60
Как присутствить к решению задачи по физике?
Г. И. Розенблат
Решение физической задачи — весма сложный процесс. Он требует от решенияго глубкого знания физики, умения анализировать задачу и правильно применять для ее решения законы физики и их следствия. Часто бывают полезно применять для решения данного задачи опыт прежних решений, проводить анализи, делать упрощения и т. п.
Трудно (или даже невозможно) разработать универсальные примы для решения любой физической задачи. Однако можно предложить некоторые общие правила, обеспечивающие наиболее важную часть решения, а именно: отбор тех законов, которые можно применять для решения. Об этих правилах, применительно к механическим задачам, инойдет речь в статье.
При решении задачи учащся нередко выбирают тот или иной закон на том основании, что в его формулу входят величины, имеющиеся в условиям задачи. Такой подход может привести к серbezным ошибкам. Дело в том, что каждый физический закон имеет определенные границы и условия применения, то есть его можно применять не всегда. Так, например, закон сохранения импульса можно применять только в том случае, если выполняются одновременно два условия: система отчета является инерциальной и исследуемая система тел замкнута. Если хотя бы одно из этих условий не соблюдено, закон сохранения импульса использовать для решения задачи нельзя. Таким образом, прежде чем применять какой-либо закон, необходимо проверить, выполняются ли условия его применения. Причем для каждого закон можно установить определенную последовательность вопросов, на которых нужно ответить, то есть построить «алгоритм распознавания» *). Так, для закона сохранения импульса последовательность вопросов должен быть таким:
- Является ли система отчета инерциальной?
- Является ли исследуемая система тел замкнутой?
- Может ли применять классический механизм?
- Является ли рассматриваемая система замкнутой?
- Является ли внутренние силы системы помещались?
- Какие части законы механизм использовать?
*) Алгоритм называется совокупностью действия, выполняемых в строю установленном порядке для решения задачи определенной типа.
61
Поясним на конкретных задачах, как пользоваться таким «планом» решения задачи.
Задача 1. Брусок высотой h скользит ускоренно взз по склоу горы. Какая половина бруска, правая или левая, сільнее давит на гору, если поверхность горы цероховатая?
Аналіз. 1) Система отсчета связана с Землей, то есть является практическим инерционным. 2) Скорость бруска, по-видимому, гораздо меняше скорости света в вакууме, а сам брусок является макросоппечим телом — можно применять законы классической механики. 3) Брусок, конечно, нельзя считать материйной точкой в данной задаче, так как в условиях говорится о его размерах и расматривается давление его отдельных частей, — нужно применять законы диамники и kinematики для протяженных тел, в данном случае — для твердого тела. 4) Система тел Земля — брусок замкнута, можно применять закон сохранения импульса. 5) Внутренние силы в системе — силы треня — не являются потенциальными, поэтому закон сохранения механической энергии применять нельзя.
Таким образом, мы установили, какими законами можно пользоваться при решении этой задачи. Но это не означает, что все эти законы нужно применять. Ни один из законов сохранения не имеет отношения к давлению частей бруска, поэтому следует попытаться решить задачу, ис-
Рис. 1.
Рис. 2.
пользоваться диамники и kinematики твердого тела.
Решен и е. Брусок движется поступательно, следовательно, равноведействующая всех действующих на него сил проходит через центр масс бруска. На брусок действует сила тяжести mg, приложенная в центре масс, сила треня Fтр, направлена вверх вдоль наклонной плоскости, и сила реакции опоры N, перпендикулярная к плоскости. Равноведействующая R двух последних сил, приложенных к основанию бруска, также должны проходит через его центр масс.
Если брусок движется равномерно, то сумма всех сил равна нулю, то есть сила R равна по величины силы тяжести бруска и направлена с ней по одному прямой (рис. 1). Следовательно, сила R, а значит, и сила N, приложены в точке B, которая лежит ниже точки O — середины основания бруска. Согласно третьему закону Ньютона сила давления бруска на гору тоже приложена в точке B. Это означает, что права часть бруска давит сільнее, чем левая.
Если брусок скользит с ускорением, то равноведействующая всех сил направлена так же, как ускорение, то есть визз по наклонной плоскости. Значит, сила R в этом случае отверткали вправа на некоторый угол (рис. 2). Проведем через центр масс примерное направление действия этой силы; оно пересечет плоскость в точке A, которая, так