книги из ГПНТБ / Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей
.pdfМет о д и ч еск а я библиот ека
шк о л ы "
В.В. Стручков, Б. М. Яворский
я
Вопросы
современной
физики
Пособие для учителей
МОСКВА «ПРОСВЕЩЕНИЕ» 1973
53(07) |
Гее.публична« |
|
С87 |
к^учно - Твкии ,в к л я |
|
|
библно**: .;■» * ' |
• |
|
ЭКЗЕМПЛЯР |
, |
ччтД пьНОГО ЗАЛА^
W - Ю О Ч 3
/ J / a ß ä !
Рекомендовано к изданию Главным управлением школ Министерства просвещения СССР
Стручков В. В. и Яворский Б. М.
С87 Вопросы современной физики. Пособие для учителей. М., «Просвещение», 1973.
496 с. с ил. (Метод, б-ка школы).
В книге освещены в доступной для учителей форме те вопросы современ ной физики, которые в той или иной мере нашли отражение в новых учебных программах основного курса физики средней школы или в про граммах факультативных занятий.
0065-394 |
53(07) |
С М 103(03)-73 Подп- |
изд- |
Издательство «Просвещение», 1973 г.
О Г Л А В Л Е Н И Е
П р е д и с л о в и е ............................................................ |
|
|
|
|
6 |
|||
Р а з д е л |
I. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ |
ОТНОСИТЕЛЬНО |
||||||
|
|
|
СТИ |
|
|
|
|
|
Глава |
1. |
Постулаты |
Эйнштейна |
|
|
|
||
§ 1. В в е д е н и е ............................................................. |
|
физических |
за |
7 |
||||
§ |
2. |
О принципах инвариантности |
8 |
|||||
§ |
|
3. |
конов .................................................................... |
|
|
|
|
|
|
Инвариантность второго закона Ньютона от |
И |
||||||
§ |
|
4. |
носительно преобразований Галилея . . |
. |
||||
|
Постулаты |
Э й н ш т ей н а ........................................... |
|
|
18 |
|||
§ |
|
5. |
Опыт М айкельсона-М орли.................................... |
|
|
26 |
||
Глава |
2. |
Кинематика |
СТО |
|
|
|
|
|
§ 1. В в е д е н и е ..................................................................... |
Л о р е н ц а |
|
|
37 |
||||
§ |
|
2. |
Преобразования |
сокращение |
40 |
|||
§ |
|
3. |
Релятивистское |
(лоренцево) |
44 |
|||
§ |
|
4. |
длины. Относительность длины в СТО . |
. |
||||
|
Релятивистское замедление времени. Относи |
48 |
||||||
§ |
|
5. |
тельность промежутков времени в СТО . |
. |
||||
|
Парадокс |
близнецов................................................. |
|
. |
53 |
|||
§ |
|
6. |
Относительность |
одновременности . . |
54 |
§7. Релятивистский закон преобразования ско
ростей |
.....................................................................56 |
Глава 3. Динамика |
СТО |
§ |
1. В в е д е н и е ..................................................................... |
61 |
§ |
2. Релятивистская |
форма второго закона Нью |
|
тона ........................................................................... |
68 |
§3. Единый закон сохранения массы, импульса,
§ |
4. |
энергии |
в С Т О ....................................................... |
величин . . |
82 |
|
Преобразования |
динамических |
87 |
||||
Р а з д е л |
II. НЕКОТОРЫЕ |
ВОПРОСЫ |
МЕХАНИКИ |
|
||
|
|
ТОЧКИ И ТВЕРДОГО ТЕЛА |
|
|||
Глава 4. Динамика |
системы точек к твердого тела |
90 |
||||
§ |
1. В в е д е н и е ..................................................................... |
|
|
|||
§ |
2. |
Центр масс. Законы движения центра масс |
— |
|||
§ |
3. |
Динамика вращательного движения . . . |
101 |
|||
§ |
4. |
Закон сохранения момента импульса . . |
113 |
|||
Глава 5. Движение в поле тяготения |
|
|
||||
§ |
I. В в е д е н и е .................................................................... |
тяготения . . . . . |
117 |
|||
§ |
2. |
Понятие |
о поле |
— |
||
§ |
3. |
Напряженность |
поля тяготения . . . . |
124 |
||
§ |
4. |
Потенциальная э н е р г и я ......................................... |
|
126 |
3
§ |
5. Потенциальная энергия системы двух |
тяго |
|||||
§ |
теющих |
т е л .................................................. |
яме . . |
. |
130 |
||
6. Понятие |
о |
потенциальной |
. 132 |
||||
§ |
7. |
Движение |
в поле тяготения...................... |
|
134 |
||
§ |
8. |
Запуск |
искусственных спутников Земли |
и |
|||
§ |
их д в и ж е н и е .................................................. |
|
|
149 |
|||
9. |
Вес и невесомость.......................................... |
отсчета. |
|
159 |
|||
§ |
10. |
Неинерциальные системы |
Силы |
||||
|
и н е р ц и и |
......................................................... |
|
|
166 |
Р а з д е л III. ЭЛЕМЕНТЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
Глава 6. Электромагнитное поле и теория относительности
§ |
1. В в е д е н и е ....................................................... |
176 |
§ |
2. Относительность |
электромагнитных величин |
|
и понятий ............................................................. |
— |
§3. Сторонние силы. Общая форма закона Ома
для участка цепи н замкнутой цепи . . . |
193 |
Р а з д е л IV. ФИЗИКА АТОМОВ, МОЛЕКУЛ И ТВЕРДОГО ТЕЛА
Глава 7. Статистическая физика
§ |
1. |
Введение ................................................................... |
понятия и |
результаты |
теории |
213 |
|
§ |
2. |
Некоторые |
214 |
||||
§ |
3. |
вероятностей |
|
...................................................... |
вероятностей |
. . |
|
Функции распределения |
-221 |
||||||
§ |
4. |
Распределение |
М а к с в е л л а ................................. |
|
226 |
||
§ |
5. |
Распределение |
Б о л ь ц м а н а ................................. |
|
235 |
||
§ |
6. |
Основные представления о квантовых ста |
244 |
||||
§ |
7, |
тистиках ................................................................... |
|
|
|
|
|
Применение квантовой статистики к излу |
250 |
||||||
§ |
8. |
чению абсолютно черного тела . . |
. . |
||||
Применение |
квантовой |
статистики к |
элект |
252 |
|||
|
|
ронному газу в металлах........................................ |
|
Глава 8. Квантовая механика и атомная физика
§ |
I. |
В в е д е н и е |
................................................................... |
|
|
|
|
|
255 |
|
§ |
2. |
Квантование физических величин в микро |
265 |
|||||||
§ |
3. |
мире |
.......................................................................... |
Ш р ёд и н гер а |
|
|
||||
Уравнение ........................................ |
|
|
277 |
|||||||
§ |
4. |
Соотношения |
неопределенностей Гейзенберга |
283 |
||||||
§ |
5. |
Ядерная |
модель атома' Резерфорда . . . |
287 |
||||||
§ |
6. |
Постулаты |
Бора. |
Атом |
Резерфорда-Бора |
296 |
||||
§ |
7. |
Теория |
Бора |
с |
точки |
зрения |
квантовой |
304 |
||
§ |
8. |
м е х а н и ...................................................................к и |
|
|
|
систЬмы |
элементов |
|||
Теория |
периодической |
314 |
||||||||
§ |
9. |
Д. И. М .....................................................енделеева |
генераторы |
(лазеры) |
||||||
Оптические |
квантовые |
322 |
Глава 9. Силы взаимодействия в кристаллах
§ |
1. |
В в е д е н и е ................................................................... |
|
. |
334 |
|
§ |
2. |
Общие свойства сил взаимодействия |
335 |
|||
§ |
3. |
Реальные газы. Природа сил Ван-дер- |
338 |
|||
§ |
4. |
Ваальса |
химической................................................................... |
с в я з и |
|
|
Природа |
|
343 |
||||
§ |
5. |
Классификация кристаллов по силам связи |
345 |
|||
§ |
6. |
Тепловое |
движение в |
кристаллах . . . |
346 |
|
§ |
7. |
Тепловое |
расширение |
кристаллов . . . |
349 |
|
§ |
8. |
Теплоемкость твердых |
т е л ................................. |
|
352 |
Глава |
10. |
Магнитные свойства |
веществ |
|
|
|
|
§ |
1. В в е д е н и е ........................................................... |
теориянамагничивания |
357 |
360 |
|||
§ |
2.Макроскопическая |
. |
|||||
§ |
3.Молекулярная теория |
диа-и парамагнетизма |
365 |
||||
§ |
4. |
Ферромагнетизм |
. . . |
. . . . |
|
373 |
|
Глава |
11. |
Электропроводность |
твердых |
тел |
|
|
|
§ |
1. |
В в е д е н и е ................................. |
|
|
. ’. . . |
388 |
§2. Классическая теория электропроводности ме
|
таллов ........................................................................... |
— |
§ |
3. Устранение «катастрофы» квантовой теорией |
394 |
§4. Понятие о зонной теории проводимости кри
§ |
|
сталлов |
|
...................................................................проводимости полупроводников |
|
397 |
||||||
5.Особенности |
407 |
402 |
||||||||||
§ |
6. |
Эффект |
Х о л л а |
.............................................. |
|
|
|
|
||||
Глава 12. Контактные и термоэлектрические явления |
|
|
||||||||||
§ |
1. В в е д е н и е |
........................................................... |
|
|
|
|
|
410 |
|
|||
§ |
2. |
Работа выхода |
..................................................... |
|
|
|
. . |
— |
416 |
|||
§ |
3. |
Контактная |
разность потенциалов |
. |
||||||||
§ |
4. |
Термоэлектричество....................................... |
|
|
|
421 |
|
|||||
Р а з д е л |
V. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА |
|
|
|
||||||||
Глава 13. Строение атомных ядер |
|
|
|
|
|
|||||||
§ |
1. Введение . |
ядра |
. |
......................430 |
427 |
|||||||
§ |
2. |
Энергия |
связи |
|
||||||||
§ |
3. |
Ядерные |
силы |
. |
|
......................................433 |
|
|||||
§ |
4. |
Размеры |
я |
д е р .............................................. |
|
|
|
|
438 |
|
||
§ |
5. |
Модели |
я д ....................................................р а |
|
|
|
|
|
438 |
|
||
Глава |
14. |
Естественная радиоактивность |
|
|
|
|
||||||
§ |
1.' В в е д е н и .........................................................е |
|
|
распада . . . |
447 |
449 |
||||||
§ |
2. Закон |
радиоактивного |
. |
|||||||||
§ |
3. Статистический |
характер |
радиоактивного |
453 |
||||||||
§ |
|
р а с п а д а .................................................................. |
естественной |
радиоактивности |
||||||||
4. Применение |
456 |
|||||||||||
§ |
|
в |
геологии .................................. |
и |
археологии |
|
|
. |
||||
5. Теория |
радиоактивного |
а-распада . . |
459 |
|||||||||
§ |
6. Гамма-излучение — спутник |
альфа- и бета- |
462 |
|||||||||
§ |
7. |
. р а с п а д а .................................................................. |
|
|
|
|
|
463 |
||||
Эффект |
М ёссб .......................................ау эр а |
|
- |
• |
468 |
|||||||
§ |
8. |
Бета-распад ................................... |
|
|
|
|
• |
|||||
Глава 15. Искусственные превращения атомных ядер |
|
|
||||||||||
§ |
|
1. В в е д е н и ...........................................................е |
|
|
|
|
|
|
473 |
|||
§ |
2. Открытие .............................................. |
н е й т р о н а |
|
|
|
. |
475 |
|||||
§ |
3.. Искусственная |
радиоактивность . . . |
476 |
|||||||||
§ |
4. Деление я ...........................................................д е р |
|
|
|
|
|
477 |
|||||
§ |
5. Термоядерные ....................................... |
р е а к ц и и |
|
|
|
482 |
||||||
§ |
'6. Элементарные .......................................' ч а с т и ц ы |
|
|
|
485 |
|||||||
Л и т е р а т у р а ........................................ ...... |
|
|
|
|
|
• ■ |
• |
491 |
||||
Предметный |
указатель |
. |
................................................493 |
П Р Е Д И С Л О В И Е
Лидирующее положение физики среди естественных наук, богатство и многообразие методов исследования современной физики, глубокое взаимное проникновение физики и техники — все это не могло не отразиться на преподавании физики в средней школе. И действительно, курс физики в советской средней школе претерпевает в последние годы серьезные из менения в сторону повышения его научного уровня.
Современные тенденции в преподавании физики заклю чаются в том, чтобы оснозы классической и современной фи зики изучались не изолированно друг от друга. Учащиеся должны быть ознакомлены с тем, как непрерывный процесс
развития |
физики |
привел к появлению новых физических |
идей. Для |
этого |
преподавание традиционных вопросов кур |
са должно проводиться с современных позиции. Термин «со временная 'физика» предполагает в педагогическом плане построение такого курса физики, в котором нашли бы свое отражение современные тенденции ее преподавания. Настоя щая книга не ставит своей целью сколько-нибудь подробно излагать те курсы теоретической физики, которые изучаются в педагогических институтах студентами-физиками. Ее цель — помочь учителям физики в их работе по новой программе школьного курса. Поэтому в книге рассмотрены лишь некото рые вопросы классической и современной физики, имеющие отношение к школьному курсу. Основное внимание обращается на физический смысл рассматриваемых вопросов. Математи ческий аппарат использован в книге лишь в той мере, в какой он представлялся необходимым для того, чтобы избегнуть бездоказательных утверждений.
Изложение некоторых вопросов (динамика специальной теории относительности, отдельные вопросы статистической физики и др.) рассчитано не для прямого использования в работе с учащимися, а для повышения теоретического уровня учителей;
Авторы надеются, что книга окажет также определенную помощь учителям в проведении факультативных и кружковых занятий.
Авторы приносят глубокую благодарность рецензентам: акад. АН УССР Ахиезеру А. И., проф., д-ру фаз.-мат. наук Кресину В. 3., проф., д-ру техи. наук Яшкину А. Я. и мето дисту Машевскому Н. Д. Их полезные замечания авторы приняли во внимание при доработке рукописи.
В. В. Стручков, Б. М. Яворский.
Р а з д е л |
I |
СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ |
|
|
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ |
Г Л А Б А |
J |
П0СТУЛАТЫ ЭЙНШТЕЙНА |
§ 1. ВВЕДЕНИЕ
Вся современная физика пронизана идеями теории относитель ности Эйнштейна. Новая программа по физике для средней школы предусматривает рассмотрение следующих вопросов специальной теории относительности:
1.Принцип относительности Эйнштейна.
2.Независимость скорости света от движения источника. Ско рость света в вакууму как предельная скорость передачи сигнала.
3.Проблема одновременности.
4.Замедление времени и сокращение масштабов. Релятивист ский закон сложения скоростей.
5. Зависимость массы от скорости. Закон взаимосвязи массы и энергии.
Более широко теория относительности может рассматриваться на факультативных занятиях. В данной книге, кроме общих, прин ципиальных вопросов (о свойствах пространства и времени, ,о кон цепциях дальнодействия и близкодействия и др.), рассматриваются вопросы кинематики, динамики и электродинамики теории относи тельности.
Два замечания о терминологии. Часто, особенно в популярной литературе, под классической физикой понимают дорелятивист скую и доквантовую физику. Однако согласно современным пред ставлениям теория относительности принадлежит к классической физике. Например, классическая механика включает в себя ньюто новскую механику и механику теории относительности. В данной книге нерелятивистская и неквантовая физика иногда называется ньютоновской физикой, поскольку классическая, дорелятивистская механика — это механика Ньютона, а другие разделы классиче ской, дорелятивистской физики несут на себе глубокую печать идей Ньютона (например, концепция дальнодействия, о которой будет сказано ниже).
Следует иметь в виду, что существуют две теории относительно сти Эйнштейна — частная, или специальная, теория относительно сти (сокращенно СТО) и так называемая общая теория относитель ности (ОТО).
7
В популярной литературе под теорией относительности обычно понимают специальную теорию относительности. В данной книге в соответствии с потребностями и возможностями школьного препо давания рассматривается только специальная теория относитель ности (СТО).
Учитывая неизбежные трудности, испытываемые учащимися при восприятии теории относительности, в книге довольно подробно рассмотрены основные идеи, физические корни ньютоновской меха ники и СТО.
§ 2. О ПРИНЦИПАХ ИНВАРИАНТНОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАКОНОВ
Законы физики — это, как правило, количественные соотно шения между различными физическими величинами. Они отра жают объективные закономерности, существующие в окружающем нас мире, и потому не должны зависеть от субъективных факто ров.
А между тем познающий субъект неизбежно вносит элементы произвола в познание им законов природы.
Первый элемент произвола связан с выбором единиц физиче ских величин. Единицы измерения физических величин могут быть установлены произвольно. При установлении единиц измерения и систем единиц физических величин руководствуются исключи тельно соображениями удобства пользования ими на данном исто рическом этапе развития науки. Формулировки законов физики, очевидно, не должны зависеть от произвола в выборе единиц из мерения физических величин. Независимость физических законов от выбора единиц называется принципом метрической инвариант ности.
Все фундаментальные физические законы удовлетворяют этому
принципу. Действительно, законы |
физики |
всегда |
устанавливают |
|
п р о п о р ц и о н а л ь н о с т ь |
.одних |
физических величин соответ |
||
ствующим сочетаниям других |
физических |
величии |
(например, за |
кон Фарадея для электромагнитной индукции состоит в том, что электродвижущая сила индукции во всяком замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения потока магнитной индукции через этот контур), причем всегда подчеркивается, что величина коэффициента пропорциональности зависит от выбора единиц из мерения.
Наличие коэффициентов пропорциональности в формулировках физических законов неизбежно, если мы хотим, чтобы формулиров ка закона не зависела от выбора единиц измерения физических величин.
Если единицы всех величин, входящих в закон, заранее фик сированы, то коэффициент пропорциональности принимает опре деленное числовое значение. Это имеет место, например, в случае закона тяготения Ньютона; коэффициент пропорциональности — ньютоновская гравитационная постоянная — имеет вполне опреде ленное числовое значениег
8
В ряде случаев физический закон используется для установле ния единицы какой-нибудь физической величины. В таких случаях коэффициент пропорциональности всецело в нашем распоряжении, мы можем положить его равным любому постоянному числу. Есте ственно положить его равным единице. Так обстоит дело, напри мер, со вторым законом Ньютона, когда он используется для уста новления единицы силы.
Вообще для освобождения формулировок некоторых фунда ментальных физических законов от коэффициентов пропорциональ ности в разное время в физике вводились различные системы еди ниц. В настоящее время предпочтение должно быть отдано Между народной системе единиц (системе СРІ). Однако никакая система единиц не может освободить от коэффициентов пропорционально сти формулы сразу всех физических законов: освобождая от коэф фициентов одни законы, она неизбежно сохраняет их в других за конах. Так, международная система единиц освобождает от коэф фициентов пропорциональности формулировки, например, законов механики и электродинамики, но сохраняет коэффициенты в фор мулах электростатики.
Второй элемент произвола, вносимый человеком в формули ровки физических законов, связан с выбором систем отсчета. Дело
втом, что выражение «тело движется» имеет в физике конкретный смысл только тогда, когда указано, относительно какой системы отсчета рассматривается данное движение. Одно и то же тело в данный промежуток времени совершает относительно разных си стем отсчета различные движения. Например, свободное падение тела на палубу равномерно идущего корабля выглядит по-разному
вдвух системах отсчета: в системе, связанной с кораблем, и в системе, связанной с берегом. В первой системе тело совершает прямолинейное равноускоренное движение по вертикали вниз, во второй системе движение тела происходит по иной траектории —
по параболе. Скорости тела относительно разных систем отсчета в один м тот же момент времени различны. Правда, ускорение в обоих этих случаях одно и то же: оно равно ускорению свободного падения.
В общем же случае и ускорения оказываются различными в разных системах отсчета.
Так, если в рассмотренном примере в качестве второй системы отсчета выбрать Луну, то относительно корабля и Луны будут раз личны не.только траектории и скорости, но и ускорения. Причина этих различий — в движении одной системы относительно другой.
Многие физические понятия н величины зависят от выбора си стемы отсчета, т. е. являются относительными. Например, вид траектории движения сугубо относителен; скорость, ускорение — величины относительные. Относительность скорости, в свою оче редь, обусловливает относительность других физических величин, зависящих от нее. Так, от системы отсчета зависят кинетическая энергия тела, плотность (и сила) электрического тока, образован ного движущимися зарядами, напряженности электрического и
9