36
Физика 8, 9, 10
Публикуемая ниже заметка «Об одной удивительной живучей ошибке» предназначаем восмиклассик, «Проводики в электростатическом поле» — девятиклассик, «Интерфериция и интерферометры» — десятикласикам.
Об одной удивительной живучей ошибке
Представим себе такую сценку на уроке физики.
Учитель. Камень брошен под углом к горизонту и движется по параболической траектории (спротивлением воздуха пренебрегаем). Какие силы действуют на камень в тот момент, когда он оказывается в некоторой точке параболи?
Учитик. Прежде всего камень испытывает действие силы тяжести. (Не больше пауз.) Кроме того, на камень действует сила бросания, направленая по касательной к траектории.
Учитель. Как известно, сила есть мера взаимодействия тела. Сила также обусловлена притяжением камня к Земле. Тут все ясно. А какое тело действует на камень с силой бросания?
Учитик. Предположим, что камень бросили рукой. Значит, рука и обусловливает силу бросания.
Учитель. Но ведь взаимодействие между камнем и рукой прекратилось, как только камень оказался в полете. Можно накопить скорость, энергии; силу же накопить нельзя. Прекратилось взаимодействие — и в тот же момент исчезла и соответствующая сила.
Учитик (немного растерянно). Получается, что на камень в полете действует только сила тяжести?
Учитель. Именно так. Если, разумеется, не принимать во внимание взаимодействие камня с воздухом.
37
Приведенная сценка является очень типичной. И не только в школе. Из года в год многие абитуренты дают на поставленный вопрос неправильный ответ — тот самый, который дал и наш ученик. Ошибку нередко допускают также студенты, сдавая экзамен по механике.
Живучеть и распространность рассматриваемой ошибки объясняется не только плоским знанием физики. Есть здесь, как представляется, и принцип психологического характера. Во-первых, на уровне житейских ситуаций мы привыкли к тому, что для поддержания движения тела на него необходимо действовать какой-нибудь силой. При этом забывается, что сила нужна лишь для компенсации треня. Во-вторых, мы живем в достаточно быстро ритме и часто, ох как часто, желаем получить результат немедленно. При этом мы просто не хотим принимать во внимание… инерцию, инерность.
— В каком направлении в данной момент времени действует сила, в таком направлении и должен лететь в этот момент камень. Изменится направление силы, точас должно стать другим и направление движения. Если бы на камень действовала только сила тяжесте, он должен был лететь вниз. А он летит не вниз, значит, кроме силы тяжесте есть еще сила. — Возможно, примерно такие мыслиmelкают в нашей голове, и возникает та самая ошибка.
Мы любим критиковать инерность, охождствляем ее с ленью, нежеланием действовать. Однако в нем на точку зрения физики и попробуемые представить, как выглядел бы мир, в котором инерция вдруг исчезла. Чтобы тело движалось в таком мире, надо было бы все время прикладывать кнему силу. Прекратилось воздействие — тут же прекратилось движение. Сила направлена вправо — тела движется вправо. направление силы сменилось на противоположное — и в тот же момент тела движется уже в обратном направлении. Можно сказать, что здесь все определяется только данным моментом времени (только, действующими в данной момент), важны лишь сimiнитные воздействия, сimiнитные указания. Здесь нет «памятки» о прошлом, прошло нисоклько не влияет на настоящее. И соответственно настоящее совершено не влияет на будущее. Мир без инерции — это мир, где нет причины-следствивных связией.
Но вернемся к нашему камню. Когда его бросали, на него, конечно, действовали какой-то силой. Теперь он в полете, но «помнит» о прошлом: характер его движения (в частности, высота и дальность полета) определяется не только силой тяжесте, но также и той силой, которая действовала на камень равше. Именено поэтому камень не летит вниз, а следует по параболической траектории. Говоря строим языком науки, движение камня в данной момент определяется как силой, действующего на него в этот момент, так и начальные условия — направлением и моделей скорости, которое он имел в начальной моменте полета. Недаром задачи такого типа обычно начинаются словами: «Тело бросили с такой-то скоростью под таким-то углом к горизонту…» Эти самые начальные условия как раз и выражают результаты действия сил в прошлом. Через них прошло влияние на настоящее.
Очевидно, что изменение приложенной к телу силы приводит к изменению движения тела. Важно, однако, что изменение движения тела происходит с учетом того, как оно движалось равше. Сила определяет неисредственное не скорость тела, а скорение, т. е. изменение скорости. Получается, что знаменитый второй закон Ньютона — тот самый, где впервые в физике появляется масса (мера инерности тела), — есть по сутки дела закон, выражающий причины инерности в механике.
Вот к каким глубоким выводом можно прийти, обсуждая движение камня, брошенного под углом к горизонту.
Л. В. Тарасов