|
Часть 1. Вселенная
ОТ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА
Около 15 лет назад в США среди педагогов средней и высшей школы сложилось убеждение в необходимости разработки и издания нового учебника и учебных пособий по физике для средней школы, в большей мере отражающих успехи развития современной физики, ее новые идеи и приложения.
При Массачусетском технологическом институте в инициативном порядке был сформирован «Комитет содействия изучению физики» (Physical Science Study Committee, сокращенно PSSC). Под руководством этого Комитета очень большая группа ведущих физиков-педагогов разработала и издала новый учебник, руководство к лабораторным работам, четыре книги методического руководства для преподавателей (соответственно четырем частям учебника) и некоторые другие учебные пособия.
Курс физики Комитета получил широкую известность и был переведен на все европейские языки. Редакционный Совет получил со времени выхода учебника очень большое количество критических откликов и предложений из многочисленных колледжей и университетов США и всего мира. На этой основе курс пересматривался и переиздавался. Учебный материал был отчасти перераспределен, некоторая его часть исключена, другая введена вновь. Все эти изменения не имели, однако, принципиального характера. В основе работы по переизданию учебника остались те же руководящие идеи и та же общая схема вспомогательных пособий к нему.
В последнее время в США учебник Комитета подвергается критике , некоторые говорят о его «неудаче». Одним из поводов к этому послужило то, что его появление привело к небольшому снижению числа школьников, изучающих физику (физика — не обязательный предмет в американских школах). Вряд ли, однако, введение учебника, более широкого по объему и глубокого по содержанию, могло привести к другому результату в социальных условиях США, где многие рассматривают физику как предмет трудный, ненужный и к тому же официально необязательный. В связи с этим научно-исследовательский центр Гарвардского университета недавно издал свой учебник по физике для средней школы. Эта книга написана в более традиционном плане с преувеличенной историографией физики, адресована молодежи, обладающей «высокими академическими способностями», и составлена на манер сборника независимых друг от друга рассказов, т. е. так, что любую главу можно читать независимо от других *).
Нам представляется, что критика учебника Комитета не убедительна. Об этом говорит и тот факт, что в настоящее время 50% американских школьников, изучающих физику, прямо или косвенно пользуются этим учебником. В таком фундаментальном пятитомном университетском курсе физики, как Берклеевский курс физики **), учебник Комитета рекомендован как начальная основа изучения физики. Богатый материал учебника и сопутствующих ему пособий используется во многих средних школах других государств. Таким образом, следует считать, что создание Комитетом содействия изучению физики при Массачусетском институте современного учебника по физике с группой пособий к нему — прогрессивное явление в американской средней школе.
*) Состоянию дела преподавания физики в средних школах США посвящена книга В. Г. Разумовского «Физика в средней школе США», «Педагогика», 1973.
**) См. русский перевод: Берклеевский курс физики, т. Механика, «Наука», 19711 стр. 19.
Этот учебник интересен во многих отношениях — по его замыслам, методике, подбору материала, манере изложения. Авторы излагают основы классической физики и одновременно стремятся дать возможно больше сведений об успехах современной физики. Они ничем не стесняют себя в выборе материала, черпая его как в самой физике, так и в смежных областях теоретического и прикладного знания.
Конечно, учебник не свободен от ряда недостатков и не пригоден для введения его в советской средней школе по его методологической основе, недостаточности используемого математического аппарата и многим другим признакам. Тем не менее по богатству материала, оригинальности многих замыслов и по мастерству изложения ряда вопросов книга заслуживает большого внимания со стороны наших педагогов и учащихся. Именно эти соображения послужили основанием для перевода на русский язык первого издания учебника*). Тираж этого издания (57 000) разошелся в исключительно короткий срок и, насколько мне известно, вызвал интерес у многих работников нашей средней и высшей школы и даже за пределами этой сферы. Поэтому был сделан перевод на русский язык второго американского издания учебника и руководства к лабораторным работам во всеми внесенными в них изменениями, а также были переведены не переводившиеся ранее четыре книги методического руководства для преподавателей.
*) Физика, перевод с англ., под ред. А. С. Ахматова, «Наука», 1965.
Объем перевода сильно возрос и было решено издать курс в четырех книгах (частях):
I часть (общая) — Вселенная (гл. 1 — 10),
II часть — Оптика и волны (гл. 11 — 18),
III часть — Механика (гл. 19 — 25),
IV часть — Электричество и строение атома (гл. 26 — 34).
Новые материалы, введенные в учебник, преимущественно сосредоточены в IV части, особенно нуждавшейся в корректировке и дополнениях. Эти материалы по их содержанию кратко охарактеризованы ниже **).
**) См. «Из предисловия ко второму американскому изданию на стр. 11.
Что касается методического руководства для преподавателей, то они составлены педагогами на основе использования учебника на практике в школах, находятся в точном соответствии с материалом учебника и содержат детальные методические рекомендации учителям. Они содержат рассмотрение всех трудных для восприятия «скользких» мест курса, различных вариантов подхода к их объяснениям, разбор решений предлагаемых в учебнике задач и многие другие методические замечания на основе личного опыта авторов руководства.
Первая часть курса, находящаяся перед читателем, — «Вселенная» — представляет собой обширное введение в физику. Главное его содержание сводится к изложению основ кинематики с элементами векторного анализа (гл. 5 и 6) и основ атомно-молекулярной теории строения материи с элементами кинетической теории газов (гл. 7 — 9).
После определения физики как науки и ее связи с другими естественными науками и техникой (гл. 1) рассматриваются фундаментальные понятия и методы измерений времени, пространства (гл. 2 и 3) и материи (гл. 7). В гл. 4 даются начальные представления о математических соотношениях, функциональных зависимостях и значении масштабного фактора в физике. В последней 10-й главе и отчасти в 3-й с общей принципиальной и практической точек зрения рассматриваются основные вопросы измерений. Здесь даны первые представления о возможных ошибках при измерениях, в частности о взаимодействии средства измерения с измеряемым объектом, о приближенных вычислениях, о регистрации измерений и некоторых современных средствах измерений.
Перевод первой части курса сделан М. М. Кусаковым.
А. С. Ахматов
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ КО ВТОРОМУ АМЕРИКАНСКОМУ ИЗДАНИЮ
Подготовка второго издания «Физики» Комитета содействия изучению физики была осуществлена на основании опыта, накопленного в течение пяти лет после выхода в свет первого издания*). За это время 6000 преподавателей использовали этот курс для обучения 640 000 учащихся. Мы очень обязаны многим из этих преподавателей и некоторым их ученикам, информировавшим нас о своих успехах и неудачах по каналам «обратной связи», поддерживаемым для этой цели. Мы признательны также многочисленным коллегам из колледжей и университетов всего мира за ту помощь, которую они оказали нам своей детальной критикой отдельных глав и разделов. За этот период специальная комиссия Комитета содействия изучению физики провела большую работу по пересмотру имеющихся материалов, а также по разработке и подготовке новых материалов для их опытной проверки в школах. Этот опытный материал был, в частности, использован при подготовке второго издания.
*) См. «Предисловие к американскому изданию», Физика, перевод с англ., под ред. А. С. Ахматова, «Наука», 1965. {Прим. ред.)
Наибольшей переработке подверглась гл. 31 (Электромагнитная индукция и электромагнитные волны) для того, чтобы белее строго были изложены некоторые теоретические положения. Эти изменения повлекли за собой некоторые перестановки и добавления в гл. 30 (Магнитное поле).
Изменения в расположении материала в гл. 5 и 6, посвященных кинематике и учению о векторах, также были сделаны с целью более ясного изложения этого материала.
Было произведено некоторое сокращение текста, где это могло быть сделано без ущерба для логичности и последовательности изложения курса. Гл. 7 и 8 были перестроены с целью придать им более простую форму, а разделы, посвященные молекулам и химическим структурам, были изложены заново. Разделы, в которых шла речь об оптических приборах, исключены из учебника. Гл. 29 пер-вого издания была разделена на две: гл. 28 (Энергия и движение зарядов в электрических полях) и гл. 29 (Электрические цепи) для того, чтобы подчеркнуть важность излагаемого материала о цепях. Несколько других разделов курса были перестроены или переработаны с целью более ясного изложения тех мест учебника, на которые указывали полученные нами критические замечания.
Задачи были основательно переработаны и улучшены как в смысле содержания, так и в отношении более полного охвата всего материала. Был включен совершенно новый тип задач на «обратную связь» с преподавателями. Эти задачи, отмеченные звездочкой и указанием номера раздела, требуют лишь краткого ответа, который должен показать учащемуся, понял он или не понял основные положения этого раздела. Ответы к ним приведены в конце каждой главы методического руководства. Для того чтобы решить эти задачи, нужно не просто «нажать кнопку и получить ответ». Для этого требуется тщательно проштудировать какую-то вполне определенную, но ограниченную часть материала, изложенного в учебнике. Преподаватели, имевшие опыт в работе с такими задачами, единодушно и весьма положительно отзывались об их высоком уровне и большой пользе.
При переработке учебника было улучшено качество и выразительность как фотографий, так и чертежей.
Продолжая хорошую традицию нашего курса, мы усилили взаимосвязь между текстом и лабораторными работами и добавили несколько важных новых опытов, выполняемых в лабораториях. Для того чтобы не перегружать учебную лабораторию вновь добавленными работами, часть опытов из тех, которые были описаны в первом издании, либо совсем исключены, либо рекомендованы для демонстрации в аудитории.
При переработке мы исходили из желания сохранить дух и содержание первоначального курса, изменяя его главным образом с целью сделать изложение более новым и обоснованным.
ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКИ ПО КУРСУ КОМИТЕТА
За последние пятьдесят лет темпы развития физики и смежных с ней наук непрерывно возрастают. Несмотря на такой прогресс» очень мало внимания уделялось пересмотру методов преподавания начального курса, содержащего изложение основных понятий в свете современных представлений. Этого можно было бы достигнуть, в особенности для учащихся, не собирающихся в дальнейшем специализироваться в области физики, простой модернизацией структуры существующих курсов и разрозненным собранием новых идей» дающих представление о природе и роли физики в современном окружающем нас мире.
Авторы курса Комитета пытаются решить эту задачу на уровне вводного курса, воспроизводя схематическую структуру современной физики и показывая, каким образом физические знания, почерпнутые из опыта, превращаются в физическую теорию и, в свою очередь, как теория направляет и освещает эксперимент. Курс представлен не как статическое собрание физических идей, а в виде обобщенной картины современной физики — моделирующей интеллектуальную деятельность человека со всеми ее ошибками и целеустремленностью.
Курс Комитета построен таким образом, чтобы его содержание не просто «покрывало» всю физику, а соответствовало бы переработанной структуре всей области физической науки. Объем материала в курсе Комитета не столь велик, как в некоторых других курсах, но зато тот материал, который включен в курс, разработан более полно. Характер изложения курса таков, что основная идея всегда повторяется, но при этом каждый раз захватывается и новый материал и все изложенное синтезируется на более высоком уровне. При таком способе изложения учащийся приходит к теории, обобщая выводы из наблюденных явлений и приходя к важным формулировкам на основании знакомства с какими-то иллюстрациями или примерами. Многочисленные анализы опытов, описанных в тексте, а также тщательно продуманная лабораторная работа выявляют значение физических законов и теорий, а также способствуют пониманию их формулировок.
*) Печатается с сокращением. (Прим. ред.)
Такой подход к курсу физики средней школы был реализован авторами, убежденными в его пригодности как для учащихся, которые намерены продолжать изучение физики и других предметов, так и для тех учащихся, которые в дальнейшем не будут соприкасаться с физикой. Те преподаватели, которые уже работали с курсом Комитета, совершенно убеждены в том, что именно такой подход к преподаванию физики в средней школе является наиболее эффективным. Курс изложен просто, что соответствует требованиям, предъявляемым к образованию в наше время.
Введение нового курса. Среди многих деталей, о которых следует думать, начиная работу с новым курсом, иногда можно забыть о важности помощи учащимся со стороны родителей и преподавателей по другим предметам, а также о самих учащихся, которые должны представлять себе характер предстоящей им работы.
Многие преподаватели считали целесообразным в начале занятий приглашать родителей учащихся на внешкольное собрание для обсуждения цели и характера нового курса. Помимо обсуждения общих вопросов, на таких собраниях демонстрировались тщательно отобранные опыты или шел разговор о роли лабораторных работ.
Приступая к занятиям с учащимися, преподаватель, вероятно, не имеет другой возможности, кроме как «засучить рукава» и набраться терпения. Длинный разговор о том, что ожидает учащихся и каков характер курса, пройдет «как с гуся вода».
Разумеется, для некоторых учащихся курс и материалы, использованные в нем, будут казаться совершенно не такшми, какими они ожидали их увидеть. Те учащиеся, которые были приучены к «возвышенному» отношению к науке, могут быть даже несколько шокированы. Ясное понимание преподавателем той или иной реакции со стороны учащихся и его умение тут же найти выход из положения имеют важное значение. Возможно, что работа с некоторыми учениками окажется трудной и преподавателю придется затрачивать усилия не столько на накопление учащимися знаний каких-то фактов, сколько на развитие навыков самостоятельной работы. В этом поможет работа учащихся в лаборатории.
Работа с текстом Учебника. Когда учащийся читает или учит текст и следит больше за развитием мысли, чем за окончательными выводами, текст Учебника является очень эффективным средством обучения. Для хорошего ученика переход от конкретных фактов к абстрактной идее во многих случаях может быть осуществлен без дополнительных разъяснений преподавателя. Следует бороться против того, чтобы учащиеся бегло проглядывали текст или перепрыгивали с одного места на другое, рассчитывая на то, что преподаватель повторит в классе весь материал. Когда ваши ученики приходят в класс, уже изучив текст по наиболее существенным вопросам, и им остается разобраться лишь в каких-то деталях, преподаватель должен быть готов к беседе с учащимися. При этом он попадает в положение, при котором он должен тратить большее время на достижение понимания учащимися этих деталей, чем на достижение систематического усвоения и понимания учащимися самого предмета.
Использование домашних, классных и лабораторных заданий. Если ваши ученики будут использовать текст ДКЛ Учебника указанным выше способом, то вы сможете довольно значительную долю классного времени отвести на анализ задач. Это поможет вам выяснить недоразумения, подытожить соответствующие идеи и более широко показать их применимость.
Вообще говоря, разделы ДКЛ Учебника, посвященные домашним, классным и лабораторным заданиям, содержат задач гораздо больше, чем может использовать преподаватель в классе. Для "того чтобы помочь в выборе задач, во многих случаях в Руководстве указывается, какие именно задачи является наиболее поучительными.
Особое внимание было обращено на тот порядок, в котором распо-ложенызадачи в разделах ДКЛ. Как правило, порядок расположения задач соответствует логическому развитию мысли в данной главе, но иногда легкие задачи помещены раньше их «логического» места с тем, чтобы содержание этих задач помогло приблизиться к каким-то новым идеям. Иногда случается и так, что задачи, относящиеся к каким-то разделам курса, которые уже пройдены, помещены б самом конце раздела ДКЛ. Одна из причин, побудивших к такому расположению задач, состоит в том, что зачастую задачи носят комплексный характер и поэтому хотя бы даже слабое знакомство с новыми идеями может оказаться очень полезным. Иногда это объясняется тем, что сама задача очень удобна для того, чтобы как-то обобщить материал всей главы. Задачи, отмеченные звездочкой, связаны с тем разделом, который указан в конце условия задачи, а ответы к ним следует искать в самом тексте Учебника.
Каждая задача предназначена для того, чтобы помочь изучению материала данного раздела, и должна закрепить знания, приобретенные учащимися перед тем, как двигаться дальше и переходить к новому материалу.
При решении задач очень часто возникают два вопроса: оценка достоверных цифр и размерности при решении задач.
Достоверные цифры обсуждаются в гл. 3 части I. Авторы текста Учебника и Руководства отдают себе отчет в том, что даже особый акцент на этом материале при классных занятиях еще не гарантирует его усвоение учащимися. Основная цель при изложении этого материала должна состоять в том, чтобы показать учащимся, что, например, если тело обладает массой 7,5 г и объемом 3,3 см3, то, разумеется, значение его плотности будет 2,3 г/см3. Не имеет никакого смысла продолжать деление дальше и считать, что. плотность равна 2,2727 г/см3. Если эта идея будет усвоена учащимися, то это все, что требуется. Естественно, что в таком, по существу, вводном курсе теория ошибок не может излагаться. От учащихся не нужно требовать совершенно точных чисел, так же как и не следует
давать готовых рецептов по определению достоверных цифр. Преподаватель должен стремиться к тому, чтобы учащиеся умели отличать главное от второстепенного. Используйте материалы по достоверным цифрам только для той цели, для которой он предназначен, т. е. для помощи учащимся в определении разумного числа цифр при том или ином арифметическом вычислении.
В решениях задач, приведенных в разделах ДКЛ Руководства, авторы стремились последовательно придерживаться практики достоверных цифр. Если в условии задачи содержится какое-то утверждение, например, что масса тела равна 3 г, то предполагается, что это точное число, а не число, полученное в результате измерения, точность которого ограничивается одной достоверной цифрой.
В процессе работы над задачами может возникать много вопросов, связанных с анализом размерностей.
Допустим, например, что мы хотим узнать число атомов в 1 см3 вещества. При этом приводятся следующие данные: (...)
Последний способ, конечно, более строгий. Кроме того, если учащийся не будет обращать внимания на размерности, он очень легко забудет, что в числителе и в знаменателе должны стоять именованные числа. Проверка размерностей очень важна и часто может быть полезной на начальной стадии изучения новых соотношений. Следует стремиться к тому, чтобы каждый учащийся хорошо усвоил размерности и в случае, когда это необходимо, мог бы воспользоваться этим методом. Однако авторы ясно ощущают, что указать учащемуся на возможные неприятные последствия сокращенного способа записи нужно именно в тот момент, когда такой способ записи может привести к ошибочному результату. Если, например, решая ту же задачу, ученик напишет (...)
то как раз именно в это время нужно указать ему на его ошибку и исправить ее. Следует, однако, иметь в виду, что неизменная настойчивость в том, чтобы учащиеся подробно выписывали все размерности даже тогда, когда они ясно представляют себе, что они делают, может привести к понижению интереса, часто возникающего при использовании новых приемов решения количественных задач.
Работа в лаборатории. Лаборатория является очень важным и ценным компонентом курса Комитета. Работа учащихся в лаборатории служит одним из основных факторов, определяющих успех изучения курса. По некоторым разделам курса лаборатория должна играть основную роль. О роли лаборатории в курсе Комитета и общие указания о выполнении лабораторных работ см. в разделе «Лабораторные работы» (ЛР) Руководства.
План курса. Ввиду того, что и текст Учебника, и лабораторные работы побуждают к возникновению вопросов, а также ввиду того, что главная мысль курса выражена в фундаментальных идеях, объединяющих вместе широкую область физических явлений в одну обобщенную картину, — в курсе встречается много соблазнов как для учащихся, так и для преподавателей выйти и по глубине, и по широте за пределы излагаемого материала.
Если преподаватель разделяет желание авторов выразить широту и величие физических идей, то ему захочется спланировать курс таким образом, чтобы получить возможность потратить достаточное время на последние главы части IV, и показать, как эти идеи проникают в область, изучающую строение атома. Несмотря на соблазнительность «свободного» изучения курса, постоянное расширение излагаемого материала будет приводить к неизбежным жертвам в конце курса. Преподаватель должен найти пути сохранения характера и смысла задаваемых вопросов и не должен реагировать на каждую просьбу отклониться в сторону. Одна из целей Руководства и заключается в том, чтобы как можно более ясно разобрать эти вопросы преимущественно в интересах молодых преподавателей.
При планировании и преподавании курса Комитета большая часть исправлений, которые могут быть сделаны при составлении специального плана, должна осуществляться за счет изменения глубины проработки. Это объясняется тем, что материал курса был отобран и подобран таким образом, чтобы в результате у учащихся оставалось полное представление обо всей картине в целом. Если бы материал курса состоял из нескольких слабо связанных между собой частей, распределенных по неделям, то было бы легко отобрать нужное число недель и получить соответствующий частный план. Однако дело обстоит не так. Весь текст предыдущего материала курса тщательно «пронизан» новыми идеями. Такая непрерывность составляет одну из важнейших педагогических особенностей построения курса; это означает, однако, что понимание последующих частей должно неизбежно носить лишь поверхностный характер, если предшествующие разделы усвоены недостаточно глубоко. Таким образом, для преподавателя, которому нужно перестроить курс и изложить его в более короткий срок, время может быть сэкономлено (с одним или двумя исключениями) только за счет глубины проработки некоторых тем.
Для того чтобы помочь преподавателю, авторы Руководства берут на себя смелость рекомендовать очень подробный план. Указания по плану сделаны в надежде на то, что они будут полезны в
качестве общих руководящих соображений. Чтобы воспользоваться этим планом, нужно исходить из определенных предположений о времени, которое может быть отведено на классные занятия. Это время можно варьировать примерно в следующих пределах: от 5 часов в неделю в течение 36-недельного (годичного) курса до 7 часов в неделю на протяжении 54-недельного (полуторагодичного) курса. Ниже в таблице приведены эти два основных варианта плана*): (...)
Преподаватели, работающие первый год, в особенности будут стремиться настолько близко следовать рекомендуемому плану, насколько это будет соответствовать их собственному и учащихся чувству удовлетворения быстротой усвоения и глубиной понимания. Многие же преподаватели, уже работавшие с этим курсом, ясно осознали, что эти факторы меняются в широких пределах от класса к классу и с успехом могут регулироваться самим преподавателем.
*) В СССР школьники изучают физику в течение 5 лет (с 6-го по 10-й класс), что в общей сложности занимает 560 учебных часов (70+70+105+140+ + 175). (Прим. ред.)
ГЛАВА 1. ЧТО ТАКОЕ ФИЗИКА?
Когда в темноте вспыхивает ослепительная молния и в репродукторе радиоприемника раздается треск, ваши глаза несколько мгновений ничего не видят. Несколько секунд спустя вы слышите раскаты грома и дребезжание оконных стекол. При этом в штормовом локационном центре радиолокатор точно фиксирует вспышку молнии; метеоролог же, услышавший отдаленные раскаты грома, спохватывается, что он запоздал с предсказанием начала грозы.
Здесь мы имеем цепь различных событий, происходящих в разных местах и в разное время. Все они, однако, связаны между собой. Каким именно образом связаны между собой эти события? Что видят наши глаза, что слышат наши уши, что передается по радио и что же в действительности происходит в самой атмосфере?
Рассмотрим теперь другую цепь событий. В контрольной лаборатории сталелитейного завода мы можем увидеть, как растягивают тонкий стержень из нового сплава, захватив его концы зажимами испытательной машины размером с дом, которая приводится в движение быстро вращающимся электромотором размером не более футбольного мяча. Твердый брусок медленно растягивается на подобие тянучки, а затем разрывается с резким звуком. Как все это происходит? Почему стержень разорвался не сразу? Почему он в конце концов все-таки разорвался? И почему, кстати, сталь прочнее, чем стекло? Почему сталь тяжелее алюминия? Почему сталь ржавеет?
Когда-то панически боялись «болезни Солнца», т. е. момента затмения, когда Солнце исчезало и Земля погружалась во тьму. Потом люди узнали, как движется Луна, и научились предсказывать затмение лучше, чем погоду на завтра. Луна обращалась вокруг нашей планеты задолго до того, как на Земле появились первые динозавры. Человек создал спутник, который в течение долгого времени может обращаться вокруг земного шара без пропеллера, без реактивного двигателя или крыльев, наподобие крошечной искусственной луны. Как движется такой спутник? Каким образом можно его создать?
Физика дает возможность ответить на все эти вопросы. Она позволяет предсказывать и строить новое, понимать и проникать в неизвестное. Из того, что мы узнаем в физике, формируются новые представления, воспроизводятся новые явления. И когда физика дает новые ответы, всегда возникают и новые вопросы. Многие из этих вопросов никогда бы не возникли, если бы их не поставила сама физика.
До Галилея не существовало астрономических телескопов. После того как Галилей соединил вместе две линзы, создав таким образом телескоп, и открыл четыре спутника, обращающихся вокруг Юпитера, было спроектировано и создано много более совершенных телескопов. С их помощью были открыты новые небесные тела — многочисленные маленькие планеты, называемые астероидами, движущиеся между орбитами Юпитера и Марса. В связи с этим возникли новые вопросы. Как можно объяснить сложные движения таких спутников и астероидов? Ответы на подобные вопросы дает специальная математическая отрасль физики, называемая механикой. В начале восемнадцатого века эта наука достигла больших успехов в изучении движения тел, находящихся под действием многих сил. Новые достижения в области механики привели к успехам в проектировании механизмов. Таким образом, мы видим, что без телескопа и механика развивалась бы значительно медленней.
Сравнительно недавно, около 50 лет назад, успехи, достигнутые в изучении атома, позволили создать более совершенные воздушные насосы. С этими новыми насосами легко достигается хороший вакуум, а при помощи хорошего вакуума стало возможным экспериментальное изучение природы электронов и атомов, которое раньше было неосуществимым. Возможность достижения высокого вакуума и изучение его свойств привели к разнообразным практическим достижениям, таким, как создание радиоламп и телевизионных трубок, приготовление сгущенного апельсинового сока и получение атомной энергии. Исследования в области атомной физики внесли ясность в основы химии и позволили понять, почему в одних случаях два атома удерживаются вместе, а в других разлетаются врозь.
Так разрастается физика, напоминающая грандиозное здание в процессе его постройки, а не завершенное сооружение, которое нам остается только осмотреть с экскурсоводом. Несмотря на то, что некоторые части этого сооружения уже полностью закончены и отделаны и вы ими восхищаетесь и даже пользуетесь, другие готовы еще только наполовину. А есть и такие, которые лишь едва намечены. Новые части этого сооружения будут начаты и закончены людьми вашего поколения, возможно, даже вами самими или вашими сверстниками. Иногда какая-то, уже законченная часть этого сооружения оказывается ненадежной или недостаточно просторной для новых открытий, тогда ее оставляют или даже перестраивают заново. Мы все же можем считать, что основные части нашего сооружения размещены правильно и покоятся на достаточно солидном фундаменте. Они остаются неизменными, хотя над ними кое-что изменяется и перестраивается. Цель настоящего курса и состоит в том, чтобы показать вам план нашего сооружения, рассказать о том, что уже создано его строителями, ознакомить с некоторыми частями, которые в настоящее время еще только строятся, и, наконец, упомянуть о ряде еще незавершенных замыслов зодчих.
KOHEЦ ФPAГMEHTA
Часть 2. Оптика и волны
ОТ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА
Во второй части курса физики Комитета содействия изучению физики*) «Оптика и волныъ излагаются основы геометрической и волновой оптики.
Изложение геометрической оптики ведется в традиционном порядке.
*) См. «От редактора русского перевода», Физика, ч. 1. Вселенная, перевод с англ., под ред. А. С. Ахматова, «Наука», 1973, стр. 5.
После краткого общего введения (источники света, прозрачные и окрашенные тела, восприятие и регистрация света, прямолинейность распространения и скорость света) в гл. 12 рассматриваются явления и закономерности отражения света, куда входит и построение изображений в зеркалах. Гл. 13 посвящена преломлению света, линзам и оптическим приборам; здесь же рассматривается преломление в призме и даются начальные представления о дисперсии света.
В дальнейшем световые явления рассматриваются с точки зрения двух моделей света — корпускулярной и волновой. Не трудно понять замысел авторов — подготовить учащихся к пониманию двойственной корпускулярно-волновой природы света.
Перед тем как изложить основы волновой оптики, авторы ввели гл. 14 (Корпускулярная модель света). Здесь с помощью остроумных экспериментов со стальными шариками показывается применимость этой модели к объяснению отражения и преломления света и одновременно ее ограниченность (дифракция).
Волновая оптика открывается введением в учение о волнах как особой форме движения (гл. 15). Здесь рассматривается распространение упругих волн вдоль спиральных пружин (по одной оси). В дальнейшем (гл. 16) закономерности отражения, преломления, дисперсии и дифракции рассматриваются и демонстрируются на примере волн в двухмерном пространстве (на поверхности воды) и, наконец, в объеме (гл. 17 и 18).
Главы 17 и 18 посвящены основам учения об интерференции и дифракции света. Заканчивается изложение волновой оптики рассмотрением разрешающей способности и интерференции в тонких пленках.
Перевод второй части курса сделан Д. М. Толстым, за исключением глав 15 — 18 Методического руководства, перевод которых выполнен А. Н. Гордеевым.
А. С. Ахматов
ГЛАВА 11. КАК ВЕДЕТ СЕБЯ СВЕТ
Большая часть сведений об окружающем мире поступает к нам через посредство зрения. Уже на заре истории люди интересовались природой света, воздействующего на глаза. Они, вероятно, задавали себе те же вопросы, которые приходят в голову и вам. Что такое свет? Как и насколько быстро он распространяется? Всегда ли можно доверять тому, что мы видим? Почему одни предметы — цветные, а другие — белые или черные?
11.1. Источники света
Всякий, кому приходилось проводить безлунную ночь в сельской местности, в лесу или на море, знает, какая бывает темнота, когда Солнце находится по другую сторону земного шара. С наступлением рассвета постепенно вырисовываются предметы, которые были невидимы несколько минут назад. Затем все резче начинают различаться детали предметов, появляются и проясняются цвета и в конце концов разливается дневной свет. Именно Солнце, поднявшееся над горизонтом на востоке, посылает свет, придающий видимую форму и цвет предметам на поверхности нашей планеты.
Свет излучают Солнце, звезды, лампы и даже светлячки. Такие тела называются светящимися. Остальные предметы — деревья, трава, страницы этой книги, например, — сами по себе не являются светящимися. Они видимы только потому, что получают свет от какого-нибудь светящегося тела и отражают этот свет в наши глаза.
Является ли тело светящимся или нет, зависит от материала и состояния тела. Изменяя условия, мы можем делать многие из хорошо известных нам тел светящимися или несветящимися. Тонкая проволочная нить в электрической лампочке не светится, пока она не нагреется пропущенным через нее электрическим током. Можно взять холодный кусок железа и заставить его светиться красным, желтым или белым светом, нагрев его на горящих углях или на газовой горелке. Когда твердые тела или такие жидкости, как расплавленные металлы, нагреваются до 800 °С и выше, они становятся источниками света. Такие источники являются калильными.
Как установлено тщательными наблюдениями, свет пламени свечи исходит от огромного количества мельчайших раскаленных частиц угля, горящих в пламени. Будучи нагреты до достаточно высокой температуры, они и испускают свет свечи. Таким образом, пламя свечи также является калильным источником света. Следует отметить, что многие из частиц угля не полностью сгорают в обычном пламени. Когда нагретый воздух выносит их в пространство над пламенем, они остывают, перестают светиться и образуют основную часть поднимающегося дыма.
Не все источники света являются калильными. Неоновые и люминесцентные лампы испускают яркий свет, пока через них пропускается электрический ток. Однако простое прикосновение к ним сразу убеждает нас в том, что их излучение имеет другое происхождение. Неоновые и люминесцентные лампы остаются совершенно холодными, тогда как лампочки накаливания быстро нагреваются после их включения. Существует и другое различие. Постепенно повышая силу тока в нити лампочки накаливания, можно увеличивать ее яркость, причем изменяется также и цвет каления: от темнокрасного до ярко-желтого и при достаточной силе тока — до белого. При увеличении же силы тока в неоновой лампе яркость ее свечения усиливается, но цвет не изменяется. Таким образом, мы установили основное различие между калильными и другими источниками света. В первых изменения температуры, яркости и цвета тесно связаны между собой, тогда как в других цвет свечения зависит главным образом от материала светящегося тела и не зависит от яркости свечения.
Значительная часть света, поступающего в наши глаза, исходит от несветящихся поверхностей. Чтобы убедиться в этом, достаточно представить себе, как выглядела бы обычная комната после окраски ее стен идеально черной краской, совершенно не отражающей падающий на нее свет. На всех предметах в комнате были бы видны только участки, обращенные к окнам. Теневые стороны предметов были бы невидимыми. Если бы земной шар не был окружен атмосферой, отражающей или рассеивающей солнечный свет, то можно было бы видеть одновременно Солнце и звезды на совершенно черном небе. Белый потолок и светлые стены отражают и рассеивают значительную часть падающего на них света и благодаря этому увеличивают освещенность комнаты. Принцип действия осветительной «арматуры отраженного света» заключается в том, что скрытые от прямого зрения лампы освещают только потолок и часть стен, и уже эти поверхности освещают всю комнату отраженным или рассеянным светом. Переходя к более крупным масштабам, можно сказать, что и Луна, о которой мы часто думаем как о ночном светиле, в действительности является лишь своеобразным отражателем солнечного света. Учитывая это, постарайтесь объяснить фазы Луны, т. е. изменение ее вида в течение лунного месяца. Попробуйте также объяснить, почему полная Луна восходит приблизительно во время заката Солнца, а молодой месяц встает на рассвете.
11.2. Прозрачные, окрашенные и непрозрачные материалы
Когда вы смотрите сквозь чистое оконное стекло на ярко освещенный пейзаж, вы вряд ли помните о присутствии стекла. Вещества, подобным образом пропускающие свет, называются прозран-
ными. Попробуйте, однако, взглянуть на тот же пейзаж через то же самое стекло в сумерки, когда свет в комнате уже зажжен. Кроме наружного пейзажа вы теперь увидите изображение самого себя и комнаты. Свет, дающий это изображение, падает на стекло из комнаты, но, вместо того чтобы полностью проходить через стекло наружу, он частично возвращается к вам. Это — отраженный свет.
Влияет ли толщина прозрачного тела на количество пропускаемого света? Один лист чистого оконного стекла почти полностью пропускает свет, но при прохождении сквозь стопу из 10 — 20 таких листов, сложенных вместе, свет частично поглощается. Пропущенный свет заметно ослабляется и приобретает некоторую окраску. Очевидно, зрение позволяет нам замечать присутствие прозрачных тел, подобных стеклу, пластикам или воде, отчасти благодаря тому, что они не только пропускают, но и отражают свет, и отчасти вследствие поглощения ими некоторого количества света.
Подобного рода вещества влияют на свет еще в одном существенном отношении. При входе в такое вещество или при выходе из него свет изменяет направление своего распространения. На рис. 11.1 показана масштабная линейка, один конец которой погружен в чистую воду. Кажущийся излом линейки в месте пересечения поверхности воды может объясняться только тем, что здесь что-то происходит со светом, идущим от линейки в фотоаппарат. Другой иллюстрацией этого обстоятельства может служить рис. 11.2, а. Справа сфотографирована монета, лежащая на дне пустого сосуда. Слева мы видим фотоснимок совершенно такой же монеты, лежащей на дне сосуда, наполненного водой. Обе монеты были сфотографированы одновременно на одной пластинке в фотоаппарате, показанном на рис. 11.2, б. Монета, покрытая водой выглядит более крупной и более близкой к фотоаппарату, чем другая монета. Это кажущееся «всплывание» монеты, так же как и иллюзия «перелома» линейки, объясняется изменением направления распространения света при переходе его из одной среды, например из стекла или воды, в другую, например в воздух. Такой излом пути распространения света называется преломлением света. Подробное изучение преломления света весьма важно для выяснения природы света. Мы неоднократно будем еще возвращаться к этому явлению.
До сих пор речь шла только о бесцветных, почти идеально прозрачных телах. Мы знаем, однако, что существует много прозрачных окрашенных материалов. Сквозь них можно рассматривать предметы, но эти предметы приобретают не свойственную им окраску. Ясно, что цветные прозрачные материалы оказывают какое-то влияние на проходящий через них свет. Добавляют ли они что-либо к свету или отнимают что-нибудь от него? На первый взгляд этот вопрос может показаться очень сложным, однако несколько простых опытов позволяют на него ответить.
Прежде всего взгляните через пластинку красного стекла на лист белой бумаги, освещенный солнечным или электрическим светом. Бумага покажется красной. От бумаги шел белый свет, но красное стекло сделало с ним что-то, в результате чего он стал красным. Поместим теперь между, красным стеклом и глазом вторую пластинку красного стекла. Если красное стекло добавляет что-то к свету, то теперь лист бумаги должен казаться окрашенным в более яркий красный цвет, чем при одной пластинке. Если же красное стекло отнимает что-то, то следует ожидать, что первое стекло уже отняло значительную часть этого что-то. Тогда второе стекло не должно оказать сильного влияния. Именно последнее и наблюдается, когда мы воспроизводим этот опыт.
То небольшое изменение красного цвета, которое все же наблюдается под действием второго стекла, можно приписать неспособности первого стекла отнять все некрасные части от белого света. Кое-что остается и на долю второго стекла. Поэтому красный цвет, видимый через оба стекла, кажется несколько более густым. Этот опыт можно повторить и с зелеными стеклами. Как и следовало ожидать, вторая зеленая пластинка оказывает лишь слабое влияние; самое большее, что можно заметить, это — некоторое потемнение кажущегося зеленого цвета бумаги. Посмотрим теперь, что получится, если рассматривать бумагу сразу через два стекла: красное и зеленое. После того как зеленое стекло отнимет все, кроме зеленого света, а красное — все, кроме красного, естественно ожидать, что прошедший свет не будет ни красным, ни зеленым. На данном этапе нашего исследования мы еще недостаточно знакомы с процессом отнятия составных частей света, чтобы предсказать, какой именно цвет мы теперь увидим. Мы можем только утверждать, что через эти две пластинки пройдет гораздо меньше света, чем через каждую в отдельности. Осуществив этот опыт, мы в самом деле убеждаемся, что освещенность бумаги разительно уменьшается, а оставшийся слабый свет не является ни красным, ни зеленым; он имеет мутножелтоватый или янтарный оттенок. Этот результат убеждает нас в правильности предположения об отнятии, а не добавлении составных частей света при прохождении через окрашенную среду.
Что же именно отнимается от белого света при его окрашивании? Ответ на этот вопрос мы отложим, так как он требует значительного расширения наших сведений о свете. Пока мы должны удовлетвориться признанием того, что белый свет есть нечто более сложное, чем свет любого определенного цвета. Вообще многие вопросы, касающиеся цвета, мы не будем подробно рассматривать в этом курсе. Любой художник знает, что видимый цвет зависит от многих факторов: от природы освещенного объекта, от природы света, освещающего объект, от состояния глаз в момент наблюдения и от того, каковы цвета и степень освещения окружающих видимых предметов.
Красное и зеленое стекла, сложенные вместе, отнимают почти все от проходящего белого света. Большая часть распространенных материалов действует в этом отношении еще сильнее, отражая или поглощая почти все, что содержится в белом свете, и, таким образом, почти не пропуская его. Мы ничего не видим даже сквозь тончайшие слои металлов, дерева, картона или плотного сукна. Такие материалы называются непрозрачными. Часть падающего света непрозрачные материалы отражают, а остальную поглощают, так что свет сквозь них не проходит.
11.3. Отражение
Все тела, как прозрачные, так и непрозрачные, отражают часть падающего на них света, т. е. посылают часть света назад, в ту же сторону от поверхности, откуда свет падал. Большинство поверхностей дает диффузное отражение. Каждый участок их поверхности рассеивает свет в самых разнообразных направлениях. Именно через посредство этого диффузно отраженного или рассеянного света можно видеть освещенные тела, наблюдать детали и цвет их поверхностей и различать их среди окружающих предметов.
Поверхности некоторых тел, таких, как хорошо отполированные серебряные, алюминиевые или стальные предметы, мало что поглощают от падающего белого света, а отражают свет более упорядоченно, чем шероховатые поверхности. Обычное зеркало состоит из плоского стекла, на заднюю поверхность которого нанесен тончайший слой серебра. На рис. 11.3 показано, как свет от одного и того же источника освещает зеркало и лист белой бумаги. Бумага кажется хорошо освещенной и резко выделяется своей белой поверхностью на темном фоне. Зеркало же выглядит совсем темным. На обе эти поверхности падает одинаковое количество света, причем мы знаем, что зеркало отлично отражает свет, как это и видно по отражению белой свечи. Почему же тогда бумага выглядит на снимке более светлой, чем зеркало? Все дело в том, что зеркало посылает весь падающий на него свет мимо объектива фотоаппарата, тогда как бумага рассеивает свет по всем направлениям, так что часть отраженного света попадает в фотоаппарат.
Именно упорядоченность отражения от гладких поверхностей позволяет видеть изображения предметов. На рис. 11.4 показана водная гладь, в которой отражаются лодки и пирсы. Не перевернут ли снимок? Переверните книгу и вновь осмотрите снимок. На нем можно найти несколько признаков, позволяющих установить, где верх и где низ.
KOHEЦ ФPAГMEHTA
Часть 3. Механика
ОТ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА
В третьей часта курса физика Комитета содействия изучению физики «Механика» излагаются основы динамики движения тел.
При изложении проблем динамики особое внимание обращено на законы сохранения импульса и энергии. Однако правильное понимание и применение законов сохранения к решению широкого круга проблем невозможно без выяснения роли различных сил и хорошего знания законов движения.
С этой целью авторы начинают изучение динамики с рассмотрения (в гл. 19) закона Ньютона и различных сил, встречающихся в природе.
В гл. 20 решается ряд динамических задач, в которых силовым полем является поле тяжести Земли. Гл. 21 целиком посвящена движению планет.
Остальные четыре главы части III посвящены выводу важнейших законов механики — законов сохранения количества движения и энергии. Сохранение количества движения (в гл. 22) устанавливается на базе обобщения результатов экспериментальных наблюдений, а не выводится традиционно из второго и третьего законов Ньютона.
Гл. 23—25 содержат рассмотрение понятия энергии. Термин «энергия» используется для обозначения широкого класса различных характеристик движения и относительного расположения материи, связанных одним законом сохранения.
Вводятся три формы энергии: кинетическая, потенциальная и тепловая, с их помощью рассматривается переход энергии из одной формы в другую и показывается, что общее количество ее не изменяется.
Переработка текста III части Учебника ео втором издании, так же как I и II частей, не имела коренного характера. Авторы переработки сохранили без изменений основное содержание материала, последовательность, методику и манеру изложения.
При замене и введении нового текста авторы ставили перед собой лишь одну задачу: сделать его более обоснованным и более ясным для восприятия учащимися.
Перевод третьей части курса в первом издании (1965 г.) был сделан А. С. Ахматовым, перевод нового текста, введенного в курс в настоящее издание, выполнен Д. М. Толстым; перевод методического руководства к этой части курса сделан А. Н. Гордеевым.
А. С. Ахматов
ГЛАВА 19. ЗАКОН ДВИЖЕНИЯ НЬЮТОНА
Автомобили мчатся по шоссейным дорогам, то появляясь, то исчезая в общем потоке; пассажирские самолеты реют высоко над нами; реактивные самолеты и искусственные спутники проносятся по небу; звезды совершают свои постоянные кругообороты. Что приводит каждое из этих тел в движение? Что поддерживает это движение? Есть ли единая причина для всех видов движения? И является ли вообще необходимой та или иная причина?
До сих пор, изучая физику, мы главным образом стремились создать метод систематического описания и анализа физических явлений. Мы научились измерять величину атома, расстояния до звезд, промежутки времени. Мы научились определять углы отражения и распознавать интерференцию волн по виду полос. В области исследования движений такое систематическое описание наблюдений называется кинематикой (мы рассматривали кинематику в гл. 5).
Но это только описание движения, без рассмотрения вопроса о причинах движения. А одно лишь описание никогда не позволит нам достигнуть того, к чему мы стремимся: открыть что-то новое, контролировать движения, выйти за рамки простого описания того, что происходит. Поэтому в данной части курса мы перейдем к следующему этапу: мы вскроем причины движений или причины изменений в характере движений. Этот раздел механики называется динамикой.
Закон движения Ньютона, на котором теперь основано наше понимание динамики, выходит за пределы кинематики. Например, мы применяем его при проектировании ракет и при запуске искусственных спутников. В данной части курса, познакомившись с законом Ньютона, мы применим его к движению Луны и планет. Подобно Ньютону мы найдем связь между временем, необходимым для движения планет вокруг Солнца, и тяготением между этими телами. В части IV курса мы применим этот же закон движения для изучения электрических сил и для проникновения в субмикроскопический мир. С помощью одного этого закона мы сможем изучить движение во всем разнообразии его проявлений.
В сложных движениях разных тел, которые летают, падают и совершают колебания, мы обнаружим немногие весьма простые черты. С помощью закона Ньютона во всех этих различных движениях мы обнаружим такие свойства, которые остаются неизменными, и мы установим новые величины, которые сохраняются постоянными, когда все другие изменяются.
Законы сохранения окончательно выводят нас за рамки механических представлений. Мы можем превращать механическую энергию в электрическую. Но для того чтобы понять, что такое энергия, мы должны начать с изучения закона Ньютона.
19.1. Понятие о силе и движении
Вопрос о причинах движения возник в сознании человека более двадцати пяти столетий назад, но наш современный ответ на этот вопрос не был найден до времен Галилея (1564 — 1642) и Ньютонам (1642 — 1727).
Начнем рассмотрение этого вопроса с точки зрения наших личных наблюдений. С чем мы связываем «причину движения»? Можно ответить: с мускульной тягой или с толчком (рис. 19.1). Чтобы передвинуть пианино, вы должны его очень сильно толкать, тогда как для перемещения листа бумаги по письменному столу вам достаточно лишь незначительного усилия. Эти тяговые и толкающие усилия мы называем силами. Отсюда и пошло понятие силы, применяемое в физике. Позднее, с ростом наших знаний, понятие силы расширилось настолько, что охватило все причины движения. Притяжение гвоздя магнитом — это сила, так как магнит может изменить движение гвоздя так же, как и мускульная сила.
Какова же связь между силой и движением? Предположим, мы передвигаем доску по полу. Чтобы доска непрерывно двигалась, мы должны все время прикладывать силу. Точно так же и лошадь должна непрерывно тянуть телегу, чтобы телега катилась с постоянной скоростью. Повседневный опыт создает впечатление, что необходимо непрерывно прилагать постоянную силу, чтобы удерживать неизменным движение (движение по прямой линии с постоянной скоростью; рис. 19.2).
Уже Аристотель (384 — 322г. дон. э.) пришел к выводу, что для создания постоянной скорости необходима постоянная сила, откуда следует, что при отсутствии силы тела должны оставаться неподвижными.
Гипотеза о том, что при отсутствии внешних сил тела останавливались бы и оставались бы в состоянии покоя, помогает нам понять огромное количество наблюдаемых движений, но она не объясняет все движения, которые происходят в природе. Например, греки знали, что тела падают с возрастающей скоростью без приложения какой-либо очевидной внешней силы. Они были также знакомы с движениями Солнца, Луны и звезд, которые движутся без каких-либо толчков или тяги. По-видимому, существуют три вида движений. Мы должны объяснить не только движение тела, которое мы толкаем, но и движения тел, падающих на земную поверхность, а также непрерывное движение небесных тел. Аристотель считал, что обычная материя падает на земную поверхность потому, что Земля является центром Вселенной, а материя обладает врожденным свойством двигаться по направлению к этому центру. Он предполагал, что небесная материя по своей природе коренным образом отличается от земной материи и поэтому она подчиняется другим законам. По Аристотелю, небесной материи присуще внутреннее свойство восстанавливать силу, которая ей необходима для сохранения постоянства движений.
Не следует думать, что бессмысленно давать отдельные объяснения для трех различных типов наблюдаемых движений. И мы часто поступаем так же. Когда мы наблюдаем, как кусок металла притягивает железные гвозди, мы говорим: это магнит, т. е. вид материи иной, чем, например, дерево, и мы можем исследовать его магнитные свойства отдельно от его немагнитных свойств. Когда мы наблюдаем, как гребень притягивает наши волосы, мы говорим: он наэлектризован, и мы объясняем его электрические свойства отдельно от его обычных механических свойств. Конечно, мы стараемся, как и греки, объяснить все, что мы наблюдаем, однако наряду с этим у нас существуют другие цели, например, достигнуть наибольшей простоты объяснений. Гораздо выгоднее дать объяснение с возможно меньшим числом допущений, чем сооружать отдельные модели для каждого нового наблюдения. Поэтому, поскольку мы в состоянии это сделать, мы опишем дерево, магниты и наэлектризованные гребни на основе одной-единственной модели и сделаем это настолько просто, насколько возможно. Попытаемся также объяснить все движения, прибегая лишь к одной теории, а не к трем,
Современный Аристотель вряд ли объяснил бы неизменный характер движения небесных тел ссылкой на особый вид материи. Мы можем отправить нашу собственную земную материю в небесные сферы. Мир движений на Земле и непрекращающееся движение планет в настоящее время объединены. Искусственные спутники принесли нам отличные доказательства того, что нет никакого различия между земной материей и небесной. Наше понимание движений падающих тел, небесных тел и тел, которые мы толкаем и тянем по земной поверхности, сейчас основано на одном-единственном фундаментальном законе движения. Согласно этому закону были спроектированы, построены и запущены искусственные спутники. Их поведение является одним из многих доказательств того, что закон движения Ньютона охватывает все три типа движений, описанных Аристотелем.
19.2. Движение в отсутствие силы
На протяжении двух тысяч лет со времен Аристотеля кажущееся различие между движениями тел на земной поверхности и в мировом пространстве являлось тормозом на пути развития динамики. Только в XVII веке Галилей сделал первый большой шаг в деле создания единого объяснения этих двух типов движения. Он утверждал, что «любая скорость, сообщенная телу, устойчиво сохраняется до тех пор, пока нет никаких причин к возникновению ускорения или торможения, — условие, которое достигается лишь на горизонтальных плоскостях, где сила трения доведена до минимума». Это же положение включает и закон инерции Галилея. Кратко он гласит: если на тело не действует никакая сила, оно сохраняет состояние покоя или прямолинейного равномерного движения.
Каким же образом Галилей достиг такого поразительного вывода, столь отличного от свидетельств ежедневного опыта? Он изучал движение различных предметов по наклонной плоскости. При этом он заметил, что «во всех случаях движения тела вниз по наклонной плоскости имеется причина, вызывающая ускорение, а когда тело движется вверх по наклонной плоскости, то имеется торможение» (рис. 19.3). На основе этого опыта он и пришел к выводу, что когда плоскость не имеет никакого наклона, то не должно быть ни ускорения, ни торможения: «Движение по горизонтальной плоскости должно быть движением с постоянной скоростью».
Конечно, Галилей знал, что такие горизонтальные движения в действительности не могут быть установившимися, но его опыты показали, что при наличии небольшого трения тела движутся в течение долгого времени почти с постоянной скоростью, и на основе этих наблюдений он пришел к убеждению, что трение создает силы, которые останавливают тела в их горизонтальном движении, а при полном отсутствии трения тела продолжали бы двигаться бесконечно. Поэтому он и сформулировал результаты своих наблюдений для идеальных условий, при которых не действуют никакие силы.
Во второй серии опытов Галилей показал, что когда две наклонные плоскости размещаются друг против друга (как показано на рис. 19.4, а), то предмет, начиная движение с состояния покоя, будет катиться вниз по одной плоскости и вверх по другой до тех пор, пока почти не достигнет своей начальной высоты. Трение препятствует ему подняться на эту высоту, которая, как это понял Галилей, является пределом такого движения. Он сделал вывод, что если уменьшить наклон плоскости, по которой тело движется вверх (рис. 19.4, б), то расстояние, которое пройдет тело для того, чтобы достигнуть своей исходной высоты, увеличится. Если, наконец (рис. 19.4, в), наклон плоскости свести к нулю, так что вторая плоскость займет горизонтальное положение, то предмет никогда не достигнет своей начальной высоты. В этом случае шар катился бы вечно. «Отсюда, — утверждает Галилей, — следует, что движение по горизонтальной плоскости является вечным».
Опыты Галилея нельзя считать трудными; нет также никаких указаний, что он выполнял их с особой тщательностью. Некоторые из его опытов, например опыт, показанный на рис. 19.4, в и приведший к заключению о вечном движении, не были реальными. Это были воображаемые опыты, хотя и основанные на реальных фактах. Именно в этом и заключается та комбинация мышления и фактов, которая характеризует работу Галилея и которая
позволила ему открыть метод идеализации движений, несмотря на огромное их разнообразие. Его закон инерции явился тем великим сдвигом в науке, который позволил Ньютону создать наше современное понимание динамики.
Многие из движений, анализированных Галилеем, а также движения, позднее исследованные Ньютоном, были настолько идеализированы, что не имели почти ничего общего с движениями реальных систем в том виде, как мы их наблюдаем. Однако лишь благодаря тщательной разработке этих идеализированных представлений Галилею и Ньютону удалось внести большой вклад в механику.
Рис. 19.5. а) Движение ползуна с твердой углекислотой по стеклу. Он скользил слева направо го время последовательных вспышек света, происходивших 24 раза за 10 с. Внизу располо-м ена сантиметровая шкала. Мы имеем здесь приближение к идеальному случаю движения без действия силы. В равные промежутки времени перемещения ползуна почти одинаковы. С) Ползун с твердой углекислотой расположен на гладкой поверхности стекла. Подобное устройство допускает движение почти без трения, в) Твердая углекислота превращается в ползуне в газообразную, которая устремляется наружу через отверстие в дне ползуна.
Таким образом, мы видим, что для правильного понимания основ динамики нужно изучить самые простые движения, наиболее близкие к идеальным. Тогда и только тогда мы подготовим себя к тому, чтобы суметь применить динамику к окружающему нас миру сложных явлений.
С помощью современного оборудования мы можем ставить опыты, позволяющие нам осуществлять движения тел в отсутствие действия на них ощутимых сил. Эти движения приближаются к идеальному движению, рассмотренному Галилеем.
KOHEЦ ФPAГMEHTA
Часть 4. Электричество и строение атома
ОТ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА
Схему построения материала четвертой части курса физики Комитета содействия изучению физики «Электричество и строение атома» авторы, в основном, оставили без изменения. Во введении (гл. 26) излагаются общие предварительные сведения об электрических явлениях. Здесь, однако, наряду с традиционной феноменологией электростатики приводятся начальные сведения о проводимости газов, растворов и металлов. Далее рассматривается закон Кулона и учение об электрическом заряде (гл. 27), после чего излагается материал, характеризующий энергию и движение зарядов в электрических полях (гл. 28).
Авторы ввели новую главу (гл. 29) «.Электрические цепи», желая подчеркнуть практическую важность учения об электрических цепях. Гл. 30 «Магнитное поле» была существенно переработана и улучшена. Авторы, однако, остались при своем старом решении не вводить понятие магнитной индукции. Независимо от того, идет ли речь о напряженности или индукции магнитного поля, они применяют один и тот же термин «strength of field», что на русском языке в точности соответствует напряженности поля. Мы не могли пойти по этому пути, и поэтому в конце раздела 30.3 был введен термин «индукция магнитного поля», применявшийся и в дальнейшем всюду, где это было необходимо.
Заканчивается изложение учения об электричестве рассмотрением электромагнитной индукции и электромагнитных волн (гл. 31).
Строению атома посвящены три последние главы. Здесь сперва весьма обстоятельно обсуждается ядерная модель атома Резерфорда и его эксперимент по рассеянию а-частиц в гл. 33 вводится понятие фотонов и представление о волнах материи, и в гл. 34 рассматривается дискретность уровней энергии атомов на примере атома водорода
Четвертая часть курса во втором издании подверглась весьма значительной переработке: часть материала была исключена, другая — введена вновь. Вся эта работа, предпринятая авторами для улучшения последовательностиу логичности и ясности изложения, не затронула, однако, общего духа и стиля книги.
Перевод четвертой части Учебника сделан Д. М. Толстым, а перевод четвертой части «Методического руководства» для преподавателей выполнен В. А. Алексеевым.
А. С. Ахматов
ГЛАВА 26. КАЧЕСТВЕННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ
В части III мы узнали, что каждое материальное тело притягивает любое другое материальное тело с силой, называемой гравитационной силой. Это гравитационное притяжение приводит к практически существенным последствиям только в тех случаях, когда по крайней мере одно из взаимодействующих тел обладает весьма большой массой, например является чем-либо вроде целой планеты.
Однако гравитационные силы не являются единственными силами, действующими между телами на расстоянии. Некоторые другие силы оказываются во много раз больше.Небольшой магнит поднимает со стола стальной гвоздь, преодолевая гравитационное притяжение всей Земли. Гребень, если потереть его рукавом, поднимает клочки бумаги. Это примеры соответственно магнитной и электрической сил.
Существование таких сил было известно еще в древности. Древние греки были знакомы с особыми свойствами магнетита — железной руды, являющейся природным магнитом. Слово «магнит» происходит от названия города Магнезия в Малой Азии, вблизи которого эта руда была найдена.
Утверждают также, что греческий философ Фалес около двадцати столетий назад наблюдал действие электрических сил. Он нашел, что янтарь, будучи натертым, притягивает легкие предметы. Слово «электричество» происходит от греческого слова «электрон» — янтарь.
Однако систематическое изучение электричества и магнетизма началось только со времени эпохи Возрождения, и физики не достигли ясного понимания этих вопросов вплоть до конца прошлого столетия. Вряд ли когда-либо научное достижение имело столь глубокие и далеко идущие последствия. Имеется бесчисленное множество практических применений учения об электричестве и магнетизме.
Использование электрической энергии и развитие электрических средств связи изменили весь наш образ жизни. В научном отношении мы узнали, что электрические силы определяют строение атомов и молекул. Электричество связано со многими биологическими процессами, например с действием наших нервов и мозга.
KOHEЦ ФPAГMEHTA
|
