17 сентября – Всероссийский день физики, поэтому я решил продолжить тему об устаревшей информации в учебниках.
По итогам обсуждений моих предыдущих статей на АШ у меня сложилось впечатление, что в XXI веке физики забыли, зачем были нужны демонстрационные опыты. Риторический вопрос: сколько новых демонстрационных экспериментов было придумано за последние 20 лет?
Господа физики, вы правда верите в то, что одними только формулами можно убедить скептиков? Схоластика вместе с формулами выглядит еще более сомнительно, чем схоластика без формул.
А ведь еще пятьдесят назад проведение демонстрационных экспериментов во время занятий было вполне обычным делом и в необходимости подобных экспериментов никто не сомневался. Вот в качестве примера ссылка на книгу с описанием школьных демонстрационных экспериментов:
Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах. ЧАСТЬ I. МЕХАНИКА, ТЕПЛОТА
К демонстрационным экспериментам предъявлялся целый ряд требований: видимость, наглядность, выразительность, надежность, кратковременность, содержательность, безопасность (данные требования разъясняются на страницах 8 – 10 в упомянутой выше первой части учебника).
Я предлагаю обратить внимание на одно из перечисленных требований: убедительность.
Цитата со страницы 9:
Опыты должны быть всегда убедительными, не вызывать каких-либо сомнений в их справедливости и не давать повода к неправильному толкованию. Поэтому все побочные явления, сопровождающие основное, должны быть сведены к минимуму, сделаны незаметными и не отвлекающими внимание от главного.
Пример простого эксперимента, демонстрирующего распространение звука в воздухе (стр. 184 – 185):
Вначале показывают хорошо известный опыт с электрическим звонком, помещенным под колокол воздушного насоса. При откачивании воздуха из колокола звук постепенно слабеет и становится очень тихим. Если снова впустить воздух, то громкость звука восстанавливается. Опыт раскрывает роль среды в передаче звука: если между источником и приемником звука удалить упругую среду, то звук не сможет распространяться.
Пояснительная картинка к данному эксперименту, заимствованная со стр. 185 учебника, показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Электрический звонок под колоколом воздушного насоса
Опыты со звуком в показаны прекрасно, но уже с радиоволнами обнаруживаются проблемы. Посмотрим вторую часть книги: приведены эксперименты, демонстрирующие отражение, преломление и интерференцию электромагнитных волн (стр. 301 – 304). Описания каких опытов явно не хватает?
В учебниках плоскую электромагнитную волну традиционно, с XIX века, изображают так, как показано на рисунке 2: напряженности электрического (E) и магнитного полей (H) то одновременно достигают максимального значения, то одновременно обращаются в ноль.
Рисунок 2. Так принято изображать плоскую электромагнитную волну в учебниках физики
Картинка на рисунке 2 заимствована авторами всех современных учебников из работы Джеймса Максвелла, написанной в середине XIX века для объяснения явления поперечной поляризации света. Как стало понятно гораздо позже, в XX веке, после открытия фотонов, к поляризации света данная картинка никакого отношения не имеет: каждый фотон поляризован сам по себе.
Но для демонстрации поляризации радиоволн картинка почему-то продолжает использоваться, причем для объяснения того, почему E и H ведут себя в плоской волне именно так, применяется чистая схоластика, а ссылки на какие-либо подтверждающие подобную картинку результаты натурных экспериментов в учебниках отсутствуют.
На рисунке 3 приведен пример подобного объяснения из методички по проведению лабораторных работ (страница 5):
Рисунок 3. Современное объяснение графика, изображающего плоскую электромагнитную волну
Иными словами, в настоящее время принято считать, что в ближней зоне полуволнового вибратора (на расстоянии, меньшем размеров антенны) сдвиг по фазе между E и H имеется, а в дальней зоне (расстояние до которой много больше размеров антенны) сдвига по фазе нет.
Господа физики, а где в литературе (в статьях, учебниках или методичках к лабораторным работам) вы видели описание хотя-бы одного эксперимента, подтверждающего подобные убеждения?
Как должен выглядеть подобный эксперимент?
Какое оборудование необходимо для его проведения?
Очевидно, что потребуется генератор, формирующий высокочастотный сигнал синусоидальной формы, антенна-излучатель (полуволновой вибратор), датчики, регистрирующие напряженность электрического и магнитного поля, устройство, предназначенное для измерения сдвига по фазе между сигналами, поступающими с датчиков, и индикаторное устройство, предназначенное для отображения сдвига по фазе.
В данном эксперименте необходимо обеспечить свободное пространство вокруг экспериментальной установки, то есть и антенна-излучатель, и пара датчиков должны быть установлены на лабораторные штативы.
Необходимо иметь возможность изменять расстояние между излучателем и датчиками: в простейшем случае – путем перестановки одного из штативов на другое место.
В момент измерения показаний датчиков вблизи от экспериментальной установки не должно быть объектов, заметным образом искажающих результаты эксперимента, например, школьной «белой» доски, представляющей собой покрытый лаком металлический лист, или людей, также способных отражать и поглощать радиоволны.
В качестве измерительного устройства удобнее всего было-бы использовать двухлучевой осциллограф, обеспечивающий наглядность, если бы не одно «но»: современные дешевые осциллографы «радиолюбительского» уровня обычно имеют полосу пропускания 100 МГц, в лучшем случае – 200 МГц. Длина волны при использовании сигнала с частотой 100 МГц составляет 3 метра, а при частоте 200 МГц – 1,5 метра, то есть даже в лучшем случае экспериментальная установка будет громоздкой и неудобной (длина полуволновой антенны, например, по определению составляет половину длины волны).
Следовательно, желательно использовать более высокие частоты, и придется отказаться от осциллографа. Непосредственно рядом с датчиками, на штативе нужно установить электронное устройство, преобразующее сдвиг по фазе в постоянное напряжение (в этом случае в качестве индикаторного устройства можно будет использовать, например, бытовой мультиметр, а сигнал к нему подавать по кабелю или витой паре проводов) или сразу в цифровую форму (в этом случае можно применить беспроводную передачу сигнала, а в качестве индикаторного устройства использовать смартфон или планшет).
Основную проблему при проведении эксперимента, с моей точки зрения, представляют датчики, предназначенные для измерения напряженностей E и H: в типовых наборах для демонстрационных экспериментов по физике они отсутствуют. Их придется подбирать отдельно, искать инструкции по их применению и учиться правильно их использовать.
Комментарии
Опять зефир струит эфир?
По-видимому, автор хочет донести до нас простую мысль, что в ближней зоне имеется-таки сдвиг по фазе между напряжённостями электрического и магнитного полей. )
Я пытаюсь донести несколько иную мысль.
Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна – это только «вишенка на торте», а путаться в рассуждениях физики-теоретики начали еще в 20-е годы XIX века, когда французские ученые навязали всему миру халтурную модель среды (светоносного эфира): эфир якобы совершенно неподвижен, но при этом свободно проходит сквозь физические тела и не оказывает совершенно никакого сопротивления их движению.
За двести лет, халтуря по мелочам, теоретики превратили электродинамику в лабиринт с множеством тупиков и ловушек-заморочек. С тех пор теоретики уныло бродят в этом лабиринте из одного тупика в другой.
А могли бы легко выбраться из этой суперловушки, если бы догадались «простучать стены» и выяснить, какие из них – иллюзорные.
Современная физика уже давно ушла в квантовый мир, а в нем уже только наблюдая за объектом ты его «изменяешь». Экспериментальные установки приходится делать очень большими и сложными (вон знаменитый «большой адронный коллайдер» к примеру). Короче в школе уже не покажешь. Да и у многих школ скорее всего нет денег на новое лабораторное оборудование и реагенты
Даешь демонстрационную Черную дыру!!! :))
Максвелл абсолютно правильно нарисовал волну - без источника в пустом пространстве без граничных условий свига фазы нет. Это видно из уравнений. Решение: H = Aexp(ikz - iωt). Подставьте и убедитесь сами.
Ах, док, оставьте, умоляю вас! К чему все эти ваши непонятные закорючки, которые вы называете уравнениями? Единственное, что в них понятного, так это встречающиеся там латинские буквы.
Для автора надо всё разъяснить буквально на пальцах. А ещё лучше разжевать и положить в рот.
И не надо, да, не надо нам тут этого вашего с Арбалетом высокомерия. Падумаешь, доктора ф.-м. наук. Эка невидаль! Ближе, ближе надо быть к народу. Как Внедорожников, например. Хоть он тут и не кажет носу.)
Джеймс Максвелл построил математическую модель плоской волны и получил странный результат: отсутствие сдвига по фазе между E и H.
Эксперименты с отражением и преломлением радиоволн, а также со стоячей волной проводил еще Генрих Герц.
Почему только с плоской электромагнитной волной до сих пор не могут провести демонстрационный эксперимент, подтверждающий полученный Максвеллом результат? Он все никак не подтверждается?
В зависимости от граничных условий и распределения токов в пространстве решения могут быть сколь угодно сложными.
За более чем 100 лет уравнения Максвелла продемонстрировали свою потрясающую эффективность. Если у вас есть что предложить лучше - предлагайте.
Используя данные космической обсерватории Gaia, профессор Кю-Хюн Чэ изучил движение 26,5 тысяч двойных звезд. Полученные им результаты свидетельствуют о поведении, противоречащем устоявшимся гравитационным теориям, теориям темной материи и темной энергии.
Чэ заметил, что когда двойные звезды демонстрируют низкие ускорения, они проявляют интригующее поведение: их ускорение на 30-40% больше, чем предсказывают существующие модели. Это позволяет предположить, что при определенных условиях малого ускорения наши современные теории могут оказаться неполными и неточными.
Если его наблюдения подтвердятся (хотя они и так прошли уже множество проверок), то нам понадобится новая теория гравитации, в которой не будет тёмной материи и тёмной энергии.
Напомню, что их физики ввели, как раз потому, что наблюдения за поведением галактик не состыковывались с теориями Эйнштейна и Ньютона.
Т.е. по факту никто и ничего никогда не проверял. Все просто пользовались формулами, полностью наплевав на наблюдения. Более того, никто и никогда не проводил наблюдения для проверки соответствия теории реальности. И ТАК ПРОДОЛЖАЛОСЬ СТОЛЕТИЕ, пока какой-то китаец не решил проверить.
За это время нагородили невероятных теорий и придумали кучу сущностей, которые начали яростно искать(потратив кучу денег на детекторы, той же темной материи). Естественно ничего пока не нашли.
Как вдруг ВНЕЗАПНО выясняется, что мы просто не понимаем что такое гравитация и как это работает.
А для этого нужно было просто проверить теорию на соответствие реальности.
Новость уже продолжительное время бродит по научным сайтам и как результат, слышна звенящая тишина от маститых физиков-теоретиков.
Когда-то давно, более 20 лет назад, довелось побывать в длительной командировке в Мюнхене.
И там открыл для себя целый мир школьного физического (и химического) эксперимента в отдельном огромном разделе мюнхенского политехнического музея (Дойче Мьюзиим, метро Исаартор). Таких экспериментов и в таком количестве и в таком разнообразии мы в школе и в институте не делали. Все разделы физики от гидростатики 6-го класса до оптики 10-го. Все установки автоматизированы: любой посетитель может подойти, нажать кнопку запуска - и перед ним в течение 3-15 минут пройдёт эксперимент, все установки и стенды снабжены обширным описанием с пояснением - куда смотреть и что будет видно.
Не помню, что там было по распространению радиоволн, сейчас с интересом вернулся бы туда, чтобы уточнить. Тогда, осенью 2001 года я провёл в этом музее три субботы.
Когда будем брать Мюнхен - политехнический музей надо поберечь, и по возможности повторить школьный раздел его экспозиции во всех наших областных центрах, после чего часть уроков физики и химии проводить там.
А вы здесь не выступали часом? https://m.youtube.com/@chronosmsu/videos
Ссылки на следующие статьи:
Самый простой пример взаимодействия фотонов
Про интерференцию света
О взаимодействии фотонов
Парадоксы, связанные с размерами фотонов
Продолжение темы о демонстрационных экспериментах
Ссылки на следующие статьи:
Биения в лазерном луче
Указка и зеркала
Превращаем указку в точечный источник света
Фейнман и спорщики
О школьниках, фотонах и арифметике
Продолжаем разбираться с фотонами
Фотоны и изображение на экране
Об углах и фотонах
Ссылки на следующие статьи:
Световой вектор
Интенсивность излучения и интерференция света