Учебник Физика 7 класс Гуревич Страут

А. Е. Гуревич ФИЗИКА •#DPO0Q ВЕРТИКАЛЬ А. Е. Гуревич, Е. К. Страут t ФИЗИКА Учебник для общеобразовательных учреждений Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации 2-е издание, стереотипное ВЕРТИКАЛЬ Москва ■» орофа 2013 УДК 373.167.1: ББК 22.3я72 Г95 53 Гуревич, А. Е. Г95 Физика. 7 кл. : учеб, для общеобразоват. учреждений / А. Е. Гуревич, Е. К. Страут. — 2-е изд., стереотип. — М. : Дрофа, 2013. — 237, [3] с. : ил. ISBN 978-5-358-11783-9 в учебнике, переработанном в соответствии с требованиями нового Федерального государственного образовательного стандарта, рассматриваются основные свойства веществ и их строение, содержатся начальные сведения по астрономии. Изложение материала предполагает, что учащиеся знакомы с некоторыми физическими явлениями и понятиями из курса естествознания. Для тех, кто начинает изучение физики с 7 класса, в приложении приводятся необходимые сведения. Учебник является двухуровневым: материал для углублённого изучения выделен цветом. Учебник одобрен РАО и РАН, рекомендован Министерством образования и науки Российской Федерации и включён в Федеральный перечень учебников в составе завершённой линии. УДК 373.167.1:53 ББК 22.3я72 ISBN 978-5-358-11783-9 © ООО «Дрофа», 2012 Введение Дорогие друзья! Открывая эту книгу, вы начинаете изучение нового для вас предмета — физики. И естественно, у вас возникают вопросы: что это за предмет? Что он изучает? Зачем вам надо его знать? I. Что изучает физика^ зачем, её надо знать и для кого написана эта книга? Где бы мы ни находились: в городе среди освещённых домов и улиц, в сельской ли местности среди полей и лесов, — нас окружает природа. Тысячами нитей человек связан с природой, сам является её частью, зависит от неё. Свет солнца, ветры, течения, осадки и многое-многое другое, происходящее в природе, определяют как жизнь отдельного человека, так и человечества в целом. Однако, изучая историю, вы могли видеть, как с развитием цивилизации зависимость человека от природы непрерывно уменьшалась. В наше время человек ограждён от холода и зноя, от темноты и многих болезней. Он может перемещаться по воздуху, воде и земле. Машины снимают с человека значительную физическую нагрузку. Но всё это стало возможным благодаря развитию наук о природе — естественных наук. Физика среди этих наук занимает ведущее место. Значение физики в естествознании объясняется тем, что она изучает очень широкий круг явлений природы. Само название науки «физика» произошло от греческого слова physis — «природа». Рисунок 1 напомнит вам эти явления. Если вы внимательно рассмотрели рисунок, то наверняка заметили, что различные явления тесно связаны между собой. Возьмём один из примеров тепловых явлений. На рисунке показано, что поток тёплого воздуха поднимается от электрической лампочки и приводит во вращение Что изучает Механическое движение Тепловые явления Электромагнитные явления г I Световые явления Строение вещества ж Рис. 1 4 физика? Ь> расположенную над ней вертушку. Но ведь враш;ение вертушки — это механическое движение. Не надо забывать и о том, что нить лампочки не только нагревается, но еш;ё излучает свет благодаря электрическому току. Физика, как и любая другая естественная наука, изучает не только отдельные явления, но также связи между ними. Эти связи находят выражение в виде законов физики. Вы можете спросить: «А нужно ли изучать физику каждому школьнику?» Конечно же просто необходимо. Дело в том, что любой современный человек пользуется достижениями науки и техники, которые всё больше и больше входят в нашу каждодневную жизнь. Кто-то водит машину, кто-то работает за компьютером, все мы общ,аемся с разнообразной бытовой техникой. Но чтобы управлять машинами и механизмами, а иногда и выполнить их простейший ремонт, надо получить хотя бы самые обш;ие представления об их устройстве и действии. В этом случае без изучения физики никак не обойтись. Есть еш;ё одно очень важное обстоятельство. Обш;е-ние с природой доставляет нам немало приятных минут. Мы восхищаемся красивыми закатами и рассветами, радугой, возникающей в голубом небе после дождя, с удовольствием качаемся на морской волне или катаемся на сноуборде, когда всё вокруг белым-бело. Но так уж устроен человек, что у него возникает немало вопросов о различных явлениях природы. Почему небо голубое и почему на закате оно вдруг становится золотистым или красноватым? Как образуются облака? Почему вечером над рекой стелется туман? Из-за чего возникают ветры и течения? Почему один из полюсов магнитной стрелки всё время смотрит на север? Возникают и многие другие вопросы: как защититься от молнии? Насколько опасна радиация, почему она возникает, есть ли от неё защита? Что такое озоновая дыра? Почему она опасна для жизни на Земле? Вспомните: наверняка у вас в голове много таких вопросов, на которые вы хотели бы получить ответы. Но природа — это не только то, что вокруг нас на Земле. Восхищаясь великолепной картиной звёздного неба, люди задумывались о том, что происходит в космосе. Почему Луна меняет свой облик в течение месяца? Что такое звёзды? Есть ли где-то там, далеко от нас, жизнь, разумные обитатели других миров? Почему светит солнце? Ответы на эти и многие другие вопросы, которые дает тесно связанная с физикой астрономия, вы найдёте на страницах учебника. Задача данного курса физики состоит в том, чтобы ознакомить вас с теми физическими явлениями, с которыми вы непосредственно сталкиваетесь в повседневой жизни, с теми законами физики, которые положены в основу действия многих технических устройств, используемых на производстве и в быту. Изучив этот курс, вы получите представление о тех природных явлениях, которые происходят в космосе, на других планетах, на Солнце и звёздах. Все эти знания необходимы любому современному человеку, кем бы он ни работал. В данном курсе нет сколько-нибудь сложных расчётных задач. Однако изучение физики в нём отнюдь не упрощено. Глубокому усвоению материала будет способствовать выполнение экспериментальных заданий, работа над качественными задачами и вопросами из упражнений, многие из которых имеют исследовательский характер. Ну а если вы всерьёз заинтересуетесь физикой, вам будет полезно, не ограничиваясь учебником, почитать научно-популярную литературу, где вы найдёте много интересного и полезного. II. Что нужно знать начинающему изучать физику? Физику называют экспериментальной наукой. Дело в том, что опыт имеет в этой науке очень важное значение. Многие законы физики открыты благодаря наблюдениям за явлениями природы или специально поставленным опытам. И ещё одна роль опыта — он является «судьёй»: опыт либо подтверждает, либо опровергает физические теории. Учёный бывает счастлив, когда его теория подтверждается опытом. В эти моменты говорят об открытии новых законов природы (ранее неизвестных), о прогрессе науки. Но неоднократно в истории науки были примеры, когда опыт опровергал выводы какой-либо теории. В этих случаях теория пересматривалась, дополнялась. Учитывая сказанное, становится понятным, как важно для человека, изучающего физику, уметь наблюдать, точно проводить опыты, правильно обращаться с физическими приборами. Поэтому-то в курсе, к изучению которого вы приступаете, много экспериментальных заданий, заданий кратковременных и на целый урок, простых и сложных по исполнению. Но хотелось бы вас оградить от одной ошибки. Цель каждого задания состоит не просто в том, чтобы его выполнить. Вы должны понимать цели, стоящие перед вами. А они могут быть разные: путём проведения опытов выявить закономерности, существующие в изучаемых явлениях; проверить выдвинутое в ходе рассуждения предположение и сделать соответствующий вывод; измерить ту или иную физическую величину. Физическая величина — одно из самых важных физических понятий. Физическими величинами характеризуют свойства веществ или различные физические явления. Например, длина характеризует протяжённость тел или расстояние, проходимое ими в процессе механического движения; по времени мы судим о длительности событий или явлений природы; температура позволяет оценить степень нагретости тела и т. д. Физические величины характеризуются численными значениями и единицами измерения. Некоторые из них приведены в таблице 1, там же даны названия физических приборов, служащих для измерения этих величин. Таблица 1 Физическая величина Единица Обозначение Физический прибор Длина Метр, сантиметр м, см Линейка Масса Килограмм, грамм кг, г Весы Время Секунда, час с, ч Часы, секундомер Температура Градус Цельсия °с Термометр Скорость Метр на секунду, километр в час м/с, км/ч Спидометр тттрг 2 В отличие от записей, которые вы делаете на уроках математики, для значений физических величин не забывайте помимо числа указывать единицу измерения, иначе могут возникнуть недоразумения. Например, как можно оценить расстояние, пройденное пешеходом, если указано только число 20? Если это 20 м, то пешеход далеко не ушёл, а если 20 км, то совсем другое дело. Для обозначения физических величин используют буквы латинского или Рис. 2 греческого алфавита. Масса, например, обозначается /п, длина — I, время — t, скорость — v ИТ. д. Выполнение экспериментальных заданий потребует от вас аккуратности, осторожного обраш;ения с оборудованием, умения вести записи в тетради. У вас наверняка будут трудности со снятием показаний со шкалы прибора. Поэтому напомним вам правило определения цены деления прибора, т. е. наименьшего значения шкалы данного прибора. 1. Найти на шкале первое обозначенное деление или значение, соответствуюгцее разности двух ближайших обозначенных делений шкалы. 2. Подсчитать, сколько мелких делений шкалы соответствует данному значению. 3. Разделить указанное значение на число делений. Для примера определим по рисунку 2 цену деления линейки и вольтметра, а также показания этих приборов. Цена деления линейки: 1 см 1 ^ ^ ^ = тт: см = 0,1 см = 1 ММ. 10 (делении) 10 Длина тела 1,6 см = 16 мм. Цена деления вольтметра: . ^ = I в = 0,2 в. 5 (делении) 5 При снятии показаний с любого измерительного прибора всегда имеется неточность — погрешность измерения. Погрешность измерения объясняется двумя причинами: 1) любые приборы из-за своей конструкции всегда вносят некоторую ошибку в показания; 2) стрелка прибора может устанавливаться между делениями. Указывая значение измеряемой величины, важно указать и погрешность измерения. Часто учитывают лишь погрешность, возникающую при снятии показаний, приравнивая её к половине цены деления прибора. Так, показания вольтметра (см. рис. 2) равны 1,5В±0,1 В. Учтите, в работе вам понадобятся знания, полученные на уроках естествознания в 5 и 6 классах. Если же вы начинаете изучать физические явления впервые, то сначала познакомьтесь с основными физическими понятиями и величинами, приведёнными в приложении в конце учебника. Глава I Молекулярная теория строения вещества ^ 1. Мельчайшие частицы вещества 1.1. Что показывают эксперименты С веществом мы сталкиваемся повсюду. Это вода и воздух, металлы и органические соединения, кристаллы, стекло и многое другое. Если раньше для изготовления различных предметов или конструкций человек искал в природе подходящий ему материал, то теперь сам создаёт вещества с нужными ему свойствами, например для изготовления лекарств, микроэлектронных схем, покрытий для космических кораблей. Такие достижения науки стали возможными благодаря тому, что учёным удалось проникнуть в тайны строения вещества. Первые представления о мельчайших частицах, из которых состоят вещества, доходят до нас из глубокого прошлого. Древнегреческий учёный Демокрит, живший 2500 лет назад, считал, что тела лишь кажутся нам сплошными. На самом деле они состоят из множества очень малых частиц, не видимых глазом и расположенных очень близко друг к другу. Однако поскольку эти частицы невооружённым глазом различить не удавалось (и сейчас, кстати, тоже не удаётся), то многие века представления Демокрита не имели распространения среди учёных. Немногие верили в то, что вещество может быть несплошным. Здесь следует отметить исследования нашего соотечественника Михаила Васильевича Ломо- 11 Рис. 3 Носова — одного из тех учё-ных, которые развили тео-^ рию строения вещества, на- званную впоследствии молекулярной. Данные современной науки говорят о том, что вещества состоят из мельчайших частиц, разделённых промежутками. На чём же основаны эти представления учёных? Какие наблюдения и явления подтверждают молекулярную теорию? Для ответа на эти вопросы вспомним ряд известных явлений и проделаем опыты. На рисунке 3 показано растворение капли краски в стакане воды. Спустя некоторое время после того, как капля краски попала в воду, вода в стакане оказалась окрашенной по всему объёму. Очевидно, капля краски разделилась на огромное число мельчайших частиц, которые распределились по всему объёму. Но разве могло бы такое произойти, если бы вода представляла собой сплошную массу вещества? Конечно нет. Между частицами воды есть промежутки. Вот в них-то и проникли частицы краски. Поэтому и произошло окрашивание воды в стакане. На рисунке 4 показано расширение железного шара при нагревании. Сначала шар свободно проходит сквозь ГЛ Г\ г\ кольцо, в результате нагревания шар расширяется и застревает в кольце. Очевидно, данный опыт можно объяснить тем, что между частицами веш;ества есть промежутки, которые при нагревании веш,ества увеличиваются, а при охлаждении уменьшаются. Чтобы вы ещё раз смогли убедиться в правильности выдвинутого предположения о строении вещества, предлагаем вам выполнить экспериментальное задание. Экспериментальное задание № 1 Смешение двух жидкостей Оборудование: сосуд с водой (50—70 мл), сосуд с насыщенным раствором сульфата аммония, две мензурки (одну из мензурок можно заменить химическим стаканом) (рис. 5). dr? 50 мл Вода I 50 мл Сульфат аммония Рис. 5 Ход работы 1. Налейте в одну мензурку 50 мл воды (Fj = 50 мл). 2. Отмерьте с помощью другой мензурки 50 мл сульфата аммония и вылейте его в первую мензурку (V2 = = 50 мл). 3. Измерьте объём получившейся смеси (F^.^^). 4. Сравните объёмы и (Fj -Ь Fg). 5. Объясните результат опыта. В настоящее время уже никто не сомневается в существовании молекул. Огромные возможности для изучения строения вещества предоставил учёным электронный микроскоп. С его помощью делают снимки 13 Рис. 6 с увеличением до 5 миллионов раз, что позволяет разглядеть отдельные крупные молекулы, их расположение внутри вещества. На рисунке 6 вы видите фотографию кристалла протеинового вируса. На ней чётко выделяются стройные ряды разделённых друг от друга частиц. Но и это ещё не отдельные молекулы. Каждая из этих частиц, в свою очередь, состоит из множества молекул. Итак, проведённые опыты и наблюдения подтверждают первое положение молекулярной теории строения вещества: все вещества состоят из частиц, разделённых промежутками. 1.2. Частицы вещества Что же представляют собой мельчайшие частицы вещества? Как они устроены? В различных веществах мельчайшими являются разные частицы. Ими могут быть молекулы, атомы или ионы. • Из молекул состоит вода (HgO), углекислый газ (COg), кислород (Og), белки, жиры и многие другие вещества. 14 о с о Углекислый газ О Н А Н Вода fc н Qh Метан Рис. 7 Бензол Молекулы состоят из более мелких частиц — атомов (рис. 7). Например, молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, молекула кислорода — из двух атомов кислорода, молекула углекислого газа — из атома углерода и двух атомов кислорода. Существуют молекулы, состоящие из двух, трёх и больше атомов. В молекулах белков их содержится десятки и сотни тысяч. Причём очень важно, что для каждой молекулы характерно своё расположение атомов в ней. 8 Остановимся, подумаем Обратите внимание на одно важное обстоятельство: молекулы этих веществ состоят из атомов. Однако правильно ли в таком случае утверждать, что наименьшей частицей этих веществ является атом? Конечно нет. Вот, например, вода. Для объяснения свойств воды важно понимать, что она состоит не из отдельных атомов кислорода и водорода, а из частиц, представляющих совокупность двух атомов водорода и одного атома кислорода, расположенных в строго определённом порядке. А углекислый газ состоит из частиц, включающих в себя два атома кислорода и один атом углерода, расположенных на одной прямой. Свойства веществ определяются не только тем, из каких атомов состоят молекулы этих веществ, но и тем, как эти атомы расположены в молекуле. Можно сказать, что молекула представляет собой сложную архи- 15 тектурную постройку. Итак, молекула — мельчайшая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Рассмотрите рисунок 7, на котором показано расположение атомов в молекулах некоторых веществ. Следует отметить, что масштаб на рисунке не соблюдён, ибо атомы в молекулах находятся друг от друга на расстояниях, приблизительно равных размерам самих атомов. Интересно и следующее обстоятельство: молекулы или атомы одного и того же вещества одинаковы. (В макромире вам не удастся встретить два абсолютно одинаковых объекта.) С веществом могут происходить различные изменения. Тело можно деформировать (изменять его форму), переводить вещество, например, из твёрдого состояния в жидкое. Сами частицы, являющиеся основой данного вещества, будут оставаться неизменёнными. Изменится лишь их взаимное расположение. Состав молекул изменяется лишь при химических превращениях, например в реакциях соединения или разложения. Для учёных очень важно разгадать состав и строение молекул. Это позволит им объяснить многие явления, происходящие в живых организмах. Так, например, значительно яснее стал механизм наследственности, когда учёным удалось узнать строение молекул ДНК, играющих главную роль в передаче свойств живых организмов из поколения в поколение. • К веществам, состоящим из атомов, относятся некоторые газы (гелий, неон и др.), а также такие твёрдые вещества, как кремний, мышьяк, сера. • И наконец, целый ряд веществ состоит из ионов, например металлы (медь, железо, алюминий и т. д.), а также соли кислот и оснований. Каковы же размеры молекул? Прежде чем ответить на этот вопрос, подумаем, каким же образом можно определить размеры столь малых объектов, невидимых даже в оптический микроскоп. С помощью современной сложной аппаратуры это стало возможным. Однако размеры молекул были известны задолго до создания электронных микроскопов и 16 были определены с помощью довольно простых опытов. Рассмотрим некоторые из них. Если на поверхность воды капнуть каплю масла, то через некоторое время она растечётся по поверхности (рис. 8). Образуется тонкая плёнка толщиной, равной примерно размеру молекулы. Измерения показали, что капля объёмом V = 0,001 см^ растекается по площади S = 5000 см^. Толщину плёнки найдем, разделив объём капли на площадь: 0,001 см3 ^ 1 . 10-3 5000 см2 СМ‘ 5 • 10^ см2 = 0,2 • 10“® см = 2 • 10“^ см. Результаты измерений, проведённых с помощью современного научного оборудования, показьюают, что, например, диаметр атома водорода составляет 0,000000012 см = 1,2*10“® см. Крупные же молекулы (молекулы жиров, белков и др.) имеют размеры в 1000 раз больше, т. е. порядка 10"^ см. Чтобы представить, насколько малы размеры молекул, приведём следующие сравнения: • молекула водорода во столько раз меньше яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара; • если уложить в ряд 100 миллионов молекул воды вплотную друг к другу, то длина этого ряда окажется порядка 2 см. Мельчайшие частицы разных веществ имеют разные массы, но всё равно эти массы очень малы. Значение их, выраженное в граммах, измеряется дробью, в знаменателе которой стоит число в интервале от 10^^ до 1024 Такими числами очень неудобно пользоваться при рассмотрении различных процессов, например химических реакций. Поэтому массу атома или молекулы характеризуют числом, показывающим, во сколько раз масса данного атома молекулы больше ^ массы 17 атома углерода. Такую величину называют атомной или молекулярной массой (в отличие от массы атома или молекулы, измеряемой в граммах). Так, атомная масса азота равна 14. Это означает, что масса атома азота в 14 раз больше ^ массы атома углерода. Значение атомной массы любого химического элемента можно увидеть в соответствуюш;ей клетке периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. 1.3. Атомы и ионы Мир молекул исключительно разнообразен. В природе обнаружены или созданы искусственно миллионы веш;еств, имеющих различное строение молекул. Круг атомов намного уже. На сегодняшний день учёными их открыто немногим более ста. Строение атома таково: в центре находится ядро^ состоящее из протонов и нейтронов (рис. 9). Вокруг ядра движутся электроны. Ядро притягивает электроны^ не даёт им оторваться от атома. Протоны и электроны — частицы, взаимодействие между которыми называется электрическим. Чтобы охарактеризовать электрическое взаимодействие, используют понятие «электрический заряд». Протону приписывают положительный заряд, а электрону — отрицательный. Частицы, имеющие одинаковый по знаку заряд, отталкиваются друг от друга; частицы, имеющие противоположный по знаку заряд, притягиваются. 18 Третья частица, входящая в состав атомов, — нейтрон — нейтральна. Это не означает, что нейтрон состоит из протона и электрона. Просто нейтрон, в отличие от протона и электрона, не обладает электрическим зарядом. Нейтроны не отталкиваются друг от друга и не притягивают к себе электроны, подобно протонам. Масса нейтрона приблизительно равна массе протона. Масса электрона меньше массы протона и нейтрона приблизительно в 1800 раз. Положительный заряд ядра равен отрицательному заряду электронов, движущихся вокруг него. Поэтому атом электронейтрален. Так, у атома лития три протона в ядре и три электрона, движущихся вокруг ядра (рис. 10, а). Теперь представим себе, что от атома лития отрывается электрон (рис. 10, б). В этом случае из атома образуется положительный ион. В нём преобладает число протонов над числом электронов. Если же к атому лития присоединяется один электрон (рис. 10, в), то образуется отрицательный ион, так как в нём электронов больше, чем протонов. Из ионов состоят металлы. Ядра атомов металлов слабо удерживают электроны. Электроны отрываются от атома, становясь свободными. Атомы же, потеряв электрон или несколько электронов, превращаются в положительные ионы. / / I I I I I I \ V Ф ч, N сг — — \ V\ \ / ' - '' \ 1 1 1 / ! / / / 1 1 сч ч \ ' \ \ \ 1 • ' ' л т 1 : 1 1 •-S 1 1 1 1 ■ > \ \ +’'■ I 1 \ \ / / \ ft ✓ / \ / \ ✓ ч ^ \ \ \ \ ^ 'в. \ ^ ч ч 1 / / / у ' Hi . Атом лития а) П оложи тельный ион лития б) Рис. 10 Отрицательный ион лития в) 19 Свободные электроны перемещаются в толще вещества. Ионы же располагаются в определённых положениях, уйти далеко от которых они не могут. f Вопросы 1. Какие опыты и явления доказывают, что вещества состоят из частиц, разделённых промежутками? 2. Из каких мельчайших частиц состоят различные вещества? 3. Что называют атомной {молекулярной) массой"? 4. Опишите строение известных вам молекул. 5. Опишите строение атомов. 6. Из каких частиц состоит ядро атома? 7. Что такое положительный ион; отрицательный ион? 8. Назовите вещества, состоящие из молекул; атомов; ионов. ^ 2. Движение частиц вещества 2.1. Явление диффузии Итак, вещества состоят из мельчайших частиц. Но что происходит с этими частицами? Что мы могли бы увидеть, если бы имели возможность рассмотреть строение вещества? К сожалению, даже современные микроскопы не позволяют пока это сделать. Тем не менее очень простые опыты позволяют сделать предположение о том, как ведут себя частицы внутри вещества. Выполнив экспериментальное задание № 2, вы сами сможете ответить на поставленный вопрос. Экспериментальное задание № 2 Наблюдение диффузии (Выполняется в домашних условиях.) Задание 1 Ход работы 1. Насыпьте в стакан чайную ложку сахарного песка. 20 2. Налейте в стакан тёплую воду. Воду старайтесь вливать осторожно, не перемешивая её с сахаром. Через некоторое время на дне стакана вы увидите слой помутневшей жидкости. Это сахарный сироп. 3. Через 15—20 мин попробуйте воду на вкус. 4. Как изменился вкус воды? Объясните явление. А сейчас мы опишем опыт, который вы также можете проделать дома самостоятельно. Но для его проведения потребуется больше времени. Задание 2 Ход работы 1. Возьмите высокий мерный цилиндр (а в домашних условиях можно воспользоваться прозрачной пластиковой бутылкой), наполните его до половины водой. 2. Под воду с помощью воронки, насаженной на стеклянную трубку, налейте на дно медный купорос (жидкость голубого цвета, она используется для опрыскивания некоторых садовых растений). Такая последовательность опыта необходима для предотвращения перемешивания жидкостей. Дело в том, что медный купорос имеет плотность большую, чем вода. Поэтому он должен расположиться внизу. На рисунке 11 показано, как протекает опыт. Вы видите, что спустя месяц после начала опыта жидкости перемешались. Но почему? Ведь медный купорос имеет большую плотность и должен располо- Медный купорос Начало Спустя Спустя Спустя наблюдения неделю 2 недели месяц Ж CZ:? Рис. 12 житься внизу. Попытайтесь ответить на вопрос самостоятельно. Приведём ещё один опыт, на сей раз проводимый с твёрдыми телами. Две хорошо отполированные пластинки из свинца и золота плотно прижали друг к другу и держали так в течение нескольких лет. За это время пластинки «срослись». Частицы свинца и золота в пограничном слое толщиной 1 мм перемешались друг с другом (рис. 12). После описанных выше двух опытов полезно вспомнить хорошо известное всем наблюдение — распространение запахов. Как вы можете его объяснить? Во всех описанных выше опытах и наблюдениях происходило одно и то же явление — диффузия. Диффузия — явление самопроизвольного перемешивания веществ друг с другом. Явление диффузии можно объяснить лишь в том случае, если считать, что: 1. Все вещества состоят из частиц, между которыми имеются промежутки. 2. Частицы вещества {молекулы, атомы, ионы) находятся в непрерывном хаотическом движении. Поэтому-то частицы одного вещества способны проникать между частицами другого вещества. Посмотрите на рисунок 13. На нём показано взаимное расположение частиц водяного пара, воды и льда. а Ъо а) да б) Рис. 13 22 Отличаются ли молекулы этих веществ? Нет. Отличается только их взаимное расположение. Частицы газа (рис. 13, а) далеко удалены друг от друга (по меркам микромира). Между ними существуют большие промежутки. Сквозь эти промежутки легко перемещаются частицы другого газа. Поэтому-то диффузия в газах протекает быстро. В жидкостях (рис. 13,6) частицы расположены друг к другу ближе, чем в газах. Промежутки между частицами жидкости невелики. Сквозь них частицы другой жидкости проникают, но перемешивание жидкостей происходит медленно. В твёрдых телах (рис. 13, в) расстояния между частицами совсем маленькие. Они такие же, как размеры самих частиц, и даже меньше. Проникновение через такие малые промежутки частиц другого вещества крайне затруднено и поэтому происходит очень медленно. Явление диффузии встречается в природе, используется в науке и на производстве. Воздух, как известно, представляет собой смесь газов. Однако вследствие диффузии на одной высоте от Земли состав атмосферы оказывается достаточно однородным. Диффузия играет важную роль в питании растений, переносе питательных веществ, кислорода в организме человека и животных. Она широко используется в пищевой промышленности при консервировании овощей и фруктов, при засолке огурцов (рис. 14). Диффузия нашла применение в электронной промышленности. С её помощью изготавливают многие полупроводниковые приборы (рис. 15). Подробнее об этом будет рассказано далее. Диффузия используется при выплавке стали. Для придания стальным деталям значительной прочности их помещают в специальные печи, где они на- Рис. 14 23 Рис. 15 сыщаются углеродом. Атомы углерода проникают в поверхностный слой металла и повышают его прочность. Необходимо ответить еш,ё на один важный вопрос: от чего зависит скорость диффузии! Для этого выполним еш;ё одно экспериментальное задание. Экспериментальное задание № 3 От чего зависит скорость диффузии? (Выполняется в домашних условиях.) Оборудование: два стакана, марганцовка. Ход работы 1. Одну стеклянную банку с водой поставьте в холодильник, другую такую же банку поместите в шкаф или в какое-либо тёплое место (но не у батареи). Обе банки закройте крышками. 2. Осторожно, не передвигая банки, опустите на их дно по кристаллику марганцовки. 3. Отмечайте дважды в день, на сколько миллиметров окрасилась вода. Ведите дневник наблюдений. 4. Сделайте вывод из проведённых опытов. 2.2. Температура Проделав экспериментальное задание № 3, вы смогли убедиться в том, что скорость диффузии зависит от температуры. Что же характеризует температура! В данном курсе очень сложно ввести строгое определение температуры. Поэтому ограничимся лишь пере- 24 числением сведении о температуре, необходимых каждому человеку. 1. При контакте тел с разной температурой {теплопередаче) энергия передаётся от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой (рис. 16). 2. Теплопередача прекращается при равенстве температур, т. е. когда наступает тепловое равновесие (рис. 17). А 3. Температура измеряется с помощью термометров (рис. 18), принцип действия которых предполагает, что при нагревании тела расширяются, например возрастание высоты столбика ртути в термометре пропорционально изменению температуры. Для измерения температуры термометры снабжены шкалой. У нас в стране получила распространение шкала, созданная шведским учёным Андерсом Цельсием. Согласно шкале Цельсия температура тающего льда принимается за О °С (рис. 19), а температура кипящей воды — за 100 °С; 1 °С при Рис. 18 ЭО- 30 40^ -40 / 25 Рис. 19 1 этом оказывается равным от указанного выше интервала температур. Однако приравнивание к 0°С температуры именно тающего льда, а к 100 °С температуры кипения воды условно. Можно было воспользоваться другими процессами или веществами. Так, в США и Англии используется другая шкала — шкала Фаренгейта, в которой таянию льда и кипению воды соответствуют следующие значения температуры: 32°Fh212°F. При этом интервалу температур 100 ° С по шкале Фаренгейта соответствует 180 °F. Значит, 1 °F составляет ^ | j °С. Интересно, что комнатная температура по шкале Фаренгейта 68 °F, а нормальная температура человеческого тела 96 °F. Напоминаем 1. Энергией обладают тела, способные совершать работу. 2. Кинетической энергией называют энергию, которой обладают движущиеся тела. 26 3. Кинетическая энергия тела тем больше, чем больше его масса и скорость. Вспомните и приведите примеры тел, обладающих различной кинетической энергией. 4. Потенциальной энергией называют энергию взаимодействия тел или частиц. 5. Так как частицы вещества непрерывно движутся, то они обладают кинетической энергией. 6. Энергия, как и работа, измеряется в джоулях. С развитием молекулярной теории строения вещества уже существовавшее понятие температуры должно было найти своё место в этой теории. Из наблюдений за диффузией вы убедились в том, что температура влияет на скорость диффузии. Поскольку диффузия вызвана движением частиц вещества, то логично предположить, что температура характеризует скорость движения частиц, а тем самым их среднюю кинетическую энергию. Помимо этого известно, что теплопередача происходит от горячего тела к холодному до выравнивания их температур. С молекулярной точки зрения при контакте тел с разной температурой происходит выравнивание средней кинетической энергии частиц вещества. Таким образом, и это рассуждение приводит нас к выводу о том, что температура характеризуется средней кинетической энергией хаотического движения частиц вещества. Однако данное представление о температуре не согласуется с представлением о температуре, выраженной по шкале Цельсия. Ведь если тающему льду соответствует по шкале Цельсия температура О °С, то это означает, что средняя кинетическая энергия молекул льда и воды в этом состоянии равна нулю, т. е. частицы перестают двигаться. Тем более не должны двигаться молекулы холодного воздуха зимой при отрицательных значениях температуры. На самом же деле движение частиц не прекращается. Об этом свидетельствует, например, то, что диффузия в веществах не прекраща- 27 ется при отрицательных значениях температуры по шкале Цельсия. Английский учёный лорд Кельвин предложил шкалу температур, названную абсолютной у которая соответствует представлению о температуре как о мере средней кинетической энергии частиц веш;ества. (В этой шкале за нуль принимается температура такого состояния ве-щ,ества, в котором частицы прекратили бы своё движение.) Нулю по шкале Кельвина соответствовала бы температура, приблизительно равная -273 °С. В научных исследованиях предпочтение отдаётся этой шкале. По сравнению со шкалой Цельсия нуль на шкале Кельвина оказался сдвинутым на 273 °С (рис. 20). Температура таяния льда по Кельвину равна 273 К, температура кипения воды 373 К. Температура t (°С) по шкале Цельсия и температура Т (К) по шкале Кельвина связаны соотношением: Г (К) = t (‘’С) + 273. Отрицательных температур по шкале Кельвина не суш;ествует, так как значение средней кинетической энергии молекул не может быть меньше нуля. Важно отметить, что современная физика не признаёт возможности существования вещества, в котором бы отсутствовало движение молекул. Таким образом, наука отрицает возможность охлаждения тел до 0 К. Охлаждение тел до низких температур — дело очень -273 с 273 К Т(К) = f + 273 1 К = 1 °С Рис. 20 28 сложное, и тем не менее ученым удалось достичь температур всего на миллионные доли градуса превышающих значение абсолютного нуля. Очевидно, в будущем будут достигнуты и более низкие температуры, но получить значение абсолютного нуля невозможно. 2.3. Броуновское движение Броуновское движение наряду с явлением диффузии доказывает, что частицы вещества непрерывно беспорядочно движутся. Рассматривая под микроскопом пыльцу растений, находившуюся во взвешенном состоянии в воде, английский ботаник Роберт Броун в 1827 г. заметил, что она непрерывно хаотически движется. Вполне естественно было предположить, что пыльца «живая» и поэтому перемещается. Однако когда он повторил опыт, используя частицы высохшего листа, то явление повторилось. Высохший лист не является объектом живой природы. Идея Броуна не подтвердилась. Он не смог объяснить это явление и вошёл в историю науки лишь как автор открытия. Когда же для объяснения броуновского движения другие учёные использовали молекулярную теорию, то стало ясно, что пыльца движется под действием ударов молекул воды. Молекулы даже в микроскоп не видны, но, приводя в движение пыльцу, себя обнаруживают. ^ Экспериментальное задание № 4 Наблюдение броуновского движения в жидкости Оборудование: микроскоп, кисточка, акварельная краска. Ход работы- 1. Ознакомьтесь с правилами пользования микроскопом (или вспомните их по работе на уроках ботаники) (рис. 21). 2. Протрите чистой тряпкой предметное стекло и чистой кисточкой нанесите на него каплю воды. 29 3. Обмакните кисточку в раствор акварельной краски и кончиком кисточки дотроньтесь до капли воды на предметном стекле. Вода должна оказаться слегка подкрашенной. Закройте каплю покровным стеклом. 4. Положите стекло на предметный столик микроскопа и, медленно перемещая тубус микроскопа, добейтесь чёткого изображения. 5. Понаблюдайте броуновское движение. Что происходит с частицами краски? Одинаково ли движутся частицы разных размеров? f Вопросы 1. Какие явления доказывают, что частицы вещества движутся? 2. В чём заключается явление диффузии? 3. Опишите опыты по диффузии твёрдых тел; жидкостей; газов. 4. Как влияет нагревание на скорость диффузии? 5. Приведите основные сведения о температуре. 6. С какой физической величиной связана температура в молекулярной теории строения вещества? 7. Опишите шкалу Кельвина. Сравните шкалу Кельвина со шкалой Цельсия. ^ 3. Взаимодействие атомов и молекул 3.1. Эксперименты и их объяснение Экспериментальное задание № 5 Обнаружение действия сил молекулярного взаимодействия Задание 1 Оборудование: весы с разновесами, кювета с водой, книга, бумажная салфетка. 30 Ход работы 1. Укрепите весы в лапке штатива и уравновесьте чашки весов (рис. 22). 2. Подложите под одну из чашек весов книгу и опустите чашку таким образом, чтобы она касалась книги. 3. Отпустите чашку. Поднялась ли она вверх? 4. Подставьте под эту же чашку кювету с водой и осторожно опустите чашку на поверхность воды. 5. Отпустите чашку. Восстановилось ли равновесие? 6. Объясните результаты опытов. 7. Протрите салфеткой мокрую поверхность чашки весов. Задание 2 Оборудование: две стеклянные трубки, спиртовка, спички. Ход работы 1. Прижмите краями друг к другу две стеклянные трубки (рис. 23). Соединились ли они? 2. Проделайте то же, что и в пункте 1, но нагревая место соединения трубок на пламени спиртовки. Нагревая трубки, одновременно медленно враш;айте их. Соединились ли трубки? 3. Объясните результаты опытов. Выполняя данные задания, вы могли убедиться в том, что, во-первых, между частицами вепдества действуют силы притяжения, во-вторых, эти силы ош,утимы только в том случае, если расстояния между частицами очень малы. Скажем конкретнее: молекулярные силы заметны на расстоянии порядка Рис. 23 С 31 размеров самих частиц, т. е. 10~® см. К этому надо добавить, что между частицами вещества действуют и силы отталкивания. В этом легко убедиться, сжав пружинку или ластик. И вообще, если бы между частицами вещества не действовали силы отталкивания, то силы притяжения сжали бы практически все тела до микроскопически малых размеров. Действие молекулярных сил объясняется электрическим взаимодействием. Атомы нейтральны, поэтому на значительном расстоянии друг от друга они не взаимодействуют. Но на малом расстоянии, порядка их собственного размера, они взаимодействуют не как единое целое. Ядра, имеющие положительный заряд, отталкиваются друг от друга. Так же взаимодействуют между собой электроны. При этом возникает сила отталкивания. В то же время ядро одного атома притягивает электроны другого атома. Поэтому возникает сила притяжения (рис. 24). Частицы в веществе распределяются так, чтобы действие этих сил на каждую из них было скомпенсировано. Так, например, в затвердевшем кислороде расстояние ме-жду соседними молекулами равно см (2,9 • 10 ® см). Атомы же в молекуле расположены ближе. Между ними расстояние см (1,2 • см). Атомы в молекуле также взаимодействуют друг с другом, но это взаимодействие более сильное, чем между молекулами в твёрдом теле. Напоминаем Так как частицы вещества движутся, они обладают кинетической энергией’, так как они взаимодействуют друг с другом, то обладают потенциальной энергией. Суммируя энергию частиц вещества, мы получаем внутреннюю энергию тела. Атомы, соединяясь в молекулы, образуют прочную структуру. Разрушить её непросто — для этого требуется совершить работу, и немалую. Так, чтобы разрушилась связь между атомами в молекуле кислорода, надо совершить работу 1,3 • 10^ Дж в расчёте на 1 кг веш;ест-ва. Чтобы связь между молекулами затвердевшего кислорода разрушилась, надо затратить энергию в 50 раз меньшую. Но всё равно это значение работы велико. Работу в 1,3 • 10^ Дж совершает вода массой 1300 т, падая с высоты 1 м. Чрезвычайно важным является и следуюш;ее обстоятельство. Для разделения молекул на атомы необходимо затратить энергию, а при образовании молекул происходит выделение такой же энергии. Для сравнения можно привести следуюпдий пример. Пусть в яме находится шар (рис. 25). Чтобы выкатить шар из ямы, надо приложить силу, которая совершит некоторую работу. Когда же шар скатывается сверху, то, покачавшись не- 33 сколько раз на стенках ямы, теряя энергию на трение, шар в конце концов остановится на дне ямы. При этом потенциальная энергия, которой обладал шар в верхней точке, будет выделена — она пойдёт на нагревание шара, поверхности, окружаюпдего воздуха. Нечто аналогичное происходит и при образовании молекул из атомов. Атомы, объединяясь в молекулы, выделяют энергию, причём, как мы видели, весьма большую. Умеем ли мы эту энергию выделять и использовать? Да. При сгорании нефти, угля, древесины, бумаги и т. д. атомы углерода, содержаш;иеся в этих ве-ш;ествах, соединяются с кислородом, образуя молекулы углекислого газа. В этой реакции и выделяется энергия. Остаётся сожалеть, что в настоящее время практическое применение выделения энергии при взаимодействии атомов в молекулах имеет только эта химическая реакция. Итак, сформулируем третье положение молекулярной теории строения вещества: между частицами вещества действуют силы притяжения и отталкивания. 3.2. Взаимодействие частиц и агрегатные состояния вещества Различным взаимодействием частиц вещества объясняется существование трёх агрегатных состояний вещества: твёрдого^ жидкого и газообразного. На рисунке 26 движение частиц в различных агрегатных состояниях вещества сравнивается с поведением солдат в строю при командах «Смирно», «Вольно» и «Разойдись». В газах частицы слабо взаимодействуют друг с другом. Они могут удаляться друг от друга на любые расстояния. Двигаясь, они cтгL7IKивaютcя друг с другом и изменяют при этом направление своего движения. Поэтому в целом движение частиц газа является беспорядочным. Это определяет его свойства, которые схематично показаны на рисунке 27. В жидкостях частицы расположены ближе друг к другу, чем в газах. Находясь в зоне действия сил моле- 34 I «Смирно» 111 III «Вольно» r Л Д Л «Разойдись» Твёрдое вещество m ^ i Жидкость Рис. 26 Газ Газы в газах скорость диффузии больше, чем в жидкостях и твёрдых телах Рис. 27 35 в Хорошо сжимаемы Жидкости Сохраняют объём но принимают форму сосуда 50 мл 50 мл Текучи Плохо сжимаемы «2° CuSO, Диффузия в жидкостях протекает медленнее, чем в газах Рис. 28 кулярного взаимодействия, они не могут уйти далеко друг от друга и лишь колеблются около определённых положений. И всё же в жидкостях частицы обладают подвижностью. Они могут перескакивать из одного положения в другое, занимать место рядом с соседними частицами. Частицы жидкости лишь не способны, подобно частицам газа, удаляться друг от друга на большие расстояния. Если рассмотреть жидкость достаточно большого объёма, то частицы в ней оказываются расположенными в беспорядке. Благодаря своему строению жидкости обладают свойствами, показанными на рисунке 28. В твёрдых веществах^ как и в жидкостях, расстояние между частицами приблизительно равно размерам самих атомов и молекул. Но при этом в строении твёрдых веществ обнаруживается строгий порядок. Частицы располагаются таким образом, чтобы действие со стороны других частиц было скомпенсировано. Найдя 36 такие положения, частицы двигаются вблизи них хаотично, но далеко удалиться от них не могут. Данное строение определяет многие важные свойства твёрдых тел, о которых пойдёт речь далее. Сейчас же отметим самое характерное свойство твёрдых тел: твёрдые тела имеют собственный объём и фор-му. f Вопросы 1. Опишите опыты, подтверждающие взаимодействие частиц вещества друг с другом. 2. Почему можно утверждать, что мельчайшие частицы вещества обладают энергией? 3. Что происходит с энергией частиц при образовании молекул и разделении молекул на атомы? 4. Опишите основные свойства газов и объясните их на основе молекулярного строения вещества. 5. Опишите основные свойства жидкостей и объясните их на основе молекулярного строения вещества. 6. Опишите основные свойства твёрдых тел и объясните их на основе молекулярного строения вещества. Повторим, обдумаем изученное 1. Приведите пример опыта, подтверждающего, что вещества состоят из частиц, разделённых промежутками. 2. Можно ли сказать, что объём газа в сосуде равен сумме объёмов его молекул? 3. Капля масла, объём которой 0,003 мм^, растеклась по поверхности воды тонким слоем и заняла площадь 300 см^. Принимая толщину слоя равной диаметру молекулы масла, определите этот диаметр. 4. Объясните, почему газы можно сжать сильнее, чем жидкости. 5. Чем объясняется увеличение длины проволоки при её нагревании? 6. Чем объясняется распространение в воздухе запахов бензина, дыма, нафталина, духов и других пахучих веществ? 7. Молекулы газа движутся со скоростями несколько сот метров в секунду. Почему же в воздухе запах пролитого около нас эфира или бензина мы не чувствуем мгновенно? 37 8. Почему в газах и жидкостях диффузия протекает значительно быстрее, чем в твёрдых телах? 9. Чтобы огурцы продолжительное время оставались малосольными, рассол с огурцами необходимо хранить в холодном помещении. Почему? 10. Почему не рекомендуется мокрую ткань, окрашенную в тёмный цвет, оставлять на длительное время в соприкосновении с белой тканью? 11. Чем отличается строение свинца в твёрдом и жидком состояниях? 12. Частицы вещества притягиваются друг к другу. Почему же между ними существуют промежутки? 13. В чём сходство и различие свойств газов и жидкостей? жидкостей и твёрдых тел? 14. Отличаются ли молекулы холодной воды от молекул тёплой и горячей воды; от молекул льда? Используя Интернет, подготовьте сообщения по темам {на выбор). 1. Строение молекул различных веществ. 2. Строение атомов различных химических элементов. 3. Диффузия, её проявления и использование. 4. Температура как важнейший фактор влияния на живые организмы. 5. Агрегатные состояния вещества, сходство и различия в их свойствах и строении. г лава II Газы и их свойства Вооружившись молекулярной теорией, мы приступаем к изучению свойств веш;ества. Веш;ества могут существовать в твёрдом, жидком и газообразном состояниях. Начнём со свойств газов. В каких случаях человек сталкивается с необходимостью знаний в этой области? Во-первых, при объяснении атмосферных процессов. Эти процессы, как вам понятно, значительно влияют на нашу жизнь. Даже далекому от физики человеку хорошо известно, что изменение атмосферного давления и влажности воздуха влияет на состояние человека. Затем существует множество устройств, больших и малых, действие которых основано на газовых законах. Это двигатели внутреннего сгорания, приводящие в движение многие виды транспорта, компрессоры, сжимающие газ до высоких давлений. Сжатый газ подаётся, например, в отбойные молотки, которыми дробят асфальт, уголь. Газом накачиваются автомобильные камеры, мячи. Процессы дыхания человека и животных также объясняются на основе газовых законов. Начиная разговор о свойствах газов, необходимо назвать те параметры (характеристики), которыми пользуются при описании газовых процессов. Это — масса (/п), давление (р), объём (V) и температура (Т). О некоторых из этих величин вы уже имеете определённые представления, с другими вам предстоит познакомиться. Сейчас необходимо более подробно разобраться в механизме давления, оказываемого газом на стенки сосуда и на предметы, помещённые в нём. 39 И» 4. Давление газа (Как газ оказывает давление на стенки сосуда) Каков механизм возникновения давления, оказываемого твёрдыми телами? Тела притягиваются к Земле, опора же мешает им падать. Тела деформируются и давят на опору. Так, например, книга давит на стол, человек на пол. Давление (р) характеризует действие тел на опору и определяется по формуле: р g, где р — давление; S — плош;адь опоры; — сила давления. Единицу измерения давления мы получим из форму-\F 1 Н лы давления: [р]=г^ =1—5 =1 Па (паскаль). [о] Квадратные скобки обозначают единицу измерения физической величины. А каким образом газ оказывает давление на сосуд, в котором он находится? Играет ли сила тяжести и здесь такую же важную роль, как в приведённых выше примерах? Для ответа на этот вопрос рассмотрим сле-дуюш;ий пример. Известно, что нормальное давление в камере колеса легкового автомобиля составляет 2 атм (1 атмосфера (атм) — единица давления, распространённая в технике. 1 атм = 10^ Па). Рассчитаем силу давления газа на небольшой участок камеры площадью всего 10 см^. Затем сравним полученное значение силы давления газа на этот участок с весом воздуха в камере (рис. 29). Н Дано: р = 2 • 1Q5 S= 10 см2 = 0,001 J^2 Решение: Н F =2-105-Ц .0,001 м2 = М' = 200 Н. 40 Давление в камере: р = 2 = 200 Н Рис. 29 Итак, сила давления на один из участков камеры составляет 200 Н, а сила тяжести, действуюгцая на весь воздух в камере и на саму камеру, всего 100 Н. Значит, давление газа не определяется непосредственно силой тяжести, т. е. притяжением воздуха к Земле. Как же газ оказывает давление на стенки сосуда, в котором он находится, или же на тела, с которыми соприкасается? Найти ответ на этот вопрос нам поможет рассмотрение действия одного очень интересного прибора. Этот прибор называется шариковой моделью газа (рис. 30, а). В нём движение от электродвигателя 1 передаётся го- Рис. 30 41 ризонтальной площадке 2. На этой площадке помещается несколько шариков 3, а сверху кладётся лёгкий поршень 4, вырезанный из пенопласта. При работе двигателя площадка начинает колебаться с малой амплитудой. Шарики подскакивают, попеременно ударяются о поршень, поднимают его. Поскольку удары быстро следуют друг за другом, поршень удерживается на одной высоте (рис. 30, б). За работой прибора можно следить сквозь его прозрачные стенки 5. Как мы знаем, молекулы газа непрерывно и беспорядочно движутся. При этом они соударяются со стенками сосуда или какими-либо телами (рис. 31). Каждый удар молекулы оказывает очень слабое воздействие на поверхность. Но ведь в одном кубическом сантиметре воздуха в той же камере содержится приблизительно 5 • 10^^ молекул (50 миллиардов миллиардов). Поэтому удары следуют один за другим. Не успевают одни молекулы, ударившись о поверхность, отлететь обратно, как уже другие молекулы сменяют их. И так происходит непрерывно. В результате подобного воздействия молекул на стенки сосуда и создаётся давление газа. Теперь становится ясно, что для расчёта давления газа сила тяжести, действующая на газ в сосуде, не играет роли. Газ оказывает давление на стенки сосуда за счёт многочисленных ударов молекул о стенки сосуда^ следующих непрерывно друг за другом. Рис. 31 Q Остановимся, подумаем А от чего же зависит давление газа? Прежде чем читать дальнейший текст, попытайтесь ответить на этот вопрос самостоятельно. Вернёмся к шариковой модели газа. Увеличим число шариков под поршнем. Они чаще будут ударяться о него. Увеличится давление на поршень — и он станет под- 42 ниматься выше (рис. 30, в). Увеличения давления шариков на поршень в этом приборе можно достичь и за счёт повышения частоты ударов. Для этого увеличивают частоту враш;ения вала двигателя (рис. 30, г). Очевидно, давление газа зависит от силы удара каждой молекулы о поверхность и от частоты этих ударов. Вместе с тем удары молекул о поверхность будут тем сильнее, чем больше средняя кинетическая энергия молекул, т. е. чем выше температура. Частота же ударов зависит от числа частиц в каждом кубическом сантиметре, от их скорости, т. е. от концентрации (п) и от температуры (Т). {Концентрацией называется число частиц в единице объёма — в 1 см^ или в 1 м^.) Итак, мы видим, что давление газа на стенки сосуда, а также на любые тела, находящиеся в нём, тем больше, чем выше температура газа и концентрация его молекул. При высоких концентрациях молекул газа давление его может быть очень большим. Приведём значения давления газа в ряде устройств, которое измерено в атмосферах. Давление воздуха в баллонах акваланга 15 МПа = = 15 000 кПа =150 атм. Ещё больше давление в баллонах для транспортировки и хранения газов (кислорода, ацетилена). Поэтому эти баллоны имеют значительную толщину стенок. Вместе с тем при откачивании газа из какого-либо сосуда давление можно уменьшить. Так, давление в камере бытового пылесоса 11 000 Па = 0,11 атм. В пространстве между двойными стенками колбы термоса давление 0,1 Па = 10"® атм. В колбе электрической лампы давление 0,01 Па = 10"^ атм. В сложной физической установке для ядерных исследований добиваются разрежения воздуха до 10"'^ Па. Вопросы 1. Как молекулярная теория объясняет давление газа на стенки сосуда? 2. От каких величин зависит давление газа? Поясните ваш ответ на основе молекулярной теории. 43 si 5. Газовые процессы в природе и технике мы часто сталкиваемся с такими процессами, в которых газ нагревается или охлаждается, сжимается или расширяется. Вспомните изменение температуры атмосферного воздуха, сжатие воздуха в велосипедном насосе и т. д. Газовые процессы лежат в основе работы тепловых машин. Чагце всего в этих процессах происходит одновременное изменение давления^ температуры и объёма газа. Так, при накачивании мяча изменяются объём газа в мяче, давление, незначительно возрастает температура и увеличивается масса газа (рис. 32). В этом параграфе мы ограничимся рассмотрением таких процессов, в которых для данной массы газа одна из величин (объём, давление или температура) остаётся постоянной. 5.1. Изотермический процесс Приставка «изо» означает «постоянство», «термо» — «температура». Значит, название процесса свидетельствует о том, что температура в данном процессе должна поддерживаться постоянной (Т = const). Такие процессы можно осугцествить, медленно двигая поршень внутри стеклянной трубки (рис. 33). Резиновая плёнка, закрывающая отверстие в трубке, показывает, как изменяется давление. Сжатие газа Ло о о о о' ? ”т1 о ° о о 'Jo о о о о / Рис. 32 Рис. 33 о о 44 п i е Остановимся, подумаем Попытайтесь на основе молекулярной теории объяснить, почему с уменьшением объёма газа давление его возрастает, а с увеличением объёма — падает. Для тех, кто не сумел самостоятельно справиться с заданием, дадим разъяснение. При сжатии газа молекулы располагаются ближе друг к другу, увеличивается их концентрация в сосуде. Поэтому они чаш;е ударяются о стенки сосуда, и от этого давление возрастает. О том, что происходит с давлением газа при его расширении, вы должны теперь догадаться сами. Итак, мы установили, что происходит с давлением газа при его сжатии или расширении. Но очень важно также найти формулу, отражающую зависимость давления газа от его объёма. Такая формула позволила бы определять давление газа при изотермическом процессе. Для установления зависимости давления газа от его объёма в изотермическом процессе можно поставить следующий опыт. Возьмём тонкостенный металлический гофрированный сосуд В и будем с помощью винта изменять его объём (рис. 34). Воздух в сосуде изолирован от окружающего воздуха краном А. Манометр С служит для измерения давления воздуха в сосуде. Об объёме будем судить по высоте цилиндра. В этом опыте при изменении объёма температура газа сохраняется неизменной и равной температуре окружающего воздуха, благодаря тому что стенки сосуда хорошо проводят тепло. Во время выполнения опыта составим таблицу и по полученным данным построим график (рис. 35). Рис. 34 45 Таблица 2 Параметры Номер опыта 1 2 3 4 5 У, ед 7,5 7,0 6.5 8,0 8.5 р, атм 1,00 1,06 1,15 0,94 0,88 pV 7,50 7,42 7,47 7,52 7,48 Полученный на опыте график зависимости р (F) приближённо можно принять за ветвь гиперболы — график обратной пропорциональной зависимости. Для всех состояний газа в цилиндре произведение pV остаётся постоянным с учётом неизбежных погрегпностей измерений. Отсюда следует, что давление газа при изотермическом процессе обратно пропорционально его объёму: PlVr=P2V2< f-‘ = при Т = const, т = const. 5.2. Изохорный процесс Изохорный процесс происходит при постоянном объёме {V = const). В переводе с греческого «хорос» означает «объём». Возьмём цилиндр, который был использован в предыдущем опыте, установим какое-либо значение его объёма и перекроем кран А. Будем нагревать воздух в цилиндре, помещая сосуд в воду при различной температуре. Манометр покажет, что с возрастанием температуры увеличивается и давление газа (рис. 36). Вспомните, как газ оказывает давление на стенки сосуда, и объясните причину возрастания давления газа при увеличении температуры. Чтобы установить зависимость давления газа от температуры, снимем показания приборов и заполним таблицу. Внимание! Температура в данном опыте должна быть переведена из градусов Цельсия в градусы Кельвина. 46 г = 293 к р = 1,07 атм Г = 313 К р = 1,15 атм Таблица 3 Параметры Номер опыта 1 2 3 4 Г, К 293 313 333 353 р, атм 1,07 1,15 1,22 1,30 El = 1,07, El = 1,06, Е± Pi ?2 Рз То Тч Та = 1,06, о Т^2 = 1,06, 7^ Анализ таблицы показывает, что при постоянном объёме давление газа прямо пропорционально температуре по шкале Кельвина'. — = ^ при V = const, т = const. Р2 ^2 Так как зависимость давления газа от температуры по шкале Кель- 47 вина прямо пропорциональная, то графиком этой зависимости является прямая линия (рис. 37)^. 5.3. Изобарный процесс При изобарном процессе давление остаётся постоянным (р = const). Напомним, что приставка «изо» означает «постоянство», «барос» же в переводе с греческого означает «давление» (отсюда и название известного вам прибора — барометра). Для получения уравнения зависимости объёма газа от температуры при постоянном давлении проведём опыты с гофрированным цилиндром. Перекроем кран А и измерим температуру и давление газа, после этого поместим сосуд в горячую воду (рис. 38). Манометр отметит повьппе-ние давления. С помощью винта будем увеличивать объём цилиндра до тех пор, пока давление не восстановится до первоначального значения. Измерим объём при данной температуре. Повторим опыт несколько раз и занесём данные измерений в таблицу. Таблица 4 Т - 293 К р = 1,07 атм I- А 7’ = 313 К р = 1,15 атм Г = 333 К р = 1,22 атм Рис. 38 Параметры Номер опыта 1 2 3 4 Г, К 293 313 333 353 V, ед 5,3 5.7 6.1 6.5 ^ При температурах, близких к абсолютному нулю, прямая пропорциональная зависимость нарушается. Поэтому соответствующий этим температурам отрезок показан на графике пунктиром. 48 л и Рис. 40 ^=1,06, ^ = 1,08, iT = 1.07, ^ 2 V, = 1,07. Как видно из сравнения отношений объёмов и температур, они равны. (Некоторые расхождения между этими значениями объясняются погрешностью измерений.) При постоянном давлении объём газа прямо пропорционален его абсолютной температуре'. ^ = тр- при р = const, т = const. Так как зависимость объёма газа от абсолютной температуры при постоянном давлении прямо пропорциональная, то графиком этой зависимости является прямая линия (рис. 39). Примечание. При температурах, близких к абсолютному нулю, прямо пропорциональная зависимость нарушается. Рассмотрим пример решения задачи. Задача. Под поршнем в цилиндре находится газ, объём которого 2 л, а температура 17 °С (рис. 40). До какой температуры должен быть нагрет газ, чтобы его объём увеличился до 2,5 л? Дано: Решение: у, 1"2 = 2 Л = 2,5 л V, V2 Тл = 17 °С 2 л 290 К Т’2 — ? 2,5 л Тг 49 ,То = 2,5 л-290 к 2 л = 363 к. f Вопросы 1. Опишите опыты, в которых протекают рассмотренные в параграфе процессы. 2. Запишите формулы законов известных вам газовых процессов. ^ Упражнение 1 1. Назовите процессы, графики которых показаны на рисунке 41, а, б, в. 2. На рисунке 42, а, б, в показаны три графика для газовых изопроцессов. Проставьте на рисунке недостающие обозначения координатных осей. Назовите каждый процесс. Объясните, как он происходит. 3. Сосуд А имеет объём 1 л, сосуд В — 3 л. В сосуде А содержится газ под давлением 4 атм. Сосуд В пустой. Какое давление установится в сосудах, если открыть кран С (рис. 43)? 4. Давление газа в закрытом бгшлоне 3 атм при температуре 27 °С. Каким будет давление газа после его нагревания до 100 °С? О б) Рис. 41 О в) Vn о в) 50 5. Давление газа в цилиндре с поршнем не изменяется. При температуре 27 °С объём газа равен 50 см^. Каким станет объём газа при температуре 77 °С? 6. Газ из состояния 1 с характеристиками Pi = 1 атм, Vi = 2 л, ^1 = 27 °С переводят в состояние 2 с характеристиками Р2 = 0,5 атм, Fg, 27 °С, а затем в состояние 3 с характеристиками Рз = 0,5 атм, Fg, fg = 127 °С. Определите значение объёма Fg. Изобразите приведённые процессы на графике в координатных осях р, F. ^ 6. Как газы передают давление Положите левую руку на стол ладонью кверху (рис. 44). Поставьте на ладонь книгу вертикально (на ребро). Надавите правой рукой на книгу сверху вниз. Ощущает ли левая рука возрастание давления? Теперь поставьте книгу не на ладонь, а на стол. Надавите слегка на книгу сверху одной рукой, а другую руку приставьте к книге сбоку. Ощущает ли в этом случае рука дополнительное давление? Проделав этот опыт, вы могли убедиться в том, что книга передаёт оказываемое на неё давление строго в направлении внешнего воздействия. А как передают давление газы? Для ответа на этот вопрос проделаем опыты с прибором, называемым шаром Паскаля, который состоит из стеклянной трубки с Рис. 45 поршнем (рис. 45). На трубке укреплён шар с узкими отверстиями по всей поверхности. Вынем поршень и впустим в трубку с шаром дым. Введём в трубку поршень и будем давить на него, вытесняя дым. Из каких отверстий будут выходить струи дыма? Если газ передаёт оказываемое на него поршнем давление, как и твёрдые тела, только в направлении внешнего воздействия, то струя дыма будет выходить только из центрального отверстия. Проделав опыт, мы убеждаемся, что струи дыма выходят из всех отверстий шара. Отсюда следует вывод: газы передают оказываемое на них давление по всем направлениям без изменения. Этот закон был открыт французским учёным Блезом Паскалем. Конечно, различие в передаче давления газами и твёрдыми телами объясняется различием в их строении. Рассмотрим рисунок 46. В цилиндре под поршнем находится газ. Ввиду хаотичного движения молекулы по всему объёму распределены равномерно (рис. 46, а). Поэтому и давление газа по всем направлениям одинаково. Передвинем поршень вправо. Первоначально концентрация молекул у поршня окажется больше, чем в остальной части цилиндра (рис. 46, б). Но такая ситуация будет суш;ествовать лишь очень короткое время. Вследствие своего беспорядочного движения молекулы очень скоро снова расположатся равномерно по всему а) «2 б) Рис. 46 —ч \ г \ 1 б) 52 объёму цилиндра, хотя уже ближе друг к другу, чем в случае а. Давление увеличится, но по всем направлениям будет одинаково (рис. 46, в). Заглянем глубже 9 7. Использование сжатого воздуха^ Сжатый воздух используется во многих устройствах. Например, в пневматической почте, которая работает на многих предприятиях. Труба соединяет цеха этих предприятий. На одном из концов в неё вводится контейнер, плотно прилегающий к её стенкам, с другой стороны создаётся разрежение. Контейнер с почтой под давлением сжатого воздуха приходит в движение в требуемом направлении. Так осуществляется обмен почтой между различными отделами больших предприятий. На рисунке 47 изображена схема пневматического тормоза железнодорожного транспорта. На нём показаны магистраль 2, в которую накачивают сжатый воздух; резервуар 2; клапан 3, который может открываться только в одну сторону, впуская воздух из магистрали в резервуар; цилиндр 4; тормозная колодка 5 и колесо 6. Постарайтесь самостоятельно разобраться в том, как работает тормоз. Рис. 47 1 Цветом выделен материал, изучаемый дополнительно. 53 Рис. 48 Для создания высокого давления или разрежения используют соответственно нагнетательные или вакуумные насосы. На рисунке 48 показано устройство простейшего насоса для накачивания мячей, велосипедных или автомобильных камер. При подъёме поршня 1 вверх через отверстие 2 в корпус насоса 3 входит воздух. При опускании ' поршня отверстие перекрывается, воздух сжимается и через ниппель 4 проходит в камеру. Ниппель представляет собой тонкую металлическую трубку с отверстием в боковой поверхности. Он либо расположен на конце шланга, либо вмонтирован в мяч или колесо. На него плотно надевается узенькая резиновая трубочка. Когда воздух под давлением идёт из насоса, трубочка раздувается и пропускает его в камеру. Обратно же воздух через трубочку пройти не может. Во всех устройствах, где используется сжатый воздух, необходимо контролировать давление. Для этой цели применяется манометр. На рисунке 49 изображён металлический манометр. Основная часть манометра (рис. 50) — согнутая в дугу металлическая трубка i, один конец которой за- Рис. 50 54 крыт. Другой конец трубки посредством крана 5 сообщается с сосудом, в котором измеряют давление. При увеличении давления трубка разгибается и движение закрытого конца её при помощи рычага 4 и зубчатки 3 передаётся стрелке 2, движущейся над шкалой прибора. При уменьшении давления трубка, благодаря своей упругости, возвращается в прежнее положение, а стрелка — к нулевому делению шкалы. Вопросы 1. Приведите известные вам примеры использования сжатого воздуха {как приведённые в параграфе, так и знакомые вам из личного опыта). 2. Для чего служит манометр? Как он устроен? 3. Назовите известные вам случаи применения манометра. ^ 8. Атмосфера Земли Атмосфера Земли (от греч. atmos — пар и sphaira — шар) — газообразная оболочка, окружающая планету. Масса атмосферы составляет около 5,2 • 10^^ т. Вместе с Землёй атмосфера совершает вращение вокруг земной оси и годичное движение вокруг Солнца. Атмосфера образовалась из газов, выделившихся в процессе формирования планеты в далёком прошлом. Современный состав она приобрела в результате химического взаимодействия этих газов с горными породами и обогащения кислородом благодаря жизнедеятельности растений. Атмосфера имеет сложную структуру. Её основные слои следующие (рис. 51): о—10 км — тропосфера; 10—50 км — стратосфера; 50—80 км — мезосфера; 80 км и выше — термосфера. 55 1000 1 • 10 -® 1* 10 ® 1*10-^ -0,9*10 |- 1.10® 1 • 10 -2 -- \\\\\\\\\\\\\\m\\\\\m\\\\^^^^^ hi2,4 • 10 h54,4*10“ -280*10^ 1013*10 2| s £ о s 1* 10 Рис. 51 1 — уровень моря; 2 — высшая точка Земли — Джомолунгма (Эверест), 8848 м; 3 — кучевые облака; 4 — мощно-кучевые облака; 5 — ливневые (грозовые) облака; 6 — слоисто-дождевые облака; 7 — перистые облака; 8 — самолёт; 9 — слой максимальной концентрации озона; 10 — перламутровые облака; 11 — стратостат; 12 — радиозонд; 13 — метеоры; 14 — серебристые облака; 15 — полярные сияния; 16 — первый советский искусственный спутник Земли; 17 — метеорологический спутник; 18 — космический корабль; 19 — космическая ракета, уходящая за пределы атмосферы 56 Q Остановимся, подумаем Подумайте и ответьте на следующие вопросы: 1. Что удерживает молекулы в атмосфере? 2. Почему атмосфера не «оседает» на поверхность Земли? \ Азот 78,08% Кислород 20,95% Аргон 0,93% Углекислый газ 0,04% и другие Рис. 52 Для тех, кто не смог ответить на вопросы, скажем: 1. Молекулы удерживаются в атмосфере притяжением Земли. 2. Атмосфера не «оседает» на поверхность Земли из-за того, что молекулы газов беспорядочно движутся. Состав атмосферы Земли представлен на диаграмме (рис. 52). Внимательно рассмотрев этот рисунок, вы можете отметить, что атмосфера преимущественно состоит из азота (78%). Заметно присутствие кислорода (почти 21%). На остальные газы приходится около 1% . Помимо указанных на диаграмме газов, в составе атмосферы находится водяной пар, образующийся при испарении воды с поверхности рек, морей и океанов. Его содержание меняется в зависимости от времени года, температуры, направления ветра. В результате конденсации водяного пара образуются облака и выпадают атмосферные осадки в виде дождя, снега, возникает туман. 1 Остановимся, подумаем Рассмотрите рисунок 51 и ответьте на следующие вопросы: 1. Как изменяется плотность атмосферы с увеличением высоты? Чем это объясняется? 2. Как изменяется атмосферное давление с увеличением высоты? 57 Ввиду быстрого убывания плотности атмосферы почти вся её масса (80%) сосредоточена в пределах тропосферы. Вместе с тем у атмосферы Земли нет чёткой верхней границы. Где-то на высоте более 1000 км происходит переход к межпланетному пространству. С ростом высоты изменяется температура атмосферы. На высоте 10 км температура составляет -50 °С, а давление 28 000 Па (у поверхности Земли давление атмосферы порядка 100 000 Па). В самых верхних слоях атмосферы, в термосфере, температура с высотой значительно возрастает, достигая значений более 1000 °С. Существование атмосферы делает возможным жизнь на Земле, оказывает значительное влияние на её природу. Так, атмосферный кислород используется в процессе дыхания живыми организмами, растениям необходим углекислый газ, содержащийся в атмосфере. Чтобы лучше понять значение атмосферы, сравним Землю и Луну. Рисунок I (форзац) — фотография Земли из космоса, рисунок II (форзац) — фотография Луны. На фотографии Земли видны облака, которые образуются в её атмосфере. А на Луне нет атмосферы, а стало быть, нет и облаков. Там всегда ясно. Океаны и моря Земли выглядят значительно темнее материков. Триста лет тому назад тёмные области на Луне тоже считали морями, а светлые — материками. Думали, что Луна совсем такая же, как Земля. Теперь всем известно, что на Луне, у которой нет атмосферы, моря и океаны существовать не могут. Вот уже несколько миллиардов лет и Земля, и Луна сталкиваются на своём пути с метеоритными телами различного размера. В результате на Луне образовалось множество кратеров, а поверхность покрылась слоем мелкораздробленного вещества и пыли. На Земле метеоритных кратеров значительно меньше, чем на Луне. Некоторые космические «гости» рассыпались ещё в атмосфере и не долетели до поверхности. А те кратеры, которые всё-таки образовались, были разрушены дождями и ветрами. Ни дождя, ни ветра на Луне не бывает. Нет и таких привычных на Земле атмосферных явлений, как го- 58 лубое небо, утренние и вечерние зори. Очень скучно и непривычно выглядит лунный пейзаж. Днём Солнце нагревает поверхность до +130 °С, а ночью температура падает до — 170°С. Человек может находиться на Луне только в скафандре с запасом кислорода для дыхания. Изменения температуры, влажности, атмосферного давления оказывают значительное влияние на деятельность людей, на состояние их здоровья. Особенно сильно зависит от климата сельское хозяйство. В свою очередь, деятельность человека начинает оказывать всё большее влияние на состояние атмосферы. Работа ряда промышленных предприятий, теплоэлектростанций, увеличение числа машин на улицах городов и т. д. приводит к выбросу в атмосферу вредных химических соединений, мелких твёрдых частиц. В атмосфере увеличивается количество углекислого газа. Всё это очень опасно для жизни людей. Для того чтобы выжить, человечеству необходимо предпринимать решительные меры, направленные на сохранение природы. Каждое новое научное открытие может быть использовано на практике в том случае, если не будут нарушены состав атмосферы, процессы, происходяш;ие в ней. В дело охраны природы должно включиться каждое государство, предприятие, каждый человек. Иначе всем нам грозит беда. f Вопросы 1. Какую роль играет атмосфера для жизни на Земле? 2. В чём сказывается вредное влияние деятельности человека на атмосферу? К каким последствиям приводит это влияние? § 9. Атмосферное давление Атмосфера — смесь газов и поэтому оказывает давление на поверхность Земли и на все тела, которые с ней соприкасаются. Проделаем два простых опыта, которые позволят убедиться в суш;ествовании атмосферного давления. 59 Рис. 53 Опыт 1 Затянем воронку резиновой плёнкой от воздушного шарика и с помощью насоса откачаем воздух из воронки (рис. 53). Плёнка втягивается внутрь. До откачивания воздуха давление на плёнку с двух сторон было одинаковое и она была плоской. Когда из воронки откачали воздух, давление в ней уменьшилось, а атмосферное давление изогнуло плёнку внутрь. Опыт 2 Введём в стеклянную трубку, опущенную в сосуд с водой, поршень. Опустим поршень до соприкосновения с водой и поднимем его вверх (рис. 54). Вода начнет подниматься вслед за поршнем. Дело в том, что атмосфера оказывает давление на открытую поверхность воды вниз. Вода передаёт это давление в трубку снизу вверх. Вот атмосферное давление и поднимает воду вслед за поршнем. А теперь рассмотрим опыт^ проведённый в XVII в. итальянским учёным Эванджелиста Торричелли. Он взял стеклянную трубку длиной 1 м, запаянную с одного конца, наполнил её полностью ртутью и перевернул, опустив открытый конец в чашку со ртутью (рис. 55). К удивлению окружающих, из трубки вылилась лишь небольшая часть ртути. В трубке же ос- 60 Рис. 56 тался столбик ртути высотой 76 см. Торричелли утверждал, что столбик удерживается атмосферным давлением. Именно ему впервые пришла эта мысль. Установка же Торричелли стала использоваться в качестве барометра для измерения атмосферного давления. Давление стали измерять по высоте столбика ртути в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Атмосферное давление считается нормальным, если оно составляет 760 мм рт. ст., что соответствует 101 300 Па (приблизительно 100 кПа). Для измерения атмосферного давления широко используется барометр-анероид («анероид» означает «без-жидкостный») (рис. 56). Основной его частью является металлическая гофрированная коробочка 1. Из неё откачан воздух. Её сжатию под действием атмосферного давления препятствует пружина 2. При изменении атмосферного давления изменяется объём гофрированной коробочки, вследствие чего изменяется сжатие пружины. Передаточный механизм 3 передаёт движение пружины стрелке 4, которая скользит вдоль шкалы прибора. Шкала 5 проградуирована в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.) и иногда в килопаскалях (10^ Па). Так как атмосферное давление связано с атмосферными явлениями, то на шкале барометра часто указывают и погодные условия. Итак, атмосфера оказывает давление на все тела, в том числе и на нас с вами. 61 Задача. Оцените значение силы, действующей со стороны атмосферы на наше тело. Будем считать площадь тела приблизительно равной 1 м' мальным. а давление — нор- Дано: р — 10^ Па S= 1 м" F—7 Решение: F=pS. F = 105 Па 1 м2 = Ю^Н. Полученное значение 10^ Н соответствует силе тяжести тела массой Ют! И мы её выдерживаем. Выдерживаем потому, что, во-первых, она распределена по всей площади тела, и, во-вторых, потому, что внутри нашего организма существует давление, уравновешивающее атмосферное. Понятно, какую опасность представляет для человека отсутствие атмосферного давления. Подобная ситуация привела к трагической гибели экипажа космического корабля «Союз-11» Г. В. Добровольского, В. Н. Волкова, В. И. Пацаева. Космонавты в полёте были одеты в простые спортивные костюмы. Программа полёта была выполнена. Последовала команда на спуск. Однако во время отстыковки спускаемого аппарата от корабля в одном из узлов произошла разгерметизация — образовалась маленькая щель. Воздух моментально вышел из корабля наружу, и собственное давление разорвало сосуды космонавтов. Мгновенно наступила смерть. Корабль совершил мягкую посадку на Землю. Космонавтов нашли на своих рабочих местах без признаков жизни. Атмосферное давление в значительной степени влияет на самочувствие людей. В зависимости от состояния атмосферы (температуры, влажности) атмосферное давление изменяется. Поэтому для предсказания погоды среди прочих данных обязательно учитывают атмосферное давление. А вот несколько примеров, показывающих, какую роль атмосферное давление играет в жизнедеятельности нашего организма. (Читая текст примеров, дополните его недостающими словами.) 1. Процесс дыхания. Посмотрите на рисунок 57, а. Диафрагма увеличивает объём лёгких. Давление возду- 62 ха в лёгких ... . Оно становится ..., чем атмосферное. Под действием атмосферного давления воздух проникает в лёгкие. Когда диафрагма сжимает лёгкие (рис. 57, б), объём лёгких уменьшается. Поэтому давление воздуха в лёгких .... Оно становится ...» чем атмосферное. Атмосферный воздух выходит наружу. 2. Как мы пьём. Движением рта мы создаём разрежение воздуха в нём (рис. 58). Давление воздуха во рту становится меньше, чем ... . Жидкость под действием ... входит к нам в рот. 3. Объясните принцип действия медицинского шприца самостоятельно. В 1654 г. Отто Герике в Магдебурге провёл сле-дуюш;ий опыт (рис. 59). Приложив друг к другу два полушария площадью по 0,28 м^, он откачал между ними воздух. После этого восемь пар лошадей не в состоянии были разорвать эти полушария. Вы, наверное, догадались, что «виновато» в этом атмосферное давление, прижимавшее полушария друг к другу. Давайте рассчитаем хотя бы приблизительно силу, действующую на каждое полушарие со стороны атмосферы. 63 Рис. 59 По определению давления р = , следовательно, F^ = pS. Допустим, что давление было равно нормальному Н атмосферному давлению, т. е. р = 10^ Па = 10^ —^, М' а площадь каждого полушария S = 0,28 м^. Тогда F„ = 105 • 0,28 м2 = 2,8 • Ю'' Н. Получилась сила, равная силе тяжести тела массой т = « « Н 9,8 — кг « 2,9 • 10^ кг. Вот почему восемь пар лошадей не справились с атмосферным давлением. f Вопросы 1. На рисунке 60 показан сосуд, закрытый пробкой. В пробку продета трубка с краном. Из сосуда откачали воздух, опустили конец стеклянной трубки в воду и открыли кран. Что же произошло дальше? 2. На рисунке 61 изображён прибор — ливер, служащий для взятия проб различных жидкостей. Ливер опускают в 64 Рис. 61 жидкость, затем закрывают пальцем верхнее отверстие и вынимают из жидкости. Когда верхнее отверстие ливера открывают, из него начинает вытекать жидкость. Проделайте описанный опыт и объясните действие этого прибора. Что при этом произошло? Ответ обоснуйте. 3. Какое физическое явление мы используем, набирая жидкость в пипетку? Повторим, обдумаем изученное Повторим самое главное 1. Опишите, как возникает давление газа на стенки сосуда. От каких величин оно зависит? 2. Как газы передают оказываемое на них давление? 3. Заполните таблицу, внеся в неё сведения о газовых процессах. Таблица 5 Название процесса Постоянная величина Формула График Объяснение на основе молекулярной теории 4. Автоматическая поилка для птиц (рис. 62) состоит из бутылки, наполненной водой. Бутылка опрокинута в корытце так, что горлышко находится немного ниже уровня воды в корытце. 65 Почему вода не выливается из бутылки? Если уровень воды в корытце понизится и горлышко бутылки выйдет из воды, часть воды из бутылки выльется. Почему? Когда прекратится вытекание воды из бутылки? Если у вас есть домашние животные, изготовьте для них такую поилку. 5. Зажжённый огарок свечи, укреплённый на блюдце с водой, накрыли стаканом. Почему пламя быстро погасло, а вода набралась в стакан (рис. 63)? 6. Какими физическими причинами вызывается вдох и выдох воздуха человеком? 7. Опустите в воду один конец соломинки и отсасывайте воздух через другой её конец. Почему вода поднимается по соломинке вверх? 8. Ноги, увязшие в болотной почве, очень трудно вытащить (нередки случаи, когда болото засасывает животных и даже людей). Играет ли какую-либо роль в этих случаях атмосферное давление? 9. Почему в горных местностях атмосферное давление меньше, чем в долинах? Рис. 63 66 10. Если узкогорлый флакон, плотно закупоренный у подножия горы, открыть на большой высоте, то слышен свист проходящего через отверстие воздуха. В каком направлении и почему проходит воздух? 11. Почему реактивные самолёты могут летать с большими скоростями в высоких слоях атмосферы? 12. Зачем парашютисты, совершающие прыжки с высоко летящих самолётов, пользуются кислородными масками? 13. Объясните действие присоски. 14. Известно, что во время перелёта экипажа В. П. Чкалова через Северный полюс в Америку на самолёте АНТ-4 в моменты, когда для предотвращения обледенения самолёт поднимался выше облаков, у экипажа из носа и ушей шла кровь. Объясните это явление. Что делается для предотвращения подобных явлений в современной авиации? Рис. 64 ^ Проделайте опыты 1. Рассчитайте силу, с которой атмосфера действует на книгу сверху. Проделав расчёт, ответьте на вопрос: как же удаётся удержать книгу в руке? 2. Опустите химический стакан в сосуд с водой. Переверните в воде стакан вверх дном и поднимите его вверх из воды на такую высоту, чтобы нижний край его оставался погружённым в воду. Что вы наблюдаете? Как объяснить данное явление? 3. Налейте в стакан воды и закройте его листом бумаги. Поддерживая лист рукой, переверните стакан вверх дном (рис. 64). Если теперь отнять руку от бумаги, то вода из стакана не выльется. Бумага останется как бы приклеенной к краям стакана. Почему? ^2 Используя Интернет, подготовьте сообщения по темам, {на выбор). 1. Атмосфера Земли, её строение. Роль атмосферы для жизни на Земле. 2. Атмосферное давление. Примеры его проявления. 3. Измерение атмосферного давления. Изменение атмосферного давления с увеличением высоты. 67 Глава ill Жидкости и их свойства St 10. Передача давления жидкостями Свойства жидкостей так или иначе связаны с их строением. Поэтому в начале изучения главы необходимо вспомнить, как располагаются друг относительно друга молекулы жидкости, как они движутся и взаимодействуют друг с другом. Вспомните также основные свойства жидкостей и объясните их. Если вам не удаётся сделать это по памяти, вернитесь к главе I «Молекулярная теория строения вещества». А теперь задумаемся над таким вопросом: выполняется ли для жидкостей закон Паскаля? Или, другими словами, как жидкости передают оказываемое на них давление? Ответ на этот вопрос становится понятным после проведения опытов с шаром Паскаля (рис. 65). Мы уже рассматривали подобные опыты для газа. Теперь же в сосуде не газ, а жидкость. Но тем не менее вывод оказывается тем же, что и для газов: жидкости передают оказываемое на них давление по всем направлениям без изменения {закон Паскаля). S Остановимся, подумаем Подумайте, в чём причина совпадения механизма передачи давления жидкостями и газами. 68 у жидкостей и газов есть общее свойство: частицы в них могут смещаться друг относительно друга (хотя, конечно, у жидкостей подвижность отдельных частиц в какой-то степени ограничена по сравнению с газами). Вот эта подвижность частиц вещества и определяет способ передачи давления. Чтобы было понятнее, в чём тут дело, представьте себе небольшую горку песка или горошин (рис. 66). Песчинки или горошины, подобно частицам жидкости или газа, способны перемещаться друг относительно друга. Надавим на горку сверху вниз. Она начнёт разваливаться по всем направлениям. Так и жидкость передаёт давление, оказываемое на неё, по всем направлениям. Рассмотрите внимательно рисунок 67 и дайте разъяснения по каждому из опытов, изображённых на нём. Закон Паскаля лежит в основе устройства гидравлического пресса. Его упрощённая схема показана на рисунке 68. Пресс представляет собой два цилиндра 69 разного диаметра, сообщающихся друг с другом. В цилиндрах под поршнями находится масло. Пусть площадь малого цилиндра Sj, а площадь большого Sg. Если на поршень в малом цилиндре действует сила Fj, то в нём создаётся давление на жидкость р= . По закону Паскаля жидкость передаст *^1 это давление на большой поршень. В результате на большой поршень подействует сила Eg. Рассчитаем её: ^2=P'Sg, Р = следовательно. Е - — «? - Е — Итак, Eg = Ej^ . Так как Sg > Sj, то ^ > 1, а значит, Eg > Ej. Таким образом, с помощью пресса можно получить выигрыш в силе. Причём выигрыш в силе получается во столько раз, во сколько раз площадь большого поршня больше площади малого поршня. Так, в школьном гидравлическом прессе при создании маслом давления 150 атм (15 000 кПа) сила давления большого поршня достигает 39 000 Н при действии на малый поршень силы 200—300 Н. Такой пресс позволяет пробивать сквозное отверстие в железном листе толщиной 2—3 мм, прессовать свинцовые опилки. Современные мощные гидропрессы позволяют создать силу до 700 000 кН. Такие прессы устанавливаются на металлургических заводах. Они позволяют придавать металлическим заготовкам требуемые форму и размеры. Под действием высокого давления материалы 70 способны в значительной степени изменять свои физические свойства. Следует заметить, что пресс, позволяя получить значительный выигрыш в силе, не позволяет выиграть в работе. Напоминаем Механическая работа определяется по формуле’. А = Fs, где F — сила; s — путь; А — работа. Пусть малый поршень (рис. 69) под действием силы F-^ переместится вниз на глубину h^vL вытеснит часть жидкости объёмом V = h^S^. Эта жидкость, перейдя в цилиндр большей плош;а-ди, поднимется на меньшую высоту /ig- Таким образом, поршень поднимется на высоту /ig» меньшую, чем глубина на которую опустится малый поршень. Получается, что, выиграв в силе, мы проиграли в расстоянии. Работа же равна произведению силы на путь. Поэтому мы не получаем выигрыша в работе. Выгода состоит в том, что с помогцью пресса человек, не обладая достаточной силой, тем не менее способен производить значительное сжатие многих тел. Вопросы 1. Сформулируйте закон Паскаля. Приведите примеры его проявления. 2. Как устроен гидравлический пресс? Для чего он служит? Упражнение 2 1. На малый поршень пресса площадью 10 см^ действует сила 200 Н. Какая сила действует на большой поршень площадью 300 см^? Какой получится при этом выигрыш в силе? 71 Рис. 70 2. Площадь малого поршня пресса равна 20 см^. На него действует сила 300 Н. Какой должна быть площадь большого поршня, чтобы на него также действовала сила 300 Н? 3. Можно ли создать пресс, заменив в нём масло воздухом? 4. В сосуд с водой с помощью насоса через трубку накачали воздух (рис. 70). Затем трубку перекрыли краном и отсоединили насос. Что произойдёт, если открыть кран? 5. Что происходит в установке, показанной на рисунке 71, когда человек дует в трубку? Ответ обоснуйте. ^11. Давление на глубине жидкости Притягиваясь к Земле, верхние слои жидкости оказывают давление на слои жидкости, расположенные под ними. Те, в свою очередь, передают давление слоям, расположенным ниже, не только вниз, но и по всем направлениям. По этой причине внутри жидкости всегда существует давление. И ясно, что чем ниже слой, тем давление больше. Давление жидкости испытывают на себе стенки и дно сосуда, берега и дно рек, морей и океанов. Это же давление ощущают и все тела, погружённые в жидкость. Существование давления жидкости можно обнаружить с помощью опытов, показанных на рисунке 72. 72 Резиновая плёнка Рис. 72 Экспериментальное задание № 6 Обнаружение давления на глубине жидкости Оборудование: полиэтиленовый пакет (пакет небольших размеров должен умещаться в пол-литровую банку), банка с небольшим количеством воды. Ход работы 1. Возьмите пакет, налейте в него воду, перевяжите и надавите на него снизу или сбоку пальцем (рис. 73, а). Если палец убрать, распрямится ли пакет? Почему? Проверьте ответ на опыте. 2. Опустите этот пакет в банку с водой и надавите на него в каком-либо месте пальцем (рис. 73, б). Если палец убрать, распрямится ли пакет? Почему? 3. Что произойдёт, если пакет вынуть из банки? Почему? б) Рис. 73 73 Рис. 74 Рассчитаем давление на глубине жидкости, вызванное притяжением Земли. Пусть имеется сосуд с площадью основания S. В него до высоты Н налита жидкость плотностью р (рис. 74). Давление на дно сосуда определим следующим образом: _^Ц, _rng _ pVg _ pSHg _ pgH. Следовательно, p = p^i7. Разберитесь самостоятельно в этом выводе, для чего попытайтесь сами вспомнить формулы, которые были использованы. Напоминаем 1. Объём тела прямоугольной формы вычисляется по формуле: V=SH, где S — площадь основания: Н — высота тела: У — объём тела. 2. Масса тела может быть выражена через плотность и объём: т = pV, где р — плотность вещества: V — объём тела: тп — масса тела. 3. Сила тяжести, действующая на тело, связана с его массой: н где т — масса тела: g — коэффициент, равный 9,8 — ; КГ — сила тяжести. Из выведенной нами формулы р = pgH следует, что давление па дно тем больше, чем больше глубина слоя жидкости и её плотность. 74 Важно отметить следующие обстоятельства. 1. По этой же формуле можно рассчитать давление не только на дно сосуда, но и на тело, находящееся на любой глубине в жидкости. 2. Гидростатическое давление на любой глубине одинаково по всем направлениям. Экспериментальное задание № 7 Исследование давления внутри жидкости Оборудование: пробирка, сосуд с водой, сосуд с любой жидкостью известной плотности (кроме воды), жидкостный манометр, штатив, линейка. Ход работы 1. Укрепите пробирку в штативе и налейте в неё воду (рис. 75). 2. Опустите нижний конец труб- ки манометра в пробирку на глубину, равную приблизительно половине высоты уровня жидкости. 75 Измерьте линейкой глубину погружения конца трубки и разность уровней жидкости в обоих коленах манометра. Результаты измерений этого опыта занесите в таблицу. Таблица 6 Измеряемая величина Номер опыта 1 2 3 Глубина погружения, мм Разность уровней жидкости в коленах манометра, мм 3. Опустите нижний конец трубки манометра на дно пробирки. Произведите те же измерения, что и в предыдущем опыте, и занесите данные в таблицу. 4. Сравните результаты проделанных опытов и сделайте вывод. 75 5. Вылейте воду из пробирки и наполните её другой жидкостью. Уровень жидкости в пробирке пусть будет таким же, как и в предыдущих опытах. Опустите нижний конец трубки манометра на дно пробирки и измерьте разность уровней жидкости в коленах манометра. Сравните это значение с тем, что было получено в опыте 3. 6. Объясните полученный результат. Вывод Давление внутри жидкости зависит от её плотности и глубины погружения. Интересно рассчитать давление на глубине жидкости. Некоторым из вас наверняка приходилось нырять на глубину 3 м. Какое же давление оказывала вода на ваше тело? Дано: Н = 3м р = 1000 Ц — ? Решение: р = р^Я. р = 1000 3 м 9,8 — = кг = 30 000 Па = 30 кПа. Велико ли это давление? Чтобы стало понятнее, рассчитаем теперь силу, которая действовала на ваше тело со всех сторон на этой глубине. Пусть площадь вашего тела со всех сторон приблизительно равна 1 м^,тогда н = 30 000 ^ • 1 м2 = 30 000 Н, что соответствует силе тяжести тела массой 3000 кг = 3 т! Благодаря чему же человек выдерживает действие такой силы? Дело в том, что, во-первых, эта сила распределена по всей площади тела, а во-вторых, внутри тела возникает такая же сила, которая препятствует сжатию. Важно также отметить, что давление на глубине жидкости не зависит от формы сосуда, его сечения и массы всей жидкости. Согласно формуле р = р^Я давление на глубине жидкости зависит только от высоты столба жидкости и её плотности. Поэтому давление 76 на дно во всех сосудах, показанных на рисунке 76, одинаково. В справедливости сказанного можно убедиться с помощью опыта, показанного на рисунке 77. Дном сосуда является резиновая плёнка. Под действием жидкости, налитой в сосуд, плёнка изгибается и давит на конец стрелки, укреплённой на оси. Стрелка перемещается вдоль шкалы прибора, указывая на то, как изменяется давление жидкости на дно. Если вместо сосуда 1 в приборе укрепить сосуды 2 и 3, то, несмотря на то что масса жидкости в сосудах разная, давление на дно окажется одинаковым (конечно, если высота уровня жидкости во всех случаях будет одинаковой). Интересен опыт, показанный на рисунке 78. Камеру от волейбольного мяча соединяют с тонкой стеклянной трубкой и заполняют водой. На камеру кладут дощечку, а на неё — гирю мас- 77 сой 5 кг. При этом оказывается, что довольно массивная гиря не в состоянии сжать камеру. Ей мешает сделать это столб жидкости, поднявшейся по трубке приблизительно на высоту 50 см. Масса воды, поднявшейся по трубке, невелика. Но из-за малого сечения трубки высота столба жидкости в ней оказалась достаточной, чтобы уравновесить давление гири на камеру. Как вы считаете, можно ли с по-моп];ью всего лишь одной кружки воды разорвать большую, крепко сбитую деревянную бочку? В 1648 г. Паскаль удивил своих соотечественников, сделав это. Бочка имела плош;адь поверхности 2 м^ (рис. 79). В неё была вставлена узкая стеклянная трубка плош;адью сечения 1 см^ и высотой 5 м. Бочка предварительно была доверху наполнена водой. Паскаль с высоты второго этажа налил в узкую трубку кружку воды, и бочка разорвалась. Рис. 79 f Вопросы 1. Приведите примеры опытов, доказывающих существование давления на глубине жидкости. 2. От каких величин зависит давление на глубине жидкости? Приведите примеры опытов, позволяющих проследить эту зависимость. 3. По какой формуле определяется давление на глубине жидкости? ^ Упражнение 3 1. Рассчитайте давление, которое оказывала вода в трубке на воду в бочке (см. рис. 79). 2. Рассчитайте силу, которая действовала в опыте Паскаля на бочку. (Если самостоятельно с заданием вам справиться трудно, выполняйте его по образцу решения задачи на с. 76.) 78 § 12. Сообщающиеся сосуды 6^ Экспериментальное задание № 8 Наблюдение уровней жидкости в сообщающихся сосудах Оборудование: две стеклянные трубки, соединённые резиновой трубкой и заполненные водой, штатив. Ход работы 1. Одну трубку с водой укрепите в лапке штатива, другую трубку перемещайте в разных направлениях. Делайте это осторожно, не допуская, чтобы вода выливалась из трубок. Обратите внимание на то, как располагаются уровни жидкости в трубках. 2. Сделайте рисунки опытов в тетради. 3. Сделайте вывод. Вывод Уровень жидкости в сообщающихся сосудах располагается на одинаковой высоте. У Остановимся, подумаем Некоторые примеры применения сообщающихся сосудов показаны на рисунках 80 (определение уровня жидкости в котле), 81 (схема шлюзования судов), 82 (схема подачи воды к домам посёлка). Разберитесь в работе этих устройств самостоятельно. 1 — паровой котёл 2 — водомерное стекло Рис. 80 Рис. 81 79 f Вопросы 1. в чём состоит закон сообщающихся сосудов? 2. В каких устройствах используется закон сообщающихся сосудов? 3. Могут ли уровни жидкости в сообщающихся сосудах расположиться так, как показано на рисунке 83? Если да, то при каких условиях? Заглянем глубже ^13. Давление на дно морей и океанов. Исследование морских глубин Как известно, две трети земного шара занимают воды морей и океанов. Поэтому вполне понятно, что человеку приходится обживать не только сушу, но и морские просторы, причём не только плавать на поверхности, но и опускаться на дно морей и океанов. Что же заставляет человека идти на столь трудное и опасное дело? 80 Во-первых, конечно, интерес, который всегда владел человеком, часто заставляя его идти на преодоление больших трудностей и даже на риск. Ведь это так интересно — наблюдать за жизнью растительного и животного мира на большой глубине! Здесь надо назвать имя французского учёного, исследователя морских глубин Жака Ива Кусто. Он возглавлял много экспедиций на морское дно, от него люди узнали новые сведения о жизни морских глубин. С каким интересом и увлечением рассказывает он в своих книгах о поведении китов, акул и других обитателей подводного мира! Постарайтесь прочитать эти книги: в них вы увидите большое количество интереснейших фотографий морского дна, причудливых, загадочных растений и живых суш;еств. Кроме интереса, человека заставляет опускаться на дно и множество практически важных задач. Это разведка залежей полезных ископаемых (например, нефти), работы по подъёму затонувших судов, работы, связанные с прокладкой туннелей под реками, морскими проливами или с укладкой электрического кабеля. Какими же средствами пользуется человек, опускаясь под воду? Очень важное значение для исследования подводного мира имело изобретение акваланга в 1943 г. французскими учёными Ж. Кусто и Э. Ганьяном. В снаряжение аквалангиста входят прорезиненный костюм, баллоны со сжатым воздухом, маска, ласты. Значительно расширяет возможности аквалангиста небольших размеров подводный двигатель. В зависимости от глубины погружения аквалангисты могут находиться под водой от нескольких минут (при глубине 40 м) до часа и более. Для работ на большой глубине используют мягкие и жёсткие водолазные костюмы (рис. 84). На верхнюю часть водолазного костюма привинчивают ме- Рис. 84 •фа* 81 таллический шлем с окошками из толстого стекла. На ногах у водолазов тяжёлые свинцовые ботинки, позво-ляюы1;ие им погружаться под воду и устойчиво стоять на дне. В скафандр по шлангу непрерывно с берега или с корабля подают воздух. Водолазы могут осугцествлять под водой самые разные работы: производить осмотр и ремонт подводной части корабля, готовить к подъёму затонувшие суда, производить сварку, бурение скважин и т. д. Для подводных работ некоторые экспедиции используют водолазный колокол. Это настояш;ий подводный дом на морском дне. Но про него нельзя сказать, что он утонул, — воды в нём нет. Чтобы понять, как такое может быть, проделайте следующий опыт. е д Остановимся, подумаем Опустите в сосуд с водой пустой стакан, перевернув его вверх дном (рис. 85). Вода почти не вошла в стакан. Почему? Вы, наверное, догадались, что это воздух не пускает воду в стакан. При погружении стакана воздух сжимается всё сильнее, но вода в нём поднимается лишь на незначительную высоту. Вот на этом опыте и основана конструкция водолазного колокола (рис. 86). С исследовательского судна его опускают на дно. Зная глубину в данном месте, можно заранее определить высоту, на которую войдёт вода в колокол. На этом уровне сооружается пол. В таком доме 82 I есть научные и бытовые отсеки. В нём живут и работают исследователи. Облачаясь в гидрокостюмы или водолазные костюмы, через двойную дверь они могут покидать колокол для выполнения необходимых работ. В течение нескольких суток акванавты не поднимаются на поверхность. Они имеют телефонную связь с сушей или судном, по шлангу в колокол подается воздух, в отсеках есть освещение, созданы все бытовые условия. Но воздух в колоколе сжат, и люди непрерывно находятся под давлением, которое существует на глубине погружения. Но больше чем на 250 м человек даже в жёстком скафандре погружаться не может. Для исследования больших глубин используют батисферы и батискафы. Батисфера — прочный стальной шар, опускаемый на тросе с корабля на дно (рис. 87). В батисфере есть окно из толстого стекла. Освещая прожектором водное пространство, учёные могут вести наблюдения за миром растений и животных. Батискаф отличается от батисферы тем, что имеет двигатель и может удаляться от места погружения. Первый батискаф создал швейцарский учёный Огюст Пиккар. В 1960 г. он с американцем Доналдом Уолшем в батискафе «Триест» опустился на дно самой глубокой на Земле Марианской впадины (10 912 м). ^14. Действие жидкости и газа на погружённое в них тело Экспериментальное задание № 9 Действие жидкости на погружённое в неё тело Оборудование', сосуд с водой, динамометр, груз массой 100 г. 83 Ход работы 1. Укрепите динамометр на штативе, подвесьте груз к динамометру и определите силу упругости, возни-каюш;ую в пружине. 2. Подставьте под груз сосуд с водой и поднимайте его до тех пор, пока он не погрузится в воду полностью, но при этом не будет касаться дна сосуда. Чему равна в этом положении сила упругости пружины динамометра? 3. Сравните показания динамометра в обоих опытах. Чем вы можете объяснить различие в показаниях? 4. Сделайте рисунок опыта в тетради, запишите результаты измерений и вывод. Для тех, кто не уверен в правильности сделанного вывода, приведём его. Жидкость действует на тело, погружённое в неё, с выталкивающей силой, направленной вертикально вверх. 5. Чему равна выталкиваюш;ая сила, действуюш;ая в данном опыте на тело со стороны жидкости? Запишите полученный результат. 14.1. В чём причина действия выталкивающей силы на тело, погружённое в жидкость 1. Перерисуйте в тетрадь рисунок 88. Укажите стрелкой силы давления, действуюш;ие со стороны жидкости на верхнюю, нижнюю и боковые грани тела. 2. Запишите формулу для расчёта давления жидкости на глубине. (Вспомните или найдите её в тетради.) 3. На основе этой формулы сравните давления: а) сверху и снизу; б) с боковых сторон. Конечно, давление жидкости на тело с боковых сторон уравновешивается. Давление же снизу больше, чем сверху, так как высота столба жидкости /ig больше, чем высота /ij. (Следует учесть. 84 что по закону Паскаля жидкость передаёт давление столба жидкости высотой /ig на нижнюю поверхность тела по направлению вверх.) 14.2. Расчёт значения выталкивающей силы Рассчитаем значение выталкивающей силы, действующей на тело высотой Н, площадью основания S со стороны жидкости плотностью (рис. 89). Сначала рассчитаем силу давления жидкости на верхнюю поверхность тела. Так как = ” то = PiS = p^ghiS. Теперь рассчитаем силу давления жидкости на нижнюю поверхность тела: ^2 = Р2^ = (J>2 = Pшg^^2)■ Выталкивающая сила равна разности сил -Fg и F’ji ^'выт = ^2-^1 = Pжg^^2S - = = Рж^(*2 - *l)'S = РжёНЗ. Учитывая, что объём тела = HS, получаем выражение для выталкивающей силы -^выт ^ Рж^^т» ^’.ыт = Обратите внимание на то, что в формулу выталкивающей силы входит плотность жидкости, а не тела. Произведение плотности жидкости на объём тела представляет собой массу жидкости в объёме тела, а если тело погружено в жидкость не полностью, то произведение Ряс^т Р^вно массе жидкости в объёме не всего тела, а только погружённой его части. Произведение rriy^g представляет собой силу тяжести жидкости в объёме погружённой части тела. Поэтому F =F выт тяж. ж Поскольку ВЫВОД оказался довольно сложным, повторим его. Разберитесь в каждом переходе этого вывода: 85 ■^выт ^2 Р2^ Pl^ Рж^^2^ = Рж^(^2 - ^i)'S = 9жёН8 = p^gV^ = m^g = Желательно теперь, не заглядывая в текст, проделать вывод формулы самостоятельно. П I Q Остановимся, подумаем Действует ли выталкивающая сила на тело, погружённое в газ? Постарайтесь самостоятельно, не заглядывая в дальнейший текст, дать ответ на этот вопрос и обосновать его. Для газов (как и для жидкости) выполняется закон Паскаля. Внутри газов существует давление, возрастающее с приближением к Земле. Поэтому выталкивающая сила должна действовать на тела не только в жидкостях, но и в газах. Эта сила не всегда заметна, так как часто она оказывается намного меньше, чем сила тяжести тел. Но она существует, и её можно зарегистрировать, например, в опыте, показанном на рисунке 90. Уравновесим на коромысле весов шар а грузиком Ь, поместим весы под колокол и откачаем из-под него воздух. Шар опустится вниз. Почему? Дело в том, что в воздухе на шар действовала выталкивающая сила. Она подталкивала его вверх. Когда же воздух откачали, выталкивающая сила перестала действовать на шар и он перевесил грузик. Итак, сформулируем закон Архимеда. На тело, погружённое в жидкость или газ, вертикально вверх действует сила, равная силе тяжести жидкости или газа, умещающихся в объёме погружённой части тела. Интересный факт из истории Этот закон был впервые установлен древнегреческим учёным Архимедом. (287—212 до н. э.) и носит его имя. Рис. 90 86 Архимед также первым вывел правило рычага, продемонстрировал большие возможности, которые рычаг предоставляет человеку. Большой вклад внёс Архимед и в развитие математики. Он был почётным гражданином своего родного города Сиракузы, много сделал для защиты его от врагов. Мы советуем вам подробнее ознакомиться с жизнью этого замечательного учёного. 14.3. Проверка формулы закона Архимеда на опыте Значение выталкивающей силы мы вывели с вами теоретически. Полученный результат необходимо проверить на опыте. Для этого воспользуемся небольшим ведёрком и плотно умещающимся в нём цилиндром. Подвесим ведёрко и цилиндр к пружине, как показано на рисунке 91, а. Погрузим цилиндр в воду (рис. 91, б). Вполне понятно, почему пружина сжалась: на цилиндр подействовала выталкивающая сила. Нальём в ведёрко воды до самого верха. В ведёрке уместилось столько же воды, сколько уместилось бы внутри цилиндра. Почему указатель на рисунке 91, в вернулся в исходное положение? (Постарайтесь ответить самостоятельно.) Потому что сила тяжести воды в цилиндре уравновесила выталкивающую силу. Выталкивающая сила равна силе тяжести жидкости, умещающейся в объёме погружённой части тела. а а) 87 Экспериментальное задание № 10 Проверка закона Архимеда Задание 1 Оборудование: стакан с водой, груз массой 100 г, динамометр, мензурка. Ход работы 1. С помощью мензурки измерьте объём груза и вычислите выталкивающую силу которая будет действовать на него при погружении в воду. 2. С помощью динамометра измерьте выталкивающую силу действующую на груз со стороны воды. 3. Сравните рассчитанное и измеренное на опыте значение выталкивающей силы. Задание 2 Оборудование: весы учебные без чашек, два груза массой по 100 г, имеющие разные объёмы, два стакана с водой, пластилин. Ход работы 1. Укрепите грузы на коромысле весов и, если потребуется, уравновесьте их с помощью пластилина (рис. 92). 2. Ответьте на вопрос: нарушится ли равновесие весов, если оба груза опустить в стаканы с водой? Ответ объясните. 3. Ваш ответ проверьте на опыте. Задание 3 Оборудование: весы учебные без чашек, два груза одинаковой массы и объёма, стакан с водой, стакан с любой жидкостью, кроме воды. Ход работы 1. Прикрепите грузы к коромыслу и при необходимости уравновесьте их с помощью пластилина. 88 Рис. 94 2. Ответьте на вопрос: нарушится ли равновесие весов, если один из грузов опустить в стакан с водой, а другой — в стакан с другой жидкостью? Ответ обоснуйте. 3. Ваш ответ проверьте на опыте. А теперь попытайтесь ответить на следуюш,ие вопросы: 1. Нарушится ли равновесие весов, если левый стакан наполнить кислородом (рис. 93)? 2. Нарушится ли равновесие весов, если груз опустить в воду (рис. 94)? Вопрос сложный. Некоторые из вас, наверное, решили, что перетянет правая чашка, так как на груз подействует сила со стороны жидкости вверх. Но, проделав опыт, можно убедиться в том, что равновесие весов не нарушится. В чём дело? А в том, что, согласно закону действия и противодействия, с какой силой вода подействовала на тело вверх, с такой же силой тело подействовало на воду вниз. Если эту силу учесть, то станет ясно, что равновесие весов не должно нарушиться при опускании груза в воду. Z Вопросы 1. Каким образом можно убедиться в том, что на тело, погружённое в жидкость, действует выталкивающая сила? Как измерить эту силу? 2. Объясните причину возникновения выталкивающей силы. 3. От каких величин зависит выталкивающая сила? Как на опыте можно проверить эту зависимость? 89 4. Сформулируйте закон Архимеда. 5. Как можно на опыте убедиться в справедливости закона Архимеда? 6. Действует ли выталкивающая сила на тело со стороны газов? ^ Упражнение 4 7 1*, / 2 Рис. 95 1. На какое из тел, показанных на рисунке 95, в воде действует наибольшая выталкивающая сила? 2. Изменится ли выталкивающая сила, если эти тела погрузить в керосин? Почему? 3. Изменится ли выталкивающая сила, если тело опустить в жидкость на большую глубину? 15. Плавание тел 15.1. Тело тонет, плавает, всплывает Выясним, почему одни тела в воде тонут, другие всплывают, а третьи (например, рыбы, подводные лодки) способны плавать внутри жидкости. Рассмотрите рисунок 96, а, б, в. На нём вы увидите ответы на поставленные вопросы. А теперь по рисунку 97 рассмотрим подробнее, что происходит при всплытии тела. F > F ^ тяж ^ выт гптё > Рт ^ Рж а) F = F Рт ~ Рж б) Рис. 96 - F < F * тяж ^ выт rrirg < Рж^тё Рт < Рж в) 90 а) б) Рис. 97 в) По мере всплытия тела объём его погружённой части уменьшается, поэтому выталкиваюш,ая сила также непрерывно уменьшается. Сила тяжести тела остаётся неизменной. Когда выталкивающая сила сравняется с силой тяжести (рис. 97, в), тело перестаёт всплывать. 6^ Экспериментальное задание № 11 Условие плавания тел Задание 1 Оборудование: динамометр, сосуд с водой, мензурка, три одинаковые баночки или пробирки с песком разной массы, сосуд с жидкостью известной плотности (например, с подсоленной водой). Ход работы 1. С помощью динамометра (рис. 98) определите силу тяжести тела зультаты вычислений и измерений заносите в таблицу 7. 2. Используя мензурку (рис. 99), найдите объём тела V^. 3. Рассчитайте выталкивающую силу, которая будет действовать на тело при погружении его в жидкость: •^ВЫТ Рж^т^* Внимание! Вам следует подставлять в формулу выталкивающей силы плотность ////////// Рис. 98 91 Рис. 99 не воды, а той жидкости, в которую предстоит опускать тело. 4. Сравнивая значения и дайте ответ на вопрос, как будет вести себя тело при погружении в воду. 5. Ответ проверьте на опыте, погрузив тело в данную вам жидкость. 6. Заполните таблицу 7. Таблица 7 Номер тела Жидкость ^тяж ^выт Соотношение междуР„^иР,„ Тонет, плавает или всплывает 1 2 3 Задание 2 Оборудование: шары или цилиндрики, жидкость в стакане (плотности тел и жидкости известны). Ход работы 1. Установите, будут ли тонуть, плавать или всплывать в жидкости выданные вам тела. 2. Заполните таблицу 8. 3. Сделайте выводы и проверьте их на опыте. Таблица 8 Номер тела Тонет, плавает или всплывает Объяснение 1 2 3 92 15.2. Плавание судов Выведенное выше условие (см. рис. 96) лежит в основе плавания тел. Например, рыбы, чтобы всплыть, надувают воздухом плавательный пузырь (рис. 100). Его объём при этом увеличивается, возрастает выталкивающая сила, тело рыбы разворачивается головой вверх. Виляя хвостом, рыба действует на воду назад, а вода действует на рыбу вперёд, и рыба всплывает. Подводная лодка имеет специальные отсеки, которые при погружении заполняются водой (рис. 101). Сила тяжести лодки при этом возрастает, и она погружается. При всплытии мощные насосы нагнетают сжатый воздух из специальных баллонов в отсеки с водой. Вода вытесняется за борт лодки, и лодка становится легче. Когда сила тяжести становится меньше выталкивающей силы, лодка всплывает. Так же происходит и подъём затонувших кораблей. С корабля-спасателя на воду опускаются полые металлические цистерны — понтоны. В их дне имеются отверстия, сквозь которые в понтоны поступает вода. При этом они погружаются на дно. Водолазы тросами прикрепляют понтоны к затонувшему кораблю. После этого с корабля-спасателя по шлангам под сильным давлением в понтоны начинает поступать воздух. Он вытесняет из понтонов воду. Теперь уже выталкивающая сила, действующая на систему тел корабль — понтоны, оказывается больше силы тяжести. Затонувший корабль вместе с понтонами всплывает. Впрочем, в аквариуме вы можете сами проделать подобный опыт с игрушечной лодкой (рис. 102). Рис. 100 93 Выталкивающая сила зависит от объёма погружённой части тела. У корабля объём подводной части достигает сотни тысяч кубических метров. Поэтому возникает большая выталкивающая сила, способная удержать на плаву корабль с большим грузом. На корпусе корабля проводится ватерлиния^ указывающая безопасную для плавания осадку. Погружение корабля ниже ватерлинии опасно: волны могут захлестнуть его, вода через люки на палубе может попасть в трюмы и затопить корабль. Если же ватерлиния значительно выше уровня воды, т. е. корабль погружён в воду недостаточно, то корабль не должен выходить в плавание: волны могут раскачать и опрокинуть его. Поэтому трюмы порожнего корабля обязательно нагружают балластом (песком, гравием). У кораблей есть важная характеристика — водоизмещение. Водоизмещение равно выталкивающей силе, действующей на корабль, погружённый в воду до ватерлинии. Согласно условию плавания водоизмещение равно силе тяжести корабля с грузом. Вот некоторые данные: у судна «Ракета» подводная часть имеет объём 25 м^. Поэтому выталкивающая сила, действующая на это судно, равна ■^ВЫТ Рж^Т^ = 1000 • 25 м3 • 9,8 S = 25 • 10^ Н = 2,5 • кН. ’кг Это наибольшая сила тяжести, которую может иметь данное судно с грузом. Масса его при этом равна т = g 25 • Ю'* Н ^ о Н 9,8 — кг « 25 • 10^ кг = 25 т. А танкер «Крым», например, имеет объём подводной части 182 000 м^. Поэтому водоизмещение его рав- 94 но 1 820 000 кН, что соответствует массе танкера с грузом 182 000 т. t Вопросы 1. Сформулируйте условие плавания тел. 2. Как происходит погружение и всплытие подводной лодки? 3. Что такое водоизмещение корабля? Как оно связано с грузоподъёмностью корабля? Ш Упражнение 5 1. Если блюдце опустить на воду ребром, оно тонет. Если блюдце опустить на воду дном, оно плавает на поверхности. Почему? 2. Возьмите две стеклянные банки: одну с чистой водой, другую с сильно солёной водой. В каждую из банок опустите по картофелине. Что при этом вы наблюдаете? Объясните результат опыта. 3. На весах уравновесили отливной сосуд с водой (рис. 103, а). Затем в воду опустили деревянный брусок. Равновесие весов при этом нарушилось (рис. 103, б). Но когда вся вода, вытесненная плавающим бруском, вытекла из сосуда, равновесие весов восстановилось (рис. 103, в). Объясните это явление. 4. На рисунке 104 изображено одно и то же тело, плавающее в двух разных жидкостях. Что можно сказать о силе тяжести, действующей на тело, и архимедовой силе в том и другом случае? Плотность какой жидкости больше? Почему? 95 5. Деревянный поплавок со свинцовым грузом опускают в воду, а потом — в керосин. И в той и в другой жидкости поплавок не тонет. В какую из них он погрузится глубже? 6. Пользуясь таблицей плотностей, определите, какие металлы в ртути будут плавать, а какие — тонуть. Таблица плотностей Газы Жидкости Твёрдые тела Азот 0,00125 г/см^ Бензин 0,73 г/см^ Пробка 0,2 г/см^ Воздух 0,00129 г/см^ Керосин 0,8 г/см^ Лёд 0,9 г/см^ Кислород 0,00143 г/см^ Спирт 0,8 г/см^ Дерево Масло 0,9 г/см^ сосна 0,5 г/см^ Вода 1 г/см^ берёза 0,88 г/см^ Вода морская 1,03 г/см^ дуб 1,02 г/смЗ Глицерин 1,26 г/см^ Стекло 2,5 г/см^ Ртуть 13,6 г/см^ Алюминий 2,7 г/см^ Сталь 7,8 г/см^ Золото 19,3 г/см^ Осмий 22,5 г/см^ 7. Будет ли кусок льда плавать в бензине; в керосине; в глицерине? 8. В каком порядке расположатся в одном сосуде три не смешивающиеся между собой жидкости: вода, керосин, ртуть? Сделайте соответствующий рисунок и объясните его. 9. Как в сосуде, содержащем воду, керосин, ртуть, расположатся три сплошных шарика: пробковый, парафиновый, стальной? Ответ обоснуйте. Сделайте рисунок. 10. В сосуде с водой (рис. 105) плавает пробирка. Останется ли пробирка на такой же глубине, если воду слегка подогреть? охладить? (Увеличение объёма пробирки при нагревании и охлаждении не учиты- Рис. 105 вайте.) 96 Заглянем глубже S 16. Исследования атмосферы Воздушный шар (По книге А. Нечаева «Чудеса без чудес»)^ Двести лет назад маленький французский городок Аноне стал известен на весь мир. Там был запущен первый воздушный шар! Придумали его братья Монгольфье. В назначенный день на площади собралась несметная толпа народа; все хотели посмотреть на невиданную диковинку. В центре площади висел на столбах огромный полотняный шар — семь саженей^ в ширину. Снаружи он был оклеен бумагой. Внизу было сделано большое отверстие, а под отверстием висела жаровня. Братья Монгольфье положили в жаровню горячие угли. Они нагрели воздух в шаре — он расширился, часть его вышла, шар сделался легче. Братья перерезали канат, которым шар был привязан к столбу. Шар рванулся, дрогнул и поднялся вверх. Скоро он скрылся в облаках (рис. 106). Братья Монгольфье захотели узнать, можно ли летать на таком шаре людям. Но желающих отправиться в воздушное путешествие не находилось. Монгольфье привязали к шару большую плетеную корзину и посадили в неё овцу, петуха и утку. Рис. 106 1 См.: Книга для чтения / сост. И. Г. Кириллова. — М.: Просвещение, 1986. 2 Одна сажень равна 2,13 м. 97 Это были первые воздухоплаватели. Вернулись они на землю благополучно. Интересный факт из истории 7 августа 1887 г. через европейскую территорию России проходила полоса полного солнечного затмения. Ввиду сплошной облачности это явление невозможно было наблюдать в нормальных условиях. Поэтому великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев без пилота поднялся в воздух на воздушном шаре и успешно провёл наблюдения. Швейцарский учёный Пиккар является одновременно создателем первого в мире стратостата и первого батискафа, первым стратонавтом и первым гидронавтом. Шары, о которых говорилось выше, наполнялись тёплым воздухом, плотность которого меньше, чем у атмосферного воздуха. В дальнейшем шары стали заполнять водородом или гелием. Стали возможны полёты в стратосферу. В нашей стране первый полёт в стратосферу был совершён 30 сентября 1933 г. Стратостат «СССР-1», пилотируемый Г. А. Прокофьевым, К. Д. Годуновым и Э. К. Бирнбаумом, поднялся на рекордную для того времени высоту — 19 км. Стратостат «Осоавиахим-1» 30 января 1934 г. с пилотами А. Б. Васенко, Н. Ф. Федосеенко и И. Д. Усы-скиным достиг высоты 22 км. При спуске стратостата экипаж погиб. В настояш;ее время для наблюдения за атмосферой, состоянием погоды многие исследовательские станции запускают шары-зонды. К ним прикрепляют контейнер с множеством датчиков, регистрирующих состояние атмосферы: её состав, давление, температуру, скорость ветра и т. д. С помощью радиопередатчика эти данные передаются на землю. За состоянием атмосферы непрерывно ведут наблюдение и метеоспутники. По снимкам, сделанным с них, можно следить за состоянием атмосферы не только континентов, но и малых посёлков и городов, можно обнаружить конкретные источники её загрязнения. Например, на снимке воздушного бассейна над Москвой, полученном с помощью космического спутника, выде- 98 ляются районы, экологически опасные для здоровья людей. Это развязки крупных магистралей, районы, в которых расположены большие промышленные предприятия. i 17. Поверхностное натяжение жидкостей Силы, которые действуют между молекулами поверхностного слоя жидкости и внутренними слоями, а также силы, действуюгцие между молекулами поверхностного слоя жидкости и внешним телом, соприкасающимся с этим слоем, называются силами поверхностного натяжения. Силы, действующие в поверхностном слое жидкости, объясняют многие явления природы. 17.1. Что такое смачивание Посмотрите на рисунок 107. Пока силы, действующие на канат, со стороны мальчиков одинаковы, канат находится в покое. Однако стоит одному из соревнующихся приложить силу большую, чем может развить другой, как канат вырывается из рук второго. Образуется разрыв. Нечто подобное происходит и в жидкостях. Подвесим на пружине стеклянную пластину. Пружина, конечно, растянется. Теперь осторожно будем опускать пластину вниз, пока она не соприкоснётся с поверхностью воды (рис. 108, а). б) Рис. 108 V77777777777777. в) Посмотрите на слой жидкости, расположенный под пластиной (рис. 108, б). На него, как и на канат, действуют две силы: — вверх со стороны частиц стекла, ^2 — вниз со стороны молекул воды нижерасположен-ных слоев. Если же потянуть стеклянную пластину вверх, то произойдёт отрыв этого слоя воды от нижних. Он окажется на пластине (рис. 108, в). Дело в том, что притяжение молекул этого слоя воды к стеклу оказалось больше, чем притяжение их к молекулам нижних слоев. Явление, подобное тому, что наблюдается в данном опыте, называется смачиванием. Если же стеклянную пластину опустить на поверхность ртути (рис. 109), то притяжение слоя ртути, рас- положенного под пластиной, к нижним слоям ртути окажется сильнее, чем притяжение этого слоя к стеклу. «Перетянет» ртуть. На стекле слоя ртути не останется. В данном случае говорят: ртуть стекло не смачивает. I о Остановимся, подумаем На основе опытов, показанных на рисунках 108, 109, сделайте вывод о том, при каком условии жидкость смачивает или не смачивает поверхность тела. Почему же жидкости смачивают поверхности одних тел и не смачивают поверхности других тел? Рассмотрите рисунок 110. На стеклянную пластину падает капля воды. Первоначально она имеет сферическую форму (рис. 110, а). Рассмотрим силы, действующие на молекулы воды, соприкасающиеся со стеклом. На них действуют сила со стороны стекла и сила F со стороны внутренних слоёв воды. В данном случае сила F^ оказывается больше, чем сила F. Поэтому молекулы этого слоя воды притянутся к стеклу. На месте этих молекул воды окажутся другие, и они, подобно первым, притянутся к стеклу. Так, капля воды растечётся по стеклу и примет форму, показанную на рисунке 110, б. Если же на стекле находится капля ртути, то в месте контакта ртути и стекла сила притяжения частиц ртути к стеклу оказывается меньше, чем сила притяжения этих частиц к внутренним слоям ртути (рис. 111). а) б) Рис. 110 101 Частицы, расположенные на поверхности ртути, будут отходить от стекла, уменьшая тем самым плош;адь соприкосновения капли с поверхностью стекла. Капля примет форму, близкую к сферической. Именно этим объясняется подвижность шариков ртути. Известно, что когда разбивается термометр, то очень трудно собрать шарики ртути, раскатившиеся по столу или полу. Что будет происходить — смачивание или несмачи-вание поверхности жидкостью, — конечно, зависит от соотношения сил молекулярного взаимодействия, а значит, от жидкости и веп1;ества, с которым она соприкасается. Так, вода смачивает, кроме стекла, шерстяные ткани, бумагу, не смачивает парафин, масло, резину. Водой трудно отмыть руки, если они покрыты слоем масла. (Слой масла сильнее притягивается к рукам, чем к воде.) Мыльный раствор, обволакивая масло, отрывает его от кожи и втягивает внутрь себя вместе с частичками грязи. Вода не смачивает каменноугольную смолу. Это обстоятельство учитывают при изготовлении толя. Толь — строительный материал — картон, пропитанный каменноугольной смолой. При пайке радиодеталей используют припой. Припой — состав из олова и свинца, который смачивает медь. Кожа и перья водоплаваю-ш;их птиц пропитаны составом, не смачиваемым водой; поэтому птицы не намокают, чего нельзя сказать, например, о собаках. 17.2. Явление капиллярности Если тонкую стеклянную трубку — капилляр опустить в воду, то уровень воды в ней изменится. Почему это происходит? Объяснение вы видите на рисунке 112. Ввиду смачивания вода растекается по стеклу. Здесь стекло выполняет роль каркаса. Сила поверхностного натяжения Fj, действуюш;ая со стороны стекла на поверхностный 102 слой, поднимает жидкость вверх. Поверхность жидкости приобретает форму вогнутого мениска. Если же стеклянную трубку погрузить в ртуть, то её уровень в трубке понизится (рис. 113). Объяснение этому явлению попытайтесь дать самостоятельно, выполнив соответствуюш;ие рисунки в тетради. 8 Остановимся, подумаем Подумайте также над тем, от каких величин зависит высота подъёма (опускания) жидкости в капилляре: от плотности жидкости (не зависит? зависит? как зависит?); от радиуса капилляра (не зависит? зависит? как зависит?); от массы жидкости в сосуде (не зависит? зависит? как зависит?); от рода жидкости и вещества, из которого изготовлен капилляр (не зависит? зависит? как зависит?). Правильность вашего предположения можете проверить по формуле для расчёта высоты капиллярного подъёма жидкости: h = ^ — коэффициент, зависящий от рода жидкости и вещества, из которого изготовлен капилляр; р — плотность жидкости; г — радиус капилляра. (Вывод этой формулы мы не при- 103 водим, но вы можете найти его во многих учебниках физики.) Явление капиллярности имеет широкое распространение в природе и нашло применение в быту и технике. Так, растения пронизаны сетью капилляров, по которым распространяются питательные вещества. Мелкие кровеносные сосуды в теле человека и животных также представляют собой капилляры. На явлении капиллярности основано использование салфеток, полотенца, фитиля керосиновой лампы. Если свежевы-струганную поверхность какого-либо деревянного изделия покрасить, то цвет его быстро потускнеет: краска уйдёт по капиллярам внутрь дерева. Поэтому перед покраской эти поверхности покрывают слоем олифы. В утрамбованной почве также образуются капилляры. По ним вода из нижних слоев почвы поднимается вверх и испаряется. Для задержания воды после таяния снега на полях производят вспашку почвы. При этом капилляры разрушаются и влага дольше задерживается в почве. f Вопросы 1. в каком случае жидкость смачивает {не смачивает) поверхность тела? 2. Приведите примеры смачивания и несмачивания, их использования и проявления в природе. 3. В чём заключается явление капиллярности? Где проявляется это явление? 4. От каких величин зависит высота капиллярного подъёма {опускания) жидкости? 5. Почему расплавленный жир плавает на поверхности воды в виде кружков? 6. Слепить фигурку из сухого песка нельзя, а из мокрого можно. Почему? Можно ли слепить фигурку из песка под водой? 7. Почему растекаются чернила при письме на бумаге плохого качества? 8. Если масляной краской покрыть оштукатуренную поверхность {или картон), то вместо блестящего слоя весьма 104 прочной краски на ней получается слой красящего порошка, легко стирающегося. Отчего это происходит? Какую роль играет предварительная грунтовка таких поверхностей олифой? ^ Упражнение 6 1. Нарушится ли равновесие весов, если стеклянную пластину осторожно опустить на воду (рис. 114)? Рис. 115 2. Чтобы не пролить воду при переливании её из одного сосуда в другой, можно использовать стеклянную палочку (рис. 115). Объясните это явление. 3. С какой целью смолят дно лодок, железнодорожные шпалы? 4. Отчего легко писать чернилами по плотной бумаге, трудно — на салфетке и нельзя — на промасленной? 5. Какой грунт после дождя высыхает быстрее — песчаный или глинистый? Почему? Повторим, обдумаем изученное Повторим самое главное 1. Сформулируйте закон Паскаля. Приведите пример опыта или явления, в котором проявляется действие закона Паскаля (для жидкостей). 2. Для чего используется гидравлический пресс? На чём основано его действие? 105 3. От каких величин зависит давление на глубине жидкости? 4. В чём причина возникновения выталкивающей силы, действующей на тело при погружении его в жидкость? 5. От каких величин зависит выталкивающая сила? 6. Сформулируйте условие, при котором тело тонет, всплывает, плавает на глубине жидкости. Ответьте на этот же вопрос путём сравнения плотностей жидкости и тела. 7. Что такое водоизмещение корабля? ^ Упражнение 7 1. Объясните опыт, показанный на рисунке 116. 2. Стальной брусок подвешен к пружине и опущен в воду (рис. 117). С одинаковой ли силой давит вода на верхнюю и нижнюю поверхности бруска? Ответ обоснуйте. У///у^/А Рис. U6 Рис. 117 3. На поверхности воды (рис. 118) плавают бруски из дерева, пробки и льда. Укажите, какой из них деревянный, пробковый и ледяной. 4. К чашкам весов подвешены два одинаковых железных шарика (рис. 119). Нарушится ли равновесие весов, если шарики опустить в указанные на рисунке жидкости? Ответ обоснуйте. У//7/7У/////У/ Рис. 118 106 5. Пробирка, в которой находится брусок из пластилина, плавает в воде (рис. 120, а). Изменится ли глубина погружения пробирки в воду, если пластилин вьшуть из неё и прикрепить ко дну (рис. 120, б)? Е1сли изменится, то как? Ответ объясните. 6. В воду опущены медный кубик массой 10 г и тонкая медная пластинка массой 10 г. Одинаковая ли выталкивающая сила действует на кубик и на пластинку? 7. Почему нельзя тушить водой горящий керосин? 8. Подводная лодка, опустившись на мягкий грунт (илистое дно), иногда с трудом отрывается от него. Как объясняется «присасывание» лодки к грунту? 9. Бумажный колпак уравновешивают гирькой, которая подвешена к нити, перекинутой через блок (рис. 121). Под колпак подносят зажжённую спиртовку (при этом колпак придерживают). Затем спиртовку убирают и отпускают колпак. Что произойдёт при этом? Ответ обоснуйте. 10. Стеклянный сосуд достаточных размеров наполняют кислородом (рис. 122), а сверху пускают плавать крупные мыльные пузыри. Одновременно пускают один-два пузыря в стороне от сосуда, в воздухе они опускаются вниз. Как объяснить то, что в сосуде пузыри не опускаются вниз? 11. На коромысле весов уравновесили два одинаковых сосуда. Нарушится ли равновесие весов, если один из них поместить в открытую банку и заполнить её углекислым газом (рис. 123)? О Рис. 123 Рис. 124 12. Возьмите фарфоровую чашку, опустите её на поверхность воды и налейте в неё воду так, чтобы чашка плавала (рис. 124). Как изменится уровень воды в сосуде, если чашку утопить? ^ Проделайте опыт Водяной подсвечник Возьмите стеариновую свечу. На нижнем конце закрепите небольшой грузик и опустите в стеклянный сосуд с водой. Свеча должна плавать, как поплавок (рис. 125). Верхний конец с фитилём должен чуть выступать над водой. Зажгите свечу. Как долго будет гореть свеча? Используя Интернет, подготовьте сообщения по темам {на выбор). 1. Влияние давления жидкости на подводный мир морей и океанов. 2. Исследование морских глубин. 3. Шлюзы, их назначение и устройство. 4. История кораблестроения с древних времён до наших дней. 5. Исследование атмосферы с помош;ью воздушных шаров. $ 18. Испарение и конденсация Испарение — процесс перехода жидкости в пар. Конденсация — процесс перехода пара в жидкость. Многое об испарении и конденсации вам уже известно. Поэтому постарайтесь самостоятельно ответить на вопросы, приведённые в левом столбце таблицы, сверяя ваши ответы с ответами, данными в правом столбце. Вопрос Ответ 1. На весах гирьками уравновешен стакан с водой (рис. 126). Что произойдёт с показаниями весов спустя некоторое время? 2. Как объясняется явление испарения жидкости с молекулярной точки зрения? 1. Вода в стакане будет испаряться, масса её уменьшаться. Чашка весов со стаканом поднимется вверх. 2. Явление испарения объясняется вылетом молекул с поверхности жидкости (рис. 127). Рис. 126 Рис. 127 109 Окончание табл. Вопрос Ответ 3. Любые ли молекулы способны вырваться из жидкости? Почему? 3. За пределы жидкости молекулам мешают вылететь силы притяжения, действующие между ними. Только быстрые молекулы, обладающие большой кинетической энергией, способны преодолеть эти силы. 4. К носику чайника с кипящей водой подносят блюдце. Почему при этом на блюдце образуются капли воды? 4. Пар, выходящий из чайника, касаясь блюдца, охлаждается и конденсируется в мелкие капли влаги. 5. Человек на морозе выдыхает воздух — идёт пар. Почему? 5. В воздухе, выдыхаемом человеком, содержатся пары влаги, которые при охлаждении конденсируются. Возникает туман. 6. Как можно объяснить замерзание окон зимой? 6. Пары влаги, находящиеся в комнате, конденсируются на холодном стекле. Образовавшаяся влага замерзает. Стекло покрывается слоем инея. 7. С чем связано возникновение облаков над Землёй? 7. Пары, поднимаясь вверх, охлаждаются. При их конденсации образуются мелкие капли влаги, составляющие облака. 8. На основе рассмотренных выше примеров назовите условие, при котором происходит конденсация. 8. Конденсация происходит при охлаждении паров до определённой температуры. 18.1. От чего зависит скорость испарения жидкости Вопрос Ответ 1. На весах уравновешены два стакана с водой при разных температурах (рис. 128). Что про- 1. Чем выше температура жидкости, тем больше энергия её молекул. В воде при температуре 110 Продолжение табл. Вопрос Ответ изойдёт спустя некоторое время? Почему? Дайте объяснение с молекулярной точки зрения. t = 20°C t = 80°C 80 °С содержится большее число быстрых молекул, чем в воде при температуре 20 °С. Поэтому вода при температуре 80 °С испаряется быстрее. Перевесит стакан с холодной водой. 2. Одинакова ли скорость испарения воды в обоих сосудах (рис. 129)? 2. Часть молекул, вылетевших из первого сосуда, может возвратиться обратно. Молекулы же, вылетевшие из второго сосуда, уносятся потоком воздуха (рис. 130). Испарение из второго сосуда происходит быстрее. 111 Продолжение табл. Вопрос Ответ 3. Капнем по капле воды на полиэтиленовую плёнку и на салфетку. Какая из этих капель быстрее испарится(рис. 131)? 5^ а Ф о S Ф 3 S 3 О t; 3. Ввиду смачивания на салфетке вода растечётся по большей площади (рис. 132), поэтому больше молекул будет вылетать за одно и то же время с влажной бумаги. Она высохнет быстрее. 3 S ф 3 О 42:? Рис. 131 Рис. 132 4. Капля спирта испаряется быстрее, чем капля воды (рис. 133). Почему? Вода Спирт 4. В жидкостях молекулы по-разному взаимодействуют друг с другом. Молекулы воды сильнее притягиваются друг к другу, чем молекулы спирта, поэтому им труднее вырваться за пределы жидкости. Вода испаряется медленнее, чем спирт. Медленно испаряются глицерин, жир, ртуть. 112 Окончание табл. Вопрос Ответ 5. Что произойдёт с показаниями жидкостного манометра, если на теплоприёмник капнуть каплю спирта (рис. 134)? Ответ обоснуйте. Спирт 5. При испарении спирта из него вылетают наиболее быстрые молекулы. Средняя кинетическая энергия молекул, остающихся в жидкости, уменьшается, следовательно, уменьшается температура спирта и воздуха в тепло-приёмнике. Давление воздуха в теплоприёмнике падает, становится меньше, чем давление атмосферы в левом колене манометра. В правом колене уровень жидкости повышается. Рис. 134 Общий вывод 1. Все жидкости при любой температуре испаряются. 2. Скорость испарения зависит от температуры, рода жидкости, площади поверхности и скорости движения окружающего воздуха. 3. При испарении жидкости охлаждаются. Экспериментальное задание № 12 Наблюдение сублимации иода Оборудование’, пробирка с кристалликами иода, спиртовка. Ход работы Нагревайте пробирку с кристалликами иода на пламени спиртовки. Какое явление наблюдаете? Как его объяснить? 113 Пробирка заполняется парами иода малинового цвета, что говорит об испарении иода. Значит, испаряются не только жидкости, но и твёрдые тела. Такое явление называется сублимацией. В качестве примера сублимации можно привести высыхание мокрого белья на морозе: сначала вода замерзает, а затем лёд испаряется с поверхности белья. 18.2. Что происходит с внутренней энергией в процессах испарения и конденсации Поставим стакан с водой на стол. Измерим температуру воды. Спустя несколько часов повторим измерение температуры. Показания термометра не изменились (конечно, при условии, что температура в помещении оставалась постоянной). В чём дело: ведь при испарении температура жидкости должна понижаться? Если бы опыт проводился в безвоздушном пространстве, то температура жидкости интенсивно понижалась бы (рис. 135). Объясним, почему не происходит понижения температуры воды в открытом стакане. Как только температура воды за счёт испарения понижается хотя бы незначительно, она становится меньше температуры окружающей среды (рис. 136). Поэтому сразу же возникает теплопередача. Энергия от окружающей среды поступает к жидкости, и температура ч 3 м . &■ ж ■ ■ Рис. 135 t = 20 °С Рис. 136 114 жидкости восстанавливается. Значит, к открытому сосуду с жидкостью от окружающей среды непрерывно поступает энергия. На что идёт энергия Q, поступающая от окружающей среды? Коротко можно ответить так: на образование пара. Часть этой энергии тратится на работу выхода молекул из жидкости (т. е. на преодоление сил молекулярного притяжения). Другая часть идёт на работу по расширению вещества (ведь в паре моле- кулы дальше расположены друг от друга, чем в жидкости): ^ '^вых "^расш* Вывод Чтобы жидкость превратить в пар, необходимо затратить энергию, а значит, у пара некоторой массы внутренняя энергия больше, чем у жидкости такой же массы, при одинаковой температуре. А что должно происходить при процессе, обратном испарению, т. е. при конденсации? Нетрудно догадаться, что энергия должна выделяться. В этом можно убедиться, выполнив следующий опыт (рис. 137). Возьмём два стакана с одинаковым количеством воды при температуре 20 °С. В один из стаканов впустим некоторое количество водяного пара, находящегося при температуре 100 °С. Пар в холодной воде сконденсируется, и уровень воды в стакане повысится. Заметим этот уровень и измерим температуру воды. В другой стакан дольём воды, имеющей температуру 100 °С, до уровня первого стакана. Измерив температуру во втором стакане, мы увидим, что она ниже, чем в первом. Значит, одинаковые массы воды и пара при одной и той же температуре отдали разное количество энергии воде. Больше энергии отдал пар. Значит, внутренняя энергия пара при температуре 100 °С больше, чем внутренняя энергия воды при этой 115 же температуре. Поэтому так опасен, например, ожог паром. В обращении с ним следует проявлять особую осторожность. 18.3. Кипение Наверняка каждый из вас наблюдал за процессом кипения воды. Но делали ли вы это достаточно внимательно? Сумели ли заметить явления, происходящие в нагреваемой и кипящей жидкости? Выполняя экспериментальное задание № 13, вы сможете выделить различные стадии кипения и лучше понять суть этого явления. 116 ^ Экспериментальное задание № 13 Наблюдение за кипением жидкости Оборудование: спиртовка, штатив, пробирка с водой, держатель для пробирок, термометр. (Вместо пробирки можно использовать маленький химический стакан.) Ход работы 1. Соберите установку для нагревания воды в пробирке. 2. Измерьте начальную температуру воды и включите спиртовку. 3. Измерьте температуру в момент, когда на дне и стенках пробирки начнут появляться маленькие пузырьки. Это воздух, растворённый в воде. При нагревании воды его содержание в воде становится избыточным. Он выделяется в виде пузырьков. 4. Измерьте температуру в момент, когда пузырьки воздуха начинают всплывать. Но многие из этих пузырьков на поверхности воды исчезают. Дело в том, что вода испаряется не только с поверхности, но и внутрь пузырьков. (Воде всё равно куда испаряться, был бы воздух.) Пузырьки под действием паров воды начинают расширяться, как воздушный шар при его надувании. С увеличением объёма пузырьков возрастает выталкивающая сила, действующая на них со стороны воды. (Вспомните: ^^выт ^ Рж^т^*) Когда ^выт ^ ^тяж» пузырёк воздуха начинает всплывать вверх. е о Остановимся, подумаем Подумайте, почему пузырёк воздуха исчезает, поднявшись на поверхность. На поверхности вода ещё не прогрелась. Поэтому пары, содержащиеся в пузырьке, охладились и сконденсировались. 5. Когда жидкость окажется достаточно прогретой, вы заметите, что пузырьки воздуха, поднимаясь, не уменьшаются в объёме, а, наоборот, увеличиваются. Измерьте температуру, соответствующую этому процессу. 117 а) б) t,C Объяснение этой стадии процесса кипения состоит в том, что жидкость хорошо прогрета по всему объёму. Поэтому конденсации паров в пузырьках не происходит. 6. Наконец, вы видите, что из пузырьков, поднявшихся наружу, вырываются клубы пара. Начинается кипение. Давление паров внутри пузырька становится больше, чем атмосферное. Пузырёк лопается, как слишком сильно раздутый шар. Пары, содержащиеся в пузырьках, вырываются наружу. 7. Продолжайте измерять температуру ещё некоторое время. Постройте график зависимости температуры воды от времени наблюдения. (На рисунке 138, а показаны различные стадии процесса кипения, соответствующие п. 1—7.) Как видно из опыта, кипение происходит при постоянной температуре (рис. 138, б). Но ведь нагреватель продолжает работать. К жидкости продолжает поступать энергия. Почему же тогда температура её не растёт? Дело в том, что в процессе кипения подводимая энергия расходуется не на увеличение скорости частиц (что приводило бы к возрастанию температуры), а идёт на разрыв связей между частицами. Различные жидкости закипают при разных температурах. Например, при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. вода кипит при температуре 100 °С, эфир — 34,6 °С, спирт — 78,3 °С, глицерин — 29 °С, воздух — 193 °С, железо — 275 °С. Проделаем следующий опыт. 118 Нагреем на газовой горелке колбу до 100 °С. Вода в ней закипит. Затем охладим воду до 90—80 °С. Кипение воды в колбе прекратится. Затем подсоединим колбу с помощью шланга к откачивающему насосу (рис. 139). И вскоре, по мере откачивания воздуха из колбы, мы заметим, что вода в ней снова закипела. И это несмотря на то, что температура воды меньше 100 °С. к откачивающему I д Остановимся, подумаем Почему закипела вода? Когда давление воздуха на поверхность воды уменьшилась, то пузырьки воздуха начинают лопаться при меньшем давлении паров внутри них, т. е. при более низкой температуре. А теперь вы сумеете объяснить следующий опыт. В колбе нагревается и кипит вода при 100 °С. Горловину колбы очень осторожно и очень ненадолго закрывают пробкой. Кипение прекращается. Почему? Почему можно закрывать сосуд пробкой только на очень маленький промежуток времени? Когда сосуд закрыт пробкой, то пары скапливаются над водой, увеличивая давление на поверхность воды. При этом давление паров в пузырьках воздуха недостаточно, чтобы разорвать эти пузырьки изнутри и вырваться наружу. Чтобы вода закипела, нужно повысить давление внутри пузырьков воздуха, т. е. сильнее нагреть воду. Внимание! Опыт очень опасный. Если сосуд надолго закрыть пробкой, то давление паров внутри увеличится настолько, что разорвёт сосуд изнутри. Последствия такого опыта будут явно нежелательными. А теперь общий вывод. 119 Температура кипения зависит не только от рода жидкости, но и от давления на её поверхность. f Вопросы 1. Как объясняются явления испарения и конденсации молекулярной теорией? 2. От чего зависит скорость испарения жидкости? 3. Что происходит с температурой жидкости при её испарении? Где проявляется и учитывается данное явление? 4. Почему незаметно понижение температуры воды в стакане при её испарении, но заметно охлаждение мокрого тела в жаркую погоду? ^ Упражнение 8 1. В каком случае хлеб быстрее черствеет — когда он хранится в закрытом шкафу или на столе? 2. Свежеиспечённый хлеб весит больше, чем остывший. Почему? 3. Почему, желая скорее высушить пол, на который пролита вода, её растирают по полу? 4. Объясните, почему бельё скорее просыхает на чердаке при открытых окнах, чем в комнате, даже жарко натопленной. S 19. Пары насыщенные и ненасыщенные Нальём воду в сосуд и накроем его плотно крышкой. Вода начнёт испаряться (рис. 140), и её количество в сосуде будет уменьшаться. Одновременно с этим в пространстве над водой возрастает масса пара. Молекулы пара хаотично движутся в пространстве над водой. Растёт плотность пара. Всё чаш;е молекулы оказываются у поверхности воды и си-Рис. 140 лами притяжения захватыва- 777777777777777. 120 ются ею. В сосуде одновременно протекают два противоположных процесса: испарение и конденсация. В некоторый момент, когда плотность пара достигает определённого значения, интенсивность обоих процессов уравнивается. Число молекул, вылетающих с поверхности жидкости за какое-то время, оказывается равным числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость. Такое состояние называется динамическим равновесием, а пар при этом является насыщенным. При динамическом равновесии масса воды не уменьшается, а плотность пара не возрастает. Не будет снижаться и температура в теплоизолированном сосуде. Ведь сколько энергии жидкость теряет при испарении, столько же энергии возвращается к ней при конденсации. Значения плотности и давления, при которых пар становится насыщенным, зависят от температуры и от рода вещества. Ниже приведена таблица значений плотности и давления насыщенного водяного пара для некоторых значений температуры. Таблица 9 t, с 0 20 40 60 80 100 Р (плотность), 4,8 17,3 52,0 133 293 598 р (давление), Па 613 2333 7330 19 900 47 343 101 325 На рисунке 141, а показан сосуд, в котором налито немного воды. Сосуд закрыт. Температура воды равна 20 °С, а значит, как видно из таблицы, для насыщения р необходимо, чтобы плотность пара была равна 17,3 —^, а давление его 2333 Па. Воды же было так мало, что после её полного испарения плотность пара оказалась все- Г г го 10 —5, т. е. не достигла значения 17,3 . Пар нена- сыщенный. Если в сосуд долить ещё немного воды (рис. 141, б), то может получиться так, что и она вся испарится, а плотность пара всё равно будет меньше 17,3 121 р = 10 Р = 15^з Р=17.3Ь ^77:77777777777777, ^7777Z^7777777, а) б) Р=17,3^з Р = 17,3;^з Пар в) р-17,3^з О О О Р=17.3^:з 7777777777777777777, г) д) Рис. 141 В сосуде будут находиться пар и воздух. Водяной пар прозрачен — и его не будет видно. Если же налить в сосуд ещё больше воды, то часть .. Г ее испарится, плотность пара станет равной 17,3 ^ (рис. 141, в). Внизу останется неиспарившаяся вода. Между водой и паром установится динамическое равновесие. Если долить в сосуд ещё воды (рис. 141, г), плотность пара всё равно не изменится. Ну а что если всё же попытаться увеличить плотность пара в сосуде? Например, впустить в пространство над водой пар, полученный в каком-либо испарителе (рис. 141, д). Первоначально пар над водой в сосуде будет перенасыщенным. Интенсивность конденсации станет преобладать над интенсивностью испарения, в результате чего часть пара сконденсируется в воду. Уровень воды в сосуде повысится, а плотность пара снова окажется равной 17,3 при данной температуре значения плотности и давления пара в закрытом сосуде не превышают значений плотности и давления насыщенного пара. 122 & Вопросы 1. Какой пар называют насыщенным? 2. Что можно сказать о характеристиках пара и жидкости, если они находятся в состоянии динамического равновесия? 3. В сосуде под поршнем находятся вода и насыщенный пар (рис. 142). Что произойдёт, если поршень поднять вверх; опустить вниз? 4. Что произойдёт в сосуде (см. рис. 142), если в него впустить водяной пар? 5. Плотность водяного пара при температуре 40 °С равна р 50 . Какой это пар — насыщенный или ненасыщенный? Рис. 142 Заглянем глубже ^ 20. Сжижение газов Вода может существовать в трёх состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Это всем известно. А другие вещества? Например, кислород нам знаком как газ. А может ли он существовать в жидком и твёрдом состояниях? А другие газы? Можно ли их превратить в жидкость? Оказывается, можно. Ведь газ можно рассматривать как ненасыщенный пар соответствующей ему жидкости, и для превращения его в жидкость необходимо сделать так, чтобы он стал насыщенным. В этом случае он сконденсируется. Рассмотрим возможные варианты такого превращения на примере водяного пара. Пусть в сосуде при температуре 40 °С находится пар плотностью р = 17,3 Как видно из таблицы 9, данный пар ненасыщенный. При температуре 40 °С пар становится насыщен- 123 7^^77777^, v}7}/77?7^777/a vtTTTTTTTTTT^, a) 6) в) г) Рис. 143 ным лишь при плотности 52 —^ . Какими же способами можно привести его к состоянию насыш;ения, чтобы пар сконденсировался? Постарайтесь сами ответить на этот вопрос, прежде чем прочтете следуюш;ий текст. Способ 1. Можно сжать пар, уменьшить его объём до такого значения, при котором плотность пара станет р равной 52 —^ (рис. 143, а, б). Тогда на стенках сосуда, на дне его появятся капли воды. Если сжать пар сильнее, то плотность его не возрастёт, но чем ниже будет опускаться поршень, тем больше под ним будет набираться воды (рис. 143, в, г). Способ 2. Пар в сосуде следует охладить до температуры 20 °С. Из таблицы 9 видно, что такой пар станет насыпденным. Он начнёт конденсироваться. При дальнейшем охлаждении, например до 0 °С, большая часть пара сконденсируется. Таким образом, перевести газ в жидкость, т. е. получить сжиженный газ, возможно, охлаждая или сжимая его. Как было установлено Д. И. Менделеевым, для перевода пара в жидкость сжатием предварительно необходимо понизить его температуру ниже определённого значения, называемого критическим. Впервые сжиженный газ удалось получить английскому учёному Майклу Фарадею (1791—1867). На рисунке 144 показана установка, с помогцью которой ему удалось получить жидкий хлор. 124 в трубке А содержался сухой гидрат хлора. При нагревании выделялся газообразный хлор. Поступая в трубку By накапливаясь в ней с течением времени и одновременно охлаждаясь, он конденсировался в жидкость. Позднее были получены в жидком состоянии углекислый газ, воздух, азот и другие газы. Труднее всего оказалось превратить в жидкость водород и гелий. Их пришлось охладить до температур, соответственно равных -240 и -268 °С. В настоя-щ;ее время техника низких температур располагает установками для получения в жидком виде всех газов. Необходимо отметить большую заслугу академика Петра Леонидовича Капицы (1894—1984) по созданию высокопроизводительных машин для сжижения воздуха. Из жидкого воздуха простым испарением получают составляюЕДие его газы: неон, азот (—147 °С), аргон и кислород (-119 °С). Такой способ получения газов оказался очень экономичным и позволил начать их промышленное использование. Так, использование кислорода вместо воздуха в качестве окислителя позволяет повысить температуру дуги при сварке и резке металлов. Подача кислорода в топку котла теплоэлектростанции, сжигаюш;ей каменный уголь, повышает температуру пламени в топке, что способствует увеличению коэффициента полезного действия (КПД) станции, а также более полному сгоранию топлива и уменьшению выброса отходов в атмосферу. Ряд газов (аргон, неон) используют для заполнения газоразрядных ламп. При включении таких ламп в электросеть происходит излучение характерного для каждого газа света: голубого, оранжевого, зелёного и т. д. Газоразрядные лампы широко используются для освещения, в рекламных установках. Помимо этого неоновые лам- 125 почки применяются в качестве индикаторов в ряде научных и бытовых устройств (часы, счётчики). Врачи прописывают оксигенацию (вдыхание кислорода) больным в острых стадиях некоторых заболеваний, а также для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний. Интересный факт Учёные обнаружили, что ряд веществ при низких температурах значительно изменяют свои свойства. Так, мягкий в обычных условиях свинец становится упругим, а пластичная резина делается хрупкой. Если обычный резиновый мяч ненадолго погрузить в жидкий азот, а затем подбросить вверх, то после удара об пол он разлетится на мелкие куски. Сжиженные газы занимают малый объём, и в таком виде их транспортируют. В частности, именно в сжиженном состоянии доставляют воздух на космические станции. В 1989 г. был совершён экспериментальный полет самолёта Ту-155, в котором в качестве топлива использовался водород. В результате сгорания водорода в двигателе самолёта образовывалась вода. Выбросы из двигателя стали экологически чистыми. Была произведена фотосъёмка экспериментального и обычного вариантов полета самолёта. На снимке за сгшолётом, ис-пользуюш;им в качестве топлива керосин, был виден обычный в таких случаях туманный шлейф, образующийся на продуктах выброса. За экспериментальным же самолётом такого шлейфа не было. Но как уместить на борту самолёта весь водород, необходимый для полёта самолёта по трассе, которая может составлять тысячи километров? Реально это можно сделать только в том случае, если водород будет находиться в сжиженном состоянии. В данном полёте так и было. Большие проблемы возникают при хранении сжиженных газов. Ведь существует огромная разница между температурой сжиженных газов и температурой окружающей среды. Необходимо предотвратить теплопередачу. Английский учёный Джеймс Дьюар пред- 126 ложил для этой цели сосуд с двойными стенками, между которыми был создан вакуум путём откачивания воздуха. Стенки сосуда делались зеркальными, чтобы предотвратить нагревание за счёт излучения. Такой сосуд помещался внутрь металлического корпуса с длинной горловиной, которая не закрывалась пробкой (рис. 145). При испарении части жидкого газа оставшаяся часть газа охлаждалась. f Рис. 145 Вопросы 1. Какими способами можно перевести пар в жидкость? 2. Пусть при температуре 60 °С плотность водяного пара р составляет 67 . Какими способами можно перевести пар в во- ду? 3. Почему так сложно перевести в жидкое состояние водород и гелий? 4. Где используют сжиженные газы? 5. Как хранят сжиженные газы? S 21. Влажность воздуха с поверхности морей, рек, водоёмов постоянно происходит испарение. Количество пара, содержащегося в атмосфере, играет очень важную роль для жизни на Земле. Для предсказания погоды, атмосферных явлений необходимо следить за влажностью воздуха. Величина, характеризующая влажность воздуха, называется относительной влажностью. Она определяется по формуле Ф = • 100%, где р — давление водяного пара в атмосфере; Pq — давление насыщенного водяного пара при данной температуре; ф — относительная влажность, выраженная в процентах. 127 Допустим, давление водяного пара в атмосфере равно 1,60 кПа при температуре 20 °С, (Как видно, давление водяного пара составляет лишь небольшую часть от суммарного давления всех остальных газов в атмосфере, равного 100 кПа.) По таблице 9 находим, что при температуре 20 °С пар становится насыш;енным при давлении 2,33 кПа. Значит, пар далёк от насыщения. Определим относительную влажность: ф = 1,60 2,33 100% =69%. Влажность воздуха играет важную роль в жизни человека. Она влияет на интенсивность испарения пота с тела человека. Наиболее комфортно ощущает себя человек при относительной влажности 40—60%. Относительную влажность можно измерить с помощью ряда приборов. Рассмотрим устройство двух из них. Действие волосного гигрометра (рис. 146) основано на свойстве человеческого волоса удлиняться при увеличении влажности. Волос наматывается на ролик Р и растягивается грузом М. Если влажность возрастает, волос удлиняется и ролик вместе с прикреплённой к нему стрелкой поворачивается. Показания снимаются по шкале. Психрометр^ как видно из рисунка 147, состоит из двух термометров. Один из них показывает температуру окружающего воздуха, другой обмотан марлей, конец которой опущен в сосуд с водой. Вода с марли испаряется, и поэтому температура данного термометра ниже температуры воздуха в помещении. Чем меньше влажность в помещении, тем интенсивнее испаряется вода с марли, тем ниже показания влажного термометра. По разнице показаний термометров с помощью 128 специальных таблиц определяют значение относительной влажности. Такие приборы можно увидеть в музеях, книгохранилищах, на производствах и в других помещениях, требующих соблюдения норм влажности. А теперь коротко расскажем о том, как образуются облака. С высотой атмосферное давление падает. Поэтому воздушные массы, поднимаясь вверх, расширяются. При этом воздух и содержащиеся в нём пары охлаждаются. Пар конденсируется в мелкие капли тумана. При сильных воздушных потоках образование капель воды идёт интенсивно. Появляются плотные слои облаков, в которых мелкие капли сливаются в крупные дождевые капли, возникают осадки в виде дождя или снега. Вопросы 1. Что называют относительной влажностью воздуха? 2. Какими приборами измеряется относительная влажность воздуха? 3. На каких производствах, в каких помещениях необходимо непрерывно следить за относительной влажностью воздуха? Почему? 4. Как связана относительная влажность воздуха с самочувствием людей? Какое значение относительной влажности считается наиболее благоприятным для человека? 5. Каким образом можно увеличить (уменьш.ить) влажность воздуха в помещении? Повторим, обдумаем изученное Повторим самое главное 1. Объясните процессы испарения и конденсации с молекулярной точки зрения. 2. От чего зависит скорость испарения? 3. Объясните, как происходит процесс кипения жидкости. 4. Что происходит с температурой жидкости при кипении? 5. От чего зависит температура кипения? 6. Почему жидкости при испарении охлаждаются? Приведите примеры проявления и использования этого явления. 7. Какой пар называют насыщенным; ненасыщенным? 129 8. Что будет происходить в закрытом сосуде, если в него нагнетать пар? 9. Каким образом можно перевести пар в жидкость? 10. Что такое относительная влажность? 11. С помощью каких приборов измеряется относительная влажность? 12. От чего зависит относительная влажность? 13. Почему утром на земле и на листьях растений образуется роса? Всегда ли это происходит? 14. Почему утром появляется туман? В каких местах наиболее вероятно его появление? Что представляет собой туман? 15. Почему зимой стёкла покрываются инеем? С какой стороны стекла образуется иней? 16. Почему перед закипанием воды в чайнике у его носика появляется непрозрачная струйка? Что она собой представляет? ^ Упражнение 9 1. Капля воды, попав на раскалённую плиту, начинает на ней прыгать. Почему? 2. Какое значение имеет для организма выделение пота? 3. Почему мы не получаем ожога, если кратковременно касаемся горячего утюга мокрым пальцем? 4. Если на поверхность воды положить нитку и с одной стороны от неё капнуть эфир, то нитка будет перемещаться. Почему это происходит и в какую сторону она перемещается? 5. Почему чернилами не получается писать на жирной бумаге? 6. Как изменяется относительная влажность воздуха при его нагревании? 7. Почему зимой оконные стёкла запотевают, если в комнате много людей? 8. Врачи для исследования горла или зубов иногда вводят в рот пациента зеркальце. При этом зеркальце предварительно нагревают выше 37 °С. Зачем? 9. Ночью при густой облачности не бывает росы. Почему? 10. Колбу с кипящей водой перестгиют нагревать, переворачивают и начинают сверху поливать холодной водой (рис. 148). При этом кипение возобновится, хотя температура воды стала меньше 100 °С. Почему? 130 11. Почему высоко в горах при приготовлении пищи невозможно нагреть воду до 100 °С в открытой посуде? Что необходимо сделать, чтобы нагреть воду до 100 °С? 1^1 Используя Интернет, подготовьте сообщения по темам (на выбор). 1. Испарение и конденсация. 2. Примеры атмосферных явлений, связанных с парообразованием и конденсацией. 3. Сжиженные пары, получение и использование их. Глава V Мир кристаллов S 22. Что такое кристалл^ Кристаллы встречаются повсюду. Мы ходим по кристаллам, строим из кристаллов, обрабатываем кристаллы на заводах, выращиваем кристаллы в лабораторных и в заводских условиях, создаём приборы и изделия из кристаллов, широко применяем кристаллы в науке и технике, едим кристаллы, лечимся кристаллами, находим кристаллы в живых организмах, проникаем в тайны строения кристаллов, выходим на просторы космических дорог с помощью приборов из кристаллов и растим кристаллы в космических лабораториях. В земле иногда находят камни такой формы, как будто их кто-то тщательно выпиливал, шлифовал, полировал. Это многогранники с плоскими гранями, с прямыми рёбрами. Правильные и совершенные формы этих камней, безукоризненная гладкость их граней поражают нас. Трудно поверить, что такие идеальные многогранники образовались сами, без помощи человека. Вот эти-то тела с природной, т. е. не сделанной руками человека, правильной, симметричной, многогранной формой и называются кристаллами. Кристаллы удивительно разнообразны. Размеры природных многогранников достигают подчас челове- ^ В главе V использованы выдержки из книги М. П. Шас-кольской «Кристаллы» (М.: Наука, 1978). 132 Рис. 149 Рис. 150 ческого роста и более (рис. 149, 150). Встречаются кристаллы-лепестки тоньше бумаги и кристаллы-пласты в несколько метров толш;иной. Бывают кристаллы маленькие, узкие и острые, как иголки, и бывают громадные, как колонны. В некоторых местностях Испании такие кристаллические колонны ставят как столбы для ворот. В музее Горного института в Санкт-Петербурге хранится кристалл горного хрусталя (кварца) высотой около метра и весом больше тонны, который много лет служил тумбой у ворот одного из домов в Екатеринбурге. Многие кристаллы идеально чисты и прозрачны, как вода. Недаром говорят: «прозрачный как кристалл », « кристально чистый ». Формы кристаллов. Рассмотрим внимательно кристаллы разных вегцеств (рис. 151). Как отличить их друг от друга? По цвету? По блеску? Нет, это признаки ненадёжные. К примеру, кристаллы кварца могут быть бесцветными (горный хрусталь), золотистыми, коричневыми, чёрными (дымчатый горный хрусталь, морион), сиреневыми, лиловыми (аметист). Разные названия, но минерал один и тот же — кварц, один из самых распространённых минералов на Земле, один из наиболее широко применяюш;ихся в промышленности. В музее Горного института в Санкт-Петербурге хранится коллекция кристаллов природного корунда 40 различных цветов и оттенков: кроваво-красный рубин, лазорево-синий или голубой сапфир, бесцветный лей- 133 косапфир, чёрный наждак — всё это один и тот же минерал корунд, или оксид алюминия AlgOg. В то же время, например, прозрачно-золотистыми могут быть и кварц, и топаз, и турмалин, и циркон, и многие другие минералы. К тому же у разных образцов одного и того же минерала цвета и оттенки могут быть совсем разными. Приглядевшись к кристаллам внимательнее, нетрудно увидеть особенность, гораздо более характерную, чем разница в цвете: кристаллы разных веществ отличаются друг от друга своими формами. Кубики кристаллов каменной соли не спутаешь со столбиками берилла или с пластинами медного купороса; от шестигранных призм-«карандашиков» кварца с первого взгляда можно отличить восьмигранные кристаллы алмаза (см. рис. 151). Так что же, у каждого кристалла есть своя характерная форма, по которой можно его узнавать? И да и нет. Каждому вепцеству присуш;а характерная форма кристалла. Однако формы кристаллов разных веш;еств могут быть очень похожими. А главное не Кристалл Кристаллы граната Кристалл Кристалл каменной соли алмаза корунда W \у Кристаллы кварца Кристалл турмалина Рис. 151 134 Кристалл берилла Кристалл циркона Рис. 152 в этом. Не всегда кристалл попадает к нам в руки в его естественной многогранной форме. Отнюдь не всегда вырастает кристалл многогранником — это удаётся лишь при благоприятных условиях, когда ничто не мешает его росту. Давно прошли те времена, когда считали, что кристаллы — это естественные многогранники, и поэтому думали, что кристаллы встречаются редко, считали их «игрой природы». Да, правда, кристаллы-великаны, например, такие, как горный хрусталь, показанный на рисунке 150, попадаются не так уж часто. Однако кристаллы окружают нас повсюду. Уж на что, казалось бы, глина не похожа на кристаллы, но и она состоит из мельчайших кристаллических частичек. Даже у таких веществ, как обыкновенная сажа, человеческие кости, волосы, волокна шерсти, шёлк, целлюлоза и т. п., обнаружено кристаллическое строение. Только не всегда кристаллы можно увидеть простым глазом. Посмотрите в лупу на самый обыкновенный булыжник или на излом любого металла (рис. 152), и вы увидите, что камни и металлы сложены из отдельных кристаллов, только эти кристаллы очень мелкие, сросшиеся друг с другом. Кристаллы не надо специально искать: не найти таких металлов и почти не встретить таких камней, которые не были бы кристаллическими. Но в большинстве своём камни и металлы — это поликристаллы^^ т. е. сростки многих мелких кристаллических зёрен, и в этих сростках уже неразличимы многогранные формы отдельных монокристаллов^". Да и не только неразличимы. Этих форм просто нет, и не вырастает моно-кристальное зерно многогранником, потому что со всех сторон теснят его другие такие же монокристаллы. По- ^ Приставка «поли» означает «много». ^ Приставка «моно» означает «один». 135 этому в очертаниях зерна уже не остается следов многогранника. Нередко образуется поликристалл столь мелкозернистый, что и в лупу, и в микроскоп нельзя различить в нём отдельные кристаллики. Вопросы 1. Что является отличительной особенностью кристаллов? 2. В чём отличие монокристалла от поликристалла? § 23. Строение и свойства кристаллов. Аморфные тела 23.1. Строение кристаллов Чем же объясняется правильная форма монокристаллов и почему кристаллы различных веществ имеют различную форму? Ответ на тот и другой вопрос кроется во внутреннем строении веществ. Посмотрите на рисунок 153. На снимке, сделанном при увеличении в 8 тысяч раз с помощью электронного микроскопа, отчётливо просматриваются ряды частиц. Поверхность, уместившаяся на снимке, имеет длину 9 нм, а ширину 13 нм (нанометр — единица длины, используемая при изучении строения атома; 1 нм = = 10~^ м). Вы видите, частицы одинаково расположены по всей этой площади, такой малой по нашим привычным масштабам и такой огромной по сравнению с размерами частиц. Многие исследования, проведённые учёными, убедительно доказывают, что частицы Рис. 153 (молекулы, атомы или ионы) 136 располагаются внутри кристалла в узлах кристаллической решётки. Что это означает? Не надо думать, что внутри кристалла есть какие-либо металлические стержни, которые скрепляют между собой частицы. Стержни и не требуются. Их роль в решётке выполняют силы взаимодействия между частицами, о которых говорилось в главе I. Огромное количество частиц, находяпцихся даже в небольшом объёме, взаимодействуют друг с другом. Силы взаимодействия заставляют частицы найти такое положение, в котором действие на каждую из них будет скомпенсировано. Это условие достигается только в том случае, если молекулы, атомы или ионы образуют симметричные ряды, сетки и решётки. Правильное повторяющееся симметричное расположение частиц обязательно для кристаллов: оно является характерной особенностью, отличающей их от не-кристаллов. Если поведение частиц оценивать с энергетической точки зрения, то можно отметить, что совокупность частиц веш,ества устанавливается в такое положение, в котором потенциальная энергия их взаимодействия принимает наименьшее значение. В качестве аналогии приведём следуюш;ие два примера (рис. 154). 1. Шарик, пущенный с горки из положения 1, поколебавшись, остановится на дне ямы в положении 2, там, где потенциальная энергия его взаимодействия с землёй наименьшая (рис. 154, а). 2. Между двумя упорами натянута резинка. Оттянем её в сторону (положение 1) и отпустим. Вы знаете, что 137 после нескольких колебаний резинка остановится в положении 2. Но в этом положении она меньше всего деформирована, а значит, обладает самым маленьким запасом потенциальной энергии (рис. 154, б). Итак, взаимодействие частиц в кристалле приводит к тому, что частицы устанавливаются только во вполне определённых положениях, где силы, действующие на них, оказываются скомпенсированными, а потенциальная энергия их взаимодействия становится наименьшей. Такое строение и называют кристаллической решёткой^ а положения, в которых могут располагаться частицы, — узлами кристаллической решётки. Однако частицы отнюдь не замирают в узлах решётки. Они способны вращаться, колебаться, совершать другие сложные движения, но лишь вблизи своих узлов. Стоит же какой-либо частице «заблудиться», оказаться вне узла, как нарушается равновесие сил и окружающие частицы устанавливают частицу в одно из возможных положений в свободный узел. На рисунке 155 показана модель строения кристаллической решётки поваренной соли. Это так называемая элементарная ячейкау в её узлах расположены положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора. Теперь представьте себе, что вправо и влево от этой ячейки мы вплотную приставим такие же ячейки. Образуется ряд. Такие же ряды образуем спереди и сзади, сверху и снизу. У нас получится сооружение, внутреннее строение которого аналогично строению кристалликов поваренной соли. Если вы хотите рассказать другу (подруге), какие у вас в комнате обои, то вам нет необходимости передавать характер рисунка по всей площади стены. Достаточно выделить определённую площадь, рисунок которой периодиче- 138 ски повторяется по всей стене. Аналогично, чтобы представить строение кристалла, достаточно знать строение элементарной ячейки. Элементарная ячейка — совокупность минимального числа частиЦу регулярно повторяющаяся внутри кристалла. Ячейку, показанную на рисунке 155, создали ионы натрия и хлора. Для других же частиц условия равновесия достигаются при иных формах элементарной ячейки. Строение кристаллической решётки железа совсем не такое, как, например, у льда. Для каждого ве-щ,ества характерен свой узор, свой порядок расположения частиц. На рисунке 156 показаны элементарные ячейки ряда кристаллических веш;еств. Вы видите, на- Алмаз а-Железо Графит ^-Железо Рис. 156 139 сколько различно строение этих веществ. Природа разнообразна и не любит повторений. Мало этого, многие кристаллические вещества могут иметь различное строение элементарной ячейки, несмотря на то что в их узлах расположены одинаковые частицы. Например, в узлах кристаллических решёток алмаза и графита расположены одинаковые частицы — атомы углерода (рис. 156, а). Но как непохожи эти ячейки друг на друга. Разное строение могут иметь кристаллы железа и других веществ (рис. 156, б). Оказывается, что строение ячейки зависит не только от «строительного материала» (частиц), но и от технологии строительства, т. е. от условий, в которых растёт кристалл. Так, кристаллы, выросшие в недрах Земли в зоне сильного сжатия пород, могут иметь одну форму. Кристаллы же, образовавшиеся в результате кристаллизации расплавленной магмы у подножия вулкана, имеют другое строение. Кристаллы того же вещества, выращенные искусственно, совсем непохожи на те, что выросли в природе. 23.2. Строение кристаллов определяет их свойства Посмотрите на рисунок 155, где показано строение элементарной ячейки поваренной соли, и вспомните, что крупицы поваренной соли имеют кубическую форму. Здесь наглядно проявляется связь между строением кристаллической решётки и формой самого кристалла (рис. 157). Впервые эту догадку выдвинул М. В. Ломоносов. В настоящее время с помощью кристаллохимического анализа по форме кристалла можно определить его химический состав. От строения кристаллической решётки зависит не только форма, но и свойства кри- 140 Рис. 158 Сталлов. В этом вы сможете убедиться из дальнейшей части параграфа. Сейчас же обратимся к явлению, известному под названием полиморфизм. Оно заключается в возможности существования у одного вещества различных форм элементарных ячеек. Ярким примером такого вещества является углерод. Посмотрите на рисунок 158. Сажа, или копоть, — мягкий чёрный порошок, собирающийся на внешней поверхности кастрюль и сковородок, помещаемых в пламя, или в печной трубе; выбрасываемый из заводских труб чёрными клубами дым. Уголь древесный или каменный — является одним из основных видов топлива. Графит — мягкий стерженёк карандаша, оставляющий след на бумаге. Алмаз — самый дорогой и самый красивый из драгоценных камней. Гранёный алмаз называют бриллиантом. Различия между этими веществами настолько велики, что трудно поверить в то, что все они состоят из атомов одного и того же химического элемента — углерода. 141 Однако если по рисунку 156 рассмотреть строение элементарной ячейки кристаллов графита и алмаза, то различия в их свойствах становятся понятными. Элементарная ячейка графита имеет слоистое строение, поэтому-то графит так мягок. При письме один слой грифеля легко отслаивается от другого. При нагревании графита атомы углерода имеют возможность увеличить размах колебаний за счёт пространства между слоями. Поэтому графит, не разрушаясь, выдерживает высокие температуры и расплавляется лишь при температуре 3850 °С. Из графита, например, изготавливают огнеупорные кирпичи, которыми выкладывают внутренние поверхности ковшей для разливки расплавленной стали. А теперь посмотрите на элементарную ячейку алмаза. Какая плотная, компактная структура! Отсюда твёрдость алмаза: он твёрже всех камней на Земле. Алмазом можно резать, сверлить твёрдые породы. Многим из вас, наверное, довелось видеть маленький кристаллик алмаза, вставленный в металлическую оправу стеклореза (рис. 159, а). Алмазы помещают на буры, с помощью которых геологи или нефтяники бурят твёрдую земную породу (рис. 159, б). Но попробуйте нагреть алмаз. В пламени кислорода при температуре 720 °С он сгорает так, что остаётся лишь островок сажи. И это можно понять, рассматривая элементарную ячейку алмаза: ведь при нагревании атомы, получая энергию, увеличивают амплитуду своих колебаний. Но в отличие от графита в ячейке алмаза нет свободного пространства. Атомы «вышибают» друг друга из узлов — кристаллическая решётка разрушается. Разными являются и свойства железа в зависимости от строения его элементарной ячейки (см. рис. 156). Ячейка р-железа более компактная, чем ячейка а-же- а) б) Рис. 159 142 леза. Ионы железа в ней сильнее связаны друг с другом. Поэтому изделия, выполненные из железа с таким строением ячейки, являются более прочными. На этом основана такая термическая операция обработки материалов, как закалка. Деталь нагревают до температуры 1000 °С, а затем быстро охлаждают. При быстром охлаждении раскалённого железа атомы не успевают перегруппироваться и сохраняют очень плотную упаковку, характерную для более высоких температур. В «Одиссее» Гомера есть такие слова: «Как погружает кузнец раскалённый топор или секиру в холодную воду и зашипит с клокотаньем вода, — крепче железо бывает, в огне, воде закаляясь». Строением кристаллов объясняется ещё одно их свойство — анизотропия. Разберём это слово по составу: «тропос» означает «направление в пространстве», «изо» — «одинаковое», приставка «ан» означает «отрицание». Становится понятным, в чём заключается данное свойство. Анизотропия — различие свойств кристалла по разным направлениям. Чтобы понять, в чём проявляется это свойство кристаллов, рассмотрим ряд примеров. Пример 1 Под пресс кладут монокристалл поваренной соли. Сначала кристалл сдавливают со стороны противоположных граней (рис. 160, а), а затем со стороны противоположных рёбер (рис. 160, б). Рис. 160 \ I ! Остановимся, подумаем Как вы думаете, при одинаковом ли усилии разрушится кристалл в обоих случаях? Ответ обоснуйте. Постарайтесь сделать это перед чтением следующего текста. 143 в случае б) кристалл разрушится при меньшем усилии. Это объясняется строением элементарной ячейки поваренной соли (см. рис. 155). Частицы, расположенные на диагонали куба, удалены друг от друга дальше, чем частицы, расположенные вдоль рёбер. Поэтому смять такую конструкцию по диагонали проще, чем вдоль рёбер. Пример 2 Пластинку, вырезанную из монокристалла кварца, покрывают ровным слоем парафина. К центру пластинки подносят раскалённую иглу. Кварцевая пластинка начинает прогреваться, а парафин плавиться, через некоторое время граница расплавленного парафина Рис. 161 примет вид эллипса (рис. 161). Остановимся, подумаем Почему расплавленный парафин имеет форму эллипса, а не круга? Кварц — кристалл, и поэтому от точки, к которой прикоснулись иглой, в разных направлениях частицы располагаются по-разному. Вот поэтому нагревание кварца (а соответственно и плавление парафина) в разных направлениях происходит с разной скоростью. От направления в кристалле могут зависеть и другие физические свойства: оптические, магнитные, электрические и т. д. На свойстве анизотропии основано устройство многих физических приборов. Остановимся, подумаем Обладает ли свойством анизотропии поликристалл? В поликристалле отдельные кристаллы срослись беспорядочно. Поэтому, несмотря на анизотропность одного кристалла, поликристалл в целом не обладает таким свойством. Он изотропен. 144 23.3. Аморфные вещества Исследуя с помощью рентгеновских лучей внутреннее строение веществ, учёные обнаружили, что не у всех твёрдых веществ частицы расположены так, как у кристаллов. Существуют твёрдые вещества, которые по своему внутреннему строению больше напоминают жидкости. Частицы в них расположены не так хаотично, как в жидкостях, но и не так упорядоченно, как в кристаллах. Вещества, имеющие подобное строение, называют аморфными (т. е. бесформенными). Типичными представителями аморфных веществ являются стекло, вар, парафин. Причём одно и то же вещество может встречаться как в аморфном, так и в кристаллическом состоянии. Оказывается, очень многое зависит от того, при каких условиях происходит затвердевание вещества. Возьмём знакомое вещество сахар. Сахарный песок — это мелкие прозрачные слипшиеся кристаллы. Кусок сахара спрессован из таких же частичек. Если расплавить сахар, он превратится в мутную густую жидкость. Если этот расплав будет остывать медленно, то образуются кристаллы. Если же остывание происходит быстро, образуется леденец — аморфное вещество. Дело в том, что при быстром остывании частицы не успевают занять определённое место в узлах кристаллической решётки — подвижность их быстро уменьшается. Частицы вынуждены занять такие положения, в которых равновесие не является устойчивым. При таком строении уже не удаётся выделить элементарную ячейку. Помимо этого частицы не удерживаются прочно в таких «промежуточных» узлах. Они могут перемещаться внутри вещества. И через достаточно большое время вся система частиц всё же перестроится в наиболее устойчивое положение, т. е. в кристалл. С течением времени аморфные тела перерождаются в кристаллические. Так, на леденце со временем появляется рыхлая корка, состоящая из множества мелких кристалликов. Обычное стекло тоже кристаллизуется. Очень старое стекло в музеях мутнеет, стеклянные вазы теряют про- 145 зрачность, что объясняется процессом кристаллизации стекла. Известен такой интересный случай. Во Франции есть город Баккара, знаменитый на весь мир производством хрусталя. Во времена Первой мировой войны город был оккупирован немцами. На опустевшем заводе в остываюш;их печах оставался невыплавленный хрусталь. Двадцать дней медленно остывал хрусталь от 1350 до 80 °С. Когда после изгнания оккупантов приступили к ремонту печей, оказалось, что в прозрачной аморфной массе хрустального стекла выросли большие белые кристаллы. Вопросы 1. Какова характерная особенность расположения частиц в кристаллических веществах? 2. В чём причина образования кристаллической решётки? 3. Что такое элементарная ячейка? 4. Какую информацию о веществе позволяет получить знание строения элементарной ячейки? 5. Что такое полиморфизм? Приведите примеры. 6. Что такое анизотропия? Приведите примеры. § 24. Плавление и отвердевание кристаллических тел в зимний день принесём с улицы снег или несколько кусочков льда и положим в банку. Осторожно введём в снег или между кусочками льда термометр (лучше всего воспользоваться термометром для измерения температуры воздуха, так как он измеряет температуру и ниже о °С). Будем следить за изменением температуры и процессами, происходящими в банке (рис. 162). Через несколько минут мы увидим, что снег потемнел, начал оседать. Температура его повысилась. Затем, когда температура достигла значения 0 °С, на дне стала появляться вода. Снег продолжал оседать, количество воды в банке увеличилось. Наконец снег оторвался от дна и всплыл наверх. В течение всего этого времени термометр показывал одну и ту же температуру — 0 °С. 146 и только тогда, когда снег растаял и вместо полной банки снега образовался небольшой слой воды, температура вновь начала повышаться. На рисунке 162 показан график, соответствующий проведённым наблюдениям. Участок АВ на нём соответствует нагреванию льда, а участок ВС — плавлению льда, отрезок CD — нагреванию воды. Процесс перехода кристаллического вещества из твёрдого состояния в жидкое называется плавлением. Мы видели, что в процессе плавления температура не повысилась. То же самое можно было бы установить и для любого другого кристаллического вещества. Процесс плавления любого кристаллического вещества происходит при постоянной температуре, называемой температурой плавления. Различные кристаллические вещества имеют разную температуру плавления. В таблице 10 приведены значения температуры плавления для ряда кристаллических веществ (при нормальном атмосферном давлении). 147 Таблица 10 Вещество f, °с Вещество t,°c Водород -259 Свинец 327 Спирт -114,2 Алюминий 660,4 Лёд 0 Сталь 1300—1500 Олово 231,9 Вольфрам 3420 Процесс перехода жидкости в твёрдое состояние называется кристаллизацией или отвердеванием. На рисунке 163 вы видите график зависимости температуры воды от времени при охлаждении. Кристаллизация происходит при постоянной температуре. Причём значение этой температуры то же, что и при плавлении. Однако не все твёрдые вещества плавятся или отвердевают, подобно воде и льду. У аморфных веществ переход в жидкое состояние происходит по-иному. Поместим в металлическую коробочку несколько кусочков стеарина и начнём нагревать его над слабым пламенем горелки. Мы не заметим какого-либо определённого значения температуры, при котором произойдёт переход стеарина в жидкость. Стеарин будет постепенно размягчаться, превращаясь в густую мутную жидкость. Сравните график зависимости температуры от времени при переходе из твёрдого состояния в жидкое аморфных веществ, показанный на рисунке 164, с графиком плавления льда. На нём нет характерно- АВ — охлаждение воды ВС — кристаллизация CD — охлаждение льда Рис. 163 Рис. 164 148 Рис. 165 го горизонтального участка, соответствующего плавлению. В чём же дело? Почему при переходе кристаллических тел в жидкое состояние и обратно их температура не изменяется? Почему у аморфных тел те же процессы происходят по-иному? Ответить на эти вопросы можно, только зная внутреннее строение веществ. Посмотрим, на что тратилась энергия, получаемая снегом от окружающего воздуха, который имеет более высокую температуру. Пока вода находилась в кристаллическом состоянии, её молекулы располагались в узлах кристаллической решётки. Они находились в устойчивом равновесии, когда силы, действующие на каждую из частиц со стороны соседних молекул, уравновешивали друг друга. Можно сравнить поведение таких молекул с маленькими шариками, расположившимися в небольших лунках, в которых они раскачиваются, но не выкатываются из них (рис. 165). Напоминаем Температура вещества определяется средней кинетической энергией мельчайших частиц вещества. Так вот, при подведении энергии к кристаллическому веществу эта энергия идёт на увеличение скорости теплового движения частиц (размах колебаний шариков возрастает). Когда же значение температуры повышается до температуры плавления, то подводимая энергия идёт уже не на увеличение скорости теплового движения частиц, а на разрушение кристаллической решётки, т. е. на разрыв связей между частицами. (Если продолжить наше сравнение с лунками, то энергия идёт на разрушение всего строения, на уничтожение лунок.) 149 Кинетическая энергия частиц в процессе плавления не изменяется, следовательно, температура при этом остаётся постоянной. В процессе дальнейшего нагрева веш;ества уже в жидком состоянии энергия снова идёт на увеличение скорости движения частиц. Температура при этом начинает возрастать. Теперь рассмотрим, что происходит при нагревании аморфных тел. Поскольку в их строении не наблюдается строгой упорядоченности, то нет необходимости расходовать значительную энергию на разрушение связей между частицами. Обратимся вновь к модели (см. рис. 165). Аморфным веш;ествам соответствовали бы очень мелкие лунки, из которых движугциеся частицы легко могли бы выкатываться. При этом вся энергия, подводимая к аморфному веш;еству, идёт только на увеличение кинетической энергии частиц, что и приводит к непрерывному росту температуры (см. рис. 164). Аморфные вепдества при нагревании постепенно размягчаются. Это их свойство в ряде случаев можно полезно использовать. Так, только благодаря тому, что стекло — аморфное вепдество, оно размягчается и застывает постепенно. Добиваясь различной степени размягчения стекла, стеклодув может выдувать и лепить из него всевозможные изделия. Представьте себе, что стекло, подобно кристаллическим вепдествам, могло бы быть жидким либо твёрдым. В этом случае мы не могли бы иметь те изделия из стекла, которыми сейчас располагаем. Вопросы 1. В чём состоят процессы плавления и отвердевания? 2. Как объясняются процессы плавления и отвердевания на основе молекулярной теории строения вещества? 3. В чём состоит различие перехода в жидкое состояние кристаллических и аморфных тел? Объясните причину данного различия на основе молекулярной теории. Как это различие отражается на графике зависимости температуры от времени нагревания? 150 Заглянем глубже S 25. Выращивание кристаллов Зачем выращивают кристаллы? Прежде всего заметим, что природные кристаллы не всегда достаточно крупны, кроме того, они часто неоднородны: в них имеются нежелательные примеси. При искусственном выращивании можно получить кристаллы крупнее и чище, чем в природе. Есть и такие кристаллы, которые в природе редки и ценятся дорого, а в технике очень нужны. Поэтому разработаны лабораторные и заводские методы выращивания кристаллов алмаза, кварца, корунда. В лабораториях выращивают большие кристаллы, необходимые для научных и технических целей, искусственные драгоценные камни, кристаллические материалы для точных приборов, создают и те кристаллы, которые изучают кристаллографы, физики, химики, металловеды, минералоги, открывая в них новые замечательные явления и свойства. А самое главное — искусственно выращивая кристаллы, создают вещества, каких вообще нет в природе. В лабораториях и на заводах совершенствуют методы создания искусственных кристаллов с нужными свойствами, так сказать, кристаллов по «мерке» или «на заказ». 25.1. Выращивание кристаллов из раствора Существует несколько способов выращивания монокристаллов. Один из них — выращивание кристалла из раствора. Он основан на том, что при понижении температуры растворимость почти всех веществ уменьшается. Пусть в насыщенном горячем растворе содержится какая-либо масса растворённого вещест- 151 ва. Насыщенным называется такой раствор, в котором количество растворяемого в нём вещества достигло наибольшего значения при данной температуре. При охлаждении насыщенного раствора до комнатной температуры в нём окажется лишнее вещество. Иначе говоря, при высокой температуре раствор был насыщенным, а остыв, стал перенасыщенным. Такой перенасыщенный раствор не может долго существовать. Это состояние является неустойчивым. Лишнее вещество начнёт выделяться из раствора. Чтобы ионы, содержащиеся в растворе, начали выстраиваться в кристаллическую структуру, говоря языком строителей, нужен «фундамент». Ионы будут пристраиваться к нему, кристалл станет расти под действием сил взаимодействия между частицами. Таким «фундаментом» является затравка — маленькая крупица вещества или просто дно и стенки сосуда. Правда, на дне кристаллики будут теснить друг друга, а вот на крупице, помещённой в толще раствора, вырастет монокристалл. Рост кристаллов в природе. Перенасыщенные растворы могут образовываться и иначе. Вспомните: если в стакане, кастрюле или каком-либо ещё сосуде была оставлена жидкость, то через несколько дней на стенках сосуда остаётся след, например, соды или соли. Дело в том, что при испарении воды раствор стал перенасыщенным, соли, содержащиеся в ней, оказались в избытке и выпали в осадок (рис. 166). Подобные явления происходят в природе. В соляных озёрах, на мелководье, вода, нагреваясь, испаряется. Соль выпадает в осадок, наращиваясь на дне. Так образуются солончаки, представляющие собой дно высохших соляных озёр. Теперь вообразите пещеру. Сверху из ущелья по её потол-Рис. 166 ку сочится небольшой ручеёк. Через несколько дней 152 Вода, прежде чем попасть сюда, проделала большой путь, омывая прилегаюш;ую местность и растворяя в себе множество различных веш;еств. И вот на каком-либо выступе потолка пеш;еры зависла капля. Вода испаряется с поверхности капли, а соли, содержащиеся в ней, оказываются в избытке. Происходит кристаллизация. На выступе начинает расти сосулька. Но не ледяная. Процесс длится месяцы, годы, столетия. Эта сосулька {сталактит) достигает больших размеров. Ну а в том месте на дне пещеры, куда падает вода, образуется лужица. Вода из неё испаряется, раствор становится перенасыщенным. Образуется небольшой холмик-кристалл. На него продолжает сверху капать вода, насыщенная солями. Вода испаряется, холмик растёт. Снизу вверх растут подчас целые гроздья кристаллов {сталагмитов). Сталактиты и сталагмиты могут встретиться и соединиться в колонну. Необыкновенно красивы эти подземные музеи кристаллов. У тех, кому повезёт увидеть их, на всю жизнь останутся прекрасные воспоминания. db Экспериментальное задание № 14 Выращивание кристалла из раствора Оборудование: стакан, медный купорос (порошок). Ход работы 1. Возьмите стакан горячей воды и всыпьте в него столько порошка медного купороса, сколько сможет раствориться; помешивайте воду, тогда порошок будет растворяться быстрее. 2. Когда порошок совсем перестанет растворяться и начнёт оседать на дно, слейте образовавшийся раствор в другой стакан (так, чтобы в стакан с раствором не попало ни одной крупинки порошка; для этого профильтруйте раствор через фильтровальную бумагу или чистую тряпочку). В получившемся растворе количество вещества как раз соответствует его растворимости при данной температуре, раствор насытился, и больше он не может поглотить ни крупинки вещества (рис. 167). 153 Рис. 168 3. Теперь оставьте стакан с раствором и дайте ему остыть. Когда на дне стакана появятся довольно крупные кристаллы, первый этап работы заканчивается. Далее начинается самый интересный и ответственный этап работы по выращиванию монокристалла. 4. Перелейте раствор из одного стакана в другой. 5. Отделите от дна наиболее крупный кристаллик медного купороса и привяжите его к нитке. Он будет служить затравкой. На рисунке 168 показано выстраивание ионов в кристаллическую структуру. 6. Повторите процедуру получения насыщенного раствора, профильтруйте его тщательно. Стакан с тёплым насыщенным раствором поставьте в такое место, чтобы он не подвергался тряске или нагреванию. 7. Опустите в середину стакана затравку, а свободный конец нити привяжите к карандашу. Карандаш положите на края стакана (рис. 169). Теперь ионы раствора будут пристраиваться к затравке, на ней станет расти кристалл. Наблюдайте за ним до тех пор, пока он не перестанет расти. Желаем вам удачи. Однако не допускайте следующих ошибок. 1. Не вынимайте затравку из раствора, пока не закончите опыт. После перерыва рост кристалла может не возобновиться. 154 начнёт строиться новый кристалл. Образуется не моно-, а поликристалл. 2. Не переставляйте стакан на солнце или близко к горячей батарее. Температура раствора повысится, и кристалл начнёт растворяться. Внимание! Медный купорос — яд, поэтому для данного опыта использовать пищевую посуду нельзя. Если купорос попадёт на руки, надо их тщательно вымыть. 25.2. Как кристаллы растут из расплавов Если кристаллическое вещество нагреть до температуры плавления и выше, оно расплавится. А что, если расплав начать охлаждать? При температуре кристаллизации в расплаве возникает множество мелких зародышей. На них начинается активный процесс роста кристаллов. Мешая друг другу вырастать до больших размеров, они образуют по-ликристаллическую массу. Все процессы выплавки и литья металлов (например, выплавка стали, чугуна) — это кристаллизация из расплава. Её производят в заводских печах из руды, добываемой из недр земли (рис. 170). Если надо вырастить из расплава монокристалл, приходится вести процесс кристаллизации так, чтобы расплав остывал не весь сразу, т. е. чтобы кристаллизация шла не по всему расплаву, а лишь в очень малом его участке. Кристалл обычно выращивают на затравке. В установке расплав находится в неподвижном тигле, куда опущена затравка с растущим на ней кристаллом (рис. 171). Рис. 171 Рис. 170 Затравка Расплав 155 Затравка укреплена на стержне, который непрерывно охлаждают. По мере того как кристалл вырастает, его всё время поднимают, вытягивая стержень с затравкой из расплава, так что с расплавом соприкасается не весь кристалл, а только небольшой его слой, именно тот самый, который сейчас растёт. Кристалл во время роста еш;ё обычно вращают, чтобы тепло от него отводилось равномерно. f Вопросы Как происходит выращивание кристаллов: а) из растворов', б) при выпаривании: в) из расплавов? % 26. Применение кристаллов Есть целые отрасли промышленности, которые работают на кристаллах, не существовавших раньше в природе, — на кристаллических веществах, полностью созданных человеком. Человек синтезировал новые вещества, вырастил из них кристаллы, предсказал и изучил их свойства, нашёл им множество применений во многих областях техники. В первую очередь здесь надо назвать производство полупроводниковых кристаллов германия, кремния, арсенида галлия и многих других. Таких кристаллов в природе не было. Ныне же на заводах выращивают множество полупроводниковых кристаллов. Из этих кристаллов делают самые разнообразные приборы, например транзисторы на рисунке 172. Некоторые из них, например полупроводниковые телевизоры и радиоприёмники, быстро стали широко распространёнными и полностью вытеснили прежние громоздкие ламповые при-Рис. 172 боры. 156 Полупроводниковый кристалл может заменить не одну лампу, а ламповую схему со множеством её деталей. Он может работать как радиоприёмник или ещё более сложная схема, например ЭВМ. Всё дело в том, что электропроводность полупроводникового кристалла очень сильно зависит от его строения и от того, какие примеси содержатся в этом кристаллическом материале. Заметите ли вы одного, так сказать, «лип1него» человека среди всего населения земного шара? Конечно, нет. Даже не в огромной Москве, айв маленьком городке один человек может затеряться бесследно. А вот у полупроводникового кристалла германия заметен (и очень заметен) один атом чужеродного вещества, даже если он приходится на каждые десять миллиардов атомов самого германия. Добавьте в германий ничтожное количество примеси — и электропроводность германия возрастёт в десять раз. Если же ввести, скажем, тысячную долю процента примеси, то электропроводность кристалла германия может измениться в десятки тысяч раз, а у другого полупроводникового кристалла, кремния, даже и в миллион раз. А это значит, что в одном кристалле можно создать участки с совсем разной проводимостью, различающейся и по значению, и по характеру. Для этого надо ввести в кристаллическую решётку примесь так, чтобы она распределялась по кристаллу не однородно, а по заданной программе — так, как нам надо. В простейшем случае, например, в наружном слое кристалла есть примесь, внутри кристалла её нет: в кристалле создались две зоны с разной проводимостью, образовалось соединение двух разных проводников. Подобные соединения способны заменить электронную лампу. Но у этой «лампы» нет проводов, соединений — всё устройство заключено в одном кристалле. Как же можно создать в кристалле заданное распределение примесей? Для этого надо выращивать кристалл так, чтобы при его росте примеси вводились в него постепенно по заданной программе. Или можно в уже готовый выращенный кристалл ввести примесь путём диффузии, на- 157 Рис. 173 неся ее тонким слоем на поверхность кристалла. Чаще всего на одном кристалле наращивают слой другого кристалла, а потом третьего и т. д. — так получаются как бы бутерброды из кристаллов. Всё это один растущий кристалл, но он же целый прибор или сложная схема (рис. 173). В наши дни сложные электронные схемы не соединяют, спаивая провода, а выращивают в кристаллизаторе. Прибор растёт по законам кристаллизации! Внутри кристалла научились создавать не только отдельные переходы, но и сложные схемы. Так это и называется — твёрдые схемы. Узор схемы переносят на кристалл с помощью фотолитографии — как бы печатают чертёж схемы на кристалле, а потом по этому чертежу вводят в кристалл необходимые примеси или наращивают новые кристаллические слои. Техника эта чрезвычайно сложна: нужно так вести процесс кристаллизации, чтобы регулировать распределение примесей и сочетание кристаллических структур в пределах слоёв толщиной в доли микрона на микронных площадках. Крохотный кристалл размером немного меньше булавочной головки, а в нём размещается сложная электронная схема. Приёмник размером с ящик стал умещаться в размеры школьного пенала, компьютер, занимавший этаж здания, уместился на письменном столе. Представьте себе, что большой завод сжался до объёма спичечного коробка, а то и булавочной головки — такой примерно выигрыш в размерах дали полупроводниковые кристаллы в радиосхемах. Но мысль изобретателей простиралась намного дальше. Если до этого транзисторы, резисторы, конденсаторы и другие очень важные детали размещались на платах отдельно и соединялись в схему с помощью паяльника, то сейчас все эти детали (элементы) объединялись на одном полупроводниковом кристалле (чаще всего кремнии) или на стопке тончайших плёнок. Так были созданы интегральные схемы (рис. 174). Их виды раз- 158 ^ plllllllllltIM 10 1 2 3^ Рис. 174 нообразны, в зависимости от конструкции и назначения их называют: микросхема, чип, процессор и др. Современное радиоэлектронное устройство — сверхбольшая интегральная схема (СБИС) содержит от 10 000 до 1 миллиона элементов в кристалле. В сравнении с интегральной схемой блоха, которую подковал кузнец Левша, показгшась бы мамонтом. Радиоэлектронные устройства, основанные на интегральных схемах, способны принимать информацию в виде электрических сигналов, усиливать её, преобразовывать, хранить, использовать эту информацию для управления различными устройствами и даже целыми производственными процессами. Интегральные схемы используются в хорошо известных вам устройствах: калькуляторе, мобильном телефоне, компьютере и многих других. Небывалые успехи науки и техники в освоении космического пространства вызвали к жизни космическую технологию и космическое материаловедение. В условиях невесомости и глубокого вакуума можно осуществлять расплавление и смешение материалов невиданной чистоты без загрязнения их материалами сосуда, можно смешивать вещества, не смешиваемые в земных условиях. В космических лабораториях были выращены полупроводниковые монокристаллы селенида и тел-лурида германия в десять раз большие, чем удалось вырастить в земных условиях, и значительно более однородные. В космической лаборатории выращивали кристаллы с такой высочайшей степенью однородности и структурного совершенства, какой не могли достичь в земных условиях. Полученные в космосе нитевидные кристаллы сапфира отличаются высочайшей прочностью: они выдерживают давление в десятки раз большее, чем подобные «земные» материалы. Удалось вы- 159 растить монокристаллы в форме сплошных и полых сфер, например для шарикоподшипников. На наших глазах развивается промышленность выращивания кристаллов в космических лабораториях. f Вопросы 1. Где используют полупроводниковые кристаллы? 2. В чём состоит преимущество полупроводниковых приборов по сравнению с ламповыми? 3. Известно, что в микросхеме, изготовленной из кристалла, на площади всего одной тетрадной клетки способно уместиться столько же деталей и узлов, сколько содержится в сотне телевизоров. Почему это возможно? 4. Зачем некоторые кристаллы растят в невесомости? Повторим, обдумаем изученное 1. Как отличаются кристаллы от аморфных тел по своему внешнему виду? 2. Как отличаются кристаллы от аморфных тел по внутреннему строению? 3. Покажите примерами влияние строения кристаллической решётки на свойства кристаллов. 4. Энергия затрачивается в процессе плавления или кристаллизации вещества. Почему? 5. На рисунке 175 дан график охлаждения расплавленной стали. Чему равна температура плавления стали? Ответ обоснуйте. Используя Интернет, подготовьте сообщения по темам (на выбор). 1. Легенды о кристаллах. 2. Виды элементарных ячеек различных кристаллов и их влияние на свойства кристаллических веществ. 3. Рост кристаллов в природе. 4. Выращивание кристаллов в лабораторных условиях. 160 г л а в а VI Внутренняя энергия и способы её изменения $ 27. Внутренняя энергия Мы рассмотрели строение газов, жидкостей и твёрдых тел. Знание строения вещества помогло вам понять большой круг разнообразных физических явлений. Вместе с тем в физике для объяснения многих явлений используется энергетический подход. Это — «мощное оружие» учёных и инженеров. Оказывается, что, вычисляя энергию и следя за её изменениями, можно предсказать, как будут протекать явления в различных системах тел или частиц даже в тех случаях, когда их строение неизвестно. Такими системами могут быть скопления звёзд, плгшетные системы, совокупность частиц вещества, атомы, какие-либо сложные технические устройства. Поэтому в конце изучения строения вещества обратимся к вопросу о внутренней энергии и способах её изменения. Этот подход поможет вам понять многие тепловые явления. Напоминаем Тела состоят из частиц, которые движутся (а значит, обладают кинетической энергией) и взаимодействуют друг с другом (а значит, обладают потенциальной энергией). Сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц тела называется внутренней энергией тела. Внутренняя энергия тела тем больше, чем больше частиц в нём и чем быстрее они движутся, т. е. чем больше масса и температура тела. 161 Экспериментальное задание № 15 Исследование изменения внутренней энергии при совершении работы Оборудование: спица, продетая сквозь корковую пробку, алюминиевая фольга, картон. Задание 1 Ход работы 1. Быстрыми движениями перемещайте пробку вдоль спицы в одну и другую сторону. 2. Что происходит с температурой спицы и пробки? 3. Какая энергия возрастает? За счёт чего она возрастает? Задание 2 Ход работы 1. Положите на картон лист алюминиевой фольги. 2. Прижав пальцем фольгу к картону, перемещайте быстрыми движениями фольгу вдоль картона. 3. Что вы ощущаете при этом? Как объяснить результат опыта? В процессе выполнения заданий вы наблюдали, как при совершении механической работы возрастала внутренняя энергия тел. (Вы ощущали это по нагреванию тел.) Подобное явление можно наблюдать часто. Вспомните, как нагреваются материалы и инструменты при механической обработке (сверлении, строгании, изгибе). В механических станках даже приходится охлаждать инструмент, чтобы предохранить его от перегрева. Иногда в вечернем небе мы наблюдаем падающую звезду. На самом деле это тело, влетевшее из космического пространства в плотные слои атмосферы. Из-за трения оно так сильно разогревается, что начинает светиться. Как правило, такие тела сгорают, не долетая до поверхности Земли. Нагревание тел при трении о воздух приходится учитывать при изготовлении обшивки реактивных самолетов и космических ракет, возвращаемых на Землю космических аппаратов. 162 На рисунке 176 показаны значения температуры различных частей самолёта, летящего на высоте 15 км со скоростью 3200 Для того чтобы стало возможным возвращать на Землю орбитальный корабль многоразового использования «Буран» (рис. 177), его поверхность была облицована 38 тысячами защитных керамических плиток. Каждая из них обрабатывалась по отдельной программе строго для каждого персонального места. Нос же корабля и кромка крыльев, т. е. места, где температура наиболее высокая, обрабатывались специальным термостойким составом. Увеличение внутренней энергии можно понаблюдать на интересном опыте «Воздушное огниво» (рис. 178). В прозрачный цилиндр с толстыми стенками из оргстекла помещают маленький кусочек ваты. Вдвигают в цилиндр поршень и резким движением опускают его вниз. За счёт совершённой работы внутренняя энергия воздуха при сжатии возрастает, увеличивается его температура, в результате чего вата воспламеняется. Во всех описанных выше опытах и явлениях при совершении работы над телами их внутренняя энергия возрастала, что и приводило к нагреванию этих тел. Ну а теперь представим, что газ сам совершает работу над каким-либо телом. Что будет с внутренней энергией газа? Как изменится его температура? Рис. 178 Рис. 177 i п 163 -о» Рис. 179 Увлажним стенки колбы, закроем её пробкой и накачаем внутрь воздух. В некоторый момент под действием давления воздуха пробка вылетит и в колбе появится туман (рис. 179). В данном опыте воздух, выталкивая пробку, совершает работу, его внутренняя энергия уменьшается, температура воздуха и водяных паров, содержаш;ихся в колбе, понижается, что и приводит к появлению тумана. Таким образом, газ совершает работу и его внутренняя энергия уменьшается. В баллоне находится сильно сжатый углекислый газ. Если открыть кран, то газ, расширяясь, настолько уменьшит свою внутреннюю энергию (а стало быть, и температуру), что замёрзнет, превратившись в хлопья «белого снега» (рис. 180). Подобное явление широко используется в технике для охлаждения газов или перевода их в жидкое состояние, а также в огнетушителях. Вопросы 1. Приведите примеры опытов, в которых происходит изменение внутренней энергии газа при совершении работы: а) над газом; б) самим газом. 2. В каких процессах внутренняя энергия газа при совер шении работы увеличивается; уменьшается? Упражнение 10 1. Зимой в тёплую комнату внесли бутылку, закрытую пробкой. Через некоторое время пробка вылетела. За счёт чего у пробки появилась кинетическая энергия? 164 2. Почему воспламеняется горючее в капсуле патрона при ударе по ней бойком во время выстрела? 3. На каком явлении основан способ добывания огня при трении? 4. Почему опасно быстро скользить вниз по канату? 5. Почему, когда человеку холодно, он начинает непроизвольно дрожать? 6. Почему при скоростной обработке металла резец нагревается сильнее, чем при обычной? ^ 28.Теплопередача Мы рассмотрели примеры явлений, в которых изменение внутренней энергии происходит в процессе совершения работы. А может ли изменяться энергия, если работа не совершается? Вспомним по рисункам (рис. 181) ряд известных всем явлений и опытов. Показанные на рисунках тела неподвижны. Значит, работа не совершается. Вместе с тем одни тела нагреваются, и их внутренняя энергия возрастает, другие тела охлаждаются, и их внутренняя энергия уменьшается. Явление изменения внутренней энергии без совершения работы называется теплопередачей, Сущ;ест-вует три способа теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение. Передача энергии в каждом из этих способов происходит по-разному, но тем не менее направление, в котором передаётся энергия во всех случаях, остаётся одним и тем же. Попытайтесь, рассматривая рисунок 181, ус- в) Рис. 181 165 тановить, в каком направлении происходит передача энергии. Вас, наверное, заинтересовало, почему рассматриваемые нами явления называются теплопередачей. Вы наверняка слышали слова «тепло», «теплота», «количество теплоты». Возможно, даже и употребляли эти понятия для объяснения тех или иных явлений. Но что они означают? В XVIII в. тепловые явления объясняли наличием во всех телах особой жидкости — теплорода. Считалось, что в горячих телах её много, в холодных — мало. Для её измерения и была введена такая величина, как количество теплоты. Считалось, что при контакте тел с различной температурой происходит переход теплорода от одного тела к другому, т. е. теплопередача. В дальнейшем теория, основанная на суш;ествовании теплорода, была опровергнута. Современная наука объясняет явление теплопередачи тем, что: при теплопередаче энергия переходит от тела более нагретого к телу менее нагретому. Количество энергии, переданное телу при теплопередаче, называют количеством теплоты. Количество теплоты обозначается буквой Q и, так же как и энергия, измеряется в джоулях. 28.1. Расчёт количества теплоты Изучая процессы нагревания, плавления и кипения, вы могли убедиться в том, что все эти процессы требуют подведения энергии к веш;еству. При охлаждении, отвердевании и конденсации ве-ш;ество, наоборот, выделяет энергию. Эта энергия может подводиться к веш;еству (или отводиться от него) при теплопередаче или при совершении работы. В тех случаях, когда изменение внутренней энергии происходит за счёт теплопередачи, говорят о количестве теплоты. 166 Количеством теплоты называется изменение внутренней энергии, происходящее в процессе теплопередачи. Часто бывает, что нужно рассчитать количество теплоты, необходимое для нагревания тела. Оно определяется по формуле: Q = cm{t2 - ^i), где Q — количество теплоты; с — удельная теплоёмкость; т — масса тела; — первоначальная и конечная температура. Удельная теплоёмкость определяется по таблице. Для каждого вещества она имеет своё значение. Так, например, у воды с = 4200 Дж . Это означает, что для кг • °С нагревания 1 кг воды на 1 °С требуется Q = 4200 Дж. По приведённой выше формуле определяется и количество теплоты, выделяемое при охлаждении тела. Однако при охлаждении - ^i) < 0, а зна- чит, количество теплоты получается отрицательным (Q < 0). Количество теплоты, необходимое для плавления тела при температуре плавления, можно рассчитать по формуле: ^пл = где т — масса тела; X — удельная теплота плавления; Qjjjj — количество теплоты. Удельная теплота плавления равна количеству теплоты, необходимому для расплавления 1 кг вещества, взятого при температуре плавления. Так, для льда А, = 3,4 • 10^ . Значит, для расплав- ления 1кг льда при о °С потребуется 3,4*10® Дж. Эта энергия идёт на разрушение кристаллической решётки. При обратном процессе — кристаллизации — образуется кристаллическая решётка, что сопровождается выделением энергии, равной по модулю количеству те- 167 плоты, затраченному на плавление, но противоположной ей по знаку: ^кр = где — энергия, выделившаяся при кристаллизации веш;ества. Количество теплоты при парообразовании определяется по формуле: Q„ = гт, где г — удельная теплота парообразования; т — масса веш;ества; — количество теплоты. Удельная теплота парообразования равна количеству теплоты, которое надо подвести к 1 кг жидкости, взятой при температуре кипения, чтобы перевести её в пар. Так, у воды г = 2,3 • 10® —. Это означает, что для КГ превращения 1 кг воды при 100 °С в пар потребуется 2,3*10® Дж. При конденсации пара энергия выделяется. Она определяется по формуле: Qko-д = При сгорании топлива происходит выделение энергии. Она может быть определена по формуле: Q = qrn, где q — удельная теплота сгорания топлива; т — масса топлива; Q — количество теплоты. Удельная теплота сгорания равна количеству теплоты, выделяемому при полном сгорании 1 кг топлива. У бензина, например, q = 4,6 • 10”^ . Значит, при сгорании 1 кг бензина выделяется энергия 4,6 • 10^ Дж. Рассмотрим два примера решения задач на расчёт количества теплоты. Задача 1. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для растопления 2 кг льда, взятого при температуре —10 °С. 168 Дано: т = 2кт ti = -10°C ^2 = 0^ С с„, „„ = 2100 Дж льда кг • ®С 3,4* 11)5 Д^ лъди КГ Q-? Решение: о -10 в с t, мин Рис. 182 Общее количество теплоты складывется из энергии, затраченной на нагревание льда и на его плавление Q = Qji + Qпл• АВ (рис. 182) — нагревание льда: = cm (^2 ~ ^i)- ВС — плавление льда: = Хт. = 2100 • 2 кг • 10° = 42 000 Дж = 42 кДж. = 34 • 104 ^ • 2 кг = 68 • 104 Дж = 680 кДж. Q = 42 кДж + 680 кДж = 722 кДж. Задача 2. Какое количество теплоты выделится при превращении 500 г стоградусного пара в воду при 20 °С? Дано: т = 500 г = 0,5 кг ^l = 100 °С ^2 = 20 °С Дж Г =2,3*106 П кг с, = 4200;^ Решение: 0 = 0 + О . ^ ^ конд ^ охл «конд = ^охл “ cm («2 - ti). Q —? = -2,3 • 10® ^ • 0,5 кг = -1,15 • 10« Дж. = 4200 Дж 0,5 КГ *(-80°)= -168*103 дж = кг • °С = -0,168*106 Дж. Q = -1,15 • 10® Дж - 0,168 • 106 Дж _1_32. Дж = = -1,3- ЮбДж. 169 Экспериментальное задание № 16 Расчёт энергии, выделяемой нагревательным прибором (Выполняется в домашних условиях.) Задание Оцените приближённо, сколько энергии (количество теплоты) выделяет за 1 мин газовая горелка (или электронагревательный прибор) вашей кухонной плиты. Ход выполнения работы и расчёты проведите самостоятельно. Вопросы 1. Что называют теплопередачей? 2. Назовите виды теплопередачи. 3. Что называют количеством теплоты? ^ Упражнение 11 1. Рассчитайте количество теплоты, которое надо сообщить 2 кг льда при О °С, чтобы превратить его в стоградусный пар. 2. Какое количество теплоты выделит вода в стакане {V = 200 мл), превращаясь в лёд? Первоначальная температура воды 20 °С. 3. Воду какой массы можно нагреть от 20 °С до кипения, если ей сообщить энергию, равную 200 кДж? 4. На сколько градусов повысится температура воды в стакане ёмкостью 200 см^, если ей сообщить энергию, равную 15 Дж? S 29.Теплопроводность Теплопроводность — явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или же от одного тела к другому при их непосредственном контакте. При этом одна часть тела (или одно тело), конечно, должна иметь более высокую температуру, чем другая часть тела (или другое тело). 170 Рассмотрим примеры явлений, в которых мы сталкиваемся с теплопроводностью. Очень часто мы на ощупь пытаемся определить, холодная вода или горячая. Опускаем руку в воду — чувствуем: холодная. Что же при этом происходит? Очевидно, температура руки (36—37 °С) выше температуры воды. Энергия от руки начинает передаваться воде — рука охлаждается. Чем ниже температура воды (т. е. больше разница температур руки и воды), тем интенсивнее передаётся энергия от руки к воде и тем холоднее нам кажется вода. Если температура воды окажется выше температуры тела, то энергия будет переходить от воды к телу и рука будет нагреваться. Проделаем следующий опыт. Будем нагревать на пламени спиртовки два стержня одинаковой длины и сечения: один медный, другой стальной (рис. 183). На этих стержнях с помощью воска или пластилина на равных расстояниях друг от друга укреплены спички. Мы увидим, как, начиная от места нагревания, спички одна за другой станут падать. Попытаемся понять, что же происходит при нагревании стержней. Частицы вещества, расположенные на нагреваемых концах стержней, получают энергию от пламени. Взаимодействуя с менее быстрыми «соседями», эти частицы отдают им часть своей энергии. Те увеличивают свою скорость и, в свою очередь, отдают энергию «соседям». Так за счёт взаимодействия частиц, составляющих вещество, и происходит теплопередача. Этот процесс будет протекать до тех пор, пока не выргш-няются температуры тел или частей одного тела. Следует отметить, что воск быстрее будет плавиться на медном стержне (спички с него начнут падать раньше, чем со стального). Отсюда можно сделать вывод о том, что теплопроводность меди больше теплопроводности стали. С передачей внутренней энергии путём теплопроводности мы сталкиваемся постоянно. Так при работе паяльником энергия горячего жала переходит к при- 171 пою. Чайник нагревается, так как дно его омывается горячим газом. Желая сварить сгущённое молоко, мы опускаем банку молока в кипящую воду. f Вопросы 1. Вспомните и запишите в тетради известные вам примеры теплопроводности, не упомянутые в тексте. 2. В каких устройствах используются веьуества с хорошей теплопроводностью? 3. В каких устройствах используются веш,ества с плохой теплопроводностью? 4. Какие тела хорошо проводят тепло, а какие плохо? 30. Конвекция 30.1. Что такое конвекция Посмотрите на пламя спиртовки или газовой горелки (рис. 184). Почему у него такая форма? Почему оно обязательно вытянуто вверх? Наверное, ответ на этот вопрос вам ясен. При соединении углерода, содержащегося в спирте, с кислородом образуется углекислый газ. В этом же процессе происходит выделение химической энергии. Поэтому образующийся газ нагрет до температуры порядка 500 °С. Нагретый газ имеет меньшую плотность, чем окружающий воздух. Поэтому он и поднимается вверх. Ну а что если горелку заменить лампой накаливания? Прилегающие к ней слои воздуха нагреются (тут мы имеем дело с теплопроводностью) и начнут подниматься вверх. В этом можно убедиться, расположив над лампой лёгкую вертушку из бумаги (рис. 185). Вы можете самостоятельно проделать этот опыт дома. 172 Вертушку можно изготовить из плотной бумаги или алюминиевой фольги (рис. 186). Вырежьте круг диаметром приблизительно 100 мм. Вдоль радиусов сделайте надрезы (10—12), не доводя их до центра окружности на 15—20 мм. Отогните образовавшиеся лепестки, установив их наклонно к плоскости вертушки. В центре круга проделайте узкое отверстие, проденьте сквозь него нить. На конце нити завяжите узел так, чтобы вертушка не соскальзывала с него. Рис. 186 Движение слоёв жидкости или газа, происходящее по причине неравномерного нагрева, называют конвекцией. о Остановимся, подумаем Рассмотрите рисунок 187 и объясните причину возникновения конвекции в комнате. Заметим, что теплопроводность воздуха плохая, и поэтому комната очень медленно прогревалась бы от батареи, если бы не было конвективных потоков. В основном за счёт конвекции происходит также и прогревание жидкости. Проделаем следующий опыт. Поместим несколько крупиц марганцовки в трубки с водой, показанные на рисунке 188. Начнём нагревать снизу воду в правой трубке. При этом плотность ниж- Рис. 187 173 них слоев воды уменьшается, и они всплывают вверх. На их место снизу из левой трубки начинает поступать холодная вода. Возникает конвективный поток, который начинает выравнивать температуру воды. Движение потоков воды можно наблюдать благодаря растворению марганцовки. ^ Экспериментальное задание № 17 Наблюдение конвекции в воде Оборудование', пробирка пустая, пробирка с кристаллами перманганата калия (марганцовка), спиртовка, стакан с водой, спички, пробиркодержатель. Задание Положите на дно пробирки несколько кристалликов марганцовки и налейте в неё воду (чуть больше половины). Расположите пробирку над спиртовкой, зажгите спиртовку и пронаблюдайте в течение минуты за нагреванием воды в пробирке (рис. 189). Погасите пламя спиртовки и ответьте на следуюш;ие вопросы: 1. За счёт какого способа теплопередачи происходит нагревание воды в пробирке: за счёт теплопроводности или конвекции? Ответ обоснуйте. 2. Нарисуйте движение слоёв воды в пробирке. Ответ обоснуйте. ! Остановимся, подумаем Мы рассматривали до сих пор лишь конвекцию в жидкостях и газах. А возможна ли конвекция в твёрдых телах? Ответ обоснуйте. 30.2. Примеры конвекции в природе и технике Конвекция лежит в основе таких явлений природы, как ветры и течения. Вот как, например, объясняется возникновение лёгкого ветра на морском побережье — 174 бриза. Утром суша быстрее прогревается, чем море, поэтому и воздух над сушей прогревается быстрее, чем над морем. Как более лёгкий, он поднимается наверх, отчего давление в данном месте суши падает. С моря приходит поток холодного воздуха. Это дневной бриз. Он дует с моря на сушу. Понятно, что именно в это время рыбаки на парусных лодках предпочитают возвра-ш;аться на берег. Ночью же суша быстрее остывает, чем море. Воздух над морем теплее. Он поднимается вверх. Начинает дуть вечерний бриз с суши на море. ! Остановимся, подумаем В какую сторону подует ветер в этой местности в солнечное утро (рис. 190)? Ответ обоснуйте. Объяснение причины возникновения морских течений, межконтинентальных ветров более сложно. Но и здесь также имеет место конвекция, возникающая из-за неодинаковой температуры воздуха (или воды) в разных частях земного шара. Явление конвекции учитывается в системе центрального водяного отопления помещений. Горячая вода с теплоэлектроцентрали подаётся в расширительный бак, расположенный на чердаке здания, а оттуда по системе труб поступает в отопительные батареи. Здесь вода отдаёт свою энергию воздуху в помещении и опускается вниз, где она поступает в котёл, нагревается в нём и снова поднимается вверх. Рис. 190 Вопросы 1. Что называют конвекцией? 2. Во всех ли средах может возникнуть конвекция? 3. Приведите примеры явлений природы, основанных на явлении конвекции. 175 21 31. Излучение 31.1. Что такое излучение Излучение, так же как теплопроводность и конвекция, является видом теплопередачи. Причём передача энергии в этом случае может происходить на большие расстояния и без наличия какого-либо веш;ества, в пустоте. Всем хорошо известно, что жизнь на Земле возможна благодаря излучению Солнца. Излучение, идущее от Солнца, прогревает поверхность Земли, её атмосферу, моря и океаны. Ежесекундно Земля получает при этом энергию около кДж. Соответствующая мощность в 100 тысяч раз больше мощности, получаемой человечеством за счёт других источников энергии. Вам также хорошо известно, что излучение происходит от многих источников света, созданных людьми (электрическая дуга, лампа накаливания, лампы дневного света и т. д.). Это излучение можно зарегистрировать с помощью различных устройств. Рассмотрим некоторые из них. Термоскоп. Его устройство показано на рисунке 191. Одна сторона колбы окрашена в чёрный цвет, другая — прозрачная. В изогнутую трубку введена небольшая капля подкрашенной жидкости. Для того чтобы её перемещение было более заметным, на трубке укрепляется экран (лист белой бумаги). Теплоприёмник с жидкостным манометром (рис. 192). Теплоприёмник — коробочка из жести, одна сторона её зеркальная, другая выкрашена в чёрный цвет. Резиновая трубка соединяет теплоприёмник с сообщающимися сосудами (манометром). В опытах, показанных на рисунках 191, 192, излучение, исходящее от лампы, приносит энергию, которая идёт на нагревание воздуха в колбе или теплопри-ёмнике. При нагревании воздух расширяется и смещает слой жидкости. Термостолбик (рис. 193). Его действие основано на электрических явлениях. Даже слабое излучение, по- 176 Рис. 191 падающее на него, вызывает возникновение электрического тока, регистрируемого чувствительным прибором. 31.2. От чего зависит интенсивность излучения Нагреем сильно гирю на газовой горелке или плитке, а затем поднесём к ней термоскоп (рис. 194). Он зарегистрирует излучение. Но ведь гиря не раскалена. Значит, свет она не излучает. Это мы хорошо видим. Но излучение от неё всё же исходит. Наш глаз это излучение не регистрирует, но прибор на него реагирует. Это — тепловое излучение. Оно исходит от каждого тела. Установим, от чего зависит интенсивность излучения. Для этого проведём следующие опыты. Опыт 1 Поднесём термоскоп на одинаковое расстояние поочерёдно к алюминиевому стакану с горячей водой (60—90 °С), к пламени спиртовки (500— 700 °С) и к лампе накаливания (1500 °С). Мы увидим, что смещение капли будет наибольшим в последнем случае, на основе чего можно сделать вывод: 177 интенсивность излучения тем выше, чем больше температура тела. Опыт 2 Нагреем воду в небольшом сосуде из жести (рис. 195). Причём одна сторона этого сосуда должна быть светлой, а другая окрашенной в чёрный цвет. Затем поднесём теплоприёмник к этому сосуду поочерёдно с разных сторон: светлой и тёмной. а) Светлая сторона б) Тёмная сторона Рис. 195 Различия интенсивности излучения разных по цвету поверхностей видны на рисунке 195 (по показаниям манометра). Опыты позволяют сделать вывод о том, что при одинаковой температуре интенсивнее всего излучают тела чёрного цвета. Проведя опыт, показанный на рисунке 196, можно сделать вывод, что тёмные тела лучше поглош,ают излучение, чем светлые. Общий вывод Все тела излучают энергию. Интенсивность излучения тем выше, чем больше температура тела. Тёмные тела излучают и поглощают излучение лучше, чем светлые. 178 Рис. 196 Влияние цвета поверхностей на поглощение излучения учитывается и широко используется. Так, летом мы стараемся надевать светлую одежду — она меньше нагревается. Самолёты, воздушные шары окрашены в серебристый цвет. Такого же цвета скафандры космонавтов, предназначенные для выхода в открытый космос. В тех случаях, когда требуется максимально поглотить излучение, поверхности окрашивают в тёмный цвет. Таковы поверхности солнечных батарей, преобразующих энергию излучения Солнца в электрическую. Они питают электроэнергией бортовую аппаратуру космических кораблей. В последнее время солнечным батареям уделяется всё больше внимания со стороны энергетиков. Дело в том, что гелиоустановки экологически чистые. Они не загрязняют окружающую среду и используют лишь «даровую» солнечную энергию. Недостаточное распространение таких источников связано с очень малым их коэффициентом полезного действия. Так, для того чтобы создать электростанцию мощностью 1 млн кВт (по современным представлениям, станция средней мощности), надо выстелить солнечные ячейки на площади 6x6 км^. Создание более эффективных гелиоустановок позволит решить эту очень важную проблему энергетики. 179 31.3. Тепловое (инфракрасное) излучение Существует мнение, что излучение исходит от сильно разогретых тел и оно обязательно видимое. Однако это не так — излучают все тела, даже те, которые мы считаем холодными. Мы не видим излучения таких тел, но его можно зарегистрировать приборами, оно способно нагревать предметы и широко используется в современной технике. Вот опыт, который позволяет зарегистрировать невидимое тепловое излучение. Поставим на стол чувствительный термостолбик. Погасим свет, закроем шторы. В кабинете нет светящихся предметов. Направим рупор термостолбика на доску и установим стрелку прибора на нуль. Будем вращать термостолбик, направляя его рупор на различные приборы, находящиеся в кабинете. Стрелка прибора продолжает оставаться на нуле. Это понятно. Вспомните, мы с вами об этом уже говорили: при теплопередаче температуры всех предметов выравниваются и становятся равными температуре окружающего воздуха. Но вот в «поле зрения» термостолбика попадает человек. Стрелка прибора отклоняется. Если человек подойдёт ближе к прибору, стрелка отклонится ещё сильнее. Будем перемещать термостолбик вдоль тела человека — показания прибора будут то увеличиваться, то уменьшаться. В чём тут дело? Температура тела человека выше температуры окружающих его предметов. От него идёт более сильное тепловое излучение, которое глаз не воспринимает. Однако в настоящее время открыты специальные вещества, реагирующие на это излучение. С помощью этих веществ (составов) изготавливают фотоплёнки, позволяющие производить съёмку в полной темноте. На такие фотопленки производят съёмки поверхности Земли из космоса. Леса, луга, реки, моря по-разному излучают и поэтому различимы на плёнке. Анализ таких фотографий позволяет геологам определять возможные места залежей полезных ископаемых. По снимкам можно определить 180 Рис. 197 степень готовности почвы к севу или указать сроки уборки колосовых. Приборы ночного видения, реагирующие на тепловое излучение, устанавливают на самолётах, спутниках. Они же позволяют осуществлять вождение в темноте военной техники. Всё большее применение «тепловидение» получает в медицине. Регистрируя излучение, идущее от различных участков тела, прибор позволяет получить температурный портрет человека. С помощью электронно-вычислительной техники производится обработка полученных данных и выявляется состояние внутренних органов, возможные заболевания. Вот посмотрите на этот снимок (рис. 197). На нём отчетливо видны травмы на коленях обеих ног. Ту же информацию можно было бы получить, сделав рентгеновский снимок. Но в этом случае пациент подвергся бы облучению рентгеновскими лучами, что нежелательно делать часто и в больших дозах. Вопросы 1. Что такое излучение? 2. От чего зависит интенсивность излучения', интенсивность поглощения? 3. Назовите приборы для регистрации излучения. ^ 32. Закон сохранения энергии Мы проследили за различными видами теплопередачи, в которых внутренняя энергия переходила от одного тела к другому. Горячее тело энергию отдавало, холодное тело — принимало (рис. 198, 199). 181 Горячее тело Энергия Рис. 198 Холодное тело А=> и'[ Ui =>А Рис. 199 Проводя наблюдения, мы, однако, не производили никаких измерений. Вместе с тем расчёты, проведённые многими исследователями в ходе различных опытов по теплопередаче, убеждают нас в следующем. Сколько энергии отдало горячее тело, столько же получило холодное. Энергия при теплопередаче не терялась. В опыте, рассмотренном в § 27 (см. рис. 179), внутренняя энергия пара уменьшалась (он охладился, о чём свидетельствовало появление в сосуде тумана). Однако появилась механическая энергия у пробки. Значит, внутренняя энергия не исчезла бесследно. А в опыте, показанном на рисунке 178, внутренняя энергия газа возросла. Но не без причины, а за счёт совершения работы при движении поршня. Здесь механическая энергия перешла во внутреннюю. ! Остановимся, подумаем 1. Приведите три примера теплопередачи. Назовите тела, которые теряют энергию, и тела, приобретающие энергию. 2. Приведите три примера изменения внутренней энергии при совершении работы. Назовите тела, у которых внутренняя энергия изменялась (увеличивалась или уменьшалась). Откуда возникла дополнительная энергия у этих тел? Если тело охлаждалось, то на что расходовалась его энергия? Множество опытов и наблюдений привели учёных к выводу, который сегодня нам представляется совершенно очевидным. Энергия не исчезает и не создаётся. Она только превращается из одного вида в другой или переходит от одного тела к другому. 182 Так звучит закон сохранения энергии, один из самых общих и самых важных законов природы. Он был открыт в результате обобщения данных экспериментов, проведённых целым рядом учёных в XVIII— XIX вв. Среди них наиболее известный английский учёный Джеймс Джоуль (1818—1889). Его именем названа единица работы и энергии — 1 джоуль. Таким образом, если тело или частица обладают энергией, то можно указать другое тело или другую частицу, от которых эта энергия получена. Энергия не может появиться ниоткуда, «свалиться, как манна небесная». И вилку, например, нельзя согнуть взглядом, как утверждают некоторые мистификаторы. Чтобы согнуть вилку, нужно совершить большую работу. Необходима энергия в таком количестве, которую головной мозг человека генерировать не может. Современному человеку для существования нужно очень многое: иметь возможность перемещаться по земле, воде и воздуху (и даже в космическом пространстве), освещать улицы и дома, обогреваться, строить дома, вспахивать землю и ещё многое другое (вы сами можете продолжить этот перечень). В реальной жизни человеку для всего сказанного нужна энергия и механизмы, которые, используя эту энергию, совершали бы работу. Откуда же человек черпает энергию? В значительной степени эта энергия поступает от Солнца. Она идёт на нагревание земной коры и атмосферы. В результате на Земле поддерживается средняя годовая температура 15 °С. Часть солнечной энергии в зелёных листьях растений, благодаря фотосинтезу, идёт на образование кислорода и органического соединения, содержащего углерод. Отмирающие растения приводят к образованию каменного угля, торфа, использующихся как топливо для теплоэлектростанций. С деятельностью Солнца связано образование ветров (вспомните явление конвекции), круговорот воды в природе. С развитием цивилизации потребление энергии ежегодно возрастает. 183 Долгое время казалось, что на Земле заключено практически неограниченное количество энергии в минеральном топливе, в движущихся потоках воды, в реках. Однако в настоящее время эти ресурсы в значительной степени истощились и человечество всё острее испытывает энергетический голод. В середине XX в. были созданы атомные электростанции. Они используют внутреннюю энергию ядер урана, плутония. Учёные работают над созданием других видов энергетических установок. Об электростанциях и проблемах, связанных с их использованием, речь пойдёт в дальнейшем. Сейчас мы только хотим отметить важность экономии энергии. Эта проблема может быть решена только при совместных усилиях как государства в целом, так и каждого человека в отдельности. Берегите газ, электроэнергию, стремитесь сохранить тепло своих квартир! f Вопросы 1. В чём состоит закон сохранения энергии? 2. Приведите примеры проявления закона сохранения энергии. 3. Какими источниками энергии пользуется человек? 33. Тепловые машины Жизнь людей неразрывно связана с необходимостью совершать работу: поднимать грузы, перевозить их по воздуху, земле и воде, обрабатывать на станках различные детали. (Вспомните такие примеры.) В большинстве случаев эту работу человеку помогают выполнять машины или механизмы. Однако ни одна машина или механизм не могут совершать работу, если к ним не подвести энергию. Только в сказках ковёр-самолёт взлетает без всякого двигателя, а топор сам колет дрова. В реальной жизни для того, чтобы какой-либо механизм привести в движение, нужен двигатель, а чтобы двигатель заработал, к нему необходимо подвести энергию (например, 184 электрическую). Этого требует закон сохранения энергии. Механическая энергия не может возникнуть ниоткуда. Огромное распространение в технике имеют тепловые машины. Тепловыми машинами называются машины, в которых механическая энергия возникает за счёт внутренней энергии. 1. Паровые машины. Эти машины были созданы во второй половине XVIII в. изобретателями Иваном Ползуновым (в России) и Джеймсом Уаттом (в Англии). Сначала машины использовались для нужд производств, приводя в движение ткацкие станки, обрабатывая различные детали. Затем паровые машины были установлены на паровозах, пароходах. Пытались с их помопцью поднять в воздух самолёт, но слишком тяжела была паровая машина. Ведь у неё был паровой котёл, который непрерывно требовал подачи топлива (дров или угля). Самолёт приходилось загружать топливом и водой в большом количестве. Кроме того, у паровой машины был еш;ё суш;ественный недостаток — низкая эффективность: от всего сжигаемого топлива полезно использовалось менее 10% . Поэтому в середине прошлого века паровые машины уже не строили. Но они были первыми тепловыми машинами. 2. Двигатели внутреннего сгорания. Они были созданы в конце XIX — начале XX в. и устанавливаются на автомобилях, тепловозах, теплоходах, самолётах, на сельскохозяйственной, дорожной технике. Широкое распространение имеют четырёхтактные двигатели внутреннего сгорания, основной частью которых является блок цилиндров. В каждом цилиндре есть поршень, свеча зажигания, впускной и выпускной клапаны. Топливом в двигателе является смесь бензина с воздухом, дизельное топливо. Задание По фрагментам рисунка 200 постарайтесь разобраться в том, что происходит в каждом из тактов работы двигателя внутреннего сгорания. 185 Рис. 200 3. Паровая турбина. Используется на всех типах теплоэлектростанций (рис. 201). В ней пар, получаемый в паровом котле, нагретый до температуры нескольких сот градусов (300—400 °С), при высоком давлении поступает в турбину, попадает на рабочие лопатки колеса турбины. Пар вращает колесо турбины, которое соединено с генератором электрического тока, в результате вырабатывается электрическая энергия. Более подробно о работе тепловой электростанции вы узнаете в 8 классе. 4. Реактивный двигатель. Его действие основано на реакции вытекающей струи жидкости или газа. 186 Двигатели устанавливаются на крыльях или фюзеляже самолёта. Они засасывают и сжимают атмосферный воздух. Сжатый воздух при высокой температуре поступает в камеру сгорания, туда же подаётся топливо (керосин). Топливо взрывается, а раскалённая смесь вырывается через выходное отверстие (сопло) наружу. При этом двигатели (и самолёт вместе с ними) получают скорость в противоположном направлении. Из всех существующих силовых машин реактивные двигатели обладают самой большой мощностью. Только они способны поднять в космос себя и сотни тонн грузов. 33.1. Коэффициент полезного действия Итак, тепловые двигатели совершают работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Но здесь очень важным является следующее обстоятельство. Тепловые двигатели способны переводить в механическую работу только часть энергии, полученной от сжигания топлива. Остальная энергия тратится впустую и идёт на нагревание окружающей среды. Вспомните, какой столб вырывается из двигателей ракеты. Двигатели внутреннего сгорания так сильно разогреваются, что в их конструкцию ввели систему охлаждения. Для того чтобы охарактеризовать эффективность тепловых двигателей, вводится коэффициент полезного действия (КПД). Он равен отношению механической работы А, совершённой двигателем, к подведённому к нему количеству теплоты Q и измеряется в процентах: КПД = {A/Q) • 100%. К сожалению, КПД тепловых двигателей не такой высокий, как бы этого хотелось, и не превышает 40% . Надо надеяться, что в будущем появятся тепловые машины с более высокими КПД, но теплового двигателя с КПД = 100% быть не может. 187 f Вопросы 1. Какие машины называются тепловыми? 2. Перечислите известные вам тепловые машины. Укажите, где они используются. 3. Назовите физические величины, которые характеризуют двигатель внутреннего сгорания. 4. Что называется коэффициентом полезного действия тепловой машины? 5. КПД двигателя автомобиля составляет 30%. На что тратятся остальные 70% энергии, выделяемой при сгорании топлива? 6. Может ли КПД тепловых машин быть больше 100%? Ответ обоснуйте. Повторим, обдумаем изученное Повторим самое главное 1. В полый металлический цилиндр вставлен деревянный цилиндр чуть меньшего диаметра, но большей длины (рис. 202). Завернём цилиндры в лист бумаги и внесём в пламя спиртовки на небольшое время. Лист не загорается: одна часть его слегка обугливается, другая — нет. В чём дело? 2. Одинаковую ли температуру зарегистрируют термометры, показанные на рисунке 203, а и 67 188 Шкала Капля подкрашенной воды Рис. 204 Рис. 205 3. Правильно ли показано на рисунке 204 расположение капли воды в трубке? 4. В один стакан налита горячая, в другой — холодная вода такой же массы. В каком стакане вода обладает большей внутренней энергией? Ответ объясните с помопцью молекулярной теории строения вещества. 5. При каком условии внутренняя энергия тела может возрасти; уменьшиться? 6. Если подышать на ладони, они согреются; если потереть их друг о друга — тоже. Одинакова ли причина повышения температуры ладоней в обоих случаях? 7. Меховые шапки надевают зимой в холод и летом в жару (в южных странах). Нет ли здесь противоречия? 8. По рисунку 205 рассмотрите устройство термоса. Зачем стенки колбы делают двойными и создают между ними разрежение? Зачем стенки колбы делают зеркальными? ^ Проделайте опыты 1. Уравновесьте весы. Поднесите снизу под одну из чашек весов на расстоянии 10 см горящую свечу (рис. 206). Нарушается ли равновесие весов? Почему? 2. Укрепите в муфте штатива стержень с кольцом (рис. 207), на кольцо положите бумажную коробку из-под спичек (внутренней частью). Налейте в коробку воду. Снизу подведите спиртовку и зажгите огонь. Нагревайте воду, пока она не станет горячей. Почему не загорается бумажная коробка? 189 Рис. 206 Рис. 207 Рис. 208 3. Зажгите стеариновую свечу (рис. 208). Что произойдёт, если свечу закрыть стеклянной трубкой? Ответ обоснуйте и проверьте на опыте. Снова зажгите свечу и накройте её трубкой, но не до конца. Как изменяется вид пламени? Почему? Используя Интернет, подготовьте сообщения по темам, (на выбор). 1. Примеры проявления и использования различных видов теплопередачи. 2. Невидимое излучение, его роль в процессах, происходящих в природе, примеры использования. 3. Описание или демонстрация опытов, основанных на различных видах теплоперюдачи. S 34. Явление радиоактивности Конец XIX и начало XX в. были периодом головокружительных открытий в области физики. Сейчас, в начале XXI в., мы с полным основанием можем сказать, что эти открытия были самыми важными. Именно они определили бурное развитие многих областей знаний и техники. Благодаря этим открытиям человек сегодня имеет массу возможностей, о которых ранее мог только мечтать: осваивать космическое пространство; разговаривать по телефону с собеседником, находящимся в противоположной точке земного шара; с помощью всего лишь одного вагона топлива снабжать электроэнергией целый город в течение нескольких месяцев; на гигантской подводной лодке проходить под многометровым слоем арктического льда. Перечисленные достижения науки и техники отнюдь не означают, что все открытия уже совершены. История показывает, что наука и техника не останавливаются в своём развитии. И новому поколению людей предстоит совершить ещё более важные открытия, а также решить массу экологических проблем, которые неизбежно сопровождают развитие науки и техники. И хотя этим открытиям ещё предстоит состояться, можно утверждать, что важнейшую роль в них сыграет знание строения атома. Посмотрим, что было известно о строении вещества на пороге XX в. 191 с большой достоверностью было установлено, что все вещества, имеющиеся в природе, состоят из сравнительно небольшого числа химических элементов и их комбинаций. Д. И. Менделеев расположил элементы в периодической таблице на основе повторяемости химических свойств. Самым лёгким в ней был водород, самым тяжёлым — уран. Мельчайшей частицей вещества считалась молекула. Однако множество химических реакций, проводимых учёными, свидетельствовали о том, что молекулы сами являются сложными образованиями. Так, реакцию разложения угольной кислоты Н2СО3 на углекислый газ COg и воду Н2О Н2СО3 = СО2 + Н2О можно было объяснить только тем, что молекула угольной кислоты распалась на атомы, которые перегруппировались и объединились в молекулы углекислого газа и воды. Это ещё раз доказывало, что молекулы состоят из атомов. Атом же представлялся мельчайшей неделимой частицей. Вместе с тем в 1897 г. английский учёный Джозеф Томсон, подводя итог многим исследованиям, окончательно пришёл к выводу о существовании электрона — частицы, имеющей самый маленький отрицательный электрический заряд. Дальнейшие исследования учёных позволили определить заряд и массу электрона. Оказалось, что масса электрона приблизительно в 1840 раз меньше самого лёгкого атома — атома водорода и составляет 9,1 *10“^^ кг. Учёные имели основания предполагать, что электроны располагаются в недрах атомов. И тогда Томсон предложил такую модель строения атома: положительно заряженное вещество, внутри которого распо-Рис. 209 латаются электроны (рис. 209); за- + "*” ^ "^-1-+ _L+ + +4.+ , ++Р+-Л-км++ -м-Т+-ь + -м-Т++ + +©^^■+^■0++ +1+ + + \ + + Ч- + -I- + 192 ряд вещества равен заряду электронов, поэтому атом электронейтрален. Такая модель вошла в науку под названием «пудинг с изюмом». 34.1. Открытие явления радиоактивности Французский учёный Анри Беккерелъ в начале 1896 г. занимался изучением холодного свечения некоторых составов, которое возникает после облучения их солнечным светом. Многим из вас, видимо, известно это явление, называемое люминесценцией. Например, некоторые краски после их освещения продолжают светиться и в темноте. Вы могли наблюдать это явление и в природе: светлячки или свечение микроорганизмов в морской воде. Беккере ль заметил, что некоторые люминесцентные составы излучают помимо видимого и невидимое для глаза человека свечение, способное проникать через слой непрозрачной чёрной бумаги или даже сквозь металлическую фольгу. Опыты ставились следующим образом. Некоторое количество сернокислой соли урана и калия в виде лепёшки облучали солнечным светом и помещали на фотографическую пластину, завёрнутую в несколько слоев чёрной бумаги. После проявления фотопластины на ней оставался отпечаток лепёшки. В ряде опытов между лепёшкой и пластиной помещали какие-либо мелкие предметы (ключ, монету и т. д.) (рис. 210). Тогда на фотопластинке обнаруживались очертания — тень от предметов. После множества тщательно поставленных опытов Беккерель установил, что такие лучи излучают далеко не все люминесцирующие составы, а лишь соли урана. Случайность помогла ему сделать ещё более важное открытие. Опыты проводились в конце февраля 1896 г. Стояла пасмурная погода. Солнце на небе не появлялось. Беккерель не мог ставить свои опыты, поэтому он спрятал в ящик стола приго- 193 товленную заранее фотопластинку, на которую положил монету и сверху лепёшку соли урана. Через несколько дней, когда наступила ясная погода, Бекке-рель, готовясь продолжить свои опыты, решил для «чистоты опыта» проявить фотопластинку, которая лежала у него на столе. К его изумлению, на ней отпечаталось изображение лепёшки соли урана и монеты, лежавшей между солью и фотопластинкой. Но в данном случае соль урана не была предварительно освеш;ена, значит, люминесценция тут ни при чём. Излучение исходит от соли урана. Позже Беккерель менял различные соединения урана, менял температуру, провёл опыт с чистым ураном. Оказалось, что излучение исходит от урана и никак не связано с тем, облучается он предварительно солнечным светом или нет. Это — собственное излучение урана. Открытие Беккереля привлекло к себе внимание многих учёных того времени. Среди них особо следует отметить Марию Склодовскую и Пьера Кюри. Эти учёные обнаружили, что кроме урана такое же излучение исходит и от атомов тория, еш;ё одного химического элемента, известного в то время. За два года самоотверженного труда, в тяжелейших условиях, без чьей-либо материальной поддержки и помош;и они смогли переработать несколько тонн (!) отходов урановой руды. Учёные предполагали, что в примесях урана долж- ны находиться другие вещества, излучение которых по интенсивности превосходит излучение самого урана. И они нашли такие химические элементы. Сначала был открыт полоний. Он назван так в честь родины Марии Склодовской — Польши. Из 1 т руды супруги Кюри получили первые 0,1 г соли хлористого радия, а затем из неё сумели выделить крупицу чистого радия. Так был назван следующий химический элемент, открытый учёными (рис. 211). Радий означает «лучистый». А само явление, открытое Беккерелем, стали называть радиоактивностью. Из числа естественно существующих в природе химических элементов радиоактивны восемь. 34.2. Свойства радиоактивного излучения • Первое свойство радиоактивного излучения, благодаря которому оно было обнаружено, заключается в способности проникать через непрозрачные для света тела или даже сквозь тонкий слой металла. • Другое важное свойство этого излучения заключается в том, что оно сопровождается выделением значительной энергии. Измерения показали, что 1 г радия каждый час выделяет приблизительно 570 Дж. Этого количества энергии хватит, чтобы нагреть стакан воды до 100 °С за 6 суток. Заметим, что это излучение всего лишь одного грамма и что оно происходит непрерывно. Расчёты показывают, что энергия, которую способен выделить 1 г радия при излучении, равносильна энергии, выделяемой при сгорании 375 кг угля. Правда, при сгорании угля энергия выделяется за короткое время, а энергия излучения радия израсходуется лишь через несколько тысячелетий. И тем не менее учёным стало ясно, что внутри атомов сосредоточены колоссальные запасы энергии. Сейчас уместно привести удивительно важные для сегодняшней действительности слова, произнесённые Пьером Кюри при вручении ему и Марии Склодовской Нобелевской премии: «Нетрудно предвидеть, что в преступных руках радий может сделаться крайне опас- 195 ным, и вот возникает вопрос: действительно ли полезно для человечества знать секреты природы, действительно ли оно достаточно зрело для того, чтобы их правильно использовать, или это знание принесёт ему только вред? ...Я принадлежу к числу тех, кто верит, что новые открытия приносят человечеству больше пользы, нежели вреда». • Радиоактивное излучение имеет сложный состав. Это свойство впервые обнаружил английский учёный Эрнест Резерфорд. Он пропустил узкий пучок излучения от радия между полюсами сильного магнита (рис. 212). При этом на фотопластинке получилось три следа. Значит, под действием магнита пучок разделился на три части. Слабо отклонившуюся часть Резерфорд назвал а-лучами. По тому, в каком направлении эти частицы отклонились под действием магнита, можно предположить, что они несут положительный заряд. Накопив некоторое количество а-частиц в пробирке и исследовав их, Резерфорд пришёл к выводу, что они представляют собой положительные ионы атомов гелия. Наиболее сильно отклонившаяся магнитом часть частиц оказалась потоком электронов, имеюш;их отрицательный заряд. Эту часть излучения назвали р-луча-ми. Масса электронов примерно в 7 тысяч раз меньше, чем масса а-частиц. Поэто-му-то магнит отклонил их от первоначального направления сильнее, чем более массивные а-частицы. Третья часть радиоактивного излучения не отклонилась магнитом. Значит, она не имеет электрического заряда. Эту часть излучения назвали у-лучами. Они невидимы глазом, но обладают Альфа- ^ частицы. Гамма- лучи Бета-частицы^ 0 0 00 0 © ft 196 сильным химическим и ионизационным воздействием на вещество. Именно они засвечивали фотопластинку в опытах Беккереля. По-разному поглощаются различными веществами а-, Р", у-лучи. Наименьшей проникающей способностью обладают а-частицы. Их задерживает даже обыкновенный лист бумаги. Сложнее задерживать р-лучи. Они проникают через алюминиевую пластинку толщиной в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают у-лучи. Они способны преодолеть свинцовую защиту толщиной в несколько десятков сантиметров (рис. 213). • Радиоактивное излучение сопровождается превращением химических элементов. Это свойство радиоактивного излучения впервые обнаружили и объяснили английские физики Ф. Содди и Э. Резерфорд. С помощью счётчика они регистрировали интенсивность излучения, исходящего от пробирки с небольшим количеством радия. Когда же они открывали пробирку и продували её, то интенсивность излучения заметно уменьшалась. Исходя из этого, учёные сделали вывод, что излучение, регистрируемое ими, происходит не Рис. 213 197 только от радия, но и от газа, содержащегося в пробирке. Но ведь это воздух, и до того, как попал в пробирку, он не был радиоактивным. Учёные выдвинули предположение, что атомы радиоактивных веществ, в отличие от атомов обычных элементов, неустойчивые. Выбрасывая а-частицу или электрон, они превращаются в атомы других химических элементов. Так, например, атом радия, выбрасывая а-частицу, становится атомом другого химического элемента. Это инертный газ, который был назван радоном. Радон же, в свою очередь, радиоактивен. Испуская а-частицы, он превращается в полоний. Поэтому-то при откачивании из пробирки воздуха вместе с содержащимся в нём радоном интенсивность излучения ослабевала. Чтобы убедиться в правильности своего предположения, учёные произвели химический анализ содержащегося в пробирке газа. В его составе был обнаружен в небольшом количестве до тех пор неизвестный инертный газ. Это подтвердило вывод учёных о превращении химических элементов, происходящем при радиоактивном излучении. В результате распада атомов радия возникают атомы радона и гелия (рис. 214). Но на этом процесс хими- 226 nV 222 218 214 ческих превращений не заканчивается. Атом радона сам выбрасывает а-частицу и превращается в атом полония. Полоний тоже неустойчив и превращается в атом свинца, тоже неустойчивый, и т. д. Процесс радиоактивного распада остановится только тогда, когда весь радий, содержащийся в пробирке, превратится в устойчивый атом свинца. Таким образом, количество радия в пробирке будет непрерывно уменьшаться, количество свинца — расти. Правда, этот процесс будет протекать долго — тысячи лет. Среди радиоактивных элементов есть такие, «время жизни» которых составляет миллиарды лет (уран), и такие, которые «живут» доли секунды. Важной характеристикой явления радиоактивного распада является период полураспада радиоактивных атомов, т. е. время, за которое распадается половина образца радиоактивного вещества. Соответственно, остаётся половина первоначальной массы исходного химического элемента. Распавшаяся же часть превратилась в атомы других химических элементов. Сам радий присутствует в урановой руде, потому что когда-то образовался из урана и продолжает образовываться в нём непрерывно. Сейчас мы можем разъяснить, почему в составе радиоактивного излучения одновременно присутствуют а-, р- и уизлучения. Атомы урана, например, излучают а-частицы, но продукты распада урана, образовавшиеся на каком-то из этапов деления, испускают р- и а-лучи. Поэтому излучение урана и оказалось таким сложным. Ведь в нём содержатся не только атомы самого урана, но и атомы продуктов его распада. Ещё одно важное обстоятельство. Процесс распада радиоактивных атомов происходит самопроизвольно и не зависит от внешних условий. Ни самая низкая или самая высокая температура, ни высокое давление или, наоборот, разрежение — ничто не может остановить или ускорить этот процесс. • Говоря о радиоактивном излучении, необходимо отметить ещё одно чрезвычайно важное его свойство — сильнейшее воздействие па живые организмы. В больших дозах оно оказалось опасным для здоровья 199 людей. Первой жертвой стал сам Беккерель. Однажды, торопясь на лекцию, он положил порцию соли радия в жилетный карман, а через несколько часов в этом месте на коже образовался сильный ожог, который не заживал в течение нескольких месяцев. Учёные, которые первыми исследовали свойства радиоактивного излучения, не знали, какую опасность оно представляет для их жизни. В результате большинство из них умерли от облучения. Современные научные и промышленные установки, связанные с радиоактивным излучением, имеют толстый слой брони, который защипдает людей от облучения. В помещениях постоянно замеряют уровень радиационного фона, который не должен превышать допустимой нормы. Для измерения интенсивности радиоактивного излучения используют дозиметры. Существуют специальные службы, следящие за радиационным фоном атмосферы, морской воды, почвы и сельскохозяйственных продуктов. Вопросы 1. Благодаря какому свойству было открыто явление естественной радиоактивности? 2. Каков состав радиоактивного излучения? Опишите свойства каждого из этих видов излучения. 3. Как изменяется химический состав вещества при радиоактивном излучении? 4. Какие возможности и какую опасность для человека представляет радиоактивное излучение? SI 35. Строение атома и атомного ядра 35.1. Опыты Резерфорда После открытия явления радиоактивности Эрнест Резерфорд решил использовать высокую проникающую способность этого излучения для исследования строения атома. Чтобы лучше понять идею его опытов, рассмотрим следующую аналогию. Представьте себе стог сена, вну- 200 три которого определённым образом расположены железные шары. Требуется, не разрушая стог, определить, сколько шаров в стоге, где они расположены и каковы их размеры. Выполнить поставленную задачу можно, простреливая стог слой за слоем сверху донизу. Пули будут свободно проникать сквозь сено и застревать в тех местах, где на их пути окажутся шары. При этом пули должны обладать большой скоростью и малыми по сравнению с шарами размерами и массой. Ведь снаряд большой массы будет пролетать не только сквозь сено, но и сносить шары, расположенные на его пути. А теперь перейдём к постановке опытов Резерфорда (рис. 215). Из контейнера со свинцовыми стенками узким лучом вырывался поток быстрых а-частиц. На его пути ставилась тонкая золотая фольга. За фольгой располагался экран, покрытый слоем сернистого цинка. При попадании на него а-частиц возникает свечение. Почему для опытов Резерфорд выбрал именно золото? Пластинку из золота можно превратить в очень тонкую фольгу. В опытах Резерфорда она имела толш;ину 0,001 мм. И второе важное обстоятельство: атом золота имеет массу почти в 50 раз больше массы а-частицы. Что же наблюдал Резерфорд и какие выводы он сделал из этих наблюдений? Наблюдение 1 Абсолютное большинство а-частиц пролетало сквозь фольгу. Сколько частиц за определённый промежуток времени регистрировалось на экране без фольги, столько же частиц зарегистрировалось и в том случае, когда на пути частиц ставилась фольга (рис. 216). Альфа-частицы не могли проникать между атомами. Хотя фольга и была тонкой, но на толщине её укла- Альфа-частицы Фольга Экран Рис. 215 Рис. 216 201 Рис. 217 Рис. 218 дывалосъ порядка 3300 атомных слоёв. И в каком-то из этих слоев а-частица обязательно должна была столкнуться с атомом. Значит, а-частицы пролетали сквозь атомы золота. Вывод 1 Атом не сплошной, как предполагала модель Томсона. Наблюдение 2 Некоторая небольшая часть а-частиц отклонилась от первоначального направления (рис. 217). Ещё меньшая часть а-частиц регистрировалась не за пластиной, а перед ней (рис. 218). Отклонить и тем более отбросить а-частицу назад атом Томсона не смог бы. В нём положительный заряд распределён по большому объёму {диаметр атома 10“^^ м). Вывод 2 Весь положительный заряд сконцентрирован в объёме намного меньшем, т. е. в ядре атома. Резерфорд рассчитал размер ----ядра. Он оказался порядка 10“^^—м. На таком маленьком расстоянии электрические силы отталкивания между положительными зарядами а-части-цы и ядра атома золота возрастут /' настолько, что смогут остано-/ вить быстро летящую частицу и отбросить её назад. '....' Резерфорд так представил се- Рис. 219 бе атом (рис. 219). Положительно Э © 202 заряженное ядро, занимающее ничтожно малую часть атома, и электроны, движущиеся вокруг ядра. По аналогии со строением Солнечной системы эту модель назвали планетарной. Такой она была представлена учёным в 1911 г. На рисунке 220 показано, как происходит взаимодействие а-частиц с атомами золота в опытах Резерфорда. Электроны имеют ничтожно маленькую массу по сравнению с массой а-частиц. Поэтому они не в состоянии хоть сколько-нибудь повлиять на движение а-час-тиц. Отклонить их от направления движения способно лишь массивное положительное ядро, сосредоточенное в очень малом объёме. Итак, атом оказался пуст. Сопоставим размеры атома 10“^® м и ядра Ю'^'^м. Диаметр атома в 10—100 тысяч раз превышает размер ядра. Чтобы оценить пустоту атома, посмотрите ещё раз на рисунок 219. На нём верно показаны составные части атома — ядро и электроны. Масштаб же не соответствует истине. Радиус ядра на рисунке составляет 2—3 мм. Значит, радиус внешней электронной оболочки атома должен быть не около 2 см, как показано на рисунке, а порядка 200—300 м. Размеров учебника явно не хватит, чтобы изобразить атом в истинном масштабе. После открытия Резерфорда, благодаря трудам ряда учёных (датчанина Н. Бора, француза Л. де Бройля, немецких учёных Э. Шредингера и В. Гейзенберга), пред- 203 ставления о строении атома становились более точными, но и одновременно более сложными. Поэтому здесь мы их рассматривать не можем. Особо важную роль сыграло открытие строения ядра. Подобно тому как превращение веществ при химических реакциях говорит о сложности строения молекул, так и превращение элементов при радиоактивном излучении свидетельствует о том, что ядро состоит из отдельных частиц. Частицы, входящие в него, при некоторых условиях могут образовывать ядра атомов других химических элементов. 35.2. Строение ядра атома Особенно важную роль в выяснении строения ядра сыграло открытие нейтрона, сделанное в 1932 г. учеником Резерфорда Джеймсом Чэдвиком. Оказалось, что эта частица имеет массу практически такую же, как и протон, но не имеет электрического заряда. Сразу после открытия нейтрона стало ясно, что это ещё одна частица, входящая в состав ядра атома. Тогда и появилась модель, в которой ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Как следует из опытов Резерфорда, ядро очень компактное образование. Расчёты показывают, что вещество в нём сжато до плотности порядка 1,3 • 10^кг/м^. Для сравнения: спичечная коробка, заполненная веществом с такой плотностью, имела бы массу 300 кг. Число протонов, содержащихся в ядрах атомов, определяет химические свойства веществ. Ядра атомов различных химических элементов обязательно содержат разное количество протонов. Так, в ядре атома гелия два протона, лития — три, бериллия — четыре и т. д. (рис. 221). В таблице Менделеева химические элементы располагаются согласно заряду ядра атома, т. е. числу протонов, содержащихся в нём. По тем данным, которые занесены в каждую клетку периодической системы, можно установить состав атомов соответствующих химических элементов. Число протонов ядра равно по- 204 рядковому номеру клетки, занимаемой элементом. Столько же электронов движется вокруг ядра. Число нейтронов в ядре можно определить, вычтя из значения атомной массы число протонов. При этом значение атомной массы должно быть округлено с точностью до целого числа. Эта величина называется массовым числом химического элемента. Оно равно сумме числа протонов и нейтронов, содержащихся в ядре. Для примера рассмотрим строение ядра лития (см. рис. 221). Порядковый номер его равен 3. Значит, в ядре его три протона. Атомная масса лития — 6,939. Следовательно, массовое число — 7. Число же нейтронов в ядре: 7-3 = 4. Вокруг ядра движутся три электрона. Так как электроны заряжены отрицательно и их число равно числу протонов в ядре, то атом в целом оказывается электронейтральным. Известно также, что ядра атомов ряда химических элементов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Такие химические элементы называют изотопами. Химические свойства их не различаются. Поэтому в таблице Менделеева для них не предусматривается отдельных клеток. Но из-за различия числа частиц в ядре атомные массы изотопов, конечно, разные. 205 f Вопросы 1. Каким представлял себе Резерфорд атом в начале своих исследований? 2. Опишите установку, с помощью которой Резерфорд исследовал строение атома. 3. Какие наблюдения опровергали представление о сложном, неделимом атоме? 4. Опишите планетарную модель строения атома. 5. Как устроено ядро атома? 6. Как по периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева можно установить строение атома? 7. И вменятся ли свойства химического элемента, если в процессе ядерной реакции в ядре атома изменится число протонов; число нейтронов? 3 36. Ядерные реакции Знание строения атома и атомного ядра позволило учёным, во-первых, объяснить превращение химических элементов, сопровождающее радиоактивное излучение, во-вторых, понять, каким образом можно искусственно получать один химический элемент из другого. 36.1. Объяснение превращения химических элементов при радиоактивном излучении Итак, свойства химического элемента определяются числом протонов, содержащихся в ядре атома. Значит, превращение радия в радон при радиоактивном распаде можно объяснить тем, что произошла ядерная реакция: ядро радия, излучив а-частицу (ядро атома гелия), превратилось в ядро радона, располагающегося на две клетки выше в таблице Д. И. Менделеева. Ядерные реакции имеют определённую форму записи: 2||Ra^2|2Rn + |He, здесь ^IgRa — радий, заряд ядра атома которого 88, а массовое число 226; — радон, заряд ядра атома 206 86, массовое число 222; |Не — гелий, заряд ядра 2, массовое число 4. Данным примером можно проиллюстрировать два важных закона, которым подчиняются ядерные реакции. При всех превращениях, происходящих в процессе ядерных реакций, число частиц (протонов и нейтронов) должно быть неизменным. А это значит, что, во-первых, общее число протонов не должно изменяться, т. е. общий заряд ядер атолгов в процессе ядерной реакции не изменяется. Во-вторых, не должна изменяться сумма протонов и нейтронов, т. е. сумма массовых чисел ядер атомов. Выполнение законов — сохранения заряда и массового числа в процессе ядерных реакций, хорошо просматривается в реакции распада ядра радия: закон сохранения заряда: 88 = 86 -1-2; закон сохранения массового числа: 226 = 222 -Ь 4. Рассмотрим ядерную реакцию, при которой излучается р-частица (электрон): 214Bi -j- Ол ggOl -г _jC, закон сохранения заряда: 82 = 83 + (—1); закон сохранения массового числа: 214 = 214-ь0. Ядро изотопа свинца ^^РЬ, одного из продуктов распада радия, излучает р-лучи и превращается в ядро висмута, расположенного на одну клетку выше в таблице Менделеева. Объясняя превращения химических элементов в процессе радиоактивных излучений, мы говорили о том, что из ядер атомов радиоактивных элементов выбрасывается а-частица или электрон. Однако хорошо известно, что в ядрах атомов ни электронов, ни а-частиц нет. Но в недрах атомных ядер происходят сложные процессы, приводящие к образованию а-частиц и электронов. Кроме названных двух законов сохранения, существует и ряд других законов, которым подчиняются ядер- 207 ные реакции. Один из них — закон сохранения энергии. Как известно, это наиболее общий закон природы, и, конечно, он проявляет себя и в ядерных реакциях. Вы уже знаете, что а- и (3-частицы вылетают из ядер с большими скоростями, а значит, несут большой запас кинетической энергии. Значительной энергией обладает и третья составляющая радиоактивного излучения — у-лучи. Откуда же черпается эта энергия? Конечно, из недр ядра. По мере излучения ядерная энергия уменьшается. Но как мы уже видели, энергия, сосредоточенная в ядрах вещества, колоссальна. И радиоактивный распад — это один из способов выделения этой энергии. Правда, выделяется она очень медленно. И поэтому давно возникал вопрос, нельзя ли энергию, запасённую внутри ядра, выделять интенсивно? Ведь тогда её можно будет использовать для практических целей. Учёные нашли решение этого вопроса, но об этом разговор будет в 8 классе. 36.2. Искусственное превращение химических элементов Распад радиоактивных ядер — это естественный природный процесс. Знание строения атома позволило учёным самим взяться за дело превращения одних химических элементов в другие. Первым такую реакцию в 1919 г. провёл Резерфорд. Он понимал, что для получения из одного химического элемента другого надо изменить состав ядра, скажем, добавить к нему один или несколько протонов. Но как это сделать практически? Ведь атом как бы закован в броню: при приближении к ядру положительных частиц возникает колоссальная сила отталкивания со стороны положительного ядра. Преодолеть такую силу могут только быстро летящие частицы, заряженные положительно. И Резерфорд решил использовать а-частицы, образующиеся при радиоактивном распаде. Его расчёт был таким: какая-то а-частица, летящая прямо в ядро атома, захватывается им. Конечно, вероятность такого столкновения очень мала. Во-первых, из-за малости размеров ядра попасть в 208 ,4 Ь него очень сложно. Во-вторых, частица должна быть очень быстрой, чтобы преодолеть силы отталкивания и подлететь вплотную к ядру. Но всё же вероятность такого процесса существует. Если столкновение произойдёт, то дальнейший «сценарий» может быть следующим: или образуется ядро нового, более тяжёлого химического элемента, или ядро-мишень разлетится на осколки — ядра лёгких элементов. В обоих случаях произойдёт превращение химических элементов. Схема установки Резерфорда показана на рисунке 222. В замкнутой камере помещалось небольшое количество радиоактивного вещества 1. Камера заполнялась азотом. На выходе из камеры располагался фильтр 2, который поглощал а-частицы, вылетающие из радиоактивного вещества. За камерой ставился люминесцентный экран 3, на котором сквозь лупу 4 можно различать вспышки от ударов заряженных частиц (если, конечно, такие будут ударяться об экран). Что же показал опыт? На экране регистрировались вспышки заряженных частиц. Это были не а-частицы. Они не проникали сквозь фильтр. Дальнейшие исследования показали, что на экране оставляли след ядра атомов водорода, т. е. протоны. Далее Резерфорду удалось установить, что спустя некоторое время после начала опытов в камере образуется кислород. Обдумывая ход эксперимента, Резерфорд дал ему следующее объяснение. При прямом попадании а-частицы (|Не) в ядро азота (^fN) образуется ядро, имеющее заряд 9 и массовое число 18. Это ядро изотопа фтора (^|F). Оно неустойчиво, быстро распадается, выбрасывая протон, а само превращается в изотоп кислорода ^|0 (рис. 223). Вот почему на экране регистрировались протоны, а в камере обнаружились следы кислорода. 209 Альфа- частица Протон \Ul- 9 Ядро атома азота А ^ Ядро атома фтора 18 Ядро атома кислорода 17 гНе + 18„ 9^ 1н Рис. 223 После Резерфорда было проведено множество различных ядерных реакций. Современная наука обладает более совершенной аппаратурой. А в качестве снарядов используются не только те частицы, что выбрасываются при радиоактивном распаде, но и многозарядные ионы, разгоняемые до очень высоких скоростей ускорителями заряженных частиц. В последние десятилетия учёным удалось провести ядерные реакции, в результате которых рождались ядра новых химических элементов, не встречаюЕцихся в природе. Вопросы 1. Какие законы выполняются при ядерных реакциях? 2. Что необходимо сделать для превращения химического элемента? В чём состоит сложность проведения такой реакции? 3. Опишите первую реакцию искусственного превращения химического элемента, проведённую Резерфордом. Повторим, обдумаем изученное Повторим, самое главное 1. Как устроен атом? Кто и с помощью каких опытов догадался о планетарной модели строения атома? 2. Почему радиоактивное излучение неправильно считать одним из видов люминесцентного излучения? 210 3. Назовите свойства радиоактивного излучения, его составные части. 4. Что является источником радиоактивного излучения: а) вещество; б) молекула; в) атом; г) ядро атома? Обоснуйте свой ответ. 5. Чем ядерные реакции отличаются от химических реакций? 6. Назовите законы, которым подчиняются ядерные реакции. 7. Приведите пример известных вам ядерных реакций. ^ Упражнение 12 С помощью периодической системы Д. И. Менделеева ответьте на следующие вопросы. 1. Назовите частицы, которые показаны на рисунке 214. 2. Найдите в периодической системе химические элементы: азот, кремний, уран. Установите строение ядер атомов этих химических элементов. 3. Ниже приведены уравнения трёх ядерных реакций. Назовите, ядра каких атомов обозначены в этих реакциях знаком « ? ». + 2Не ?-Ь }Н |Ве -I- ? -^ -f \п fLi -f- |Н ^ + ? Используя Интернет, подготовьте сообщения по темам (на выбор). 1. Свойства радиоактивного излучения. Его применение и опасность для живых организмов. 2. Описание опытов Резерфорда. Ход рассуждений Резерфорда, приведших его к открытию модели строения атома. 3. Искусственное превращение химических элементов. ^ 37. Состав и происхождение Солнечной системы Итак, вы изучили строение вещества и различные его состояния на Земле. А как обстоят дела в космосе? Справедлива ли старинная поговорка: «Различны как небо и земля»? Начнём с ближайших окрестностей Земли. На расстоянии около 400 тысяч километров от неё находится Луна, с которой мы уже начали знакомиться (см. § 8). 37.1. Луна Земля и Луна — двойная планета. Так называют нашу планету вместе со спутником далеко не случайно. Луна немногим меньше Земли: примерно в 4 раза по диаметру. По внутреннему строению она напоминает Землю и вполне могла бы считаться планетой, если бы не была её спутником. На Луне даже невооружённым глазом можно различить области двух типов: светлые, которые называют материковыми, и более тёмные — их называют морскими. Благодаря развитию ракетно-космической техники стало возможным исследование Луны. Ещё в 1966 г. автоматическая станция «Луна-9» совершила мягкую посадку на Луну и впервые передала на Землю панораму 212 лунной поверхности. 20 июля 1969 г. Луна стала первым космическим телом, на которое ступила нога человека. С тех пор Луну активно исследуют. Самоходные аппараты проехали по её поверхности десятки километров и помогли изучить различные районы. На Луне также побывало 12 астронавтов. Некоторые из них находились вне кабины космического корабля около 22 часов. Всего было собрано и доставлено на Землю больше 380 кг образцов лунного грунта. Лаборатории в России, США и других странах исследовали эти образцы. Выяснилось, что поверхность лунных «морей» (тёмных областей) — это тёмная, когда-то расплавленная, но уже давно застывшая лава. По набору минералов и содержанию различных химических элементов она близка к земным породам типа базальтов. Вегцество лунных «материков» (светлых областей) по составу тоже практически не отличается от земных пород — анортозитов. Иначе говоря, все лунные породы, как и земные, — это сложные соединения. В них содержатся кислород, кремний, а также металлы — алюминий, железо, кальций, магний, титан и др. Из-за отсутствия атмосферы вода в жидком виде на Луне существовать не может. Но это вовсе не означает, что воды там совсем нет. Она существует в виде льда на дне кратеров в околополярных областях и составляет 3—5% массы поверхностных пород Луны. Лунная поверхность не подвергается размыванию, выветриванию и действию других природных процессов, которые происходят на Земле. Поэтому Луну можно считать своеобразным геологическим заповедником, где сохранились следы того, что происходило миллионы и миллиарды лет тому назад. Изучение Луны позволит узнать, какой была наша планета в далёком прошлом. Это лишь одна из научных задач, которые можно будет решать, если создать на Луне постоянно действующую научную базу. На этой базе учёные смогут вести постоянные наблюдения за Землёй. С Луны также 213 можно проводить исследования объектов ближнего и дальнего космоса, которые трудно осуществить с Земли или с орбитальных станций. Удастся ли создать постоянную лунную базу, зависит от того, можно ли будет использовать ресурсы самой Луны. Поэтому обнаружение воды в лунных породах даёт надежду на воплощение этой идеи. Задание Зарисуйте вид Луны и её положение среди звёзд. Повторите такое же наблюдение через несколько суток. Ответьте на вопросы: 1. Изменился ли вид Луны (её фаза)? Почему это произошло? 2. Изменилось ли её положение среди звёзд? Почему это произошло? 3. Увеличится или уменьшится величина освещённой части Луны в течение следующей недели? 37.2. Большие планеты Вокруг Солнца обращаются 8 планет (включая Землю), которые называются большими планетами. Их основные физические характеристики приведены в таблице 11. Остановимся, подумаем Используя материалы таблицы 11, ответьте на следующие вопросы: 1. Какие планеты по физическим характеристикам (размеру, массе и плотности) похожи на Землю? 2. Какие планеты по физическим характеристикам значительно отличаются от Земли? 3. Какова средняя плотность планет, похожих на Землю? 4. Какова средняя плотность остальных планет? 5. Каковы возможные причины различия плотности планет? 214 Таблица 11 го Планета Среднее расстояние от Солнца, а. е. Звёздный период обращения, годы Период вращения вокруг оси Радиус, в радиусах Земли Масса, в массах Земли Средняя плотность, кг/м® Число известных спутников Наклон орбиты к орбите Земли Меркурий 0,4 0,24 59 сут 0,38 0,055 5430 0 7° Венера 0.7 0,62 243 сут 0,95 0,815 5240 0 3°23' Земля 1,0 1,00 23 ч 56 мин 1,00 1,000 5515 1 — Марс 1.5 1,88 24 ч 37 мин 0,53 0,107 3940 2 1°5Г Юпитер 5,2 11,87 9 ч 50 мин 11,2 318 1330 63 1°18' Сатурн 9,6 29,67 10ч12 мин 9,4 95,2 700 56 2°29' Уран 19,2 84,05 17 ч 14 мин 4,0 14,5 1300 27 0°46' Нептун 30,1 164,49 16 ч 07 мин 3,9 17,2 1760 13 Г46' Расстояние планет от Солнца указано в астрономических единицах (а. е.). Расстояние между Землёй и Солнцем составляет 1 а. е. Оно равно примерно 150 млн км. Точное значение — 149 597 870 ± 2 км. Ответив на эти вопросы, мы приходим к таким выводам. По физическим характеристикам планеты делятся на два типа. Первые четыре планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс — планеты типа Земли, которые назвали планетами земной группы. Судя по величине их плотности, они состоят в основном из вещества, находящегося в твёрдом состоянии. Остальные четыре планеты — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун — значительно больше Земли по размерам и массе. Планеты этого типа назвали планетами-гигантами. Их плотность примерно такая же, как плотность воды и других жидкостей. 37.3. Происхождение Солнечной системы Изучение планет показало, что планеты земной группы состоят из твёрдых веществ, содержащих кремний, кислород и различные металлы, например железо, магний, алюминий. Самый распространённый химический элемент — кислород, который входит в состав большинства соединений. Планеты-гиганты состоят в основном из водорода и гелия, находящихся в газообразном и жидком состояниях. Такое большое различие природы двух типов планет можно объяснить, только узнав, что происходило с ними в далёком прошлом. Согласно современным представлениям, планеты за несколько миллиардов лет сформировались из огромного холодного газопылевого облака. Это была смесь частиц различного химического состава. За столь длительное время само облако и входящее в его состав вещество значительно изменились. Облако сжималось под действием сил тяготения, и образовалось центральное горячее ядро — будущее Солнце. Оставшиеся в облаке частицы обращались вокруг Солнца по самым различным орбитам, сталкивались между собой. В результате одних столкновений частицы разрушались, а при других — объединялись в более 216 крупные тела. В конце концов, основная масса вещества оказалась сосредоточенной в нескольких планетах. Химический состав облака в различных его частях стал к этому времени неодинаковым. Под влиянием сильного нагрева из окрестностей Солнца улетучивались газы, в первую очередь водород и гелий. Вблизи него оставались лишь твёрдые тугоплавкие частицы (оксиды кремния, а также железа, алюминия, магния и других металлов). Из этого вещества сформировались Земля с Луной и другие планеты типа Земли. Вдали от Солнца, в той части облака, где температура оставалась низкой, газы намерзали на твёрдые частицы. Из этого вещества, основную массу которого составили водород и гелий, сформировались планеты-гиганты. Поэтому так различна природа двух типов планет. 37.4. Малые тела Солнечной системы Однако не всё вещество допланетного облака вошло в состав планет и их спутников. Вокруг Солнца обращается довольно много астероидов — тел размером от нескольких десятков километров до 2500 км (рис. III, форзац). Предполагается, что в Солнечной системе их насчитывается не менее 200 тысяч. Часть из них находится между орбитами Марса и Юпитера. Но значительно больше тех, которые движутся за орбитой Нептуна. Вероятно, здесь в «космическом холодильнике» сохранились в неизменном виде частицы вещества, из которого образовались планеты и другие тела Солнечной системы. В том числе и кометы. В Солнечной системе движутся несколько тысяч комет. Многие из них обращаются по вытянутым орбитам, то уходя от Солнца дальше планет, то снова возвращаясь к нему. Ядра комет состоят из водяного льда и замёрзших газов с примесью твёрдого вещества. Размеры ядер не превышают нескольких десятков километров. При приближении кометы к Солнцу ядро разогревается и образуется хвост из ионизованного газа и пыли (рис. 224). Длина хвоста может достигать нескольких десятков миллионов километров. Между пла- 217 f Рис. 224 Вопросы нетами движутся также тела размером в десятки и сотни метров, глыбы и камни, множество мелких камешков и пылинок. Чем меньше размеры этих частиц, тем их больше. Всё межпланетное пространство пронизано излучением Солнца и потоками газа, растекаюш;ими-ся из его атмосферы, — «солнечным ветром». Плотность этого газа очень мала. 1. Каковы физические условия на Луне? Чем и по каким причинам они отличаются от земных? 2. Назовите два типа лунной поверхности. Каковы причины их возникновения? 3. Каковы результаты анализа лунного вещества, доставленного на Землю? 4. Какие наблюдения необходимо провести, чтобы доказать, что на Луне происходит смена дня и ночи? 5. Видны ли с Луны те же созвездия, что и с Земли? Видны ли они такими же? 6. Каковы размеры малых тел Солнечной системы? 7. В каком состоянии находится вещество в ядре кометы, в её хвосте? 8. Может ли комета, которая периодически сближается с Солнцем, оставаться неизменной? 9. Можно ли считать межпланетное пространство пустотой? ^ 38. Планеты земной группы Считается, что планеты образовались не менее 4,5 млрд лет тому назад. Однако это вовсе не означает, что планеты сразу приобрели тот облик, который они имеют теперь. На протяжении миллиардов лет в их природе непрерывно происходили различные измене- 218 ния, в том числе весьма значительные. Из курса географии вам известно, как на Земле менялись положение и очертания материков, рельеф поверхности, какую роль в формировании климата играет гидросфера и многое другое. По своему внутреннему строению Луна и все планеты земной группы похожи на Землю. Для них характерно наличие на их поверхности «материковых» областей, которые поднимаются выше среднего её уровня, и «морских» областей, лежаш;их ниже этого уровня. Но только на Земле эти области заполнены водой и действительно являются морями. В недрах Земли и похожих на неё планет за счёт энергии, выделявшейся при распаде радиоактивных элементов, происходило расплавление веш;ества. Более лёгкие соединения всплыли наверх и образовали кору планеты, а более тяжёлые железоникелевые сплавы образовали в центре планеты ядро. В результате различных физико-химических процессов выделялись газы, которые изменяли состав атмосферы. 38.1. Атмосфера Из планет земной группы атмосфера практически отсутствует лишь у Меркурия. Состав атмосфер трёх других планет показан в таблице 12. Таблица 12 Венера Земля Марс Основные составляющие атмосферы (в процентах) N2 02 СОг HgO Аг 3.5 0,001 96.5 0,01-0,1 0,01 78 21 0,03 0,1 — 1 0,93 2.5 0,1—0,4 95 0,001-0,1 1.6 Давление у поверхности (по сравнению с земным) 90 1 0,006 Температура на поверхности (°С) в средних широтах 470 от +30 до -30 от 0 до -70 219 Для запоминания удобно считать, что атмосферное давление на Венере в 100 раз больше, чем на Земле, а на Марсе — в 150 раз меньше. Из таблицы видно, что по составу атмосферы Венеры и Марса очень похожи между собой, но значительно отличаются от атмосферы Земли. Считается, что атмосферы этих двух планет в основном сохранили первичный химический состав, который когда-то имела и атмосфера Земли. Но с течением времени в земной атмосфере произошли серьёзные изменения. Во-первых, уменьшилось содержание углекислого газа за счёт растворения его в земных водоёмах. Они, как свидетельствуют данные о геологическом прошлом Земли, никогда не замерзали. Во-вторых, увеличилось содержание кислорода благодаря появившимся на Земле растениям, которые выделяли кислород. Видимо, ни на Венере, ни на Марсе ни один из этих процессов не происходил. Излучение Солнца — главный источник энергии для всех процессов, происходяш;их на поверхности планеты и в её атмосфере. Общим свойством атмосфер планет земной группы является парниковый эффект. Его создают углекислый газ и пары воды. Они пропускают солнечный свет, нагревающий поверхность планеты, но поглощают идущее от неё тепловое (инфракрасное) излучение. Это приводит к повышению температуры как атмосферы, так и поверхности. Парниковый эффект «в миниатюре» нетрудно заметить осенью и весной. Днём солнечное излучение нагревает земную поверхность, от которой тепло передаётся атмосфере в основном посредством излучения и конвекции, поскольку теплопроводность воздуха невелика. Ночью Земля теми же способами продолжает отдавать полученное ею тепло. Как известно, в ночное время при ясной погоде наблюдается значительное понижение температуры вплоть до заморозков. В пасмурную погоду этого не происходит. Облака препятствуют остыванию атмосферы, задерживая инфракрасное (тепловое) 220 излучение земной поверхности, которое в ясную погоду беспрепятственно покидает Землю. Если бы не было парникового эффекта, то на Земле было бы примерно на 30 °С холоднее. Именно благодаря парниковому эффекту наша планета обладает уникальной особенностью — гидросферой, состоящей из воды в жидком состоянии. Наличие гидросферы и существование жизни на Земле неразрывно связаны между собой. Для возникновения и развития жизни необходимо не просто существование жидкой воды, но и сохранение её в стабильных температурных условиях на протяжении миллионов лет. Уникальность условий на Земле повышает ответственность человечества за сохранение природы нашей планеты для будущих поколений. На остальных планетах земной группы сложились иные условия. Наиболее сильно парниковый эффект действует на Венере. В её атмосфере существует постоянный облачный слой, состоящий из капелек серной и соляной кислот. Серная кислота, хотя и в значительно меньшем количестве, присутствует и в земной атмосфере. Видимо, в обоих случаях она образуется из сернистого газа SOg — оксида серы (IV), источником которого являются вулканические извержения. Температура на поверхности Венеры выше температуры плавления таких металлов, как олово и свинец. За миллионы лет планета утратила свою воду. В разреженной атмосфере Марса, напротив, парниковый эффект очень слаб, и к тому же Марс находится от Солнца дальше, чем Земля. Воды на этой планете немало, но вся она находится в замёрзшем состоянии. Под поверхностью Марса обнаружен слой многолетней мерзлоты, подобный тому, который есть в холодных регионах Земли. При понижении температуры в ночное время на поверхности появляется тонкий слой инея. Водяной лёд, покрытый слоем замёрзшего углекислого газа («сухого льда»), образует на обоих полюсах Марса постоянные полярные шапки толщиной до 3 км. Одна из них — около Северного полюса — показана на рисунке IV (форзац). Запасы льда в ней равны примерно половине ледяного покрова Гренландии. 221 38.2. Рельеф В формировании рельефа поверхности Земли, Марса и Венеры важную роль играли вулканические и тектонические явления. В центре фотографии Марса (рис. V, форзац) хорошо виден гигантский разлом длиной более 4000 км и глубиной до 6 км. Он получил название долина Маринера в честь космического аппарата, впервые передавшего снимки поверхности Марса в 1965 г. На снимке видно, что склоны этого разлома несут на себе следы выветривания и осыпания. Самый крупный на Марсе вулкан — гора Олимп, высота которого 26 км, а диаметр основания около 600 км (рис. VI, форзац). Это потухший вулкан, как и остальные более семидесяти вулканов меньшего размера, обнаруженные на этой планете. На рисунке 225 вы видите марсианский Олимп в сравнении с земными горами. Метеоритные кратеры являются результатом внешнего воздействия на все тела Солнечной системы, имею-ш,ие твёрдую поверхность. Таких кратеров больше всего на Луне и Меркурии, которые лишены атмосферы (рис. 226). Атмосфера Марса является слабой защитой от ударов метеоритов. Серьёзным препятствием для падения метеоритов являются атмосфера Земли и, особенно, атмосфера Венеры. На этих планетах кратеров меньше, поскольку большая часть метеоритов разрушается и распыляется ещё в атмосфере. Только самые крупные из них сохраняют скорость, достаточную для того, чтобы при ударе о поверхность планеты образо- 75 км Рис. 226 вать кратер. Один из крупнейших метеоритных кратеров на Марсе имеет диаметр 460 км. Некоторые формы рельефа Марса очень напоминают русла высохших рек (рис. VII, форзац) и долины, которые возникают на Земле в горах под действием селевых потоков. Видимо, такие потоки могут возникать и на Марсе при частичном расплавлении слоя мерзлоты при падении метеоритов или по другим причинам. Из всех планет Марс в настоявшее время изучен наиболее подробно. На его поверхности уже несколько лет работают автоматические станции, которые ведут различные метеорологические и геологические исследования, определяют, из чего состоит марсианский грунт. Суш;ественных отличий от состава земных пород не обнаружено. В частности, подтвердилось мнение о том, что красный цвет поверхности связан с наличием распространённого в земных пустынях минерала лимонит. Именно он содержит оксиды железа красного цвета. На Марсе регулярно наблюдаются пылевые бури различного масштаба. Наиболее сильные из них продолжаются более трёх месяцев. Скорость ветра, который поднимает в атмосферу миллионы тонн песка, может достигать 70 км/ч. Осевший на поверхности планеты песок образует дюны. Первые исследования, проведённые на Марсе с по-мопдью автоматической биологической лаборатории, не обнаружили в марсианском грунте ни органических соединений, ни каких-либо следов жизнедеятельности даже микроорганизмов. Вероятно, для окончательного ответа на вопрос о жизни на Марсе необходимы новые эксперименты. Вокруг Марса обраш;аются два небольших спутника: Фобос и Деймос (рис. 227). Возможно, что когда-то эти малые тела обрапшались вокруг Солнца, но затем были захвачены Марсом. 223 Рис. 227 Венера резко отличается от нашей планеты по своим природным условиями. Из-за очень высокой температуры автоматические космические аппараты не могли работать при спуске в атмосфере и на поверхности планеты более 2 часов. Тем не менее всё же удалось увидеть, как она выглядит в районах посадки этих аппаратов (рис. VIII, форзац), и даже определить химический состав пород, находяш;ихся на поверхности. Он оказался похож на состав земных базальтов, а также лунных и марсианских пород. Толстый облачный слой не даёт возможности получить снимки поверхности Венеры. Даже космические аппараты — её искусственные спутники — могут исследовать рельеф планеты только при помощи радиолокации. Это позволило составить подробную карту Венеры. На карте показаны крупные низменности и возвышенности, сравнимые по площади с океанами и материками Земли, а также другие объекты. На поверхности планеты насчитывается около 900 кратеров до 270 км в диаметре. Существует также много вулканов высотой от 1 до 6 км. Один из них показан на рисунке IX (форзац), который составлен на основе радиолокационных данных. Кроме обычных вулканов на Венере замечены такие формы рельефа, которые не встречаются на других планетах. Например, так называемые «вулканы-блины» (рис. X, форзац), которые представляют собой застывшие, очень толстые, медленно растекавшиеся когда-то потоки лавы. 224 f Вопросы 1. B чём причина различий химического состава атмосфер планет земной группы? 2. Какие формы рельефа поверхности обнаружены на поверхности планет земной группы с помощью космических аппаратов? 3. Сравните суточные колебания температур на Луне, Марсе, Венере и Земле. Объясните, в чём причина существующих различий. Ц 39. Планеты-гиганты На примере Юпитера — самой крупной из планет-гигантов — можно видеть, как существенно они отличаются от планет земного типа. 82% его массы составляет водород, а 17% — гелий. Юпитер окружён облачным слоем атмосферы, которая имеет толщину более 1000 км. На уровне верхней границы облаков температура составляет около —130 °С, а давление атмосферы такое же, как на поверхности Земли. Космический аппарат, который находился в атмосфере Юпитера, зафиксировал, что на глубине 100 км температура возросла до +30 °С, а давление увеличилось в 24 раза. Вследствие быстрого вращения планеты облака выглядят как тёмные и светлые полосы, вытянутые параллельно экватору. Кроме полос заметны пятна округлой формы — атмосферные вихри, подобные земным циклонам и антициклонам, но превосходящие их по масштабам. Так, устойчивый антициклон, наблюдаемый уже более 300 лет как Большое Красное Пятно, имеет размер 4800 х 12 000 км (рис. XI, форзац). Помимо водорода и гелия в атмосфере Юпитера в небольших количествах присутствуют такие газы, как метан, аммиак, этан, ацетилен и некоторые другие соединения. В небольших облаках, похожих на земные кучевые облака, содержится также вода. На Юпитере происходят полярные сияния, а также значительно более мощные, чем на Земле, грозы. 225 Очень сильно отличаются планеты-гиганты от планет земной группы по своему внутреннему строению. Расчеты показывают, что внутри Юпитера на глубине 11 000 км температура превышает -1-1700 °С. Здесь, при огромном давлении, которое достигает 7 • 10^® Па, водород переходит в особое «металлическое» состояние и его плотность достигает 800 кг/м^. В центре относительно небольшого ядра Юпитера плотность веш;ества еш;ё больше, а температура достигает 20 000 °С. Благодаря горячим недрам Юпитер излучает энергии примерно вдвое больше, чем получает её от Солнца. Примерно такую же атмосферу и внутреннее строение имеют остальные планеты-гиганты. 39.1. Спутники и кольца планет-гигантов После того как водород и гелий практически полностью вошли в состав планет-гигантов, на долю их спутников остались лишь твёрдые веищества допланет-ного облака. Кроме веш;еств, из которых состоят планеты земного типа, спутники содержат также водяной (или водно-аммиачный) лед. В общей сложности у планет-гигантов насчитывается уже более 160 спутников. По своим размерам они очень разные. Самые крупные спутники — Ганимед (у Юпитера), Титан (у Сатурна) и Тритон (у Нептуна) — так велики, что имеют заметную атмосферу. Спутники Юпитера Ио и Европа, которые были открыты ещё Г. Галилеем, по размерам сравнимы с Луной (рис. XII, форзац). Спутники, поперечник которых менее 500 км, в большинстве случаев имеют неправильную форму. За последние годы у Сатурна открыты спутники диаметром в несколько десятков километров. На спутнике Юпитера Ио обнаружено более десятка действуюших вулканов. Пока он остаётся единственным вулканически активным объектом Солнечной системы. На многих других спутниках существенными деталями рельефа являются метеоритные кратеры. Они заметны даже на поверхности Европы, покрытой ледяной корой и сетью трещин. 226 в 2005 г. космический зонд «Гюйгенс» впервые совершил посадку на поверхность Титана — самого крупного из спутников Сатурна. Средняя температура на его поверхности около -180 °С, а давление примерно в полтора раза больше, чем на Земле. В атмосфере, состоящей в основном из метана, существует несколько слоёв облаков. На поверхности Титана обнаружено не менее десятка гигантских озёр и даже морей. Заполняющая их жидкость, скорее всего, является смесью сжиженных газов — метана и этана. На Земле они входят в состав природного газа. Мелкие камни (не более 10 м) и космическая пыль обращаются вокруг планет-гигантов в виде колец. Наиболее яркие кольца Сатурна (рис. XIII, форзац) можно наблюдать даже в небольшой телескоп. Вопросы 1. Почему планеты-гиганты и их атмосферы отличаются от планет земной группы? 2. Какие формы рельефа характерны для большинства спутников этих планет? 3. Каково строение колец планет-гигантов? 4. Какое уникальное явление обнаружено на одном из спутников Юпитера? 5. Какие физические процессы лежат в основе образования облаков на всех планетах? Повторим, обдумаем изученное ^ Упражнение 13 Выберите правильные ответы. 1. Характерными отличительными признаками всех планет земной группы являются: 1) плотность около 5000 кг/м^ 2) диаметр более 15 000 км 3) диаметр менее 15 000 км 4) наличие спутников 5) твёрдая поверхность 227 6) существование гидросферы 7) смена времён года 2. Какие из перечисленных ниже открытий были сделаны благодаря использованию космических аппаратов? 1) полярные шапки на Марсе 2) действующие вулканы на спутнике Юпитера Ио 3) кольца Сатурна 4) кольца Юпитера 5) множество малых планет на окраинах Солнечной системы 6) существование льда на Луне 3. Характерными отличительными признаками планет-гигантов являются: 1) плотность не более 2000 кг/м^ 2) диаметр в несколько раз больше диаметра Земли 3) плотность не менее 5000 кг/м^ 4) твёрдая поверхность 5) существование гидросферы 6) атмосфера, состоящая в основном из азота, кислорода и углекислого газа 7) более медленное, чем у Земли, вращение вокруг оси 8) атмосфера, состоящая в основном из водорода и гелия ^ Упражнение 14 1. Установите соответствие между планетами Солнечной системы и их характерными признаками. ПЛАНЕТА A) Марс Б) Сатурн B) Луна Г) Венера ПРИЗНАК 1) постоянная высокая температура на планете 2) существование гидросферы 3) смена времён года 4) действующие вулканы на спутнике планеты 5) кольцо мелких спутников вокруг планеты 6) отсутствие атмосферы 2. Установите соответствие между объектами Солнечной системы и их характерными признаками. 228 ОБЪЕКТ A) комета Б) Венера B) Меркурий Г) Юпитер ПРИЗНАК 1) существование гидросферы 2) большое число спутников 3) отсутствие атмосферы 4) большое число гор вулканического типа 5) смена времён года 6) состоит из замёрзших газов и водяного льда ^ Упражнение 15 1. Верны ли следующие утверждения? А. Атмосферы планет земной группы состоят в основном из азота. Б. Планеты-гиганты состоят в основном из водорода и гелия. 1) верно только А 2) верно только Б 3) верны оба утверждения 4) оба утверждения неверны 2. Верны ли следующие утверждения? А. На поверхности Венеры температура практически не меняется. Б. Планеты-гиганты имеют большое число спутников. 1) верно только А 3) верны оба утверждения 2) верно только Б 4) оба утверждения неверны 3. Верны ли следующие утверждения? А. На Луне так же, как и на Земле, происходит смена времён года. Б. Земля имеет самую плотную атмосферу среди планет земной группы. 1) верно только А 3) верны оба утверждения 2) верно только Б 4) оба утверждения неверны 4. Верны ли следующие утверждения? А. На Луне температура поверхности бывает выше, чем на Земле, потому что она находится к Солнцу ближе, чем Земля. Б. На планетах-гигантах существуют действующие вулканы. 229 1) верно только А 2) верно только Б 3) верны оба утверждения 4) оба утверждения неверны Используя Интернет, подготовьте сообщения по темам {на выбор). 1. Правила, согласно которым даются собственные имена различным объектам на планетах и других космических телах. (Сайт: http/ / planetarynames.wr. usgs. gov/) 2. Физическая карта Марса. (Сайт: http//www.google.com/mars/) 3. Чудеса Вселенной. (Сайты: http/ / WWW. astro .spbu. ru/astro/win/popular/index. html http//www.krugosvet.ru/taxonomy/term/43) Приложение Краткие сведения о некоторых физических величинах Скорость (v) показывает, как быстро движется тело. Она равна расстоянию, которое тело проходит за единицу времени, т. е. за 1 с или за 1 ч и т. д. Её определяют по формуле: V = s/ty где S — путь, пройденный телом; t — время; v — скорость. Измеряется скорость, как вы знаете, в метрах в секунду (м/с), километрах в час (км/ч). Ещё одна физическая величина, с которой вы хорошо знакомы, — масса тела. Масса тела (т) — одна из важнейших физических величин. Она характеризует: — инертность тел, т. е. сопротивление к изменению скорости; — притяжение тел к Земле. Единицы массы: [тп] = 1 кг, 1 г, 1 мг. 1 кг = 1000 г, 1 г = 1000 мг. Масса измеряется с помощью весов. Объём тела (И) — величина, известная вам из курса математики, характеризует часть пространства, занимаемого телом. [V] = 1 м^, 1 дм^ (л), 1 см^ (мл) (л — литр, мл — миллилитр). 1 м^ = 1000 дм^, 1 дм^ (л) = 1000 см^ (мл), 1 м3 = 1 000 000 см3. 231 Измерение объёма (рис. 228, а): V = а* Ь • с. * С помощью мензурки (рис. 228, б) из- а) меряют объём жидкости. Плотность вещества (р) — масса вещества, содержащегося в единичном объёме тела (в 1 см^ или в 1 м^). Определяется по формуле: р = m/V. Единицы плотности: р = [т] / [F] = = 1 г/см^, 1 кг/м^. Из формулы р = m/V получают две другие: для определения массы /п = р • И и для определения объёма тела F= т/р. Сила — это слово вам хорошо известно, но в физике оно имеет не совсем то значение, к которому вы привыкли. В природе нет тел или частиц, на которые бы не действовали другие тела или частицы. Солнце действует на Землю и другие планеты, книга действует на стол, вода — на дно стакана, магнит — на магнитную стрелку, палочка, потёртая о шерсть, — на лёгкие листочки бумаги и т. д. При взаимодействии оба тела действуют друг на друга. Так, книга действует на стол вниз, но и стол действует на книгу вверх; человек, находясь в лодке, вёслами действует на воду назад, а вода действует на вёсла вперёд. Благодаря этому лодка движется. Характеристикой взаимодействия является физическая величина — сила {F). Вместо того чтобы говорить, что на какое-то тело подействовало другое тело, говорят: «На тело подействовала сила». Сила характеризуется величиной, направлением и точкой приложения. На чертеже изображается стрелкой (рис. 229). 232 .л. Рис. 230 Рис. 231 Существуют различные виды сил. Сила тяготения — сила притяжения тел друг к другу (рис. 230). Сила тяжести — сила притяжения тел к Земле. Она зависит от массы тел. За единицу силы принимают силу тяжести тела массой 102 г (приближённо 100 г). Этой силе присваивают значение 1 ньютон (Н). Если масса тел известна, то сила тяжести может быть определена по формуле: F.j. = т* 9,8 Н/кг. Сила упругости — сила, возникающая при изменении формы (при деформации) тел. Например, при сжатии ластика, растяжении пружины или нити, при изгибе линейки в них возникает сила упругости (рис. 231). Сила упругости тем больше, чем сильнее деформировано тело. Сила трения возникает, когда одно тело перемещают по поверхности другого (рис. 232). Существуют и другие виды сил, например элект-рическаяу магнитная. Действие силы на тело приводит к изменению скорости тела или к изменению его формы. Однако на тело могут действовать силы, но тело останется в ^ , покое или, если оно двигалось, не изменит своей скорости. Это бывает в тех случаях, когда силы, действующие на тело, компенсируют друг друга. Рис. 232 233 Силы измеряют с помощью динамометров у действие которых основано на зависимости силы упругости от растяжения пружины (рис. 233). Механическая работа совершается в том случае, если какое-либо тело перемещается под действием силы. Работа вычисляется по формуле: A=F • Sy где F — сила; s — перемещение; А — механическая работа. Если сила действует на тело в направлении движения, то работа положительна. Если сила действует на тело, замедляя его движение, то работа отрицательна. Единица работы: [А] = [F] • [s] = 1 Н • м = 1 Дж (джоуль). Энергия — физическая величина, характеризующая способность тел или частиц совершать работу. Чем большую работу способно совершить тело, тем большей энергией оно обладает. Измеряется энергия в единицах работы, т. е. в джоулях. Существуют различные виды энергии: механическая, внутренняя, ядерная и др. В данном курсе особую важность имеет понятие механической энергии. Механическая энергия тела (Е) складывается из кинетической энергии и потенциальной. Кинетическая энергия — энергия движущихся тел. Например: энергия ветра, потока воды, движущегося автомобиля, энергия движения планет, спутников и т. д. Кинетическая энергия определяется по формуле: = mv^/2y т. е. зависит от массы тела и его скорости. Потенциальная энергия — энергия взаимодействующих тел или частей тела. 234 Например: энергия тел, поднятых над землёй, энергия сжатой или растянутой пружины. Потенциальная энергия тела, поднятого над землёй, определяется по формуле: = mgh, где т — масса тела; g — коэффициент, равный 9,8 Н/кг; h — высота, на которую поднято тело относительно нулевого уровня. Энергия сжатой пружины зависит от величины сжатия пружины. Энергия не возникает ниоткуда. Она может исходить только от какого-либо источника. На Землю поступает энергия от Солнца. Чайник нагревается от газовой горелки, деревья колышутся под действием ветра. Энергия способна передаваться от одного тела другому. Например, от игрока — мячу, от батареи отопления — воздуху в комнате, от потока воды — кораблю и т. д. Энергия может переходить из одного вида в другой. При падении или скатывании с горки шара его потенциальная энергия переходит в кинетическую, при взрыве снаряда энергия взрывчатого вещества переходит в кинетическую энергию осколков. Но при всех переходах и превращениях энергия никогда не теряется. Всегда можно найти, откуда она возникла и какому телу была передана. В этом состоит закон сохранения энергии. ОГЛАВЛЕНИЕ Введение............................................ 3 I. Что изучает физика, зачем её надо знать и для кого написана эта книга?.................. 3 II. Что нужно знать начинающему изучать физику? .. 7 ГЛАВА I. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА § 1. Мельчайшие частицы вещества................... 11 1.1. Что показывают эксперименты................. 11 1.2. Частицы вещества............................ 14 1.3. Атомы и ионы................................ 18 § 2. Движение частиц вещества...................... 20 2.1. Явление диффузии ........................... 20 2.2. Температура................................. 24 2.3. Броуновское движение ....................... 29 § 3. Взаимодействие атомов и молекул............... 30 3.1. Эксперименты и их объяснение ............... 30 3.2. Взаимодействие частиц и агрегатные состояния вещества ................. 34 Повторим, обдумаем изученное....................... 37 ГЛАВА II. ГАЗЫ И ИХ СВОЙСТВА § 4. Давление газа (Как газ оказывает давление на стенки сосуда)....................... 40 § 5. Газовые процессы ............................. 44 5.1. Изотермический процесс...................... 44 5.2. Изохорный процесс........................... 46 5.3. Изобарный процесс........................... 48 § 6. Как газы передают давление.................... 51 § 7. Использование сжатого воздуха ................ 53 § 8. Атмосфера Земли............................... 55 § 9. Атмосферное давление.......................... 59 Повторим, обдумаем изученное....................... 65 ГЛАВА III. ЖИДКОСТИ И ИХ СВОЙСТВА § 10. Передача давления жидкостями..................68 §11. Давление на глубине жидкости.................. 72 § 12. Сообщающиеся сосуды ......................... 79 § 13. Давление на дно морей и океанов. Исследование морских глубин...................... 80 236 § 14. Действие жидкости и газа на погружённое в них тело...........................83 14.1. В чём причина действия выталкивающей силы на тело, погружённое в жидкость............. 84 14.2. Расчёт значения выталкивающей силы..........85 14.3. Проверка формулы закона Архимеда на опыте...87 § 15. Плавание тел................................. 90 15.1. Тело тонет, плавает, всплывает .............90 15.2. Плавание судов............................. 93 § 16. Исследования атмосферы....................... 97 § 17. Поверхностное натяжение жидкостей............ 99 17.1. Что такое смачивание........................99 17.2. Явление капиллярности .....................102 Повторим, обдумаем изученное.......................105 ГЛАВА IV. ПАРЫ И ИХ СВОЙСТВА § 18. Испарение и конденсация......................109 18.1. От чего зависит скорость испарения жидкости.110 18.2. Что происходит с внутренней энергией в процессах испарения и конденсации..............114 18.3. Кипение....................................116 § 19. Пары насыщенные и ненасыщенные...............120 § 20. Сжижение газов...............................123 §21. Влажность воздуха ............................127 Повторим, обдумаем изученное.......................129 ГЛАВА V. МИР КРИСТАЛЛОВ § 22. Что такое кристалл...........................132 § 23. Строение и свойства кристаллов. Аморфные тела . . . .136 23.1. Строение кристаллов........................136 23.2. Строение кристаллов определяет их свойства.140 23.3. Аморфные вещества..........................145 § 24. Плавление и отвердевание кристаллических тел..146 § 25. Выращивание кристаллов.......................151 25.1. Выращивание кристаллов из раствора.........151 25.2. Как кристаллы растут из расплавов..........155 § 26. Применение кристаллов........................156 Повторим, обдумаем изученное.......................160 ГЛАВА VI. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И СПОСОБЫ ЕЁ ИЗМЕНЕНИЯ § 27. Внутренняя энергия ..........................161 § 28. Теплопередача................................165 28.1. Расчёт количества теплоты..................166 237 § 29. Теплопроводность..............................170 § 30. Конвекция.....................................172 30.1. Что такое конвекция.........................172 30.2. Примеры конвекции в природе и технике.......174 § 31. Излучение ....................................176 31.1. Что такое излучение.........................176 31.2. От чего зависит интенсивность излучения.....177 31.3. Тепловое (инфракрасное) излучение...........180 § 32. Закон сохранения энергии......................181 § 33. Тепловые машины...............................184 33.1. Коэффициент полезного действия..............187 Повторим, обдумаем изученное........................188 ГЛАВА VII. СТРОЕНИЕ АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА § 34. Явление радиоактивности.......................191 34.1. Открытие явления радиоактивности............193 34.2. Свойства радиоактивного излучения...........195 § 35. Строение атома и атомного ядра................200 35.1. Опыты Резерфорда............................200 35.2. Строение ядра атома.........................204 § 36. Ядерные реакции...............................206 36.1. Объяснение превраш;ения химических элементов при радиоактивном излучении.......................206 36.2. Искусственное превращение химических элементов.........................................208 Повторим, обдумаем изученное........................210 ГЛАВА VIII. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА § 37. Состав и происхождение Солнечной системы......212 37.1. Луна........................................212 37.2. Большие планеты.............................214 37.3. Происхождение Солнечной системы.............216 37.4. Малые тела Солнечной системы................217 § 38. Планеты земной группы.........................218 38.1. Атмосфера...................................219 38.2. Рельеф......................................222 § 39. Планеты-гиганты...............................225 39.1. Спутники и кольца планет-гигантов...........226 Повторим, обдумаем изученное........................227 Приложение..........................................231 Учебное издание Гуревич Александр Евсеевич Страут Евгений Карлович ФИЗИКА 7 класс Учебник для общеобразовательных учреждений Зав. редакцией Е. Н. Тихонова Ответственный редактор Г. А. Лонцова Художественный редактор М. В. Мандрыкина Художники Н. А. Николаева, 3. А. Флоринская Технический редактор И. В. Грибкова Компьютерная верстка Т. В. Рыбина Корректор Г. И. Мосякина Сертификат соответствия № РОСС RU. АЕ51. Н 15488. ш Подписано к печати 15.05.12. Формат 60 х 90 Бумага офсетная. Гарнитура «Школьная». Печать офсетная. Уел. печ. л. 15,0. Тираж 1000 экз. Заказ № 1206300. ООО «Дрофа». 127018, Москва, Сущевский вал, 49. Предложения и замечания по содержанию и оформлению книги просим направлять в редакцию общего образования издательства «Дрофа»: 127018, Москва, а/я 79. Тел.: (495) 795-05-41. E-mail: [email protected] По вопросам приобретения продукции издательства «Дрофа» обращаться по адресу: 127018, Москва, Сущевский вал, 49. Тел.: (495) 795-05-50, 795-05-51. Факс: (495) 795-05-52. Торговый дом «Школьник». 109172, Москва, ул. Малые Каменщики, д. 6, стр. 1А. Тел.: (499) 911-70-24, 912-15-16, 912-45-76. Книжный магазин «УЗНАЙ-КА!». 127434, Москва, Дмитровское шоссе, д. 25, корп. 1. Тел.: (499) 976-48-60. ООО «Абрис». 129075, Москва, ул. Калибровская, д. 31А. Тел./факс: (495) 981-10-39, 258-82-13, 258-82-14. https://www.textbook.ru ООО «Разумник». 129110, Москва, Напрудный пер., д. 15. Тел.: (495) 961-50-08. https://www.razumnik.ru Интернет-мага.зин «UML1T.RU». https://www.umlit.ru Интернет-магазин «Умник и К», https://www.umnikk.ru Интернет-магазин: https://www.drofа.ru Отпечатано в полном соответствии с качеством 0предоставленного электронного оригинал-макета в ОАО «Ярославский полиграфкомбинат» 150049, Ярославль, ул. Свободы, 97