Landsberg-1985-T1
.pdfнне в высшей школе существенно отличается от препода
вания на более ранних ступенях. Однако и на этих ступенях преподавать физику нужно именно как науку (или введение
в нее), а не как СОВОКУПНОСТЬ отдельных фактов. Другими
словами, на базе фактического материала в сознание уча
щихся должно проникать ясное представление о научном
методе, характерном для физики. Само собой разумеется,
не возникает никаких споров о ТОМ, что этот метод есть
метод экспериментальный.
НИКОМУ не приходит в голову отрицать, что физика есть
опытная наука I! что ее законы находятся с помощью
опыта. Однако нередко в учебниках эти утверждения носят характер деклараций, которым отведено место на первых
страницах. В дальнейшем же опыт служит главным обраЗО1\! для иллюстративных целей, и то обстоятельство, что физи ческие понятия самым тесным образом связаны с опытом, ускользает от учащихся. А между тем необходимо, чтобы
учащиеся осознали, что определения, формулируемые логи
чески, наполняются содержанием лишь при помощи опыта,
через посредство ИЗАlерений. Всякое понятие, вводимое
в фИЗИl{е, получает конкретный смысл только при условии,
что с ним связывается определенный прием наблюдения и из мерения, без которого это понятие не может найти никакого применения в исследовании реальных физических явлений.
Рассмотрим, например, простейшее понятие равномер ного движения. Вопрос о равномерности данного движения
получает решение, зависящее от метода наблюдения. Неко
торое движение, например движение поезда, мы вправе
рассматривать КШ( равномерное, если применяем грубые
методы наблюдения отрезков пути и промежутков времени;
то же движение может оказаться неравномерным при более
тонких методах. Если при выбранном методе наблюдения
движение удовлетворяет установленному определению рав номерности, то, следовательно, к нему применимы все за коны ра!3номерного движения и справедливы все выводы
и расчеты с точностью, соответствующей методу измерения.
Отчетливое понимание этого экспеРИнlенmального харак
тера физических законов имеет крайне важное значение: оно делает из физики науку о природе, а не систему умозри тельных построений; с другой стороны, оно ПРИБивает мысль
о границах применимости установленных физических за конов, основанных на них теорий и oТl<pЫBaeT перспективы
дальнейшего развития науки.
Не менее важную роль на первых шагах обучения играет
правильное представление о схематизации изучаемых яв-
12
леню'j, с(' Сi\1ысле !I [(СВНОСТ!! . И В этом отношеНI!II, конечно, любой IlреподаDатель ШНI составитель учебника ПРlIзнает необход;:мость о:емаТl!заЦИIJ и ШI!РOIСО пользуется ею. Нерею;о, одшшо, laJ<ая схематизаЩi5J заходит слишком
далеко.
прсшI1лыIйй СIЫСЛ схемзтиззщш состонт в том, чтобы
пренебречь чертаЧ!l П8ления, несущеСТDенным!! для рас
сматр!шJ.С~:ОГО !{С"Iп:;скса DОПРОСОВ, но сохраНIIТЬ то, что
необходюю. В ЭТG~1 С>.1ЫСlе ОДНО и то Же явление можно схе
маТИЗIIРОБ3ТЬ по-разному, в заВИСIlМОСТИ от изучаемой
стороны дела. Более того, при прав!!льной схемлизащlИ
мы нередко МОЖб! опустить одни черты ЯВ.rJ(:НIIЯ, сохранив
другие, казалось ()Ы, с НИШI неразрывно связанные. ОДНОЙ из весьып распространенных и очень полезных схематизаций Dмехашше является, наПРЕмер, представление об абсолютно твердом теле или представление о несжимаемой жидкости. Эти схеу]атизации необходимы при изучении обuшрного комплекса механических [ЮПРОСОD, в которых деформация не играет существенной роли и где можно отвлечься от
изменения размеров и формы тел. Но деформаuиями обус
ловлены напряжения, ВОЗНИI<aJощие в деформированном
теле и играющие существенную роль D динамике явлений. Поэтому схематизированное представление об абсолютно
твердом теле как теле, в ]COTOP0I\'] нет деформаций, если
этим представлением пользоваться без ВСЯIШХ оговорок, лишает физического содержания самые элементарные во
просы механИIШ. Необходимо ясно установить, что мы
пренебрегаем деформациями твердого те,I]З ил!! жидкости,
но учитываем те напряжения, !юторые возникают в таком
схематизированном теле при деформациях и которые объяс
няют весь комплекс наблюдаемых явлений. Без ясного
представления об этом мы не можем ПОНЯТЬ самых элемен тарных явлений, не можем, например, ответить на вопрос,
почему лежит неподвижно груз на столе, хотя на него дей ствует сила тяжести, ибо не видно, что наряду с этой силой
на груз действует и вторая, уравновешивающая ее сила
упругого напряжения стола.
Введение в науку и преподавание подобных схематизи pODaHHbIx понятий ДОЛЖНО совершаться чрезвычайно осмот
рительно. При праsильном употреблении этих понятиI1 они весьма полезны и могут очень облегчить и формулировку закономерностей и проведение расчетов. Но недоговорен
ность или неточпость в пользовании такими понятиями
может 'привести f{ самой главной опасности, с которой со
пряжено преподавание: к образованию представлений, ко-
13
торые будут служить ТОРМОЗО~i '{ дальнейшему более глу
бокому ПОНJlманшо. Примером может СJIУЖИТЬ пользование
представлениями о магнитном полюсе или геометричеСi{mi
.1Jуче. Употребление этих понятий, несомненно, ценно, 11
было бы нерацпона.1JЬНО отказываться от их ИСПО,'1ьзовюшя.
Однако необходпыы сугубая осторожность I! тщате.1Jьное
выяснение сути дела дли того, чтобы избежать вреда,
который онн могут ПРIlнеСТII. "\\НОГIIе JIЗ нас, I\O~!Y прихо
дится отвечать на запросы ПЛ! давать оценки изобретению!,
знают, 1\ каКШI недораЗУl\lению! может ПРИВОДIIТЬ, напри
мер, уверенность в непогреШШЮСТJJ геометрической ОПТI!IШ,
покоящаяся на непраВIIЛЫIO:'I пошшаН!IИ полезного понятия
геомеТРlJческого луча.
* * *
Преподавание в средне!"1 школе, как, впрочем, и всякое
иное преподавание, не может быть, конечно, исчерпываю
щим. Однако его необходимо строить таким обраЗОхl, чтобы в дальнейшем учащийся мог !I должен был бы доучиваться, но никогда не был бы вынужден nереучuваться. Избежать этой главнейшей опасности - вот цель, которую ДOJIжны иметь перед собой составители учебника. Для достижения
ее и следует тщательно избегать методологических и методи
ческих погрешностей, подобных перечисленным выше.'
Стремление создать подобную книгу и руководило кол
лективом физиков, которые взялись за составление настоя
щего «Элементарного учебника физики». Именно эти сообра
жения, а не стремление существенно изменить фактический
материал играли определяющую роль. Поэтому в на стоящей книге нередко отводится довольно много места тем «простым» вопросам, которые излагаются обычно в несколь
ких строчках. Главным образом благодаря этому подходу,
а отнюдь не за счет увеЮ1чения фактического материала
книга эта приобрела размеры, несколько преБышающие
общепринятые.
Москва, июнь 1948 г. |
Гр. лан,дсберг |
СВЕДЕНИЕ
Знания, полученные в ШКО,ТIе, из книг, наблюдения над
окружающей нас обстановкой, в частности сведения о пора жающей наше воображение мощи современной промышлен
насти - все это невольно ставит перед умом школьника
вопрос: каким образом человек, с его небольшими физиче
СIШМИ силами, с его несовершенными органами чувств,
позволяющими непосредственно наблюдаТh лишь весьма
ограниченный круг явлений, сумел создать современную
технику с ее огромными возможностями, далеко превосхо
дящими вымыслы Жюля Верна? Почти каждый из нас от ветит, не задумываясь, на этот вопрос: это чудо сделала на ука о природе. В частности, физическая наука играет в этом
торжестве человека чрезвычайно важную роль.
КаюlМИ же средствами располагает физическая наука
для приобретения власти над миром?
Прежде всего ясно, что физика имеет дело с явлениями реального мира и, следовательно, первый шаг для получе ния знаний об этих явлениях должен состоять в наблю дениях.
Научное наблюдение представляет, однако, далеко не
простую задачу. Проследим, например, за тем, как падают
тела. Легко обнаружить, что тело, Срошенное с небольшой
высоты, слабо ударяется о землю, при падении же с боль
ШОЙ высоты толчок может сыть гораздо более сильным и
может даже привести к разрушению падающего тела. Од нако наблюдения над каплями дождя не обнаруживают за
lI1етного различия при ударе капель, падающих из низко
и высоко плывущих туч. Все знают, что летчик, выпавший
из самолета, разбивается насмерть, а летчик, спрыгнувший
с парашютом даже с большой высоты, плавно приземляется. Авиабомбы, особенно тяжелые, ударяются со страшной
силой, нередко пробивая многоэтаж'ные дома. Таким 05-
разом, сравнительно простое явление падения может проте
кать различным образом. И если мы хотим управлять этш.;
15
ЯRJJением, мы должны найти связь между ОТllеJJЬНЫМИ сто
РОН3\!Н его: установить I(акие-то хараlперистики движения
тела; определить, |
I(aJ{ влияют на эти характеРJJСТИЮI раз |
||
!,леры, |
форма и масса тела, |
13ысота, с которой оно падает, |
|
и т. д., |
!I - ca~lOe |
главное - |
извлечь из этих данных общие |
выI3дыы, объясняющие, почему падение протекает именно
так, а не Jlначе.
Те же задачи возникают и ПрIl изучении любого другого явлеl!!IЯ. L'V\bl должны установить, от чего зависит тот или
иной ход IlВлеIJШJ, l,аIШ1\\ образом можно ослабить или уси
лить отдельные стороны его. А для этого надо уметь расчле
нять явление, выделять отдельные его элементы и по воз
можности измсннть УСЛОRИЯ, В которых протекает явление,
т. е. перейти ОТ простого наблюдения к эксперименту.
При этом I-::райне I3ажно не ограНlIчиваться лишь общими !{ачестпеШIblМИ впечатлениям!! о явлении, а найти количест
венные характеристикu отдельных его элементов в виде ве
личин, поддающпхся IiЗмерению. Другими словами, надо
определить, какие понятия могут служить для количест
венной характеристики явления, и установить те приемы,
с помощью которых мы будем измерять соотвеТСТl3УЮЩllе
величины; нахождение этих величин позволяет отыскивать
'IИсловые СООТllошення между нюш, т. е. фОР'>lулировать
законы явления В количеСТI3енной (математической) форме.
Так, в рассмотреlIlLO\1 выше примере падения "IЬ! ВВОДИ"j понятия СКОРОСТИ падающего те.тliЗ, его ускорения (т. е. из менения СКОРОСТИ), ВЫСОТЫ падения, сопротивления воздуха, массы тела, силы тяжести, :\ействующей на тело, и т. д.
Найти Зi1КОI1Ы I1311еНШ1 - это и значит установить, какая зависи:\юсть обнаl)уживгетсп 'I!ежду этими величинами.
УстаНOI]J!сние КОЛ11честпснных законов, показыв::нощих,
как I1З\lеНЯЮТС51 О.lНИ I!З величин при изменении других,
важнейшая задзча экспериментального исследования яв
лений. Тш{ие ЗJl{ОНЫ указывают нам, как надо менять условип, в которых протекают явления, чтобы добиться тех или иных желаемых результатов. Эти законы помогают нам уяснить смысл Я!3JJеIШЙ Н, таким образом, открывают
путь для создан!!я теории 5l!JJJСНI!Я, Т. е. тех общих пред
ставлений, которые позволяют понять, почему наблюдаемое явление подчиняется найденным законам и какова связь его с другими ЯIJлеНИЯI\Ш, ИJiогда на первый взгляд очень
от него далеlПlМИ.
Так, 13 примере падения тел мы устанавливаем законы
падения, выясняя роль сопротивления воздуха, зависи
мость этого сопротивления от формы тела и СI{ОРОСТИ его
16
движения. Тшшм путем мы постепенно прIlХОДИl\f к полной
теории явления, показывающей, в частности, что в Я!мении падения могут весьма важную роль играть ВIIХРИ, образую щиеся в воздухе при быстром ДВIIжении тела; выясняется
значение так называемой «обтекаемой» формы тела, т. е.
формы, при которой весьма ослабляется вихреобразование
и связанное с ним торможение ДВIIжения. Выяснение этих
вопросов позволяет решить ряд важнеЙШIIХ задач самолето строения, создания автомашин рационаJIЬНОЙ форм!,!, по
строения быстроходных поездов и т. д.
Из изложенного ясно, какое громадное значение имеет
эксперимент для физической науки. С помощью экспери мента мы находим законы явлений, пользуясь эксперимеll
том, мы приходим К построению теории явлений. 1't··ория
в свою очередь позволяет предвидеть новые, еще не IIзвест
ные особеННОСТII явления и указывает условия, 13 которых
эти особенности могут проявляться . Такие ВЫВОДЫ из теории вновь подвергаются эксперимента.'IЬНОЙ проверке,
что нередко служит для исправления или усовершенствова
ния теории. Так, мало-помалу, сложное 11 неяспое явление
становится вполне ПОIIЯТНЫМ, и мы научаемся по своему же
ланию управлять пм. Из этого умения управлять явлени
ями природы и возникла вся мощь СОВРб1енной техники.
После приведенных разъяснений о роли эксперимента
понятно, почему мы называем физику эксnерu,менmалыюй
наукой. Но не следует, конечно, думать, что для устанорле
ния законов и создания теорий достаточно простого сопо
ставления результатов хорошо выполненного эксперимента.
Требуется напряжение всех мыслительных и творческих
способностей человека, чтобы из материалов, получен
ных из эксперимента, воздвигнуть величественное здание
науки.
В разобранном выше примере падения изучаемое >Iвле
ние было сравнительно простым; и все же и в ЭТОМ явлении
не так уж просто установить, какие из сторон явлеНIIЯ иг
рают более важную, а какие - второстепенную роль и Ю:1l{
можно упростить или, как говорят, схеАtamuзuроваmь явле
ние, чтобы, отбросив второстепенное, не упустить сущест пенного. Во многих случаях задача осложняется те,,1, что
в реальных явлениях переплетаются весьма разнообразные
процессы. В явлении могут, например, играть существен
ную роль электрические или тепловые проuессы, в резуль
тате которых возникают силы, сообщающие телам ускоре
ние, могут обнаруживаться или даже иметь решающее зна
чение I{акие-либо оптические изменения и т. д.
Представьте себе, например, ЯВЛСI!l!С грозы. Здесь тесно
сплетаются тепловые ЯВ,1]ения и явлсния молекулярной
физики (испарение и J(ондеНС~ЩIlЯ водяного пара); явления электричесю!е (роль заряженных центров при образовании
капелек, возникновение элею Рllческого напряжения между
грозовыми облаJ(а~1II и ПРОl!стекаЮЩllе от этого электриче
ские разряды); оптические и акустические явления (молния, ГI)Q~i); многообразные ыехаЮlчеСЮlе явления (паденпе ка
пель, ветер, движение об,1:Н~ОБ, образованне вихрей) н т. Д.
Понятно, что n подобных С,'j\'чаях еще большее значение
имеет расчленение сложного ЯБ-,1еНIIЯ на более простые, об
легчающее изучение явлеН!~я по частяУ!. Наб,1]юдення над
С,10ЖНЫМИ явлеНИЯМII показыЕют,' что при таком расчле
нении можно выделить I'рупг.у сходных явлений, наприыер
оптические, тепловые, электрические 11 т. Д., как это 11 было
сделано нами в Прlшере грозы. ПОЭТО~1У целесообразно при изучении фИЗIIКИ объединить исследуемый материал
такие группы, ХОТЯ между ними нельзя провести резкой
границы_ В соотвеТСТВlII1 с ЭТIIМ распределение учебного
материала по группам (и даже их последовательность) не является чем-то строго обязательным и может быть прове
дено различным обраЗО~1.
В нашем учебнике мы начинаем изучение явлений с ме ханики (включая механику жидкостей и газов), и60 относя
щиеся сюда явления 60,1]ее просты, а также и потому, что
ЗIlание законов механики оказывает нам существенную
помощь при изучении других разделов. Затем излагается
учение о тепловых явлениях, тесно переплетающихся с яв
лениями молекулярной физики. Далее выделен обширный круг электрических и электромагнитных явлений. Явления колебаний и волн объединены в особый раздел, включаю
щий механические, акустические и электромагнитные коле
башнl. Затем СJlедуют оптические яв.пения, изложение кото
рых в значительной степени опирается на учение о колеба
ниях и волнах. В f<:онце дается небольшой очерк учения
об атоме.
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
МЕХАНИКА
г л а в а 1. КИНЕМАТИКА
§ 1. Движение тел. Механическим ДБИЖСIше:,! тела называ
ется UЗ.нененuе с mеченtlеЛ1 epe.}leHI1 его положения ПО оmно
шеншо к другllN mе.ШJ1.
Мы постоянно встречаемся с движение;"1 тел в повседнев
ной жизни, в технике и науке. i\:\bI наблюдаем движения
людей, животных, движения воды в реках и морях, движе ния воздуха (ветер). Движения совершают различные сред ства транспорта, всевозможные механизмы, станки, прибо ры, снаряды и т. д. J3 МИРОВО:» пространстве движутся Земля
и другие плаllеты, KO:>IeTbl, метеорные тела (рис. 1),
Рис, 1. Метеор на ночном небе
Луна, искусственные спутники Земли и космические
корабли, посланные к другим планетам Со.'1нечноЙ системы;
движется Солнце относительно других звезд и звезды друг относительно друrа. Движутся молекулы, атомы, электро-
19
ны, протоны, альфа-част!щы (pJJc. 2) И другие элеыентарные
чаСТIЩl1 (мсльчайпше частrrцы вещсства). Практически все
физичеСfше явления сопровождаются движениями тел. По этому изучение фrrзики мы начнем с изучения движения
тел. ЭтО!' разд('л физики называют Лlеханuкой.
С.10ВО «механика» произошло от греческого слова «),i('-
ханэ» - машина, прнспосоБЛtl!ие. Уже в древности егип
тяне, а затс.\! греки, рю!Ляне
и друП!(' народы строшш раз
ЛИчные маш!IВЫ, при:\!еняв
шиеся Щ!Я транспорта, в стро
ител ьстве, в !30eНlIO~1 деле
(рис. 3). При действии этих
машин происходило движение
их частей: рычагов, колес,
канатов н т. Д., а также под
нимаеыых и перемещаемых
грузов. Изучение действия
этих машин и привело к за·
рождению науки о движеШ!Jf
тел - механнки.
К меха вике относят и на
хожденис условий, при кото
рых тела остаются в покое,
УСЛОЕИИ равновесия. Тюше
Рис. 2. Быстро двюкущиеся
альфа-частицы, пролетзп в ка
мере Вильсона, оставляют за собой туманный С,1ед из ВОдп-
ных капелек
вопросы играют решающую
роль в строитеЛЬНО~1 деле.
Когда рассыпается домик, по
строенный ИЗ кубиков, или
рушится здание или мост, это значит, Что условия рав
новесия для этих тел были
нарушены.
Двигаться могут не только \iатериальные тела. Подобно
тому как мы ГОI30РИМ о движении летящей пули или брошен
ного камня, можно говорить о движении солнечного зай
чика, перемещающегося по стене при повороте зеркальца,
ЩIИ о движении тени, отбрасываемой освещенным предме
том, и т. п.
Световые сигналы и радиосигналы затрачивают весьма
малое время на прохожденис даже значительных расстоя
ний (на[Jример, они проходят путь от Земли до Луны и об ратно всего за 2,5 секунды). Поэтому в обыденных усло ЕИЯХ на Земле при небольших расстояниях может пока
заться, что свет или радиосигнал пробегает раССтояние
между ДВУМЯ пунктаМII мгновенно. Однако это неверно:
свет, как и l\·1атеРИL1льные тела, должен затратить на такой
пробег какое-то определенное, хотя и малое время. Но обна ружить 11 IIзмерить время, затрачиваемое светом на пробег
Рис. 3. Метательное орудие древних греков
тех или иных расстояний, очень трудно. Это удалось впер
вые сделать только в XVII веке, изучение же движения
материальных тел и звуковых сигналов началось еще в древ
ности.
Вопросы перемещения сигналов более сложны, чем во просы перемещення материальных тел. Они будут изучать ся в томе III.
§ 2. Кинематика. Относительность движения и покоя. Для
изучения движения тел научимся прежде всего описывать
движения. При этом вначале не будем выяснять, как воз
никают эти движения. Раздел механики, в котором движения
изучаются без исследования причин, их вызывающих, на
зывают кuнеАtатИ1(ОЙ.
Движение каждого тела можно рассматривать по отно
шению к любым другим телам. По отношению к разным те лам' данное тело будет совершать различные движения: чемодан, лежащий на полке в вагоне идущего поезда, от
носительно вагона покоится, но относительно Земли дви
жется. Воздушный шар, уносимый ветром, относительно Земли движется, но относительно воздуха покоится. Само-
21