Передмова

Студенти: якщо це занадто довго, принаймні прочитайте останні чотири абзаци.

Дякую! Протягом багатьох років принципи та практика фізики Еріка Мазура були необхідним підручником для Університетської фізики I в Університеті Арканзасу. При написанні цієї заміни з відкритим вихідним кодом я намагався зберегти деякі його найкращі функції, одночасно ущільнюючи більшу частину презентації та переробляючи кілька розділів, які не зовсім відповідали потребам нашої навчальної програми: насамперед, глави про термодинаміку, хвилі та роботу. Я також повністю пропустив главу про «Принцип відносності», і замість цього розподілив її зміст між іншими главами: зокрема, перетворення галілеївської системи відліку тепер вводяться на самому початку книги, як і закон інерції та поняття інерційного посилання. кадрів.

За останні кілька десятиліть спостерігалася тенденція до збільшення розміру вступних підручників з фізики, включаючи все більше наочних посібників (малюнків, діаграм, ящиків...), а також більш тривалих та детальних пояснень, можливо, у спробі охопити якомога більше студентів, а можливо, навіть взяти місце інструктора взагалі. Мені здається, що результат швидше протилежний: масивний (і дорогий) томе, який жоден студент не міг розумно очікувати, щоб прочитати весь шлях, в той час, коли «TL; DR» став популярним абревіатурою, а візуальні навчальні посібники (відеозаписані лекції, демонстрації та комп'ютерні симуляції) вільно доступні скрізь.

Наш підхід в Університеті Арканзасу, розроблений в результаті роботи експертів з фізичної освіти Джона і Гей Стюарта, заснований натомість на двох суттєвих фактах. По-перше, що різні студенти вчаться по-різному: одні навчаться найкраще з підручника, інші навчаться найкраще з лекції, а більшість дійсно навчаться лише на практичному підході, розробляючи відповіді на питання самі. По-друге, майже всі отримають вигоду від повторних презентацій матеріалу, який потрібно вивчити, в різних середовищах і навіть з дещо різних точок зору.

Відповідно до цього, ми починаємо з того, що вимагаємо від студентів прочитати матеріал підручника перед тим, як прийти на лекцію, а також пройти онлайн-« вікторину для читання», де вони можуть перевірити своє розуміння прочитаного. Потім, у лекції, вони матимуть можливість побачити матеріал, представлений знову, як свого роду резюме, зроблене, як правило, іншим інструктором, який також зможе відповісти на будь-які питання, які вони можуть мати щодо презентації книги. Крім того, інструктор безпосередньо перевірятиме розуміння учнів за допомогою концептуальних питань, заданих усім класом, на які потрібно відповісти за допомогою клікерів. Це спонукає учнів сильніше думати про матеріал, і спонукає їх обговорювати його на місці зі своїми однокласниками.

Відразу після кожної лекції студенти матимуть лабораторну діяльність, де вони зможуть експериментально перевірити поняття та принципи, до яких вони щойно ознайомилися. Нарешті, щотижня вони матимуть домашнє завдання «відкритої відповіді», де вони зможуть математично застосувати принципи до конкретних проблем. Як для лабораторій, так і для домашніх завдань додаткову допомогу надає група спеціалізованих викладачів, які часто можуть пояснити матеріал студентам таким чином, що краще стосується їх власного досвіду.

У всьому цьому підручник, як очікується, відіграватиме важливу роль, але, звичайно, не буде лише учнями (і навіть, обов'язково, первинним) джерелом розуміння чи знань. Його робота полягає в тому, щоб розпочати процес навчання, а потім надати посилання (серед, можливо, кількох інших). Для виконання цієї ролі, мабуть, найважливішою вимогою є те, що вона повинна бути читабельною, а отже, досить стислою, щоб кожне завдання читання було керованого розміру. Це (а також розумна організація, чіткі пояснення та мінімальний асортимент відпрацьованих вправ та проблем із закінченням глави) - це те, що я насамперед намагався надати тут. Студент, який хоче отримати більше інформації, ніж зазначено в цьому підручнику, або альтернативні пояснення, або більш відпрацьовані приклади, безумовно, може отримати їх з багатьох інших джерел: по-перше, звичайно, інструктор і помічники викладача, чиї істотну роль як фасилітаторів навчання повинні бути визнані з старт. Тоді є безліч альтернативних підручників: найкращим вибором, мабуть, все ж будуть Принципи та практика фізики Мазура, оскільки він використовує ту саму термінологію та позначення, вводить матеріал майже в тій же послідовності та має тонни відпрацьованих прикладів та концептуальних самовікторини питання. Ця книга доступна на резерві у фізичній бібліотеці, де з нею може проконсультуватися будь-хто. Якщо студент відчуває потребу в альтернативному підручнику, який вони можуть насправді взяти додому, один з варіантів, звичайно, насправді купити Мазур (що всі повинні були зробити раніше); інший варіант - вивчити інші підручники з відкритим кодом доступні в Інтернеті, які були навколо довше, ніж цей, і користь від більш відпрацьованих вправ і більш звичайної презентації. Однією з таких книг є університетська фізика І.

Нарешті, є також велика кількість інших інтернет-ресурсів, хоча я б порадив студентам підходити до них з обережністю, оскільки не всі вони можуть бути абсолютно суворими, а деякі можуть виявитися більш заплутаними, ніж корисними. Деякі з моїх студентів знайшли лекції Академії Хана та/або лекції «Перегортання фізики» корисними; Я особисто рекомендував би лекції Уолтера Левіна в MIT, якби тільки для широкого спектру крутих демонстрацій, які ви можете побачити там.

Останнє слово для студентів, які, можливо, прочитали так далеко, щодо використання рівнянь та «доказів» у цій книзі. Для природи фізики важливо вміти кидати свої результати математичними термінами та використовувати математику для пояснення та прогнозування нових результатів; отже, рівняння та математичні похідні є невід'ємними частинами будь-якого підручника з фізики. Я, однак, намагався зберегти математику якомога простішою протягом усього, і я б не хотів, щоб тривалі математичні похідні заважали вашому читанню завдання. Якщо ви читаєте текст і натрапили на кілька рядків математики, спочатку знежиріть їх, щоб побачити, чи мають вони сенс, але якщо ви застрягли, не витрачайте на них занадто багато часу: перейдіть до нижнього рядка і продовжуйте читати звідти. Ви завжди можете звернутися до інструктора або ЦА за допомогою з математикою пізніше.

Я б, однак, закликав вас повернутися, врешті-решт, до будь-якої математики, яку ви виявили складною вперше. Спробуйте пройти всю алгебру самостійно! Я іноді пропускав проміжні кроки, просто щоб математика не перевантажувала текст: але це, як правило, прості маніпуляції (множення або поділ обох сторін на щось, переміщення чогось з однієї сторони рівняння в іншу, множення дужки або, навпаки, витягуючи загальний коефіцієнт або знаменник...). Якщо ви дійсно розробляєте, самостійно, всі відсутні кроки, ви знайдете, що це відмінний спосіб поліпшити свої навички алгебри. Це те, що значно полегшить вам справу з домашніми завданнями та іспитами пізніше цього семестру, а також для решти вашої кар'єри.