1611143552-c3ed591b411092ad1bd4ae28e513c63e (Биченков 1999 Законы механикиu)

ББК 22.36 я 7 УДК 530.1 Б 67 Биченков Е.И. Законы механики. Курс физики для учащихся физико-математических школ / Новосибирск: Издательство ИДМИ, 1999 - 168 с. !ЯВгч 5-88119-120-Х Первая часть курса физики для учащихся Новосибирской физико-математической школы прн НГУ. Содержит материал первых полутора семестров обучения на двухгодичном потоке шкалы, неоднократно излагавшийся автором ученикам ФМШ с 1965 гола и по настоящее время.

Часть материала использовалась для проведения факультативных занятий с учениками, проявляющими повышенный интерес к изучению физики. В пособие включено 225 задач. Предназначено для специализированных школ. Может быть использовано на первых курсах вузов. Рецензент профессор М.Е Топчнян. © ЕИ. Быченков, 1999 18ВН 5-88119-120-Х ПРЕДИСЛОВИЕ Наставшее пособие содержит сведения, излагаемые учашимися 9-го класса ФМШ в течение первых полутора семестров обучения на двухго- дичном потоке. Первый вариант его был издан 30 лет назад небольшим тиражом и сегодня сохранился почти исключительно в памяти моих уче- ников. За прошедшие годы в Новосибирской физико-математической школе сформировалось несколько подходов к изложению учебного материала„ некоторые из них опубликованы.

Отличаясь деталями, все они ориентиро- ваны на изложение основных, наиболее существенных понятий и законо- мерностей физической науки на уровне, доступном учашимся лаух стар- ших классов школы. Многолетний опыт убелил нас, что этот уровень мо- жет быть достаточно высоким, чтобы у ученика сложилось цельное пред- ставление о физике как науке о наиболее глубоких закономерностях при- роды и понимание внутренней логики этой науки. Мы исходим из того, что при изучении физики ученик получает не только определенный набор конкретных знаний, но - и зто, наверное, более важно для формирования его личности и интеллекта - у него воспитывается характерный для не только для физической науки, но и для науки вообше особый стиль и склад мышления: творческий, аналитический и рациональный.

Изучение физики позволяет научить: ° создавать модель явления и формулировать необхолимые для нее понятия, ° делать минимум посылок и получать нз них возможный максимум результатов, ° анализировать полученные результаты и замечать возникаюшие в них противоречия, в нужный момент видеть границы используемой модели и уметь, изменив модель, рассмотреть новые стороны анализируемых явлений, ° видеть за деталями и частностями проявление небольшого количества фундаментальных закономерностей н, наконец, е воспринимать всякую ситуацию не изолировано, а в ее связи с окружаюшнм миром. Представленный в пособии учебный материал предназначен для уче- ников с разным уровнем подготовки и разным личным интересом к изуче- нию физики и потому не может рассматриваться как обязательный лля всех учащихся.

Мне кажется, что задача учителя состоит вовсе не в том, чтобы заставить своих учеников выучить какое-то обязательное количе- ство определений и теорем и натренироваться в решении стандартных за- дач. По-моему, главное в обучении - это показать ученику наиболее цен- ные стороны предмета и научить ставить правильную последовательность вопросов и находить на некоторые из них ответы.

В определенном смысле работа учителя в школе должна быть подобна работе экскурсовода в собрании выдающихся сокровищ, созданных гением человека. Такой экскурсовод знакомит посетителей с шедеврами, созданными мастерами прошлого, воспитывает вкус, стимулирует интерес к предмету и не претендует на большее. При этом он поставит самую высокую оценку своей аудитории, если увидит в ней живой интерес к предмету, искреннее желание понять о чем идет речь и подумать. Это - минимальный уровень задач, связанных с обучением. С другой стороны, среди посетителей музея всегда оказываются несколько особенно предрасположенных к представленному там. Таким посетителям надо дать нечто большее, чем внешнее знакомство, - им надо позволить заглянугь в глубину. Из-за этого любой учебник должен быть выполнен на нескольких уровнях изложения материала.

Поэтому в предлагаемом пособии популярный рассказ почти всегда переходит в изложение тонких деталей н подробностей. Особенно зто относится к разделам о методах изучения сил, колебаниях и движению жидкости. Решение задач - необходимая компонента изучения физики. Трудно переоценить умение думать над задачей для становления физика. В свои студенческие годы мне довелось слышать от академика П.Л. Капицы, что задачу о распределении молекул по скоростям Дж. К. Максвелл получил в качестве вопроса на вступительном экзамене в университет.

Конечно, юноша не смог ответить на него. Да и его экзаменатор тоже не знал ответа. Но в университет Максвелл быв принят, окончил его и спустя немного лет после этого решил-таки задачу, полученную на вступительном экзамене. Сегодня это решение называется распределением Максвелла. В пособие включено 225 задач, большая часть которых заимствована нз известного задачника, составленного преподавателями нашей школы н изданного под редакцией профессора О.Я. Савченко.

Этого количества задач достаточно для решения в классе и для самостоятельной работы. Часть задач предлагается в качестве семестрового задания. В качестве дополнительных учебников рекомендуются: 1. А.П. Ершов, В.Г. Харитонов. Механика. Новосибирск. СУНЦ НГУ, 1998, ч. 1-2. 2. Дж. Орир. Популярная физика. М. Мир. 1968 3. Фейнмановские лекции по физике. Автор благодарен своим ученикам, а ныне коллегам по преподаванию за сотрудничество, совместные размышления н споры, за дружескую помощь при исправлении допущенных иногда ошибок. Август 1999 года Новосибирск гл ВРЕМЯ, ПРОСТРАНСТВО, ЯВИЖЕНИЕ 1.

ВРЕМЯ И РАССТОЯНИЕ ВРЕМЯ, ЕДИНИДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ. ЭТАЛОН Каждый может утверждать о временной последовательности событий, классифицируя их по отношению к некоторому определенному событию как предшествуюшие, одновременные или последующие. События между собой разделены интервалами, для количественного определения которых нужна единица измерения времени и измерительный прибор - часы. Единицей измерения времени выбирается длительность некоторого периодического процесса, повторяющегося без изменений неограниченно долго.

До недавнего времени единицей измерения времени считался 1 год, и точность всех приборов, созданных человеком для измерения времени, определялась сравнением с периодом обращения Земли вокруг Солнца. По мере возрастания точности измерений выяснилось, однако, что продолжительность одного оборота Земли вокруг Солнца не постоянна, а возрастает примерно на 10' секунды за год. Это заставило избрать в качестве эталона времени более регулярный процесс - атомные колебания. В настояшее время единица измерения времени 1 секунда определена как промежуток времени, в течение которого происхолит 9 192 631 770 колебаний электрона атома цезия в некотором вполне определенном сосгоянии.

Производными от секунды единицами времени являются: ° 1 минута = 60 с. ° 1 час = 60мин. ° 1 сутки = 24 часа =86 400 с. ° 1 год = 3.153610'с. л10'с. ° 1 миллисекунда (мс) = 10' с. ° 1микросекунда(мкс) = 10'с. ° 1 наносекунда (нс) = 10'с. ШКАЛА ВРЕМЕН Характерные длительности ряда процессов в природе: ° 10и с - возраст ближайшей к нам части Вселенной. ° 10" с - возраст Земли. ° 10и с - возникновение первого человека на Земле. 2 1О' с - продолжительность жизни человека ° 5 1О' с - свет проходит от Солнца до Земли.

° 1 с - пульс человека. ° 1О' с - период звуковых колебаний. ° 1О'с - периол колебаний в радиоволне. ° 10 и с - период врашения молекулы. ° 1О а с - период атомных колебаний, видимый свет. ° 1О" с - свет пересекает поперечник атом, рентгеновское излучение. ° 10 ' с - период ядерных колебаний, т - лучи.

е. я и Р ест яии ° 10 ' с - свет проходит через поперечник ядра. Двигаясь по ступенькам шкалы времен, мы попадаем последовательно в сферу разных явлений природы: космогонических, геологических, археологических, физиологических, акустических, радиоволновых, молекулярных, атомных и, наконец, ядерных Каждый шаг ко все более коротким или, наоборот, к длинным временам приводит к качественно новым явлениям природы. ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ В своей повседневной деятельности мы умеем измерять кое-какие интервалы времени.

Все умеют пользоваться часами с их тремя стрелками. Но обычными часами можно измерять времена не менее 1 секунды и не более нескольких лет 1срок службы одних часов). Тщательно изготовленные секундомеры позволяют измерять времена порядка 0.1 сек. Более короткие времена меряют с помощью осциллографа. Осциллограф - это прибор, на экране которого светящийся зайчик, получаемый попаданием пучка электронов на специальное вещество, движется с огромной скоростью, рисуя на экране некоторую стандартную кривую.

Обычно это прямая линия или спираль, сходящаяся к центру экрана. Если на пластины, управляющие движением пучка электронов, подать электрический импульс, одновременный с некоторым явлением, а затем другой импульс, одновременный с другим явлением, то на стандартной кривой появятся выбросы. Измерив длину развертки между этими выбросами, нетрудно по известной скорости развертки установить, какое время разделяет два рассматриваемых явления. При помощи осциллографов удается измерить интервалы времени до 10'"с.