Конкретно-историчекий характер образования и дидактических концепций

Механическое движение и его описание: системы отсчета, радиус-вектор, векторы перемещения, траектория и пройденный путь, прямая и обратная задача кинематики.Механика — часть физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение. Механическое движение — это изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.

Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обусловливают.

Механика для описания движения тел в

зависимости от условий конкретных задач

использует разные физические модели.

Простейшей моделью является матери-

материальная точка — тело, обладающее массой, размерами которого в данной задаче можно пренебречь.

Произвольное макроскопическое тело

или систему тел можно мысленно разбить

на малые взаимодействующие между со-

собой части, каждая из которых рассматри-

рассматривается как материальная точка. Тогда изучение движения произвольной системы тел сводится к изучению системы материальных точек. В механике сначала изучают движение одной материальной точки, а затем переходят к изучению движения системы материальных точек.

Под воздействием тел друг на друга

тела могут деформироваться, т. е. изме-

изменять свою форму и размеры. Поэтому

в механике вводится еще одна модель —

абсолютно твердое тело. Абсолютно твер-

твердым телом называется тело, которое ни

при каких условиях не может -деформироваться и при всех условиях расстояние между двумя точками (или точнее между двумя частицами) этого тела остается постоянным.

Любое двикение твердого тела можно

представить как комбинацию поступатель-

поступательного и вращательного движений.

Поступательное движение — это движение, при котором любая прямая, жестко связанная

с движущимся телом, остается параллельной своему первоначальному положению.

Вращательное движение — это движение,

при котором все точки тела движутся по

окружностям, центры которых лежат на

одной и той же прямой, называемой осью

вращения.

Движение тел происходит в пространстве и во времени. Поэтому для описания

движения материальной точки надо знать,

в каких местах пространства эта точка

находилась и в какие моменты времени

она проходила то или иное положение.

Положение материальной точки

определяется по отношению к какому-либо

другому, произвольно выбранному телу,

называемому телом отсчета. С ним

связывается система отсчета — совокупность

системы координат и часов, связанных

с телом отсчета. В декартовой системе

координат, используемой наиболее часто,

положение точки А в данный момент вре-

времени по отношению к этой системе ха-

характеризуется тремя координатами х,

у и z или радиусом-вектором r, проведенным из начала системы координат в дан-

данную точку (рис. 1).

При движении материальной точки ее

координаты с течением времени

изменяются. В общем случае ее движение

определяется скалярными уравнениями

x=x(t), y=y(t), z=z(t) (1)

эквивалентными векторному уравнению

(2)

Уравнения 1 и 2 называются кинематическими

уравнениями движения материальной точки.

Число независимых координат,

полностью определяющих положение точки

в пространстве, называется числом степе-

степеней свободы. Если материальная точка

свободно движется в пространстве, она обладает тремя степенями свободы (координаты х, у и z);

если она движется по некоторой

поверхности, то — двумя степенями свободы,

если — вдоль некоторой линии, то — одной

степенью свободы.

Исключая t в уравнениях 1 и 2 , получим уравнение траектории движения материальной точки. Траектория движения материальной точки — линия, описываемая этой точкой в пространстве. В зависимости от формы траектории движение может быть прямолинейным или криволинейным.

Рассмотрим движение материальной

точки вдоль произвольной траектории

(рис. 2). Отсчет времени начнем с момента, когда точка находилась в положении А. Длина участка траектории АВ, пройденного материальной точкой с момента

начала отсчета времени, называется дли-

длиной пути и является скалярной фун-

функцией времени: Вектор проведенный из начального

положения движущейся точки в положение ее

в данный момент времени (приращение

радиуса-вектора точки за рассматриваемый промежуток времени), называется

перемещением.

При прямолинейном движении вектор

перемещения совпадает с соответствую-

соответствующим участком траектории и модуль перемещения равен пройденному пути

2) Методы регистрации частиц. Ускорители частиц.Ускорителями заряженных частиц называются устройства, в которых под действием электрических и магнитных полей

создаются и управляются пучки высоко-

энергетичных заряженных частиц (элек-

(электронов, протонов, мезонов и т.д.).

Любой ускоритель характеризуется

типом ускоряемых частиц, энергией, со-

сообщаемой частицам, разбросом частиц

по энергиям и интенсивностью пучка.

Ускорители делятся на непрерывные (из

них выходит равномерный по времени пу-

пучок) и импульсные (из них частицы вы-

вылетают порциями — импульсами).

Последние характеризуются длительностью импульса. По форме траектории и механизму ускорения частиц ускорители делятся на линейные, циклические и индукционные. В линейных ускорителях траектории движения частиц близки к прямым линиям, в циклических и индукционных — траекториями частиц являются окружности или спирали.

Рассмотрим некоторые типы ускорителей заряженных частиц.

1. Линейный ускоритель. Ускорение

частиц осуществляется электростатиче-

электростатическим полем, создаваемым, например, вы-

высоковольтным генератором Ван-де-Граафа Заряженная частица проходит

поле однократно: заряд Q, проходя

разность потенциалов приобретает

энергию Таким способом

частицы ускоряются до 10 МэВ Их

дальнейшее ускорение с помощью источ-

источников постоянного напряжения

невозможно из-за утечки зарядов, пробоев и т.д.

2. Линейный резонансный ускоритель.

Ускорение заряженных частиц

осуществляется переменным электрическим

полем сверхвысокой частоты, синхронно

изменяющимся с движением частиц. Таким способом протоны ускоряются до энергий порядка десятков мегаэлектрон-вольт, электроны — до десятков гигаэлектрон-вольт.

3. Циклотрон — циклический

резонансный ускоритель тяжелых частиц (протонов, ионов). Его принципиальная схема приведена на рис.2. Между полюсами сильного электромагнита помещается вакуумная камера, в которой находятся 2 электрода (1 и 2) в виде полых металлических полуцилиндров(дуантов). К ним приложено переменное электрическое поле. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, однородно и перпендикулярно плоскости полуцилиндров.

Если заряженную частицу ввести

в центр зазора между дуантами, то она,

ускоряемая электрическим и отклоняемая

магнитным полями, войдя в дуант 1,

опишет полуокружность, радиус

которой пропорционален скорости частицы К моменту ее выхода из

дуанта 1 полярность напряжения

изменяется (при соответствующем подборе

изменения напряжения между дуантами),

поэтому частица вновь ускоряется и,

переходя в дуант 2, описывает там уже

полуокружность большего радиуса и т. д.

Для непрерывного ускорения частицы

в циклотроне необходимо выполнить усло-

условие синхронизма (условие «резонанса») — периоды вращения частицы в

магнитном поле и колебаний электрического поля должны быть равны. При выполнении этого условия частица будет двигаться по раскручивающейся спирали, получая при каждом прохождении через зазор

дополнительную энергию. На последнем

витке, когда энергия частиц и радиус ор-

орбиты доведены до максимально допусти-

допустимых значений, пучок частиц посредством

отклоняющего электрического поля

выводится из циклотрона.

циклотрон совершенно неприменим для ус-

ускорения электронов

Ускорение релятивистских частиц

в циклических ускорителях можно, од-

однако, осуществить, если применять

предложенный в 1944 г. советским

физиком В. И. Векслером

и в 1945 г. американским физиком Э. Мак-

Милланом принцип автофазировки. Его идея заключается в том, что

для компенсации увеличения периода

вращения частиц, ведущего к нарушению

синхронизма, изменяют либо частоту

ускоряющего электрического, либо индукцию магнитного полей, либо то и другое.

Принцип автофазировки используется в

фазотроне, синхротроне и синхрофазотроне.

4. Фазотрон (синхроциклотрон) —

циклический резонансный ускоритель тя-

тяжелых заряженных частиц (например,

протонов, ионов, а-частиц), в котором уп-

управляющее магнитное поле постоянно,

а частота ускоряющего электрического по-

поля медленно изменяется с периодом.

Движение частиц в фазотроне, как и в циклотроне, происходит по раскручивающейся

спирали. Частицы в фазотроне ускоряются

до энергий, примерно равных 1 ГэВ (огра-

(ограничения здесь определяются размерами

фазотрона, так как с ростом скорости

частиц растет радиус их орбиты).

5. Синхротрон — циклический резо-

резонансный ускоритель ультрарелятивистских

электронов, в котором управляющее маг-

магнитное поле изменяется во времени,

а частота ускоряющего электрического по-

поля постоянна. Электроны в синхротроне

ускоряются до энергий 5—10 ГэВ.

6. Синхрофазотрон — циклический ре-

резонансный ускоритель тяжелых

заряженных частиц (протонов, ионов), в котором объединяются свойства фазотрона и синхротрона, т. е. управляющее магнитное

поле и частота ускоряющего

электрического поля одновременно изменяются во времени так, чтобы радиус равновесной орбиты частиц оставался постоянным. Протоны ускоряются в синхрофазотроне до

энергий 500 ГэВ.

7. Бетатрон — циклический

индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем,

индуцируемым переменным магнитным полем, удерживающим электроны на круговой орбите.

В бетатроне в отличие от рассмотренных

выше ускорителей не существует пробле-

проблемы синхронизации. Электроны в бетатроне

ускоряются до энергий 100 МэВ. При

W> 100 МэВ режим ускорения в

бетатроне нарушается электромагнитным

излучением электронов. Особенно

распространены бетатроны на энергии 20—50 МэВ

Конкретно-историчекий характер образования и дидактических концепций

Основные документы по модернизации образования в нашей стране является ответом на вызовы 21 века. Современные тенденции мирового развития определяют проблемы, которые невозможно решить без существенных изменений в образовании. К ним относятся: 1. ускорение темпов развития общества и, следовательно, необходимость подготовки людей к жизни в условиях быстро меняющегося общества. 2. Переход постиндустриального (информационного), в связи с чем особую важность приобретает фактор коммуникативности и толерантности. 3. высокая мобильность капиталов и рабочей силы, рост конкурентности.3. потребность в высоко квалифицированных кадрах, что требует построения системы профессионального образования 4. демократизация общества, что вызывает необходимость повышения уровня готовности граждан к сознательному политическому выбору. 5. возникновение и рост глобальных проблем, что требует формирования современного мышления.

Таким образом, система образования может и должна использовать свой потенциал для консолидации общества, сохранения единого социально- культурного производства, преодоления социальных конфликтов. Она призвана обеспечить равные возможности доступа молодых людей к полноценному образованию независимо от материального положения, места проживания, национальной принадлежности и состояния здоровья.