Команда СУНЦ УрГУ – победительница XXIV Всероссийского турнира юных физиков.
Слева направо: Рнишева Ольга Викторовна – преподаватель, Колмогорова РђРЅСЏ, Рвлев Артем, Ахматханов Андрей, Булатов Коля, РљСѓРїСЂРёРЅ Саша. Р’СЃРµ дети – ученики 10-РіРѕ класса «В» РЎРЈРќР¦ УрГУ
Краткая история
Турнир юных физиков (ТЮФ) – командное соревнование учащихся старших классов в решении физических проблем. В России он ежегодно проводится уже в течение 24 лет, из них 15 лет – с участием зарубежных команд. Международные соревнования курируются ЮНЕСКО. Первый ТЮФ состоялся в марте 1979 г. как логическое продолжение физбоев между сборными командами Москвы и Черноголовки, в нем приняли участие 7 команд из Москвы и Подмосковья. В начале 80-х гг. в турнире стали принимать участие команды из других городов СССР, он получил статус Всесоюзного. На Всесоюзные ТЮФы собиралось до 30 команд. Организаторы турнира стали лауреатами премии Ленинского комсомола. В 1987 г. на ТЮФ прибыли команды из других государств, и он стал международным.
Задания турнира формируются международным оргкомитетом (председатель Р“.Тибелл, Швеция). Р’ состав этого оргкомитета РІС…РѕРґСЏС‚ председатели национальных оргкомитетов. Председателем Р РѕСЃСЃРёР№СЃРєРѕРіРѕ оргкомитета ТЮФа является Р’.Р.Лобышев (РњРѕСЃРєРІР°, МГУ). Заседания международного оргкомитета проводятся РІ начале октября каждого РіРѕРґР° РІ стране, принимающей турнир будущего РіРѕРґР°. РўСѓСЂРЅРёСЂ 2003 Рі. будет проходить РІ Швеции, поэтому семинар РїРѕ подготовке задач состоялся РІ начале октября именно там. Как правило, задания турнира включают 17 задач, которые отбираются РёР· числа задач, присланных национальными оргкомитетами. Так, например, РїСЂРё формировании задания ТЮФа 1999 Рі. было рассмотрено более 180 задач.
Российский турнир проводится по заданиям международного, как правило, на базе одного из четырех специализированных учебно-научных центров при крупных университетах – Московском, Санкт-Петербургском, Уральском (Екатеринбург) и Новосибирском. Международный ТЮФ проводится в конце мая–начале июня, Российский турнир – в марте. В некоторых городах и областях в январе проводятся локальные турниры.
Р’ последние РіРѕРґС‹ РЅР° Всероссийских турнирах наиболее широко представлены команды РёР· Свердловской области. Рто неудивительно, ведь РІ последние шесть лет РЅР° территории этой области совместными усилиями Минобразования Рё РЎРЈРќР¦ УрГУ ежегодно проводится открытый областной турнир. Команды школы-лицея в„– 130 Рё гимназии в„– 9 Рі. Екатеринбурга неоднократно завоевывали призовые места, Р° команда РЎРЈРќР¦ УрГУ является шестикратной победительницей Всероссийского турнира Рё неоднократно представляла Р РѕСЃСЃРёСЋ РЅР° международном турнире. Р’ 2000 Рі. (Будапешт) РѕРЅР° заняла 2-Рµ место, РІ 2001 Рі. (Хельсинки) – 3-Рµ. Перед этим последнее успешное выступление СЂРѕСЃСЃРёР№СЃРєРёС… команд произошло РІ 1994 Рі. РІ Голландии (1-Рµ место, РЎРЈРќР¦ МГУ, РњРѕСЃРєРІР°).
Особенности турниров
Форма проведения, характер предлагаемых задач, требования Рє участникам существенно отличают ТЮФ РѕС‚ обычных физических олимпиад. Большинство задач турнира РЅРµ имеют известных Рё однозначных решений. Длительный СЃСЂРѕРє РёС… подготовки (несколько месяцев вместо нескольких часов) позволяет учащимся провести необходимые физические опыты, ознакомиться СЃ литературой, разработать СЃРІРѕР№ РїРѕРґС…РѕРґ Рє проблеме. РџСЂРё этом дети работают РІ режиме, наиболее приближенном Рє научным исследованиям. Поскольку заранее известного ответа РЅР° РІРѕРїСЂРѕСЃС‹, поставленные РІ задачах, РЅРµ существует, то участникам приходится выдвигать СЃРІРѕРё оригинальные гипотезы, объясняющие физическое явление, проверять РёС… РІ С…РѕРґРµ экспериментов, проводить измерения физических величин. РРј приходится оценивать погрешности, оптимизировать созданные РёРјРё же экспериментальные установки, выбирать наиболее точный Рё рациональный метод измерения. Для решения некоторых задач вполне достаточно домашней лаборатории, для решения РґСЂСѓРіРёС… требуется создание специальных экспериментальных установок, которые хотя Рё РЅРµ очень сложны, РЅРѕ требуют работы «руками».
При решении многих задач участники турнира используют компьютер. Очень часто вычислительная техника применяется не только для облегчения громоздких расчетов, но и для моделирования физических процессов. В рамках традиционных олимпиад осуществить подобное практически невозможно. Многие задачи предполагают знание не только физики, но и смежных с ней дисциплин – астрономии, биологии, химии.
Во время турнира участникам предстоит выступить с докладом, защищая собственное решение задачи, поспорить с оппонентами и рецензентами, оценить положительные и отрицательные моменты в решениях этих же задач другими командами. При подготовке доклада учащиеся получают навыки работы в некоторых программных пакетах, т.к. им необходимо изготавливать плакаты, слайды, тексты докладов.
Участники команд получают также навык по работе с видео- и фотооборудованием, которое используется для наглядного представления экспериментов и опытов. Кроме того, использование видеозаписи оказывается необходимым для исследования быстро протекающих процессов, что позволяет школьникам провести необходимые измерения.
Регламент турнира
Состав команды – 5 учащихся (школ, лицеев, техникумов, училищ и других средних образовательных учреждений). Команда возглавляется капитаном.
ТЮФ проводится в форме физбоев. Как правило, проводятся 3–5 отборочных боев и финальный бой. Количество физбоев зависит от числа команд, принимающих участие в турнире.
Оптимальное число команд для одного физбоя – 3. В ходе любого физбоя в различных его действиях команда выступает в роли докладчика, оппонента и рецензента.
Ход физбоя примерно следующий. Сначала проводится жеребьевка команд и распределение по ее итогам ролей на первое действие. В начале первого действия команда № 2 (оппонент) предлагает команде № 1 (докладчику) рассказать решение какой-либо задачи. Члены команды № 1 совещаются и либо отказываются от задачи, либо принимают вызов. Если происходит отказ, то процедура вызова повторяется снова. Если же команда № 1 принимает вызов, то кто-нибудь из членов команды делает доклад по предложенной задаче. После окончания доклада оппонент задает вопросы докладчику. Между ними происходит дискуссия, в ходе которой докладчик защищает свое решение, а оппонент пытается в нем разобраться и оценить. Заключительный этап любого действия – выступление рецензента (команда № 3), который в ходе своего выступления отмечает положительные и отрицательные моменты доклада и оппонирования. Затем жюри выставляет оценки. В ходе второго действия роли меняются: команда № 1 становится рецензентом, команда № 2 – докладчиком, а команда № 3 – оппонентом. В третьем действии команда № 1 – оппонент, № 2 – рецензент, № 3 – докладчик.
Таблица отборочных боев составляется таким образом, чтобы команды, встретившись друг с другом в ходе одного физбоя, в других боях уже не встречались.
В финал попадают три команды, победившие по итогам отборочных боев.
В ходе физбоев на турнирах учащиеся выступают с докладами, учатся отстаивать свою точку зрения, грамотно и правильно говорить, представлять свои проекты решения физических проблем. Они также учатся оценивать свои решения, поскольку имеют возможность в ходе живой дискуссии со своими сверстниками сравнивать различные подходы к одним задачам. Они учатся правильно формулировать вопросы и отвечать на них. Ведь форма проведения турнира – устная, а дискуссия и оппонирование ведутся командами без предварительной подготовки, «в прямом эфире».
Достаточно зрелищная и живая форма проведения турнира всегда собирает большое число зрителей и болельщиков из числа учащихся и учителей.
XXIV Всероссийский ТЮФ
Турнир проходил 17–22 марта 2002 г. в г. Сарове Нижегородской области между восемью командами: СУНЦ МГУ (Москва), Академической гимназии СПбГУ (Санкт-Петербург), городов Арзамаса, Пушкина, Новодвинска, Сарова (3 команды) и Свердловской обл. (4 команды: г. Качканара и Заречного, школы-лицея № 130 г. Екатеринбурга и СУНЦ УрГУ).
1-е место заняла команда СУНЦ УрГУ в составе:
Андрей Ахматханов (капитан),
Николай Булатов,
Антон Ревлев,
Анна Колмогорова,
Александр Куприн.
Руководители команды: Григорий Максович РњРёРЅСЊРєРѕРІ Рё Ольга Викторовна Рнишева.
Две лучшие команды (СУНЦ УрГУ и г. Сарова) получили право представлять Россию на международном турнире.
XV Международный ТЮФ
Турнир проходил 23–30 мая 2002 г. в г. Одессе (Украина). В нем приняли участие 20 команд, которые представляли Австралию, Австрию, Беларусь, Болгарию, Венгрию, Германию, Грузию, Корею, Мексику, Нидерланды, Украину, Польшу, Россию, Словакию, Финляндию, Хорватию, Чехию и Швецию. Наша страна была, к сожалению, представлена только одной командой – СУНЦ УрГУ. Каждая команда приняла участие в пяти отборочных боях. В финал вышли три лучшие – Польши, Беларуси и Германии. Победителями этого турнира заслуженно стали польские школьники.
Всероссийские и международные турниры предоставляют школьникам, увлекающимся физикой, из различных городов и стран хорошую возможность для общения. Учителя, подготовившие команды, в ходе турниров могут обменяться опытом, узнать о работе и достижениях своих коллег.
Проблемы
В последнее время при проведении Всероссийских турниров возникли проблемы, во многом связанные с тем, что турнир был исключен из графика Всероссийских олимпиад и конференций. Таким образом, школьники, победившие в турнире и затратившие огромное количество сил на подготовку к нему, оказываются перед выбором: готовиться к международному турниру, чтобы достойно представить нашу страну, либо готовиться к поступлению в вуз. Учителям, подготовившим команды, как правило, «спасибо» никто не говорит.
Непонятно, почему так происходит. Неужели
школьник, самостоятельно сумевший разобраться с
достаточно сложной физической проблемой,
прочитавший большое количество литературы и
умеющий применять знания, полученные на уроках,
нашим вузам нужен меньше, чем тот, чьи родители
своевременно наняли репетиторов? Неужели наши
школьные учителя, сумевшие увести с улицы и при
двух часах в неделю сумевшие увлечь физикой
настолько, что ребенок все вечера проводит в
физической лаборатории, не заслужили
элементарной благодарности? Чего мы постоянно
стесняемся? Да РјС‹ гордиться должны! Рто РІ нашей
стране, а не где-нибудь
25 лет назад придумали увлекательное
соревнование для старшеклассников. Четверть
века этот турнир живет в нашей стране и уже 15 лет
– на международном уровне. Многие страны,
прислав на международный турнир наблюдателей,
затем становятся участниками. Рностранцы
почему-то очень дорожат турниром и активно в нем
участвуют. А мы можем не прислать на турнир
команду просто потому, что нет средств. Наши
ребята могут не поехать на турнир, потому что им
надо сдавать выпускные экзамены. А когда-то
(когда турниры проводились под эгидой комсомола)
на Всесоюзные турниры собиралось около 30 команд!
Вниманию Руководителей школ, образовательных учреждений, учителей физики и старшеклассников!
XXV Всероссийский ТЮФ будет проходить в г. Екатеринбурге в СУНЦ УрГУ с 17 по 23 марта 2003 г.
XVI Международный турнир юных физиков будет проводиться в Швеции с 1 по 8 июля. Для участия в турнире необходимо подготовить решения задач, которые можно получить в оргкомитете турнира. Если вас заинтересовала информация о турнирах и вы хотели бы принять участие в турнире 2002/2003 уч.г., обращайтесь в один из локальных оргкомитетов ТЮФа:
Екатеринбург, РЎРЈРќР¦ УрГУ, Рнишева Ольга Викторовна, заместитель директора РїРѕ научной работе.
Тел.: (3432) 410-659; факс: (3432) 412-468; e-mail: inicheva@lyceum.usu.ru;
РњРѕСЃРєРІР°, МГУ, РїСЂРѕС„. Валентин Рванович Лобышев, заведующий кафедрой физики РЎРЈРќР¦ МГУ.
Тел.: (095) 445-5306; e-mail: lob@school.phys.su .
Сайт международного ТЮФа РІ Рнтернете: http://www.iypt.org .
Р’РћРџР РћРЎР« XXV РўРЈР РќРР Рђ ЮНЫХ Р¤РР—РРљРћР’
1. Воздушный змей. В ветреный день запустите воздушного змея, удерживаемого одной нитью. Часто можно наблюдать устойчивые траектории змея наподобие восьмерки. Почему воздушный змей движется таким образом? Существуют ли другие стабильные траектории?
2. Дождь. Рсследуйте Рё объясните, как движутся капли дождя РїРѕ РѕРєРѕРЅРЅРѕРјСѓ стеклу.
3. Прозрачная пленка. Если печатный текст накрыть прозрачной полиэтиленовой пленкой, то его можно без труда прочесть. РџСЂРё удалении пленки РѕС‚ текста Р±СѓРєРІС‹ становятся нечеткими, Рё РЅР° некотором расстоянии текст прочесть РЅРµ удается. Рзучите свойства пленки. Какими свойствами пленки объясняется наблюдаемый феномен?
4. РЇСЂРєРёРµ пятна. Выдуйте мыльный пузырь Рё поместите его РЅР° поверхность мыльного раствора. РџСЂРё освещении солнечным светом можно увидеть РЅР° поверхности пузыря СЏСЂРєРёРµ пятна. Рсследуйте феномен Рё сравните РґРІР° случая: РєРѕРіРґР° пузырь лежит РЅР° поверхности раствора Рё РЅР° поверхности стекла.
5. Граница раздела. Несмешивающиеся жидкости образуют резкую границу раздела фаз. Если поверхностное натяжение двух жидкостей различается, можно наблюдать интересные эффекты. Выдуйте пузыри различного размера в нижней жидкости и проанализируйте их поведение вблизи границы раздела фаз.
6. Замерзание напитков. РџСЂРё открывании охлажденных бутылей СЃ газированной РІРѕРґРѕР№ РѕРЅР° может замерзнуть. Рзучите явление Рё его зависимость РѕС‚ параметров системы.
7. Вибрирующая РєРѕСЂРѕР±РєР°. Разделите РєРѕСЂРѕР±РєСѓ РЅР° СЂСЏРґ последовательных ячеек невысокими перегородками. Поместите некоторое количество маленьких металлических шариков РІ РєРѕСЂРѕР±РєСѓ. РџСЂРё вертикальной вибрации РєРѕСЂРѕР±РєРё шарики Р±СѓРґСѓС‚ перескакивать РёР· РѕРґРЅРѕР№ ячейки РІ РґСЂСѓРіСѓСЋ. Р’ зависимости РѕС‚ частоты Рё амплитуды колебаний распределение шариков может быть устойчивым Рё неустойчивым. Рсследуйте явление Рё постройте модель для его обьяснения.
8. «Тепловая машина». Сконструируйте «тепловую машину», содержащую U-образную трубку, частично заполненную водой или другой жидкостью. Одно колено трубки открыто, второе соединяется длинной трубкой с подогреваемой колбой. После выведения из равновесия уровня воды покачиванием U-образной трубки возможно появление устойчивых колебаний уровня воды. От чего зависит частота колебаний? Нарисуйте р,V-диаграмму процесса.
9. Падающая труба. РџСЂРё падении высокой кирпичной трубы РѕРЅР° может расколоться РЅР° РґРІРµ части РґРѕ касания поверхности земли. Рсследуйте Рё объясните причины явления.
10. Лампа накаливания. Сопротивление нити лампы накаливания сильно зависит от температуры. Продемонстрируйте сделанный вами прибор, использующий эту характеристику.
11. Рассеяние света. Сконструируйте оптический РїСЂРёР±РѕСЂ, способный измерять концентрацию нерастворимых веществ РІ коллоидных растворах. Рспользуйте его для определения жирности молока.
12. Вареное яйцо. Сконструируйте торсионный вискозиметр и используйте его для выяснения различий вязкоупругих свойств куриных яиц с разным временем варки.
13. Рлектроосмос. Разработайте устройство для осушения РјРѕРєСЂРѕРіРѕ песка СЃ использованием электрической энергии, РЅРѕ без существенного нагревания.
14. «Летающая тарелка». Найдите и обоснуйте оптимальный способ запуска «летающей тарелки» для достижения максимальной дальности полета.
15. Вихрь. Сделайте коробку, имеющую круглое отверстие и мембрану на противоположной стороне. Заполните ее дымом (например от тлеющего торфа). Ударяя по мембране, создайте вихрь, распространяющийся от отверстия в коробке. Объясните явление и опишите, что произойдет при взаимодействии двух вихрей.
16. Тепло и холод. Существует мнение, что для быстрейшего охлаждения горшочка с пищей лед следует положить сверху, но не снизу. Если это так, оцените преимущество первого метода по сравнению со вторым.
17. Задача Прометея. Опишите и продемонстрируйте прибор, который использовали наши предки для получения огня с помощью трения. Определите время, необходимое для получения огня таким способом.
Решение некоторых задач прошлого турнира
Тепловая машина
Наверное, всем известно, что на тело, полностью погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила – сила Архимеда, которая определяется следующим выражением:
Здесь r – плотность жидкости, Vт – объем тела. Характер движения тела в жидкости зависит от соотношения силы тяжести и силы Архимеда. Как мы видим, сила Архимеда прямо пропорциональна объему тела Vт, значит, для тела переменного объема, но постоянной массы можно получить различные соотношения силы Архимеда и силы тяжести, изменяя его объем. В нашем случае таким телом является ампула, закрытая резиновым колпачком. Внутри ампулы находится газ – воздух, смешанный с насыщенными парами спирта, и капля спирта в виде жидкости. При изменении температуры этого газа некоторая часть жидкости испарится (или некоторая часть пара конденсируется), т.е. пар станет насыщенным. Давление внутри ампулы также существенно изменится, а вследствие этого изменится и объем колпачка.
Ртак, РїСЂРё наливании РІРѕРґС‹ РІ СЃРѕСЃСѓРґ сначала наливается горячая РІРѕРґР°, Р° затем – холодная. Конечно, сразу начнет происходить конвекция, РЅРѕ РІСЃРµ же распределение температуры некоторое время будет сохраняться. РџСЂРё опускании ампулы РІ верхний холодный слой РІРѕРґС‹ температура газа РІ ампуле уменьшится. Значит, можно подобрать такие параметры, чтобы объем колпачка уменьшился настолько, что сила тяжести стала Р±С‹ больше силы Архимеда, Рё ампула начала Р±С‹ двигаться РІРЅРёР·. РџСЂРё попадании ампулы РІ нижний горячий слой РІРѕРґС‹ температура газа РІ ампуле увеличится. Рнаоборот, можно подобрать такие параметры, чтобы объем колпачка увеличился настолько, что сила Архимеда стала Р±С‹ больше силы тяжести, Рё ампула начала Р±С‹ двигаться вверх, СЃРЅРѕРІР° попадая РІ холодный слой. Таким образом, можно найти такие условия, что ампула будет совершать колебательные движения между верхней Рё нижней границами РІРѕРґС‹ Р·Р° счет градиента температур.
Найдем эти условия аналитически. Как уже было сказано, характер движения ампулы определяется ее объемом. Зависимость объема от высоты можно получить из уравнения состояния газа:
n – количество газа, R – универсальная газовая постоянная, Т – температура, pсп = AemT – давление насыщенного пара спирта, A=0,0011 Па, m=0,053 K–1.
Тогда можно записать зависимость объема от высоты.
РР· уравнения
следует, что
где p0 – атмосферное давление, k – коэффициент упругости колпачка, V0 – начальный объем колпачка, hст – высота столба воды.
Определим условия, при которых ампула будет совершать колебательные движения вверх-вниз.
Первое условие: сила тяжести должна быть больше силы Архимеда, когда ампула находится у верхней границы воды, чтобы она начала опускаться:
где T2 – температура воды у поверхности.
Второе условие: сила Архимеда должна быть больше силы тяжести, когда ампула находится у дна сосуда, чтобы она начала подниматься:
где T1 – температура воды у дна цилиндра.
Ртак, РєРѕРіРґР° РјС‹ знаем эти условия, РјС‹ можем подобрать необходимые параметры Рё поставить эксперимент. РџСЂРё его постановке РјС‹ столкнулись СЃ проблемой: конвекция РІ РІРѕРґРµ происходила очень быстро, С‚.Рµ. холодная РІРѕРґР° оказывалась СЃРЅРёР·Сѓ, Р° горячая – сверху Р·Р° короткое время РїРѕ сравнению СЃРѕ временем, необходимым для процесса. Рто происходило потому, что плотность холодной РІРѕРґС‹ больше плотности горячей. Для разрешения проблемы РјС‹ увеличили плотность горячей РІРѕРґС‹, немного подсолив ее. Теперь перейдем Рє эксперименту. РњС‹ помещали ампулу РЅР° некоторую высоту РІ РІРѕРґСѓ, удерживали некоторое время Рё отпускали. РћРЅР° действительно начинала совершать колебательные движения, причем эти колебания имели следующий характер: ампула опускалась РЅР° РґРЅРѕ СЃРѕСЃСѓРґР°, покоилась там некоторое время, затем поднималась вверх, достигала верхней границы РІРѕРґС‹, покоилась там некоторое время, затем опять опускалась РІРЅРёР· Рё С‚.Рґ., С‚.Рµ. колебания РЅРµ были затухающими. Ртот процесс продолжался РІ течение 3–5 РјРёРЅ, РїРѕРєР° температура РІРѕРґС‹ существенно РЅРµ изменилась. Затем РјС‹ исследовали зависимость характера колебаний РѕС‚ силы РІСЏР·РєРѕРіРѕ трения. Для этого РјС‹ прикрепили Рє ампуле небольшой плоский РѕР±РѕРґРѕРє, тем самым увеличив эту силу. Рполучили очень интересные результаты: колебания стали затухать РІ течение 30–50 СЃ (РІ зависимости РѕС‚ начальных параметров). Чтобы убедиться РІ том, что это затухание РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ РЅРµ РёР·-Р·Р° изменения температуры РІРѕРґС‹, Р° именно РёР·-Р·Р° увеличения силы трения, РјС‹ провели дополнительный эксперимент: налили РІРѕРґСѓ РІ СЃРѕСЃСѓРґ так, как сказано РІ условии, опустили туда ампулу, колебания начались, РјС‹ сняли экспериментальную зависимость высоты ампулы РѕС‚ времени Рё, РєРѕРіРґР° колебания прекратились, вытащили ампулу Рё повторили РІСЃРµ действия еще раз РІ той же РІРѕРґРµ, получив еще РѕРґРЅСѓ экспериментальную зависимость. Если Р±С‹ распределение температуры РІРѕРґС‹ РІ течение времени первого процесса изменилось значительно, то результаты существенно отличались Р±С‹ РґСЂСѓРі РѕС‚ РґСЂСѓРіР°, РЅРѕ РѕРЅРё почти совпадали. Значит, температура РІРѕРґС‹ Р·Р° время процесса изменилась незначительно. Ртак, РјС‹ получили, что колебания ампулы РјРѕРіСѓС‚ быть затухающими, РЅРѕ РјРѕРіСѓС‚ Рё РЅРµ затухать, РїРѕРєР° температура РІ каждой точке РІРѕРґС‹ существенно РЅРµ изменилась.
Опишем движение ампулы теоретически и найдем причины таких колебаний. Для этого, как и в любой модели, сделаем несколько приближений. Во-первых, будем считать, что за время процесса температура в каждой точке воды не изменилась. Как было сказано ранее, мы проверили экспериментально, что в течение 1–2 мин это изменение очень мало и не оказывает существенного влияния на движение ампулы. Также важно отметить, что температура газа в ампуле устанавливается равной температуре снаружи не сразу, т.к. необходимо время для нагревания самой ампулы и колпачка. Мы учтем это, но упростим: будем считать, что температура газа в какой- то момент времени равна температуре, которая была снаружи некоторое время t0 назад, т.е.:
Ртак, для описания движения ампулы составим уравнение ее движения:
где vh – скорость ампулы на высоте h, m – ее масса. На ампулу действуют сила тяжести, сила Архимеда и сила вязкого трения (будем считать, что она прямо пропорциональна скорости ампулы). Объем тела в этом уравнении заменим полученным ранее выражением (4):
Мы получили дифференциальное уравнение, которое не имеет аналитического решения. Поэтому мы решили его численно на компьютере, написав программу. Принцип ее работы следующий: задаем начальную высоту и начальную скорость; подставив их в уравнение, находим начальное ускорение; считаем, что в течение очень малого промежутка времени Dt ампула движется равноускоренно с этим ускорением, таким образом, находим высоту подъема ампулы и ее скорость через время Dt и, опять подставляя их в уравнение, находим новое ускорение ампулы и т.д. С помощью этой программы нами были получены теоретические графики зависимости высоты ампулы от времени для параметров, при которых проводились эксперименты (рис. 1, 2). Как видите, получено хорошее согласие теоретических и экспериментальных результатов в обоих случаях.
Р РёСЃ. 1.
Р РёСЃ. 2.
Теперь ответим на вопрос: почему же появляются такие различия в характере колебаний?
Для этого в нашу программу были внесены изменения: мы убрали силу трения и, на всякий случай, запаздывание температуры, т.е. считали, что температура газа в ампуле устанавливается равной температуре снаружи мгновенно. Результат в этом случае достаточно прост: амплитуда с течением времени не изменяется. Затем мы включили силу трения. Ртакже получили ожидаемый результат: в этом случае амплитуда уменьшается с течением времени. После этого мы снова убрали силу трения, но включили запаздывание температуры. Рполучили очень интересный результат: в этом случае амплитуда с течением времени увеличивается (рис. 3).
Р РёСЃ. 3.
Рто можно объяснить. Рассмотрим момент, РєРѕРіРґР° ампула находится РЅР° высоте h0, РіРґРµ результирующая сила, действующая РЅР° нее, была Р±С‹ равна нулю, если Р±С‹ запаздывания температуры РЅРµ было (СЂРёСЃ. 4). РќРѕ С‚.Рє. есть запаздывание температуры, то РІ этот момент температура газа РІ ампуле равна температуре РІРѕРґС‹ РЅР° высоте, РіРґРµ ампула находилась время t0 назад, С‚.Рµ. температура газа внутри ампулы больше температуры РІРѕРґС‹ РЅР° данной высоте h0. Рђ значит, Рё объем колпачка РІ случае СЃ запаздыванием больше объема, который был Р±С‹ РЅР° данной высоте, если Р±С‹ запаздывания температуры РЅРµ было. Следовательно, РІ этом случае (СЃ запаздыванием) результирующая сила, действующая РЅР° ампулу, РЅРµ равна нулю Рё направлена вверх. Следовательно, РІ этом случае РґРѕ следующей полной остановки ампула пройдет большее расстояние Рё остановится выше, чем РІ случае, если Р±С‹ запаздывания РЅРµ было. Движение ампулы РІРЅРёР· рассматривается аналогично. Таким образом, амплитуда колебаний будет увеличиваться СЃ течением времени. Ртак, если теперь включить РІ программу Рё силу трения, Рё запаздывание температуры, то РјС‹ можем получить различные случаи РІ зависимости РѕС‚ соотношения коэффициента РІСЏР·РєРѕРіРѕ трения Рё времени запаздывания t0: амплитуда может увеличиваться, РЅРѕ может Рё уменьшаться. Рменно этим Рё объясняется то, что, увеличив коэффициент трения РІ нашем эксперименте, РјС‹ получили затухающие колебания.
Р РёСЃ. 4.
Ртак, подведем итоги: РјС‹ описали процесс качественно; нашли условия, необходимые для его наблюдения; провели эксперименты Рё получили различный характер движения ампулы; создали модель этого процесса Рё СЃ ее помощью объяснили полученные различия; получили теоретические зависимости Рё, сравнив РёС… СЃ экспериментальными, получили хорошее согласие, что РіРѕРІРѕСЂРёС‚ том, что основная суть физического процесса была понята нами правильно.