
ロシアの学校の教科書(物理)について考える
チェブラーシカさんがロシアの学校の教科書を紹介され、たくさんのリンクを掲載して下さいました。チェブラーシカさんも言っているように、教科書・学習書をすべてオンラインで見ることができます。ロシアの広い大地のどこに住んでいても、お金がなくても、先生がいなくても、やる気があれば誰でも学習できる環境が整っています(もちろん日本からも見えます)。
今回は物理の教科書について考えます。
ソ連時代の素晴らしい物理の教科書があります。日本の私たちもランダウ・リフシッツの「理論物理学教程」(表紙写真)で学びました。明快な素晴らしい専門書ですが、ランダウが教科書として書いたもので初心者にも教育的です。同じ著者が小教程も出版しています。
もう一つの推薦したい本は、カンパニエーツの「理論物理学」で、これは私の愛読書です。これらの本は日本語訳もあります。
ハリコフ大学でのランダウの教育方針は、彼の定める「理論ミニマム」をマスターすること。この理論ミニマムが「理論物理学教程」のもとになったのでしょう。
最初に「理論ミニマム」に合格したのは,カンパニエーツ,続いて,リフシッツが合格しました。
(注)ーーーーー
ヨッフェАбра́м Фёдорович Ио́ффе(1880-1960)[ウクライナ出身,サンクトペテルブルク工科大学]は,ペテルブルク,モスクワに集中している物理研究所を地方に分散させ,工業と結びつき活性化させる構想を持ち,ウクライナのハリコフに物理工学研究所の創設(1930までに)をしました.
レフ・シュブニコフは,ライデンの研究所から帰って,ハリコフの物理工学研究所に,極低温実験室を立ち上げます.ここには,理論物理教程(ランダウ,リフシッツ)で我々にもなじみのあるL.D.ランダウ(1962年にノーベル賞受賞,リフシッツはランダウの教え子)もおり,1930年頃のハリコフ大学のセミナーは活気のあるものでした.その後,官僚的な研究所長が中央から派遣され軍事研究が始まり,この自由な研究所の雰囲気がなくなります.1937年には,スターリンの粛清の対象にされたレフ・シュブニコフら3人が逮捕されます.その事件が起こったのは,レフ・シュブニコフがレフ・ランダウとクリミアの保養地(登山)から帰った日の出来事だったと言います.以下のnote記事をご覧ください:
■ 10~11年生(日本の高3に相当)の物理の教科書
ロシアの学校の物理の教科書は、このような流れを受け継いでいます。10~11年生の上級レベルの教科書の記述は、ものすごく親切(文章が長すぎて読むのが大変なくらい)で、生徒が完全に独習できます。
Myakishev G.Ya.とSinyakov A.Z.の教科書を見ると、
1⃣力学、2⃣分子物理、熱学 は、10年生で、11年生では、1⃣光学、量子物理、2⃣振動と波 を学びます。
この区分は独特ですが、なかなか理に適ったものです。
11年生に、2⃣振動と波 の項目を作ったのはユニークで、とても素晴らしい。同じ形式の方程式で記述できる現象を統一的に眺める試みです。
日本では、戸田盛和の『振動論』(培風館、1968)がある。これは同様の趣旨で書かれた非常に優れた著書です。古くは、坪井忠ニの著書にも『振動論』があるそうだが、私は見ていない。
11年生 上級レベル 振動と波 ( Myakishev G.Ya.、Sinyakov A.Z.)
(以下はまえがきより引用)ーーーーー
振動過程では、システムの状態の変動が周期的(ほぼ周期的)に繰り返されます。振動過程が時間とともに空間に広がる現象を、波の伝播と言います。振動運動は、自然界や技術の世界でよく見られます。時計の振り子、バネ、木の枝、私たちの心臓など振動しています。電磁振動もよく見られる: 電気回路の電流、テレビのブラウン管の電子ビームなど。最も壮大な振動過程は、私たちの宇宙で周期的に膨張と収縮を繰り返している。波動過程もいろいろなところで見られる。水面、あるいは、固体、液体、気体の内部には波が生じる。音も波動過程です。 無線通信は電磁波によって行われ、光はこれらの波のうちの特殊な形態です。
各所で見られる「振動と波」は、同じ方程式で定量的に記述される。 だからこそ、異なる性質の「振動と波」を一緒に考えるのが合理的である。現代物理学では、振動の物理学という特別な分野が確立されている。そこでは、異なる性質の振動(波)が、統一的な観点から研究されている。
振動の物理学は、非常に大きな実用的な意義を持っている。構造物や機構の振動の研究の結論は、交流電気工学や無線工学の基礎となる。波動、すなわち音響(音)、電波、光の研究も同様に重要だ。なぜ振動と波動の過程は、自然界や技術の世界で頻繁に発生するのだろうか?そして、それらが数学的に同じ法則「波動方程式」で説明されるのはなぜか?
振動は、システムが安定した平衡状態を持つ場合、常に発生する。平衡状態から逸脱すると、システムを平衡状態に戻す力が発生するが、物体固有の慣性により、それらは平衡位置を「通り過ぎ」、反対方向に偏位する。この過程は周期的に繰り返される。運動が限られた空間領域で起こる現象は数多い。 その中に振動も含まれます。別の種類の現象としては、小さな限定された領域での動きとは関係ない、 例えば、石の落下、自動車や列車の動き、ガス分子の衝突などがあります。どうやら、私たちの世界の相対的な安定性と発展は、この2種類の動きが両方とも存在することと関係があるようです。
機械的振動と電磁気的振動を記述する方程式の統一的な数学的形態は、どちらの場合も、安定した平衡状態を持つシステムを扱っていることに起因している。平衡状態の近くでは、ポテンシャル曲線はすべての場合において同じ形をしています。これが、振動過程を記述する数学方程式の同一性につながっています。また、空間における振動過程の時間的発展、すなわち波の伝播過程を記述する方程式も共通となります。
以下の概念間の相互関係を構造的・論理的なダイヤグラムでまとめなさい:「振動」「波」「定常平衡位置」「ポテンシャル曲線」「数学方程式」
(引用終わり)ーーーーー
工学応用への言及
10年生1⃣の力学 を例に、ロシアらしい特徴を述べたいと思います。ロシアの物理の教科書は、理論のみで終わりません。必ず応用についても言及し使えるものに展開しています。
以前note記事で、数学と運動機構のことを書きましたが、このようなチェビシェフばりの思想が活きており、歯車やロボットの運動機能などの工学応用は興味深いことです。
この思想は、
10年生 / 11年生 (専門学校向け)応用力学(Ольчак А.С., Муравьев С.Е.)
によく実現されています。この教科書では、具体的な物づくりに非常に有用で興味深い教科書です。この教科書では、その他に、熱機関、電磁気、水力学、モーメントや構造力学など工学応用へ、物理理論の具体的な説明がなされます。
(参考)残りの教科書ーーーーーーーーーーーーーーーー
1⃣11年生 上級レベル 光学.量子物理学( Myakishev G.Ya.、Sinyakov A.Z.)
第 1 章 幾何光学
第 2 章 光波 (波動光学)
光の速度 光の分散 光の干渉 光学における干渉の観察 光の波長 薄膜における干渉 ニュートンリング 干渉のいくつかの応用
光の回折 回折理論 単純な物体によるフレネル回折 フラウンホーファー回折 回折格子 顕微鏡と望遠鏡の分解能 光波の横波性 光の偏光 横波光波と光の電磁気理論
第 3 章 相対性理論の基礎
電磁力学の法則と相対性原理 マイケルソンの実験 相対性理論の公理 同時性の相対性 ローレンツ変換 距離の相対性 時間間隔の相対性 相対論的速度加法則 相対論的力学.質量の速度依存性 シンクロファゾトロン(シンクロトロン) 質量とエネルギーの関係
第 4 章 放射線とスペクトル
放射線の種類、光源 スペクトルと分光器 スペクトルの種類 スペクトル分析 赤外線と紫外線 X 線 電磁放射のスケール 量子物理学
第5章 光量子.光の作用
量子論の起源 光電効果 光電効果の理論 フォトン 光効果の応用 光圧 光の化学的作用.写真 映画における音声の録音と再生
第6章 原子物理学.量子理論
スペクトル法則 原子の構造.トムソンモデル ラザフォードの実験 原子惑星モデル ボアの仮定 ボアの水素原子モデル 定常状態の存在に関する実験的証明 ボーア理論の難点.量子力学
波動粒子二重性 ハイゼンベルクの不確定性関係 確率波 確率の干渉 多電子原子 量子光源 — レーザー
第7章 原子核の物理学
原子核と素粒子 素粒子の観測と記録の方法 自然放射能の発見 アルファ線、ベータ線、ガンマ線 放射性崩壊 放射性崩壊の法則.半減期 同位体 変位則 人工的な原子核の変換 中性子の発見 原子核の構造 核力 原子核の結合エネルギー 人工放射能 核反応 ウラン核の分裂 連鎖核反応 原子炉 熱核反応 原子力エネルギーの利用 放射性同位体の製造とその応用 放射線の生物学的影響
第8章 素粒子
.素粒子物理学の発展における3つの段階 陽電子の発見.反粒子 中性子の崩壊.ニュートリノの発見 中間ボゾン — 弱い相互作用の伝達者 素粒子はいくつ存在するのか? クォーク クォークの相互作用.グルーオン
11年生 電気力学.電磁放射.高エネルギー物理学.天体物理学の基礎(Kasyanov V.A.)
10年生 上級レベル 分子物理学. 熱力学 ( Myakishev G.Ya.、Sinyakov A.Z.)
10年生 上級レベル 力学 ( Myakishev G.Ya.、Sinyakov A.Z.)
10年生 力学.分子物理学.静電気学(Kasyanov V.A.)
10~11年生 上級レベル 電気力学 ( Myakishev G.Ya.、Sinyakov A.Z.)