primena granične vrednosti niza i integracije u fizici

4
NASTAVA MATEMATIKE U SREDNjIM XKOLAMA Tine Gole PRIMENA GRANIQNE VREDNOSTI NIZA I INTEGRACIJE U FIZICI Uvod Sasvim je jasno da je matematika jezik fizike. Me–utim, u srednjoj xkoli to nije bax uvek dobro prezentovano. Ima, recimo, primera kad nastavnik matema- tike upotrebljava zadatke kojima …eli da prika…e primenu izvoda ili integrala u fizici. U suxtini, vrlo qesto su takozvani realistiqni zadaci u stvari ne- realistiqni. Na primer, ,,kolika je kinetiqka energija tela mase 50 g, posle pete sekunde padanja, ako je x = 5(t - t 2 ) cm?“ Mo…e li nastavnik da objasni koje telo podle…e ovom zakonu? Nastavnik fizike imao je u toku xkolovanja vixe matematike nego obrnuto, tako da je on taj koji bi trebalo da predla…e realne fiziqke primere koji se mogu upotrebiti u nastavi matematike. U saglasnosti sa ovim tvr–enjem dajemo ovde jedan primer koji ima dve funkcije. S jedne strane, odnosi se na realisti- qni primer u matematici. Tako–e, prikazuje kako je integral izvanredno oru–e matematike. Svakako i bez integrala je bilo mogu²e mnogo toga izraqunati tako qak ni Njutn nije upotrebio integrale u svom epohalnom delu Matematiq- ki principi filozofije prirode (Principia Mathematica Philosophiae Naturalis), iako je bax on jedan od osnivaqa infinitezimalnog raquna. Svakako, integracija omogu²ava da i ljudi sa manje intuicije savladaju za- datke koji su pre bili rexivi uz vixe napora. Jedan primer je poznato izraqu- navanje segmenta parabole. Arhimed je doxao do rexenja bez integrala [1]. Danas bi i –aci, koji nisu nexto naroqito talentovani, upotrebom integrala kao po recepturi doxli do rexenja. Ali treba nexto vixe intuicije i razmixljanja da do rezultata do–emo kao Arhimed. Poxto je ovaj primer vrlo poznat, i ne- ki ga svrstavaju me–u 100 najinteresantnijih problema elementarne matematike [2], ne treba ga ponavljati ovde. Ali bax zato je ovde opisan fiziqki primer u kojem integraciju najpre zameni zbir beskonaqnog reda, a tek onda prelazimo na integraciju. Moment inercije xtapa U sluqaju gimnazija u Sloveniji, –aci se prvo upoznaju sa momentom inerci- je materijalne taqke, a za slo…ena tela nastavnik fizike samo ispixe formule.

Upload: hoangthu

Post on 13-Feb-2017

225 views

Category:

Documents


9 download

TRANSCRIPT

Page 1: Primena granične vrednosti niza i integracije u fizici

NASTAVA MATEMATIKE U SREDNjIM XKOLAMA

Tine Gole�

PRIMENA GRANIQNE VREDNOSTI NIZAI INTEGRACIJE U FIZICI

Uvod

Sasvim je jasno da je matematika jezik fizike. Me±utim, u srednjoj xkoli tonije bax uvek dobro prezentovano. Ima, recimo, primera kad nastavnik matema-tike upotrebljava zadatke kojima ¼eli da prika¼e primenu izvoda ili integralau fizici. U suxtini, vrlo qesto su takozvani realistiqni zadaci u stvari ne-realistiqni. Na primer, ,,kolika je kinetiqka energija tela mase 50 g, poslepete sekunde padanja, ako je x = 5(t − t2) cm?“ Mo¼e li nastavnik da objasnikoje telo podle¼e ovom zakonu?

Nastavnik fizike imao je u toku xkolovanja vixe matematike nego obrnuto,tako da je on taj koji bi trebalo da predla¼e realne fiziqke primere koji semogu upotrebiti u nastavi matematike. U saglasnosti sa ovim tvr±enjem dajemoovde jedan primer koji ima dve funkcije. S jedne strane, odnosi se na realisti-qni primer u matematici. Tako±e, prikazuje kako je integral izvanredno oru±ematematike. Svakako i bez integrala je bilo mogu²e mnogo toga izraqunati –tako qak ni Njutn nije upotrebio integrale u svom epohalnom delu Matematiq-ki principi filozofije prirode (Principia Mathematica Philosophiae Naturalis),iako je bax on jedan od osnivaqa infinitezimalnog raquna.

Svakako, integracija omogu²ava da i ljudi sa manje intuicije savladaju za-datke koji su pre bili rexivi uz vixe napora. Jedan primer je poznato izraqu-navanje segmenta parabole. Arhimed je doxao do rexenja bez integrala [1]. Danasbi i ±aci, koji nisu nexto naroqito talentovani, upotrebom integrala kao porecepturi doxli do rexenja. Ali treba nexto vixe intuicije i razmixljanjada do rezultata do±emo kao Arhimed. Poxto je ovaj primer vrlo poznat, i ne-ki ga svrstavaju me±u 100 najinteresantnijih problema elementarne matematike[2], ne treba ga ponavljati ovde. Ali bax zato je ovde opisan fiziqki primer ukojem integraciju najpre zameni zbir beskonaqnog reda, a tek onda prelazimo naintegraciju.

Moment inercije xtapa

U sluqaju gimnazija u Sloveniji, ±aci se prvo upoznaju sa momentom inerci-je materijalne taqke, a za slo¼ena tela nastavnik fizike samo ispixe formule.

Page 2: Primena granične vrednosti niza i integracije u fizici

24 T. Gole¼

Ali bax ovo pru¼a mogu²nost realistiqne matematike. Na poqetku qetvrte godi-ne matematiqari objaxnjavaju beskonaqne redove. Zato predla¼em da nastavnikmatematike, upotrebom beskonaqnog reda, doka¼e formulu za sopstveni momentinercije xtapa, i posle nekoliko meseci, kad je ispredavao integrale ponoviisti primer metodom integracije.

§aci znaju formulu za inerciju materijalne taqke mase m, koja se kre²e pokru¼noj putanji polupreqnika r, I = mr2. Neka je dat xtap du¼ine ` i mase m.Sasvim je jasno da za odre±ivanje njegovog momenta inercije ne mo¼emo uzeti da jesva masa skoncentrisana u te¼ixtu. Tada bi bilo r = 0, pa bi i moment inercijebio jednak nuli, xto nije sluqaj. Zato mo¼emo pretpostaviti da umesto xtapaimamo dve taqke sa masom polovine mase xtapa, koje su za qetvrtinu du¼inextapa udaljene od centra rotacije (slika 1).

Sl. 1. Xtap sa osom u centru. Taqke te¼ixta leve i desne polovine xtapa su naznaqene.

Ukupni moment inercije ove dve materijalne taqke je

I1 =(

12m

)(14`

)2

+(

12m

)(14`

)2

.

Svakako, ovo je tek prva aproksimacija. Zato ²emo xtap sada podeliti na qetiridela (slika 2).

Sl. 2. Xtap je podeljen na qetiri jednaka dela.

Udaljenosti te¼ixta delova od ose rotacije su 1/8 i 3/8 du¼ine xtapa.

Druga aproksimacija momenta inercije je

I2 =(

14m

)(18`

)2

+(

14m

)(38`

)2

+(

14m

)(18`

)2

+(

14m

)(38`

)2

.

Prva aproksimacija je I1 = 0,0625 m`2, a druga I2 = 0,0780 m`2. Ova razli-ka upu²uje nas na nove aproksimacije. Ovaj put ²emo podeliti xtap na osamjednakih delova i dobijamo

I3 =(

18m

)(116

`

)2

+(

18m

) (316

`

)2

+(

18m

)(516

`

)2

+(

18m

)(716

`

)2

+(

18m

) (116

`

)2

+(

18m

)(316

`

)2

+(

18m

)(516

`

)2

+(

18m

)(716

`

)2

.

Didaktiqki, vixe nije potrebno pisati jednaqinu po qlanovima, ve² mo¼emoskratiti zapis:

I3 = 2(

18m

)`2

(116

)2

(12 + 32 + 52 + 72).

Page 3: Primena granične vrednosti niza i integracije u fizici

Primene u fizici 25

Rezultat je I3 = 0,0820 m`2. Umesto podele na 16 delova potra¼i²emo odmahpodelu na n delova. Gledaju²i jednaqinu za I3, jednostavno mo¼emo zapisati

In = 2(

1n

m

)`2

(12n

)2

(12 + 33 + · · ·+ (2n− 1)2).

Pretpostavljamo da ±aci u qetvrtoj godini gimnazije znaju konaqni zbir

12 + 22 + · · ·+ n2 =n(n + 1)(2n + 1)

6.

Me±utim, nama treba zbir kvadrata neparnih brojeva. Od zbira svih kvadrataoduze²emo kvadrate parnih brojeva. Njihov zbir je

22 + 42 + · · ·+ n2 = 22(12 + 22 + · · ·+ (n/2)2)

= 22 (n/2)((n/2) + 1)(n + 1)6

.

Zato je zbir kvadrata neparnih brojeva jednakn(n2 − 1)

6. Posle sre±ivanja

mo¼emo zapisati

In = 2m`2(

1n · 4n2

· n(n2 − 1)6

)

i u graniqnom sluqaju, kada n →∞, dobijamo izraz za sopstveni moment inercijextapa

I =112

m`2

koji je bez izvo±enja u nastavi fizike u drugom razredu napisan kao gotova for-mula.

Qini nam se da je prikazani zadatak zbog realnog rezultata vredniji odvrlo qesto zapisanih zadataka u u­benicima (,,U pravilnom xestouglu stranice aupisana je kru¼nica, u njoj opet pravilan xestougao . . . Odrediti zbir povrxinaxestouglova i krugova“. Ili: ,,U kocki ivice a upisana je lopta, u lopti kocka. . . Odrediti zapremine . . . “ itd. [3]).

Integracija

Inegral dolazi posle limesa i izvoda. Pedagoxki je da se isti primer joxjednom uradi pomo²u integrala [4]. Polazimo od momenta inercije materijalnetaqke dm na rastojanju r od ose, dI = r2 dm. U sluqaju homogenog xtapa sa osomkroz te¼ixte dobijamo

I =∫ `/2

−`/2

dI =∫ `/2

−`/2

r2ρS dr =112

ρS``2 =112

m`2.

Integracija ne samo da je br¼i postupak, ve² je i mnogo elegantniji put zarexavanje slo¼enijih primera.

Zamislimo xtap du¼ine 80 cm na kojeg smo nalepili dodatni xtap od 20 cm(slika 3).

Page 4: Primena granične vrednosti niza i integracije u fizici

26 T. Gole¼

Sl. 3. Xtap sa dodatnim xtapom. Te¼ixte nije vixe na sredini xtapa.

Prvo nalazimo te¼ixte. Nalazi se 46 cm od levog kraja. Kroz te¼ixteprolazi osa. Sada integral dobija jedan od mogu²ih oblika

I =∫ 0,14

−0,46

r2ρS dr +∫ 0,34

0,14

r2ρ · 2S dr.

Zakljuqak. U istoriji nauke fizika i matematika su se stalno preplitalei me±usobno bogatile. Na¼alost, danas je me±upredmetna saradnja nedovoljnoprisutna u xkolama. Nije uvek lako pridobiti kolegu matematiqara za ubaci-vanje novih fiziqkih primera u nastavu matematike. Ali uz dobro pripremljeneteme, koje svakako u ve²em delu sugerixe nastavnik fizike, mo¼emo oqekivati iinteresantniju nastavu matematike.

LITERATURA1. http://www.cut-the-knot.org/Curriculum/Geometry/ArchimedesTriangle.shtml

2. H. Dorrie, 100 Great Problems of Elementary Mathematics, Dover Publications, NY, 1965.

3. B.T. Vene, Zbirka rexenih zadataka iz matematike, Zavod za u­benike i nastavna sredstva,Beograd 1985.

4. T. Golez, Fizika in matematika vs. fizika, matematika, Matematika v soli, 13, 3–4 (2007),234–243.

Xkofijska klasiqna gimnazija, Ljubljana, Slovenija

E-mail : [email protected]