Физика. 10 класс

Физика: учебник для 10 класса общеобразовательных организаций. М.: Русское слово, 2021.

Автор: кандидат педагогических наук Э.Т. Изергин

Научные редакторы: доктор педагогических наук А.А. Фадеева, член-корреспондент РАО, доктор педагогических наук А.С. Гаязов

Надо дойти в этой истории до конца и выяснить все-таки, а вдруг в Башкирии физика давно ушла настолько вперед, что там уже двадцать пятый век наступил, пока мы все еще барахтаемся в двадцать первом.

Ну вот как так? Буквально за полстраницы до этого автор говорит, что скорость - это вектор, в том числе и мгновенная. Ускорение - тоже вектор. А формула - скалярная. Видимо, это уже предел математической сложности, который способен освоить кандидат педагогических наук.

Снова идем на идеальный хоккейный каток и бросаем шайбу под углом к борту. Вопрос - куда будет направлен вектор скорости в момент удара о борт? Ответ - никуда.

Это материи чуть более сложные, чем школьная кинематика, но ответ, как и утверждение автора про касательную, базируется на том, что траектория движения тела представляет собой гладкую кривую. Гладкой в окрестности некоторой точки в математике называется функция, которую можно продифференцировать в этой точке, то есть, получить значение ее производной. Гладкая кривая - это график некоторой гладкой функции. Помните ведь, наверное, что значение производной равняется тангенсу угла наклона касательной к графику функции - это школьный матанализ.

Да не важно, суть в том, что скорость - это производная функции изменения координаты по времени, и чтоб определить скорость надо эту производную как-то получить. А в этом и подвох, что при криволинейном движении на траектории могут существовать точки, где кривая перестает быть гладкой, то есть, дифференцируемой. Это сложно, но если объяснить проще, то модуль скорости в этой точке будет равен нулю, а направление - не определено. Можете рисовать куда хотите, касательной к траектории в этой точке все равно не существует.

По пунктам:

1. Скорость тела изменяется в результате воздействия силы. Откуда берется эта сила - не важно, поскольку энергия (а именно она здесь первична) не обязательно материализована в виде какого-либо тела. Но в земной механике - да, чаще всего найти второе тело получается без труда. А вот откуда берутся, например, виртуальные фотоны, объясняющие эффект Казимира?

2. Да. Снова вспомним, что гравитационная и инертная массы представляют собой разные понятия, и их равенство совсем не такая тривиальная вещь.

3. Нет, об этом я уже говорил, рассматривая учебник 7 класса. С 2018 года платино-иридиевый эталон представляет собой очень дорогую болванку и не более того. Килограмм теперь определяется иначе, учебник выпущенный в 2021 году должен был это учесть.

4. Да, это определение, не поспоришь.

5. Ну вот: ускорение - это же и есть изменение скорости, не так ли? Автор сам говорит, что тут сила действует, а не какое-то там тело. 

6. Пф-ф-ф... Опять вернулись к Галилею, да еще и с авторскими корректировками. Ну так и быть...

Бильярдные шары - крайне неудачный пример, хотя, возможно, автор никогда в бильярд не играл. Вся красота бильярда в том, что удары совершаются не в лоб, а, чаще всего, со смещением, то есть ударяющий шар (биток) попадает в другой шар не точно по центру, а ближе к одному из краев.

В этом случае целевой шар получает не только поступательный импульс, но и вращательный, энергия удара распределяется совершенно иначе, и векторы ускорений двух шаров могут иметь какие угодно взаимные направления. А все почему? Потому что бильярдные шары нельзя считать материальными точками. Но автору можно.

Вот так так... Через три года после того, как автор сам же в учебнике 7 класса впервые рассказал о массе инертной и массе гравитационной, выясняется, что это одно и то же. Да схрена ли?

Любая физическая величина существует только в учебнике физики - в природе нет ни массы, ни ускорения, ни электрического заряда, есть только некоторое количество законов природы, согласно которым функционирует все вокруг. Это люди придумали уравнения, формулы, константы и все прочее, чтобы постараться понять эти законы - так человек устроен, что ему проще оперировать конкретными объектами. Так вот, масса инертная - объект из области механики, а масса гравитационная - из общей теории относительности. Они используются в разных областях науки и в совершенно разных ситуациях.

Для ученых оказался большим сюрпризом факт, что численно (подчеркиваю - численно) эти массы равны. Вернее, строго доказать равенство до сих пор не удалось, но еще Эйнштейн ввел в науку принцип эквивалентности инертной и гравитационной массы. Причем Эйнштейн не утверждал, что этот принцип выполняется везде и всегда, он рассматривал ограниченный участок пространства с определенными свойствами и на всю Вселенную не претендовал. С открытием темной энергии и ускоренного расширения Вселенной, кстати, вполне может оказаться, что на больших масштабах инертная и гравитационная массы все же различаются.

Экспериментальные проверки верности принципа Эйнштейна продолжаются, последние результаты показали, что массы равны с точностью до 10-15, проводился эксперимент в 2022 году, то есть, уже после выхода учебника.

По учебнику 9 класса уже стало понятно, что в космологию автор не умеет, но не до такой же степени. Да, Плутон называли девятой планетой, этого статуса он лишился сравнительно недавно - в 2006 году. Теперь он именуется  карликовой планетой, поскольку под все критерии, которым соответствуют обычные планеты, он не попадает.

Таких критериев три:
- небесное тело должно вращаться вокруг Солнца;
- небесное тело должно находиться в гидростатическом равновесии (проще говоря - иметь шарообразную форму);
- орбита небесного тела должна быть свободна от других крупных тел (за счет гравитации претендент в планеты должен притянуть к себе или отбросить за пределы орбиты все мешающие тела).

Если небесное тело удовлетворяет первым двум критериям, то это карликовая планета, а если только первому, то астероид. Плутон - карликовая планета.

Вспоминается, что, когда в 2006 году Плутон лишили статуса планеты, по всему миру прошли митинги недовольных граждан, требовавших вернуть девятую планету обратно. Автор, за то что ты назвал Плутон астероидом, эти граждане тебя бы из-под земли достали, чесслово.

Опять у нас молекулы... Интересно, например, как автор представляет себе проволоку. В бытовом понимании проволока - это длинный и тонкий, как правило, стальной прут. Есть медная проволока, бывает и алюминиевая. Делают проволоку из олова и свинца - именно в таком виде, как правило, продается самый обычный припой. Бывают золотые, серебряные, платиновые проволоки - они применяются в ювелирном деле. На самом деле видов проволоки много, но практически всегда это металлическое изделие.

Трудно ли растянуть или разорвать проволоку? Зависит от материала и субъективного понимания того, что такое в данном случае легко или сложно. Руками даже миллиметровую стальную проволоку в жизни не разорвать, а вот оловянную, пожалуй, можно.

Но дело даже не в этом, а в том, что металлы не имеют в своей структуре молекул. Этот бред мы уже встречали в учебнике за 7 класс. Там есть кристаллическая решетка, в узлах которой находятся атомы, а межатомные связи обычно крепче межмолекулярных, вот и весь секрет. Только причем тут молекулы?

Если сделать проволоку из вещества, состоящего из молекул, еще не факт, что она будет суперпрочной. Ну вот взять хоть капроновую леску - она проволокой не называется, но довольно прочная... Хотя, это вы у рыболовов лучше спросите.

Я бы назвал это шулерством. В курсе школьной физики изучают два вида потенциальной энергии - энергию упругой деформации (сжатая или растянутая пружина) и гравитационную энергию (тело поднято на определенную высоту). И все. А потенциальную энергию взаимодействия молекул, хоть она и существует в природе, в школе не изучают.

Эта потенциальная энергия носит электромагнитный характер, и ее описание довольно сильно выходит за рамки школы. Комментируя учебник 8 класса, я уже говорил, что в рамках модели идеального газа молекулы вообще не обладают потенциальной энергией. Здесь речь о жидкости, в ней пренебрегать взаимодействием молекул действительно нельзя, ну так дай хоть какие-нибудь пояснения, что это за энергия взаимодействия такая. 

Иногда у шизофреников случаются обострения. Некоторым из них в этот момент может казаться, что они совершили какое-то гениальное открытие, которым обязательно надо поделиться с миром - я таких встречал. С точки зрения обычного человека речь шизофреника в этот момент представляет собой бессвязный набор слов, но сам он уверен в исключительной ценности произносимого. Ну вот, типичный пример, собственно.

Какой воздух, причем тут воздух? 

В воде имеется растворенный воздух... Воздух - смесь газов, каждый из которых имеет разную растворимость. Да, они в воде присутствуют, но мы изучаем процесс кипения или что? У нас не должно быть никаких других веществ кроме воды, забудь ты про воздух, нету его, тебе водяного пара мало? Расскажи про теплоемкость и конвекцию что ли...

Что значит "...на стенках колбы появляются маленькие пузырьки воздуха: это оседает излишек воздуха"? Какой нахрен излишек? Откуда и почему тут опять воздух? У тебя вода кипит, дурень, а не смесь жидких газов!

А если у тебя в колбе вакуум и налита бидистиллированная вода, то есть, такая вода, из которой максимально удалены не только примеси, но и растворенные в ней газы. Она как кипеть будет? А если ты попытаешься вскипятить ртуть или вольфрам - у них тоже пузырьки воздуха будут?

"пузырьки воздуха... доходят до поверхности и лопаются, выпуская пар"... Чистейшая шизофрения.

Ладно, я не буду придираться к трем агрегатным состояниям. Ну не знает автор про плазму, вырожденный электронный газ, конденсат Бозе-Эйнштейна и прочие агрегатные состояния - черт с ним, хотя бы три знает, и то уже хорошо.

Но дальше же чистая гуманитарщина - узнал, что состояний три и сразу следует обобщение. Автор, ты зуб даешь, что любое вещество можно перевести в любое из этих трех состояний?

В обзоре учебника химии за 8 класс я приводил примеры двух веществ. Первое - надпероксид натрия, вещество весьма нестабильное. Расплавить его можно только в атмосфере кислорода при давлении примерно 150 бар, а вот вскипятить надпероскид натрия нереально. Межатомные связи в веществе слабые - атом натрия притягивается к атомам кислорода по хитрой схеме и довольно легко отрывается, высвобождая свободный кислород. Температура ведь есть не что иное, как мера средней кинетической энергии молекул (и атомов, кстати), так что в определенный момент этой энергии хватит, чтоб атом натрия оторвался от молекулы. Вещество при этом, разумеется, перестанет существовать.

Второе вещество - оксид меди (III). Это настолько нестабильное соединение, что его даже расплавить не получается, при температуре всего 75 градусов Цельсия оно разлагается на оксид меди (II) и кислород.

А вообще в природе существует гигантское количество веществ, для которых газообразное состояние недостижимо. Например, целлюлоза - попробуйте взять и хотя бы расплавить обычную бумагу. С огромным трудом, но это сделать можно, а вот испарить полученную жидкость уже не выйдет. Целлюлоза начинает разлагаться при температуре около 260 градусов. Ее легко можно сжечь, но это будет химическая реакция, а не фазовый переход.

И, скажу я вам, чем сложнее и необычнее устроена молекула вещества, особенно органического, тем меньше шансов, что она вообще переживет фазовый переход. Белки все помнят из биологии? Первичная структура, вторичная, третичная... А что происходит при нагревании? Правильно, денатурация белка - потеря молекулярной структуры. Он при этом не плавится, не вскипает, а просто переходит в другую химическую модификацию.

Задача для интересующихся электротехникой. Подсчитайте точное количество транзисторов на этой фотографии, а то я не большой спец. Справились? А теперь скажите, чего тут больше - транзисторов или всего остального?

Мне сложно сказать, каким мозгом должен думать человек, который только что описал устройство транзистора, чтобы влепить такую фотографию в учебник. У транзистора минимум три контакта. Три! Эмиттер, коллектор и база. Можно вопрос, какого хрена на фотографии делают конденсаторы, сопротивления и диоды, у которых тупо контактов меньше?

А как сюда попали микросхемы? У них внутри наверняка есть транзисторы, но вообще это целые логические схемы. Справа похоже еще реле какое-то валяется.

Четко угадываемых транзисторов тут штук пять-шесть - внизу по центру. Еще штуки четыре из представленных элементов тоже, скорее всего, являются транзисторами. Все остальное - разное электронное барахло. Слева вверху очевидный конденсатор, под ним, вероятнее всего, резистор, их там рядом еще четыре штуки лежит. Светодиодов несколько штук, обычный диод тоже вижу. В центре рядом с транзисторами штучка такая с четырьмя лапками - это вполне возможно диодный мост.

Короче, там, где для одного винт, болт, шуруп, саморез и гвоздь, для другого все болтики.

Строго говоря, здесь смешаны в кучу две совершенно разные физико-химические истории. Первая касается диэлектрической проницаемости веществ, вторая - электролитической диссоциации, и связь между ними не такая уж прямая.

На страницах 211 и 215 автор уже пыжился объяснить, что такое диэлектрическая проницаемость, но получилось как-то невнятно:

Если в электрическое поле внести полярный диэлектрик, то под действием внешнего поля диполи упорядочивают свою ориентацию по полю, ослабляя поле внутри диэлектрика в ε раз.

Мы рассматриваем взаимодействие двух точечных электрических зарядов, и физика тут нехитрая. Вокруг заряда существует симметричное электростатическое поле, которое в точке, где находится второй заряд, имеет ненулевую напряженность. Соответственно, поле первого заряда воздействует на второй и наоборот.

Качественное изменение ситуации при наличии между зарядами диэлектрической среды по сравнению с вакуумом в том, что напряженность электростатического поля заряда снижается в присутствии поляризованных молекул среды. Во внешнем электрическом поле молекулы диэлектрика ориентируются таким образом, что в материале возникает противоположно направленное поле, в результате чего сила взаимодействия зарядов снижается.

Эффекты, связанные с диэлектрической проницаемостью, носят макроскопический характер, то есть точечные заряды, как и расстояние между ними, имеют не молекулярные масштабы, а как раз наоборот. Это логично - если речь идет о диэлектрических свойствах некоего вещества, то этого вещества должно быть в достатке. Грубо говоря, два протона в ядре атома гелия - это совсем не наш случай, хотя тут и заряды есть, и расстояние между ними.

А теперь пытаемся уловить логику в фразах из учебника.

В воде электрические силы ослаблены в 81 раз... 

Речь, очевидно, об описанном выше эффекте и ослаблении взаимодействия между зарядами, помещенными в воду.

...поэтому молекула... в результате теплового движения может распасться на два иона...

Что??? Вот же кретин!

Молекула состоит из атомов, которые держатся вместе за счет межатомных связей - это школьная химия. Виды связей, которые нам интересны и изучаются в школе - ковалентная (полярная и неполярная) и ионная. Все эти связи имеют электромагнитную природу, то есть, то, что нам надо. Но как, черти тебя дери, диэлектрическая проницаемость среды, в которой плавает молекула, влияет на силу связи между атомами? Атомы в молекуле - это не макроскопические заряды, помещенные в среду из триллионов молекул! Это микроскопические заряды, ненамного превышающие элементарный, которые расположены очень близко. Между ними недостаточно места, чтобы туда поместилось хоть что-то еще.

Нет, я, конечно, не отрицаю сам эффект диссоциации - он, безусловно, имеет место, но объяснять его таким образом - это абсолютный талант. Браво!

Тепловое движение молекул раствора не является прямой причиной диссоциации, хотя, конечно, ей способствует. За счет него молекулы растворенного вещества окружаются молекулами растворителя, а дальше происходит магия.

Вода, как мы уже выяснили, имеет высокий коэффициент диэлектрической проницаемости - ее молекулы поляризованы, причем, довольно сильно. Это так называемый полярный растворитель. Молекулы медного купороса тоже поляризованы, для простоты забудем, что это не чистый сульфат меди (II), а кристаллогидрат, и так уже содержащий в своем составе пять молекул воды. Атом меди связан в купоросе с двумя атомами кислорода и, разумеется, у меди нет никаких шансов удержать свои электроны - ее электроотрицательность слишком мала. Поэтому связи атома меди с сульфатным остатком - ионные, а молекула медного купороса - поляризована. Идеальный случай, когда и растворитель, и растворяемое вещество полярны.

Молекулы воды в процессе теплового движения взаимодействуют с молекулами медного купороса в соответствии с классическими законами физики. Молекул воды больше (мы же не воду в купоросе растворяем, правда), они меньше и легче. Атомная масса воды - 18, атомная масса сульфата меди (II) - 160, так что молекула купороса окружается большим количеством молекул воды со всех сторон, но не в хаотическом порядке.

Поскольку молекула купороса поляризована, отрицательные полюса молекул воды (это кислород) испытывают притяжение к положительным полюсам молекул медного купороса (медь), и наоборот - атомы водорода в молекулах воды тянутся к сульфатному остатку, точнее - к атомам все того же кислорода. Совместными усилиями молекулу купороса разрывают в самом слабом месте - по линиям связей между медью и сульфатной группой. А тепловое движение, причем, в первую очередь, молекул воды (!), только помогает раздергивать молекулы купороса на части. Физика, ничего личного.

Реакция, кстати, на этом не останавливается, поскольку дважды ионизированная медь не просто уплывает, а вступает во взаимодействие с водой с образованием гидроксида меди и ионов водорода, поэтому формула в учебнике неверна. Ну и я никогда не видел, чтобы ион со степенью окисления плюс 2 (или минус 2) обозначали как ++ (--), а не 2+ (или 2-).

В общем, слышал автор звон, да так и не понял, где он...