Kvant 1978, số 3 · Trang
KEANT 3
1978
Tạp chí VẬT LÝ VÀ TOÁN HỌC PHỔ BIẾN
HỌC VIỆN KHOA HỌC LIÊN XÔ và VIỆN KHOA HỌC SƯ VỤ LIÊN XÔ
Tháng 3 năm 1978 đánh dấu kỷ niệm 70 năm ngày sinh của biên tập viên tạp chí «Kvant», nhà vật lý kiệt xuất Liên Xô, phó giám đốc Viện Năng lượng nguyên tử I.V. Kurchatov, Anh hùng Lao động xã hội chủ nghĩa, người đoạt giải thưởng Lênin và Nhà nước Liên Xô, học giả ISAAC KONSTANTINOVICH KIKOIN.
Ngoài công việc khoa học hiệu quả, Isaac Konstantinovich còn dành nhiều thời gian và sức lực cho các vấn đề sư phạm ở trường trung học. Ông là một trong những tác giả của chương trình và sách giáo khoa vật lý mới “Vật lý 8”, Chủ tịch Ủy ban Vật lý của Hội đồng Giáo dục và Phương pháp của Bộ Giáo dục Liên Xô và Chủ tịch Ban Tổ chức Trung ương Olympic Trường học Toàn Liên minh.
Ban biên tập và biên tập tạp chí «Kvant», thay mặt cho chính họ và thay mặt cho hàng nghìn độc giả, chúc mừng sinh nhật lần thứ bảy mươi của Isaac Konstantinovich và chúc ông nhiều năm tuổi thọ, hạnh phúc cá nhân, những thành công mới trong hoạt động khoa học và sư phạm.
TRONG PHÒNG:
2 A. Lopschit. Các vùng hình định hướng
11 M. Bronstein. Tính không thuận nghịch của các hiện tượng nhiệt và thống kê
Phòng thí nghiệm «Kvant»
19 Y. Geuzin. Mô hình tinh thể bong bóng
vòng tròn toán học
25 L. Sofman. Tổng chiều dài và năng lượng tối thiểu
29 người chiến thắng cuộc thi «Kvant»
Vấn đề «Kvant»
30 Bài toán M491—M495; F503—F507
32 Lời giải bài toán M444, M445; F458—F461
Qua những trang sách giáo khoa
38 A. Zemlyakov. Một parabol trông như thế nào?
40 V. Berezin. Viviana
«Kvant» cho học sinh nhỏ
41 Bài toán
42 B. Kordemsky. Đối số ẩn
Xưởng của người nộp đơn
44 V. Alimitsev, L. Berkovich, S. Menikov, A. Khvostmov. Đại học bang Kuibyshev
45 I. Gorev, F. Cross. Đại học quốc gia Moscow được đặt theo tên. M. V. Lomonosova
48 S. Ovchinnikov. Điểm thuộc một đường thẳng và một mặt phẳng
54 V. Orlov. Nghịch lý thân hình to lớn
Đánh giá, thư mục
59 I. Klumova, M. Smolyansky. Sách mới
61 M. Shaskolskaya. Tại sao và làm thế nào sự trống rỗng biến mất
62 Đáp số, gợi ý, lời giải
Trộn (10, 18, 43, 47)
Trên trang đầu tiên của trang bìa bạn thấy “vòng cổ của Aituan”. Thông tin chi tiết về nó được mô tả ở trang 47.
2
A. Lopshitz
Các vùng hình định hướng
Người đọc tạp chí của chúng tôi thường bắt gặp nhiều bài toán trong đó thảo luận về các lĩnh vực. lời giải của họ cũng có được bằng nhiều cách khác nhau. Trong «Kvant» Số 3 năm 1977, chúng ta đã nói về ý tưởng của Möbius - để đo diện tích của các đa giác định hướng không chỉ bằng các đa giác dương như đã làm ở trường mà còn bằng các số âm. Chúng tôi hứa sẽ quay lại xem xét những câu hỏi này và giới thiệu cho người đọc giải pháp bài toán do Möbius đặt ra và bài toán, giải pháp mở rộng chúng một cách tự nhiên. Hiện tại, chúng tôi đề xuất đo diện tích của các đa giác định hướng trước tiên—đây là trọng tâm của phần đầu tiên; tình trạng của tài liệu được trình bày trong đó sẽ khiến người đọc chuẩn bị sẵn sàng cho lời giải độc lập không chỉ những bài toán về các lĩnh vực được trình bày trên tạp chí của chúng tôi, mà còn nhiều lĩnh vực khác.
-
Tính chất cơ bản của diện tích các hình định hướng
-
Như các nhà sử học tin rằng, nhu cầu đo diện tích của các hình phẳng là một trong những nguyên tắc cơ bản cho sự xuất hiện và phát triển của hình học: người Ai Cập cổ đại phải khôi phục - sau trận lũ sông Nile tiếp theo - ranh giới các mảnh đất của họ bị ngập bởi nước suối, và lại thay đổi diện tích của chúng.
Ngay trong lớp học làng, học sinh đã học quy tắc đơn giản nhất để tìm diện tích hình bình hành, hình tam giác và hình thang. Đạo hàm toán học của các quy tắc này sử dụng đa giác có diện tích bằng tổng diện tích của tam giác và đa giác :
Nhìn lướt qua Hình 1, có vẻ như đủ để chấp nhận tính chất này, tức là theo thực tế là mệnh đề toán học mà nó biểu thị là hợp lệ. Tuy nhiên, đối với đa giác thể hiện trong Hình 1, 6, đặc tính này không đúng; trong trường hợp này
Do đó, chúng ta sẽ phải thay đổi công thức: diện tích của đa giác bằng tổng hoặc hiệu diện tích của đa giác và tam giác .
Tuyên bố này đúng cho cả đa giác lồi và không lồi, nhưng, than ôi! - một nhược điểm đáng kể: để sử dụng nó, bạn cần phải nhìn vào bản vẽ mỗi lần và chọn dấu “cộng” hoặc “trừ”.
- Cách thoát khỏi tình trạng này đã được chỉ ra (trở lại năm 1827) bởi nhà hình học ký hiệu Möbius. Ông đề xuất chỉ gán giá trị dương cho diện tích của tam giác nếu
3
các đỉnh nằm theo chiều kim đồng hồ (Hình 2, a), còn ngược lại (Hình 2, b), “diện tích” của tam giác được coi là số âm, mô đun của nó bằng tổng diện tích của tam giác này.
Sự hữu ích của quan điểm mới này được minh họa rõ ràng bằng ví dụ sau. Nếu điểm nằm bên trong tam giác thì (Hình 3). làm ơn. xin vui lòng. xin vui lòng.
- làm ơn. . (*)
Tuy nhiên, nếu điểm nằm bên ngoài tam giác , thì đẳng thức này phải được thay thế bằng một đẳng thức khác, chẳng hạn như trong trường hợp được hiển thị trong Hình 4, và đẳng thức
làm ơn. xin vui lòng.
- làm ơn. xin vui lòng. .
Người đọc có thể dễ dàng nhận thấy rằng, tùy thuộc vào vị trí của điểm , có thêm năm “bình đẳng tương tự” nữa là hợp lệ (Hình 4, b, b; 5, a, b, b). Tuy nhiên, nếu bạn sử dụng quy tắc Möbinus, thì bạn có thể dễ dàng kiểm tra, “tất cả” bảy đẳng thức này có thể được viết dưới dạng (*) (Hình 6).
Vì vậy, Möbinus đúng có thể khẳng định rằng điều đó là công bằng.
Định lý 1. Dù tam giác nằm trong mặt phẳng như thế nào,
4
naka điểm ,
làm ơn. .
Thay vì bảy định lý - một! Vậy liệu có thể đồng ý về tính hiệu quả của quy tắc Mobinus không?
- Bây giờ chúng ta đưa ra một định nghĩa chặt chẽ về diện tích bằng cách sử dụng quy tắc Mobinus.
Trước hết, chúng ta hãy làm rõ khu vực mà chúng ta sẽ nói đến những nhân vật nào. Chúng ta hãy gọi một đường gãy khép kín tùy ý là đa đỉnh mà thứ tự các đỉnh được chỉ định.
Ký hiệu có nghĩa là đỉnh theo sau đỉnh , theo sau , …, theo sau và cuối cùng, và rất quan trọng! — theo sau . Thứ tự này được gọi là tuần hoàn (hoặc tuần hoàn). Từ định nghĩa này, suy ra rằng đối với các đỉnh -đỉnh phù hợp cũng có thể được biểu thị như sau: . Do đó, các mục , , có nghĩa là ba đỉnh có thứ tự giống nhau và các mục , , có nghĩa là ba đỉnh có thứ tự khác. Chúng ta sẽ nói rằng ba đỉnh và hướng ngược với vị trí.
Đối với các cấu trúc đa đỉnh được định hướng (có thứ tự) mà chúng ta muốn định nghĩa khái niệm diện tích.
Hãy làm theo cách này. Hãy để chúng tôi chỉ ra một số tính chất chính của nó. Các tính chất này sẽ không được chứng minh nhưng mọi phát biểu khác về diện tích các cấu trúc đa đỉnh định hướng sẽ được suy ra từ các tính chất này. (Phương pháp định nghĩa này, được hiểu trong toán học, được gọi là tiên đề.) Vì vậy, chúng tôi tin rằng mỗi đa đỉnh được gán một số nhất định - pl. ; nó có thể không chỉ dương mà còn có thể âm, thậm chí bằng 0; trong trường hợp này các tính chất sau được đáp ứng:
(I) ;
(II) . Nếu chúng ta cho rằng đa đỉnh trùng với đa đỉnh thì tính chất này có thể được viết như sau:
(II’) .
Bây giờ chúng ta hãy quay lại Định lý 1. Cơ sở của sự tương ứng (I) và (II), nó đã có thể được xây dựng và chứng minh rồi! Trên thực tế, cho dù các điểm nằm trong mặt phẳng bốn như thế nào thì các đẳng thức vẫn diễn ra - theo (II) và (II’): pl. ; làm ơn. và do đó xin vui lòng. , tức là xin vui lòng. . Có tính đến điều đó nhờ vào (I), pl. , chúng tôi nhận được xin vui lòng. .
Bây giờ hãy thử tìm ra ký hiệu cần thiết cho Định lý 1:
Định lý 2. Cho dù điểm nằm trong mặt phẳng của đa đỉnh có thứ tự thì đẳng thức pl. .
Rút ra một hệ quả từ điều này
7
Hình 12, A.
Bài 4. Chứng minh nếu
a) là số nguyên dương,
b) là số hữu tỉ dương,
c) là số hữu tỉ âm.
Thư từ cũng hợp lệ. (Bạn chỉ nên sử dụng và .))
Để kết thúc danh sách các công thức này, chúng tôi sẽ chỉ ra rằng chúng bao hàm một định lý rất quan trọng cho toàn bộ lý thuyết về mặt phẳng:
Nếu các đoạn và thẳng hàng (tức là nằm trên các đường thẳng song song hoặc trên cùng một đường thẳng), thì
Thật vậy, do ta có
và do đó
Nếu đoạn thẳng hàng với đoạn thì ; Đó là lý do tại sao
*) Không thể thiết lập tính đúng đắn của các công thức và đối với số vô tỷ dựa trên công thức . Để mở rộng các công thức này thành số vô tỷ , cần phải áp đặt các hạn chế neokotny đối với biểu thức như một hàm của . Chẳng hạn, chỉ cần giả định rằng hàm này là đơn điệu là đủ.
**) Vâng, điều này rất tuyệt! - người đọc sẽ nói.
Xét cho cùng, hình bình hành , được xây dựng trên các đoạn thẳng thẳng hàng, được biểu thị như sau: tất cả các đỉnh của nó nằm trên cùng một đường thẳng và do đó diện tích của nó bằng 0. Tuy nhiên, việc sử dụng từ “posto” trong “điều kỳ diệu” này về mặt logic là không hợp lý chút nào - chỉ trong những trường hợp đó, chúng ta mới có thể nói “posto” khi chúng ta dựa vào các quy định chính của I, II, III hoặc dựa trên các định lý đã được chứng minh với sự trợ giúp của chúng.
8
III. Tính toán mặt phẳng định hướng của đa đỉnh phẳng có thứ tự tùy ý
- Đặt là một điểm được chọn tùy ý trên mặt phẳng và đặt các vectơ và nằm trong đó không phải là hình tròn.
Nếu và là hai số tùy ý thì vectơ được gọi là tổ hợp tuyến tính của các vectơ và .
Cho phép
(1) .
Như vậy, việc chỉ định một cặp số có thứ tự () đồng thời xác định điểm (tương ứng với cặp số này). Người ta thường nói rằng là tọa độ đầu tiên của điểm , là tọa độ thứ hai của điểm so với hệ tọa độ được xác định bởi gốc và “vectơ tỷ lệ” và .
Trong phần trình bày sau đây, chúng tôi sẽ giả sử rằng điểm và các vectơ và là cố định và chúng tôi sẽ sử dụng ký hiệu (1) cùng với ký hiệu ngắn: .
Bài toán 6. Các điểm của mặt phẳng nằm ở đâu ():
a) có tọa độ đầu tiên (trong hệ ) là một số dương (âm) và tọa độ thứ hai bằng 0,
b) cả hai tọa độ đều là số dương (âm),
b) tọa độ đầu tiên là dương (âm) và tọa độ thứ hai là dương)?
Cho các số và tất cả các giá trị có thể có trong công thức (1), ta thu được tất cả các vectơ có thể có của mặt phẳng chứa các điểm , , ; nói cách khác, mỗi điểm của mặt phẳng này có cặp tọa độ riêng: (Hình 13). Dễ dàng thấy rằng chúng có thể được tính bằng các công thức sau:
(2) .
Thật vậy, nhân (xiên!) lần
9
IV. Bài toán Mobius và các sản phẩm của nó
- Trong bài viết có tựa đề này (trong số thứ ba của tạp chí của chúng tôi năm ngoái), chúng tôi đã đề xuất chứng minh rằng dù các hình ngũ giác A, B, C, D và E nằm trong mặt phẳng như thế nào thì diện tích x của hình ngũ giác vẫn là nghiệm của phương trình bậc hai
(3) ,
trong đó a, b, c, d, e là diện tích ba đỉnh định hướng .
Sự quan tâm đặc biệt mà bài toán này gợi lên là do ngũ bộ có thể không lồi và thậm chí có các cạnh cắt nhau (Hình 14); Do đó, không có gì đáng ngạc nhiên khi các số a, b, c, d và e cũng có thể âm.
Chứng minh tao nhã mà Möbius đưa ra sử dụng bộ máy toán học đặc biệt mà ông mô tả - phép tính barycentric (barycenter - trọng tâm), mà Möbius phát hiện ra khi nghiên cứu các vấn đề của cơ học vật rắn. Đại số vectơ hiện đại cũng phát sinh dưới ảnh hưởng của những ý tưởng này của Möbius. Chúng tôi sẽ giới thiệu với độc giả bằng chứng vectơ bài toán của Möbius - nó sử dụng lý thuyết về các vùng định hướng được mô tả ở trên, chính xác hơn là “danh tính Möbius” đã được chứng minh ở đoạn 8 - mà chúng tôi sẽ viết như sau:
làm ơn. xin vui lòng. +
(4) + xin vui lòng. xin vui lòng. +
- làm ơn. xin vui lòng. .
Do tính chất của khu vực định hướng pl. xin vui lòng. +
- làm ơn. xin vui lòng. xin vui lòng. d;
x = hình vuông pl. +
- làm ơn. xin vui lòng. ,
x = hình vuông pl. +
- làm ơn. xin vui lòng. , và do đó
10
xin vui lòng ;
Pl. ;
Pl. .
Thay các biểu thức này vào (4), ta được
tức là phương trình (3).
- Möbius cũng đề xuất chứng minh rằng nếu diện tích (được định hướng!) của bốn đỉnh , , , , lần lượt bằng nhau, , , , , , thì diện tích ngũ phân là nghiệm của phương trình bậc hai
(“giống nhau,” Möbius nói, như phương trình 3).
Người đọc tự kiểm tra chứng minh này. Khó khăn hơn sẽ là lời giải “phần tiếp theo” bài toán của Möbius:
Chứng minh rằng nếu diện tích các tam giác định hướng
bằng (tương ứng) thì diện tích của ngũ giác là nghiệm của phương trình bậc hai
- Cuối cùng chúng ta hãy chú ý đến thực tế là cả bài toán của Möbius và “sự tiếp nối” của nó đều là những trường hợp đặc biệt của bài toán đó.
Trên các cạnh của năm đỉnh định hướng , các điểm được lấy sao cho . Cần phải xây dựng một phương trình thỏa mãn diện tích của hình ngũ giác , nếu diện tích các hình tam giác , lần lượt cho trước bằng . (Trong trường hợp là bài toán của Möbius; nếu là “sự tiếp tục” của nó).
Một đáp số hoàn toàn bất ngờ thu được trong trường hợp khi ; đây là:
Có vẻ còn bất ngờ hơn nữa khi đối với một giá trị tùy ý cho trước (tuy nhiên, không bằng ) bài toán có một… xấu xí đáp số:
Có thể điều an ủi là đối với và đối với công thức này vẫn dẫn đến các phương trình (3) và (6). Một khuyến khích bổ sung cho việc suy ra công thức (7) sẽ là (đối với người đọc thực sự!) thực tế là nó mang lại lời giải như vậy bài toán: với giá trị nào của số (ngoại trừ ) là diện tích của hình gấp năm lần được xác định duy nhất bằng cách chỉ định các diện tích ?
Và cuối cùng, liệu có thể giải được bài toán cuối cùng này mà không cần rút ra công thức “xấu xí” không?
Tái sử dụng
Hãy thử giải mã các ví dụ về phép nhân sau, trong đó mỗi ví dụ có các chữ cái giống nhau biểu thị cùng một số và các chữ cái khác nhau biểu thị các số khác nhau và không có số nào bắt đầu bằng số 0.
11
M. Bronstein
Tính không thuận nghịch của các hiện tượng nhiệt và thống kê
Bài viết này là một chương trong cuốn sách “Cái giá của vật chất” được viết bởi nhà vật lý nổi tiếng Liên Xô và nhà phổ biến khoa học nổi tiếng M. S. Bronstein. Cuốn sách này được xuất bản vào năm 1936. Nội dung được in có những thay đổi nhỏ.
Chúng ta gọi hiện tượng là tất cả những hiện tượng xảy ra với các vật thể vĩ mô, trong đó chúng ta không còn có thể giới hạn mình trong khoảng cách chuyển động của toàn bộ vật thể vĩ mô mà còn phải tạo khoảng cách chuyển động của các bộ phận nhỏ nhất của vật thể này so với nhau, tức là, trong trường hợp cuối cùng, có tính đến cấu trúc nguyên tử của vật thể; Vì vậy, chẳng hạn, sự giãn nở của chất khí, sự biến dạng của một thanh kim loại, v.v., theo nghĩa này, chúng ta gọi hiện tượng kể, cùng với sự nóng lên của chất khí đựng trong một bình có thể tích không đổi. Định luật bảo toàn năng lượng, đại diện cho một trong những nguyên lý cơ bản của cơ học, cũng có giá trị trong lĩnh vực hiện tượng nhiệt; Điều này thể hiện bằng chứng nghiêm túc về quan điểm cho rằng một vật thể vĩ mô có thể được hiểu là một hệ cơ học bao gồm các nguyên tử, nói cách khác, “vật thể đó là chuyển động”. Đó là lý do tại sao định luật bảo toàn năng lượng được gọi là nguyên lý của lý thuyết cơ học về cơ thể (thay vì diễn đạt “lý thuyết cơ học về cơ thể”, cái tên ngắn hơn “nhiệt động lực học” thậm chí còn được sử dụng nhiều hơn).
Khi chúng ta cố gắng áp dụng các nguyên lý cơ học vào một vật thể vĩ mô bao gồm một số lượng lớn các nguyên tử, ngay từ đầu chúng ta đã gặp phải hai khó khăn đáng kể. Khó khăn đầu tiên trong số này hoàn toàn là thực tế. Thực tế là đối với lời giải bài toán về việc tăng một hệ cơ học bao gồm, chẳng hạn như 102⁵ hạt, cần phải viết và sau đó giải cùng một số lượng phương trình khổng lồ; Nếu chúng ta có thể viết được một phương trình trong một giây thì chúng ta sẽ phải mất hàng tỷ tỷ năm mới viết được một hệ phương trình như vậy.
Xem xét kỹ các hiện tượng nhiệt, chúng ta thấy rằng quan điểm mô tả ở trên về lý thuyết vật thể với tư cách là cơ học của một hệ gồm một số lượng lớn các hạt cũng gặp phải một khó khăn khác, không còn mang tính thực tiễn nữa mà có tính chất sâu sắc và cơ bản hơn. Để thử độ khó này, hãy xem xét ví dụ sau. Giả sử rằng chúng ta có một bình kín, được chia thành hai phần bằng nhau bằng một van (Hình 1).
Hình 1.
Giả sử có một lượng khí nhất định ở phần I và tính trống rỗng ở phần II. Chúng ta hãy kéo cửa chớp vào một thời điểm nào đó và xem điều gì sẽ xảy ra bên trong con tàu, bắt đầu từ thời điểm này. Kinh nghiệm cho thấy rằng khí ban đầu được đặt ở phần I sẽ nở ra vào khoảng trống liền kề và được phân bố khắp bình với mật độ đồng đều. Hiện tượng này xảy ra như thể “tự nó”: điều này có nghĩa là kể từ thời điểm màn trập được kéo ra, khí là một hệ thống khép kín, mà chúng ta giám sát từ bên ngoài, không hề giống nhau
12
Khâu vào các quá trình đang diễn ra bên trong cô ấy. Cho dù chúng ta có theo dõi khí nhiều đến mức nào trong tương lai, nó sẽ luôn được phân bổ với mật độ như nhau trong toàn bộ thùng chứa; cho dù chúng tôi có chờ đợi bao lâu, chúng tôi cũng không thể quan sát thấy khí, được phân phối khắp tàu , “tự nó”, tức là không có bất kỳ sự can thiệp nào từ bên ngoài, đã rời khỏi phần và tập trung hoàn toàn ở phần , để chúng tôi có thể vặn van điều tiết lại và do đó trở lại trạng thái ban đầu. Từ đó, rõ ràng rằng quá trình giãn nở của khí thành trạng thái trống rỗng là một quá trình không thể đảo ngược: điều này có nghĩa là mặc dù bản thân nó có thể xảy ra trong một hệ kín mà không có bất kỳ sự can thiệp nào từ bên ngoài, nhưng quá trình ngược lại (chuyển toàn bộ khí thành phần để khoảng trống được hình thành một phần ) “tự nó” sẽ không xảy ra. Kinh nghiệm cho thấy các hiện tượng ấm hầu như luôn có đặc tính “không thể thuận nghịch”: ví dụ, nếu có hai vật ở cạnh nhau, vật này nóng hơn vật kia, thì nhiệt độ của chúng dần dần cân bằng, tức là nhiệt “tự” truyền từ vật ấm hơn sang vật lạnh hơn; tuy nhiên, quá trình ngược lại sẽ không bao giờ xảy ra nếu không có sự can thiệp từ bên ngoài. Một miếng đường cho vào trà nóng sẽ tan trong đó, nhưng điều đó không bao giờ xảy ra với trà nóng mà một miếng đường đã được hòa tan, phần đường sau sẽ tách ra và lại trở thành một miếng nguyên vẹn. Có thể đưa ra bất kỳ số ví dụ nào về tính không thể đảo ngược tương tự. Bây giờ chúng ta hãy thử tìm hiểu xem liệu tính không thể đảo ngược này có thể được giải thích dựa trên các nguyên lý cơ học hay không. Chúng ta hãy xem xét một số chuyển động xảy ra tuân theo các nguyên tắc này trong một số hệ thống cơ học khép kín (tức là trong các điều kiện bên ngoài không đổi). Giả sử hiện tượng này bao gồm việc chúng ta ném một hòn đá từ một điểm nào đó , cuối cùng hòn đá này rơi ở điểm . Để đơn giản, chúng ta hãy giả sử rằng hòn đá đang chuyển động trong chân không (nếu không chúng ta sẽ phải tính đến lực cản của không khí đối với sự chuyển động của hòn đá, và lực cản này là một hiện tượng nhiệt; Vì chúng ta muốn so sánh các hiện tượng nhiệt với những hiện tượng trong đó khả năng áp dụng các nguyên lý cơ học là một thực nghiệm cơ bản và chắc chắn, nên chúng ta phải loại trừ trước tất cả các hiện tượng nhiệt trong trải nghiệm cơ học tưởng tượng của mình). Đường bay của hòn đá từ đến có bị đảo ngược không? Không còn nghi ngờ gì nữa, vì quá trình ngược lại rất dễ thực hiện. Để làm điều này, bạn chỉ cần đứng tại điểm và ném một hòn đá, cho nó vận tốc tuyệt đối như khi nó rơi xuống điểm , nhưng hướng theo hướng ngược lại. Theo kinh nghiệm và từ các nguyên lý cơ học, trong trường hợp này hòn đá sẽ chạm đúng điểm mà nó đã mô tả trước đó, nhưng theo hướng ngược lại và sẽ rơi ở điểm . Ví dụ được thảo luận một cách hữu ích chỉ là một phần của trường hợp nguyên lý chung của cơ học, phát biểu rằng nếu bất kỳ chuyển động nào có thể xảy ra trong một hệ cơ học kín thì chuyển động “ngược lại” cũng có thể xảy ra. Để thực hiện chuyển động ngược lại, chỉ cần để tất cả các bộ phận của hệ thống của chúng ta tại một thời điểm nào đó và sau đó truyền cho chúng những vận tốc bằng giá trị tuyệt đối, nhưng ngược chiều trực tiếp với vận tốc mà chúng có ngay trước khi dừng lại. Như vậy, mọi hiện tượng cơ học đều nghịch đảo. Tại sao các sự kiện ấm áp là không thể đảo ngược?
Thoạt nhìn, có vẻ như tính không thuận nghịch của các quá trình nhiệt là kết quả của cơ học, rằng mọi chuyển động đều đảo ngược, vì vậy chúng ta có thể đã nghi ngờ tính đúng đắn của tuyên bố “vật thể là chuyển động”. Mâu thuẫn mà chúng ta vừa nói đến chỉ được vạch trần vào nửa sau thế kỷ 19 bởi nhà lý thuyết người Đức Ludwig Boltzmann. Bolshan đã chứng minh rằng mâu thuẫn này chỉ là hiển nhiên.
13
Để hiểu ý tưởng của Bolshoi, hãy xem xét ví dụ sau: giả sử rằng chúng ta có một nền tảng được đánh bóng theo chiều ngang được bao quanh bởi barBEROM ở tất cả các phía và trên nền tảng này có một quả bóng được đánh bóng trơn tru trượt dọc theo nền tảng, phản chiếu barBERA khi nó tiếp xúc với nó. Đường đi của quả bóng trong thời gian dài sẽ là một đường đứt đoạn phức tạp và phức tạp. Giả sử rằng toàn bộ bề mặt của nền tảng có màu trắng, ngoại trừ chỉ có một số điểm đen được áp dụng trên đó. Những điểm này có thể có hình dạng bất kỳ, tròn, uốn lượn, thon dài, v.v., với điều kiện duy nhất là tổng bề mặt của tất cả các điểm gộp lại chiếm một phần không đáng kể trên bề mặt của toàn bộ nền. Khi quả bóng di chuyển dọc theo bục, thỉnh thoảng nó sẽ chỉ đi vào lãnh thổ của các điểm. Nếu chúng ta theo dõi chuyển động của quả bóng trong một khoảng thời gian đủ dài, chúng ta sẽ thấy rằng nó sẽ nằm trên lãnh thổ của các điểm chỉ trong một phần không đáng kể trong khoảng thời gian này, bằng tổng diện tích tương đối của các điểm đen so với diện tích của toàn bộ nền tảng. Điều này là do chuyển động của quả bóng quá lộn xộn và quanh co đến mức nó sẽ đi qua từng milimét vuông trên bề mặt của bệ chính xác nhiều lần như xuyên qua bất kỳ bề mặt nào khác, chỉ cần chúng ta theo dõi chuyển động của quả bóng đủ lâu để xảy ra sự cân bằng như vậy. Tỷ lệ thời gian bóng ở lâu trên sân đen trong một khoảng thời gian đủ lớn cho trước so với khoảng thời gian này được gọi là xác suất quả bóng nằm trong lãnh thổ của các điểm đen. Xác suất này rất nhỏ và các phát biểu sau có liên quan đến điều này: nếu vị trí và tốc độ của quả bóng tại một thời điểm nhất định không được cung cấp cho tôi với độ chính xác thực sự để tôi có thể tính toán chuyển động của nó trong 10 giây tiếp theo, thì tôi luôn có thể nói với xác suất khá cao rằng sau
Trong 10 giây, quả bóng sẽ có màu trắng chứ không phải màu đen. Nếu ai muốn cam kết với tôi thì tôi có thể bảo đảm cho tuyên bố này bằng một số tiền lớn so với một cam kết nhỏ ở phía bên kia. Vì vậy tôi có quyền đưa ra hai phát biểu sau:
-
nếu biết hiện tại quả bóng đang ở trên sân đen thì rất có thể 10 giây nữa nó sẽ ở trên sân trắng;
-
Nếu biết hiện tại quả bóng đang ở trên sân trắng thì rất có thể 10 giây nữa nó sẽ ở trên sân đen.
Hai phát biểu này có thể được thay thế bằng công thức ngắn gọn sau: việc chuyển một quả bóng từ sân đen sang sân trắng là rất có thể xảy ra, nhưng việc chuyển bóng từ sân trắng sang sân đen là khó xảy ra. Nếu tỷ lệ diện tích của các điểm đen trên diện tích của toàn bộ nền tảng thực sự là cực kỳ nhỏ, chẳng hạn như bằng một phần tỷ, thì quả bóng sẽ ở trong vùng đen trung bình một giây trong ba mươi năm (ba mươi năm là khoảng một tỷ giây). Vì vậy, có lẽ trong nhiều năm, chúng ta thường không lo lắng về việc quả bóng rơi vào vùng đen, trừ khi chúng ta cố tình đặt nó vào một trong những vị trí ngay từ đầu. (Trong ví dụ của chúng ta, chúng ta đều biết về thiết bị tính toán đường đi của quả bóng từ hướng chuyển động của nó; với điều này là đủ để giả sử rằng quả bóng nhận được tốc độ ban đầu của nó, chẳng hạn, khi mặt sàn vô tình bị rung chuyển và không nằm trong tầm kiểm soát của chúng ta. Do đó, mặc dù chúng ta có thể hướng quả bóng đến điểm đen khi bắt đầu chuyển động, nhưng sau đó chúng ta không thể làm cho nó đến đó).
Vì vậy, với xác suất quả bóng nằm trên sân đen, thực tế là chúng ta không thể quan sát được sự chuyển đổi của một quả bóng từ sân trắng sang sân đen, mặc dù chúng ta rất dễ dàng thực hiện chuyển đổi của nó từ sân đen: đối với điều này là đủ
14
chắc chắn đã đưa anh ta vào một vùng đen ngay từ đầu. Kết quả là tính không thể đảo ngược tự do: sự chuyển đổi của quả bóng từ trường đen sang trường trắng là một hiệu ứng thực tế và sự chuyển đổi của nó từ trường trắng sang trường đen là một hiệu ứng thực tế. Tuy nhiên, rõ ràng là tính không thể đảo ngược này chỉ hiển nhiên, vì trong một khoảng thời gian khá lớn (ví dụ, hơn một triệu năm), quả bóng sẽ chuyển động từ sân trắng sang sân đen và quay lại nhiều lần, và cả hai lần chuyển đổi rõ ràng sẽ xảy ra chính xác với số lần như nhau. Theo đó, quá trình chuyển một quả bóng từ sân đen sang sân trắng trên thực tế là bị đảo ngược, nhưng tính không thể đảo ngược trong thực tế sẽ nảy sinh do sự kiểm soát không đầy đủ của chúng ta đối với các điều kiện ban đầu của thí nghiệm: ngay từ đầu chúng ta có cơ hội hạ cánh quả bóng xuống một sân có màu nhất định ở nơi mà chúng ta mong muốn, nhưng chúng ta không thể kiểm soát hướng vận tốc ban đầu của nó. Do đó, cách duy nhất để chắc chắn rằng quá trình trên thực tế đã bị đảo ngược là phải đợi đủ lâu: nếu trong ví dụ được mô tả, trong đó diện tích của các điểm nhỏ hơn một tỷ lần so với diện tích của nền tảng, chúng ta có thể theo dõi chuyển động của quả bóng hoạt động sau chuyển động của quả bóng hoạt động, chúng ta thậm chí còn ít hy vọng quan sát được sự đảo ngược của các quá trình như sự chuyển nhiệt từ vật nóng sang vật thể lạnh, sự giãn nở của khí thành trạng thái trống rỗng, v.v., so với trường hợp quả bóng và bệ vừa xem xét.
Chúng ta hãy quay lại hình ảnh của chiếc bình trong Hình 1. Rõ ràng là nếu thể tích của phần 1 và 11 bằng nhau thì trung bình mỗi phân tử khí sẽ vượt quá cùng một thời gian ở cả hai phần, tức là xác suất để một phân tử nhất định tồn tại ở phần 1 hoặc phần 11 chính xác là 1/2. Hãy để có các phân tử trong trạng thái của chúng tôi. Làm thế nào những phân tử này có thể được phân bố khắp thể tích của bình? Hình 2 cho thấy tất cả 16 kết hợp có thể. Tất cả những sự kết hợp này đều có khả năng xảy ra như nhau: nếu chúng ta giám sát tàu của mình trong một khoảng thời gian , thì từ khoảng thời gian này sẽ có cho mỗi sự kết hợp, trừ khi khoảng thời gian hiện tại này đủ dài để sự tương đương đó xảy ra. Trong tất cả các kết hợp của chúng tôi, chỉ có một kết hợp tương ứng với trường hợp tất cả các phân tử được thu thập trong phần 1 - kết hợp 1; bốn tổ hợp tương ứng với trường hợp ba phân tử được thu thập ở phần 1 và một phân tử ở phần 11 (tổ hợp 2, 3, 5, 9); sáu tương ứng với trường hợp có hai phân tử ở phần 1 và hai phân tử ở phần 11 (tổ hợp 4, 6, 7, 10, 11, 13); bốn - trong trường hợp có một phân tử ở phần 1 và có ba phân tử ở phần 11 (sự kết hợp 8, 12, 14, 15); và cuối cùng, chỉ trong một sự kết hợp, 16 phân tử được tìm thấy
15
được thảo luận ở Phần II. Từ đó có thể thấy rằng khả năng xảy ra cao nhất là sự phân bố đồng đều của các phân tử (sáu kết hợp trong số 16). Xác suất của sự phân bố như vậy bằng , tức là , trong khi xác suất của trạng thái ban đầu (tại thời điểm màn trập đã được nâng lên, nhưng các phân tử vẫn chưa rời khỏi phần I) chỉ là , tức là .
Nếu chúng ta chỉ có phân tử trong hệ thống của mình thì tổng số kết hợp có thể có sẽ là ; số lượng trong đó phần chứa phân tử và phần chứa còn lại, bằng đại số cơ bản cho thấy, với số . Do đó, xác suất ở trạng thái khí trong đó phần chứa phân tử là . Xác suất của trạng thái ban đầu chỉ là , càng gần với . Do đó, sau khi nâng van lên, khí sẽ chuyển sang trạng thái có khả năng xảy ra cao nhất - trạng thái mà các phân tử của nó được phân bổ đều giữa cả hai phần của bình. Tuy nhiên, nếu chúng ta đợi đủ lâu, cuối cùng một sự kết hợp sẽ xuất hiện tương ứng với sự tích tụ của tất cả các phân tử trong phần ; sau đó chúng ta có thể hạ van điều tiết xuống một lần nữa và tuyên bố rằng sự đảo ngược quá trình phân phối khí “không thể thuận nghịch” vào khoảng trống đã xảy ra. Câu hỏi duy nhất là bạn phải đợi điều này trong bao lâu. Ví dụ: nếu , thì trong thời gian quan sát, tổng thời gian lưu trú của tất cả các phân tử cùng một lúc trong một phần chỉ là
*) Chúng ta hãy nhớ lại rằng ký hiệu biểu thị tích (cái gọi là “en-factoral”).
16
0,001 giây, điều cần thiết là toàn bộ khoảng thời gian mà chúng ta quan sát được khí phải bằng giây.
Đây là khoảng thời gian chúng ta cần chờ đợi để có thể chắc chắn rằng chúng ta có thể quan sát được sự đảo ngược của quá trình giãn nở “không thể đảo ngược” của khí thành chân không. Khoảng thời gian này, được viết bằng giây, được biểu thị bằng một số có ba mươi tỷ tỷ chữ số trước dấu thập phân. Nếu chúng ta muốn biểu thị khoảng thời gian này không phải bằng giây mà bằng cách lấy năm làm đơn vị thời gian (theo nhiều nhà thiên văn học, điều này xấp xỉ khoảng thời gian tồn tại của hệ sao của chúng ta và Dải Ngân hà), thì chúng ta sẽ phải khéo léo chitchiu 20 ký hiệu (1 năm ≈ giây). Nhưng con số 20 chẳng là gì so với . Do đó, trong các đơn vị thời gian “thiên văn” mới này, chúng ta sẽ có thể nói điều tương tự về khoảng thời gian mà chúng ta quan tâm như thể nó được biểu thị bằng giây, cụ thể là nó được viết dưới dạng một số trong đó có ba mươi tỷ tỷ chữ số thập phân. Vì vậy, khoảng thời gian được xem xét mà chúng ta phải chờ đợi để xem sự đảo ngược của quá trình giãn nở khí thành khoảng trống hiện là rất lớn, do đó, khi so sánh với nó, sự khác biệt giữa một giây và thời gian tồn tại của hệ sao của chúng ta trở nên hoàn toàn không đáng kể và không đáng kể! Do đó, tính không thể đảo ngược trong thực tế, đã được thảo luận ở trên, trở nên không thể phân biệt được với tính không thể đảo ngược cơ bản, và do đó, tính không thể đảo ngược của các hiện tượng nhiệt hóa ra là hệ quả trực tiếp của cơ học của chúng và hoàn toàn không mâu thuẫn, như các nhà vật lý trước Bolzano nghĩ.
Do đó chúng ta có thể khẳng định rằng các hiện tượng nhiệt luôn xảy ra theo cách mà xác suất của trạng thái đó tăng lên; Sự đảo ngược các hiện tượng nhiệt liên quan đến việc giảm xác suất của trạng thái là không thể. Nguyên lý này được gọi là “nhiệt động lực học nhiều điểm đầu” (nguyên lý đầu tiên, như chúng ta đã nói, là định luật bảo toàn năng lượng).
Chúng ta hãy quay lại xem xét ví dụ về chất khí trong bình. Chúng ta sẽ có thể phân biệt các trạng thái khác nhau bằng số , tức là số lượng phân tử trong phần . Xác suất của một trạng thái có cho trước, như chúng ta đã thấy, bằng
Vì chúng ta chỉ quan tâm đến tỷ lệ xác suất của các trạng thái khác nhau, nên chúng ta có thể giảm tất cả các xác suất về cùng một bội số , không chứa và do đó giống nhau cho tất cả các trạng thái. Những gì còn lại là biểu hiện
tỷ lệ thuận với xác suất của trạng thái; nó được gọi là “trọng số thống kê” của một trạng thái nhất định. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học có thể được phát biểu như sau: tất cả các hiện tượng nhiệt trong một hệ kín xảy ra theo cách mà trọng số thống kê của trạng thái trả về. Nếu bình chứa khí đang đề cập không được chia thành hai mà thành nhiều phần bằng nhau hơn thì biểu thức khối lượng thống kê có thể được viết theo cách tương tự. Ví dụ: nếu một bình được chia thành ba phần và phần đầu tiên chứa , phần thứ hai và phần thứ ba - phân tử (), thì trọng lượng thống kê của trạng thái đó bằng
Nếu một bình được chia thành phần bằng nhau chứa phân tử thì trọng lượng thống kê là
Để đầu tiên của các phần này biến thành phần mà chúng ta sẽ gọi là phần , các phần còn lại biến thành phần (các phần và không còn bằng nhau nữa). Khi đó trọng số thống kê của phần , được xem xét
17
được phát triển như một hệ thống riêng biệt bằng
trọng số thống kê của phần bằng
Điều này cho thấy trọng lượng thống kê của toàn bộ khí bằng tích của trọng lượng thống kê của phần và của nó.
Và vì logarit của sản phẩm bằng tổng logarit của các yếu tố riêng lẻ, nên do đó, logarit của trọng lượng thống kê của toàn bộ khí bằng tổng logarit của trọng lượng thống kê của phần nó, tức là logarit của trọng lượng thống kê có tính chất aditivity. Nhờ tính chất đơn giản và quan trọng này, logarit của trọng lượng thống kê đã nhận được một cái tên đặc biệt - nó được gọi là entropy. Vì logarit của một số càng lớn thì bản thân số đó càng lớn, nên cùng với sự gia tăng về xác suất và trọng số thống kê, entropy cũng phải tăng. Do đó, định luật thứ hai của nhiệt động lực học có thể được phát biểu như sau: có một đại lượng vật lý gọi là entropy, có tính chất aditivity và tính chất là entropy của một hệ kín không thể giảm theo bất kỳ cách nào mà chỉ có thể tăng hoặc không đổi (khi nó đã đạt đến mức tối đa). Lưu ý rằng trong công thức này, định luật thứ hai của nhiệt động lực học đã được biết đến từ rất lâu với các hiện tượng kể trước khi Bolshman (khoảng những thế kỷ bảy mươi trôi qua) phát hiện ra ý nghĩa thực sự của entropy là logarit của một đại lượng tỷ lệ với xác suất của một trạng thái. Sự cân bằng không hoàn hảo đầu tiên gợi ý của định luật thứ hai của nhiệt động lực học có thể được tìm thấy trong công trình của nhà vật lý người Pháp Sadi Carnot (1824), và công thức vừa đưa ra đã được Clausis (1850) và William Thomson (do Lord Kelvin sao chép lại) (1851) nêu rõ ràng. Bolshman đã chứng minh bằng cách sử dụng ví dụ về chất khí rằng định luật thứ hai của nhiệt động lực học, cùng với tính không thuận nghịch đặc trưng của nó là hệ quả của cơ học, và nhà lý thuyết người Mỹ Willard Gibbs đã tổng hợp để khái quát hóa bằng chứng này cho bất kỳ vật thể vĩ mô nào, xây dựng một lý thuyết cơ học về một hệ thống bao gồm một số lượng lớn các bộ phận (cái gọi là cơ học thống kê).
Định luật thứ hai của nhiệt động lực học, như chúng ta thấy, phát biểu rằng entropy của một hệ kín luôn tăng, có xu hướng đạt cực đại; đạt đến mức tối đa này thì nó sẽ không thể thay đổi thêm nữa, kết quả là hiện tượng nhiệt liên quan đến sự tăng entropy sẽ không còn xảy ra nữa. Trạng thái này của hệ thống, trong đó entropy đạt giá trị cực đại, được gọi là trạng thái cân bằng thống kê. Sự chuyển đổi của một hệ thống mà không có bất kỳ sự rung lắc nào từ trạng thái cân bằng thống kê sang trạng thái rất khác với nó, như chúng ta đã thấy, trên thực tế là không thể, vì để nó diễn ra, người ta phải chờ đợi những khoảng thời gian thực sự kỳ diệu. Tuy nhiên, điều này không áp dụng cho sự chuyển đổi từ trạng thái cân bằng thống kê sang trạng thái khác rất ít so với trạng thái đó, nghĩa là ở trạng thái trong đó entropy đạt giá trị cực đại bằng một giá trị rất nhỏ.
Hệ thống sẽ tự động chuyển sang các trạng thái như vậy một cách hoàn toàn tự do, đây là đặc điểm cực kỳ đặc trưng của định luật nhiệt động thứ hai như một định luật có ý nghĩa thống kê (chủ nghĩa thống kê được gọi là bất kỳ định luật nào, việc thiếu nó không phải là hoàn toàn không thể xảy ra mà chỉ cực kỳ khó xảy ra). Vì những sự vắng mặt như vậy càng ít xảy ra thì chúng càng lớn, nên việc vắng mặt nhiều định luật nhiệt động lực học thứ hai sẽ hầu như không thể xảy ra trong thực tế; Đối với những sự vắng mặt nhỏ, bạn luôn có thể tìm thấy những sự vắng mặt nhỏ đến mức chúng không những có khả năng xảy ra mà còn thực sự hầu như luôn xảy ra. Sự vắng mặt nhỏ tương tự từ trạng thái cân bằng thống kê đến tất cả các loại ước tính về trạng thái không cân bằng,
18
xảy ra trong hệ vĩ mô cân bằng được gọi là dao động. Sự tồn tại của dao động là minh họa rõ nhất cho tính đúng đắn của lý thuyết thống kê của Boltzmann. Dao động dễ quan sát nhất và đơn giản nhất là chuyển động Brown, ý nghĩa của nó như sau. Số lượng và lực trung bình *) tác động của các phân tử chất lỏng lên một bề mặt của bất kỳ vật thể nào được ngâm trong chất lỏng ở trạng thái cân bằng thống kê ở các giá trị được xác định hoàn toàn (ở nhiệt độ nhất định của chất lỏng). Tuy nhiên, trên thực tế, những giá trị này liên tục có những biến động nhỏ liên quan đến việc không có trạng thái cân bằng thống kê. Những rung động này nhỏ đến mức chỉ có một hạt rất nhỏ được đặt
*) Xung trung bình truyền đi trong một đơn vị thời gian.
Bài tập
độc giả của chúng tôi
-
Đối với một số hàm và tất cả , sự tương ứng là đúng
trong đó là một số cố định. Chứng minh rằng
a) hàm là hàm tuần hoàn;
c) tìm chu kỳ của hàm số .
O. Svetozersky
(r. Vladivostok, lớp 8) -
Hãy viết ra tất cả các số nguyên tố nhân (mỗi) với một số tự nhiên cố định, lần lượt từng số một. Chứng minh rằng trong dãy chữ số thu được, mỗi chữ số từ 0 đến 9 sẽ xuất hiện vô số lần.
V. Soboleya
(r. Moscow, lớp 10) -
Chứng minh rằng nếu là căn bậc chung của tam thức bình phương và
Hơn nữa, dấu “cộng” được lấy nếu là căn lớn hơn của mỗi tam thức hoặc căn bậc ba nhỏ hơn của mỗi tam thức, và dấu “trừ” được lấy nếu là căn lớn hơn của một tam thức và là căn nhỏ hơn của tam thức kia.
N. Vasilyeva
(r. Novocherkask, lớp 10)
-
Lập phương của số có hai chữ số đầu tiên bằng bình phương của số có hai chữ số thứ hai. Số thứ hai lớn hơn lần () số thứ nhất. Tìm các số có hai chữ số này.
N. Mikhalkovich
(Vùng Minsk) -
Trong một giải đấu cờ vua sử dụng hệ thống vòng tròn tính điểm (tức là mỗi người chơi cờ với những người khác một lần), khi tổng hợp kết quả, hãy chỉ ra rằng số lượng các số tạo thành một cấp số cộng. Nhà vô địch giải đấu có bao nhiêu điểm nếu “người ngoài cuộc” ghi được điểm?
P. Vinokur
(r. Mátxcơva)
-
Có số nào có bốn chữ số sao cho
a) ;
b) ?
G. Goldfine
(r. Riga) -
Tìm số có bốn chữ số thỏa mãn đẳng thức
M. Stereberz
(r. Saratov) -
Tìm ba chữ số phân biệt và sao cho
E. Turkevich
(r. Chernivtsi)
20
bản thân nó là sự sắp xếp không gian của các nguyên tử hoặc, ví dụ, những hướng trong tinh thể mà nó bị biến dạng hoặc dẫn dòng điện dễ dàng hơn những hướng khác. Nếu cần thiết, điều không thể thiếu là sử dụng dữ liệu thực nghiệm và cái gọi là thông điệp chung để tưởng tượng khả năng sắp xếp các nguyên tử trong tinh thể chưa được nghiên cứu. Chính loại mô hình này - quả bóng và dây - đã giúp thực hiện một trong những khám phá lớn nhất của thế kỷ 20 - để thiết lập cấu trúc của phân tử DNA. Nhiều tín dụng thuộc về mô hình đã chết!
Tuy nhiên, chúng tôi muốn mô hình hóa không phải một tinh thể “chết” mà là một tinh thể “sống”. Để làm điều này, bạn thực sự cần học cách mô hình hóa sự tương tác giữa các nguyên tử trong tinh thể và mong đợi sự đóng băng trong các dây tương tác.
Tương tác giữa các nguyên tử trong tinh thể
Một đặc điểm, có lẽ là quan trọng nhất, của sự tương tác này xuất phát trực tiếp từ một thực tế đơn giản nhất: khoảng cách giữa hai nguyên tử lân cận do nhiệt độ có một giá trị nhất định trong sóng. (Tất nhiên, chúng ta đang nói về khoảng cách giữa các vị trí xung quanh mà các nguyên tử thực hiện dao động nhiệt. Biên độ của những dao động này nhỏ hơn đáng kể so với khoảng cách giữa các nguyên tử.)
Định nghĩa về khoảng cách có nghĩa là nếu chúng ta cố gắng tăng nó lên, các nguyên tử chống lại điều này sẽ ẩn mình về phía nhau và nếu chúng ta cố gắng giảm nó, chúng sẽ phản ứng. Vì vậy, chỉ từ thực tế là có một khoảng cách nhất định giữa các nguyên tử, nên sự tương tác giữa chúng có đặc điểm vừa che giấu vừa làm lệch hướng.
Ở những khoảng cách nhất định giữa các nguyên tử (chúng tôi gọi nó là một khoảng nhất định), lực co và lực tách ra có giá trị tuyệt đối bằng nhau. Các nguyên tử trong mạng nằm ở khoảng cách này.
Sẽ thật tuyệt nếu nghĩ ra một kỹ thuật mô hình hóa có thể truyền tải sự cạnh tranh giữa lực hút và lực đẩy. Nói cách khác, nó sẽ “hồi sinh” sự tương tác giữa các nguyên tử trong tinh thể. Đây chính xác là những gì các tác giả của mô hình BLN đã làm! Các yếu tố tạo nên mô hình này không phải là đất sét hay quả bóng gỗ mà là… bong bóng xà phòng nhỏ.
Sự tương tác của bọt xà phòng với nước
Chúng không hề thờ ơ với nhau: hai bong bóng xà phòng tách rời trên mặt nước ẩn mình về phía nhau, nhưng khi chạm vào thì đẩy nhau. Điều này có thể được quan sát thấy trong một thí nghiệm rất đơn giản mà bất kỳ độc giả nào của Kvanat đều có thể tiếp cận được. Đây là kinh nghiệm.
Đầu tiên, chúng ta sẽ tách các “thiết bị” cần thiết: một cái đĩa, một kim y tế ra khỏi ống tiêm, một buồng bóng chuyền và một chiếc kẹp có áp suất đều đặn, với sự trợ giúp của nó, bạn có thể bóp ống cao su - phần mở rộng của buồng bóng chuyền - với cường độ khác nhau. Bây giờ chúng ta hãy chuẩn bị thí nghiệm. Đổ đầy nước xà phòng lên gần mặt đĩa và thêm
Hình 1.
vài giọt glyxerin. Điều này là để các bong bóng mà chúng ta thổi trên bề mặt nước xà phòng được ổn định. Chúng ta hãy thổi phồng ống bóng chuyền, kẹp phần mở rộng của nó và nhét kim tiêm vào đó (tất nhiên là bằng đầu cùn). Hãy hạ đầu tự do của kim xuống nước (nông) và nới lỏng kẹp một chút (Hình 1) - các phần không khí giống hệt nhau sẽ bắt đầu thoát ra khỏi kim lần lượt, các khoang sẽ biến thành
22
Sự tiếp cận của bong bóng có thể được bắt nguồn từ sự va chạm của chúng. Sau khi các bong bóng va chạm, một lực đẩy bắt đầu tác dụng giữa chúng. Điều này là do thực tế là trong các bong bóng ép lẫn nhau (Hình 5), áp suất khí tăng lên, điều này làm bong bóng nở ra.
Rõ ràng, bong bóng xà phòng hoàn toàn phù hợp để tạo mô hình tinh thể nếu bạn đặt không phải một, không phải hai mà là nhiều bong bóng giống hệt nhau trên bề mặt dung dịch xà phòng. Nếu bán kính của bong bóng là cm thì có thể đặt bong bóng trên bề mặt dung dịch xà phòng trong một đĩa vật kính, bán kính của nó là cm! Một chiếc bè như vậy, bao gồm các bong bóng mà giữa lực hút và lực đẩy tác dụng, là mô hình hai chiều của tinh thể. Ví dụ, các tác giả đánh giá một mô hình đẹp này đã chỉ ra rằng sự tương tác của các bong bóng có bán kính cm rất giống với sự tương tác của các nguyên tử trong tinh thể đồng.
Mô hình đang hoạt động
Sẽ rất vui nếu tất cả độc giả «Kvant» chiếu một bộ phim trong đó mô hình BLN được quay bằng hành động. Họ sẽ nhìn thấy một tinh thể lý tưởng và một tinh thể có các khuyết tật chuyển động và tương tác cũng như nhiều quá trình đơn giản và phức tạp xảy ra trong một tinh thể thực. Trong bài viết, bạn chỉ có thể nói về điều gì đó và minh họa điều gì đó bằng ảnh và phim.
Sử dụng mô hình BLN, có thể xác minh một số hệ quả của lý thuyết được xây dựng liên quan đến một tinh thể hoàn toàn không có bất kỳ khuyết tật nào, được gọi là tinh thể lý tưởng. Trên thực tế, người thí nghiệm không thể thu được một tinh thể như vậy trong tự nhiên, nhưng việc chế tạo một tinh thể từ bong bóng hóa ra lại đơn giản và dễ tiếp cận (Hình 6).
Một trong những khiếm khuyết phổ biến nhất trong tinh thể là vị trí trống trong mạng tinh thể, không được thay thế.
23
Hình 6.
nguyên tử. Các nhà vật lý gọi đó là chỗ trống. Trong mô hình BLN, chỗ trống là một bong bóng vỡ (Hình 7).
Hoàn toàn phù hợp với lẽ thường và kết quả thí nghiệm với tinh thể thật, mô hình BLN chỉ ra rằng thể tích của một chỗ trống nhỏ hơn một chút so với thể tích trên mỗi vị trí bị chiếm dụng. Thật vậy, sau khi bong bóng vỡ, bong bóng lân cận trước đây của nó sẽ di chuyển vào khoảng trống đã hình thành và thu nhỏ nó. Hầu như không thể nhìn thấy điều này bằng mắt thường, nhưng nếu bạn chiếu phim hoặc phim ảnh lên màn hình và đo cẩn thận khoảng cách giữa các bong bóng, bạn có thể tin chắc rằng, so với vị trí bị chiếm giữ, chỗ trống hơi đáng chú ý. Đối với các nhà vật lý, bằng chứng này của mô hình BLN không chỉ mang tính định tính hay không gian mà nó còn có giá trị định lượng.
Rất thường xuyên, trong một tinh thể, do lịch sử của nó, dường như có sự tích tụ của một tạp chất, một sự biến dạng của tinh thể. Với lời giải nhiều bài toán vật lý tinh thể, điều rất quan trọng là phải biết các nguyên tử xung quanh bao thể sẽ trộn lẫn như thế nào. Hóa ra, sự hiện diện của một tạp chất lạ được cảm nhận không chỉ bởi các kết nối trực tiếp, mà còn bởi các nguyên tử nằm ở một khoảng cách đáng kể so với tạp chất. Mô hình BLN minh họa rõ ràng điều này (xem Hình 7).
Hầu hết các chất rắn kết tinh là đa tinh thể. Điều này có nghĩa là chúng bao gồm nhiều tinh thể được định hướng ngẫu nhiên, cách nhau bởi các ranh giới. Gần như hiển nhiên là nhiều tính chất của đa tinh thể (chẳng hạn như độ bền cơ học hoặc khả năng chống lại dòng điện) phải phụ thuộc vào cấu trúc của các ranh giới. Mô hình BLN hóa ra cũng hữu ích trong vấn đề này: vật lý tinh thể đã gợi ý cấu trúc của ranh giới thay đổi như thế nào tùy thuộc vào hướng tương đối của các tinh thể liền kề, sự hiện diện của tạp chất nằm ở ranh giới, v.v. Dưới đây là một số ví dụ.
Trong đa tinh thể, quá trình mở rộng một số khu vực (hạt) có thể xảy ra làm tổn hại đến những khu vực khác, do đó kích thước hạt trung bình tăng lên. Quá trình kết tinh này được chiết xuất và nó xảy ra vì một lý do rõ ràng: kích thước hạt càng lớn thì tổng bề mặt của các ranh giới càng nhỏ và do đó năng lượng dư thừa liên quan đến các ranh giới càng nhỏ. Năng lượng của đa tinh thể trong quá trình kết tinh lại giảm, do đó, quá trình này có thể xảy ra một cách tự phát (vì nó đạt đến trạng thái cân bằng ổn định, trong đó mức dự trữ năng lượng là tối thiểu). Hình 8 thể hiện một kinogram, hoặc xây dựng các giai đoạn liên tiếp của việc “cho ăn” một hạt lớn và hạt nhỏ nằm trong đó.
Hóa ra (điều này đã được các nhà lý thuyết dự đoán và được các nhà thí nghiệm nghiên cứu cẩn thận trong các thí nghiệm với tinh thể thật), ranh giới chuyển động giữa các hạt “nuốt chửng” những chỗ trống mà nó gặp phải dọc theo.
24
Hình 9.
BLN làm nguội nó đi một chút, làm nổi bật những tác động bên ngoài của cả những hạn chế của mô hình và “sự thật nửa vời” mà nó chứa đựng.
Mô hình BLN chỉ có khả năng mô phỏng một cấu trúc: cấu trúc lục giác hai chiều. Và tinh thể thực sự có nhiều cấu trúc. Khả năng của một mô hình “chết” là vô cùng mạnh mẽ: trong không gian ba chiều, các quả bóng có thể được định vị theo vô số cách và do đó, bất kỳ cấu trúc tinh thần nào cũng có thể được mô hình hóa. Ngoài ra, mô hình BLN trong phiên bản hiện đại của nó là mô hình hai chiều. Các tác giả của nó cũng đã cố gắng triển khai mô hình bong bóng không gian (nhiều lớp), nhưng việc thử nghiệm nó hóa ra không hề dễ dàng chút nào và mô hình này không có gốc rễ. Trong phòng thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi đã triển khai cả mô hình BLN hai chiều và ba chiều và tin rằng mô hình thực tế ba chiều là không khả thi.
Chúng ta đừng đổ lỗi cho mô hình về những điểm yếu đã được đề cập và giữ im lặng. Chúng ta hãy biết ơn cô ấy vì những điểm mạnh của cô ấy.
25
L. Sofman
Tổng chiều dài và năng lượng tối thiểu
bài toán Toán học thường được đề xuất bởi tự nhiên, hay đúng hơn là bởi sự giải thích của chúng ta về tự nhiên, bởi các ngành khoa học vật lý. Lời giải toán học bài toán cũng có thể được đề xuất một cách tự nhiên; vật lý cung cấp cho chúng ta những manh mối mà nếu để mặc chúng ta, chúng ta sẽ có rất ít cơ hội đảm bảo cho chính mình.
D. Hát một
Trong ghi chú này, chúng ta sẽ xem xét một số hình học bài toán nổi tiếng. Chúng tôi sẽ chỉ ra cách giải quyết chúng bằng cách sử dụng một nguyên lý cơ học đơn giản - nguyên lý thế năng tối thiểu, theo đó bất kỳ hệ cơ học nào ở vị trí cân bằng ổn định đều có thế năng tối thiểu.
Bài toán 1. Trên mặt phẳng đã cho có các đường thẳng và các điểm và , nằm về một phía của . Tìm điểm cực đại sao cho độ dài của đường đứt nét là nhỏ nhất.
Rõ ràng bài toán này được giải bằng cách sử dụng tính đối xứng: nếu là một điểm đối xứng với đối với đường thẳng , thì điểm cần có là (Hình 1). Do đó, các đoạn và tạo thành các góc bằng nhau với : .
Bây giờ chúng ta hãy xem xét một bài toán cơ học như vậy. Mũi đâm không trọng lượng có thể trượt không ma sát dọc theo thanh ngang . Hai sợi dây được gắn vào , ném qua các khối quay quanh các trục cố định trong mặt phẳng thẳng đứng tại các điểm và (Hình 2).
Các tải có khối lượng bằng nhau được gắn vào đầu tự do của các sợi và . (Các sợi dây không trọng lượng và không co giãn, các khối quay không ma sát, kích thước của các khối và vòng nhỏ đến mức có thể coi là các điểm vật chất.) Cần tìm vị trí của vòng trên thanh , tại đó toàn bộ hệ cơ khí ở trạng thái cân bằng.
Chúng ta hãy chứng minh rằng bài toán cơ học này theo một nghĩa nào đó tương đương với bài toán hình học của chúng ta. Thật vậy, ở vị trí cân bằng, thế năng của một hệ cơ học là nhỏ nhất; do đó, ở vị trí cân bằng, các tải trọng phải được đặt cùng nhau càng thấp càng tốt, tức là tổng khoảng cách của chúng với một mặt phẳng ngang nhất định (mặt đất) phải nhỏ nhất (tải trọng như nhau!). Do đó, tổng của và phải lớn nhất. Vì độ dài của mỗi luồng là không đổi nên tổng phải nhỏ nhất. Vì vậy, cơ khí bài toán
26
Ngôi nhà thực sự hóa ra là điểm với bài toán hình học 1.
Chúng ta hãy giải bài toán cơ học đã cho bài toán mà không sử dụng thông điệp năng lượng. Ở vị trí cân bằng của một hệ cơ học, tổng các lực tác dụng lên cọc X bằng không. X bị ảnh hưởng bởi lực căng của các sợi và ( - các trọng lượng kéo từng sợi của chúng với một lực bằng nhau và các lực này được truyền qua các khối mà không tổn thất ma sát) và phản lực của thanh (xem Hình 2). Vì và , khi chiếu lên l (, từ đó . Chúng ta nhận được kết quả tương tự như khi sử dụng hình học lời giải ở trên.
Hãy thay đổi cơ học bài toán một chút: giả sử rằng thời gian và tải trọng e (khối lượng m và M tương ứng) được treo ở hai đầu tự do của sợi dây.
Khi đó, điều kiện cân bằng trong phép chiếu lên l sẽ cho ra sự tương ứng m cos cos , tức là tiền cược X sẽ có vị trí sao cho các trạng thái gắn liền với các trạng thái không phải là mun tạo thành các góc và , được xác định từ điều kiện (Hình 3). Sử dụng nguyên lý thế năng tối thiểu, không khó để chứng minh rằng cơ học tương ứng bài toán cũng có hiệu quả theo cách hình học như vậy.
Bài toán 2. Tên trên dòng l là lũy thừa của X ứng với các đại lượng m · |AX| + M |BX| chúng tôi đạt đến mức tối thiểu
27
Mặt khác, ở vị trí cân bằng, tổng các lực tác dụng tại điểm bằng không. Trong có ba lực căng của các sợi và , bằng nhau về giá trị tuyệt đối (các lực căng bằng nhau trên mỗi sợi): và . Từ hai điều kiện này, chúng ta thu được rằng các lực này phải nghiêng với nhau, sao cho ở vị trí cân bằng của hệ cơ học của chúng ta, góc giữa hai trong số ba sợi dây bất kỳ có một đầu chung phải bằng . Do đó, đáp số trong bài toán 3 (với điều kiện là trong tam giác tất cả các góc đều nhỏ hơn !) thì ta suy ra: điểm là một điểm mà từ đó tất cả các cạnh của tam giác đều nhìn thấy được ở một góc .
(Trong trường hợp các điểm và tạo thành một tam giác trong đó một trong các góc là , thì điểm trùng với một trong các điểm hoặc (đỉnh của góc “lớn”). Hãy nghĩ về điều này đáp số và đặt nó để giải thích.)
Việc giải thích cơ học về hình học bài toán đặc biệt hữu ích trong trường hợp các phương pháp lời giải hình học thuần túy không tạo ra kết quả mong muốn.
Bài toán 4. Trên các bờ sông khác nhau có con đường định cư ( ở một bờ, bên kia; Hình 5). Cần xây dựng một cây cầu sao cho tổng chiều dài các con đường từ khu dân cư đến nơi là tối thiểu. (Bờ sông song song, cầu vuông góc với bờ.)
Để giải quyết bài toán này, hãy xem xét hệ cơ học sau. Một thanh cứng có thể trượt không ma sát dọc theo hai đường ray song song, luôn vuông góc với chúng (xem Hình 5). Các sợi chỉ được gắn vào hai đầu và của thanh, ném chúng qua các khối, xoay quanh các trục cố định tại các điểm và . Các vật nặng giống hệt nhau được treo ở đầu tự do của sợi chỉ. Trey
28
Hình 6.
chiếu lên một đường thẳng song song với đường ray, từ điều kiện này ta thu được
(các góc được tính ngược chiều kim đồng hồ, , , ; xem Hình 5).
Mối quan hệ (), mặc dù nó không cho phép xây dựng đoạn bằng la bàn và thước kẻ nhưng thường tỏ ra hữu ích trong thực tế lời giải bài toán thuộc loại này. Nếu có một quyết toán trên mỗi ngân hàng, thì mối quan hệ () cho , từ đó (Hình 6) - nghĩa là các phân đoạn và phải song song. Trong trường hợp này, đoạn có thể được dựng bằng compa và thước (xây dựng nó!).
Vì vậy, chúng ta đã thấy rằng phương pháp cơ học hóa ra lại rất hữu ích cho lời giải hình học bài toán loại được xem xét. Tóm lại, chúng tôi cung cấp cho độc giả một số bài toán cho sự độc lập lời giải. Một số trong chúng có thể được giải hoàn toàn bằng hình học, lời giải trong khi những điều khác chỉ có thể thực hiện được với sự trợ giúp của diễn giải máy móc. Hãy thử so sánh kết quả hình học và cơ học lời giải.
Hình 7.
Bài toán
-
Một từ dòng , hai điểm và được cho. Đặt đoạn này trên , sao cho độ dài của đường gãy là tối thiểu.
-
Bên trong góc nhọn cho một điểm . Vẽ một tam giác có chu vi nhỏ nhất, có đỉnh trùng với điểm cho trước , hai tam giác còn lại nằm đối diện với góc .
-
Bên trong góc có hai điểm - và . Tìm các điểm và trên các tia và tương ứng sao cho độ dài của đường gãy là nhỏ nhất.
-
Các khu định cư và bị ngăn cách bởi một số con sông. Cần phải xây dựng các địa điểm qua các con sông này sao cho đường đi từ đến có chiều dài ngắn nhất (Hình 7).
-
Giữa các đường cao tốc vuông góc mùa đông có một hồ nước tròn. Trên bờ hồ cần xây dựng khu điều dưỡng và nối với đường nhựa ra đường cao tốc và đường bê tông ra đường cao tốc (Hình 8). Xây dựng một km
Hình 8.
đường nhựa có giá rúp, và một km đường bê tông có giá rúp. Nên xây nhà điều dưỡng ở đâu để tổng chi phí làm đường là nhỏ nhất?
Hình 9.
-
Có hai thành phố trên một đoạn hình tròn - và . Tại điểm nào trên bờ của đoạn đường nên xây dựng bến tàu sao cho tổng chiều dài của con đường và từ thành phố đến bến tàu là nhỏ nhất?
-
Đoạn đường tròn được bao quanh bởi một đường đua chứa đầy nước. Có một khóa trên đoạn này. Chủ nhân của lâu đài muốn xây dựng con đường ngắn nhất nối lâu đài với điền trang của cố vấn của mình. Bạn nên xây dựng một nơi bên kia mương ở đâu? Cầu phải vuông góc với bờ mương (Hình 9).
29
Người chiến thắng trong cuộc thi Kvaita
Năm ngoái, các biên tập viên đã nhận được khoảng 10.000 lá thư kèm theo giải pháp bài toán từ Vấn đề Im lặng.
Dưới đây là danh sách học sinh - người chiến thắng trong cuộc thi của chúng tôi lời giải bài toán. Theo quyết định của ban tổ chức All-Olympiad, những người chiến thắng đã nhận được quyền tham gia vòng cộng hòa của All-Olympiad năm 1978.
Toán học
A. ALEXEV - Moscow, FMS 18, lớp 10.
B. ARONOV - Saratov, tr. w. lớp 13, 10
A. BALINSKY - Lviv, làng. w. 11, 8 lớp
V. BATYREV - Mátxcơva, tr. w. lớp 2, 10
O. WEINBERG - Kazan, tr. w. 18, 10 lớp
N. VELIKOROSSOV - Konakhogo, làng. w. lớp 5, 10
S. GALSTYAN - Yerevan, s. w. lớp 1, 10
S. GRISHECHKIN - Mátxcơva, tr. w. lớp 2, 10
V. GUBA - Vologda, làng. w. lớp 8, 9
O. EVDOKIMOV - Leningrad, FMS 45, lớp 10.
A. EGOYAN - Tbilisi, tr. w. 42, 10 ô
A. ZHERDEV - Slavyansk, s. w. lớp 5, 10
E. ZIMANOV - Alma-Ata, RFMSH, lớp 10.
Y. ZOLOTAREV - Tashkent, s. w. 232, 10 ô
R. IZMAILOV - Baku, tr. w. 134, 9 ô
L. KAKABADZE - Tbilisi, Trường Vật lý và Âm nhạc được đặt theo tên. Komarova, 10 kl.
A. KAPLAN - Thành phố, làng Sumgant. w. 11, 8 lớp
A. KACHUROVSKY - Novosibirsk, tr. w. 165, 10 ô
S. KORCHANOV - Angarsk, s. w. lớp 10, 10
V. KOSTUSYAK - Zaporozhye, làng. w. lớp 28, 10.
E. KUZMIN - Cherepovets, làng. w. lớp 4, 9
A. KULESKO - Donetsk, int. trường học. lớp 10, 9
I. LOZITSKY - Gantsevich, làng. w. lớp 1, 10
E. LUMELSKAYA - Perm, làng. w. lớp 7, 10
A. MILEVSKY - Mytishchi, làng. w. 26, 10 lớp
D. MINDLIN - Thành phố Tashkent, tr. w. lớp 5, 9
A. MIRLIN - Leningrad, FMS 45, lớp 9.
E. MOSTIVENKO - Syktyvkar, làng. w. lớp 4, 10
A. NENASHEV - Leningrad, FMS 45, lớp 10.
D. PAPUSH - Kharkov, tr. w. 27, 10 lớp
V. POTEMKIN - Donetsk, s. w. lớp 2, 10
G. PUNINSKY - Bobruisk, làng. w. lớp 2, 10
V. ROMANOVSKY - Grodno. vùng, làng Novodvorskaya sh., 10 cl.
A. SARCIMELAYA - Tbilisi, Trường Vật lý và Âm nhạc được đặt theo tên. Komarova, 9 kl.
V. TROFIMOV - Mátxcơva, tr. w. lớp 2, 10
D. SHULEMBAEV - Alma-Ata, RFMSH, lớp 10.
Vật lý
S. VESELYANSKY - Kharkov, s. w. 27, 10 lớp
V. GAVRILOV - Orsk, tr. w. lớp 8, 10
M. GAVRILOV - làng. Chernogolovka, s. w. lớp 82,9.
N. GAZDA - làng Klevan, vùng Rivne, làng. w. lớp 1, 10
V. GARKAVYY - Lida, làng. w. lớp 1, 10
A. ZABRODIN - làng. Chernogolovka, s. w. lớp 82, lớp 10.
V. LASHKIN - Kyiv, s. w. lớp 96,9.
D. LYUDMIRSKY - Kyiv, tr. w. 145, 9 ô.
A. NIKITENKOV - Velikiye Luki, làng. w. lớp 3, 10
V. PALEY - Kharkov, tr. w. 27, 10 lớp
P. POVYLICA - Leningrad, làng. w. 521, lớp 9.
E. PONOMAREV - làng. Chernogolovka, s. w. lớp 82, lớp 10.
K. TRUTNEV - Kazan, tr. w. Lớp 39, 10.
A. FOMIN - Novosibirsk, tr. w. 130, 10cl.
A. CHURILOV - Kharkov, tr. w. 27, 10 lớp
A. SHEPTOVETSKY - Mátxcơva, tr. w. lớp 2, 10
30
Bài toán
M491—M495; F503—F507
M491. Khoảng cách của một đường cắt hình học, tất cả các số hạng của nó đều là số nguyên. (Ví dụ: 16, 24, 36, 54, 81.)
a) Chứng minh rằng tổng bình phương của ba số hạng tiên lượng liên tiếp chia hết cho tổng các số hạng đó.
b) Với những số tự nhiên nào thì tổng bình phương của các số hạng liên tiếp của phần bị cắt nhất thiết phải bằng tổng của các số hạng này?
F. Kadirov, A. Adaev
M492. Tam giác nội tiếp tam giác (sao cho các đỉnh và lần lượt nằm trên các cạnh và ) và các đoạn và cắt nhau tại một điểm . Chứng minh rằng các đường nối các cạnh và và và cắt nhau tại một điểm , các điểm và trọng tâm của tam giác cùng nằm trên một đường thẳng.
V. Korzhov
M493. Chứng minh các bất đẳng thức
A. Sivatsky, học sinh lớp 8.
M494. Có điểm bên trong hình vuông có cạnh 1. Chứng minh rằng tồn tại một đường đứt nét chứa các điểm này mà nhỏ hơn 3; 6)* 2.
A. Tarmakovsky, học sinh lớp 10.
M495*. Trong không gian bên ngoài xung quanh các mặt phẳng ba vệ tinh quay đều theo ba quỹ đạo tròn có tâm . Vận tốc góc của các vệ tinh lần lượt là và và vị trí ban đầu của chúng có thể tùy ý. Có nhất thiết phải có một thời điểm mà cả ba vệ tinh và điểm nằm trong cùng một mặt phẳng nếu
31
a) ; 6) ;
b) ?
Hãy thử tìm hiểu xem đáp số sẽ là bao nhiêu đối với câu hỏi này đối với các tỉ số vận tốc góc khác.
G. Galperin
F503. Một sợi có chiều dài được gắn vào trục thẳng đứng, ở cuối và ở giữa có gắn các quả bóng giống hệt nhau (Hình 1). Trục quay với vận tốc góc . Tại giá trị nào của vận tốc góc thì các phần và bắt đầu lệch khỏi phương thẳng đứng? Tỷ lệ góc lệch nhỏ của các phần ren và so với phương thẳng đứng sẽ là bao nhiêu?
G. Budaenko
F504. Các bánh xe của ô tô khách được tự động cân bằng không ổn định - chúng được thêm vào để đảm bảo rằng trọng tâm của bánh xe nằm chính xác trên trục quay của nó. Tại sao cần phải cân bằng bánh xe?
F505. Hãy xem xét một mạch để sạc tụ điện từ pin (Hình 2). Tụ điện được sạc đến điện áp của pin, thu năng lượng và sạc . Khoản phí này được tiêu thụ từ pin, do đó pin hoạt động . Hệ số hiệu quả là 1/2. Tìm cách sạc tụ vào điện áp ắc quy để đạt hiệu quả cao hơn. Không được phép sử dụng các nguồn năng lượng bổ sung.
A. HodULEV
F506. Dưới pít-tông của hình trụ có một chất có thể tích và mol khí lý tưởng. Diện tích bề mặt của piston là . Pít-tông và xi-lanh được làm bằng vật liệu được làm ướt một cách lý tưởng bởi đường. Thanh dưới piston có hình dạng như Hình 3, đối xứng với trục xi lanh. Lực tác dụng lên piston.
-
Suy ra phương trình trạng thái của hệ thủy ngân + khí có dạng , trong đó là áp suất, là nhiệt độ tuyệt đối, là thể tích phần bình đặt dưới pít-tông.
-
Tìm điều kiện để . Sức căng bề mặt của rutivo là σ. Bỏ qua lực hấp dẫn. Giả sử rằng thể tích của ruthia và sức căng bề mặt σ của nó được xây dựng (tức là không phụ thuộc vào và ) và .
Olympic thể chất XXVI dành cho học sinh Ba Lan
F507. Cho hai lò xo làm bằng cùng một vật liệu, mỗi lò xo xoắn lần lượt. Đường kính của lò xo là 3 mm và 9 mm, chiều dài là 1 cm và 7 cm, đường kính của dây là 0,2 mm và 0,6 mm. Hệ số cứng của lò xo thứ nhất là 0,14 N/cm. Tìm hệ số cứng của lò xo thứ hai.
A. Kuznetsov, I. Kuznetsov
32
Lời giải bài toán
M444, M445; F458—F461
M444 a) Trong Hình 1, bốn đường thẳng chia mặt phẳng thành các khu vực đơn lẻ: một tứ giác (1), hai hình tam giác (2 và 3), ba góc (4, 5 và 6), bốn “tam giác vô hạn” - các khu vực được giới hạn bởi một đoạn thẳng và hai tia (7, 8, 9 và 10) và một “tứ giác vô hạn” - một khu vực được giới hạn bởi hai đoạn thẳng và hai tia (11).
Liệu tuyên bố có đúng với mọi tứ giác (1), hai tam giác (2 và 3), ba góc (4, 5 và 6), bốn “tam giác vô hạn” - các diện tích giới hạn bởi một đoạn thẳng và hai tia (7, 8, 9 và 10) và một “tứ giác vô hạn” - một diện tích được giới hạn bởi hai đoạn thẳng và hai tia (11).
Ba đường tròn lớn không đi qua một điểm được chia thành tám hình tam giác. Bốn vùng đất lớn được chia thành những khu vực nào mà không có ba vùng nào đi qua cùng một điểm? (Độ dốc lớn trên hình cầu là đường tròn là giao điểm của hình cầu với mặt phẳng đi qua tâm hình cầu, Hình 2.)
- Bốn vùng đất lớn có thể chia thành những khu vực nào mà không có ba vùng nào đi qua cùng một điểm?
Hình 1.
Chúng ta sẽ nói rằng một số đường thẳng trên một mặt phẳng (hoặc các đường dốc lớn trên hình cầu) ở vị trí tổng quát nếu chúng cắt nhau theo cặp và tại các điểm khác nhau. Để cho ngắn gọn, chúng ta sẽ gọi hình lồi trên mặt phẳng giới hạn bởi hai tia và n-1 đoạn là góc n (và n góc của n đỉnh thì góc 1 là góc theo nghĩa tổng quát). Hãy chuyển sang lời giải bài toán.
a) Dễ dàng chứng minh rằng với bốn đường thẳng bất kỳ ở vị trí tổng quát thì phân số luôn bằng nhau:
| Quadragon | 3-giác | góc | 2 góc | 3 góc |
| :— | :— | :— | :— | :— |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 1 |
- giống như trong Hình 1. Sau vài phút vẽ bốn đường thẳng, điều này trở nên khá rõ ràng. Các lập luận mà độc giả đưa ra về chủ đề này rất đa dạng, nhưng chúng cho thấy rằng một bằng chứng ngắn gọn, đồng thời thuyết phục về sự thật hiển nhiên này không đơn giản như vậy. Trên thực tế, nếu không tham khảo hình vẽ, trong chứng minh hình thức, bạn sẽ phải dựa trực tiếp vào trục hình học đặc trưng cho vị trí của các đoạn thẳng và đường thẳng trên mặt phẳng - lời giải sẽ khá dài. Chúng tôi sẽ không tranh luận với giáo viên mà chỉ đưa ra một bản tóm tắt bằng chứng, rõ ràng là hoàn toàn thuyết phục. Về cơ bản, đây chính xác là những gì thường được thực hiện trong lời giải hình học bài toán, “gần với các tiên đề”.
Chúng ta hãy chứng minh rằng một trong những phần mà bốn đường tổng quát chia mặt phẳng thành một hình tứ giác.
Điều này là đủ cho lời giải bài toán: rõ ràng là nếu chúng ta tiếp tục các cạnh của bất kỳ tứ giác lồi nào không có các cạnh song song thì chúng ta cũng sẽ thu được 10 vùng còn lại, như trong Hình 1.
Đầu tiên chúng ta hãy vẽ ba đường tổng quát. Chúng cắt nhau thành từng cặp tại ba điểm A, B và C. Đường thẳng thứ tư l chia mặt phẳng thành hai nửa mặt phẳng. Nếu hai trong ba điểm A, B, C nằm trong một nửa mặt phẳng và một điểm (chẳng hạn như A) nằm trong một nửa mặt phẳng khác thì đường thẳng l cắt tứ giác ABC (BCED; Hình 3, a). Nếu cả ba điểm đều nằm trong cùng một nửa mặt phẳng, đường thẳng A cách l xa hơn B và C thì đường thẳng l cắt góc tứ giác có đỉnh B và C (BCED; Hình 3, 6).
Đối với mỗi bài toán 6) và c), chúng tôi sẽ đưa ra hai lời giải và cái sau sẽ sử dụng bài toán a), còn cái trước thì không.
- Đáp số: việc chia tách luôn giống nhau; nó bao gồm 14 vùng - 6 bộ tứ và 8 bộ tứ.
Đầu tiên là lời giải. Đầu tiên chúng ta hãy thực hiện ba lượt lớn 1, 2, 3 (xem Hình 2). Họ chia quả cầu thành tám phần. Chúng ta hãy tìm xem có bao nhiêu trong số chúng sẽ giao nhau với hình tròn bốn nút 4, chúng ta ở vị trí chung với 1, 2 và 3. Để làm được điều này, chỉ cần tìm ra có bao nhiêu hình tròn riêng biệt mà hình tròn 4 được chia thành các giao điểm với các khay khác. Mỗi hai sườn dốc lớn giao nhau ở hai điểm đối xứng đường kính. Do đó, độ dốc 4 lớn hơn giao với ba độ dốc lớn 1, 2, 3 khác chỉ ở sáu điểm, tức là chúng ta được chia tổng cộng thành sáu cung. Như vậy,
34
Chúng tôi đã nhận được đáp số như thế này:
| 5-giác | Quadragon | 3-giác |
| :— | :— | :— |
| 4 vòng tròn chia hình cầu thành | 0 | 6 | 8 |
| Vòng tròn thứ 5 còn nguyên chia 3 giác thành chia 4 giác thành | 0 | 2 | 4 |
| | 0 | 4 | 4 |
| | 2 | 4=2+2 | 2 |
Tổng cộng. . . 2 10 10
Bây giờ chúng tôi sẽ chỉ cho bạn cách để có được đáp số tương tự dễ dàng hơn nhiều.
Thứ hai lời giải. Hãy chiếu một hình cầu từ tâm lên mặt phẳng , song song với đường xích đạo . sau đó, một cặp -giác đối xứng trên hình cầu, không hướng tới , sẽ được ánh xạ lên một -giác trong mặt phẳng và một cặp -giác, hướng tới - trên một góc ; Sử dụng kết quả bài toán a) - tính duy nhất của phép chia mặt phẳng cho bốn đường thẳng và bảng thứ nhất - chúng ta kết luận rằng năm đường tròn lớn bất kỳ chia hình cầu thành hai hình ngũ giác (hình chiếu của chúng là 3 góc), tứ giác (trong đó tám đường thẳng hướng đến đường tròn lớn đã cho và bốn cặp này được chiếu lên 2 góc), và hình tam giác (trong đó có sáu hình thẳng đến đường tròn lớn ).
Tất nhiên, những người quen thuộc với khái niệm mặt phẳng xạ ảnh (xem, ví dụ, «Kvant», 1974, số 3) sẽ nhận thấy rằng “phép chiếu” mà chúng ta đang nói đến được giải thích một cách tự nhiên hơn là ánh xạ của một hình cầu lên mặt phẳng xạ ảnh (trong trường hợp này, ánh xạ của hai điểm đối xứng đường kính của hình cầu được hợp nhất thành một, ảnh của tất cả các đường tròn lớn đều là các đường thẳng, bao gồm cả ảnh của đường tròn -đường dây từ xa vô tận).
Hình 6 minh họa lời giải thứ hai cần được tính. Vì “đường ở vô cực” rất khó vẽ nên trong Hình 6 chúng ta đã vẽ một điểm song song rất gần với đường tròn lớn - đường xích đạo ; Hình ảnh của nó khi chiếu sẽ là một hình tròn có bán kính rất lớn trong mặt phẳng , chứa trong nó các giao điểm của bốn đường thẳng; những đường thẳng này chia “vòng tròn rất lớn” xuất hiện trên mặt phẳng thành 11 vùng: một “ngũ giác”, năm “tam giác” và năm “tứ giác”; quay trở lại từ mặt phẳng đến hình cầu, chúng ta thu được sau khi nhân đôi đáp số. Tóm lại, chúng tôi lưu ý rằng trong cả ba nhiệm vụ, không chỉ các loại phân vùng (số cạnh) mà cả vị trí tương đối của chúng cũng được xác định duy nhất.
Mời độc giả «Kvant» là bài toán nghiên cứu để tìm ra cách chia hình cầu có sáu hình tròn lớn hoặc một mặt phẳng - một phần năm là các đường thẳng (không còn là hình duy nhất nữa). Rõ ràng, điều khó khăn nhất ở đây là chứng minh rằng tất cả các phân vùng có thể đã được tìm thấy.
N. Vasiliev
**M445. Tâm của các đường tròn giống hệt nhau không giao nhau nằm tại tâm các mặt phẳng tại các đỉnh của hình thoi (cạnh của hình thoi là trung điểm kép của hình lục giác, góc ở đỉnh là ). Như vậy, chúng ta có một mạng hình thoi trên mặt phẳng; các đỉnh của hình thoi là các nút mạng (xem Hình 7). Hơn nữa, nếu đa giác có các đỉnh tại các nút được biểu diễn dưới dạng liên kết
35
ke 7. Cho là một đa giác có các đỉnh nằm trong chuỗi đường tròn. Hãy tô màu đỏ cho các vòng tròn hoặc đồng hồ (duen) nằm bên trong của chúng. Hãy chứng minh rằng tổng cường độ mưa đá của các trận mưa đá màu đỏ bằng , trong đó là một số nguyên và chúng tôi đưa ra một cách giải thích hình học khác cho một số khác.
Hình 7.
Hình 8.
Hình 9.
Hình 10.
đa giác (có đỉnh tại các nút): ,
Cái đó
một chức năng như vậy được cho là phụ gia. Theo đó, nếu đa giác với các đỉnh tại các nút được biểu diễn dưới dạng tập hợp các đa giác , từ đó sự kết hợp của các đa giác ( và - với các đỉnh tại các nút) bị loại bỏ - xem Hình 8; tức là nếu
và (*)
(ở đây là hiệu đa giác hoặc ký hiệu phần bù), thì
Dưới đây chúng tôi sẽ chỉ ra rằng mọi đa giác (có các đỉnh tại các nút) đều có thể được biểu diễn dưới dạng (*), trong đó và là hình tam giác. Vì vậy, chỉ cần chứng minh khẳng định bài toán cho các tam giác có đỉnh tại các nút là đủ.
Vì vậy, hãy chứng minh rằng là một số nguyên. Chúng ta hãy nội tiếp tam giác vào hình bình hành có các cạnh song song với các cạnh. Vì đỉnh nằm trong các nút nên đỉnh cũng nằm trong các nút. Chúng ta hãy tưởng tượng hình bình hành là sự kết hợp của tam giác và tam giác , có hai cạnh song song với các cạnh của mạng (Hình 9, a), 6). Rõ ràng là đối với bất kỳ hình bình hành nào có các đỉnh tại các nút và độ dài các cạnh và (đối với đơn vị độ dài chúng ta chọn độ dài cạnh hình thoi tạo ra mạng, các số và là số nguyên), số (П được chia thành tạo ra mạng hình thoi (Hình 10) và với mỗi điểm của hình thoi : trong hình thoi tổng độ lớn mưa đá của các cung là ). Vì vậy, đối với mỗi có các đỉnh tại các nút, số là một số nguyên ( luôn có thể hoàn thành thành hình bình hành (Hình 11); sau đó , tiết lộ là một số nguyên). Đối với một tam giác tùy ý có các đỉnh tại các nút, chúng ta có: , tức là cũng là một số nguyên. Vì vậy, đối với một tam giác có các đỉnh tại các nút, mệnh đề đã được chứng minh.
Nhân tiện, lưu ý rằng từ đẳng thức , ngay lập tức suy ra rằng tỉ lệ với diện tích :
và ( là diện tích tam giác .
Posny và chúng tôi nhận được điều đó cho mọi tam giác với các đỉnh tại các nút . Vì hàm và diện tích là cộng, nên đối với một đa giác tùy ý
Đây là cách giải thích hình học của số : đối với bất kỳ đa giác nào, số tỷ lệ thuận với diện tích của nó.
Cần chứng minh rằng mọi -gon đều có thể biểu diễn dưới dạng (*).
Lưu ý rằng nếu đường chéo không cắt các cạnh và nằm bên trong thì nó sẽ tách thành -giác và -giác, với và . Nếu nó nằm bên ngoài thì được biểu thị bằng sự khác biệt giữa - và -gon. Do đó, chỉ cần chứng minh rằng trong bất kỳ đa giác nào cũng có một đường chéo không cắt các cạnh của nó là đủ.
Hãy lấy ba đỉnh liên tiếp của đa giác : . Nếu đường chéo không giao nhau với các cạnh thì đã tìm được đường chéo yêu cầu. Nếu không thì
36
Hình 11.
F458. Cậu bé bơi với tốc độ bằng một nửa tốc độ đuổi theo dòng sông. Anh ta nên bơi sang bờ bên kia theo hướng nào để anh ta bị cuốn theo ít nhất có thể?
Hình 12.
F459. Điện cực chứa ba vòng xoắn ốc có điện trở Ohm, mỗi vòng xoắn ốc được kết nối song song với nhau. Máy sưởi được nối thành bảy dãy có điện trở Ohm. Thời gian cần thiết để cắt hình xoắn ốc này bằng nước để đun sôi sẽ thay đổi như thế nào nếu một trong các hình xoắn ốc bị cháy?
Hình 13.
Gọi là tốc độ của dòng sông, là tốc độ của cậu bé so với dòng nước. Khi đó vận tốc của cậu bé so với bờ là
Vectơ vận tốc của cậu bé so với dòng chảy có thể có hướng khác nhau, nhưng đầu của nó nhất thiết phải nằm trên một đường tròn bán kính (Hình 13). Từ hình vẽ có thể thấy rằng vectơ tạo một góc tối thiểu với đường bờ biển trong trường hợp nó hướng tiếp tuyến với đường tròn - vị trí hình học của các đầu của vectơ có thể có . Trong trường hợp này, cậu bé rõ ràng sẽ bị dòng nước cuốn đi một khoảng cách tối thiểu có thể. Từ hình vẽ ta thấy rằng trong trường hợp này cậu bé phải bơi một góc với bờ biển bằng
O. Savigan
Điện trở của viên gạch có ba hình xoắn ốc mắc song song là ohms. Sau khi cháy hết một vòng xoắn ốc, điện trở của viên gạch trở thành Ohm.
Cho đến khi vòng xoắn cháy hết, dòng điện chạy qua mạch (U là điện áp mạng). Sau khi kiệt sức - .
Trong trường hợp đầu tiên, lượng nhiệt cần thiết để đun sôi một ấm nước được giải phóng trong viên gạch trong thời gian đó
trong trường hợp thứ hai - trong thời gian
Hãy tìm tỉ số của thời gian và :
Do đó .
37
F460. Trong mạch như hình 14, công tắc liên tục chuyển từ vị trí trên xuống vị trí dưới và quay lại. Ở vị trí trên nó bị trễ một thời gian , ở vị trí thấp hơn một thời gian . Tên của người được thôi thúc từ nguồn sau một thời gian rất dài kể từ khi công tắc bắt đầu hoạt động. Điện dung cực đại của tụ điện là trong thời gian nó không có thời gian để phóng điện hoàn toàn.
Hình 14.
F461. Mỗi mét vuông bề mặt của một vật thể, được cắt đến nhiệt độ , sẽ phát ra năng lượng W trên một đơn vị thời gian. Ở khoảng cách nào tính từ Mặt trời thì mạt sắt biến thành giọt nếu mật độ dòng bức xạ mặt trời (năng lượng truyền qua một đơn vị diện tích trên một đơn vị thời gian) trên thể tích Trái đất là ? Điểm nóng chảy của sắt xấp xỉ , khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời là .
Hình 15.
Gọi là điện áp trên tụ điện. Vì, theo các điều kiện, sự thay đổi điện tích của tụ điện trong thời gian (và do đó trong thời gian ) là nhỏ, nên chúng ta có thể giả sử rằng sau một khoảng thời gian lớn hơn sau khi bắt đầu chuyển mạch, điện tích không thay đổi theo thời gian. Sau đó, khi tụ điện được tích điện, dòng điện chạy qua mạch và trong thời gian điện tích đi qua. Khi tụ điện được tích điện, dòng điện chạy qua mạch, sao cho điện tích theo thời gian đi qua. và là sự thay đổi điện tích của tụ điện trong quá trình sạc và phóng điện. Ở chế độ cài đặt , tức là
Từ đây chúng ta tìm thấy :
Năng lượng tiêu thụ từ nguồn trong thời gian bằng . Do đó, trong thời gian công suất tiêu thụ trung bình của nguồn bằng
I. Slobodetsky
Một hạt sắt được nung nóng đến nhiệt độ tại đó năng lượng do nó phát ra bằng năng lượng tỉ lệ với diện tích bề mặt của hạt. Để ước tính, chúng ta sẽ giả sử rằng mùn cưa là một quả bóng, bán kính trung bình của nó bằng . Sau đó, năng lượng phát ra trên một đơn vị thời gian của mỗi hạt được nung nóng đến nhiệt độ , bằng .
Năng lượng nhận được từ Mặt trời trong một đơn vị thời gian tỷ lệ thuận với diện tích mặt cắt ngang lớn nhất của hạt, tức là và bằng
trong đó là mật độ thông lượng bức xạ mặt trời ở khoảng cách tính từ Mặt trời nơi đặt hạt. Vì năng lượng không đổi sẽ lan truyền trên một đơn vị góc rắn so với Mặt trời, nên (Hình 15) và
Kể từ đây,
Đánh đồng và , ta có
Từ phương trình này chúng ta tìm thấy
A. Smasenko
38
Một parabol trông như thế nào?
Cố gắng áp dụng các dấu hiệu khác nhau.
A. Zemlyakov
Một parabol trông như thế nào?
Cố gắng áp dụng các dấu hiệu khác nhau.
A. Pushkin
Bạn có bao giờ thắc mắc tại sao đồ thị parabol của hàm bậc hai lại được vẽ trên mặt phẳng tọa độ như hình 1,a không? Tại sao nó không được vẽ như trong Hình 1b hoặc 1c?
Bạn có thể trả lời rằng nếu bạn vẽ đồ thị từng điểm (Hình 2), bạn sẽ nhận được “như trong Hình 1,a.” Tuy nhiên, không thể lấy vô số điểm thử và không rõ làm thế nào để tiếp tục biểu đồ cho các giá trị lớn . Chúng tôi sẽ trình bày hai lập luận khác nhau chứng tỏ rằng các đồ thị trong Hình 1, b và 1, tiếp theo là không chính xác.
suy luận đại số
Nguyên tố có thể giao nhau với paraboly tại không quá hai điểm (Hình 3,a; giải thích). Các đồ thị trong Hình 1, b và 1, trong một số đường thẳng này giao nhau tại ba điểm hoặc thậm chí nhiều hơn (Hình 3, b, c).
Lý luận phân tích
Hệ số góc của tiếp tuyến với đồ thị của hàm khả vi tại các điểm có hoành độ bằng (“Đại số và trên-
đầu phân tích 9", đoạn 52). Nếu, khi tăng, hệ số tăng thì tiếp tuyến tạo thành một góc ngày càng lớn hơn với trục và đồ thị trở nên dốc hơn (trong trường hợp ; xem Hình 4). Đối với hàm bình phương , hệ số góc của tiếp tuyến có chính xác đặc tính này và đồ thị trở nên dốc hơn tại (Hình 5,a). Ngược lại, hệ số góc của các tiếp tuyến của đồ thị 1,b và 1,c giảm trong các khoảng từ đến ; xem hình 5b, c (Trong lập luận này, ý nghĩa hình học của tiếp tuyến được sử dụng đáng kể - xem thay thế 3 từ đoạn 52 đã đề cập của sách giáo khoa và bài viết. “Ý nghĩa hình học của một cái tùy ý,” «Kvant», 1977, số 2).
Bình luận
Lý luận đại số cũng như giải tích không chỉ có thể áp dụng cho parabol mà còn cho các đồ thị khác của hàm số, như có thể thấy bằng cách giải bài toán được đề xuất dưới đây. Lý do thứ hai, phân tích bản chất hành vi của một tiếp tuyến với đồ thị, cũng dẫn đến khái niệm quan trọng về độ lồi của hàm số (đồ thị của chúng) (xem “Đại số và khoa học 10,” đoạn 79). Lưu ý rằng có thể đặt mức tăng hoặc giảm độ dốc bằng hàm tùy ý: và tăng hoặc giảm tùy thuộc vào dấu của hàm tùy ý thứ hai .
Nhiệm vụ 1
-
Đồ thị nào trong Hình 6 có thể trả lời hàm ?
-
Hình 7, a, b thể hiện hai đồ thị bậc của hàm số , trong đó . Đối với mỗi biểu đồ và đối với mỗi biểu đồ ?
( Đưa ra cả lý luận giải tích và đại số trong 1, 2.)
- (lớp 10). Theo quy định, vẽ đồ thị và tại - như Hình 8, a, 9, a, hay như Hình 8, b, 9, b? (Đáp số biện minh.)
40
Viviana
Đường cong, như được xác định trong chú thích của bốn trang bìa, đôi khi được gọi là “đường cong của Vivian”, đôi khi là “cửa sổ của Vivian”, đôi khi ngắn gọn là “Vivian” và đôi khi chỉ đơn giản là “tám xiên” cho hình dạng của nó. Đường cong không gian này lần đầu tiên được chỉ ra bởi nhà toán học Illyan Vinchenko Viviana (1622-1703), người may mắn được là học trò của G. Galileo và là bạn của E. Torricelli. Năm 1692, Viviana gửi thư cho một số nhà toán học, trong đó ông gợi ý rằng họ nên làm (tất nhiên là theo suy đoán) hai cửa sổ trong “mái vòm” (bán cầu) sao cho bề mặt của mái vòm rỗng bằng với hình vuông có thể xây được trên đường kính của mái vòm. Hóa ra Viviana, nếu một đường cắt hình chén được thực hiện dọc theo nó, sẽ thỏa mãn điều kiện bài toán này. Các nhà khoa học trung niên bị bài toán Viviana thu hút sự chú ý là I. Bernouli, G. W. Leibniz và J. P. Roberval.
Leibniz, sử dụng phép tính tích phân, đã giải được bài toán của Vivian nhanh nhất—trong một ngày. Bản thân Vivian đã giải được bài toán của mình mà không cần sự trợ giúp của tích phân.
Vivianne có thể chế tạo một chiếc la bàn trên bề mặt của một hình trụ; chỉ cần chiều dài đường kính của hình trụ, tức là bán kính của hình cầu, mở rộng (Hình 1). Để chứng minh sự tương đương giữa hai định nghĩa về Vivianna, được chỉ ra trong chú thích của bốn trang bìa, hãy xem Hình 2, trong đó là tâm của hình cầu, là điểm hiện tại của Vivianna, là điểm mà Vivianna cắt chính nó, là hình chiếu của điểm lên đáy hình trụ. Bây giờ từ đẳng thức suy ra , tức là .
Trong tọa độ Descartes, Viviana được xác định bằng hệ hai phương trình
Pis. 1.
Hình 2.
Hình 3.
đại diện cho một cung paravola.
Bây giờ chúng ta hãy xem xét các hình chiếu trung tâm của Vivianna từ các điểm khác nhau của hình cầu trên các mặt phẳng khác nhau, đi qua trung tâm. Nếu lấy tâm chiếu là điểm thì hình chiếu của Vivianna lên mặt phẳng sẽ là phép dựng hình («Kvant», 1977, số 2, trang 43). Nếu chúng ta lấy điểm làm tâm chiếu thì hình chiếu của Vivianna lên mặt phẳng sẽ được dựng dưới dạng hyperbol (đường cong này thường được sử dụng để biểu thị tỷ lệ nghịch). Cuối cùng, nếu chúng ta để lại cùng một mặt phẳng chiếu và chọn tâm chiếu là điểm của hình cầu, được chiếu theo đường kính đến điểm , thì ảnh của Vivianne sẽ nằm trong Bernoulli («Kvant», 1977, Số 1, trang 25).
V. Berezin
41
Nhiệm vụ
-
Người làm bánh có bao nhiêu cái bánh? Đáp số đóng vai trò là số “nhiều” nhất có thể có trong ví dụ hiển thị trong hình.
-
Độ tuổi trung bình của 11 cầu thủ trong đội bóng là 22 tuổi. Trong trận đấu, một cầu thủ đã bị thương và phải rời sân. Độ tuổi trung bình của các cầu thủ còn lại trên sân là 21 tuổi. Cầu thủ bóng đá bị chấn thương bao nhiêu tuổi?
-
Từ tám đầu hình chữ nhật có kích thước 2×4 và sáu đầu hình chữ nhật có kích thước 2×3, Lenya đã gấp một hình vuông có kích thước 10×10 (xem hình). Sau khi quan sát hình vuông này một cách cẩn thận, ông phát hiện ra rằng trong hai trường hợp, các cạnh của các đầu hình chữ nhật này tạo thành các đoạn nối các cạnh đối diện của hình vuông. Điều này có vẻ xấu đối với Lena, và anh quyết định thử ghép cùng một hình vuông từ mười bốn đầu hình chữ nhật này lại với nhau, nhưng sao cho không có những đoạn như vậy. Tuy nhiên, anh không thể làm điều này. Giúp Lena đi các bạn!
-
Tập trung vào vấn đề. Lấy một số có nhiều chữ số trong đó tất cả các chữ số đều khác nhau. Lấy số thứ hai, được viết bằng cùng các chữ số (theo bất kỳ thứ tự nào khác). Trừ số nhỏ hơn từ số lớn hơn. Kết hợp bất kỳ chữ số nào khác 0 của hiệu vào một vòng tròn và đưa ra dự đoán về tổng của các chữ số còn lại (nếu hiệu là số có hai chữ số hoặc một chữ số thì nêu chữ số còn lại hoặc số 0 nếu thích hợp). Người đoán “đoán” số được khoanh tròn. Anh ấy làm điều đó bằng cách nào?
42
Có thể bạn đã nhiều lần gặp các đẳng thức số học trong đó tất cả hoặc một số số được thay thế bằng các chữ cái hoặc ký hiệu khác. Trong những bài toán như vậy, cần phải giải mã ý nghĩa của từng ký hiệu và khôi phục lại bản ghi số.
Ở Ấn Độ và Trung Quốc, loại hình “giải trí toán học” này đã xuất hiện cách đây hơn 1000 năm. Ở châu Âu, bài toán tương tự chỉ bắt đầu được phát minh vào đầu thế kỷ 20. Trong những năm khó khăn của thế kỷ chúng ta, những bài toán như vậy được gọi là “cryptarthmetic” - cryptarithmie (tiếng Pháp), criptarithmetic (tiếng Anh). Trên các tạp chí châu Âu và Mỹ, cái tên này đã được công nhận rộng rãi. (Trong tài liệu của chúng tôi, chúng thường được gọi là “câu đố số” hoặc “câu đố số”.) Một số quy tắc mã hóa cũng đã được thiết lập: thay thế các số khác nhau bằng các chữ cái khác nhau; tránh chữ O thay số 0; sử dụng một ký tự không phải chữ cái (“dấu hoa thị”) để thay thế bất kỳ số nào. Điều mong muốn là bài toán có một lời giải duy nhất.
Ngay khi chúng xuất hiện, thuật toán mật mã bài toán ngay lập tức trở nên phổ biến. Trình biên dịch của họ ngày càng thể hiện sự khéo léo và tinh tế. Ví dụ: bài toán xuất hiện, trong đó các chữ cái thay thế số tạo thành từ và thậm chí cả cụm từ. Nhà biên soạn các câu đố toán học nổi tiếng người Anh, G. E. Dueden, là người đầu tiên nghĩ ra bài toán như vậy. Tác phẩm lịch sử đầu tiên là hai câu đố về bảng chữ cái và số học của ông, được xuất bản năm 1924:
send + more = money; *)
(two)·(two) = three.
Câu đố đầu tiên đã đi khắp thế giới và nổi tiếng là kinh điển trong thể loại này.
Hãy xem một ví dụ về số học “ẩn”:**
TÍN
× ĐỪNG
Với***
R**
*E
**KI
*) Gửi thêm tiền - thêm tiền đến (tiếng Anh).
**) Inn, Don - sông (Nhà trọ - phụ lưu của sông Danube).
43
Ở đây vòng tròn biểu thị một chữ cái khác với các chữ cái còn lại.
Đánh giá ban đầu về ví dụ cho thấy rằng
- không một chữ số nào bằng 0 hoặc một;
- sản phẩm (TIN)·N - số có bốn chữ số;
- sản phẩm (TIN) · O là số có ba chữ số.
Chúng ta sẽ sử dụng khả năng của giá trị H. Dễ dàng nhận thấy H không thể bằng hai. Đặt H = 3; thì I ≥ 4 và 1 < O < 3, và giá trị O = 2 chỉ có thể xảy ra khi I = 4. Ta có
Tổng 9 + 6 xác định giá trị I = 5 - ngược lại với giả định I = 4. Điều này có nghĩa trường hợp H = 3 là không thể xảy ra.
Việc kiểm tra giá trị tiếp theo H = 4 cũng dẫn đến sự khác biệt giữa các giá trị giả định và giá trị thu được khi ghi kết quả nhân các giá trị của I. Do đó, chúng ta chuyển sang giả định rằng H = 5. Nếu vậy thì I ≥ 2. Trong trường hợp I > 2 bất kỳ, không có giá trị nào phù hợp cho O. Nếu I = 2 thì O = 4 hoặc O = 3. Trong trường hợp đầu tiên, như rất dễ thiết lập, sự bất đồng về hiểu biết về I lại nảy sinh. Ở hạng thứ hai . Trong mỗi chúng lại có toàn bộ tori (nhỏ hơn); tổng cộng - 36 tori hạng hai, tạo thành một tổng thể phức tạp hơn . Sử dụng sơ đồ tương tự, các tors hạng ba được chế tạo.
Giá trị I = 2 đã được xác nhận trong tổng cuối cùng và trong tất cả các giá trị có thể có D ≥ 4, chỉ có giá trị D = 8 là phù hợp.
Cuối cùng: TIN = 255, DON = 835. Sau khi kiểm tra các giá trị có thể còn lại H = 6, 7, 8 và 9, hãy đảm bảo rằng không có lời giải bài toán nào khác.
Giải một số “mật mã” bài toán;
- one + two + five = eight;
- zero + one + two = three;
- two + three + seven = twelve;
- ĐƯỜNG + ĐƯỜNG = HÌNH
(ở đây LINE là số nhỏ nhất có thể); - VẤN ĐỀ + PHÂN TÍCH = GIẢI PHÁP - số lớn nhất có thể);
- CHIẾN ĐẤU + ĐI + ĐƯỢC = TỐT
(ở đây BORIA là số điều khoản tối đa có thể có); - BA + BA + MỘT = BẢY
(ở đây toàn bộ 10 chữ số đều bị “ẩn”, với các số BA và SEVEN lần lượt chia hết cho 3 và 7).
vòng cổ của Antoine
Đây là tên của trang trí phức tạp được hiển thị trên trang đầu tiên của trang bìa. Nhưng đây không phải là sự sáng tạo của một nghệ sĩ xinh đẹp hơn: nó được tạo ra vào đầu những năm 20 bởi nhà toán học người Pháp L. Antoine. (Một lát sau, nhưng độc lập, một ví dụ tương tự đã được nhà toán học Liên Xô P. S. Urson thu được, ngay trước cái chết bi thảm của ông ở tuổi 26.)
Bức tranh vẽ miêu tả điều gì? Một chuỗi sáu điểm hạng nhất . Trong mỗi chúng lại có toàn bộ tori (nhỏ hơn); tổng cộng - 36 tori hạng hai, tạo thành một tổng thể phức tạp hơn . Sử dụng sơ đồ tương tự, các tors hạng ba được chế tạo.
Tất nhiên, Antoine nghĩ ra bộ này không phải để mua vui hay thậm chí là để làm đẹp; tập A có những đặc tính hoàn toàn bất ngờ; những tính chất này được nghiên cứu ở một trong những nhánh quan trọng nhất của toán học hiện đại - cấu trúc liên kết.
A.B.
45
Khoa Vật lý
-
Giải hệ phương trình
-
Giải phương trình
-
Giải phương trình
-
Với những giá trị nào của thì bất đẳng thức đúng?
Vật lý
Khoa Cơ học và Toán học
- Sự trộn lẫn của chùm tia tới từ không khí lên một tấm kính phẳng song song có thể lớn hơn độ dày của tấm này không? Tìm sự trộn chùm tia tối đa.
Khoa Vật lý
- Tìm cường độ dòng điện chạy qua ampe kế và điện tích trên các bản tụ trong mạch như hình vẽ, nếu các giá trị , của nguồn dòng điện là thì điện trở trong của nó là , điện dung của tụ là , giá trị điện trở ở mạch ngoài là .
Khoa Hóa học và Sinh học
- Một quả bóng tennis được ném ở độ cao so với sàn và khoảng cách tính từ bức tường thẳng đứng song song với sàn. Vận tốc ban đầu của quả bóng phải là bao nhiêu để sau khi phản xạ đàn hồi tuyệt đối từ tường, nó rơi xuống sàn ở khoảng cách tính từ tường lớn hơn ?
V. Alimtsev, L. Berkovich, S. Meshchkov, A. Khvostmov
Đại học quốc gia Moscow được đặt theo tên. M. V. Lomonosova
Dưới đây là các phiên bản đã xuất bản của bài kiểm tra viết môn toán được cung cấp tại Khoa Toán tính toán và Điều khiển học cũng như tại Khoa Vật lý (dành cho những học sinh tốt nghiệp trung học năm 1977) và các ví dụ về bài kiểm tra miệng bài toán trong vật lý.
Matematika
Khoa Toán tính toán và Điều khiển học
-
Giải bất đẳng thức
-
Trong một tam giác, một trong các góc bằng hiệu của hai góc còn lại, chiều dài cạnh ngắn hơn là 1 và tổng diện tích các hình vuông dựng trên hai cạnh kia gấp đôi diện tích hình tròn ngoại tiếp tam giác. Tìm độ dài cạnh dài nhất của tam giác.
-
Giải hệ phương trình
-
Các thành phố , nằm sao cho tứ giác lồi, được kết nối bằng các đường thẳng km, km, km, km và km.
Ba du khách rời khỏi một trong những thành phố cùng lúc, đi bộ không ngừng với tốc độ không đổi. Các tuyến đường của tất cả khách du lịch đều khác nhau, và mỗi tuyến đường bao gồm ba con đường và đi qua các thành phố. Khách du lịch thứ nhất và thứ hai gặp nhau ở cùng một thành phố trước khi hoàn thành tam giác tuyến đường đắt đỏ, còn khách thứ ba thì hoàn thành
46
tuyến đường đi trước một giờ so với khách du lịch đã hoàn thành tuyến đường cuối cùng.
Tìm vận tốc của khách du lịch nếu tốc độ của khách du lịch thứ ba lớn hơn tốc độ của khách du lịch thứ hai và nhỏ hơn tốc độ của khách du lịch thứ nhất km/giờ và tốc độ của tất cả khách du lịch đều nằm trong khoảng từ 5 km/giờ đến 8 km/giờ.
- Tìm tất cả các giá trị của tham số thỏa mãn các bất đẳng thức sao cho giá trị nhỏ nhất của hàm trên khoảng nhận giá trị nhỏ nhất.
Khoa Vật lý
-
Giải phương trình
-
Tìm diện tích của hình khép kín được giới hạn bởi các đường thẳng:
-
Tìm số hạng phủ định của dãy
trong đó là số lượng vị trí và và là số lượng hoán vị. -
Cho một hình thang đều có đường tròn nội tiếp và đường tròn ngoại tiếp xung quanh. Tỉ số giữa chiều cao của hình thang và bán kính của đường tròn ngoại tiếp là . Tìm các góc của hình thang.
-
Độ dài của cạnh hình lập phương bằng 1. Trên cạnh lấy một điểm sao cho độ dài của đoạn bằng . Trên cạnh lấy một điểm sao cho độ dài của đoạn bằng .
Một mặt phẳng được vẽ qua tâm của khối lập phương và các điểm và . Tìm khoảng cách từ đỉnh đến mặt phẳng .
I. Gorev
Vật lý
Khoa Vật lý
-
Sau vụ nổ của một tên lửa bay thẳng đứng, ba mảnh có khối lượng bằng nhau được hình thành, đồng thời rơi xuống đất. Khoảng cách từ nơi phóng đến nơi rơi của hai người bằng km và km, các đường nối điểm rơi của chúng với nơi xuất phát tạo thành một góc vuông với nhau. Khoảng cách từ điểm xuất phát đến nơi mảnh thứ ba rơi là bao nhiêu? (Sức cản của không khí không được tính đến khi tính toán).
-
Một vật có khối lượng kg được nối bằng một sợi dây với một điểm cố định và bằng sợi dây thứ hai,
ném qua một khối không trọng lượng , có khối lượng kg (Hình 1). Tại một thời điểm nào đó, góc vuông và đoạn tạo thành một góc với đường chân trời. Xác định độ căng chỉ tại thời điểm này.
-
Trên một cân bệ có khối lượng kg có khối lượng kg (Hình 2). Với lực tối thiểu là bao nhiêu lò xo của cân phải được nén lại để sau khi dừng lực, vật nảy lên trên bệ khi nâng?
-
Hình dạng một cái thang được tán đinh từ hai dải kim loại mỏng (Hình 3). Khoảng cách giữa các sọc là . Các dải có hệ số giãn nở tuyến tính khác nhau và (). Khi được làm nóng, do các dải có độ giãn dài khác nhau, cầu thang sẽ bị uốn cong. Tìm bán kính cong của cầu thang nếu nó bị nung nóng độ
Định luật vật lý
Những khám phá vĩ đại được thực hiện hoàn toàn bằng cách lắng nghe.
Nhím và Sư Tử gặp nhau chỉ để lắng nghe trong rừng.
“Chuẩn bị sẵn sàng đi Nhím,” Lev nói, “bây giờ tôi sẽ đánh cậu.”
Nhím đã sẵn sàng: nó cuộn tròn thành một quả bóng, bạn sẽ không hiểu tâm hồn nó ở đâu và gót chân nó ở đâu.
Con sư tử vẫy tay và - bang! Có chuyện gì vậy? Theo mọi tính toán, lẽ ra Nhím phải bay được ba mét nhưng nó chỉ bay được một mét rưỡi. Và trong nửa giờ còn lại, Sư tử đã bay đi. Và những thước đo này dường như không đủ đối với anh ta: anh ta kẹp đuôi vào giữa hai chân và lao đi!
“Một hiện tượng thú vị,” Nhím nghĩ, “Mình phải xem nó mới được!”
Anh bắt đầu kiểm tra nó theo yêu cầu của một nghiên cứu khoa học. Tôi đã làm thí nghiệm trên cả sói và gấu.
Mọi thứ đã được xác nhận: cú đánh càng mạnh, con vật càng bay xa. Đây là cách Nhím phát hiện ra định luật: hành động ngang bằng với phản ứng.
Đây là một khám phá khoa học vĩ đại. Cho đến nay, họ chỉ hành động trong rừng nhưng không ai dám chống cự. Bây giờ tôi nhận thức được mọi thứ bằng tinh thần. Thỏ rừng, hải ly, chuột túi má - tất cả những sinh vật nhỏ trong rừng đều chui ra khỏi hang, lén lút tiến về phía Sư tử.
“Chà,” anh ấy nói, “đánh nó đi!”
Con sư tử bắt đầu tấn công. Anh ta ngắt lời mọi người - thật đáng sợ khi xem.
- Việc này không đúng luật! - con bé phẫn nộ. - Theo luật thì hành động ngang bằng với phản ứng!
Lev đình công. Anh ta không quan tâm đến luật pháp.
Và sau đó một Suslik đã được tìm thấy. Kinh nghiệm được tóm tắt bằng Luật con nhím bổ sung:
Hành động bằng phản ứng - đây là một định luật vật lý.
Nhưng ở nơi nào lực vật lý hoạt động thì các quy luật vật lý không có hiệu lực.
Trong khoa học, định luật này được rút ra dưới tên gọi định luật Hedgehog-Suslin.
Từ cuốn sách “Dạy truyện cổ tích” của F. Krivin
48
S. Ovchinnikov
Điểm thuộc một đường thẳng và một mặt phẳng
Đối với lời giải hình học bài toán người ta thường sử dụng điều kiện là các điểm thuộc đường thẳng hoặc mặt phẳng. Việc sử dụng vectơ cho phép chúng ta viết các điều kiện này ở dạng đơn giản và nhỏ gọn. Đồng thời, trong lời giải bài toán thường không cần đến những công trình xây dựng bổ sung khá xảo quyệt.
Trong lưu ý này, chúng ta sẽ rút ra các điều kiện để các điểm thuộc một đường thẳng và một mặt phẳng, đồng thời xem xét các ví dụ về ứng dụng của chúng. Hãy bắt đầu với lời giải tiếp theo bài toán.
Bài toán 1 (Khoa Kinh tế, Đại học Tổng hợp Matxcơva, 1975). Cho tam giác ABC. Trên cạnh AB và BC lần lượt lấy điểm M và N; , . Đoạn thẳng AN và CM cắt nhau tại điểm O. Tìm tỉ số diện tích của các tam giác AOC và ABC.
Lời giải (Hình 1). Bởi vì
Chúng ta chỉ cần xác định điểm O chia đoạn MC theo tỉ số nào là đủ. Hãy vẽ ME, , song song với AN; thì .
Nhưng , đến từ đâu. Kế tiếp,
Có nghĩa,
Lưu ý rằng phần lớn người nộp đơn không thể tìm ra cách xây dựng bổ sung ME || AN và do đó đã không giải quyết được điều này bài toán.
Xét lời giải khác dựa trên kết quả bài toán 254 của sách giáo khoa Hình học 9. Chúng ta hãy xây dựng kết quả này như sau:
Định lý 1. Với mọi cách chọn điểm O, đẳng thức
(1)
đối với một số α điều cần thiết và đủ điều kiện là các điểm A, B và C () thuộc cùng một đường thẳng. Đồng thời .
Hình 1.
Hình 2.
49
Hình 2 minh họa Định lý 1. Lưu ý rằng giá trị của hệ số xác định vị trí của điểm trên đường . Nếu thì điểm nằm giữa và ; nếu thì điểm nằm giữa và và cuối cùng, nếu thì điểm nằm giữa và . Hệ số đóng vai trò nhận biết tọa độ trên đường thẳng : gốc tọa độ là điểm và thang đo được cho bởi đoạn sao cho điểm có tọa độ một.
Hãy quay lại bài toán 1 và biểu thị và . Sau đó và . Vì điểm thuộc các đường thẳng và nên
tức là
Ở đâu
Giải hệ thu được, ta tìm được . Theo Định lý 1
Ở đâu
Hình 3.
Hình 4.
50
Ký hiệu bằng φ, từ tam giác ta tìm được bằng cách sử dụng định lý cosine. Cho giá trị của cosф, chúng ta tính các đường chéo và bằng định lý cosine.
Bài toán 3*). Cho một hình tam giác và một điểm trên cạnh . Chứng minh rằng .
Lời giải (Hình 4). Chúng tôi có .
Vì , nên . Tiếp theo, , từ đó phát biểu bài toán.
Định lý 1 cho phép khái quát hóa sau đây cho trường hợp không gian.
Định lý 2. Cho và là các điểm phân biệt theo từng cặp không nằm trên cùng một đường thẳng. Với mọi lựa chọn điểm đẳng thức
Chứng minh 1) Tính đầy đủ. Giả sử (2) được thỏa mãn. Chúng tôi tìm thấy , từ đâu . Do đó, các vectơ và là đồng phẳng và do đó, các điểm và thuộc cùng một mặt phẳng.
- Sự cần thiết. Nếu và thuộc cùng một mặt phẳng thì các vectơ và là đồng phẳng. Vì các điểm và phân biệt theo từng cặp và không nằm trên cùng một đường thẳng nên các vectơ và không thẳng hàng.
*) bài toán này được đề xuất bởi I. Sharygin.
Hình 5.
52
Trừ thể tích của kim tự tháp và . Gọi là thể tích của lăng kính. Từ các tính toán trước đây, chúng ta biết sự tương ứng giữa các độ cao , , của các kim tự tháp , , và chiều cao của lăng kính, cũng như sự tương ứng giữa các diện tích của các đáy. Điều này giúp bạn dễ dàng tìm thấy , và , từ đó thể tích của khối đa diện bằng . Vì vậy, mặt phẳng cắt chia thể tích của lăng kính theo tỷ lệ 49:95.
Trước tiên, hãy lưu ý rằng trong lời giải của chúng tôi, điều kiện lăng kính đúng không được sử dụng ở bất kỳ đâu. Thứ hai, phương pháp lời giải của chúng tôi cũng phù hợp trong trường hợp các điểm và không phải là trung điểm của các cạnh và , trong khi lời giải với các cấu trúc bổ sung *) sử dụng đáng kể trường hợp này (prima cắt tại điểm vì ).
Một độc giả chú ý có thể đã nhận thấy khi so sánh Định lý 1 và Định lý 2 rằng trong Định lý 1, hệ số chỉ đơn giản là dado có nguồn gốc hình học, trong khi ý nghĩa hình học của các hệ số và trong Định lý 2 vẫn chưa rõ ràng. Chúng tôi đã tận dụng khoảng trống này trong một trường hợp cụ thể quan trọng, để lại cho người đọc phần khái quát hóa.
Định lý 3. Nếu theo điều kiện của Định lý 2, điểm nằm trong tam giác thì từ đẳng thức
*) So sánh lời giải của bài toán này với điều được đưa ra trong cuốn sách của G.V. Dorofeev, M.K. Potapov, N.Kh. Rozov “Sổ tay toán học để xây dựng bài toán”, Moscow, 1976, phần 3, § 6, bài toán 7 (tr. 514).
53
Hình 8.
Chứng minh (Hình 8). Như sau từ chứng minh Định lý 2 . Hãy đặt , . Từ Hình 8 có thể thấy rằng và . Từ những đẳng thức này dễ dàng suy ra .
Nhiệm vụ và
-
(Geofak, Đại học quốc gia Mátxcơva, 1966). Điểm chia đường trung tuyến của tam giác theo tỷ lệ 3:1, tính từ đỉnh. Đường thẳng chia mặt phẳng của tam giác theo tỷ lệ nào?
-
(Geofak, Đại học quốc gia Mátxcơva, 1974). Cho một đường thẳng tứ giác đều có đỉnh . Trên các cạnh và lần lượt lấy các điểm và và , . Tìm tỉ lệ mà cạnh được chia cho mặt phẳng vẽ qua các điểm , và .
-
(Khoa Hóa học, Đại học Tổng hợp Matxcova, 1970). Mặt phẳng đi qua đỉnh của đáy của đường thẳng tam giác , chia đôi đường trung tuyến của tam giác và cắt đường trung bình của tam giác tại điểm sao cho . Mặt phẳng này chia thể tích của một đường thẳng theo tỉ lệ nào?
Sửa đổi. Có lỗi đánh máy trong điều kiện bài toán M483, mô tả bài toán «Kvant» («Kvant», 1978, Số 1). Dưới đây chúng tôi đặt điều kiện chính xác của bài toán này. Thời hạn gửi lời giải được kéo dài đến ngày 1 tháng 5 năm 1978.
-
(Geofak, Đại học quốc gia Mátxcơva, 1976). Trong hình bình hành có các đường chéo bằng và , vẽ một đoạn nối điểm của đường chéo với điểm của cạnh . Điểm và được chọn sao cho . Được biết, điểm giao điểm của đường chéo với đoạn chia nó theo tỷ lệ . Tìm các cạnh của hình bình hành.
-
Cho một hình tam giác . Ở bên chúng ta lấy điểm , và ở bên chúng ta lấy điểm và sao cho và . Đường chia đoạn theo tỷ lệ nào?
-
(Mekhmat, Đại học quốc gia Mátxcơva, 1964). Cho một khối lập phương , trong đó là các cạnh bên. Thể tích của hình lập phương chia cho mặt phẳng đi qua đỉnh , giữa cạnh và tâm của mặt theo tỷ lệ nào?
-
(Mekhmat, Đại học quốc gia Mátxcơva, 1965). Cho một đường thẳng tứ giác đều có đỉnh . Một mặt phẳng được vẽ đi qua trung điểm của các cạnh và . Mặt phẳng này chia thể tích của một đường thẳng theo tỉ lệ nào?
-
Bên trong tam giác lấy điểm . Các đường và lần lượt cắt các cạnh , và tại các điểm , và . Chứng minh rằng
- Điểm và chia hai cạnh và của tam giác theo tỉ số đã cho:
Gọi là giao điểm của đường và . Tìm tỉ số của tứ giác phẳng với tam giác phẳng .
- Giả sử là một đường thẳng tam giác có đỉnh và một điểm bên trong tam giác . Sau đó
M483. a) Chứng minh rằng tỉ số giữa bình phương bán kính đường tròn nội tiếp của một tam giác vuông với tổng bình phương độ dài các đường trung tuyến vẽ từ các góc nhọn không vượt quá 1/20.
- Ý nghĩa quan trọng nhất mà mối quan hệ này có thể mang lại là gì?
54
V. Orlov
Nghịch lý thân hình to lớn
Đối với lời giải bài toán, trong đó sự tương tác của một vật thể có khối lượng khác nhau đáng kể được xem xét, sự thay đổi năng lượng của một vật thể có khối lượng lớn hơn thường bị bỏ qua. Và sự bỏ bê này thường hóa ra lại đúng. Tuy nhiên, cần phải hiểu rõ ràng khi nào giả định đó có thể thực hiện được và khi nào điều này không thể thực hiện được.
Để làm rõ vấn đề này, hãy xem xét một chuỗi bài toán được xây dựng dưới dạng nghịch lý.
Bài toán 1. Một hòn đá có khối lượng rơi xuống Trái đất từ độ cao . 1) Hãy viết định luật bảo toàn năng lượng, xét chuyển động của hòn đá trong hệ thống báo cáo gắn với khối tâm của hệ đá-Trái Đất. Vào thời điểm hòn đá rơi xuống Trái đất, toàn bộ thế năng của nó đã chuyển hóa thành động năng :
trong đó là tốc độ của hòn đá trước khi chạm đất.
- Chúng ta hãy viết định luật bảo toàn năng lượng, xét chuyển động trong hệ thống báo cáo liên quan đến một thang máy chuyển động xuống với tốc độ không đổi
Trong bài viết này, chúng ta sẽ gọi một vật thể “lớn” là vật thể có khối lượng lớn gấp nhiều lần khối lượng của các vật thể khác tương tác với nó.
chiều cao so với Trái đất. Trong hệ này, Trái đất có động năng (M là khối lượng của Trái đất), hòn đá tại thời điểm ban đầu có động năng và thế năng . Vào thời điểm hòn đá rơi xuống Trái đất, cả động năng và thế năng của nó đều bằng 0, nên đối với mọi hệ ta có thể viết:
Hóa ra định luật bảo toàn năng lượng không được đáp ứng trong hệ thống “thang máy”, mà được đáp ứng trong hệ thống báo cáo, liên quan đến việc thang máy chuyển động với tốc độ không đổi. Nghịch lý?!
Bài toán 2. Một viên đạn có khối lượng di chuyển với tốc độ đâm vào sườn núi và mắc kẹt ở đó.
Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng trong hệ tường thuật trong đó Trái Đất đứng yên, ta tìm được sự biến thiên năng lượng của viên đạn:
Chúng ta sẽ xem xét chuyển động của một viên đạn trong hệ thống báo cáo liên kết với súng máy, hệ thống này di chuyển với tốc độ cùng hướng với viên đạn. Khi đó độ biến thiên động năng của viên đạn bằng
55
- Trong hệ quy chiếu gắn với súng máy di chuyển với tốc độ theo hướng ngược với hướng chuyển động của viên đạn,
Một phần động năng của viên đạn đi đâu? Khi viên đạn đột ngột giảm tốc độ sẽ sinh ra nhiệt; nói cách khác, năng lượng của viên đạn chuyển thành nhiệt: . Và chúng ta có thể thay đổi lượng nhiệt thoát ra (chẳng hạn như một viên đạn bắn trúng nhiệt lượng kế một cách chính xác). Tuy nhiên, theo lý luận của chúng tôi, nếu chúng tôi thực hiện cùng một thay đổi ba lần, chúng tôi sẽ nhận được các kết quả khác nhau: . Nghịch lý?!
Bạn có thể nghĩ ra nhiều bài toán tương tự khác, trong đó “nghịch lý” chỉ phát sinh do hệ thống các vật thể đang được xem xét không khép kín và trong mọi lý do, điều này không được tính đến. Trong bài toán 2 ở trên, hệ thống không bao gồm các vật thể “lớn” như Trái đất. Và trong bài toán 1, đoạn 2), mặc dù được đưa vào hệ Trái đất nhưng độ biến thiên năng lượng của nó được coi là bằng 0. Tuy nhiên, trong đoạn 1) Năng lượng Trái đất hoàn toàn không xuất hiện, bất kỳ độc giả nào cũng có thể sẽ nói rằng mọi thứ được viết ở đây đều chính xác.
Có chuyện gì vậy? Tại sao chúng ta nhận được kết quả hoàn toàn chính xác khi chọn một số hệ quy chiếu nhưng lại nghịch lý khi chọn các hệ quy chiếu khác? Nên chọn hệ quy chiếu nào cho lời giải bài toán sao cho chỉ có thể bỏ qua khối lượng lớn hơn, từ đó đơn giản hóa lời giải bài toán? Để trả lời những câu hỏi này, chúng ta hãy quay trở lại những vấn đề “nghịch lý” và thực hiện mọi lý luận “tuyệt đối nghiêm ngặt”.
Bài toán 1.1) Trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm của hệ vật thể Đá-Trái Đất, tại thời điểm ban đầu Trái Đất sẽ kết thúc và toàn bộ năng lượng của hệ bằng thế năng của hòn đá. Vào thời điểm hòn đá rơi xuống Trái đất, năng lượng của hệ bằng , trong đó là tốc độ mà hòn đá đã di chuyển dưới tác dụng của lực hấp dẫn của Trái đất, và là tốc độ mà Trái đất đã di chuyển dưới tác dụng của lực hấp dẫn của hòn đá. Hãy tìm vận tốc , áp dụng định luật bảo toàn động lượng:
Ở đâu
Bây giờ hãy viết định luật bảo toàn năng lượng của hệ:
Mục này là “hoàn toàn nghiêm ngặt.” Tuy nhiên, rõ ràng là trong mọi nhận thức bài toán (về sự rơi của các vật thể trên Trái đất) và độ lớn không có gì nhỏ so với 1 nên có thể bỏ qua. Khi đó trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm của hệ vật thể đá-Trái đất, định luật bảo toàn năng lượng sẽ được viết như sau:
- Trong hệ quy chiếu “thang máy”, năng lượng naal của hệ đá-Trái đất bằng , tại thời điểm hòn đá rơi xuống, năng lượng của hệ bằng , trong đó là tốc độ.
56
sự phát triển của Trái đất cho đến thời điểm này. Áp dụng định luật bảo toàn động lượng -
hãy tìm :
Vậy động năng của hệ tại thời điểm hòn đá rơi bằng
Trước đây chúng ta tin rằng năng lượng của Trái đất không thay đổi và tại thời điểm hòn đá rơi bằng , tức là chúng ta đã bỏ qua giá trị , giá trị này lớn hơn động năng của hòn đá. Rõ ràng đây là sai lầm của chúng tôi, dẫn đến nghịch lý này. Định luật bảo toàn năng lượng của một hệ phải được viết “nghiêm ngặt” như sau:
Sử dụng điều kiện vật “lớn”, tức là tính đến , chúng ta có thể bỏ qua các đại lượng , và sau đó từ định luật bảo toàn năng lượng chúng ta tìm được
Vì vậy, trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm của hòn đá - hệ Trái đất, trong đó vật “lớn” - Trái đất - ban đầu bị bỏ rơi, sự biến thiên năng lượng của vật “lớn” có thể bỏ qua. Trong hệ thống “thang máy”, vật thể “lớn” Trái đất có tốc độ ban đầu là , độ biến thiên năng lượng của nó tương đương với độ biến thiên năng lượng của một hòn đá và không thể bỏ qua sự thay đổi đó.
Những thay đổi về động năng của Trái đất trong hai hệ thống báo cáo đang xem xét có thể được tìm thấy theo một cách khác - bằng cách tính công của lực tại
57
chúng tôi nhận được
Những kết quả này cho thấy sự thay đổi động năng của cùng một vật thể có thể khác nhau đáng kể trong các hệ thống cắt khác nhau. Tuy nhiên, định luật bảo toàn năng lượng đối với một hệ kín của các vật thể được thỏa mãn trong mọi hệ quy chiếu quán tính.
Bây giờ chúng ta chuyển sang bài toán 2.
Bài toán 2. Sự thay đổi động năng của viên đạn trong các hệ cắt được xem xét là khác nhau:
Theo định lý về động năng - - công của ngoại lực, lực tác dụng lên viên đạn từ sườn núi cũng khác. Nói cách khác, hệ quả của chuyển động tương đối trong các hệ khác nhau bị cắt đứt bởi công tương đối của ngoại lực, và do đó, sự thay đổi động năng của hệ không kín của các vật cũng là tương đối.
Nghịch lý mà chúng tôi gặp phải trong bài toán này là do lỗi ghi âm
Biểu thức này chỉ có giá trị đối với các hệ kín, vì đối với các hệ như vậy, sự thay đổi động năng của tất cả các vật trong hệ là bất biến (tức là không đổi) so với bất kỳ hệ ngưỡng quán tính nào.
Vậy trong bài toán 2 lượng vật được giải phóng là , trong đó và là sự thay đổi động năng của viên đạn và Trái Đất. Tuy nhiên, đáp số, thu được ở điểm 1), là đúng, đây là lượng nhiệt được giải phóng, trong bất kỳ hệ nào chúng ta giải bài toán:
Hãy chứng minh nhận định này. Để làm điều này, chúng ta hãy thực hiện nghiêm túc tất cả các lý do trước đó:
- Trong hệ giới hạn mà Trái đất (ngọn núi) ban đầu kết thúc, năng lượng của hệ bằng động năng của viên đạn . Khi một viên đạn bắn trúng một ngọn núi, Trái đất đạt được một tốc độ nhất định , mà chúng ta có thể tìm thấy từ định luật bảo toàn động lượng: , do đó . Do đó, Trái đất thu được động năng và định luật bảo toàn năng lượng mọi hệ đều phải viết dưới dạng
hoặc
Sử dụng điều kiện của vật “lớn hơn” - , ta có
- Trong hệ thống cắt liên kết với súng máy di chuyển với tốc độ cùng hướng với viên đạn, động năng của Trái Đất thay đổi theo giá trị . Sự thay đổi này là do tốc độ của nó giảm từ giá trị xuống giá trị .
Giá trị có thể được xác định bằng cách áp dụng định luật bảo toàn động lượng cho hệ đạn-Trái Đất của các vật thể trong hệ giới hạn quán tính liên kết với khối tâm của chúng (sự thay đổi vận tốc của hệ số bất biến của hệ giới hạn quán tính!):
Cho giá trị này sự thay đổi động năng của Trái đất
58
trong hệ thống báo cáo đang được xem xét bằng
Vì , chúng ta có thể viết: .
Xét đến sự giảm năng lượng của Trái đất, ta viết định luật bảo toàn năng lượng dưới dạng
Từ đây
- Trong hệ thống báo cáo liên quan đến súng máy di chuyển với tốc độ theo hướng ngược với hướng của viên đạn, động năng của Trái đất tăng lên một lượng . (Chứng minh điều này tương tự như trên.) Xét đến sự giảm động năng của Trái đất, định luật bảo toàn năng lượng có thể viết dưới dạng
Từ đây
Vì vậy, biểu thức , chỉ hợp lệ cho các hệ vật thể đóng (tức là khi là sự thay đổi năng lượng của toàn bộ hệ thống), hóa ra lại đúng cho một hệ vật thể mở, khi hệ thống này được xem xét trong hệ thống báo cáo trong đó vật thể “lớn” ban đầu sẽ kết thúc.
Để kết luận, chúng tôi mời bạn tự mình tìm ra những “nghịch lý” sau đây.
- Ô tô di chuyển với tốc độ so với Trái đất. Sau khi tốc độ của máy tăng gấp đôi thì động năng của máy tăng một lượng
Theo quan điểm của người quan sát nằm trong ô tô tự động , chuyển động với cùng tốc độ và cùng hướng với ô tô tự động , sự thay đổi động năng của ô tô tự động sẽ bằng
Đối với một người quan sát ở trong ô tô , chuyển động với cùng tốc độ tuyệt đối với ô tô , nhưng theo hướng ngược lại, độ biến thiên động năng của ô tô sẽ bằng
Kết quả thoạt nhìn thật kỳ lạ: lượng nhiên liệu đã tiêu hao trong số tự động không thay đổi, nhưng sự thay đổi trong động năng tự động là khác nhau trong các hệ thống báo cáo khác nhau. Ở đây có mâu thuẫn với định luật bảo toàn năng lượng không?
- Một viên đạn có khối lượng , di chuyển với tốc độ , bắn trúng một bệ cát đang chuyển động với tốc độ theo cùng một hướng và bị kẹt ở đó. Chúng ta hãy tìm số lượng Tellot được phát hành trong trường hợp này.
Trong hệ thống báo cáo liên kết với Trái đất,
Trong hệ thống báo cáo được liên kết với nền tảng,
Hóa ra đó là một nghịch lý: có lẽ một viên đạn sẽ tan chảy trong hệ thống báo cáo này, nhưng lại không ở hệ thống báo cáo khác?
- Trên thực tế, từ một khẩu pháo được lắp đặt, một phát đạn được bắn theo hướng bay dễ dàng với tốc độ .
- Để đường đạn, so với hệ thống báo cáo, di chuyển với tốc độ , đạt tốc độ . Động năng được truyền vào đạn do năng lượng của khí bột già:
- So với khung báo cáo liên quan đến Trái đất, tốc độ đạn là và do đó
Vì giá trị là bất biến đối với hệ thống báo cáo, nên từ điều được xem xét ở trên, suy ra rằng
Tìm lỗ hổng trong lập luận.
59
Sách mới
Năm nay chúng tôi tiếp tục xuất bản bản tóm tắt các cuốn sách mới về toán học và vật lý mà độc giả của chúng tôi có thể tiếp cận và thú vị. Do có nhiều yêu cầu từ độc giả, chúng tôi cũng sẽ cung cấp chú thích cho một số cuốn sách do các nhà xuất bản “Người bảo vệ trẻ”, “Văn học thiếu nhi”, “Atomizdat” và “Znanie” xuất bản.
Trong số này chúng ta nói về những cuốn sách được xuất bản vào quý 1 năm 1978.
Hầu hết những cuốn sách này có thể được mua thông qua các cửa hàng “Sách qua đường bưu điện” chuyên biệt:
- Moscow, V-464, Mikurisky Prospekt 12, cửa hàng “Book by Post”;
- Mátxcơva, K-50, st. Medvedeva 1, tạp chí. số 8;
- Mátxcơva, St. Krzhinkovogo 14, tạp chí. số 93;
- Mátxcơva, St. Litvina-Sedogo 2a, tạp chí. Số 108.
Tốt nhất nên đặt mua sách qua bưu điện mở (đối với mỗi cuốn sách - một tấm bưu thiếp riêng).
Toán học
Nhà xuất bản “Khoa học”
- Số Fibonacci Vorobiev N. N. Phiên bản thứ 4. Tập 6 l., phát hành 50.000 bản, giá 27 kopecks.
Các số Fibonacci, xuất phát từ các giá trị bài toán về việc chăn nuôi thỏ, đã gần bảy trăm năm mươi năm tuổi và vẫn là một trong những chương hấp dẫn nhất của toán tiểu học. Các bài tập liên quan đến số Fibonacci được xem xét trong giới toán học ở trường, được đưa ra trong các cuộc thi toán và được trình bày ở nhiều cuộc thi.
một số cuốn sách phổ biến về toán học. Cuốn sách này cung cấp mô tả chi tiết nhất về các tính chất lý thuyết số của số Fibonacci; một phần, một số vấn đề phức tạp liên quan đến khả năng chia hết được xem xét. Ngoài ra, mối liên hệ của các số Fibonacci với các phân số liên tục và hình học cũng được thể hiện, đồng thời thể hiện vai trò của chúng trong lý thuyết về mô hình học.
Cuốn sách dành cho học sinh trung học.
2. Định lý Postnikov M. M. Fermat. Giới thiệu lý thuyết về số đại số. Tập 8 l., phát hành 50.000 bản, giá 31 kopecks.
Cuốn sách giới thiệu về lý thuyết số đại số. Các khái niệm và ý tưởng cơ bản của lý thuyết này được trình bày trong đó liên quan đến định lý Fermat. Một trong những mục tiêu của cuốn sách là thuyết phục người đọc về chiều sâu và tính phức tạp của bài toán liên quan đến định lý Fermat cũng như sự vô ích hoàn toàn của chứng minh cơ bản của nó.
Cuốn sách được trình bày theo cách mà ngay cả người đọc dù được đào tạo tối thiểu cũng có thể nắm bắt được những ý chính của nó.
Cuốn sách dành cho học sinh trung học (chương đầu tiên), học sinh, giáo viên và tất cả những người yêu thích toán học muốn làm quen với các định lý số đại số ở khía cạnh cổ điển của nó.
3. Phương pháp Sobol IM Monte-Carlo. Phiên bản thứ 3, bổ sung. Tập 3 l., phát hành 30.000 bản, giá 15 kopecks.
Cuốn sách này được viết trên cơ sở các bài giảng của tác giả trong nhiều năm cho các máy sấy của Khoa Khoa học Máy tính. Đại học công lập. Năm 1971, bà được trao tặng bằng khen danh dự. Cuộc thi toàn Liên minh dành cho thiết bị hỗ trợ giảng dạy tốt nhất cho các trường đại học quốc gia.
Phương pháp Monte Carlo là một phương pháp số lời giải toán học bài toán bằng cách lập mô hình các biến ngẫu nhiên. Đôi khi phương pháp Monte-Carlo được gọi là độ lớn của số phức, nghiên cứu hình học của đa thức phức trong các biến phức và đưa ra ý tưởng hình học để chứng minh định lý cơ bản của đại số (rằng mọi đa thức bậc n đều có đúng n nghiệm).
Mỗi chương của cuốn sách đều có phần bổ sung không liên quan đến mặt phẳng mà liên quan đến không gian.
Cuốn sách sẽ hữu ích cho học sinh trung học cũng như giáo viên và các trường đại học.
60
Nhà xuất bản “Mir”
5. Barr S. Russia của những người cắt rơm. Dịch từ tiếng Anh. Tập 23 l., phát hành 50.000 bản, giá 2 rúp.
Bộ sưu tập này tiếp nối loạt sách về toán học hấp dẫn. Nó được tạo thành từ ba cuốn sách nhỏ được viết bởi nhà văn người Mỹ và người đam mê toán học Stevens Barr. Được xuất bản tại Hoa Kỳ với ba ấn bản riêng biệt: “Những câu đố kiểu Nga”, “Những câu đố kiểu Nga mới” và “Những thử nghiệm tôpô”, những cuốn sách này đã đạt được thành công lớn đối với độc giả, thậm chí còn hơn cả thành công của các tác phẩm hư cấu của Barr.
Hai cuốn sách đầu tiên (trong ấn bản này chúng được kết hợp trong phần đầu tiên) chứa đựng những câu đố hấp dẫn và dí dỏm, không chỉ những câu đố toán học mà còn cả “những câu đố trong cuộc sống hàng ngày”. Cuốn sách thứ ba, dưới hình thức phổ biến và hấp dẫn, giới thiệu với người đọc về cấu trúc liên kết, một trong những nhánh quan trọng nhất của toán học hiện đại. “Thí nghiệm tôpô” của Barr chắc chắn có thể góp phần khơi dậy sự quan tâm đến cấu trúc liên kết và sự phát triển của một số trực giác tôpô.
Cuốn sách sẽ dễ tiếp cận và thú vị với nhiều độc giả.
Vật lý
Nhà xuất bản “Khoa học”
- Kompanets A. S. Sự đối xứng trong thế giới vĩ mô và vi mô. Tập 10 l., phát hành 30.000 bản, giá 38 kopecks.
Cuốn sách này bao gồm 3 bài báo khoa học phổ biến: “Về tính đối xứng”, “Tính đối xứng trong thế giới vi mô” và “Thế giới của thuyết tương đối”. Tất cả những bài viết này đều hướng đến một ý tưởng - thể hiện vai trò của tính đối xứng trong vật lý hiện đại.
Cuốn sách dành cho nhiều đối tượng độc giả và khá dễ tiếp cận đối với học sinh trung học. - Kresin V.Z. Mức độ nghiêm trọng và siêu chảy. Tập 10 l., phát hành 100.000 bản, giá 38 kopecks.
Cuốn sách nói một cách thú vị và hấp dẫn về sự cần thiết của tính siêu liên tục và tính siêu lỏng, có thể đạt được ở nhiệt độ thấp. Tránh nhiệt tình quá mức đối với toán học, tác giả tập trung chủ yếu vào việc giải thích định tính về các mô hình tương ứng.
Cuốn sách sẽ được các học sinh trung học yêu thích vật lý đọc với sự quan tâm. - Landdu L. D., thành phố Trung Quốc A. I. Vật lý cho mọi người. Thẻ vật lý. Phiên bản thứ 4, rev. và Tập 10 bổ sung, phát hành 200.000 bản, giá 38 kopecks.
Mục đích của cuốn sách này là cung cấp cho người đọc dưới dạng phổ thông một ý tưởng rõ ràng về những ý tưởng cơ bản và thành tựu của vật lý hiện đại.
Cuốn sách được viết nguyên bản, mới mẻ và có hương vị tuyệt vời. Thiết kế tốt của cuốn sách thúc đẩy sự hiểu biết về các vấn đề được trình bày.
Cuốn sách được thiết kế dành cho nhiều đối tượng độc giả. - Eggel F. Yu. Astromons bởi người quan sát. Tập 10 l., phát hành 75.000 bản, giá 38 kopecks.
Cuốn sách cung cấp một tài liệu hấp dẫn về cách các strom quan sát bầu trời (từ thời cổ đại cho đến ngày nay). Người đọc sẽ làm quen với các dụng cụ thiên văn chính - từ kính thiên văn đến viễn thông vô tuyến.
Cuốn sách dành cho nhiều đối tượng độc giả. - Ryabov Yu. A. Hai chủ đề thiên thể. Tái bản lần thứ 3, có sửa đổi. Tập 10 l., phát hành 50.000 bản, giá 38 kopecks.
Cuốn sách chứa đựng những tường thuật phổ biến về lịch sử hình thành của cơ học thiên thể và các vấn đề chính của nó liên quan đến chuyển động cụ thể của các thiên thể: hành tinh, tiểu hành tinh, vệ tinh của các hành tinh, các ngôi sao. Một phần lớn của cuốn sách được dành cho sự chuyển động của các vệ tinh nhân tạo trên Trái đất và các trạm liên hành tinh tự động.
Cuốn sách dành cho nhiều đối tượng độc giả. - Heisenberg V. Ý nghĩa và vẻ đẹp của vật lý. Tập 10 l., phát hành 50.000 bản, giá 65 kopecks.
Cuốn sách bao gồm các bài báo và bài phát biểu khoa học phổ biến của Werner Carl Heisenberg (1901-1976), một tác giả kinh điển của khoa học hiện đại, một trong những người sáng tạo ra lý thuyết lượng tử. Bộ sưu tập còn bao gồm các bài viết về Heisenberg của các nhà vật lý nổi tiếng của Liên Xô và nước ngoài.
Cuốn sách dành cho nhiều đối tượng độc giả.
Nhà xuất bản “Mir”
7. Elshtein P. Gửi nhà thiết kế tên lửa và tàu vũ trụ trẻ tuổi. Bản dịch từ người dùng. Tập 16 l., phát hành 20.000 bản, giá 1 chà. 15k.
Cuốn sách dành cho trẻ em quan tâm đến việc thiết kế tên lửa vũ trụ. Nó xem xét một loạt các vấn đề liên quan đến việc tính toán các thông số và thiết kế mô hình tên lửa và tàu vũ trụ. Đây là những khuyến nghị để sản xuất các hỗn hợp nhiên liệu khác nhau, đảm bảo an toàn khi phóng, cũng như các phương pháp đảm bảo hạ cánh an toàn cho mô hình sử dụng độ ổn định của phanh (dù). Một mô tả chi tiết về các mô hình phá kỷ lục, được trao giải thưởng cao nhất tại các cuộc thi quốc tế mới nhất, được đưa ra, các mô hình ban đầu của tàu vũ trụ Soyuz phóng bằng tên lửa, tên lửa có cánh gấp khi bay, “tên lửa boomerang” hai tầng, luôn quay trở lại điểm xuất phát, v.v.
Cuốn sách dành cho người đọc nói chung.
Nhà xuất bản “Atomizdat”
8. Golovin I. N. Nezorb Vasilievich Kurchatov. Tái bản lần thứ 3, có sửa đổi. Tập 9 l., phát hành 100.000 bản, giá 45 kopecks.
Cuốn sách này dành riêng cho tiểu sử của nhà vật lý xuất sắc Liên Xô, Viện sĩ I.V. Kurchatov.
Cuốn sách được thiết kế dành cho nhiều đối tượng độc giả.
I. Klumova, M. Smolyansky
61
Tại sao và làm thế nào khoảng trống biến mất
Đây là tên một cuốn sách khoa học nổi tiếng khác của Giáo sư Ya. E. Geguzin *), một độc giả nổi tiếng «Kvant» với tư cách là tác giả của “Giọt” (xem «Kvant», 1974, Số 8) và “Các tiểu luận về khuếch tán trong tinh thể” (xem «Kvant», 1975, Số 7). Giống như những cuốn sách đầu tiên, nó được viết một cách sống động, thú vị và sống động. Thoạt nhìn, có vẻ như chủ đề này quá hẹp và đặc biệt: cuốn sách dành cho lịch sử phát triển các ý tưởng vật lý của lý thuyết thiêu kết hiện đại, tức là quá trình tạo ra vật liệu kim loại hoặc gốm từ bột. Tuy nhiên, trên thực tế nội dung của cuốn sách còn rộng hơn rất nhiều. Về cơ bản, đây là cuốn sách nói về triết học khoa học, về cuộc đấu tranh với các ý tưởng, về lý thuyết thúc đẩy thực tiễn như thế nào và thực tiễn chỉ ra con đường của lý thuyết, logic của khoa học sống dẫn dắt suy nghĩ của một nhà khoa học như thế nào.
Bột được thiêu kết như thế nào? Làm thế nào một vật thể xốp biến thành một cơ thể rắn? “Trống rỗng đi đâu”? Các hạt chuyên biệt với nhau như thế nào? Đối với đáp số những câu hỏi này cần được xem xét - đây là những gì tác giả cuốn sách làm - một vật thể rắn được cấu tạo như thế nào, những khiếm khuyết trong cấu trúc nguyên tử của nó là gì, các lỗ chân lông đóng vai trò gì trong tinh thể và cách chúng di chuyển, các hạt di chuyển trên bề mặt của một vật thể rắn như thế nào, v.v.
Trong suốt quá trình, tác giả nói về nhiều thí nghiệm, phát hiện của những người làm thí nghiệm,
*) Vâng. E. Geguzin. Tại sao và làm thế nào khoảng trống biến mất. M., “Hayka”, 1976.
về lý thuyết Borbbe. Những bức chân dung sống động hiện ra trước mắt người đọc. Ở đây, gỗ thủy tinh E. V. Petushkov thu hút sự chú ý của các nhà vật lý đến thực tế là một lỗ trên tấm thủy tinh có thể không nổi khi đun nóng mà ngược lại, phát triển - tất cả chỉ là vấn đề khớp với đường kính của lỗ và độ dày của tấm. Đây là Phó giáo sư N. N. Ovcharenko của Đại học Kharkov, đang cúi xuống kính hiển vi, quan sát các lỗ chân lông tốt nhất trong tinh thể được “chữa lành” như thế nào, thay đổi độ dày của chúng theo màu sắc tươi sáng của hình ảnh giao diện. Vì vậy, nhà lý thuyết Ya. I. Frenkel (người bắt đầu từ lý thuyết về trạng thái lỏng của vật chất) và nhà thí nghiệm thay thế B. Ya. Pines (người dựa trên kinh nghiệm của mình trong công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa) đã va chạm và gặp nhau. Đây chính là tác giả, Ya. E. Geguzin, nhiệt tình tranh luận tại một cuộc thi quốc tế với Giáo sư Morgan, sau đó tiến hành các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của ông và … tin rằng không phải ông mà là Morgan mới là người đúng.
Cuốn sách hầu như không chứa các công thức, không có kết luận toán học nhưng có những cách định tính rõ ràng để rút ra các công thức, ước lượng chính xác các bậc độ lớn và các mệnh đề cơ bản.
Phạm vi các vấn đề được xem xét rất rộng. Đây là cấu trúc nguyên tử của các tinh thể với các khiếm khuyết về cấu trúc của chúng, tính chất vật lý của quá trình khuếch tán, động học của sự chuyển động của các khuyết tật trong tinh thể, tính chất vật lý của các quá trình và hoạt động công nghệ cũng như mô tả chi tiết về một số thí nghiệm. Chỉ cần trích dẫn tiêu đề của một số phần - “Nó bắt đầu như thế nào?”, “Công thức đang tìm kiếm có tồn tại không?”, “Giá của công thức”, “Sự hợp nhất của lý thuyết”, “Về kỹ thuật và sáng tạo”, “Một nhà vật lý cần bao nhiêu công nghệ?”, “Nhìn về tương lai” - để thấy tác giả sống động và thú vị như thế nào trong câu chuyện của mình. Đặc biệt là việc anh ấy không chấm dứt nó. không hoàn thành, không nhất thiết phải cố gắng thể hiện điều gì đó đã hoàn thành, mà cuối cùng nhận ra nó như một dấu hỏi - một cái nhìn về tương lai, về những gì còn phải làm.
Cuốn sách đọc như một câu chuyện hấp dẫn và khó có thể đặt xuống. Đồng thời, tác giả cuốn sách không bao giờ bị cuốn theo sự phổ biến quá mức. Việc trình bày kinh Veda chặt chẽ, chính xác, ở trình độ khoa học hiện đại nhất. Bản thân tác giả định nghĩa cuốn sách của mình là một cuốn sách về nghiên cứu khoa học, “về các quá trình nghiên cứu hấp dẫn trước đó, … về lịch sử của các kết quả khoa học đôi khi trông giống như một khám phá, nhưng hóa ra lại là một sai lầm, về các bài báo mà khi xuất hiện thì được cho là yếu kém nhưng hóa ra lại khả thi, về các hội nghị, cuộc họp và thảo luận tại các bàn tròn và không tròn, trong đó sự thật, vốn bị che giấu bởi những cuốn sách thực nghiệm thông thường, những bức ảnh hiển vi điện tử, những công thức rõ ràng và những bình luận không mấy rõ ràng về chúng.”
Tác giả hoàn toàn bỏ lỡ ý tưởng này. Bắt đầu bằng một câu hỏi đơn giản về cách ép bột để chế tạo các bộ phận máy kim loại hoặc vật liệu chịu lửa, tác giả đã vẽ ra một loạt các hiện tượng vật lý trong tinh thể và bột kết tinh và nói về chúng một cách sinh động, sinh động và hấp dẫn dựa trên bức tranh thương mại và lịch sử về sự phát triển của khoa học trong lĩnh vực này.
M. Shaskolskaya
62
Tổng chiều dài và năng lượng tối thiểu
- Hãy xem xét hệ thống cơ khí sau đây. Thông qua ba bóng đèn , và một sợi dây không trọng lượng và không thể kéo dài được bán; sợi chỉ này được gắn vào bình . Bình có thể trượt không ma sát dọc theo đường tròn , bình và - dọc theo các đường thẳng và (Hình 1). Các vật nặng và được treo ở hai đầu sợi chỉ. Chứng minh rằng bài toán để xác định vị trí cân bằng của hệ cơ học này tương đương với bài toán của chúng ta. Ở vị trí cân bằng, tổng các lực tác dụng lên bình , và bằng 0 nên và , . Vấn đề nằm ở việc chia góc giữa các đường thẳng và thành hai phần và từ tỷ lệ sin đã biết. Việc xây dựng này có thể được thực hiện bằng la bàn và thước kẻ.
Chúng ta hãy xem xét trường hợp góc giữa các đường và là tùy ý.
- Hãy xem xét hệ thống cơ khí sau đây. Trong mặt phẳng thẳng đứng có hai đường tròn đồng tâm có tâm bán kính và . Trong cùng một mặt phẳng có một thanh cứng có thể quay không ma sát quanh điểm (Hình 2). Gắn vào các điểm và của thanh (, ) lần lượt là hai sợi không trọng lượng và không co giãn được luồn qua các khối tại các điểm và . Các trọng lượng giống hệt nhau được gắn vào các đầu của sợi.
Hình 1.
Hình 2.
Bài toán xác định vị trí cân bằng của hệ cơ học này tương đương với bài toán hình học của chúng ta. Điều kiện để thanh cân bằng là tổng mômen của các lực căng của sợi tác dụng lên thanh này bằng 0. Từ đây chúng ta thu được điều kiện cho vị trí độc quyền của địa điểm : .
Một parabol trông như thế nào?
- Cách đầu tiên. Đối với giá trị tùy ý thứ hai bằng , do đó tại hệ số góc của tiếp tuyến tăng. Chỉ có đồ thị thỏa mãn điều kiện này.
Cách thứ hai. Vì phương trình có thể có tối đa ba lời giải (), nên đường thẳng cắt đồ thị nhiều nhất là ba điểm. Đồ thị 6,6,8 có thể giao nhau với các đường thẳng tại số điểm lớn hơn.
- Cách đầu tiên. Nếu thì , do đó hệ số góc của tiếp tuyến tăng ở mức trong trường hợp và triệt tiêu trong trường hợp , tương ứng với Hình 7, a và 7, b.
Cách thứ hai. Giao điểm của đồ thị với đường thẳng , khác gốc tọa độ, có tọa độ (1; 1). Nếu , thì từ bất đẳng thức suy ra ; trong trường hợp thì ngược lại, từ theo sau (giải thích). Do đó, nếu trên khoảng đồ thị nằm dưới bissertrix thì và nếu ở trên thì .
- Đối với hàm giá trị thứ hai tùy ý luôn dương nên biểu đồ 8.6 sai. Tương tự, trong trường hợp , thứ hai tùy ý bằng và khác nhau (tại ) nên đồ thị 9.6 sai.
Sự thuộc một điểm vào một đường thẳng và một mặt phẳng
- 3:2.
- 3:4.
- 1:14.
- và .
- 3:11.
- 7:29.
- 1:1.
- .
- Gợi ý: sử dụng Định lý 3 và giải bài toán 3.
Nghịch lý của thân hình “to hơn”
- Không có gì mâu thuẫn với định luật bảo toàn năng lượng. “Nghịch lý” nảy sinh do người ta đang xem xét một hệ thống mở của các cơ thể. Bằng cách tăng tốc độ tự động hóa của nó với Trái đất. Tại
63
Sự tương tác này làm thay đổi năng lượng của Trái đất và trong các hệ thống báo cáo khác nhau, sự thay đổi này sẽ không chỉ khác nhau về cường độ mà dấu hiệu của nó cũng sẽ khác nhau - trong một số hệ thống, năng lượng của Trái đất tăng lên, ở những hệ thống khác, năng lượng này giảm đi.
Trong hệ thống báo cáo, trong đó Trái đất ban đầu sẽ kết thúc, một phần năng lượng nhiên liệu được dành để tự động tăng động năng và một phần - để tăng năng lượng của Trái đất . Sự gia tăng năng lượng của Trái đất trong hệ thống báo cáo này bằng
Khi tính đến sự tương ứng , sự gia tăng này có thể bị bỏ qua và có thể giả định rằng toàn bộ năng lượng giải phóng trong quá trình đốt cháy nhiên liệu sẽ được dùng để tự động tăng động năng:
Trong hệ thống báo cáo được liên kết với tự động, Trái đất có vận tốc ban đầu là . Khi tự động tăng tốc, tốc độ của Trái đất tăng lên. Sự gia tăng động năng liên quan đến sự thay đổi này bằng
Xét sự tương ứng ta có: .
Do đó, trong hệ thống báo cáo “ô tô ”, một phần năng lượng của nhiên liệu đốt cháy trong hộp số tự động được dùng để tăng động năng tự động:
và phần năng lượng còn lại được dùng để tăng năng lượng của Trái đất: . Vì thế
Trong hệ thống báo cáo liên quan đến tự động , sự thay đổi động năng tự động là thực bằng . Một phần năng lượng này được tự động nhận do nhiên liệu và phần còn lại được Trái đất truyền cho nó, trong hệ thống này sẽ giảm tốc độ khi tăng tốc tự động, và do đó “mất” một phần động năng của nó. Sự mất mát này bằng
Vì vậy, trong trường hợp này, nghịch lý được tượng trưng khi tính đến sự thay đổi năng lượng của vật thể “lớn hơn” - Trái đất:
- Những thay đổi về động năng của viên đạn trong các hệ thống báo cáo được chọn thực tế là khác nhau:
Tuy nhiên, một phần năng lượng này được dùng để tăng năng lượng của nền tảng . Trong hệ thống báo cáo trong đó nền tảng đứng yên, sự thay đổi năng lượng của nền tảng có thể bị bỏ qua, vì . Trong trường hợp này lượng nhiệt tỏa ra bằng
Trong hệ thống báo cáo Trái đất, nền tảng di chuyển với tốc độ , do đó, không thể bỏ qua sự thay đổi năng lượng của nền tảng.
Thật vậy, sự thay đổi năng lượng nền tảng trong hệ thống báo cáo này bằng
trong đó là sự thay đổi tốc độ nền tảng sau khi tương tác với viên đạn. Theo định luật bảo toàn động lượng
đó là
Kể từ đây,
Có tính đến sự thay đổi năng lượng của nền tảng này, chúng ta có thể viết:
Ở đâu
64
-
Chúng ta hãy viết định luật bảo toàn năng lượng có tính đến sự biến thiên năng lượng của vật thể “lớn hơn” - chiếc máy bay. Trong hệ thống báo cáo đầu tiên
trong hệ thống thứ hai
Trong hệ thống báo cáo đầu tiên, máy bay đã tích lũy và sự thay đổi năng lượng của nó trong quá trình bắn có thể bị bỏ qua. Hãy thể hiện nó.
sự thay đổi tốc độ được xác định từ định luật bảo toàn động lượng: ; kể từ đây,
Trong hệ thống báo cáo “Trái đất”, không thể bỏ qua sự thay đổi năng lượng của máy bay, vì trước khi bắn, nó có tốc độ so với Trái đất. Hãy tính độ biến thiên năng lượng của máy bay :
Vì sự thay đổi tốc độ máy bay là một đại lượng bất biến nên và
Vì thế,
Từ hai biểu thức này cũng suy ra
«Kvant» cho học sinh nhỏ
(xem «Kvant» số 2) -
BA = 96, ET = 21:
-
Đáp số. Khi tôi dùng một từ,” Humpty Dumpty nói một cách mỉa mai, “nó chỉ có nghĩa theo những gì tôi muốn nói - không hơn, không kém.”
-
Nó tuân theo điều kiện , trong đó là số lượng cá được con trai của Nicholas tôn vinh, và là số lượng cá được con trai của Peter tôn vinh. Vì sự bình đẳng này là không thể vì bất kỳ mục đích nào và , chúng tôi đi đến kết luận rằng không phải bốn người trong chuyến đi câu cá mà là ba người: Peter, con trai ông ấy là Nikolai và cháu trai của Peter là Gregory. Vì vậy, con trai của Peter được đặt tên là Nikolai.
-
Đáp số. Sáu. Trong năm cao điểm, cùng một ngày trong tuần rơi vào ngày 1 tháng 1, ngày 1 tháng 4, ngày 2 tháng 6, ngày 2 tháng 9 và ngày 2 tháng 12. Ví dụ, ngày 1 tháng 1 sẽ là thứ Sáu của năm 1988.
TUYỆT VỜI
TUYẾT
Những bức ảnh này được chụp ở những nơi khác nhau và trong thời tiết khác nhau. Hãy nhìn họ và cố gắng trả lời những câu hỏi này. Vào thời tiết nào (lạnh hay tan băng) tuyết tan trên các mái nhà khác nhau? Mái nhà nào tốt hơn cách nhiệt? Vì sao tuyết phủ kín mái nhà “có chọn lọc” như vậy? Và trên một mái nhà tuyết nằm thành từng cục.
Tại sao?
Tại sao tuyết tan dưới chân thân cây bạch dương?
Một vòng hoa tuyết kỳ quái trên cành được hình thành đơn giản khi tuyết rơi dày đặc. Nó được tìm thấy và hình thành trong một khu rừng gần Moscow bởi Lena Levkovich.
V. Tikhonov
Giá 30 kopecks.
Chỉ số 70465
Một đường cong không gian, được gọi là một khung nhìn, có thể được vẽ trên một hình cầu theo nhiều cách khác nhau. Hai trong số chúng được hiển thị ở đây.
Trong hình trên, nó được biểu diễn dưới dạng tập hợp các điểm có vĩ độ trùng với giá trị số của khoản nợ (ví dụ: các điểm (30° N; 30° W) và (30° N; 30° E) thuộc về Vienna).
Ở phía dưới - giống như giao điểm với hình cầu của hình trụ thu được bằng cách quay quanh trục “dài” của hình chữ nhật đối xứng: cạnh “dài” của nó là đường kính của hình cầu nối các cực; chiều dài của cạnh “ngắn” bằng bán kính của hình cầu.
Đọc thêm về vivnan trên p. 29.