В помощь школьным учителям физики. Второй закон Ньютона

3 July 2019

Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив.

Как я заметил по статистике своего канала «Не верь стереотипам», физика мало кого интересует, особенно молодёжь. Так, мои статьи на темы физики и ущербного уровня преподавания физики в школах и вузах, начинает читать примерно 1% от тех, кому статья попалась на глаза. И лишь половина дочитывает статьи до конца. Причем большая часть читателей (73%) – это люди, в подавляющем большинстве – мужчины, в возрасте старше 45 лет.

Не надо обвинять меня в сексизме, но реально, физика – это наука не для женщин. Если кто хочет со мной поспорить на этот счёт, пусть откроет книгу Храмов Ю.А. «Физики: Биографический справочник» М.: Наука, 1983. В аннотации к справочнику сказано, что в нём «помещены краткие сведения о жизни и научной деятельности около 1200 физиков прошлого и современности, внесших вклад в развитие физической науки. Приводится библиография, включающая монографии, избранные труды физиков, их научные биографии, юбилейные и мемориальные статьи. Справочник содержит около 1000 портретов, многие из которых являются редкими. Книга содержит также хронологию физики, список лауреатов Нобелевской премии по физике и другие материалы

В помощь школьным учителям физики. Второй закон Ньютона

Как известно, практика – это лучший критерий истины. Как Вы думаете, краткие сведения о жизни скольких женщин содержатся в этом справочнике? Я обнаружил только Мари Склодовскую-Кюри, её дочь Ирен Жолио-Кюри, Лизе Мейтнер и Эжени Коттон… Вполне возможно, я кого-то пропустил – я не выискивал в этом справочнике женщин целенаправленно, просто вспомнил тех, чьи имена мне попадались на глаза. Если кто из читателей знает еще кого-то из женщин в этом справочнике, подскажите. Итог – женщин в физике, как сейчас модно говорить про опросы электората в преддверии каких-либо выборов, «меньше статистической погрешности». А сколько женщин среди академиков Отделения физических наук РАН? Я вот не знаю, есть ли в ОФН РАН женщины вообще… подскажите, если кто знает наверняка.

Тем не менее, в Российской Федерации подавляющее большинство школьных учителей физики – женщины. И, в первую очередь, они формируют у школьников начальные знания о физике как науке, и начинают «отливать в граните» те стереотипные знания, «непреложные истины» и догматы, которые, затвердевая в головах школьников, не позволяют в последующем физике развиваться как положено.

Только не надо говорить, что в школьной физике всё давным-давно изучено «вдоль и поперёк». На самом деле школьная физика не менее чем на 50% состоят из ошибок и заблуждений знаменитых физиков-мужчин, включенных в справочник Ю.А. Храмова. А женщины – преподаватели физики лишь тиражируют эти ошибки и заблуждения.

Мужчины отличаются тем, что, как писал поэт Н.А. Некрасов:

Мужик что бык: втемяшится

В башку какая блажь –

Колом ее оттудова

Не выбьешь: упираются,

Всяк на своем стоит!

Это описание прекрасно подходит и для мужчин, посвятивших свою жизнь прекрасной науке физике. Открыто признать ошибочность своих взглядов и гипотез (теорий) – не в характере мужчин. Особенно если эти взгляды и гипотезы уже окаменели и разбить эти камни можно только вместе с головой.

У женщин, хоть иногда и страдает логика (правда, теперь я стал замечать, что у многих мужчин логика мышления вообще отсутствует), но они часто обладают более живым умом и не так сильно цепляются за «прописные истины» и догматы, как мужчины. Поэтому я сейчас в первую очередь обращаюсь к женщинам –учителям физики.

Суть проблемы такова.

Как я уже неоднократно писал, в частности, в статье «Три закона Ньютона», которую лишь немногие читатели смогли осилить до конца, хотя там определенно есть, что следует знать каждому образованному человеку, одна из основных проблем современной физики состоит в том, что стереотипные знания, полученные нами в школе, из стереотипных учебников, вследствие стереотипных форм, методов и методик обучения, формируют у обучаемых неверные представления о многих физических понятиях и явлениях. И это в конце концов приводит к непониманию элементарных основ физики – науке об окружающем нас мире, о принципах и законах, по которым этот мир функционирует.

Один из принципов функционирования окружающего нас мира тот, что все взаимодействия материальных тел, все процессы и явления в этом мире происходят во времени. Поэтому силы неразрывны со временем их действия. Сил вне времени в природе, а значит, и в физике, не существует. Это архиважно вдолбить в сознание обучаемых, школьников и студентов, но прежде всего это должны понять школьные учителя физики.

Профессорско-преподавательский состав вузов – это, в основном, мужчины, поэтому, «мужик, что бык…», вряд ли до них дойдёт то, о чём я говорю. Стереотипы и догматы физики – это для них своего рода вера, а с верой бороться бесполезно.

В этой статье я хочу остановиться лишь на одном моменте – на изучении в школе второго закона Ньютона. Дело в том, что нынешняя методика изучения второго закона Ньютона –ошибочна и порочна. Обычно на уроках в школах рассказывают, что F = ma, откуда следует, что ускорение, которое приобретает материальное тело, прямо пропорционально силе, действующей на это тело и обратно пропорционально массе этого тела: a = F/m.

На самом же деле оригинальная формулировка второго закона, формулировка самого Исаака Ньютона, была не такой. Вот эта формулировка в переводе с латыни Флота Генералом, заслуженным профессором Академии и Ординарным Академиком Императорской Академии Наук Алексеем Николаевичем Крыловым:

Флота Генерал Алексей Николаевич Крылов (1863-1965)
Флота Генерал Алексей Николаевич Крылов (1863-1965)

Закон II

Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.

[Закон II. Mutationem motus proportionalem esse vi motrici impreseae et fieri secundum lineam rectam qua vis illa imprimitur.]

Если какая-нибудь сила производит некоторое количество движения, то двойная сила произведет двойное, тройная – тройное, будут ли они приложены разом все вместе, или же последовательно и постепенно. Это количество движения, которое всегда происходит по тому же направлению, как и производящая его сила, если тело уже находилось в движении, при совпадении направлений прилагается к количеству движения тела, бывшему ранее, при противоположности – вычитается, при наклонности – прилагается наклонно и соединяется с бывшим ранее, сообразно величине и направлению каждого из них.

А.Н. Крылов в своём переводе поясняет: «Как при формулировке, так и при пояснении второго закона, подразумевается, что продолжительность действия силы или постоянная, или одна и та же для сравниваемых сил.»

(Почему-то многие мои, скажем честно, не очень умные читатели, например, некий Владимир с КОНТа, никак не могут уяснить важность продолжительности действия силы.)

Как мы видим, сэр Исаак Ньютон в формулировке второго закона не использует термины «ускорение» или «масса», а говорит исключительно об изменении «количества движения» Δ(mV). А на нынешних уроках физики о количестве движения mV, об импульсе силы Ft, ни об их физическом смысле практически ничего не говорят – и это приводит к полному непониманию сути таких основополагающих разделов физики, как механика и динамика.

Если мы решаем какую-либо задачу физики по механике или динамике, без учёта времени действия каждой силы правильное решение попросту невозможно. Поэтому при решении задач механики и динамики мы должны оперировать не просто давлениями, силами, но и временем их действия, то есть мы должны оперировать импульсом силы – Ft. В принципе, даже при решении задач статики мы должны сравнивать не силы, а импульсы сил…

Но и Исаака Ньютона следует немного подправить. Или даже не подправить, а кое-что разъяснить. Ньютон пишет: «Если какая-нибудь сила производит некоторое количество движения, то двойная сила произведет двойное, тройная – тройное, будут ли они приложены разом все вместе, или же последовательно и постепенно.»

Но дело в том, что производит некоторое кол-во движения не просто сила, а импульс силы, т. е. сила, действующая в течение некоторого времени. Поэтому текст Ньютона можно бы было дополнить следующей фразой: «Если какая-нибудь сила в течение некоторого времени производит некоторое количество движения, то эти же сила в течение двойного времени произведет двойное, в течение тройного – тройное.» Неужели же Ньютон этого не понимал?

И вот у меня возникло предположение: А что, если Исаак Ньютон имел в виду не ту физическую величину, которую мы сейчас называем «силой», а ту, которую мы называем «энергией». Как правильно понять этот «vis illa imprimitur» ?

Дело в том, что в статье Готтфрида Лейбница «Против картезианцев, о законах природы и истинной оценке движущих сил...» (перевод с латыни Я.М. Боровского, к сожалению, я пока не нашёл оригинала на латыни – да, честно сказать, вряд ли бы мне это помогло в моём расследовании) написано: «Многие измеряют силу произведением массы на скорость, т. е. количеством движения…». Эта статья была написана почти в то же самое время, что и «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» Исаака Ньютона («Математические Начала Натуральной Философии»), и в данном контексте у Лейбница «сила» – это и есть современная «энергия», способность тела совершать механическую работу.

Так, может быть, Исаак Ньютон и был в числе тех «многих», о которых пишет Лейбниц, которые измеряли энергию произведением массы на скорость, т.е. считали энергией, в данном случае – кинетической энергией – количество движения. И, надо сказать, правильно считали, так как Готтфрид Лейбниц во всех своих предположениях и «доказательствах», что следует считать «энергией», допустил грубые и, порой, наивные и даже бестолковые ошибки.

ЧТО Я ПРЕДЛАГАЮ

На школьных уроках физики следует называть второй закон Ньютона Законом изменения количества движения со следующей формулировкой:

«Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и времени её приложения и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.»

Итак, единственно правильное математическое описание второго закона Ньютона (в формулировке автора) выглядит так: Δ(mV) = Ft в векторном выражении. А формула для определения ускорения тела a = F/m – это следствие второго закона. Писать вывод этого следствия из основной формулы второго закона Ньютона я тут не буду, уверен, каждый мало-мальски образованный человек сам в состоянии это сделать. И именно таков должен быть подход к изучению второго закона Ньютона.

После осознания истинной сути второго закона Ньютона будет гораздо проще объяснить ученикам всю бестолковость нынешнего понятия энергии, когда за потенциальную энергию считают mgh, а за кинетическую – не имеющую никакого физического смысла величину mV²/2.

Про ошибочность такого подхода я уже неоднократно писал и на своём канале «Не верь стереотипам» в Дзене, а также в довольно объёмной статье «Нынешний закон сохранения энергии в механике – величайшая ошибка физики»

Для лучшего усвоения пройденного материала я рекомендую разобрать телеметрию старта какой-нибудь ракеты, например, Falcon-9:

Опровержение закона сохранения энергии – старт Falcon 9

Опровержение ЗСЭ – продолжение разбора старта Falcon 9

НУ И, ЛЮБИТЕЛИ ФИЗИКИ - ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ, ЧТОБЫ НИЧЕГО НЕ ПРОПУСТИТЬ

НА МОЁМ КАНАЛЕ БУДЕТ ЕЩЕ МНОГО ИНТЕРЕСНОГО ПРО ФИЗИКУ.