П.Л. Капица вошел в историю как выдающийся физик.
В 1916 году, ещё не получив высшего образования, он уже работал в лаборатории А.Ф. Иоффе. В том же году он опубликовал первую научную статью Приготовление волластоновских нитей.
Метод состоял в том, что вместо фильер для получения нити использовался лук со стрелами. Капица обмакивал наконечник стрелы в расплавленный кварц, затем натягивал тетиву и спускал её. Стрела пролетала по коридору над разостланным бархатным полотном. Кварцевая нить падала на полотно.
Позже уже в Англии П.Л. Капица построил гелиевый ожижитель с поршневым компрессором, работающим при минус 263 градусах Цельсия. Любой поршень может двигаться только, если он получает смазку. Но при такой низкой температуре все смазочные материалы, как и вообще все жидкости, затвердевают. Идея Капицы поразительно проста – обойтись без смазки. Как? Учёный предложил оставить небольшой зазор в несколько сотых миллиметра между поршнем и стенками цилиндра так, чтобы поршень свободно двигался, не касаясь стенок. Тогда во время наполнения цилиндра гелием при повышенном давлении, – писал Капица, – большая часть гелия естественно уйдет через зазор, так как его вязкость мала. Но если дать поршню возможность производить расширение быстро, то тогда можно добиться таких условий, что успеет утечь только малое количество гелия.
Первая подборка задач, составленных П.Л. Капицей, была размножена в марте 1948 г. и роздана студентам первого курса физико-технического факультета МГУ, на базе которого в 1951 г. был создан Московский физико-технический институт.
Вот что сказал о своих задачах П.Л. Капица в лекции, прочитанной им студентам первого курса 20 марта 1948 г.: Прежде чем начать лекцию, я хочу сказать несколько слов о тех задачах, которые вы получили и которые я для вас составил. Как их можно решать? Задача - есть первое приближение к небольшой научной работе. Решение этих задач - уже какое-то определённое исследование. Не то, что в средней школе, где достаточно подставить в формулу известные данные и т.д. Здесь решение задачи определяется вами самими. Вы можете показать свои знания и свое понимание физики в самых разных степенях. [...] Это зависит от вас самих, где остановиться при решении задачи. Это зависит и от глубины анализа, который вы сами даете. Все задачи составлены так, что вы их можете и в двух-трех словах приблизительно решить и, углубляясь дальше, до неограниченного предела. Одну и ту же задачу можно, продолжая её разбор, разложить в ряды Фурье, интегрировать и т.д., и довести до уровня кандидатской диссертации...
Примеры решения ряда физических задач П.Л. Капицы были опубликованы молодыми сотрудниками Института физических проблем, выпускниками МФТИ Ю.М. Ципенюком. А.В. Митрофановым и др. в журналах: Наука и жизнь 1967 г., N 1-6; Квант, 1983 г. N 5 и Природа 1983 г., N 9,10.
Приведём фрагмент более позднего издания: Напечатанные в этом сборнике задачи были составлены мной для студентов Московского Физико-технического института, когда в 1947-1949 гг. я там читал курс общей физики. В этот сборник вошли также задачи, которые давались на экзаменах при поступлении в аспирантуру Института физических проблем Академии наук СССР. Эти задачи собрали вместе и подготовили к печати студенты физтеха, недавно окончившие институт, Л.Г. Асламазов и И.Ш. Слободецкий. При составлении этих задач я преследовал определенную цель, поэтому они были составлены необычным образом. Чтобы их решение для читателя представляло интерес, следует сделать некоторые разъяснения. Хорошо известно, какое большое значение имеет решение задач при изучении точных наук, таких, как математика, механика, физика и др. Решение задач даёт возможность не только самому студенту проверить свои знания к решению практических проблем, но и для преподавателя задачи являются одним из наиболее эффективных способов проверить, насколько глубоко понимает студент предмет, не являются ли его знания только накоплением заученного наизусть. Кроме того, при обучении молодежи с помощью решения задач можно еще воспитывать и выявлять творческое научное мышление. Необходимость в этом вызвана тем, что физико-технический институт, который был организован 20 лет назад, был специально создан как высшее учебное заведение для отбора и воспитания работников для научных институтов. Хорошо известно, что для плодотворной научной работы требуются не только знание и понимание, но, главное, еще самостоятельное аналитическое и творческое мышление. Как одно из эффективных средств воспитания, выявления и оценки этих качеств при обучении молодёжи и были составлены эти задачи. Я стремился осуществить эту цель, составляя большинство задач таким образом, что они являются постановкой небольших проблем, и студент должен на основании известных физических законов проанализировать и количественно описать заданное явление природы. Эти явления природы выбраны так, чтобы они имели либо научный, либо практический интерес, и при этом нами учитывалось, что уровень знаний студентов должен быть достаточным, чтобы выполнить задание. Обычно задачи ставятся так, чтобы подходов к их решению было несколько, с тем, чтобы и в выборе решения могла проявиться индивидуальность студента. Например, задачу о траектории полёта самолёта, при которой в кабине была бы невесомость, можно решить стандартным способом, написав уравнение движения самолета в поле тяжести Земли и приравнять нулю равнодействующую сил, действующих на точку, находящуюся в самолете. Другой способ решения более прост: принять, что если самолёт следует траектории свободно летящего тела, которая в земном поле близка к параболе, тогда тело, находящееся в самолёте, может быть в состоянии невесомости. Более любознательный студент может углубить вопрос и выяснить, что требуется при полёте самолёта для того, чтобы во всех точках кабины самолета было одновременно состояние невесомости. Далее можно разобрать вопpoc, какие навигационные приборы нужны, чтобы пилот мог вести самолёт по нужной для осуществления невесомости траектории и т.п. Характерной чертой наших задач является то, что они не имеют определенного законченного ответа, поскольку студент может по мере своих склонностей и способностей неограниченно углубиться в изучение поставленного вопроса. Ответы студента дают возможность оценить склонность и характер его научного мышления, что особенно важно при отборе в аспирантуру. Самостоятельное решение такого рода задач дает студенту тренировку в научном мышлении и вырабатывает в нем любовь к научным проблемам. Кроме проблемного характера этих задач, в большинстве из них есть ещё одна особенность: в них не заданы численные величины физических констант и параметров и их представляется выбрать самим решающим. Так, например, в той же задаче о невесомости в самолете требуется определить время, в продолжение которого она может осуществляться, и при этом говорится, что выбирается современный самолёт. Потолок полёта этого самолёта и его предельную скорость представляется выбрать самому студенту. Это мы делаем потому, что практика преподавания показывает, что обычно у нас мало заботятся о том, чтобы учёный и инженер в процессе своего учения научились конкретно представлять себе масштабы тех физических величин, с которыми им приходится оперировать: ток, скорость, напряжение, прочность, температуру и пр. [...]
Мне думается, что при выработке методов преподавания, решение задач-проблем, подобных собранным в этой книге, может быть широко использовано не только при преподавании физики, но и других областей точных наук: математики, механики, химии и др. Перед тем как решить крупную научную проблему, учёным надо уметь её решать в малых формах. Поэтому решение задач, аналогичных приведенным в этом сборнике, является хорошей подготовкой для будущих научных работников.
Капица П.Л., Физические задачи, М., Знание, 1966 г.
Плейлист «Видеозадачник VIKENT.RU»
