику. Мощные вычислительные методы прекрасно работают в космосе, привычное сообщение об очередной стыковке двух аппаратов на околоземной орбите уже не удивляет, хотя очень непросто попасть ниткой в ушко иголочки, особенно если то и другое где-то вдали летит со скоростью порядка семи километров в секунду. Столь же невероятные задачи решаются на огромном ускорителе заряженных частиц, только что испытанном адронном коллайдере, где невообразимо малые заряженные частички должны попасть одна в другую на такой скорости, для которой была разработана принципиально иная механика, релятивистская. Однако, главные основания современной механики и физики в целом за последние три-четыре столетия обросли толстым слоем легенд и ошибок. Мало кто сегодня находит время и желание почитать труды, например, Галилея или даже Исаака Ньютона, хотя именно там, сложно и мучительно кристаллизовались глубочайшие идеи и вводились новые плодотворные методы, имеющие принципиальное значение не только для физики, но и для всей современной науки. В силу определённых причин физика первой прошла тот путь стремительного развития, который во многом ещё только предстоит всем, так называемым естественным наукам, а широкое применение математических методов уже сегодня по-новому окрашивает и гуманитарные науки. Представляется несомненным, что подлинная наука началась с одного определения, одной формулировки в «Беседах» Галилео Галилея, где изложены — по его собственному утверждению - основы двух новых наук. Галилей пиЭлектронная версия на сайте: http://hsjournal.org/conference/youth001 ISBN 978-5-904767-01-3 4 Международная научно-практическая конференция «Молодежь в постиндустриальном обществе» 25 декабря 2012 года шет о простейшем виде механического движения, равномерном и прямолинейном: «Движением равномерным, или единообразным, я называю такое, при котором расстояния, проходимые движущимся телом в любые равные промежутки времени, равны между собою». В этом изумительном, выстраданном предложении лишь одно неудачное слово, но это можно заметить только в силу дальнейшего развития науки, начатого именно самой этой мыслью Галилея, слово «тело». Значительно позже физика нашла более точное понятие - «материальная точка». Гораздо более важно употреблённое Галилеем личное местоимение «Я», не совсем приличное в научном определении, в формулировке научного закона. Он и сам, несомненно, всё прекрасно понимал и сделал это вполне сознательно, ведь непосредственно за этим определением равномерного движения у него следует «Пояснение», где он замечает: «К существовавшему до сего времени определению (которое называло движение равномерным просто при равных расстояниях, проходимых в равные промежутки времени) мы прибавили слово «любые», обозначая тем какие угодно равные промежутки времени, так как возможно, что в некоторые определённые промежутки времени будут пройдены равные расстояния, в то время как в равные же, но меньшие части этих промежутков пройденные расстояния не будут равны». Перемена местоимения «Я» на более мягкое «МЫ» совершенно определённо выдаёт желание Галилея сообщить потомкам, что именно ему удалось первому найти единственное важнейшее слово для этого определения «ЛЮБЫЕ», только оно делает формулировку однозначной, полностью определённой. Представляется вечно важным исполнять желание Галилея и привлекать внимание всё новых поколений студентов-физиков, да и не только физиков, к этой уловке великого учёного, приучая их замечать и чувствовать роль и красоту точного слова в научном тексте, без чего не может идти вперёд никакая наука. Обсуждение подобных моментов из истории физической науки неизменно усиливает внимание учащихся и делает ближе и понятнее саму науку. ЛИТЕРАТУРА 1. Фейнман Р. Характер физических законов. М., 1968. 2. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики. Москва, НАУКА, 1974. 3. Липсон Г. Великие эксперименты в физике. М., МИР, 1972. 4. Путилов К.А., Фабриканта В.А. Курс общей физики. Т.3. М., 1963. Электронная версия на сайте: http://hsjournal.org/conference/youth001 ISBN 978-5-904767-01-3