Landsberg-1985-T3

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

в третьем томе ({Элементарного учебника физики» сосре­

доточены все вопросы, связанные с учениеYI о колебанияХ и

волнах. Механические колебания и упругие волны закан­

чиваются рассмотрением вопросов акустики. Главы об

электромагнитных колебаниях и волнах естественно ари­ водят к рассмотрению важнейших применений этого круга

проблем - к изложению основ радиофизики и радиотех­ ники, начиная с изобретения радио А. С. Поповым, и к идее об электромагнитной природе света и изложению основ

оптики волновой (физической) и лучевой (геометрическОй).

Том заканчивается очерком явлений, связанных с совре­ менной теорией атома. Как и в предыдущих томах, в кi1иге

помещено довольно много задач, решение которых яв­

ляется важным моментом в усвоении материала учебника. Главы, касающиеся механических и электромагнитныХ колебаний и вопросов акустики и радиофизики, написаны

С. М. Рытовым. Геометрическая оптика написана М. М. Су­

щинским (при участии И. А. Яковлева), физическая оати­

ка - Ф. С. Ландсберг-Барышанской, а раздел «АтомнаЯ и

ядерная физика» - Ф. Л. Шапиро.

Как и в предшествующих томах, мы стремились к тому,

чтобы учащийся понял физическую сущность излагаемыХ

явлений. Математические выкладки и в этом томе занимают малое место. Число вопросов, выходящих за пределы про­

граммы средней школы, очень ограничено. Но в стремлении

сделать излагаемое вполне ясным мы рассматривали многие

вопросы с большей полнотой, чем обычно это делается в учебниках средней школы. Следует отметить также, что изло­

жение явлений атомной и ядерной физики затрагивает боль­ ший круг вопросов, чем это делают в школьном преподава­

нии. Допуская такое расширение, мы исходили из мысли о

необходимости осветить эти вопросы достаточно полно, имея

в виду наиболее интересующихся. С другой стороны, в этих

разделах трудно вполне последовательно разъяснить все

9

затронутые· проблемы, так что этот раздел книги носит характер учебника в меньшей степени, чем остальные.

Мы надеемся, однюю, что он сможет способствовать пробуж­ дению серьезного интереса учащихся к этим важнейшим проблемам: современной физики.

Настоящим томом заканчивается «Элементарный учеб­ ник физики». В составлении учебника приняло участие

свыше десяти авторов. Это обстоятельство делало работу редактора особенно трудной и ответственной, ибо при полной

согласованности относительно общих принципов, положен­

ных в основу учебюша, разнообразие подхода I:I манеры изложения у различных авторов неизбежно было очень

велико. Несомнено, что, несмотря на все усилия редактора, это разнообразие отозвалось на характере изложения в боль­ шей степени, чем это, вероятно, желательно для учебника. Однако возможность опираться на широкий авторский кол­

лектив представляет большие преимущества. позволяя вос­ пользоваться сотрудничеством разнообразных специали­ стов, глубоко знающих сущность рассматриваемых проблем

итрудности их изложения.

Поэтому я надеюсь, что. несмотря на все недостатки, этот труд принесет пользу нашей учащейся молодежи и

будет способствовать повышению уровня понимания физи­

ческих вопросов, а в связи с этим и повышению сознатель­

ного интереса к нашей науке. Выражением этой надежды я и позволю себе закончить многолетний труд, положенный на составление «Элементарного учебника физики».

Москва, март 1952 г.

Гр. Ландсберг

РАЗДЕЛ ПЕРВЫй

КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

г л а в а 1. ОСНОВНЫЕ 110НSlТИSI. МЕХА.НИЧЕСКИЕ КОЛЕБА.НИЯ

§ 1. Ilериодические движения. Период. Среди всевозмож­

ных совершающихся вокруг нас механических движений

часто встречаются п о в т о р я ю Щ и е с я движения. Лю­ бое равномерное вращение является повторяющимся дви­

жением: при каждом обороте всякая точка равномерно

вращающегося тела проходит те же положения, что и при

предыдущем обороте, причем в такой же последовательно­

сти и с теми же скоростями. Если МЫ посмотрим, как рас­

качиваются от ветра ветви и стволы деревьев, как качается

на волнах корабль, как ходит маятник часов, как движутся взад и вперед поршни и шатуны паровой машичы или ди­ зеля, как скачет вверх и вниз игла швейной машины; если мы будем наблюдать чередование морских приливов и от­

ливов, перестановку ног и размахивание руками при ходьбе

и беге, биения сердца или пульса, то во всех этих движениях

мы заметим одну и ту же черту - многократное повторение

одного и того же цикла движений.

В действительности не всегда и не при всяких условиях

повторение совершенно одинаково. В одних случаях каж­ дый новый цикл очень точно повторяет предыдущий (кача­ ния маятника, движения частей машины, работающей с

постоянной скоростью), в других случаях различие между

следующими друг за другом циклами может быть заметным

(приливы и отливы, качания ветвей, движения частей ма­ шины при ее пуске или остановке). Отклонения от совер­

шенно точного повтор"ения очень часто настолько малы, что

ими можно пренебречь и считать движение повторяющимся

вполне точно, т. е. считать его пер и о Д и ч е с к и м.

Периодическим назЬ18ается nовторяющееся движение, у

которого каждый цикл в точности воспроизводит любой другой цикл.

Продолжительность одного цикла называется периодом.

Очевидно, период равномерного вращения равен про­ должительности одного оборота.

11

§ 2. Колебательные системы. Свободные колебания. В

природе, и особенно в технике, чрезвычайнр большую роль

играют тела и устройства, которые сами по себе способны

совершать периодические движения. «Сами по себе» - это значит: не будучи принуждаемы к этому действием перио­ дических внешних сил. Такие колебания называют поэтому свободными колебаниями в отличие от вынужденных, проте­

кающих под действием периодически меняющихся внешних

сил.

Если, например, периодически толкать дверь и тянуть

ее обратно, то она будет открываться и закрываться, т. е. будет совершать периодическое вынужденное движение.

Но сама по себе она не может двигаться периодически: ес­ ли дверь толкнуть JI предоставить самой себе, то движение не будет ПОВТОРЯЮЩИ:VIСЯ. Иное дело, если толкнуть или

отклонить от вертикали висящИЙ на веревке груз. ОН на­

чнет к а ч а т ь с Я, т. е. будет сам по себе совершать пе­

риодическое движение. Это и будут свободные колебания.

Подобно этому в результате первоначального толчка будет

Рис. 1. Примеры свободных колебаний

периодически колебаться вода в стакане, груз, подвешен­

ный на пружине, вагон или автомобиль на своих рессорах,

качели, зажатая одним концом металлическая пластинка,

натянутая струна, стрелка компаса и т. д. (рис. 1).

Все такие тела или совокупности тел, которые сами по

себе могут совершать периодические движения, или коле­

бания, называются колебательными системами. Как ска­ зано, колебания, совершающиеся в этих системах без воз­

действия внешних сил, являются с В о б о д н ы м И.

С колебательными системами приходится иметь' дело

не только 13 различных машинах и механизмах (В частности,

часовых механизмах). Мы увидим далее, что колебатель-

12

ными системами является большинство источников звука,

что распространение звука в воздухе возможно лишь пото­

му, что сам воздух представляет собой своего рода колеба­

тельную систему. Более того, кроме м е х а н и ч е с к и х колебательных систем, существуют э л е к т р о м а г н и т­ Н ы е колебательные системы, в которых могут совершаться

электрические колебания, составляющие основу всей радио­

техники. Наконец,	имеется очень	много смешанных­
э л е к т р о м е х а н и ч е с к и х -		колебательных си­
стем, используемых	в самых различных технических обла­

стях.

Мы начнем наше изложение с изучения одной из про­

стейших механических колебательных систем - маятника,

при этом вплоть до § 12 мы будем иметь в виду с в о б о д­

н ы е колебания.

§ 3. Маятник; кинематика его колебаний. Маятником

является всякое тело, подвешенное так, что его центр тяжести находится ниже точки подвеса. Молоток, висящий на гвозде, весы, груз на веревке - все это колебательные

системы, подобные маятнику стенных часов (рис. 2).

Рис. 2. Маятники

у всякой системы, способной совершать свободные ко­

лебания, имеется у с т о й ч и в о е п о л о ж е н и е р а в­

н ОБ е с и я. У маятника - это то положение, при котором

центр тяжести находится на вертикали под точкой подвеса.

Если мы выведем маятник из этого положения или толкнем его, то он начнет колебаться, отклоняясь то в одну, то в другую сторону от положения равновесия. Наибольшее от­

клонение от положения равновесия, до которого доходит

маятник, называется амплитудой колебаний. Амплитуда

определяется тем первоначальным отклонением или толч­

ком, которым маятник был приведен в движение. Это свой­ ство - зависимость амплитуды от условий в начале дви-

·13