Физика. Серия "Инновационная школа". 7 класс

Очень лихо и абсолютно некорректно авторы учебника смешали все представления о массе в кучу, да еще и присовокупили к этому вес. Про гирю полный бред. Перемещение тела в поле силы тяжести осуществляется за счет приложения к телу некоей силы, которая зависит не только от массы перемещаемого тела, но и от массы тела, создающего гравитационное поле, а также от расстояния между ними. Это не что иное, как Закон Всемирного тяготения Ньютона. На Луне двухпудовую гирю будет поднять довольно легко.

Проблема, однако, не в том, что в примере отсутствует уточнение, что гирю мы поднимаем в поле силы тяжести Земли, находясь на поверхности Земли. Всего на полутора страницах авторы практически полностью исковеркали один из важнейших физических принципов - масса инертная и масса гравитационная это не одно и то же. Да, численно они с огромной точностью равны друг другу, и это вызывало у многих ученых вполне оправданное удивление, но с физической точки зрения это два совершенно разных понятия. Интересно, что далее, на странице 56 вводится новое определение массы:

Масса — это физическая величина, являющаяся мерой

инертности тела.

Первым, кто обратил внимание на возможное отличие гравитационной массы от инертной, был тот, кто и ввел все эти понятия в физику, а именно - Исаак Ньютон. Он же экспериментально показал, что если массы отличаются, то не более, чем на одну десятую процента от их величины.

Принцип эквивалентности сил гравитации и инерции был сформулирован Альбертом Эйнштейном и использован им при выводе Общей теории относительности. На тот момент никаких доказательств истинности этого утверждения не было - Эйнштейн считал его верным, исходя из общих соображений, и применял в форме эквивалентности различных систем отсчета (неподвижной СО в поле гравитации и ускоренно движущейся СО) в ограниченном пространстве.

На текущий момент равенство инертной и гравитационной масс подтверждено экспериментально с точностью до 10-15, однако это по-прежнему лишь опытные данные, а строгое доказательство принципа эквивалентности невозможно без использования методов квантовой механики. В общем, вопрос о тождественности или эквивалентности инертной и гравитационной масс исследовался учеными триста с лишним лет и продолжает исследоваться по сей день, но в учебнике нет ни намека на этот факт.

Если бы я эту страницу не видел собственными глазами, то ни за что бы не поверил, что в учебнике физики может содержаться такой концентрировано-рафинированный бред.

Определение силы тяжести гласит следующее:

Сила, с которой Земля притягивает все тела, находящиеся на ней или вблизи неё, называется силой тяжести.

Вообще-то физика - точная наука, насколько это допускает принцип неопределенности Гейзенберга. Что такое "вблизи"? Это в метре? В километре? Луна находится на расстоянии в 384 тысячи километров от Земли - это еще "вблизи"? А космический телескоп "Джеймс Уэбб" - на расстоянии в 1.5 миллиона километров - с ним как быть? Комета Галлея сейчас примерно в 5.5 миллиардах километров от Земли - это уже далеко?

Ладно - читаем дальше и видим, что сила тяжести есть неотъемлемое свойство Земли, как физического объекта. Это уровень понимания физики примерно пятнадцатого века, когда еще господствовала геоцентрическая система мира. Земля в центре Вселенной, все вращается вокруг нее - логично, что у Земли есть что-то, чего нет у остальных объектов. Современный учебник физики нашел это "что-то" - это сила тяжести.

Сила тяжести прямо пропорциональна массе, g - коэффициент пропорциональности. Видимо, есть какая-то интрига в том, что он называется ускорением свободного падения, так что авторы этот секрет пока не раскрывают. Хорошо, пусть.

Сила - физическая величина... да, определение силы было дано двадцатью страницами ранее, логично было бы там же и про единицы измерения рассказать, но они почему-то вводятся в разделе про силу тяжести. Сила измеряется в ньютонах. Да, дорогие авторы, и не только сила тяжести, а и сила трения, и сила упругости, и сила Архимеда, и подъемная сила крыла... Я вам большой секрет открою - все силы в механике измеряются в ньютонах. Но... 

1 Н равен силе тяжести, которая действует на тело массой 0.102 кг.

Что??? Это новое определение ньютона или как эту дурь воспринимать? В физике давным давно действует Международная система единиц (СИ), где каждой единице измерения дано четкое определение, в частности, 1 ньютон это:

Величина силы, изменяющей за 1 секунду скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы.

Вы тут хоть слово про силу тяжести увидели? Сами ж песни пели про то, что масса инертная и масса гравитационная суть одно и то же. Ну так вот и нате. А откуда вы взяли 0.102 килограмма? Это, видимо, очень круглое число и с ним удобно работать? Нет, все-таки, когда учебник физики пишет кандидат педагогических наук - жди беды.

Едем дальше. Поделив 1 ньютон на 0.102 килограмма, получаем, что коэффициент g равен 9.8. Очевидно, это константа. Круто.

Сила тяжести уменьшится, если тело поднять... а с чего это вдруг? Слушайте, гуманитарии хреновы, вы только что формулу силы тяжести написали, и в ней всего два множителя - масса тела и некая константа. Так схрена ли, пардон, силе тяжести меняться с расстоянием, если ни один из множителей от расстояния никак не зависит? И не надо ссылаться на Закон Всемирного тяготения - в этом параграфе речь о силе тяжести, и формула приведена именно для нее.

Тело на полюсе Земли будет тяжелее, чем на экваторе, поскольку на полюсе оно ближе к центру Земли? Пожалуйста, убейте автора... ой, пардон, он, оказывается, уже сам умер в 2022 году. Ну ничего, убейте его еще раз.

То есть, тело на экваторе становится легче не из-за вращения Земли, а просто потому что оно дальше от центра? На экваторе тело вращается вокруг центра Земли со скоростью 465 метров в секунду, а на полюсе практически не вращается. Есть разница? Любое тело на полюсе весит примерно на одну двухсотую часть больше, чем на экваторе, но 70 процентов разницы возникает именно из-за вращения. Кстати, рассуждать о разнице сил тяжести на полюсе и на экваторе, применяя Закон всемирного тяготения, вообще некорректно. Закон, как мы знаем, применим к материальным точкам и шарам, а здесь мы рассуждаем о форме Земли. Стало быть, форма важна и она не шарообразная. Более подробно этот вопрос разобран в статье про учебник того же автора за 10 класс.

Сила тяжести на других планетах отличается от силы тяжести на Земле? Штоо? Как она может отличаться, если вы сами дали ей определение: сила тяжести - это сила, с которой Земля притягивает тела. Не Марс, не Солнце и не черная дыра в центре Галактики. И при этом от расстояния сила тяжести, как мы видели из вашей же формулы, не зависит. Убейте автора, ну пожалуйста...

Этот кретин сам не понимает, о чем пишет - нахватался где-то на кафедре терминов и лепит их в книгу, а по ней дети учатся. Даже как-то не хочется весь этот бред исправлять, проще учебник выкинуть, ведь тут вообще все с ног на голову поставлено, и нет абсолютно ни одного верного физического утверждения.

Сила тяжести есть проявление гравитационного взаимодействия двух тел, которое в классической механике описывается Законом Всемирного тяготения Ньютона:

                M1* M2
F = G * ------------,
                    R2

где M1 и M2 - массы тел, R - расстояние между ними, а G - гравитационная постоянная (да, это настоящая константа, а не липовая, как g в учебнике).

Если мы рассматриваем взаимодействие некоторого тела и Земли, то можем считать, что M1 - масса Земли, которая является константой (что не совсем верно, но такое допущение сделать можно). Тогда, обозначив выражение 

        M1
G * -----  через g(R),
        R2

мы придем к формуле силы тяжести F = m*g(R), где m - масса тела, взаимодействующего с Землей. Но g не является константой - это функция, зависящая от расстояния между телом и Землей, и в этой редакции все выглядит корректно, если только не вспоминать, что и F, и g - величины векторные, а не скалярные.

Учебник выпущен в 2022 году. А в 2018 году, то есть, за 4 года до этого, XXVI Генеральная конференция мер и весов приняла решение отказаться от использования платино-иридиевого эталона килограмма. Причина довольно серьезная - из-за испарения вещества с поверхности слитка (да, твердые вещества тоже подвержены испарению, хоть и с ничтожной скоростью) за 100 лет масса эталона уменьшилась на 50 микрограмм, что, разумеется, недопустимо.

Новое определение килограмма вступило в силу 20 мая 2019 года и звучит следующим образом.

Килограмм устанавливается фиксацией численного значения постоянной Планка h равной в точности 6,62607015⋅10−34

Для учащихся седьмого класса это определение, конечно, ничего не говорит, но и эталон килограмма более эталоном не является. Факт, подробности можно почитать тут.

Ох, автор, где ж тебя нашли... Одноатомные молекулы - это физическая абстракция, которую принято использовать, например, в той же молекулярно-кинетической теории. Есть же в физике понятия идеального газа, абсолютно черного тела, абсолютно твердого тела и так далее. Принято ведь, что электрический ток течет от плюса к минусу, хотя в жизни все наоборот. Ну вот и одноатомные молекулы в физике есть.

А в жизни, то есть, в реальной природе, молекула состоит, как минимум, из двух атомов, связанных между собой каким-либо видом химической связи. Это определение молекулы. Гелий - реальный газ, в химии его называют одноатомным, но ни о каких молекулах гелия речи не идет. 

А что, кстати, слабо объявить гелий идеальным газом? Или рассказать нам о структуре молекулы золота, которое вон рядом на картинке нарисовано? Давай, автор, жги!

Ну вот и результат. Автор, ты забыл, что про атомы мы тут не говорим - у тебя молекулы взаимодействуют, вот и давай, рассказывай нам про одноатомные молекулы свинца в цилиндриках. Слабо?

А о каком меле речь? О том, которым на доске пишут? У него в составе есть специальное клейкое вещество декстрин, как раз и обеспечивающее так любимое автором взаимодействие между молекулами карбоната кальция. Если постараться - растолочь в порошок, добавить водички, подсушить, спрессовать как следует, то два куска мела вполне можно соединить. А если из него убрать декстрин, то кусок мела превратится в пыль.

Видимо, автор руководствуется принципом "Чем больше дебильных, не имеющих смысла вопросов содержит учебник, тем лучше". Что значит, "почему молекулы не падают на Землю"? Они еще как падают. Они вообще только этим, собственно, и занимаются.

Можно представить себе мысленный эксперимент. Берем емкость, откачиваем из нее абсолютно весь воздух, а потом помещаем туда одну молекулу газа - азота, кислорода - не важно. Что говорит автор? Молекула не упадет, потому что она непрерывно движется. Нет, дорогой автор, молекула упадет, зуб даю, даже если у нее при этом была какая-то начальная скорость. Например, при комнатной температуре скорость молекул около 500 м/с, но это же не первая космическая скорость, правда? Значит, как и любое тело, имеющее массу, пусть и крошечную, молекула газа в вакууме свалится на Землю.

Кстати, дорогой автор, ты же сам написал, что на молекулу действует сила тяжести. Сила эта направлена перпендикулярно земной поверхности, так? В отсутствие других сил молекула должна двигаться именно туда, то есть, падать. Наличие у молекулы дополнительной составляющей скорости меняет траекторию движения молекулы, например, она может падать по параболе, но скорость не является силой. Тот факт, что молекула движется, никак не компенсирует действие на нее силы тяжести. Для этого требуется другая сила - ты же сам половину учебника об этом трындел. Вот и давай - рассказывай, какие силы действуют на молекулы так, что они компенсируют действие силы тяжести.

Короче, автор в своем стиле опять выдумал какого-то сферического коня в вакууме и рассказывает небылицы. При температуре выше абсолютного нуля молекулы газов действительно хаотически движутся, причем, все направления движения при этом являются равноправными.

Но в поле силы тяжести они имеют преимущественное направление движения - в сторону гравитирующей массы, то есть, Земли. Поэтому чем расстояние до Земли меньше, тем на этом расстоянии находится больше молекул. Плотность воздуха на уровне моря выше, чем на Эвересте - каждый школьник знает. Это в чистом виде проявление эффекта "падения молекул", который автор, видимо, отрицает изначально.

Или автор имел в виду ситуацию, когда Земля покрыта ровным слоем воздуха толщиной в одну молекулу? Все молекулы газов лежат на поверхности, дальше им падать некуда. Так это невозможно - молекул газов в воздухе так много, что площади всей земной поверхности недостаточно, чтобы уложить их в один слой. И в два слоя, и в триллион слоев - все равно места мало.

Любое тело, находящееся в гравитационном поле, стремится занять положение с минимумом потенциальной энергии, то есть, именно - упасть как можно ниже. Другое дело, что существует масса факторов, которые не дают молекулам это сделать, и факторы эти связаны не с движением, а с силами, которые время от времени действуют на молекулы. 

Например, молекулы постоянно сталкиваются между собой, в результате чего изменяются направления их скоростей. В момент соударения действует сила электростатического отталкивания, возникающая между электронными оболочками атомов различных молекул, и эта сила способна компенсировать влияние силы тяжести. 

Помимо сил, возникающих при соударениях, на молекулы газов могут действовать и иные силы. Например, сила давления, возникающая от разности температур в различных зонах атмосферы. Мы знаем этот эффект как ветер. Другой вариант той же силы - удар молнии, вызывающий гигантский перепад давления между воздухом в канале молнии и окружающей его средой. Эффект от распространения ударной волны в атмосфере мы слышим как гром. Еще есть сила Кориолиса, возникающая из-за вращения Земли. Именно она ответственна за образование циклонов и торнадо. Все это примеры сил, которые могут действовать на молекулы. Сила может компенсировать силу - это совершенно нормально, но вот что движение может компенсировать силу - автор сильно удивил.

Второй вопрос ничуть не лучше. Почему молекулы из атмосферы не улетают в межпланетное пространство? Ответ тот же - улетают и еще как! Этот эффект даже имеет специальное название - диссипация атмосферы. В год с Земли в космос улетучивается примерно 100 тысяч тонн различных атмосферных газов, а механизм потери воздуха планетой очень простой. Хоть в среднем молекулы газов имеют скорости ниже, чем вторая космическая, это не значит, что абсолютно все молекулы имеют одну и ту же скорость. Случайные соударения и обмен импульсами между молекулами могут привести к тому, что какая-то молекула внезапно обретает скорость более 11 км/с. Если это происходит на достаточной высоте, где плотность атмосферы невелика, то такой молекуле ничто не препятствует покинуть планету.

С точки зрения теории вероятности, происходит это крайне редко, грубо - один шанс на триллион. Но в атмосфере Земли содержится такое неимоверное количество молекул, что процесс диссипации вполне можно отследить и оценить количественно. Забавно, не правда ли - оказывается, что как раз утечку атмосферы в космос (которой, по заявлению автора, не существует) можно, хоть и не вполне точно, объяснить постоянным  движением молекул. Автор опять все перепутал.

А вывод в рамочке - это просто чистая нобелевка. Оказывается атмосфера на Земле существует из-за наличия у Земли гравитации и непрерывного движения молекул. Но оба эти фактора являются фундаментальными физическими явлениями. Гравитация есть у любого объекта, обладающего массой. Молекулы любого вещества совершают тепловое движение. Это что получается - у любого космического тела есть атмосфера? Или мы опять рассуждаем о геоцентрической модели мира?

Я не то чтобы придираюсь, но обратите внимание на строки 4 и 5 в приведенной таблице. Хоть убейте, я не понимаю, в чем между ними принципиальная разница. То ли у трактора двигателя нет, то ли электровоз к вагонам не прицеплен, и они движутся следом, повинуясь молитвам машиниста... Непонятно.

А ларчик открывается просто. На предыдущей странице автор приводит примеры обычных ситуаций, в которых различные силы действуют на тела тем или иным образом. Сила тяжести действует на падающий мяч, газ оказывает давление на поршень и так далее.

В случае трактора, тянущего борону, автор обнаружил две силы, действующие на борону - силу тяги двигателя трактора (ага, значит, двигатель таки есть) и силу сопротивления грунта, которую он постеснялся назвать силой трения.

А в ситуации с товарным составом автор нашел только одну силу - силу тяги двигателя, силу трения качения по каким-то причинам он решил забыть. Вот в итоге и получилось, что ситуации разные, и силы, совершающие работу, тоже должны быть разные. Или как? Иначе объяснить этот очередной изыск я не могу.