Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2015, № 1 (спецвып.3)

ГОРНЫЙ
ИНФОРМАЦИОННОАНАЛИТИЧЕСКИЙ
БЮЛЛЕТЕНЬ
1
№
СПЕЦИАЛЬНЫЙ
ВЫПУСК 3

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОЕ
ОБРАЗОВАНИЕ
СТУДЕНТОВ
ТЕХНИЧЕСКИХ
ВУЗОВ В ПРОЦЕССЕ
ИЗУЧЕНИЯ ИМИ КУРСА
ФИЗИКИ

М.Л. Харахан

УДК 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Х 20 

378(063):53 
Х 20 
 
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 
29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной 
службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия
человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.14 
 
 
Харахан М.Л. 

Естественнонаучное образование студентов технических ву
зов в процессе изучения ими курса физики: Отдельные статьи: 
Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). — 2015. — №1 (специальный выпуск 3). — 24 с.
— М.: Издательство «Горная книга» 
ISSN 0236-1493 
В современном обществе поставлена задача создания новых и модернизация существующих отечественных производств, которые должны 
быть способны успешно конкурировать на мировом рынке. Эту задачу могут решить кадры только таких инженеров, у которых сформирован современный стиль научно-технического мышления. В подготовке этих кадров 
следует использовать курсы естественнонаучных дисциплин, и, в первую 
голову, курс общей физики, изучение которого начинается на первом курсе. В статье последовательно рассмотрены фундаментальные физические
понятия и их роль в построении любого научного исследования, последовательность этапов решения поставленной задачи (и не только в применении к физической  механике, но и для других разделов физики): понятие
модели и понятия физического состояния, закона движения, уравнения 
движения, принципов соответствия и принципов построения научного 
предвидения; рассмотрены также относительность понятий большого и
малого, роль безразмерного параметра при моделировании процессов, соотношение теории и физического эксперимента (прямого и косвенного) и 
важность соответствия  физического закона его области применимости; 
подчеркнута исключительная роль математики как языка, объединяющего 
все естественные дисциплины. 

УДК 378(063):53

©  М.Л. Харахан, 2015 
©  Издательство «Горная книга», 2015 
ISSN 0236-1493 

©  Дизайн книги. Издательство  
«Горная книга», 2015 

 
 

Признание рубля за последние десятилетия в качестве основной меры для оценки успеха человека привели к пересмотру престижности различных видов человеческой деятельности, а для молодёжи — к пересмотру путей их будущей карьеры: в результате конкурсы в институты экономического и 
юридического направлений резко выросли, а количество дипломированных специалистов этих специальностей уже превышает потребности. Абитуриенты технических ВУЗов, в своей массе, имеют слабое представление о своей будущей профессии. Поэтому физика и математика, составляющие основу 
естественнонаучной подготовки на младших курсах, как правило, не являются любимыми предметами, что связано, в первую очередь, с непониманием роли естественнонаучных знаний не только для выработки научного мировоззрения, но и 
для усвоения профессиональных знаний, причём эта недооценка наблюдается не только у студентов, но и у ряда молодых 
преподавателей выпускающих кафедр [1]. 

Для нашего времени характерно возрастание роли науки как 

в создании и развитии новых конкурентно способных направлений и отраслей промышленности, так и при модернизации действующего производства. Для решения возникающих при этом задач нужны технические и инженерные кадры, разделяющие современный взгляд на роль науки в производстве. 

Уровень специальных знаний выпускника технического уни
верситета и опыт (по крайней мере, — навык) их применения на 
производстве должны быть достаточны для руководства решением технологических задач различного уровня сложности. Однако 
этого мало: успешный специалист должен обладать современной 
мировоззренческой позицией, которая формируется в процессе 
фундаментального естественнонаучного образования, — оно даёт 
понимание движущих причин протекания природных процессов 
и позволяет оптимизировать управление процессами промышленного производства. Это понимание и уважительное отношение к природе позволит сделать производство успешным, а нагрузки на окружающую среду минимальными. Внедрение этих 
знаний в студенческую среду проводится при изучении естественнонаучных дисциплин, начиная с первого курса, и в течение 
всего процесса обучения. 

Физика вместе с математикой закладывают фундамент естественнонаучного образования [2]. Поэтому трудно переоце-нить 
роль физики в учебном процессе подготовки современных инженерных кадров. В соответствии с этим и определяется содержание и структура учебной дисциплины. Задачей лекционного курса физики является: 

• последовательное изложение концептуальных основ физики и её роли как наиболее широкой теоретической основы техники (технологии), 

• объяснение научного метода физики, 

• предметное подтверждение справедливости законов физики путем логических построений и демонстрационных опытов 
(выполнения лабораторных работ). 

Физика, как естественная наука, изучает свойства и со
стояния любых объектов материального мира и процессы 
изменения этих состояний, протекающие в реальном пространстве и времени, используя для этого, так называемый, научный метод, включающий в себя как теоретические, так и 
экспериментальные подходы для решения задач, признавая в 
качестве критерия истинности, как любая естественная 
наука, верховенство опыта. 

Единство различных разделов физики обеспечивается с по
мощью универсального языка математики. Концептуальная конструктивность физики и высокая эффективность её практических 
приложений обусловлены эмпирическим происхождением физических знаний, точностью исследовательского метода физики и 
критериями истинности, которыми она пользуется. 
Мировоззренческое значение физики определяется тем, что 
её законы объясняют фундаментальные свойства природы. При 
этом одинаково важны как содержание физических законов, так 
и способы их установления, а также использование физических 
знаний в практических целях. Физическая картина мира, по существу, является диалектико-материалистической. В ней главную 
роль играют центральные категории диалектики, к которым относятся материя, её основные формы существования, известные 
нам в настоящее время: вещество и физическое поле, которые заполняют пространство и движутся во времени. Эта картина раскрывает диалектический характер движения и развития объективного мира природных явлений. 

Построение физической картины мира является длительным 
протяжённым процессом отражения в сознании свойств материи. 
Опыт, т.е. физический эксперимент, даёт нам способ найти 
правильный путь в этом последовательно расширяющемся и углубляющемся процессе познания, однако без построения физических моделей, без теоретического осмысления опыт слеп. Только в единении опыта и теории обнаруживаются и разрешаются 
концептуальные противоречия, в чём проявляется относительность теоретических построений, обусловленная ограниченностью лежащего в основе любого из них опытного материала. 
Примерами из истории физики являются: 

• несовместимость механики Галилея-Ньютона (v«c) с опытными фактами физики электромагнетизма и, как разрешение этого противоречия, — создание релятивистской динамики — специальной теории относительности (v≤c); 

• необъяснимость на основе доквантовых принципов (mvr»ћ) 
явлений микроскопического масштаба и преодоление этих трудностей в результате создания квантовой механики (mvr ≈ ћ). 
На современном этапе тоже существует подобная проблема — 
это логическая незамкнутость принципов общей теории относительности и квантовой теории, которую пытаются разрешить созданием квантовой теории гравитации, но пока такой теории нет. 
В обнаружении и разрешении таких противоречий проявляется универсальность диалектики как науки о развитии, область 
применимости которой включает природу и познающее ее мышление. В результате процесса познания могут расширяться и даже 
меняться сами принципы, составляющие фундамент той или иной 
теории: так, например, принцип причинности, который для классической механики можно выразить словами «невозможно ничего, кроме того, что разрешено»... законами движения, в случае 
квантовой теории меняется на «возможно всё, кроме того, что 
запрещено»... законами сохранения. 
В настоящий момент активно развивается космология и в течение ближайших десятилетий можно ожидать «неожиданные» 
открытия (а это и есть проявление «нелинейности» процесса познания) новых свойств самого пространства-времени, осознания 
физической природы «тёмной материи» и «тёмной энергии» (что 
не одно и то же) [3]. Новым математическим инструментом в 

этих теоретических исследованиях является метод компьютерного моделирования. 
Научный метод физики 
Определим важнейшие качественные черты, так называемого, научного метода физики, используемого для решения задач. 
При этом под задачей понимают любое исследование свойств 
физической системы или её состояния (или изменение этого состояния со временем), а под физической системой — любой материальный объект. 
1. Постановка задачи и стратегия её решения 
Любое исследование начинается с постановки задачи. 
Основанием для постановки задачи могут служить чисто 
теоретические соображения или результаты некоторого физического эксперимента (физического опыта). 
Законы физики имеют эмпирическое происхождение. Физический эксперимент отличается от простого наблюдения учётом 
всех условий, существенных для изучаемого явления (значения 
соответствующих параметров поддерживаются неизменными). 
Важную роль в эксперименте играет его воспроизводимость. 
Это означает, что повторение эксперимента в другом месте и в 
другое время должно привести, с точностью до погрешности, к 
тем же самым результатам. 
Исследование разбивается на несколько этапов. 
1.1. Физическая постановка задачи определяет начало исследова-ния. На этом этапе необходимо понять: 

• что собой представляет система, свойства которой собираемся изучать, и в каких условиях она находится; меняются ли эти 
условия со временем; и, вообще, к какому разделу физики относится данная задача и какими физическими величинами нужно 
оперировать, чтобы можно было использовать законы соответствующего раздела физики для получения качественных и количественных оценок искомого результата и, собственно, что в результате исследования может быть принято за ответ. 
При этом полагаем, что любая физическая величина определена, если указано, как её измерить, или известно, как она связана с другими ранее определёнными физическими величинами. Подобный анализ задачи и называется физической постановкой 
задачи. 

1.2. Математическая постановка задачи 
Изложение тех путей, которые приведут к решению задачи, 

может опираться на методы индукции или дедукции. Однако каждый раз наше решение должно опираться на соответствующие 
физические законы, сформулированные в аналитической форме: 
в виде формулы алгебраической или в виде дифференциального 
уравнения — так, как сформулирован соответствующий закон. 
Такой подход и позволяет нам проводить не только качественное 
описание исследуемого процесса или явления (как это делается, 
например, в философии), но и получать количественные оценки. 
В результате мы получаем уравнение, решение которого должно 
служить ответом на вопрос, поставленный в начале исследования. Часто такое уравнение является, так называемым, «уравнением движения», составлением которого завершается данный 
этап: за физической постановкой задачи следует математическая постановка задачи. 

1.3. Модель 
Следует отметить, что учёт всех факторов, определяющих 

поведение системы, характерно для, так называемого, системного подхода. Обычно соответствующее ему уравнение решить 
аналитически не удаётся, — уравнение приходится упрощать, 
пренебрегая второстепенными факторами. Решение, полученное 
в этом случае, называют модельным, а саму систему, поведение 
которой определяется только теми факторами, которые учтены, 
называют моделью. Модель, собственно, строится на этапе перехода от физической постановки задачи к математической. 

Но важно, однако, то, что свойства модели можно изучать 

опытным путём, – ещё до получения решения соответствующего 
уравнения. С этой целью ставят физический эксперимент, в котором поддерживают неизменными все факторы, характеризу-ющие 
поведение модели. Искомые значения иногда получают прямым 
измерением, т.е. сравнением с эталоном. Однако, как правило, 
измерения бывают косвенными: это означает, что существует 
связь (физический закон) между интересующей нас величиной и 
величинами, для которых мы можем провести прямые измерения; 
подставив результаты прямых измерений в формулу физического 
закона, получают значение искомой величины. 

Физический эксперимент штука тонкая: измеряемые значе
ния получаются с погрешностями и для сравнения с результатами, полученными теоретически, требуется аккуратность, – результаты могут не совпадать. Если эти различия незначительны, 
то полагают, что они вызваны случайными причинами, и эти различия называют случайными ошибками или погрешностями: результаты считаются совпадающими (с точностью до погрешностей). Существует развитая теория погрешностей. Экспериментальный результат, приведённый без оценки погрешностей измерения, – бессмыслен. 

Важно, что если эксперимент поставлен чисто (в пределах 

области применимости) и результат получен с разумными погрешностями, а совпадения с теоретическим результатом не достигнуто, то правильным признаётся результат, полученный 
экспериментально. Так принято для всех естественных наук. 

1.4. Решение уравнения. 
Решение уравнения движения опирается в логическом по
строении на аппарат математики. Исключительность роли математики была понята ещё до новой эры, а, например, в XIII-м 
веке Роджер Бэкон подчёркивал, что «математика – дверь и 
ключ к наукам». 

На этом этапе исследования, следующим за математической 

постановкой задачи, изучаются свойства составленного уравнения и для поиска его решения обычно используют методы, известные из вузовского курса высшей математики, включающего в 
себя векторную алгебру и математический анализ функций одной 
или нескольких переменных, аналитическую геометрию, неопределённый, определённый и кратные интегралы, обыкновенные 
дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных, элементы теории поля и теории вероятности; в последнее 
время к ним добавились методы математического моделирования, которые дают дополнительные возможности для получения 
решения. 

Данный этап заканчивается получением решения уравнения. 

Решение соответствующего уравнения ищется в общем виде, 
поскольку именно такая форма решения позволяет делать 
предсказания и использовать, так называемый, принцип соответствия (см. ниже). 

1.5. Полученное решение следует исследовать на адекват
ность, т.е. сравнить его с решениями для тех частных ситуаций, 
для которых это решение известно, проанализировать, что нового 
даёт полученное решение, какие предсказания можно сделать на 
основании найденного решения и насколько эти следствия подтверждаются практикой — экспериментом. Научный характер 
присутствует только в таком исследовании, в котором либо 
устанавливается совпадение результатов теории и практики, 
либо делается предсказание ещё неизвестных свойств или новых 
(ещё неизвестных) черт поведения системы. 

Однако следует подчеркнуть, что никогда новое не строится 

на пустом месте, никогда новое не отменяет огульно старые, проверенные экспериментом истины, а устанавливает границы применимости, где старые представления следует сменить на новые. 
Отрицание достижений, полученных предыдущими поколениями, 
отрицание преемственности в науке — это признак лженауки. 

2.Состояние и уравнение движения. 
При изложении физического метода решения задач следует 

подчеркнуть, что особую методологическу роль играют понятия 
«состояние» и « уравнение движения». 

Назовём состоянием набор независимых друг от друга ве
личин (или одну величину), полностью характеризующих изучаемые свойства системы. Например, в классической механике 
материальной точки её состояние задаётся набором радиусавектора r и импульса частицы р, заданных в один и тот же 
момент времени. 
Поскольку уравнением движения называется уравнение, 
описывающее изменение состояния со временем, то в механике 
уравнением движения называют второй закон Ньютона, когда 
скорость и ускорение выражены, соответственно, через первую и 
вторую производные по времени от радиуса-вектора r. Такое 
уравнение является дифференциальным уравнением и его решение, если задано начальное состояние, полностью определяет все 
последующие состояния однозначно. Это решение, представленное в виде r = r(t), называют законом движения. В принципе, 
так же обстоит дело и с другими разделами физики, но, конечно, 
там состояния задаются по-другому и уравнения движения имеют 
вид, характерный для каждого раздела физики, и эти уравнения, 

если их удаётся составить, совсем не просто решить. Важно однако то, что известно направление поиска решения: каждый раз, 
когда нас интересует закон движения, нужно «просто» составить 
соответствующее уравнение движения и решить его. 

Понятия состояния и уравнения движения хорошо определе
ны во всех разделах физики: в механике – это набор r и р и второй закон Ньютона, в электродинамике – это набор полей E(r,t) и 
B(r,t) и уравнения Максвелла, в нерелятивистской квантовой механике – это волновая функция Ψ(r,t) и уравнение Шредингера и, 
наконец, состояние системы большого числа частиц, совершающих тепловое движение, задаётся с помощью макроскопических 
параметров: это масса системы m, её объём V (или плотность ρ), 
давление P, абсолютная температура T и киломоль μ. Все процессы в термодинамике протекают при соблюдении закона сохранения энергии, причём в энергетический баланс, кроме внутренней 
энергии и работы, входит специальная термодинамическая форма 
энергии – тепло Q. Если система не находится в состоянии термодинамического равновесия, то внутри системы спонтанно 
(самопроизвольно) развязываются процессы, которые приближают систему к равновесию. Эти процессы описываются в рамках 
физической кинетики уравнениями переноса (массы, импульса, 
энергии): в простейшем случае это уравнение диффузии и уравнение теплопроводности, являющиеся уравнениями движения 
соответствующих задач. Для описания течения идеальной и вязкой жидкости в качестве уравнений движения используются 
уравнение Эйлера и уравнение Навье-Стокса. Рассмотрение этих 
вопросов уже не входит в стандартный курс Общей физики и 
проводится в специальных курсах выпускающих кафедр. 

Если система находится в состоянии термодинамического 

равновесия, то макроскопичесие параметры связаны уравнением 
состояния. В случае, когда систему можно считать идеальным газом, уравнение состояния имеет вид уравнения Клапейрона – 
Менделеева. 

В приведённой ниже табл. 1 отмечены четыре качественно 

различные формы движения, способы задания физического состояния соответствующих систем и указан студенческий семестр 
(для 4-х семестрового курса), в котором изучаются эти формы 
движения.