Введение. 
Общая физика

Физика лежит в основе всех естественных наук (химии, геологии, биологии) и всех технических наук, поэтому основы физики должен понимать любой инженер.

Данное учебное пособие предназначено для широкого круга студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования нефизических специальностей технического и педагогического профилей. Его могут использовать студенты разных специальностей. В зависимости от профиля отдельные разделы могут оказаться более важными, другие — менее. Целесообразно посоветоваться с лектором, каким разделам нужно уделить больше внимания, какие можно вообще пропустить, а по каким следует обратиться к более подробным учебникам. Менее важный материал, который при первом чтении можно пропустить, дается мелким шрифтом. Отбор материала должен производиться с учетом специализации. Так, использование программирования при анализе физических проблем студент-биолог может при первом чтении опустить. По это совершенно необходимо будущим учителям математики и информатики или будущим инженерам.

Малый объем пособия исключает возможность рассмотрения многих интересных деталей. Если возникает особый интерес к какому-либо разделу, следует воспользоваться списком рекомендованной литературы, приведенном в конце второго тома. Пособие структурировано таким образом, чтобы студент с ним работал, а не читал и заучивал. Постоянно предлагается обратиться к другому разделу учебника или к другой книге для разъяснений или получения более полной информации. Авторы считают самостоятельный поиск необходимых сведений одним из основных элементов обучения и решительно отказываются от того, что все нужное для сдачи экзамена на высокую оценку должно быть в одном пособии.

Авторы избегают длинных алгебраических выкладок в основном тексте, давая их в форме дополнительной информации либо ограничиваясь подробным словесным алгоритмом, по которому студент может их выполнить самостоятельно. Эго много ценнее, чем заучивание длинных выводов, даже если они сделаны на высоком научном уровне. Чтобы понять, как получается какой-либо важный результат (например, формула Резерфорда для рассеяния а-частиц), студенту предлагается обратиться к списку рекомендованной литературы.

Сжатый объем книги не позволил отклоняться в весьма поучительные вопросы истории основных физических открытий. Эти сведения следует брать из других источников.

Определенную экономию места в пособии дает использованный во многих случаях переход от аналитического метода к численному (построение траекторий, расчет электрических цепей и т. д.). Авторы сочли невозможным в век информационных технологий не включать принципы решения проблем с использованием компьютеров, которые получили широкое распространение нс только в вузах, но и в личном пользовании.

С появлением компьютеров процесс изучения физики, как и сама физика, меняется. Компьютер предоставил нам качественно новые возможности при решении физических проблем. Дело в том, что мы приобретаем квалификацию не тогда, когда усваиваем некоторую сумму понятий и законов физики, а тогда, когда оказываемся способными их применять. Только самостоятельное решение определенного количества задач позволяет хорошо усвоить предмет. Прежде решение многих задач зачастую упиралось в математические трудности (уравнение нс решается аналитическими методами, интеграл не берется в элементарных функциях, полученный на опыте массив результатов не описывается простыми формулами и т. д.). Аналитический метод (решение задач по формулам) сыграл огромную роль в развитии науки XVIII— XX вв. и имеет большое значение в настоящее время. Однако он все же является ограниченным, поскольку его можно использовать только в идеализированных ситуациях. Так, в задачниках по общей физике обычно разбираются задачи следующих типов: «Какова сила взаимодействия двух точечных зарядов на определенном расстоянии?» или «За какое время тело, падая, пройдет третий метр своего пути?». Это нужные задачи, так как они обучают мыслить математическими и физическими категориями, но они очень далеки от реальности. Никому и никогда не придется их решать в жизненных ситуациях, по крайней мере в такой форме. Они рафинированы настолько, что могут служить только иллюстрацией закона или правила. В таких задачах приходится считать зависимости предельно простыми: движения — равноускоренными, силы — линейно зависящими от отклонений или от скорости, токи — линейно зависящими от напряжения, оптические среды — однородными и т. д. Рассмотрим такие, казалось бы, простые практические задачи, как:

• — какое расстояние пройдет поезд за первые 10 мин движения после отхода от станции?
• — как далеко и по какой траектории (с учетом сопротивления воздуха) полетит брошенный мячик; под каким углом его надо бросить, чтобы он улетел максимально далеко?
• — как изменяется со временем сила тока через лампочку после ее включения?
• — как распространяется свет при мираже, в световоде? и др.

Аналитически эти задачи нс решаются, поэтому они до сих пор отсутствовали в пособиях по общей физике.

Когда во второй половине XX в. появился компьютер, количественное описание явлений вышло на новую ступень. Спектр задач, которые можно решить быстро, нс затрачивая особых усилий, резко расширился. Какими бы сложными формулами пи описывались явления, результат выдается компьютером в считанные секунды. Формул для расчетов может и вовсе не быть (аналитическое решение невозможно). Например, исходные данные могут быть заданы только в виде таблицы или графика. Это также не представляет сложности для компьютера.

Особенно важно для физики то, что компьютер выдает в виде ответа не только число, но и зависимость этого числа от условий задачи, а также вычерчивает графики полученных зависимостей. Компьютер моделирует и рисует любые сложные траектории, графики процессов, семейства графиков и т. д. Теперь можно учесть различные факторы, влияющие на эти процессы: при анализе движений — различные силы, зависящие от координат, скорости, времени и т. д.; при анализе электрических токов — зависимость сопротивления от температуры, времени, наличия в цепи нелинейных элементов; при анализе хода оптического луча в веществе — зависимость показателя преломления от координат, от интенсивности света и т. д. Причем все сложности расчетов компьютер (при достаточном программном обеспечении) берет на себя. Пользователь должен только четко указать, как, что и от чего зависит.

Этот подход широко использован в пособии. Предполагается, что студент, изучив какой-либо раздел, введет в компьютер соответствующую программу и «проиграет» на ней различные варианты проблемы (получит на экране различные графики при различных значениях параметров, при изменении условий и т. д.). Для этого потребуются совсем нс сложные программы в несколько строк или десятков строк, которые студент может сам составить на одном из простейших алгоритмических языков. В тексте пособия даются указания, как это сделать. В отдельных местах текста делаются ссылки на пакет готовых программ ПАКПРО, который можно получить через Интернет по адресу: http://bravo.herzen.spb. ru/edu (login: test; пароль: test).

Для проведения практических занятий этим методом можно воспользоваться задачником: Бурсиан Э. В. 100 задач для решения на компьютере. Физика. СПб., 1997.

Студент-химик или биолог, получив при изучении физики некоторую подготовку по моделированию процессов, сможет затем применить эти умения к изучению своего предмета.

Под компьютерной поддержкой, используемой в этом пособии, авторы понимают не чтение текстов на экране компьютера и не демонстрацию статичных или динамичных иллюстраций, а руководство к самостоятельному моделированию простейших процессов. Предполагается, что читатель за основу возьмет несложные программы, рекомендуемые в пособии, но будет их варьировать, получать разные результаты в зависимости от ситуации, т. е. будет не только пользователем, но и конструктором, хозяином программ. Указания имеются в соответствующих местах курса.

Структура курса ясна из оглавления. В связи с ограниченными рамками пособия тщательно продуманы возможности сокращения объема. Это привело к нетрадиционному порядку изложения материала, причем без существенных потерь строгости и научности.

Курс механики начинается не с кинематики, как обычно, а с типов взаимодействий, понятия сил, их сложения, вопроса о равновесии и его отсутствии. После этого даются уравнения движения (второй закон Ньютона) для различных типов движений. Решение уравнений движения дается двумя способами — аналитически (т. е. по формулам, как обычно) и численным методом на компьютере. Студенту становится очевидным, что второй способ часто значительно проще и дает возможность учета различных факторов, что ведет к получению более реальных ответов, траекторий и т. д. Так, например, при решении задачи «Под каким углом к горизонту следует бросить тело, чтобы дальность полета была максимальной?» обычно получают ответ «45°». Но такой ответ пригоден для Луны, на Земле же с учетом сопротивления воздуха результат может быть и 35° и 20°, но никак нс 45°. Правильный ответ может быть получен только на компьютере.

В разделе 1 главы 3 зависимость давления от высоты в атмосфере дается с учетом изменения температуры и используется простой компьютерный расчет. Реальный результат сильно отличается от обычно приводимого в учебниках.

Уравнения Кирхгофа для разветвленных электрических цепей решаются коротким и изящным компьютерным методом.

Геометрическая оптика дается до волновой. Здесь учитывается опыт преподавания в современных условиях, когда оптические приборы изучаются только в специальных физических школах. Кроме того, описание установок волновой оптики требует знания свойств линз и призм.

Несколько больше внимания, чем обычно, уделено таким разделам, как «Теория относительности» и «Квантовая механика», поскольку они имеют большое мировоззренческое значение. В то же время учитывается, что студент нефизической специальности нс будет слушать специальных курсов теоретической физики. Суть этих разделов излагается по возможности просто, близко к популярному уровню, но без потери строгости. При решении простых квантово-механических задач также используются новые возможности, возникшие с появлением компьютеров.

Исключены узкоспециальные вопросы, например фотометрия. Небольшой раздел «Доза облучения и мощность дозы» оставлен из-за интереса к этой проблеме даже у людей, далеких от физики.

И еще относительно стиля пособия. Авторы считают, что учебный чертеж в физике должен быть максимально прост. Он должен быть абстрагирован от всех ненужных в данный момент деталей и легко изображаться на доске и на бумаге. Поэтому авторы отказались от красочных иллюстраций, широкую возможность использования которых предоставляют современная полиграфия и компьютерная графика. Нельзя, решая задачу о движении спутника, рисовать антенны, люки, звездное небо и т. д.

Мы хорошо понимаем, что самую строгую оценку пособие получит у наших коллег-пренодавателей. Еще раз напомним, что пособие предназначено для студентов, а не для преподавателей. Пусть последние простят нам, что в пособии почти нет оригинальных соображений, философски весомых мыслей, которыми так богаты прекрасные курсы многих лекторов докомпьютерной эпохи. При малом объеме авторы не могли позволить себе такую роскошь. Некоторое отличие от других пособий в том, что более ясно изложены моменты, которые, как подсказал нам опыт преподавания, вызывают трудности у студентов. Главным авторы считали ясность и, по возможности, лаконичность изложения.

В результате изучения материалов учебного пособия студент должен освоить:

трудовые действия

• • владение методами теоретического исследования физических явлений и процессов;
• • навыками применения основных физических законов при решении задач;
• • навыками работы с учебной и научной литературой по дисциплине;

необходимые умения

• • решать задачи аналитическим методом и с помощью компьютера;
• • объяснять основные законы и уравнения физики;

необходимые знания

• • элементы высшей математики, необходимые для понимания физических явлений;
• • основные понятия и модели механики, термодинамики, электромагнетизма, геометрической и волновой оптики;
• • постулаты теории относительности, волновые свойства частиц и строение атома;
• • основные законы квантовой оптики и электроники, ядерной физики и физики высоких энергий.

Авторы будут весьма признательны за указания на неизбежные ошибки и недостатки.

При написании пособия использованы методические идеи учебника: Бордовский Г. А, Бордовский В. Л. Основы механики и молекулярной физики: учеб, пособие. Л., 1979.