Попытка установить основы учебного плана элементарного курса физики, согласно с соображениями, изложенными в главе I. 2 страница

4. Задачи при изучении первого концентра должны быть преимущественно логического характера, а при изучении второго – состоять из реальных технических расчётов, основанных на изучаемых законах. Сочинённые математические упражнения на физические темы следует упразднить совершенно.

5. Собственные опыты учеников в настоящее время следует вводить лишь факультативно, потому что эта сторона преподавания ещё недостаточно выработана.

При таком изложении главной целью остаётся по-прежнему усвоение всеми учениками основных понятий; но благодаря необязательному чтению хрестоматии лучшие ученики познакомятся с более основательным и подробным изложением многих статей, узнают, как в некоторых случаях применяют результаты физических исследований к надобностям практики, и приучатся отыскивать в «своей книжке» данные для решения задач практического характера.

Глава III.

Условия успеха классных опытов и особенности приборов, для них предназначенных.

Каждому из нас известно, как силою вещей определилась обстановка опытов в среднеучебных заведениях. Приходит преподаватель перед уроком в «физический кабинет», достаёт нужные приборы из шкафов, пробует их, если он предусмотрительный, и почти всегда убеждается, что они в неисправности. «Ну, всё равно, покажем только прибор». А если не хватило времени попробовать, - ведь преподаватель почти всегда торопится, потому что завален уроками, - то убеждается в неисправности прибора в классе, при учениках; «опыт не удаётся» и производит на учеников впечатление неумелости учителя и того, что описываемые учителем явления существуют «только в физике», а не в действительности.

Происходит это вовсе не случайно, и даже не от недостатка усердия к отправлению своих обязанностей со стороны учителя, а вследствие совокупности всех обстоятельств дела. Физические (45) приборы по самому своему назначению весьма часто состоят из соединения разнородных материалов: металла, дерева, стекла, эбонита, каучука и т. п. Некоторые из этих материалов непрочны, как каучук, другие изменяются в своём составе на поверхности от действия воздуха и света, как эбонит, или изменяют форму от изменения степени влажности, как дерево. Другие очень различно расширяются с изменением температуры. По одним этим причинам в течение года соединения многих частей приборов расшатываются. Не вытопит вовремя сторож физический кабинет зимой, и станут пропускать воздух многие приборы, где стеклянные части соединены с металлическими; за лето дерево оснований и штативов разбухает, а во время зимней топки ссыхается; от этого тоже пригонка многих частей приборов нарушается, и они не могут правильно действовать или даже разрушаются. А так как большей частью каждый прибор показывается только раз в год, то ему вполне достаточно времени, чтобы прийти в неисправность.

Это самое обстоятельство, - то, что большинство физических приборов не предназначено служить инструментами для ежедневного употребления, - послужило причиной непрочности их конструкции. Только сравнительно немногие, служащие измерительными инструментами для техников, получили хорошо выработанную, прочную конструкцию, так что на их готовность к делу во всякое время можно полагаться.

Типы же большей части физических приборов для классных опытов выработались исторически, отвечая спросу покупателей; им ещё стараются придавать элегантную форму и красивую отделку, а о прочности заботятся мало.

Начало индустрии физических приборов было положено в XVIII столетии в Париже и Лондоне.

Физикой стали интересоваться в это время во Франции образованные, богатые, светские люди, а так как люди изобретают лишь подражая, и только комбинируют по-своему существующие формы, то первые мастера стали подражать формам модной мебели того времени стиля рококо для подставок физических приборов, украшали металлические части полировкой и позолотой, благо покупатели всё это оплачивали. А прочность не требовалась: ведь светский любитель физики редко брался за прибор во второй раз. В школах же преподавание физики ещё не вводилось.

В Лондоне было развито преимущественно изготовление мореходных, астрономических, угломерных приборов, хронометров, поэтому английские физические приборы того времени отличались тщательной полировкой и лакировкой металлических частей, а формы подставок были проще. (46)

Современный вид физические приборы стали получать только с тридцатых годов XIX столетия, когда в Париже работали Фроман и его последователи. Сначала только для весов выработали удовлетворительную, достаточно прочную конструкцию, хотя лишь в семидесятых годах весы получили вполне рациональное устройство. С этого же времени начали вырабатываться и удовлетворительные конструкции термометров, приборов для электрических измерений, микроскопов, зрительных труб и разных приспособлений для измерения размеров. Но демонстрационные приборы, хотя и стали очень разнообразны, но остаются ещё лёгкими и непрочными.

В этом главная причина зла: опыты будут фатально «не удаваться», пока приборы неисправны.

В настоящее время в высших учебных заведениях, где подготовляются почти все будущие учителя физики, уже давно обучают искусству производить физические измерения. Но по необходимости, чтобы дело могло идти, приборы для этих опытов поддерживают в достаточной степени исправности, и студентам не приходится учиться исправлять их собственноручно. Поэтому, став учителем, бывший студент, даже усердно занимавшийся в лабораториях, чувствует себя беспомощным. Его экспериментального искусства достаточно, чтобы убедиться в неисправности, даже для того, чтобы найти, где именно неисправность, но помочь делу он не обучен. Посылать прибор в мастерскую обыкновенно поздно, часто и в городе таковой нет; остаётся исправлять самому, или отказаться от опыта.

Тут надо различать два рода случаев: гораздо чаще порча незначительна, прибор требует только «малого ремонта», который легко может сделать всякий, если знает, как приняться; иногда же происходят поломки и серьёзные повреждения, требующие для своего исправления опытного мастера. Целью этого курса будет сообщить сведения, достаточные для «малого ремонта» физических приборов.

Всякое уменье состоит из знания, как приняться за дело, и навыка рук, необходимого для успеха выполнения. В книжке, конечно, можно сообщить только первое, но часто в этом всё дело: исполнение не затруднительно. С 1901 г. я в осеннем семестре рассказывал всё это и показывал самые приёмы немногим желающим студентам, предлагая затем упражняться собственноручно.

Теперь постараюсь изложить это в книжке. Из студентов нашлись желающие прилагать руки к этому делу только в 1901 г.; в следующие годы только слушали и смотрели. Но «нужда горькая» заставит, вероятно, многих молодых учителей применять сообщаемые мною сведения и на деле. Зная такое отношение (47) большинства к этому делу, я постараюсь в первой части быть кратким и сообщить обстоятельно только нужное.

Однако, найдутся читатели, которые потребуют большего. Всякому экспериментатору-физику, желающему действовать самостоятельно, нужно для успеха обстоятельное знакомство с технологией физических приборов; нужно знать, как их приготовляют, и нужно уметь многое делать самому. Известно, что большинство современных выдающихся экспериментаторов умеют собственноручно изготовлять и переделывать свои приборы, и это уменье весьма много способствует быстроте и успеху их работы. Небольшие изменения и мелкие приспособления гораздо скорее делать самому, чем поручать другим: иногда скорее сделать, чем рассказать. Кроме того, нельзя удачно проектировать новые приборы и методы исследования, не зная трудностей при исполнении приборов. Поэтому для многих нужна более полная технология физических приборов. Но чтобы книжка такого рода могла приносить пользу, она должна представлять как бы руководство к лабораторным занятиям для изучения свойств материалов, употребляемых при устройстве физических приборов, и способов их обработки.

Если читатель проделает сам большую часть описываемых работ, он получит реальное представление о свойствах материалов и инструментов, а также некоторую степень навыка в пользовании ими. Приобретённые знания будут «плодоносящие», а не «стерилизованные», каковыми они бы остались, если бы все ограничились одним чтением.

Такое изложение пригодится и как руководство для школ, где введён ручной труд. Постановка этого дела ещё далеко не выработана, но она не может быть одинакова в разных случаях. В ремесленных училищах главная цель – обучить ремеслу, для этого каждый должен работать много и может рано или поздно выучиться при всякой системе, если только его доведут до выполнения настоящей работы при условиях, близких к настоящей работе ремесленников. В начальных училищах, где цель ручного труда – развитие ловкости рук и навыка в употреблении общераспространённых инструментов, уместны шведская и датская системы. Но в высших технических заведениях нельзя уделить достаточно времени, чтобы выучить хорошо работать; поэтому там ручной труд, как это высказал проф. Перри, должен преподаваться в виде лабораторных занятий для изучения свойств материалов и условий успеха приёмов их обработки. Изучив эти свойства и условия, учёный техник будет в состоянии помогать своими указаниями ходу дела, даже не умея сам хорошо работать. Ведь работники, имея навык хорошо работать, обыкновенно не отдают себе отчёта в условиях успеха своей работы и часто (48) терпят неудачи, когда требования и условия выполнения немного изменяются против обычного.

Так как такая же постановка обучения ручному труду целесообразна и при начале обучения в ремесленных училищах, то книжка наша окажется пригодной и для училищ.

Большинство будущих и начинающих учителей, будучи привычны читать, пожелают и эту книжку только прочитать. Такое прочтение принесёт им мало пользы, особенно одно прочтение второй части. Чтобы выучиться, надо проделать самому описанные работы, только экспериментатору незачем делать большую часть упражнений нарочно, а достаточно, когда представится надобность, сделать одну из подобных работ, справиться в книжке и сделать всё обстоятельно, сообразно указаниям.

Вообще секрет, как выучиться хорошо и скоро работать, не хитрый. Чтобы выучиться, надо каждую работу делать как можно старательнее. Сначала всё-таки будет выходить нехорошо, но всё же сносно; при повторениях подобных работ результаты будут всё улучшаться и улучшаться. Если же делать кое-как, думая этим ускорить, дело, сначала не будет вовсе ничего путного выходить, и работу надо будет начинать снова, так что вообще времени уйдёт больше, а уменья прибавляться не будет. Делать кое-как, на скорую руку, позволительно только опытному, если обстоятельства этого требуют. Чтоб скоро работать, не торопиться следует, а следует не делать лишнего, употребляя наиболее целесообразные приёмы работы. Для этого надо прежде обдумать, что именно делать и в каком порядке: «прежде поработать головой, а потом уже руками», и хорошо знать разные приёмы работы.

Большей частью даже хорошо знающие своё дело мастера часто грешат по этому пункту, когда им приходится делать что-либо новое в первый раз.

Итак, первое и необходимое условие успеха опытов в классе с данными приборами – это исправность самих приборов. Сам учитель должен приобрести уменье приводить свои приборы в исправность, потому что лишь весьма редко ему представляется возможность взвалить это дело на плечи другого лица.

Но остаётся ещё рассмотреть общие основания для выбора опытов и приборов, а также для устройства «физических кабинетов».

Дело это настолько сложно, что придётся ограничиться лишь несколькими общими положениями.

Самое основное положение уже было рассмотрено выше: опыты в классе служат не для «доказательства закона», а для «уяснения» его смысла; (49) в других случаях – только для показания самого явления, о котором идёт речь.

Поэтому опыт должен быть по возможности прямой, незатемнённый сложным прибором. К сожалению, к этому идеалу редко можно приблизиться, и большая часть приборов и опытов весьма от него далеки. Закон подтверждён, если оправдывается одно из его логических следствий; но если следствие это связано с ним длинной цепью довольно сложных доводов, то связь мыслей исчезает для большинства учеников, и результатом является искусственно введённая трудность: непонимание природы. «Я атвудову машину не понимаю», можно часто услышать от школьника. Современный немецкий журнал Zeitschrift fur den Physikalischen und Chemischen Unterricht переполнен описанием таких приборов и опытов. Усердные, но мало талантливые учителя придумывают и описывают там часто весьма остроумные комбинации, но до того хитрые, что едва ли ученики уследят за ходом мышления автора, хотя ему самому и его коллегам, находящимся на такой же степени умственного развития, всё это может казаться весьма удачным.

Так, например, при изложении явления расширения твёрдых тел обыкновенно пользуются качественным прибором – «шариком Гравесандэ» - и измерительным, с чувствительным рычагом. Оба они оставляют впечатление, что «это приборы, которыми в физике тела расширяют». Факт, что и «всамомделишные тела» расширяются при нагревании, остаётся смутным: иногда учитель это говорит, но никто не видал на деле, чтобы какой-нибудь гвоздь или палка удлинялись или укорачивались сами. Впечатление это усугубляется тем, что при описании опытов говорится многое, но редко то именно, что нужно. Так, недавно я сравнивал описания опыта с шариком Гравесандэ в нескольких элементарных учебниках. В одном сказано, что шарик нагревают на крючке, в другом – на лампе, в третьем говорится, что он входит в кольцо с зазором, а нигде не сказано, что нагреть надо не менее, чем следует, для того чтобы его диаметр стал больше диаметра кольца. Между тем, этот самый опыт можно сделать совершенно естественно, пользуясь меркой-шаблоном того же рода, какие употребляются на механических заводах при изготовлении заменимых частей. Легко сделать из толстой стальной проволоки скобу, между плоско опиленными концами которой только что помещается обыкновенный пятидюймовый проволочный гвоздь. Вместо скобы можно взять простую подкову. Если гвоздь этот, держа его за один конец пальцами, нагреть с другого конца до того, чтобы его поверхность начала покрываться побежалыми цветами, то он будет уже плотно держаться между концами скобы и выпадает только чрез несколько минут, когда остынет. (50) А палочку для пера из рогового каучука, если её подрезать так, чтобы она как раз приходилась к скобе, достаточно подержать минут десять в кармане или за галстуком, чтобы она стала в ней держаться.

Опыт этот был описан Н.С. Дрентельном; я тоже приготовил такой приборчик, и убедился в его хорошем действии. Такой опыт на всякого «невежду» произведёт впечатление реальности: расширяется не «физическое тело» из курса физики, а гвоздь или палочка для пера; отсюда уже недалеко и до расширения других предметов, форма которых делает непосредственное измерение неудобным.

Вместо «прибора для расширения тел» существует у нас уже много лет вполне наглядный прибор, устроенный мною по идее Д.И. Менделеева, высказанной им в разговоре со мною ещё в семидесятых годах. Для удобства употребления при студенческих работах прибору придана такая конструкция: трубка из исследуемого металла снабжена двумя стальными остриями на расстоянии одного метра, а на деревянной линейке, на том же расстоянии, прикреплены штифт с конической дырочкой и латунная пластинка. В трубку пропускают струю воды при комнатной температуре, накладывают линейку дырочкой на одно острие, а другим проводят черту на пластинке. Затем вместо воды пропускают пар, и когда трубка прогреется, проводят новую черту. Остаётся измерить расстояние черт и вычислить коэффициент, определив разность температур, соответствующих обеим чертам. Здесь величина всего расширения видна наглядно, а измерить её можно достаточно точно; очевидность и значительная величина этого расширения (от 1 до 2,5 мм) производят видимое впечатление на знающих физику по книжкам.

В этом отношении проектирование опытов при посредстве волшебного фонаря часто затмевает их смысл для учеников. В тёмной комнате учитель что-то делает, что-то говорит, и что-то появляется на экране. Если учитель не постарается обстоятельно разъяснять, что он делает, и убедиться, что связь между всем этим хорошо понята, то блистательные опыты могут оказаться бесполезными, потому что в темноте сами ученики не в состоянии уследить за их ходом.

Чтобы поверка закона на опыте в классе выходила убедительной, полезно применять одно соображение из разряда «хитростей воинских». Обыкновенно физический закон связывает две величины; для его проверки одну выбирают произвольно, а другую определяют из опыта и сравнивают с вычисленной. Весьма редко оба эти аргумента измеряются с одинаковой степенью точности: для успеха проверки надо произвольно установить тот, который (51) измеряется точнее; тогда второй всегда будет близок к вычисленному. Так, например, при проверке «закона Мариотта» уровень ртути в открытом колене надо поднять на 76 см, чтобы уменьшить объём воздуха, взятого при атмосферном давлении, вдвое. Если воздух был заключён в цилиндрической трубке в один дециметр длиной, то перемещение поверхности ртути с этого конца будет всего 5 см. Значит, даже ошибка в 1 см при установке уровня в открытом конце произведёт внутри трубки с газом перемещение уровня лишь около 1/15 см, т. е. меньше миллиметра, - величину, едва заметную для учеников, сидящих в классе. А если поступать в обратном порядке, - поднимать уровень ртути в открытом колене, пока в закрытом ртуть не установится на черте, указывающей половину объёма, и потом сделать отсчёт разностей уровней, то ошибка в 1 мм произведёт изменение около 15 мм в этой длине.

Этого рода соображения надо делать для каждого индивидуального опыта, потому что условия меняются. Так, в том же «законе Мариотта» отношения станут другими, когда газ разрежен. Например, если газ занимает 10 см трубки при 0,1 атмосферы, т. е. когда разность уровней ртути 68,4 см, он займёт 5 см при 60,8 см. Перемещения уровней будут почти одинаковы, проверка выйдет «хуже», но её можно делать безразлично и с того, и с другого конца.

Руководствуясь соображениями такого рода, нередко можно придумать опыты как для проверки, так и для опровержения какого-либо положения.

Примеры такого рода исследований нередко встречаются в научной литературе.

В том же духе и второе положение, руководящее выбором приборов и опытов: физика стала наукой, применимой к жизни, поэтому нельзя довольствоваться приборами и опытами, иллюстрирующими одну научную сторону дела. Когда рассматриваемое явление или закон, им управляющий, имеет важное применение, его необходимо показать и разъяснить. В элементарном курсе даже целесообразнее показать одно применение, если нельзя показать и научно-обставленный опыт, и его применение. Так, например, в физических кабинетах считают нужным иметь дорогую модель гидравлического пресса со стеклянными цилиндрами, чтобы ломать палки; иногда приобретают только карикатуру этой машины из стеклянных трубочек или плохо действующий «прибор для гидростатического давления». Между тем существуют недорогие гидравлические машины для пробивания дыр в толстых железных листах, гидравлические домкраты и приборы для выверки манометров, аккуратно действующие. (52) Не внушительнее ли будет пробить при учениках полудюймовый лист железа или показать, что манометр (ртутный или металлический) показывает согласно расчёту нагрузки, сделанному сообразно сечению поршня и закону гидростатического давления?

Итак, если можно сделать выбор между научным физическим прибором для демонстрации какого-либо факта и «всамомделишным прибором», основанным на том же принципе, то надо выбирать второй (конечно, только в случае, когда в этом практическом приборе достаточно ясно можно проследить ход явления). Это второе положение особенно важно для самых начальных курсов физики.

К так называемым «универсальным» приборам надо относиться осторожно: большей частью они дороже и при употреблении менее удобны, чем совокупность тех специальных приборов, которые они должны заменить. Однако бывают случаи, когда для целого ряда разнообразных опытов нужен один и тот же измерительный инструмент: гальванометр, манометр, гониометр и т. д. С тех пор как пошла в ход электротехника, такого рода удобных приборов стало появляться всё больше и больше. Но для целей элементарного преподавания они большей частью недостаточны: для прочности и уютности все их части бывают обыкновенно прикрыты, так что и знающий ничего не разберёт и должен пользоваться указаниями продавца. Такие приборы, как, например, известный «универсальный гальванометр Сименса», должны быть в каждом кабинете, как «венец создания»; надо научить учеников ими пользоваться, но для объяснительных опытов они непригодны.

На самодеятельность учителя по части устройства новых приборов рассчитывать не следует: даже в лучшем случае дело потребует так много времени, что результат получится ничтожный. Самодеятельность эту надо направить на изготовление мелких приспособлений, облегчающих успех опыта и ускоряющих его повторение, и на исправление повреждений.

Так, например, сам учитель может часто значительно улучшить условия опыта с имеющимся прибором, усовершенствовав видимость результата. Когда класс большой, а прибор старинный, с делениями, приспособленными для одного наблюдателя, то следить за ходом опыта могут только сидящие близко. Для других опыт пропадает: они должны только верить свидетельству товарищей, сидящих близко.

Часто этому можно помочь. Опыт показал, что в классе средней величины для нормального глаза хорошо видна сантиметровая шкала, если черты не тоньше 2 – 3 мм. Ещё лучше видна шкала из полос, шириной в сантиметр, попеременно чёрных и (53) белых. Только отсчёт по такой шкале требует особого навыка: надо, чтобы учитель, по соглашению с близко сидящими учениками, установил на глаз число миллиметров до ближайшего деления; затем считают число сантиметров до ближайшего, длинного, десятого сантиметра, считают целые дециметры и тем же порядком сантиметры и миллиметры до второго конца измеряемой длины. Такую шкалу из бумаги часто можно наклеить рядом с имеющейся. Вообще шкала (так же как и всё изображённое на классной доске) становится лучше видимой, когда она сильно освещена. Для этого днём часто можно пользоваться сильной лампой с рефлектором. С выгодой можно даже направлять на освещаемое место светлый круг волшебного фонаря: крупный рисунок или деления можно таким способом сделать видимыми и для довольно большой аудитории. Если надо видеть в то же время поверхность ртути или другой жидкости в трубке, то это место надо осветить сзади чрез матовое стекло. Движение горизонтальной магнитной стрелки можно сделать видимым, прикрепив к концам её вертикальные указатели из ярко окрашенной папиросной бумаги. Крупные круговые деления можно сделать часто на бумажной цилиндрической поверхности.

Такими, не требующими много уменья и времени, приёмами учитель может много улучшить результаты, получаемые с помощью имеющихся приборов. Надо по завету Франклина «уметь пилить сверлом и сверлить пилой», чтобы успешно экспериментировать, а не откладывать опыт за неимением хороших приборов.

В настоящее время при составлении новых кабинетов необходимо обращать внимание на наборы новых приборов, специально подготовленных для демонстрации опытов в большом классе. Между ними уже много вполне целесообразных.

О самом устройстве физического кабинета много говорить здесь было бы излишним: ведь учителя весьма редко об этом спрашивают, а обыкновенно им приходится довольствоваться тем, что уже существует. Кроме того, по этому предмету уже есть очень хорошая книга Вейнгольда – Physikalische Demonstrationen, очень хорошо переведённая на русский язык, с переделками, Лукьяновым в Полтаве под заглавием “Физический кабинет» (т. I, 1904, т. II, 1, 1906).

Вообще для успеха дела нужна особая классная комната, остающаяся свободной, когда нет уроков физики, и снабжённая тёмными шторами. Рядом с ней должна быть большая комната для хранения приборов и другая для приготовления опытов и для работы. Желательно ещё иметь тёмную комнатку для фотографии, которая теперь так распространена. Физический кабинет среднего учебного заведения в настоящее время не (54) поместится теснее, чем в большой комнате в два окна. Приготовлять опыты можно и в той же комнате, но в таком случае она должна быть не меньше, как в три окна. Если вводятся собственные работы учеников, для них нужны особые комнаты, в расчёте от 4 до 8 кв. м пола на каждый набор приборов, предназначенных для двух работающих совместно.

Где это возможно, желательно обильно провести воду и газ как в классную (к столу для опытов), так и в рабочие комнаты. Если есть электрическое освещение, то в классной и рабочих комнатах должны быть проводы для дуговой лампы.

Вейнгольд в своей книге немного преувеличивает сложность устройства стола для опытов: многое, вроде водяных воздушных насосов, требуется так редко, что, пожалуй, окажется в неисправности, когда до него дойдёт очередь. Важнее немецкая аккуратность: учителю обыкновенно приходится торопиться, поэтому, добившись раз успешного исполнения сложного опыта, надо сохранить и спрятать вместе все сделанные специально приспособления: сосуды, подставки и т. д. Если же были употреблены штативы и приспособления, нужные и для других целей, то следует записать в особую тетрадь, что и как было взято и приспособлено. Так делают немцы за границей и сберегают этим много времени и труда. (55)

Дата добавления: 2014-11-20