Введение
Знания, полученные в школе, из книг, наблюдения над окружающей нас обстановкой, в частности сведения о поражающей наше воображение мощи современной промышленности — все это невольно ставит перед умом школьника вопрос: каким образом человек, с его небольшими физическими силами, с его несовершенными органами чувств, позволяющими непосредственно наблюдать лишь весьма ограниченный круг явлений, сумел создать современную технику с ее огромными возможностями, далеко превосходящими вымыслы Жюля Верна? Почти каждый из нас ответит, не задумываясь, на этот вопрос: это чудо сделала наука о природе. В частности, физическая наука играет в этом торжестве человека чрезвычайно важную роль.
Какими же средствами располагает физическая наука для приобретения власти над миром?
Прежде всего ясно, что физика имеет дело с явлениями реального мира и, следовательно, первый шаг для получения знаний об этих явлениях должен состоять в наблюдениях.
Научное наблюдение представляет, однако, далеко не простую задачу. Проследим, например, за тем, как падают тела. Легко обнаружить, что тело, брошенное с небольшой высоты, слабо ударяется о землю, при падении же с большой высоты толчок может быть гораздо более сильным и может даже привести к разрушению падающего тела. Однако наблюдения над каплями дождя не обнаруживают заметного различия при ударе капель, падающих из низко и высоко плывущих туч. Все знают, что летчик, выпавший из самолета, разбивается насмерть, а летчик, спрыгнувший с парашютом даже с большой высоты, плавно приземляется. Авиабомбы, особенно тяжелые, ударяются со страшной силой, нередко пробивая многоэтажные дома. Таким образом, сравнительно простое явление падения может протекать различным образом. И если мы хотим управлять этим явлением, мы должны найти связь между отдельными сторонами его: установить какие-то характеристики движения тела; определить, как влияют на эти характеристики размеры, форма и масса тела, высота, с которой оно падает, и т. д., и — самое главное —
Введение |
17 |
извлечь из этих данных общие выводы, объясняющие, почему падение протекает именно так, а не иначе.
Те же задачи возникают и при изучении любого другого явления. Мы должны установить, от чего зависит тот или иной ход явления, каким образом можно ослабить или усилить отдельные стороны его. А для этого надо уметь расчленять явление, выделять отдельные его элементы и по возможности изменять условия, в которых протекает явление, т. е. перейти от простого наблюдения к эксперименту. При этом крайне важно не ограничиваться лишь общими качественными впечатлениями о явлении, а найти количественные характеристики отдельных его элементов в виде величин, поддающихся измерению. Другими словами, надо определить, какие понятия могут служить для количественной характеристики явления, и установить те приемы, с помощью которых мы будем измерять соответствующие величины; нахождение этих величин позволяет отыскивать числовые соотношения между ними, т. е. формулировать законы явления в количественной (математической) форме. Так, в рассмотренном выше примере падения мы вводим понятия скорости падающего тела, его ускорения (т. е. изменения скорости), высоты падения, сопротивления воздуха, массы тела, силы тяжести, действующей на тело, и т. д. Найти законы падения — это и значит установить, какая зависимость обнаруживается между этими величинами.
Установление количественных законов, показывающих, как изменяются одни из величин при изменении других, — важнейшая задача экспериментального исследования явлений. Такие законы указывают нам, как надо менять условия, в которых протекают явления, чтобы добиться тех или иных желаемых результатов. Эти законы помогают нам уяснить смысл явлений и, таким образом, открывают путь для создания теории явления, т. е. тех общих представлений, которые позволяют понять, почему наблюдаемое явление подчиняется найденным законам и какова связь его с другими явлениями, иногда на первый взгляд очень от него далекими.
Так, в примере падения тел мы устанавливаем законы падения, выясняя роль сопротивления воздуха, зависимость этого сопротивления от формы тела и скорости его движения. Таким путем мы постепенно приходим к полной теории явления, показывающей, в частности, что в явлении падения могут весьма важную роль играть вихри, образующиеся в воздухе при быстром движении тела; выясняется значение так называемой «обтекаемой» формы тела, т. е. формы, при которой весьма ослабляется вихреобразование и связанное с ним торможение движе-
18 Введение
ния. Выяснение этих вопросов позволяет решить ряд важнейших задач самолетостроения, создания автомашин рациональной формы, построения быстроходных поездов и т. д.
Из изложенного ясно, какое громадное значение имеет эксперимент для физической науки. С помощью эксперимента мы находим законы явлений, пользуясь экспериментом, мы приходим к построению теории явлений. Теория в свою очередь позволяет предвидеть новые, еще не известные особенности явления и указывает условия, в которых эти особенности могут проявляться. Такие выводы из теории вновь подвергаются экспериментальной проверке, что нередко служит для исправления или усовершенствования теории. Так, мало-помалу, сложное и неясное явление становится вполне понятным, и мы научаемся по своему желанию управлять им. Из этого умения управлять явлениями природы и возникла вся мощь современной техники.
После приведенных разъяснений о роли эксперимента понятно, почему мы называем физику экспериментальной наукой. Но не следует, конечно, думать, что для установления законов и создания теорий достаточно простого сопоставления результатов хорошо выполненного эксперимента. Требуется напряжение всех мыслительных и творческих способностей человека, чтобы из материалов, полученных из эксперимента, воздвигнуть величественное здание науки.
В разобранном выше примере падения изучаемое явление было сравнительно простым; и все же и в этом явлении не так уж просто установить, какие из сторон явления играют более важную, а какие — второстепенную роль и как можно упростить или, как говорят, схематизировать явление, чтобы, отбросив второстепенное, не упустить существенного. Во многих случаях задача осложняется тем, что в реальных явлениях переплетаются весьма разнообразные процессы. В явлении могут, например, играть существенную роль электрические или тепловые процессы, в результате которых возникают силы, сообщающие телам ускорение, могут обнаруживаться или даже иметь решающее значение какие-либо оптические изменения и т. д.
Представьте себе, например, явление грозы. Здесь тесно сплетаются тепловые явления и явления молекулярной физики (испарение и конденсация водяного пара); явления электрические (роль заряженных центров при образовании капелек, возникновение электрического напряжения между грозовыми облаками
ипроистекающие от этого электрические разряды); оптические
иакустические явления (молния, гром); многообразные меха-
Введение |
19 |
нические явления (падение капель, ветер, движение облаков, образование вихрей) и т. д.
Понятно, что в подобных случаях еще большее значение имеет расчленение сложного явления на более простые, облегчающее изучение явления по частям. Наблюдения над сложными явлениями показывают, что при таком расчленении можно выделить группу сходных явлений, например оптические, тепловые, электрические и т. д., как это и было сделано нами в примере грозы. Поэтому целесообразно и при изучении физики объединить исследуемый материал в такие группы, хотя между ними нельзя провести резкой границы. В соответствии с этим распределение учебного материала по группам (и даже их последовательность) не является чем-то строго обязательным и может быть проведено различным образом.
В нашем учебнике мы начинаем изучение явлений с механики (включая механику жидкостей и газов), ибо относящиеся сюда явления более просты, а также и потому, что знание законов механики оказывает нам существенную помощь при изучении других разделов. Затем излагается учение о тепловых явлениях, тесно переплетающихся с явлениями молекулярной физики. Далее выделен обширный круг электрических и электромагнитных явлений. Явления колебаний и волн объединены в особый раздел, включающий механические, акустические и электромагнитные колебания. Затем следуют оптические явления, изложение которых в значительной степени опирается на учение о колебаниях и волнах. В конце дается небольшой очерк учения об атоме.