Занятие 1. Основные понятия механики. Опыты Галилея

Предмет изучения физики

Небольшая преамбула: боюсь, для ответа на большую часть вопросов нужно обладать довольно богатым опытом и широким кругозором, но интересно ведь узнать текущее положение дел в голове у ученика. Возможно, стоит хотя бы тезисно записать ответы и как-то сохранить (например, писать на доске во время обсуждения, а потом сфотографировать).

Предлагаемые вопросы для обсуждения:

Что изучает физика?
Зачем вообще она нужна?
Нужна ли она всем?
Нужна ли она лично тебе?
Что движет людьми, изучающими физику?

На одном из видео (повторение опыта Галилея) можно увидеть эмоции людей, выполняющих этот опыт. Казалось бы, прошло уже четыре века, однако взрослые люди, наверняка получившие, как минимум, высшее образование в области физики, а то и обладающие степенью, радуются как дети, когда своими глазами видят подтверждение теории.

Какие вызовы стоят в данный момент перед физической наукой?

Сверхпроводимость. Квантовые компьютеры. Теория Всего.

Как связана физика с другими науками?
- Философия?
- Математика?
- Химия, биология?
Какие тебе известны люди, внёсшие вклад в развитие физики?

Предполагается знакомство с учёными:

- Архимед
- Аристотель
- Бруно
- Коперник
- Кеплер
- Галилей
- Ньютон
- Паскаль

История физики

Архимед

Принцип Архимеда. Вес. Сила

https://www.youtube.com/watch?v=ROXYr_SzNW4

Вес погружённого в воду тела уменьшается на вес вытесненной телом жидкости.

Кстати, в каких единицах измеряется вес?

Способ измерения объёмов. Масса, плотность.

Забавное видео с TED: https://www.youtube.com/watch?reload=9&v=ijj58xD5fDI

Ещё раз, так как всё-таки Архимед определил, фальшивая корона или нет?

Винт Архимеда

Вариант работы по теме

Можно предложить такую задачку: "Придумай механизм, которым можно было бы поднимать воду из водохранилища и подавать её в водонапорную башню, которая снабжала бы водой фонтаны паркового комплекса"

Как свой ответ предложить винт Архимеда. Сравнить, обсудить преимущества и недостатки (для винта: весьма простой механизм, мало что может сломаться, может быть трудно изготовить так, чтобы жидкость не утекала прежде, чем дойдёт до верхней части). Попросить описать принцип работы своими словами.

Другой вариант работы по теме

Можно просто показать одно из видео и спросить, как называется этот механизм.

Видео по теме

Использование винта Архимеда при добыче соли в Сицилии: https://www.youtube.com/watch?v=khuBBA6-Txw

Фонтан. Возможно, за авторством Tony Cragg: https://www.youtube.com/watch?v=1YvOVWJ56Tc

На каком-то промышленном объекте: https://www.youtube.com/watch?v=glor0U9ZHZE

Здесь винт используется "в обратную сторону" – для выработки электроэнергии: https://www.youtube.com/watch?v=S5bao4iaYjI

Как сделать винт самостоятельно: https://www.youtube.com/watch?v=PszGCm1PqSo

Крупный самодельный: https://www.youtube.com/watch?v=V0wmiMn2wDQ&t=38

Луч смерти

https://www.youtube.com/watch?v=GPYqIicRJF4

Каков принцип работы этого устройства?

Коготь Архимеда. Рычаг. Блок.

Компьютерная моедль: https://www.youtube.com/watch?v=E1YrueoGlbE

По ней можно обсуждать принцип работы

Рабочая модель: https://twitter.com/JemmaG2510/status/1191492746399252482

Аристотель

Физика Аристотеля

Привожу текст отсюда: http://www.phisiki.com/2012-02-28-10-16-40/72-phisika-aristotelya (с одной стороны, кратко, с другой стороны, не излишне сухо)

Основные постулаты, изложенные Аристотелем в «Физике».

1. Каждое тело стремится к своему естественному месту, которое расположено определённым образом относительно центра Земли. Так, например, камень падает вниз, а искры стремятся вверх.

2. Все тела могут под действием силы тяжести стремиться либо к центру мира, либо в противоположном от него направлении. Это естественные причины движения. Аристотель считал, что птицы летают, потому что так им предназначено природой. Рыбы плавают по той же причине.

3. Когда естественных причин движения нет, то движение может происходить только под воздействием какой-то посторонней силы, отличной от силы тяжести. Причём движение при этом происходит с постоянной скоростью и по прямой линии.

4. Скорость движения зависит от плотности среды, в которой тело движется. И скорость движения обратно пропорциональна плотности. То есть, чем плотнее среда, тем меньше скорость движения тела.

5. Вакуума не существует. Если бы он был, то тела двигались бы в нём с бесконечно большой скоростью.

6. Нет точки в пространстве, в которой не существовала бы материя. Всё пространство заполнено всепроникающим эфиром.

7. Вселенная конечна. Мир совершенен и завершён. Его ничто не объемлет, и, следовательно, места у мира нет.

8. Материя не может состоять из атомов. Если бы это было так, то между атомами был бы вакуум.

9. Эфир. Все объекты, находящиеся в космосе, сделаны из материи, которая отличается от материи Земли.

10. Космос вечен и неизменен. Солнце и планеты – совершенные сферы, которые не могут меняться.

11. Движение по окружности. Планеты вращаются по круговым орбитам.

Аристотель также считал, что основными элементами мира являются земля, вода, воздух и огонь. Эти элементы образуют такие элементарные качества, как тёплое, холодное, сухое и влажное. Земля – холодная и сухая. Вода – холодная и влажная. Воздух – тёплый и влажный. Огонь – тёплый и сухой. И эти элементарные качества являются взаимопревращающимися. Из них и состоит окружающий нас мир. Аристотель рассматривает отношения между этими стихиями, их развитие, их воплощение в природных явлениях.

По Аристотелю

Тепло + сухость = Огонь

Тепло + влажность = Воздух

Холод + влажность = Вода

Холод + сухость = Земля

Всё существующее Аристотель объяснял четырьмя типами причин.

1. Материальна причина. Материя – это источник, из которого что-либо возникает.

2. Формальная причина. Форма – это превращение возможности в действительность.

3. Причина движения. Это действие, которое вызывает движение.

4. Целевая причина. Цель – это то, ради чего что-то осуществляется.

О методах Аристотеля

Как Аристотель докатился до жизни такой? Чем его методы отличаются от современных?

Привожу по: http://sdsmp.ru/news/n8543

Основными принципами аристотелевской физики являются следующие:

1) Физика имеет качественный, нематематический характер: «учение о природе занимается предметами, существующими самостоятельно, но не неподвижными; некоторые части математики исследуют хотя и неподвижное, однако, пожалуй, существующее не самостоятельно» (Мет. VI, 1). Иначе говоря, предметом физики является несовершенный подвижный мир вещей, а совершенные неподвижные математические, особенно геометрические сущности в природе не существуют, но являются лишь продуктами человеческого ума. Физика — это, скорее, философия, а такого понятия, как математическая физика, Аристотель не мог и представить, также как невозможно представить круглый квадрат;

2) Полное доверие чувственному познанию. «Наука и искусство возникают у людей через опыт» (Мет. I, 1), — пишет в самом начале «Метафизики» Аристотель. Знание о мире подвижных вещей можно получить только посредством ощущений. В «Физике» он конкретизирует эту мысль в отношении к познанию природы: «Поэтому надо идти от вещей, [воспринимаемых] в общем, к их составным частям: ведь целое скорее уясняется чувством, а общее есть нечто целое, так как общее охватывает многое наподобие частей» (Физика I, 1).

3) Чувственный опыт, по Аристотелю, убеждает нас в том, что покой — это естественное состояние предмета, а движение — всегда вынужденно. Самодвижение тела невозможно, «так как движущееся должно чем-то приводиться в движение» (Мет. XII, 8). Отсюда следует, что в мире не существует пустоты, ведь «ни один [предмет] не может двигаться, если имеется пустота» (Физика IV, 8). Если бы существовала пустота, то движущееся тело, попав в нее, должно было бы моментально остановиться, его ничто бы не приводило в движение в этом случае. Но такого в природе не наблюдается: все движется или может быть приведено в движение. Из доверия чувственному опыту следует, что Земля неподвижна. Это подтверждается как очевидными наблюдениями, так и тем фактом, что Земля ни с чем не соприкасается и поэтому ничто ее не может привести в движение.

4) Мироздание неоднородно, каждое тело находится на своем естественном месте. Мир конечен, ведь «вообще невозможно, чтобы существовало беспредельное тело и [в то же время определенное] место для тел» (Мет. XI, 10). При этом Земля находится в центре вселенной, а Солнце, Луна и звезды — на ее периферии. Движение на Земле неидеально, поскольку оно не может быть вечным. Вечным, т.е. совершенным, может быть лишь круговое движение: «А непрерывного движения, кроме пространственного, не бывает, из пространственного же непрерывно круговое движение» (Мет. XII, 6). Лишь планеты и звезды вечно движутся в эфире по окружностям, приводимые в движение Богом.

5) Движение телеологично, т.е. в конечном счете любое тело стремится к некоторой объективно данной цели, отличающейся от самого движущегося тела и являющейся чем-то высшим по отношению к нему.

Предлагается обсудить, что сэтими принципами не так, чем они отличаются от принятых в современной науке.

Вариант ответа (по предыдущей же статье):

Таким образом, стройная аристотелевская физическая картина мира стала рушиться, и в результате этого аристотелевским принципам, изложенным выше, были противопоставлены следующие:

1) Естествознание математично.

2) Отказ от целевых причин.

3) Пространство однородно, свойства вещества везде одинаковы.

4) Новая наука формирует и соответствующий новый метод. Им становится эксперимент, гармоничное сочетание сенсуализма и рационализма, при котором исследователь не полностью доверяет наблюдению, но корректирует его посредством рассуждений. Наука начинается не с доверия опыту, а, наоборот, с некоторого недоверия ему. По выражению В. Гейзенберга, «искажая и идеализируя… факты, он (Галилей. — В. Л.) получил простой математический закон, и это было началом точного естествознания Нового времени»^{^[20]}. В основе такого подхода лежал платонизм, который утверждал наличие идеальных онтологических сущностей, в т.ч. чисел, познаваемых разумом и невоспринимаемых чувствами. Ученый должен отыскивать эти вечные платоновские сущности и числа в чувственно наблюдаемом мире. Именно поэтому свою первую экспериментальную установку (наклонную плоскость) Галилей изготавливал с необычайной тщательностью, стремясь достичь в материальном мире геометрической идеальности;

5) Мир подчиняется законам. Античность не знала понятия закона природы, поскольку не знала Творца, сотворившего сей мир по Своему замыслу. Впервые понятие закона природы в физику вводит Р. Декарт, причем сделал он это из богословских соображений: «Из того, что Бог не подвержен изменениям и постоянно действует одинаковым образом, мы можем также вывести некоторые правила, которые я называю законами природы»^{^[21]}.

Дополнительные источники

Описание аристотелевой физики на английском: https://en.wikipedia.org/wiki/Aristotelian_physics

"Физика" Аристотеля: http://lib.ru/POEEAST/ARISTOTEL/physic.txt

Аристотель vs. Лейбниц: http://sdsmp.ru/news/n8543/

Галилей

Падение тел

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D1%81%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D1%8B_%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%B8%D0%BB%D0%B5%D1%8F_%D0%BF%D0%BE_%D0%BF%D0%B0%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8E_%D1%82%D0%B5%D0%BB

Кратко: ничего он не сбрасывал, а скатывал по наклонной плоскости. Вот видео: https://www.youtube.com/watch?v=ZUgYc6Bi46w

Какие выводы можно сделать?

Согласно этому видео: https://www.youtube.com/watch?v=Za60GIdNIf4 – эксперимент ставился несколько иначе: Галилео отмерял расстояние, которое прокатится шар за фиксированные отрезки времени. В этом видео дана табличка данных, которые он, в принципе, мог получить. Какой вывод можно сделать на основании этих данных?

Путь, пройденный телами, пропорционален квадрату времени
Скорости движения тел одинаковы на всём протяжении пути
Ускорения одинаковы

Каким цтверждениям Аристотеля противоречат эти наблюдения?

Скорость падения пропорциональна весу тела.
Движение происходит, пока действует «побудительная причина» (сила), и в отсутствие силы прекращается.

Шло время, техника развивалась, а миф о сбрасывании предметов с башни что в Пизе только больше закреплялся в умах людей.

Трубка Ньютона: https://www.youtube.com/watch?v=P0eeg16rVx8

Трубка Ньютона-2 (насовский объект для испытания космических аппаратов в условиях вакуума): https://www.youtube.com/watch?v=E43-CfukEgs&feature=emb_title

Трубка Ньютона-3 (Луна): https://www.youtube.com/watch?v=ZVfhztmK9zI

Бросок под углом к горизонту

Здесь описан ход мыслей Галилея: http://physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000041/st022.shtml