Учебник Физика 8 класс Божинова Ненашев Кирюхина

А-PDF Me ■nar ПСМП • Oi Khase from www.A-PDF.com to remove the watermark Ф. Я. Божинова, И. Ю. Ненашев, Н. М. Кирюхин Ф ИЗИКА ищАтельство РАНОК УДК371.388:63 ПНК 22.8я721 Б7б Издало за счот средств ивдатс.1ьства. Продажа разрешена Рекомендовано Министерством образования и науки Украины (арикаэ Миялгтерства образования и науки Укряипм от 19.03.2008 г. 205) Работники Министерства обрв.зоааиня и науки Украины и Института ииновашшниых технологий и содержания образования, ответственные за подготовку упебника к илдаиию; Е. В. XoMfHKo. главный сиециалист МОП Украины, И.Л. Юрчук. методист высшей категории Института инновационных техно.ютй и содержолия обра.'юваиия Рецензенты: А Л/. Габович, доктор физ.*мат. паук, ведущий научный сотрудник Института фиапкн НАН Украины, В.А.Одарич, каид. физ.-мат. наук, доцент КНУ им. Т. Г. Шовчеико 1к>жипова Ф. Я. Н7в Физика. 8 к.тасс: Учебник для общеобразоват. у'чеб. аавед. / Ф. Я. Ьожи* нова, И. Ю. Неиатев, Н. М. Кирюхин.— Харьков: Ранок. 200К.— 256 с.: нл. ISBN 978-966-672 234*1 Предлагаемый учебник яачяетгл сч>стявла1мпей уч«бно'Мвтодп<мекого комилаи* та «Фнзнка Я», который включает также плавы-коагпекты нсех уроков, сборник задач, тетрадь для .забораторвых работ и зачетную тетрадь для тематического контроля. Основная цель учебника *— гпогабстиоаать формированию базовых фиаических .iHannft. локя.зать их меобходпмость д.1я аоннмання окружающего мира. УДК :471.3вв.ЛЗ EUK 23ЛЯ721 IRBN 078-966 572-234-1 С Ф. Я. Божппова, И. Ю. Ненашев, И. М, Кпрючнн, 2008 С D. В. Зюзюкнв. К. Н. Пуляева, ид., 2008 С (ХЮИздятельство«Ранок»,2008 ДОРОГИЕ ДРУЗЬЯ! В этом учебном году лродолмдется ыше путешестяне в мир физики. Вас. как и прежде, ожидает много интересного — будете набпюдать явления природы, проводить физические эксперименты и на каждом уроке совершать собствен ные маленькие открытия. На этом пути вас ожидает не только корошо известные из курса природоведения и математики понятия: «скорость», «путь», «сила», •работа»,— но и много новых, еше не известных вам Ни стдно настоящее путешествие не бывает легким, но при этом сколько нового вы узнаете об окружакмцсм мире' И главным помощником для вас станет учебник, который вы держите в руках. будьте внимательны и настойчивы, изучая содержание каждого параграфа. И тог да вы сможете понять суть изложенного материала и научиться применять полученные знания в повседисвной жизни. Обратите внимание, что каждый параграф завершается рубриками; «noAnoAHM итоги», »Контрольные вопросы». »Упражнение». •Экспериментальные задания» Для чего они нужны и как ими пользоваться? В рубрике «Подводим итоги» даны сведения об основных понятиях и явлениях. с которыми вы познакомились. Благодаря ей вы имеете возможность еще раз обратить внимание на главное в изученном материале «Комтрольмые вопросы» помогут выяснить, поняли вы материал или что-то упустили. Если вы сможете ответить на все вопросы, то все обстоит благопо лучно. Если же на некоторые вопросы вы не знаете ответа, снова обратитесь к тексту параграфа Рубрика «Упражиеиио» сделает ваше путешествие в удивительный мир физики еще более интересным и пополнит ваши знания. Задания этой рубрики по силам каждому, однако придется поразмыслить и проявить сообразительность. Зада ния, обозначенные звездочкой (*),— для тех. кто не привык останавливаться на достигнутом и хочет узнать больше. Физика — наука экспериментальная, поэтому в учебнике вас ожидают вкспв-риментальмые задания |в каждом параграфе! и лабораторные работы Обязательно выполните их — и вы начнете лучше понимать физику и любить ее Материалы, предложемные в конце каждого раздела под рубриками мПодао-дим итоги раздела» и •Задания для самопроееркм», будут полезными при повторении изученного и подготовке к контрольным работам. Для тех, кто хочет больше узнать о развитии физической науки и техники в Украине и мире, найдется немало интересного и полезного в рубриках «Физика и техника в Украине» и «Энциклопедическая страиице». Иитересного путешествия в мир физики, и пусть вам во всем сопутствует удача! РАЗДЕЛ 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ § 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ. ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ. ТРАЕКТОРИЯ. ПУТЬ 71 Всю жи1нь мы сталкиваемся с движением и покоем. Большинство тел, которые НАС окружают, находятся в движении; автомобили, самолеты, листья деревьев, животные, насекомые и т. п. С другой стороны, дома, железнодорожные рельсы, столбы, стоящие вдоль дорог, и другие предметы находятся в покое. Научив данный параграф, вы уанаете, что на самом деле в поооянном движении находятся все тела и что понятия покоя и движения относительны. |П Знакомимся с механическим движением В 7 классе вы узнали о различных физических Я8.1ениях. Одно из наибо.>1ее распространенных из них — механическое движение <рис. 1.1). Движутся с тт^чепием времени все тела: миллиарды лет, которые существует Вселенная, разлетаются друг от друга галактики; Земля движется вокруг Солнца, осуществляя один оборот в год; .за несколько часов самолет перелетает из Киева в Париж; в капле волы .множество микробов ежесекундно перепрыгивают с места на место; молекулы и атомы веществ все я|)рмя находятся в хаотичном дниженнн и т. д. Несмотря на разнообразие примеров движения, для них можно выделить общие черты: во-первых, ujMeHeHue пможения тел происходит с течением времени: во-вторых, все движу щиеся тела илменяют слое положение в про странстве относительно других тел. Механическое движение — это изменение с течением времени положения тела в пространстве относительно других тел. Выяснить, движется тело или находится в состоянии покоя, можно толы:о если рассматривать положение .тгого тела относительно других тел (рис. 1.2). Тело, относительни которого определяетч'я положение движущегося тела, называют телом отсчета. Каждый наблюдатель выбирает тело отсчета произвольно. Рис. 1.1. Вес о мире движется: и огромные галактики, и окружающие нас тела, и микроскопи-иеские организмы i 1. М»хамич*ско« дмикеиис. Отиоситсльиость д*иж«иия. Траектория. Путь Исследуем отиосмтелимостр движений То, что тело отсчета можно выбирать про* илвольно, означает, что состояние движения и состояние покоя являются относительными. Представим пассажира, который, сиди в кресле вагона поезда, едет в другой город. Относительно кресла и вагопа пассажир не меняет со врсмсне.м своего положения, то есть находится в состоянии покоя, а вот относительно деревьев за окном он движется. ^1итая эти строки, вы, скорее всего, сидите в классе за партой или дома за стадом. Относительно парты или стола вы находитесь в состоянии покоя; в то же время вместе со всем, что есть на Земле, вы движетесь относительно Солнца. Относительность движения дает возможность «остановить* движущийся автомобиль. Для этого нужен еще один автомобиль, который будет ехать рядом с первым, не отставая и не обгоняя его. В таком случае автомобили относительно друг друга будут находиться в состоянии покоя. (Вспомните, как каскадеры пересажинн-ются из одного мчащегося автомобиля в другой: не нужно никакой остановки!) Тот же принцип исполизустся при перекачивании горючего из одного самолета в другой прямо в воздухе (рис. 1.3). Иуумаем траектории движения П|»оведитс по листу бумаги карандашом — вы патучите .шмию, в каждой точке которой последователыш побывал копчик карандаша (рис. 1.4). Эта линия - траектория движения кончика каракдашв. Траектория — это линия, которую описывает в пространстве движущаяся точка. Форма траектории движения может быть п1юизвольиий: дуга, парабо.та, прямая, ломаная и т. д. Траектории движения тел по форме делятся на пря.молинеиные (рис. 1.5, и) и криво линейные (рис. 1..5, б). Обычно мы не видим траектории движения тел, однако бывают исключения. Так, в безоблачный день высоко в небе заметен белый след, оставленный самилет'о.ч. Этот след — Рис. 1.2. Если предста-вигь. что во вселенной есть только одно тело,-например. Ттланета Зем ал,- то попытки опрсде лить, движется оно или мет. теряют смысл — »го невотможио Рис. 1Л. Самолеты относительно друг друта остановились. в то же время относительно Земли они движутся с большой скоростью Рис. 1.4. Кончик карандаша оставляет на бумаге линию. по которой двигался Р«вдел 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Рис. 1.5. Движение ракеты в первые секунды после старта — пример прямолинейного движения (а): движение трамвая на повороте— пример криволинейного движения (б) траектория движения само.пета. В других случаях траекторпго движения можно «заготовить» заранее: например, траекторией движения пое.зда можно считать рельсы, по которым он едет. Траектория движения одного и того же тела может быть pajHoU — она .ювисит от того, относительно какого тела отсчета наблюдают за движением. Нанрн.мер, сидя в автобусе, .мальчик передал яблоко сяоему соседу. Для .мальчика, его соседа и других пассажиров траектория движения яблоки ~ ато отрезок прямой. Телом отсчета в этом случае является салон автобуса. Но за время, пока мальчик передавал яблоко, оно вместе с автобусо.м проехало некоторый участок шоссе, поэтому для человека, стоящего на обочине дороги, траектория движения яблока совсем другая (рис. 1.6). Телом отсчета в таком случае может быть, например, шоссе. Во время движения теле каждая его точка имеет свою траекторию. Исследовать траектории движения всех точек тела очень сложно, однако достаточно часто этого делать и не нужно. Речь идет о случаях, когда размерами тела можно пренебречь и считать тело одной точкой. Когда же такое возможно? Ec.iH размеры тела намного меньше расстояния, которое оно преодолевает, то в таких случаях говорят, что тело можно считать материальной точкой. Например, рассмотрим авти.мобиль, который едет по трассе из Одессы я Киев, и этот же автомобиль, паркуюпщй- Рмс. 1.6. Для пассажиров автобуса траекто рия движения яблока — короткий отреэок прямой (на схеме — линия /), для наблюдателя на обочине дороги эта траектория будет совсем другой |»«а схеме — линия 2) Чэ— ю—-о^ i 1. М«ханйч«<кое движение. Относительность движения. Траектория. Путь Рис. 1.7. Измерение длины траектории движения кончика карандаша ся на автостоянке. В первом случае, исследуя движение авто.мобиля, можно пренебречь его размерами, то есть тем, что во время иутеше ствия его отдельные точки двигались по разным траекториям, ведь расстояние, пройденное авто мобилем, было намного бо.тьше, чем, например его длина. Во втором случае нренебречь раз мерами ввто.мобнля нельзя - оп монсст столк нуться с другими машинами на автостоянке При исследовании движения Земли вокруг Солнца Землю .можно считать материальной точ кой, а вот когда ученые работают над предупреж дением падения на Землю астероидов, то понят но, что размерами Земли пренебрегать нельзя Далее, говоря о движении тела, будем счи тать его материальной точкой. Измеряем путь Вернемся к примеру с карандашом. Чтобы найти расстояние, пройденное кончиком карандаша за определенное время, нужно вычислить длину линии, по которой он двигался, то есть длину его траектории (рис. 1.7). Это и будет путь, пройденный кои<жком карандаша. Путь — это физическая величина, равная длине траектории. Путь обозначают си.мволом /. Единицей Олины и, след{)ватРльно, пути н СИ является метр (м). Испапьзуют также дольные и кратные единицы пути, напри* .мер миллиметр (.мм), сантиметр (см), дециметр (дм), километр (км): 1 мм - 0,001 м; 1 см — 0,01 м; 1 дм — 0,1 м; 1 км — 1000 м. Путь, пройденный телом, будет разным относительно разных тел отсчета. Вспомним яблоко, которое мальчик передавал своему соседу в автобусе: для мальчика яблоко прош.ю путь окато полуметра, а для человека на обочине дороги — несколько десятков метров. Подводмм mofM Механическое движение — это изменение с теченпе.м времени положепня тела в пространстве относительно других тел. Состояния движения и покоя стюсительны и .швисят от выбора тела отсчета. Траектория — это линия, которую описывает в пространстве дпижущйяся точка. Траектории движения тел но форме дс^лятся на прямолинейные и криволинейные. Путь - это физическая величина, равная длине траектории. Единица пути н СИ - метр. Форма и длина траектории зависят от выбора тела отсчета. Равдсл 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Контрольные вопросы ---------- 1. Что такое механическое движение? 2. Приведите примеры, подтверждающие относительность движения. 1. Что такое тело отсчета? 4. Что такое траектория двихщния? S. Когда тело можно считать материальной точкой? Приведите примеры 6. Сформулируйте определение пути. 7. Какие единицы пути вам известны? В. Могут ли форма и длина траектории одного и того же тела быть разными для разных наблюдателей? Поясните свой ответ. Упражнение 1 ■ ■- 1. По дороге едет автобус с гтассажирами. Назовите тела, отуюсительно которых водитель автобуса находится в состоянии покоя, и тела, относительно которых он движется. 2. Можно ли считать космический корабль материальной точкой, если он: а) осуществляет перелет Земля — Марс, б) совершает посадку на поверхность Марса? 1. С верхушки мачты парусника, плывущего вдоль берега, на тросе спускают флаг. Определите форму траектории флага относительно пассажиров парусника и относительно наблюдателей на берегу 4, Пассажир поезда прошел по вагону в направлении движения поезда от первого до четвертого купе. За это время вагон проехал расстояние 400 м. Какой путь преодолел пассажир относительно поезда и относительно Земли? Расстояние между первым и четвертым купе равно 7,5 м. у Экспериментальное задание С помощью мерной ленты измерьте длину вашего шага. Затем измерьте шагами длину школьного коридора и выразите ее в метрах. Сравните полученный результат с экспериментальными данными одноклассников. Сделайте выводы относительно точности измерений. § 2. СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ. ЕДИНИЦЫ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ?! в репортажах об автомобильных гонках и в сообщенияк о погоде можно, например, услышать; «Скорость автомобиля победителя перед финишем достигла 250 километров в час>; «Скорость ветра составит 25 метров в секунду» и т. п. Что это значит? Как сравнить эти скорости? Выясняем, что такое скорость равномерного движения Слово «скорость* мы употребляем с детства и поэтому, когда слышим, что скорость автомобиля составляет 20 метров в секунду, иытуитнвно понимаем, что значат зги слова: если автомобиль будет двигаться с этой скоростью 1 секунду, то преодолеет расстояние, равное 20 метрам, а если 2 секунды, то это расстояние будет со* став.тять 40 метров. При этом мы считаем, что автомобиль движется так, что за любые (малые или большие) равные промежутки времени он преодолевает одинаковые пути. Такое движение нн.зывают равномерным. 8 § 2. Скорость даижсиия. Единицы скорости дкижамия Равномериое движение — это движение, при котором тело за любые равные промежутки времени проходит равные пути. Теперь дадим оп|м>леление скорости равпомерыого движения тела. Скорость равномерного движения тела — это физическая величина, равная отношению пути I, пройденного телом, ко времени г, в течение которого этот путь был пройден. Скорость движения обозначают символом и н определяют по формуле ^ v = — I Единица скорости движения н СИ — метр в секунду (мА^). Если равномерно движущееся тело имеет скорость 1 м/с. то оно ла каждую секунду преодолевает 1 м. Прибором для изме|>еиия скорости движения служит спидо метр (рис. 2.1). Выясняем связь между единицами скорости движения Скорость движения может быть представлена не только в метрах в секунду, но и в друптх едини т;ах: километрах в час (км/ч), километрах в секунду (км/с), сантиметрах в секунду (см/с) и т. п. Для решения задач следует научиться переводить скорость движения тол из одних единиц в другие. Например, скорость движения автомобиля дана в километрах в час: 36 км/ч. Чтобы перевести ее в метры в секунду, вспомним. что 1ч- 3600 с, а 1 км = 1000 м. Тогда: 1000 м 36-^ 36. 1000 м —— 1\1** • Рис. 2.1. Транспортные средства (автомобиль, автобус, noeiA, самолет и т. д) оборудованы спидометрами — приборами для измерения скорос1и движения ч 3600 с 3600 с с Такм.м образом, числовое значение скорости движения тела зависит от выбранной единицы скорости. Убеждаемся в относите л ьностм скорости движения Знать, сколько метров в секунду или кило.метров в час преодолевает тело, по значит знать о скорости движения этого тела все. Скорость движения имеет еще и направление: автомобиль может ехать в одну сторону, а может в другую, футболист может бежать по нолю как к воротпм, так и к скамейке запасных и т. п. На рисунках направление скорости движения тела показывают стрелкой (рис. 2.2). Рядом со стрелкой располагают символ скорости со стрелочкой над ним: v (так в математике обозначают Ь 2. Скорость дамжемия. Едимицы скорости движомия Учимсд рршггь вдддчи Зодоио 1. Корабль идет с постояппой скоростью 7.5 м/с. Какой путь он преодолеет за 20 ч? Дано: м к ** ят нм 0 = 7,5 —= 27 — е ч < = 20 ч Ahoauj фиаическои проблемы, поиск математи ческой модели Для расчета пути, пройдевного кораблем, вое* I пользуемся определением скорости движения: о = —. I Отсюда получаем формулу для вычисления пути: l — vt (см. также рас. 2.4). Целесообразно перевести единицы скорости из метров в секунду в километры в час — так мы получим значение пути в километрах. что является естественным для корабля, двигавшегося 20 часов. Решение и аналиа результатов Воспо.тъзуемся формулой для вычисления пути: ( = 0/ . Определим значение искомой величины: 1/] = ~-ч = км; ч {/} = 27-20*540 ; / = 540км. Проанализируем результат: получсииое значение пути для корабля является правдоподобным. Ответ: корабль за 20 ч преодолеет 540 км. Эодочо 7. Вдоль перрона едет электричка со скоростью 8 к.м/ч. По первому вагону электрички идет мальчик. По второму вагону навстречу мальчику идет его отец. С какими скоростями относительно перрона движутся отец и мальчик, если относительно электрички они движутся со скоростями 3 и 2 км/ч соответственно? Дано: о хм р^=8 — Ц О км ч п хм о^, = 2 — ч If, - ? — ? 4 Анализ физической проблемы По УС.108ИЮ мальчик находился в первом вагоне, отец — во второ.м, и они шли навстречу друг другу. Это означает, что отец двигался в направлении движения электрички, а мальчик — я противоположном. Поиск математической модели, решение Скорость движения отца относительно .члектрич-ки ~~ это разность между скоростью движе- ния отца относительно перрона (п,) и скоростью движения электрички (п„): Отсюда получаем: и, = u^^ + п„ • 11 Ра>дел 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Рис. 2.2. На рисунке иаправпения скорости движения теп показывают стрелками Ивпрявлепне лвижеяия поезда Рис. 23. Направление скорости движения зависит от того, где находится наблюдатель векторы — величины, имекпцие значение и направление). Направление скорости движения тела зависит от того, относительно какого тела мы определяем скорость. Например, пое.зд. который следует на юг, проезжает мимо станции. В это время пассажир первого вагона идет по коридору в направлении второго вагона. Для проводника пассажир дви* жегся на север, а для человека, находящегося на перроне, пассажир вместе с поездом движет* ся на юг (рис. 2.3). Значение скорости движения тела зави сит от того, относите.чьно какого тела мы определяе.ч скорость. Бели автомобиль, едущий со скоростью 50 км/ч, догоняет другой автомобиль, скорость движения которого 40 км/ч, то расстояние между ними каждый час уменьшается на 50 - 40 - 10 километров. Это значит, что скорюсть движения одного автомобиля относительно другого составляет 10 км/ч. Итак, если тела движутся в одном направлении, для вычисления относительной скорости движения следует использовать формулу = и, - Oj, где Oj - ба1ьшая скорость; о, — меньшая скорость (и, >v^). Если же эти автомобили сдут навстречу друг другу, то расстояние между ними каждый час сокращается па 50 -f- 40 = 90 километров. В этом случае скорость движения одного автомобиля относительно другого равна 90 км/ч и формула для вычисления относительной скорости движения имеет вид • Рис. 2.4. Закрывая пальцем символ искомой величины (пути, времени или скорости движения), мы получаем формулу для вычисления этой величины р«эд#л 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Чтобы вычислить скорость движения ыальчика относительно пер|юна (и, ). нужно от скорости движения электрички (и„) отнять скорость движения мальчика относительно электрички (о_____ 0ТИ V о, Определим чиаювые значения искомых величин: {■'-.|}=8+3»11: {i>^,}-8-2-e. КМ RM Ч Ч Ответ: относительно перрона отец движется со скоростью 11 км/ч, мальчик — со скоростью б км/ч. Подводим итоги Равномерное движение — это движение, при котором тело за любые равные про.межутки времени проходит равные пути. Скорость равиомериого движения тела — это физическая во* .типина, равная отношению пути, аройденного телом, ко времени, в течение которого этот путь был пройден: и = —. t Единица скорости движения в СИ — метр в секунду (м/с). Числовое значение скорости движения зависит от того, какая единица скорости выбрана. Направление и яначепие скорости движения тела зависят от того, относительно какого тела оп|юделяется скорость движения. « КоНТрОПЬИЫ* вопросы ^---— ■ - : ^ 1. Какое движение называют равномерным^ 2. Что называют скоростью рав- номерного движения? S. Как определить скорость ранномерного движения тела? 4. Назовите единицы скорости движения 5. Спидометры автомобилей проградуированы в километрах в час. Как перевести единицы скорости из ки лометров в час в метры в секунду? 6. От чего зависят направление и значение скорости движения? 7. Как вычислить путь, пройденный телом, если известны скорость его движения и время движения? ^ Упрамиеиме N* 2 ^ - . — 1. За 10 с тело преодолело 100 м, за следую1цие 10 с — еще 100 м. Можно ли утверждать, что тело движется равномерно? 2 Какая скорость движения больше: 16 м/с или 54 км/ч? 1. Мальчик едет на велосипеде с постоянной скоростью. Расстояние от своею дома до школьного стадиона он преодолел за 1,5 мин. Обратный путь у него занял 70 с Куда мальчик ехал быстрее: к оадиону или домой? 4 Автопогрузчик едет с постоянной скоростью вдоль сплошного ряда контейнеров. Длина каждого контейнера — 12 м. С какой скоростью едет автопогрузчик, если мимо 5 контейнеров он проезжает за 1 мин? 5. Скорость движения самолета 900 км/ч. Сколько времени ему потребуется, чтобы преодолеть 37S км? i. Поезд прошел 24 км за 10 мин. Какой путь пройдет поезд, если будет двигаться с такой же скоростью в течение 1,5 ч7 12 § 2. Скорость движоиия. Единицы скорости движоиия 7. Вдоль дороги дует ветер со скоростью 5 м/с. По дороге в прогиаололожиых направлениях едут два велосипедиста: первый — со скоростью 18 км/ч навстречу ветру, второй — со скоростью 24 км/ч в направлении ветра. Определите скорость ветра относительно каждого велосипедиста В*. Электричка едет со скоростью 20 м/с, навстречу ей по соседней колее со скоростью 36 км/ч едет поезд. Сколько времени поезд будет проезжать мимо пассажира электрички, если длина поезда 900 м? ^ Эмсперммемтальмое эаданме На уроке физкультуры вы сдаете различные нормативы. Узнайте какой-нибудь норматив по бегу и рассчитайте, с какой скоростью нужно пробежать дистанцию, чтобы сдать этот норматив на 12 баллов. ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ Национальный техничвский университет Украины «Киевский политехнический институт* (КПИ) — крупнейшее высшее учебное заведение страны — был создан в конце XIX в. Тогда на четырех отделениях иноитута обучалось всего 360 студентов. В 1995 г. институту был присвоен статус Национального технического университета. Сегодня в КПИ 19 факультетов, на которых обучаются свыше 40 тыс. студентов. В институте работают 44 академика и члена-корреспондента НАНУ, 2500 профессоров, доцентов и преподавателей. На протяжении XX в. с институтом была тесно.связана жизнь и деятельность всемирно известных ученых и инженеров. Д. И. Менделеева, И. И. Сикорского, С П. Королева, С П. Тимошенко, Е. А. Патона, 6. Е. Патома и многих других. § 3. виды ДВИЖЕНИЯ. СРЕДНЯЯ СКОРОСТЬ НЕРАВНОМЕРНОГО ДВИЖЕНИЯ <^1 Наверняка вам приходилось ехать на автобусе или поезде из одного города в другой. Вспомните: транспортное средство время от времени тормозит, останавливается, потом снова набирает скорость и т. п. Можно ли назвать такое движение равномерным’ Конечно, нет. Что это за движение и как его исследовать, вы узнаете из данного параграфа. |П Различмм дАижемий тел ** П пинседненний жизии мы обычно имеем дело с нерааномер ным движением. Так, если измерить расстояния, которые ироходит рейсовый автобус, например, каждую миму'ту, то увидим, что эти расстояния будут разными, с.тедовательно, движение автобуса нс является ровномерпым (рис. 3.1). 13 Равдсл 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Рис. 3.1. Автобус движет ся неравномерно, время от времени тормом, останавливаясь и снова раагоняясь Рис. 3J. Средняя скорость движения поезда ^ отношение расстояния между станциями ко всему времени движения Неравномерное движение — это движение, при котором тело за равные промежутки времени проходит разные пути. При неравномерном движении скорость тела изменяется с течением времени. Теперь мы можем классифицировать виды механического движения: • по форме траектории — прямолинейное и криволинейное: • по зависимости скорости движения от вре мени — равномерное и неравномерное. Определяем среднюю скорость неравиомермого движения Рассмотрим пример. Поезд прошел 1о0 км (расстояние между двумя станциями) за 2,5 ч. Если разделить 150 км на 2,6 ч, получим 60 км/ч - скорость движения поезда. По поезд двигался неравномерно, поэтому .мы получили не скорость равномерного движения, а среднюю скорость движения поезда (рис. 3.2). Чтобы определить среднюю скорость движения тела, надо весь путь, пройденный те лом, разделить на все время движения: I Все вре.чя движения — зто сумма време ни движения те.ча и времени, потраченного на возможные промежуточные остановки в ходе этого движения. Учимся решать мдачи Зодочо. Мальчик ехал на велосипеде полтора часа со скоростью 20 км/ч. Затем велосипед слома.чся и последний километр пути мальчик шел пешком. Определите среднюю скорость движения мальчика во время всего пути, если пешком он шел полчаса? Дано: Т, = 1,5 ч f, ^ 0,5 ч и, -20 — ч 1, = 1 км «|1 Анализ физической проб.*емы Движение мальчика было неравномерным: в течение 1,5 ч он двигался со скоростью 20 км/ч; в течение 0,5 м (1 км пути) — с меньшей скоростью. Чтобы определить среднюю скорость движения мальчика, надо определить весь путь и разделить его на все время движения. Поиск математической модели, решение и анализ результатов 14 S 3. Виды движения. Средняя скорость мсравиомсриого движения Воспользуемся формулой для определения средней скорости движения: . (I) Весь путь вычислим по формуле / = /, (2) где <, * у,<| — путь, который мальчик проехал на велосипеде; Ij — путь, пройденный им пешком. Время, потраченное на путешествие: (3) Подставив формулы (2). (3) в формулу (1), получим Мтвневие для вычисления средней скорости движения мальчика: Определим значение искомой величины: км w= км км 1.5 20+1 ч ♦- ч ! -- =13,6 > 2 у^=15,5—. ч l,6i-0.5 Проанализируем результат: мальчик ехал на велосипеде со скоростью 20 км/ч, гаел пешком со скоростью V^ — — = 2 (км/ч); полученная средняя скорость его h движения меньше, чем 20 км/ч, и больше, чем 2 км/ч. Результат правдоподобен. Ответ: средняя скорость движения мальчика со-стявля.та 16,5 км/ч. Подяодим мтогм Неравномерное движение — это движение, при котором тело за равные промежутки времени проходит разные пути. Все виды механического движения можно 1слпссифицнровать: по форме траектории движения — на ирнмолинийние и криволинейное; по зависимости скорости движения от времени — на равномерное и неравномерное. Чтобы определить среднюю скорость движения тела, нужно весь путь, пройдеппый телом, разделить на все время движения; I Ут = - • Комтрольиыа вопросы - Какое движение наэывают неравномерным? 2, Перечислите виды мехами ческого движения и приведите примеры, у Что такое средняя скорость неравномерного движения тела? Как ее определить? 1?пражмвипе N* 3 — I Автомобиль » 2 ч проехал 80 км и еще за 2 ч — 160 км. Определите среднюю скорость движения автомобиля. 15 Раадсл 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ 2. Поезд la 1 ч проехал 60 хм. Потом он ехал еще 0,5 ч со скоростью 90 хм/ч. С какой средней скоростью даигался поезд? 3. Мальчик шел пешком из города в деревню. Первые 4 км пути он преодолел за 1 ч, а оставшиеся 4 км его подвез на велосипеде друг, потратив на этот отрезок пути 20 мин. С какой средней скоростью двигался мальчик? ^ Эксперимситальиое задание ■ Рассчитайте среднюю скорость, с которой вы обычно идете от дома до школы. ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ Институт технической механики (Днепропетровск) решает широкий круг вопросов, связанных с азро- и гидродинамикой различных технических объектов. К таким объектам прежде всего относятся раке гы-носители и космические аппараты. В институте создано оборудование для испытаний и физические модели процессов, позволяющие прогнозировать поведение ракетно-космической техники на всех зтапах полета. На рисунке показаны результаты моделирования ситуации, когда космический аппарат на большой скорости входит в верхние слои атмосферы. Это явление очень похоже на то, как быстроходный катер рассекает воду. Изучение формы и цвета «волн», расходящихся от космического аппарата, дает возможность ученым создавать усовершенствованные конструкции аппаратов. Фундаментальные разработки специалистов института находят применение не только в области ракетно-космической техники, но и в железнодорожном транспорте машиностроении, теплоэнергетике и др. § 4. ГРАФИКИ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА <У| Из курса математики вы уже знакомы с понятием графика функции. График делает более наглядной зависимость одной величины от другой. Используют графики и в физике. О том, как с помощью графика проиллюс1рировать. например, зависимость пути или скорости от времени, вы узнаете из материала данного параграфа VV Строим графини зааисимостм пути от врамами ВЛ при рааномариом двзимании Иа (|юрмулы для расчета пути при [завномерном движении тела l — vt следует; во сколько раз увеличится время движения тела, во столько же раз увелшштся пройденный нм путь. Это — прямая пропорциональная зависимость, которую в математике записывают уравнением у = кх н называют линейной функцией. Напомним: для построения графика такой функцнз! необходимо найти значение у хотя бы для двух произвольно выбранных значений х 16 f 4. Графики даижения т«ла О 200 О 10 /, и О 200 f.c О 10 f.c Рис. 4.1. а — график функции у > 2(Ьг, 6 — график мвмсимости пути от времени при равномерном движении тела со скоростью 20 м/с; I - 201 (например, на рис. 4.1. а показав график функции у = 20х). Пусть автомобиль движется равномерна со скоростью 20 м/с. Построим график / = 20/ (рис. 4.1, О). Это будет график зависимости пути от времени, пли просто график пути автомобиля при равномерном лвижении: по нему можно определить, какой путь проеха.1 автомобиль за любой промежуток времени. График пути равномерно движущегося поезда, который за 8 с проезжает 80 м, будет иметь похожий вил (рис. 4.2). График пути в случае равномерного движения — jmo всегда отрезок прямой. По графикам зависимгм-ти пути от времеии для равномерно движущихся тел можно сравнивать скоро<;ти лаижения этих тел. Изобразим на одном рисунке графики зависимости пути от времеии для упомянутых выше автомобиля и поеала (рис. 4.3). Мы видим, что за одинаковое время, например за 4 с, автомобиль преодолел расстояние 80 м, а поезд — 40 м, следовательно, скорость движения автомобиля 6о.1Ьше скорости движения поезда. Отметим: если на одном рисунке разместить графики путей равномерно движущихся тел, то график пути тела, движущегося с большей скоростью, будет иметь больший наклон, то есть будет расположен над графиком пути те.ча, движущегося с меньшей скоростью. f.c Рис. 4.2. График пути поезда, движущегося с постоянной скоростью 10 м/с f.c Рис. 4.3. Автомобиль движется быстрее поезда — за один и тот же промежуток времени он проходит больший путь 17 Раздел 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Рмс. 4.4. Пример графика пути при неравномерном авитении Рис. 4.S. Иерай«4омериое движение может складываться из участков равномерного движения Рмс. 4.6. Участки I и II — участки равномерного движения трактора Строим гр«фмни лут«й для ияравномермого двеиммия Грнфик пути Д.ПЯ неравномерного лвижоиии строить значительно сложнее. В об1цем случае он может иметь вид кривой .шянп (рис. 4.4). При этом следует отметить, что значение пути не может уменьшаться, поэтому график пути — это линия, которая подни.мается или остается горизонтальной, но никогда не опускается. Ес.1И путь неравномерно движущихся тел состоит из участков, на которых тело двигалось равномерно, график пути имеет достаточно пргктой вид. Как именно тело лвига.1ось на отдельном участке пути, можно определить, проанализировав соответствующий участок графика. Так, тело, график движения которого изображен на рис. 4.3, сначала двигалось достаточно быстро и с постоянной скоростью (промежуток времени /). затем не двигалось совсем (промежуток времени 2), а затем продолжило движение с постоянной скоростью (промежуток времени 2), однако движение бы.ю медленнее, чем вначале (па промежу'тке времени 1). И4ХОДММ caopocni движения по графину ЛУ1И На рис. 4.6 изображен график пути, п(юйдеы-ного трактором за 3 ч. По графику видим, что весь путь состоит из двух участков, на каждом из которых трактор двигался равномерно, и что на участке I скорость движения трактора была больше, чем на участке П. Согласно графику AwiMHa участка I составляет 20 км. и трактор прошел его за 1 ч, следовательно, скорость его движения составляла; L I. р,= “J21 = 20—. 1 ч ч Участок II длиной 10 км (от отметки 20 км до отметки 30 км) трактор прошел за 2 ч (от отметки 1 ч до отметки 3 ч). Соответственно скорость движения трактора на участке II со-ставля.за: /» 16 _ с — О • f. 2 ч ч V = ^ |/„ — 18 § 4. Графики даитамии тала Чтобы определить среднюю скорость движения трактора, нуж* но весь путь, который проехал трактор (30 км), разделить па все время движения (3 ч). Следовательно, средняя скорость трактора: А ^ = 10 — и. Г Зч V. м/с Строим графики скоростей даи1иемия и определяем путь, пройдеимый телом Построим график аависимости скорости движелля от времепи для тела, движущегося равномерно со скоростью 25 м/с. Поскольку ско-|юсть динжения тела не меняется, график будет иметь вид от|)еика прямой, параллельной оси времени (рис. 4.7). Вычислим путь, пройденный телом, па-нри.мер, за 15 с: / = 1;./ = 25--15с-376м. е Этот путь можно вычислить и по-другому. Выделим под графиком прямоугольник со сторонами, «ограниченными* отметками 25 м/с и 15 с. Вычнели-м числовое значение площади прямоугольника: 25x15 = 375 . Она численно будет равна пути, который прошло тело за 15 с со скоростью 25 м/с. Таким обра.юм, числовое лпачение пути, пройденного телам при равномерном движении, равно числовому лначению площади фигуры под графиком скорости. Это свойство присуще гра-фика.м скоростей в случае не тмько (швномер-наго, но и неравномерного движения. На рис. 4.8 изображен график скорости движения тела, скорость которого равномерно увеличивается: в течение 15 с скорость движения линейно изменяется от 0 до 30 м/с. Чтобы определить путь, пройденный телом, например, за 13 с, нужно вычислить площадь заштрихованного треугольника. Из рисунка видим, что этот треугольник представляет собой половину прямоугольника с «высотой» 30 м/с и «основанием* 15 с, следовательно, его площадь составляет половину площади указанного прямо-^Ч'О.тьника. Таким обря-юм. числовое .значение площади треугольника: 30 • 15 : 2 = 225 — совпадает с числовым значением пути, который прошли тело за 15 с. С.тедоватсльно, путь, пройденный телом за 15 с, равен 225 м. Рис. 4.7. Площадь прямоугольника под графиком скорости равномерно движущегося тела численно равна пути этого тела Рмс. 4.8. По графику ско рости можно вычислить путь, пройденный телом во время неравномерного движения 19 f PaJAM 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Подводим ИТОГИ График пути при равномерном движении — отрезок прямой. График пути при неравномерном движении — кривая или ломаная линия. По графикам путей можно рассчитывать значения скоростей движеш1я тел, сравнивать их. График скорости при равномерном движении отрезок прямой, параллельной оси времени. Числовое значение пути, пройденного телом, равно числовому .шачепию п.тощади фигуры под графиком скорости движения. . Контрольные вопросы — 1. Какой вид имеет график зависимости пути от времени при равномерном движении? при неравномерном? 2. Как по графикам путей сравнить скорости движения тел? J. Может пи график пути с течением времени приближаться коси времени? 4. Какой вид имеет график скорости движения в случае равномерного движения? S. Как по графику скорости движения определить пройденный телом путь? Упражнение N* 4 . 1. Мальчик ехал на велосипеде 90 с со скоростью 5 м/с. Постройте график пути мальчика. 2. На рис. 1 изображены графики путей для пешехода, велскипедиста и трактора. движущихся со скоростями 4. 12 и 24 км/ч соответственно. Какой и) изображенных графиков какому телу соответствует? 3. Пешеход шел 1,5 ч со скоростью 5 км/ч. Постройте график скорости движе ния пешехода. 4. Автобус ехал 2 ч со скоростью 60 км/ч. а затем еще 1 ч — со скоростью 80 км/ч. Постройте график пути автобуса. Определите среднюю скорость его движения 5. По графику пути поезда, двигавшегося неравномерно (рис 2). выясните: а) путь, который проехал поезд за 9 ч; 6) длину каждого из участков, на которых поезд двигался равномерно, в) скорость движения поезда на этих участках, г) среднюю скорость движения поезда за все время наблюдения. Эигпериментальнос зддание ■- --------- Вместе с другом проведите такой опыт. Пусть ваш друг перемещает равномерно по столу лист бумаги, а вы в зто время, равномерно двигая карандаш, попробуйте провести на листе линию, перпендикулярную направлению движения листа Повторите опыт, на этот раз двигая карандаш неравномерно Сравните форму полученных линий. Сделайте вывод 20 ^ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 T«tM. Измерение (.корости движения тела. Цаль: научиться определять скорость движения тепа. Оборудование: стеклянный цилиндр высотой не менее SO см, сосуд с водой, метроном (один на класс), штатив с муфтой и кольцом, несколько горошин, мерная пента, узкая полоска бумаги, длина которой равна высоте стеклянного цилин дра, скотч, карандаш. $ Теоретические сеедсмия Скорость падения тела в жидкости сначала увеличивается, а со временем, после прохождении определенного расстояния, становится постоянной и далее не изменяется, ^о «определенное расстояние» зависит от свойств жидкости и тела: отметим, что горошина диаметром 4-S мм. до того как ее скорость в воде станет постоянной, пройдет расстояние, приблизительно равное 10 см. УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготодка к жспсримемту 1. Прежде чем приступить к выполнеиию работы, убедитесь, что вы знаете ответы па следующие вопросы: 1) Какое движение называют равномерным? 2) Что такое скорость равномерного движения тела? средняя скорость движения тела? По каким формулам их определяют? Каковы единицы скорости движения в СИ? 3) Каким прибором можно измерить пройденный телом путь? 4) Что такое метроном н как нм пользоваться? 5) Какие меры безопасности необходимо соблюдать во время работы со стеклянным цилиндром? 2. Определите цену деления шкал измерительных приборов. 3. Настройте метроном на 60 ударов в минуту. 4. Вдоль стеклянного цилиндра закрепите скотчем полоску бумаги. 5. Поставьте цилиндр в катьцо штатива, лаполните цилиндр водой. 6. Отмерьте от верхнего края воды в щыиндре 10 см вниз и сделайте соответствующую отметку на бумажной полоске. Зкспсрммемт 1. Возьмите горошину и поднесите ее к поверхности воды в цилиндре. 2. Одновременно с уларом метронома отпустите горошину. 21 Ра1д«л 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ 3. Под удары метронома (то есть каждую секунду) отмечайте на полоске бумаги, эакреплеппой на цилиндре, положение горошины, пока горошина не опустится на дно цилиндра. 4. Измерьте расстояния мсжд>' соседними отметками. Обратите внимание: каждое расстояние будет равно пути, пройденному горошииой на определенном участке. Измерьте также весь путь горошины от поверх кости воды до дна цилиндра. 5. Результаты измерений занесите в таблицу. __Участок Фязкчв* ^ гкая величия^ Путь I, м Время движения t, с Скорость и, м/с II III IV Весь путь н м/с Обработка рехуяьтатоа жсперимоита 1. Убедитесь в том, что расстояния между отметками, расположенными ниже отметки 10 см. приб.тизительно одинаковы, то есть в том, что горошина двигалась равномерно. 2. Зная расстояния между соседними отметками и время, за которое гороитнна проходит эти расстояния, определи те скорость (или среднюю скорость) горошины на каждом участке движения по формуле v = ^ . t 3. Определите среднюю скорость движеиия горошины па всем пути: Гр 4. Результаты вычислений занесите в таблицу, Аиаяиа мсперммемга и его рсвульгатов Проанализируйте результаты эксперимента. Сделайте вывод, в котором укажите, какие виды движения вы сегодня изучали, какие величины определяли, какие результаты получили и какие факторы повлияли на их точность. ^ I Творчесмое мдание Постройте график зависимости пути, пройденного горошииой. от времени ее движения. Для этого: вычислите путь, пройденный горошиной ниже отметки 10 см, за одну, две и гак далее секунды: полученные результаты занесите в таблицу; по данным таблицы постройте график зависимости /(Г). Время f, с 0 1 2 3 4 5 Путь (. м 0 22 § 5. ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ. ПЕРИОД И ЧАСТОТА ВРАЩЕНИЯ. ЛУНА — ЕСТЕСТВЕННЫЙ СПУТНИК ЗЕМЛИ ?! Вращательное движение очень распространено: вращается, образуя водовороты, вода в реках и океанах, вращаются планеты вокруг звезд, а зяезды — вокруг друг друга и вокруг центра Галактики, вращаются стрелки часов (рис. 5.1, 5.2), колеса автомобилей, винты самолетов, лопасти вертолетов и т. а В данном параграфе вы познакомитесь с вращательным движением с точки зрения физики. Рассмотри.м лвиженир стрелок часов. Точки каждой стрелки движутся по окружностям, центры которых [засположены на одной прямой — на оси вращения (см. рис. 5.2). Стрелки осуществляют полный обо рот, то есть поворачиваются вокруг осп на 360 , JO определенное время: часовая — за 12 часов, минутная — за час, а секундная -за минуту,— а потом движение стрелок но-вторяется. Движение стрелок часов является приме(>ом вращательного движения. Враигятельное движение имеет характерные особенности: во-первых, траекто рии точек вращающегося тела являются окружностями: во-вторых, вращательное движение те.ча повторяется через опреде-.ченные про.чежутки времени. Простейши.м из вращательных движений является равномерное вращательное движение, то есть движение, во вре.мя кото рого точки те.ча движутся по окружностям и значение скорости движения каждой точки тела не меняется с течение.ч времени. Примеры равномерного вращательного движения: вращение ,3емли вокруг своей оси; вращение барабана с*ти1зальнай машины 1ю н|х.‘мя отжимания белья и т. д. А вот вращение колеса велосипеда чаще неравномерно; скорость двззжснил точек колеса то увеличивается, то уменьшается в зависимости от скорости движения. Рис. 5.1. Примеры вращательного движения в приро де- атмосферный циклом (а); движение звезд вокруг центра Галактики (б) Рис. S.2. Стрелки часов совершают вращательное движение 23 Р«1А«л 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Олр«д«ляем лврмод врАщения При равномерном вращении каждый полный оборот тело осу ществляет за определенный промежуток премеяи. который называют периодом вращения (рис. 5.3). Период вращения — это физическая величина, равная времени, за которое равномерно вращающееся тело осуществляет один полный оборот. Период вращения обозначают символом Т. Единица периода вращения в СИ — секунда (с). Если период вращения тела равен 1 с, то это оэнанает, что тело эа одну секунду совершает один полный оборот. Для определения периода вращения 7 следует подсчитать количество по.аных оборотов N, совершенных вращающимся телом за время t, а потом вычислить период вря1цення по формуле 7- - iV Выясняем СВЯ1В между частотой и периодом вращения При исследовавни вращательного движения случается, что для его описания целесообразно использовать не период вращения, а частоту вращения. Частота вращения — это физическая величина, численно равная количеству оборотов в единицу времени. Обозначают частоту врн1цения символом л и вычисляют по формуле п =• N Единица частоты в СИ — оборот в секунду (об/с или 1/с) (см., например, рис. 5.4). Из формул для опрсдс.тения периода и частоты вращения можно получить зависимость частоты от периода вращения. Поскольку 7ж —, а п — — , то понятво, что S t 1 п = — Т Уменьшение периода вращения влечет за собой пропорциональное уве.дичение частоты вращения, и наоборот. Изучаем движение Лумы — естествеммого спутника Земли Одна из важнейижх причин, побуждавших людей изучать Солнце и Луну,- потребность в измерении времени, то есть в сравнении IIродилжительвости хода естественных и.1и искусственных яв.1ений с продолжительностью определенных периодических процессов. 24 § 5. Вращатальнос движение тела. Период и частота вращения Такими периодическими процессами для наших предков были изменения на небосклоне: восход и закат Солнца, изменение фаз Луны, вида звездно* го неба. Все эти изменения вызваны врашениями — Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, Луны вокрут Земли. Таким образом, периодичность вращательного движения дает возможность измерять время. Иа6.1юдения за восходом и закатом Солнца, обусловленными вращением Земли вокруг своей оси, привели к возникновению понятий дня и ночи, а также естествепноЙ единицы времени — суток. Свыше 5000 лег тому назад жрецы древнего Вавилона но изменению фаз Луны определяли то* кие известные нам промежутки времени, как месяц и неделя. Бы.*10 подмечено, что на протяжении 29,5 суток Луна проходит полный цикл изменения фаз новолуние, первую четверть, полнолуние, последнюю четверть (это обусловлено движением Луны вокруг Земли). Указанный 1ЩКЛ составлял один лунный месяц (рис. 5.5). Жрецы разделили лунный месяц на четыре почти равные части и по* лучили семь дней. Так возникло понятие недели. Подводим итоги Равномерное вращательное движение — это движение, при которо.м точки тела движутся по окружностям и значение скорости движения каждой точки не меняется с течением времени. Период вращения — это физическая величина, равная времени, за которое равномерно вращающее* ся тело осуществляет один полный оборот: T^t /N. Еднпицп периода вращения в СИ — секунда. Ось вращения Рис. S3. Период вращения Земли eoKpyi своей оси — 24 часа Рис. 5.4. Частота вращения лопастей вентиля горов в современных компьютерах составляет 50-60 оборотов в секунду Рис 5.5. В древности начало и конец месяца определяли по фазам Луны Первая ^ четверть ® Jb»™.»,.® • Поялолуние Гф ^ фф Земля Ф Ф О Ф Ф ^ Погледяяя Новолуние ^ Солнечные лучи 25 Раадел 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Частота вращения — это физическая величина, ранная ко* личеству оборотов в единицу времени: n^S'/t. Единица частоты вращения в СИ — оборот в секунду. Период вращения Т и частота вращения п связаны зависи мостью: п = 1 /Т. Время, за которое происходит полное изменение фаз Луны, называют лунным месяцем. Четверть лунного месяца — неделя. Конгропьные вопросы ■ ■ — 1. Что маэывзют равномерным вращательным движением? 2. Что такое период вращения и как его определяют? 3. Что такое частота вращения? 4. Как определить частоту вращения, если известен период вращения? S. Наблюдения за каким процессом привели к появлению таких единиц измерения времени, как месяц и неделя? Упрвжмвиие N* S ------------------------- 1. За 18 с колесо автомобиля сделало 24 оборота. Определите период вращения колеса 2. Какова частота вращения патрона электродрели, если за минуту он делает 900 оборотов? J. Лопасти вентилятора делают один полный оборот за 0,2 с. Какова частота их вращений? 4. Частота вращения колеса велосипеда равна S об/с. Каков период его вра щения? 5. Кулер микропроцессора персонального компьютера вращается с частотой 3600 об/мин. С каким периодом он вращается? ^ Эксперимемтальныв iBABNMfl 1, Вычислите период и частоту вращения деталей некоторых бытовых приборов. колеса швейной машины, барабана стиральной машины, лопастей вентилятора кондиционера и г. п. 2. Определите скорости равномерного движения концов секунд»юй и минутной стрелок часов. Вспомните, что траекториями движения этих тел являются окружности, а длина окружности вычисляется по формуле I - 2лА. ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ Выдающийся украинский ученый-ас троном Николай Павлович Барабашов (1894-1971) всю свою жизнь (за исключением периода В« ЛИКОЙ Отечественной войны) жил в Харькове. Мировую известность ему принесли исследо-ват1ия Марса и Венеры. В частности, Н. П. Барабашов открыл гак иазы».)емые ^полярные шапки» на Марсе, обнаружил кристаллы льда в атмосфере Венеры- Ученый внес огромный вклад в исследование Луны Еще задолго до первых космических полетов на нее Н.П. Барабашов выдвинул гипотезу о составе горных пород на Луне. Позже эта гипотеза нашла блестящее подгверхтдение. Кроме изучения состава поверхности Луны, ученый создал атлас обратной стороны этого естественного спутника Земли. Н. П. Варабаиюв возле телескопа собственной конструкции 26 [ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 Т*«м. Иамерение частоты вращения тел. Цмь: исследовать равномерное вращательное дви^кение колеса игрушечного автомобиля, опре делить частоту и период его вращения. Оборудование: игрушечной автомобиль с под вижными колесами, секундомер, мел. УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ о Подготомтд к энспррммскту 1. Прежде чем приступить к выполнению работы, у'бедитесь, что вы знаете ответы на следующие вопросы: 1) Какое движение называют равномерным вращательным? 2) По какой формуле определяют период равномерного вращательного движения тела? его частоту? Каковы единицы периода и частоты враи^сиия? 2. Сделайте отметку мелом на одно.м из колес автомобиля. Экслбрммрит Результаты измерении сразу же заносите в таблицу. 1. Медленно и как можно равномернее передвигайте автомобиль по поверхности стола. При этом колеса автомобиля будут осуществлять вращательное движение в вертикальной плоскости относительно корпуса автомобиля. 2. Из.мерьте время I, за которое ко.тесо осуществит 10-15 полных оборотов. 3. Повторите опыт еще раз, увеличив ско^юсть движения автомобиля. Номер Время вращения I опыта ‘ Количество оборотов Период вращения Т, с Частота вращспня п, об/с 1 Обработка рсаультатоо мспермимта 1. Вычислите период и частоту вращения колеса автомобиля для каждого из двух опытов. 2. Результаты вычислений .занесите в таблицу. 27 Раздел 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Анали! рАвультатоа >нсперим«нта Проанализировав зисперимент, сделайте вывод, в котором ука* жите, какой вид днижеппя вы сегодня изучали, какие величины вычисляли и какие результаты получили. Сравните частоту и период вращения колес при различной скорости движения автомобиля. Творческое задание Замените игрушечный автомобиль, с которым вы проводили эксперимент, другим — с колесами меньшего или большего диаметра. Экспериментально выжните, как будут отличаться частоты вращения колес этих двух автомобилей при условии одинаковой скорости их движения. § б. КОЛЕБАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ. АМПЛИТУДА, ПЕРИОД И ЧАСТОТА КОЛЕБАНИЙ. МАЯТНИКИ ?1 Жители древних Месопотамии, Египта. Китая, наблюдая la Солнцем и Луной, при думали единицы времени* год месяц, сутки и др Были созданы солнечные часы, потом появились водяные. Однако настоящая революция в конструкции часов произошла после выяснения свойств колебательного движения Каких именно — уэнаете из этого параграфа. VV Зиакомимся с колебаниями ** Ес.1И груз, подвешенный на нити, отклонить от положения рлвновоспя в сторону, а потом отпустить, то он будет двигаться от одного крайнего положения к Apyroiay, повторяя это движение через определенный промеж^'ток времени. Такое движение является примером колебании. Колебания — это движения, повторяющиеся через одинаковые промежутки времени. Колебания II равномерное вращательное движение имеют важную общую черту: и ври щения. и колебания периодически повторяются (рис. 6.1). gm Изучаем маятиини Вы уже знакомы с метрономом — при-бп1зом для отмеривания промежутков времени (рис. 6.2). Вспомним, что в метрономе есть металлическая ножка с небольшим подвижным грузом, способная осуществлять разные по частоте колебания отшх;итслы1о своего нижнего Рис. 6.1. Колебательное (а) и вращательное (б) движения очень похожи 28 i 6. Кол«^т*лы*о« движлнмв. Амплитуда, период и частота колобамий. Маятники КОНЦА. Эта ножка с грузом — пример маятника. Маятник — это твердое тело, осуществляющее колебания вокруг неподвижной тонки. Маятники, колеблющиеся под влиянием притяжения к Земле, называют филическими .чаятниками (рис. 6.3). Колебания таких маятников зависят от их массы и геометрических размеров. Маятники, в которых тело колеблется под действием иружины, называют пружинными маятниками (рис. 6.4). Колебания пружинного маятника зависят только от свойств пруокины и массы подвешенного на ней тела. Маятники используют во многих физических приборах. Особенно важным является iicHoab.ioBeHiie маятников в часах, поскольку периодичность колебаний дает возможность осуществлять отсчет времени. Создаем математический маятник Подвесим на ленте достаточно тяжелый предмет, например книгу. Бели отклонить книгу в сторону, то она начнет катебаться — то есть мы получили физический маятник. Однако изучить свойства такого маятника довольно сложно: они определяются размерами книпг, длиной ленты, свойстнами са.мой ленты п другими фякто[>ами (рис. 6.5, а). *(тобы размеры теля, совершающего кате-бания, не влияли на свойства маятника, следует взять нить, длина которой будет достаточно большей по сравнению с размерами тела. В таком случае тело можно считать материальной точкой. При этом нить должна быть легкой и тонкой, а чтобы во время колебаний тело все время было на одинаковом расстоянии от точки подвеса.— нерастяжимой. Таким образом будет создана tpujunecKOM модг.чь — математический маятник. Математический маятник — материальная точка, подвешенная на тонкой, невесомой и нерастяжимой нити. Рис. 6.2. Метроном — прибор для отмеривания промежутков времени — обычно исполыуют во время занятий музыкой Рис. б.З. Простейший пример физического маятника -'.'.г.у Рис. 6.4. Пример пружин ного маятника; если тело, подвешенно* на пружине, слегка толкнуть вниз, оно начнет колебаться 29 Ра1Д«л 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ о Рис б^. Удо6е«4 ли для изучения колебаний «книжный» маятник (а)7 Конечно нет. во время колебаний лента будет нажгиваться неравномерно и книга будет раскачиваться «зигзагами». Металлический шарик на длинной суровой нити (6) больше подходит для изучения основных свойств колебаний Рис. 6.6. На фотографии видно, на сколько отклоняется от положения равновесия маятник метронома во время колебаний Маятником, на колсбапия которого не будут в.тиять размеры тела н свойства нити, вполне может служить небо.тьшой металлический шарик диаметром 1-2 см, подвешенный на тонкой суровой нити длиной 12 м (рис. 6.5, в). Колебания такого маятника вы исследуете ы ходе выполнения лабораторной работы №3. ■ч Увмаем, что такое амплитуда колебаний Легко заметить, что существует некое ма-ксимальное расстояние^ на которое отклоняется от положения равновесия колеблющееся тело (например, груч! на ножке метрономп) (рнс. 6.6). Это - амплитуда колебаний. Амплитуда колебаний — это физическая величина, равная максимальному расстоянию, на которое отклоняется тело от положения равновесия во время колебаний. Амплитуду колебаний обозначают символом Л. Единица амплитуды колебаний в СИ — метр (.м). За одно полное колебание тело проходит путь, равный четырем амплитудам (рис. 6.7). Определяем, что такое период и частота колебаний Мы уже говорили о том, что вращатгльисн! и колебательное лвпжепия похожи.— и те, и другие повторяются. Это означает, что для описания колебаний тоже .можно испо.1Ьзовать понятия периода и частоты. Период колебаний — это физическая величина, равная времени, за которое осуществляется одно полное колебание. Как и период вращения, период колебаний обозначают симво.1ом Т и вычисляют по фор.мулс Г = — N Частота колебаний — это физическая величина, численно равная количеству полных колебаний, совершаемых телом в единицу времени. 30 § 6. Колебательное двимммис. Амплитуда, период и частота колебаний. Маятники Частоту колебанпй обозначают символом v («пю») и вычисляют по формуле лг V — t Единица частоты колебаний в СИ — герц (Гц); она названа так в честь выдающегося немецкого физика Генриха Герца (рис. 6.8). Если за 1 с тело совершает одно полное колебание, то частота его колебаний равна 1Гц=1. с Частота v н период колебаний Т связаны между собой зависимостью: 1 V = — Г Раыжчаом затухающие и мезатухающиа колебания Если какой'либо маятник — физический, математический или пружинный — вывести из состояния равновесия, то он начнет колебаться. Такие ки.1ебания называют свободными, Ес.1и маятник оставить в покое, то спустя некоторое время амплитуда его колебаний за-.четно уменьшится, а затем колебания прекра тятся совсем. Колебания, амплитуда которых со временем уменьшается, называют затухающими. Например, затухают с те»1ение.ч н^юмени свободные ко;е'баиия качелей, колокола, струн гитары. Свободные колебания всегда мтухающие. Если на тело периодически воздействовать каки.м-ли6о другим телом, то колебания станут вынужденными п будут продолжаться все время воздействия, то есть не будут затухать. Колебания, амплитуда которых не меняется с течением времени, называют незатухающими. Например, пока работает механизм швейной машины, шла осуществляет вынужденные ш'.штухающие колебания (рис. 6.9). Рис. 6.7. Движение тела И1 точки 1 л точку 2, затем (через точку IJ л точку J и снова в точку 1 — »то одио полное колебание Рис 6.В. Генрих Рудольф Герц (1857-1894)— чемеч-кий физик. ад»1м из основоположников электроди паники Рис. 6.9. Колебания иглы швейной машины — при мер лынужденных незату-хаютцих колебаний 31 Равдм 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Подводим ИТОГИ Движения, повторяющиеся через одинаковые промеж>'тки времени, называют колебаниями. Маятник — это твердое тело, совершающее колебания вокруг неподвижной точки. Математический маятник — материальная точка на тонкой, невесомой и нерпстяжимой нити. Амплитуда колебаний — это фи.1ическая величина, равная максимальному расстоянию, па которое отклоняется тело от поло-жения равновесия во время колебаний. Период колебаний — это физическая величина, равная вре* мени, за которое осуществляется одно полное колебание: Т =^t / N. Частота колебании — это физическая величина, чнслеиии равная количеству полных ко1тебанлй. совершаемых телом в единицу времени: v ~ N /1. Единицы периода и частоты колебаний в СИ — соответственно секунда (с) н герц (Гц). '{астота и период колебаний связаны между собой зависимостью: V = 1 / Г. Различают .затухающие и незатухающие, свободные и вынужденные колебании. Контрольные вопросы :----- ^-=,- _ - а ,.и = 1. Приведите олредепение колебаний. 2. Что называют маятником? 3. Какой маятник называют физическим? 4. К какому виду маятников относится тело, подвешеиное на пружине? S. Что такое математический маятник^ 6. Что такое амплитуда, период, частота колебаний? 7, Как рассчитать период колебаний? частоту колебаний? В. Какая существует зависимость между частотой и периодом колебаний? ф. Чем отличаются затухающие и незатухающие колебания? УпражнениеМ*б -------— ----------- 1. Приведите примеры затухающих и незатухающих колебаний, не указанные в параграфе 2. 3. 4. 5. 6. Колеблющееся тело движется от крайнего левого положения к крайнему правому. Расстояние между зтими двумя положениями равно 4 см. Какова амплитуда колебаний? За минуту маятник осуществил 30 колебаний. Вычислите период колебаний Сколько колебаний осуществит тело за 2 мин. если частота его колебаний составляет 4 ГЦ? Поплавок, колеблющийся на воде, за 3 с всплывает и ныряет шесть раз. Определите период и частоту колебаний поплавка. Определите частоту колебаний тела, если известно, что период его копеба ний равен 0.5 с Амплитуда колебаний тела на пружине равна 10 см. Какой путь пройдет тело за половину периода колебаний? за два периода? ^ Зиспвр»имсмтальмо« задание Исследуйте, как влияет на период колебаний небольшого тела, подвешениого на длинной суровой нити, амплитуда колебаний 32 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N« 3 Тмм. Исследомние колебаний машиим. Ц«Лк: наунигьел определять амплитуду, период и насюту колебаний маятника; убедиться на опыте, что частота и период его колебаний не мвисят от амплитуды колебаний и массы груза, но зависят от длины нити. Оборудооамяе: два небольших тяжелых металлических шарика различной массы, креп кие иерастяжимые нити, линейка длиной 1 м, штатив с муфтой и лапкой, метроном или се кундомер, весы с разновесами. УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготов1и1 к мспврмаявнту 1. Прежде «(СМ прнсту'пить к выполнению работы, убедитесь, что вы знаете ответы на апедующие вопросы; 1) Что называют амплитудой колебаний? 2) По какой <)юрмуле можно оирелелнть период колебаний? 3) *1то тактзе частота колебаний и с помощью каких формул ее .можно определить? 2. Определите цену деления шкалы линейки. 3. Измерьте с помощью весов массы шариков. 4. Закрепите шарики на нитях, длина которых немногим бо-.lee 1 м. 5. Установите на краю стола штатив. Возле верхнего конца штатива .закреиите с помощью муфты лапку и подвесьте к ней один из шариков на нити так, чтобы длина иолу«1ен-ного маятника составля.тв 1 м. 6. Передвигая муфту вдоль штатива, установите ее на такой высоте, «1тобы шарик оказался па расстоянии 3-5 см от расположенной на пилу линойки. Зксперимемт 1. Исследуйте зивпсимость периода и частоты колебаний .маятника от его амплитуды. Для этого: 1) отклоните маятник на расстояние 2-3 см от положения равновесия и отпустите; измерив время, за шзторое маятник выполнит 20-30 колебаний, определите период и частоту колебаний; 2) повторите опыт, увеличив амплитуду колебаний до 5-6 см; 3) результаты измерений и вычислений занесите в табл. 1. Z Фшьт* V О 33 Р*1Д«Л 1, МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Номер оаытА 1 2 Таблица I Длина Амплитуда *1исло Врсма Период Частота нити колебаний колебаний капебапий колебаний колебаний /, м Л, ас I, с Г, с V, Гц 1 I 2. Исследуйте зависимость периода колебаний маятника от его массы. Для этого: 1) перенесите из табл. 1 в табл. 2 результаты опыта № 1; 2) повторите опыт для шарика другой массы, длина нити которого также равна 1 м, а а.мплитуда колебаний составляет 2-3 см; 3) результаты пзмсрсиий и вычислений завесите в табл. 2. Номер опыта 1 3 Таблица 2 Длина Масса Число Й11емя Период Частота нити шарике т, колебаний колебаний колебаний колебаний I, ы кг N t, с Т, с V, Гц 1 1 3. Исследуйте зависимость периода колебаний маятника от длины нити. Для этого; 1) перенесите из табл. 1 в табл. 3 результаты опыта № 1; 2) повторите опыт, уменьшив длину нити первого маятника до 25 см; а.чп.чмтуда колебаний па :)тот раз должна составлять 2-8 см; 3) результаты измерений и вычислений занесите в табл. 3. Помер опыта 1 4 Длина •нити /, м 1 0.2.5 Число колебаний .V Время колебаний t, с Период колебаний Г, с Таблица 3 Частота колебаний V. Гц Амали* реаультатов жепаримамгв Проанализировав результаты, сделайте вывод, в котором укажите: какие величины вы научились измерять; какие факторы повлияли на точность полученных реау.тьтатов; как период и частота колебаыпй маятника зависят от амплитуды колебаний, массы шарика, длины нити. 34 § 7. ЗВУК. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКА Мы живем в океане звуков. Что представляют собой и как образуются звуки? Почему в космосе невозможно услышать грохот ракетных двигателей? Почему гром слышен поэте, чем видна вспышка молнии? Для чего в студиях звукозаписи стены покрывают слоем звуко-потлощаюших материалов? Почему закрытое окно су-шественно ослабляет уличный шум? От чего зависит качество звука в концертном зале? Ответы на эти вопросы попытаемся получить в данном параграфе. fV ПрМ01уим«М#«Ю1 Н МуиАМ Если на поверхность озера бросить камешек, то от места, где он упадет в воду, во все стороны побегут волны. Воиинкают волны потому, что в месте своего падения камешек действует на частпиы воды и вызывает их колс-блиие, а они, в свою очередь, вовлекают в дви-нсение ближайшие к ним другие частицы н т. д. То есть в данном случае волна — jmu ко.чеба-ния, распространяюишеся в среде с течением времени.* Частицы среды могут колебаться как перпендикулярно к иаправлению распространения волны, так н вдапь этого направления. Со-ответч'твенно ра.тличают поперечные и продо.чь ные волны (рис. 7.1). Волны на поверхности озера или хлебного ноля можно увидеть. Некоторые волны невидимы,— например, лвуковые. Во время распространения звука в воздухе движение одних молекул передается другим. Образ>тотея пооче редные сгущения н раэреження воздуха — возникает продольная звуковая волна, или .1вук. |М выяозяем усповми распространеимя муж« ** Поставим буди.тьннк на небольшую подушечку и по.местим их под колпак воздушного насоса (рис. 7.2). Тиканье часов станет более тихим, но все равно будет слышным. Откачан с по-.мощью насоса воздух из-под колпака, мы перестанем слышать тиканье часов. Следовательно, чтобы звук (шспространялся, иесзбходима среда. ♦ Речь идет о механических волнах. Для распро-гтрапеним электромагнитных во.1Н наличие среды ПС является оОязательпым. Няпряплемне рвсирострвыемкя волны ШШАЯ Рис. 7.1. Поперечные (а) и продольные {Ы волны (модель) Рис. 7Д. Будильник под колпаком воздушного насоса 35 PasAM 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Среда может быть какой угодно — воздух, водя, стекли, земля (вспомните, как в кпвофильмих индейцы прикладывают ухо к земле, чтобы услышать отдаленные звуки). Таким образом, jnyKottbie солны — мпо продольные волны, распространяющиеся в галах, жид костях и твердых телах. ■Ч У1иаем о скорости раслростраиемия эвуна • раэмых средах Свойства и состояние разных сред отличаются друг от друга, поэтому скорость распространения .звуковых волн в них тоже неодинакова. Скорость .звука в воздухе вблизи поверхности Земли при температуре 20 ‘'С составляет приблизительно 340 м/с, то есть она почти в миллион раз меньше скорости света. Именно поэтому сначала мм видим вспышку молнии, я .затем слышим гром (рис. 7.3). Впервые скорость распрпстранеяпя звука в воздухе измерил в 1636 г. францу.1ский ученый Марен Мерсенн (1588-1648). В жидкостях звук расп|юстраняется быстрее, чем в воздухе, а в твердых телах — еще быстрее. Так, в воде звук распространяется со скоростью 1500 м/с. а в стальном рельсе — cи расстоянии 1360 м. чем до мишени долетит звук выстрела? 4 На расстоянии 85 м от небоскреба, построенного из стекла и бетона, стоит человек. Из его рук на тротуар падает металлический предмет. Через какое время после удара человек может услышать эхо? Зкспериметстальиос мдамие — — — -■ -—— При случае измерьте промежуток времени между вспышкой молнии и раскатом грома или между ударом строительного молота и звуком этого удара. Опреде лите приблизительное расстояние от места, где вы накодитесь, до молнии или до молота. § 8. ИСТОЧНИКИ И ПРИЕМНИКИ ЗВУКА. ВОСПРИЯТИЕ ЗВУКА ЧЕЛОВЕКОМ. ИНФРАЗВУК И УЛЬТРАЗВУК ?! ■т Почему громкоговоритель, из которого звучит громкая музыка, колеблется? Что происходит в органах слуха человека, когда он воспринимает звук? Как в полной темноте летучие мыши и дельфины находят добычу? Почему человек, долгое вре мя находящийся возле работающего производственного оборудования, часто ощущает ухудшение самочувствия? Что такое звуковое загрязнение? Попробуем ответить на зти вопросы Зиавоавммсй с истоммикааяи й приемниками звука Прижмем к крлю стола металлическую или деревянную линейку так, чтобы одна ее конец был свободным. Ударив по свободному концу линейки, увидим, что линейка начнет колебаться, и услышим авук (рис. 8.1). ’ Источниками звука ЯВ.ПЯЮТГЯ различные колеб- лющиеся тела. Так, источниками звука могут быть мембраны наушников и струны музыкальных икструментоп. ли4к|)узоры громкоговорите лей (рнс. 8.2), крылья комаров, части машин и механнз.мов, воздух внутри органных труб, духовых музыкальных инструментов, свистков и т. ц. Голосовые аппараты человека и hoibot-ных тоже являются источниками звука. Звук возникает, напри.мер, вследствие иб-^ „ дуваиия ветром проводов, труб, гребней морских тьк >»«..«» omyuK«. *"'«• ® "ТЧ" взрывов. <йвплов. Работающие линейка начнет колебаться. производственное оборудование и транспортные и мы услышим звук средства тоже являются источниками звука. 38 i 8. Источимки и присмимки мука. Инфразвук м ультразвук Для получения особого звука был созлап камертон, представляющий собой металлическую «рогатку», укрепленную на коробочке, в которой отсутствует одна стенка. Когда специальным резиновым молоточком ударяют по ножкам камертона, то он издаст звук, который называют музыкальным (рис. 8.3). В приемниках звука осуществляется преобразование звука в другие сигналы, и благо даря это.чу звук можно воспринимать и ана лизировать. Приемииками звука, в частности являются с.туховые аппараты животных и че ловека: в них звук преобразуется в нервные им пульсы. В технике в качсч;тве приемников эву ка применяют специальные преобразователи в которых звук обычно преобразуется в элек трические колебания (риг. 8.4). В Различаем муам по вввсотв тома и громкости ^1елот;к способен воспринимать звуковые волны с частотой от 20 до 20000 Гц (20 кГц). Большинство ЖИВ01-ИЫХ способны различать звуки, частота которых меньше 20 Гц и больше 20 кГц. Звуки разной частоты мы воспринимаем как звуки разного тона: чем больше частота звука, тем выше тон звука, и наоборот. Мы легко отличаем высокий той писка ко.марн от низкого тона гу'дения шмеля, различаем звучания скрипки и контрабаса. Исследование звуков, издаиаемых колеблющейся струной, проводил е1це древнегреческий ученый Пифагор (VI в. до н. э.). Он изу^шл зависимость высоты тона звука от длины струны и выяснил: чем короче струна, тем выше тон. Громкость звука определяется амплиту дой звуковых волн. Чем больше азтлитуда, те.ч гро.чче звук. При .том звуковые волны одина ковой амплитуды, но разных частот че.човек eocnpuHUAiaem как .гвуки разной громкости. Че ловеч1ч:кие ухо плохо воспринимает звуки низ-К1ГХ (около 20 Гц) и высоких (около 20000 Гц) частот и значительно лучше — звуки средних частот (от 300 до 3000 Гц)- Диффу.м>ры Рис. 8.2. В громкоговорителях 1вук И1ДЗЮ1 колеблющиеся диффузоры Рис. 8.3. Ножки камертона колеблются и издают звут^ Рис. 8.4. Микрофон прообразует звуковые импульсы в злектриче ские колебания 39 Ра1Д«л 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Рмс. 8.5. Ультразвуковой ишучатель. OTTTyrveaiouiMH насекомых Рмс 8.6. Дети слышат ультразвук, а взрослые — нет. Британские школь ники устанавливаю! на свои сотовые телефсжь рингтоны ультразвукового диапазона и на уроках обменияаютсл SMS — учитель УТИХ сигналов не слышит Рис. 8.7. Дельфины общаются и ориентируются в темноте с помощью ультразвука Р»»лича*м мнфрАвауи и улътрвввук ** Звуковые волны, имеющие частоту меньше 20 Гц, на.’зывают инфра.туковыми (от латин. Infra — ниже. под). Источниками инфразвука могут быть, валрнмер, мощное производственное оборудп-ванис, железнодорожный и автомобильный транспорт, промыш^пенные кондиционеры, вентиляторы. Кро.ме того, колсбаиия ннфразвуко-вых частот возникают при взрывах, обвалах, мощных порывах ветра в горах и во в|земя морского шторма. Звуковые волны, частота которых выше 20 кГц, называют yjibmpuJeyKoebiMU (от латин. ultra — свыше, .за пхзеделаин, по ту сторону). Ультразвук црисутствует в шуме ветра и водопадов, в звуках, издаваемых живыми су|цест-вами. Зматсомимса с влияммем инфразвука Инфразвук очень опасен для животных и человека. Для человека наиболее опасен ин фразвук частотой 7-8 Гц. Было дока.зано. что инфра.звуки .малой ам плитуды, воздействуя па пиутреняие органы человека, вызывают симптомы морской боле.-зни; инфразвуки средней амплитуды при продолжительном воздействии могут вызвать c.'ienor>\ стать причиной повышенной агрессинности; инфразвуки большой амп.титуды вызывают колебания или вибрацию внутренних органов, что может привести даже к остановке сердца. Узнаем об использовании ультразвука Ультразвук воспринимают многие насекомые (сверчки, цикады) (риг. 8.5); в диапа.1оие частот до 100 кГц его способны воспринимать собаки и многие грызуны. Интересно, что дети, в отличие от вэросмых, тоже слышат ультразвуковые сигналы (рис. 8.6). Летучие мыитн и дельфины и.злучают ультразвук и воспринимают его после отражения от препятствий, благодаря чему даже в полной темноте они могут найти дорогу или поймать добычу (рис. 8.7). 40 Рис. e.8. С помощью уль1р«»укд можно определить глубину моря f 8. Источимки и приемники >вума. Иифреэеук и ультрамук В клтшческоА практике ультрааыукивая локн* ция позволяет диагностировать опухоли, выявлять наличие посторонних тел (кусочков дерева, стекла и т. п.) в тканях. Ультразвук также применяют для обеззараживания хирургических инс’грумептоы, лскарстпоппых препаратов, рук хирургов и т. п. Широко используются раэнообра.зные медицинские ультразвуковые процедуры, с помощью ультразвука нача.1И проводить хирургические операции. Ультразвук нашел свое применение и в технике — для выявления дефектов внутри сплошных тел, для сваривания деталей, очищения поверхностей от загрязнений, для iisMeiiemiH глубин (рис. 8.8) и др. □ Увнаем о нвгвтмвиом «яияммм шума М8 ВАороам Из |||изических факторов, отрицательно сказывающихся па здоровье человека, самый распространенный — шум. Он воспринимается как неприятные, неже.пательные звуки, метающие нормально отдыхать, работать, воспринимать информацию. Даже негромкий шум тфиводит к снижению трудоспособности и остроты слуха, иарушеииям работы коры головного мозге, сер дечно'сосуднстий и центральной нервной систем. В Украине правовая основа запщты населения от шума базируется на нескольких государственных законах. Для борьбы с шумом устанавливают шумозащитные экраны, используют бесшумные .механизмы, изменяют технологии производства, переносят транспортпые потоки в малолюдные места. Озеленение территории снижает уличный шум на 25% и более. Н отличие от шумя спокойная, мелодичная музыка способна успокаивать, улучшить настроение, повышать тонус, даже лечить. Подводим итоги Источником звука яв.тяется колеблющееся тело. Колебания с частота.мн от 20 до 20000 Гц человек восприни-.мает как звук. Чем бо.тьшс частота звука, тем выше его тон. Громкость звука определяется амплитудой звуковых колебаний. Звуковые волны, частота которых меньше 20 Гц, называют и нфразыу новыми. Звуковые волны, частота которых выше 20 кГц, называют ультразвуковыми. Шум пегвтмино влияет на человека, снижает его трудоспособность, может стать причиной различных заболеваний. 41 Раэдвл 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Контрольные вопросы ------------^ --------------------- - 1. Приведите примеры тел, являющихся источниками звука. 2. Что такое камертон? 3. Как преобразуется звук в органах слуха? 4. Что происходит в приемниках звука? S. Колебания какого диапазона частот человек ощущает как звук? б Какой физической величиной определяется высота тона? 7, Какая физическая величина определяет громкость звука? В. Что такое инфразвук? Как он влияет на человека? 9. Как используют ультразвук дельфины и летучие мыши? 10. Почему нужно бороться с шумом? Упражнение 8 i ■ 1. Почему летящего мотылька не слышно, а когда летит 2. 3. 5. комар мы слышим жужжание? Чем отличаются звуки горна от звуков флейты? Если постучать по доске, то слышен звук. Почему звук будет громче, если ударить сильнее? Ножки камертона колеблются с частотой 440 Гц. Вое принимаем ли мы зти колебания как звук? Иногда дрессировщики подают животным сигналы с помощью свистков, звук которых человек не слышит. Какой секрет кроется в зтих свистках? Какое явление демонстрирует опыт, представленный на рисунке? Назовите устройства, обозначенные цифрами, опишите их назначение в этом опыте. С какой точностью дельфин может определить расстояние до препятствия своим ультразвуковым локатором, если точность измерения им времени составляет 0,1 мс? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4 Тема. Изучение характеристик звука. Целы убедиться в том, что источником звука является колеблющееся тело и в том, что чем больше частота колебаний тела, тем выше звук; экспериментально доказать, что громкооь звука определяется амплитудой колебаний источника звука. Оборудование: камертон, штатив, две муфты, две лапки, легкий шарик (или бусинка) на нити, линейка длиной 30-40 см (лучше стальная). УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготее*» к *жсл«р1»ы*кгу 1. Прежде чем приступить к выполнению работы, убедитесь, что вы знаете ответы на следующие вопросы: 1) ^1то называют звуком и что является его источником? 42 Лаборлториая работа N> 4 2) Какие источники и приемники звука вам известны? 3) Какие характеристики звука вы знаете? 2. Подвесьте шарик к лапке штатива на такой высоте, чтобы шарик был размешен немного ниже верхнего края ножек камертона. 3. Крепко зажмите в лайке штатива конец линейки длиной 25-30 см. Звсперимемт 1. Используя подвешенный на нити легкий шарик как индикатор колебаний, докажите, что, издавая звук, камертон колеблется и что громкость звука, издаваемого камертоном, зависит от амплитуды колебаний его ножек. Опишите свои действия и наблюдения: Лействня На6.1юдения 2. Убедитесь, что высота звука определяется частотой колебаний тела, являющегося источником звука. Для этого воспользуйтесь линейкой, зажатой в лапке штатива. Если такую линейку вывести из положения равновесия, то она начнет колебаться. При этом чем меньше длила колеблющейся части, тем выше частота колебаний. Итак: 1) вызовите ко.1е6ания свободной части линейки, которая зажата в лапке штатива; убедитесь, что при такой длине колеблющейся части линейка издает определенный звук; 2) уменьшая длину ко.теблющейся части линейки, определите, как изменяется высота тона звука, издаваемого линейкой. Амалма реаупьтатоа жслерммамта Сделайте вывод, в котором укажите, какие характеристики звука вы изучили и какой физической величиной определяется та или иная характеристика звука. Творческое мдвмие ==^=^^=====s==^=== Продумайте и запишите план эксперимента, который позволит изучить зависимость высоты тома звука от натвжения струны. Какое оборудование вам для этого потребуется? Проведите этот эксперимент. 43 Подводим итоги раздела 1 4. Вы подробно исследовали некоторые виды механического дви* женин. Форма траектории Прямая линия Прямая линия Путь Время Скорость движения Прямолинейное равномерное движение I t Прямолинейное нсрдвномсрнос движевие I о = — г (=A + V*...w. » = = Форма Период Чпетота jrpaeKTopHH ______* Н ^ЩН^рапительиое движение_1 I I N 1 Окружность '—ТГ’ ‘ ^ о я I “ Колебательное движение Отрезок пря* мой, дуга окружности г-1.г = 1 v = ^.v=-L К V IT Путь за период / = 2т;Д, где R — радиус окружности 1 = 4А, где А — амплитуда колебаний 5. Па примере звука вы по.знакомились с физическими всличи* нами, которые исиользуют для характеристики волн. ЗВУК 45 Раздел 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ ПОДВОДИМ итоги РАЗДЕЛА 1 «МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ» в данном ра^д^ле вы изучили механическое движение и его ха рактеристики, ознакомились с видами механического движеним: движением по прямой, вращательным движением, колебаниями, волнами (на примере звуковых волн). 1. В разделе 1 вы узнали, что такое механическое движение. ■ Механическое движение — это изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течени-_________ем времени._______________________________________ 2. Вы научились различать виды механического движения по форме траектории и зависимости скорости движения от времени. ВИДЫ МЕХАНИЧЕСКОГО ДВИЖЕНИЯ ________ По форме траектории По зависимости скорости движения от времени прямолинейное ч криволинейное равномерное неравномерное 3. Вы научились исс.ледовать равномерное движение с помощью графиков пути и скорости движения. „ . График скорости График пути ^ движения o,>w, Связь между графиком скорости движения и путем Путь числоняо равен площади фигуры под графиком скорости движения 44 Ра>А«л 1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ К РАЗДЕЛУ 1 «МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ» Задания 1-8 имеют только один правильный ответ. 1. (1 балл) Поезд, направляющийся от одной станпив к другой, находится в состоянии покоя относительно: о) центра Земли; б) пассажира, сидящеш в кресле вагона; •) точек на ободе колеса; г) железнодорожных рельсов, по которым движется. 2. (I балл) Средняя скорость движения — это физическая величина, равная: ■)произведению пути на время движения; б)отношению всего времени движения ко всему пути, пройденному телом; а) половине суммы нача.пьной и конечной скоростей движения; г> отношению всего пути, пройденного телом, ко всему времени движения. 3. (I балл) Частота вращения тела — это физическая величина, численно равная: а) времени одного полного оборота; б) количеству полных оборотов в единицу времени; а) количеству полных оборотов; г) всему времени вращения. 4. (I балл) Период колебаний математического маятника: о)зависит от д.тины нити; 6t зависит от массы маятника: а) зависит от амплитуды колебаний; г| не аависит от земного притяжения. 5. (I балл) Че.товек может воспринимать как звук волны с частотой: о|от2до20Гц; а) от 22 до 220 Гц; б) от 220 до 2200 кГц; t) от 320 до 3200 кГц. 6. (2 балла) Поезд движется со скоростью 40 м/с. Сколько будет длиться путешествие, если расстояние между двумя городами равно 624 км? а) 1 ч 34 мин; б) 4,2 ч; а) 4 ч 20 мин; t| 15,6 ч. 7. (2 балла) Полчаса мальчик ехал на велосипеде со скоростью 24 км/ч, а потом 6 км шел пешком со скоростью 4 км/ч. Вычислите среднюю скорость движения мальчика. а) 9 км/ч; б) 14 км/ч; а) 20 км/ч; г) 28 км/ч. 46 Задаиия для самолрояярми м раадялу 1 8. (2 балла) Чему равна частота вращения секундной стрелки часов? о1 I I €11-; с 1 •1 60 -; 60 с с е 9. (3 балла) Турист шел по горной тропе, двигаясь со скоростью 2 км/ч, а затем вер1гулся к месту своего старта, двигаясь со скоростью 6 км/ч. Какова средняя скорость движения туриста на всем пути? 10. (3 балла) По графику зависимости пути от времени для равномерного движения (рис. 1) определите скорость движения тела. Ответ дайте в км/ч и м/с. 3600 1. с /, км (, мин 11. (3 балла) Сколько колебаний совершит маятник часов, уставов ленных в кают-компании судна, за время путешествия из Одессы в Керчь? Период колебаний маятника равен 1 с, расстояние от Одессы до Керчи 250 км. судно движется со скоростью 12,5 м/с. 12. (3 балла) Наблюдатель услышал звук артиллерийского выстрела через 6 с после того, как увидел вспышку от выстрела. На каком расстоянии от наблюдателя расположена пушка? 13. (4 балла) Ракета полетела к мишени со скоростью 680 м/с. Расстояние от пускового устройства до мишени составляет 3,4 км. Через какое время после старта ракеты звук взрыва долетит до пускового устройства? 14. (4 балла) На рис. 2 приведен график зависимости скорости движения автомобиля от времени. Определите максимальную скорость движения автомобиля и пройденный им путь. 15. (5 баллов) Автомобиль проехал 400 км. Известно, что первую половину всего времени движения он ехал со скоростью 00 км/ч; за вторую ПО.ТОВИНУ времени преодолел 175 км. Вычислите скорость движения автомобиля на втором участке пути. Какова средняя скорость движения автомобиля на всем пути? Считайте движение автомоби.пя на обоих участках равномерными. Сверьте ваши ответы на задания е приведенными в конце учебника. Отметьте задания, которые вы выполнили правильно, и подсчи тайте сумму баллов. Потом .imy сум.щу разделите на три. Полученное число будет соответствовать уровню ваших учебных достижений. 1,4 47 Космодром в океане Практически асе технические новинки, пойоившиеся м последние сто лет, соманы по такой схеме: утоп 1 — ученые открымют новый зффеш (явление); утоп 2 — ин-менеры-<пециалисты создают устройство (прибор), действие которого базируется на использовании открытого учеными зффекта (явления). Таким образом, икменеры-механики работают над созданием новых, усовершенствованных автомобилей и станков, инженеры-оптики — фотоаппаратов и телескопов, инженеры электрики — аккумуляторов и электромоторов и т. п. С некоторыми приме рами таких технических новинок вы уже ознакомились в курсе физики 7 класса. Прочитав энциклопедические страницы в этом учебнике, вы убедитесь в том. что инженеру нужны знания не только по своей специальности.— он должен знать о достижениях в других областях науки и уметь их применять. Каи подальше бросить камень, или Почему космодромы строят вблизи экватора большинство жителей Земли понятия не имеют, как устрюены ракеты и космические станции, но почти все знают, что кскмос — это очень большие затраты. Знают об этом и инженеры — конструкторы ракет И чтобы уменьшить, например, затраты по доставке грузов на орбиту, они применяют в том числе разные нетрадиционные решения. Приведем пример. Вспомните ваши игры на детской карусели, вы разгоняете карусель и запрыгиваете на нее При этом самое трудное — удержаться на краю быстро вращающейся карусели. iHeHTeecTnaH сила* старается сбросить вас. Именно этот физический эффект используют спортсмены - метатели молота, раскручивая металлическое ядро на тросе (обратите внимание: мировой рекорд в метании молота приблизительно в четыре раза больше, чем в толкании ядра.— около 86 м и 22 м соответственно, при этом массы обоих снарядов оди накоаы); на нем же основывается действие пращи— древнего метательного оружия Когструкторы ракет наверняка хорошо знали физику: было решено «облегчить* старт космического корабля, используя в качестве «карусели* Землю И вот каким образом. Известно, что Земля враццется вокруг своей оси, при этом очевидно, что быстрее всего вращаются территории вокруг экватора. Запуская ракету с экватора, при прочих равных условиях на орбиту можно вывести приблизительно ма 20 % больше полезного груза. Поэтому страны, имеющие соответствующие территории (Французская Гвиана, Бразилия}, строя} современные космодромы вблизи Стартовая платформа проекта *Си-Понч» ЭмцмялопсдичФоит страница I* I жватора. А что же делать тем странам, которые расположены в средних uinpoiax,— например. Украине^ Более >0 лет натад четыре государства (Россия. Украина. Норвегия. США) объединили свои усилия и реализовали грандиозный инженерный проект, получивший название •Си-Понч» (в переводе с английского — «морской старт»). Инженеры решили: если страны не имеют сухопутной территории на экваторе, нужно осуществлять запуск ракет с морской поверхности. Как же эта идея была реализована? Для размещения космодрома нужна зна- _ чительная территория, практически целый ~ искусственный остров. К счастью, подобные •острова» уже были созданы, правда, для других целей.— речь идет о плавучих платформах для морской добычи нефти Свою платформу для проекта предоставила Норвегия — безусловный лидер в создании таких сооружений. В качестве ракеты носителя была использована украинская ракета «Зенит» — одна из лучших в мире. Работает плавучий космодром следующим образом. Незадолго до старта специальный буксир транспортирует плавучую платформу к месту запуска (кстати, штаб-квартира фрвместной компании расположена в Калифорнии (США), откуда до экватора срав-трсльно недалеко). После подготовки ракеты весь персонал собирается на корабле удравлеиня, сопровождающем платформу, а запуск ракеты осуществляется в автома-TfNecKOM режиме. Такое решение позволяет избежать человеческих жертв в случае чрезвычайных ситуаций. ^ Запуск ракеты-носителя «Зенит» с морской платформы Корабль упройлемия космодромом РАЗДЕЛ 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ § 9. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ. ИНЕРЦИЯ ?! Рис. 9.1. Аристотель (384-322 до к э.). древнегреческий философ и ученый, собрал и си-стематиаироаал знания своих предшественников о природе Ml Рис. 9.2. Наш мизнеиный опыт подсказывает; чтобы тележка двигалась с по* стояиной скоростью, ее, например, должна тащить лошадь Вы уже умеете описывать разные виды движения тел, рассчитывать путь и ско* рость движения. Но почему скорость движения тела изменяется? Почему в одних случаях тело движется по прямолинейной траектории, а в других — по криволинейной? Попробуем получить ответы на эти вопросы. Змдиомимся с умеимми. отрывшими звкомы мехвиими Почти 250U .тст назад древнегреческий фи.юсоф Аристотель (рис. 9.1), раз.мышлия о причинах движения тел, сделал разумный с точки зре* иня .здравого смысла, но неправильный с точки зрения физики вывод: если на тело ничего не действует, то оно до^зжио находиться в состоянии покоя, а для поддержания прямолинейного равномерного движения тела необходимо постоянное действие на него других тел (рис. 9.2). Такие соображения, на первый взгляд, соответствуют повседневному опыту. Однако в конце XVI ст. выдающийся итальянский ученый Галилео Галилей (рис. 9.3) установил, что учение Аристотеля не может правильно объяс нить характер движения тел. Дальнейшее изучение причин движения тел позволило Исааку Ньютону (рис. 9.4) открыть законы, которые легли в основу классической механики — науки, UJyчaющeй законы механического дпижения. Эти законы так и называют — законы Ньютона. Вы будете их подробно изучать в 10 кляссе. Выменяем условие движения тела К* с постоянной CKOpOCtbMJ Проведем мысленный экcnepимeuт^ Представьте учащегося 8 класса, который, разогнавшись, скользит по бесконечно длинной ледяной дорожке. Его никто не толкает и не тянет, значит, как подсказывает пам опыт, в конце концов он должен остановиться. Однако промежуток вре- 50 § 9. Вмммодвйствм* т«л. Ии*рцмя МС11И ОТ начала движения до остановки будет разным - в аавнснмости от внешних условий. Если, иниример. .лед неровный или с намеукшшм снегом, мальчик проедет 2-3 м; если лед гладкий, то не предел и 20 м. А если мальчик встанет на коньки, то может промчаться и сотню метров. Размыш.аяем дальше. Представим, что «торможение* на катке равно нулю, а учаищйся, как и прежде, не иснытывает никакого действия из* вне. В этом случае воображаемый мальчик будет скользить с постоянной скоростью по воображаемой ледяной дорожке сколь угодно долго. При этом действие катка, не дающего мальчику «провалиться*, и действие Земли никуда не исчезают они уравновешивают, компенсируют друг друга. То есть вля поддержания прямолинейного равномерного движения не нужно постоянного действия другого тела. Следует от.метнть, что к этому выводу впервые пришел Галилей, проводивший опыты (в том числе мысленные) с шариком и желобом. Тело движется прямолинейно равномерно или находится в состоянии покоя лишь тогда, когда на него не действуют другие тела или действия других тел скомпенсированы. Условие движения тела с постоянной скоростью известно в механике как закон инерции. jMaKOMMMOi с имерцией Явление, при котором тело движется рав-но.мерно и прямолинейно, называют инерцией (от латин. inertia — неподвижность, бездеятельность). Инерция — это явление сохранения скорости (состояния движения) тела при отсутствии или ском-пенсированности действий на него других тел. В физике движение тела а идеальных утлови-ях (когда па него вообще не действуют другие тела) называют движением по инерции. Рис. 9.3. Гзлилео Гали лей (1564-1642), итап|,-янский фи)ик и астро-иом, ввел в научные исследования «яспери-ментальный метод Рис. 9.4. Исаак Ньютон (1643-1727), английский фитик и математик, основоположник классической механики * Эксперимент в виде размышлений в физике называют мыс.ченным экспериментом. Такие эксперименты позволяют обосновать предположения. которые подтверждаются иля опровергаются реальными экспериментами. 51 РШ9»ШП 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Рис. 9.5. Скольжение шайбы по льду после удара клюшкой — пример движении по инерции Рис. 9Л. Проявление взаимодействия тел: бильярдные шары в результате столкновений меняют значение и направление скорости своего движения Одна ко о рейльности невозможно coa^utTb условия, когда на тело не действуют другие тела. Поэтому ^лиженигм по инерции обычно считают случаи, когда действия на тело других тел достаточно слабые и до ламетного изменения скорости движения это тело при ходит значительный путь. Например, мм называем движением по инерции скольжение шайбы по льду после удара клюшкой (рис. 9.5). Наблюдаем результат демовил одного тела ма другое Как будет двигаться бильярдный шар, когда на него налетает другой шар? Как будет двигаться груз, висящий на нити, если нить перерезать и действие Земли не будет уравновешено действием нити? Что будет происходить, если, стоя на коньках, вы оттолкнетесь от своего друга, который тоже стоит на коньках, и ваше действие не будет скомпенсировано сопротивлением движению со стороны льда, поскольку лед гладкий? В этих и многих других случаях тела изменяют значение и направление скорости своего движения: бильярдные шары полетят в разные стороны с разной скоростью (рис. 9.6): груз начнет падать с увеличивающейся скоростью: вы начнете двигаться на коньках в одну сторону, а ваш друг — в друг>'ю. Итак, можно сделать вывод: если действия на тело других тел не скомпенсированы, то тело изменяет скорость своего дви жения по значению или направлению, или одновременно по значе нию и направлению. ■V Подводим итоги •• Условие прямолинейного равномерного движения тела — отсутствие действий на него лругих тел или скомпенсированность этих действий. При выполнении этого условия наблюдается инерция. Бели действия на тело других тел не скомпевсироваяы, то тело наменяет скорость своего движения по значению пли направлению или по значению и направлению одновременно. 52 § 10. Масса как мара ииартностм тел. Сила т Конт рол кмые «опросы ■ — - I. Приведите примеры вмимодействия тел. 2. Как движется тело, если на него не действуют другие тела7 }. Что иатывают инерцией? 4, Сформулируйте уело аие. при котором тело движется по инерции. Я. Чю происходит с телом, когда действия на него других тел не скомпенсированы? |?прд1кмемив N* 9 ---- - . - - - I Вотдушиый путырек всплывает с постоянной скоростмо со дна oiepa. Действия каких тел на пуэырек скомпенсированы^ 2. При каком условии конькобежец во время соревнований движется равномерно? 3. Можно ли движение бильярдного шара после удара считать движением по инерции? Поясните свой ответ. 4. В качестве примера движения по инерции учащийся привел движение Луны вокруг Земли. Обоснуйте или опровергните его ответ. S*. Человек, стоя в практически неподвижной лодке на озере, бросил в направлении берега тяжелый рюкзак. Как поведет себя лодка? Поясните свой ответ Экслер! ГО« МА4ИИВ Попробуйте сложить на столе стопку тонких пластиковых файлов. Файлы кладите по одному. Потом такую же стопку попробуйте сложить на поверхности, имеющей небольшой угол наклона. Проследите, как будут вести себя файлы Объясните происходящее § 10. МАССА КАК МЕРА ИНЕРТНОСТИ ТЕЛ. СИЛА ^1 Чтобы охарактеризовать свойство быстро двигаться, разгоняться, в быту обычна употребляют слова «быстрый», «прыткий», «живой* и т. п. А как сравнить «прыткость» нескольких технических средств, например легковых автомобилей? Для такого сравнения была введена специальная техническая характеристика — время разгона до скорости 100 км/ч. Автомобили 1950-х гг разгонялись до этой скорости за 30-40 с современным автомобилям требуется всего 3-8 с. А можно ли это время уменьшить до нуля — вы узнаете из данного параграфа |П Зианомимси с имер^мостью Чтобы изменить скорость движения какого-либо тела, обязательно нужно время — скорость не может изменяться мгновенно. Так, перед тем как бросить камешек, мы некоторое время действуем на него рукой; за время движения внутри ствола ружья пуля под действием пороховых газов приобретает определенную скорость: вратарь останавливает футбольный мяч не мгновенно, а тратнт на это некоторое время. Говорят, что все тела оказывак1т сопротивление изменению скорости их движения. В физике такое свойство тел называют инертностью. 53 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Рис 10.1. После того как тележка остановилась, кубики продолжают двигаться Рис. ЮЛ. Тело подвешено на веревке. Если медленно тянуть м веревку, привязанную к телу снизу, в конце концов порвется верхняя веревка — ведь на нее действуют тело и натянутая нижняя веревка (а). Если нижнюю веревку резко дернуть вниз, то порвется только она — инертное тело не успеет за время рывка приобрести заметной скорости и разорвать верхнюю веревку (6) Инертность — свойство тела, состоящее в том, что для определенного изменения скорости движения тела требуется определенное время. Инертные свойства тела проявляются только при ттзменении скорости его движения (рис. 10.1, 10.2). Кыдомем новое о яядссе Скорость движения одних тел и.1мепить легко, других — труднее. Так. чтобы с помощью весел придать скорость .тегкой байдарке, нужно намного меньше времени, чем для придания такой же скорости лодке с грузом. Инертность тел характеризуется физической величиной — массой. Если одно и то же действие оказать на тела разной массы, .можно убедиться: чем больше масса тела, тем более оно инертно, то есть тем больше времени нужно для нз.мснения скорости его движения на определенное значение. Масса тела — физическая величина, являющаяся мерой инертности тела.* Как вы уже знаете из курса физики 7 класса, для обозначения массы используют символ т. Единица массы в СИ — килограмм (кг). Увмасм о смэм между (массами вааммодеистеу-ющих тел м иэмемеммвм сиоростем их дамжеима Поставим на гладкую горизонтальную поверхность две тележки со сжаты.чи пружинами. Распрямля ясь, пружины будут действовать на обе тележки,— тс оттолкнутся друг от друга и начнут движение. * Из курса физики 7 класса вам известно, что масса — мера гравитационных свойств тела. Таким образом, масса одвоврсысиыо является мерой пнсртлости и ме|К1Й гравитационных свойств тела. 54 f 10. Масса как мара и нарт но спи тел. Сила / тшт, Рис 10J. Одинаковые тслстки под действи ем пружин приобретут одинаковые скорскти и пройдут одинаковые пути fn,< m, Р,>0, Рис 10.4. Если тележки имеют ратные массы, то под действием пружин они приобретут разные скорости и пройдут ратные пути Наблюдая за тележками, можно заметить: если тележки имеют одинаковую массу, то и скорости они приобретут одинаковые, а потому отъедут от начального положения на одинаковое расстояние (рис. 10.3); если же одна из тележек имеет бааьшую массу, то она приобретет меньшую скорость и соответственно проедет мень шее расстояние от начальнот положения, и наоборот (рис. 10.4). Многочисленные опыты свидетельствуют; в сл>'^1ае любого взаимодействия двух тел отношение их масс обратно пропорционально отношению изменений скоростей их движения. Если обозначить массы тележек и а изменения скоростей их движения соответственно Av^ и Ло,*, то получим: т. Лу. п. Лу. То есть по отпотспию и.пмспспий скоростей движения взаимодействующих тел можно определить птнотепно их масс. При ЭТО.М если масса одного из тел (например, ) известна, то можно вычислить массу второго тела (т^). На первый взгляд, сравнение масс взаи.модействующих тел — не очень удобный способ измерения массы, однако он единственный если тело невозможно взвесить. Так были определены массы Солнца, планет Солнечной системы, двойных .звезд в астрофизике, маеты злемритариых частичек в физике микромира и т. п. Всяомииаем. что тако* сила ** Ил курса природоведения 5 к.часса вам известно, что для характеристики действия одного тела на другое в физике используют соответствующую физическую величину — силу. * Символ Л (де.зьта) означает иамеиеыие физической величины, перед символом которой ов стоит. Так, Ду, = -Oq, , Лу, «у,-у^, где Уф, та Уф, — скорости движения тележек до взаимодействия, а о, и у, — скорости их движения после взаимодействия. 55 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ , PiK. 10.5. Взрослый теннисист способен MCTiiHHib ммн лететь со скоростью движении гоночного автомобиля (а), малыш не может сильно ударить по мячу и поэтому лишь немного изменит скорость его движения (6) Сила - это физическая величина, которая является мерой действия одного тела на другое (мерой взаимодействия тел). Для обозначения си.аы используют символ F (от англ, force — сила). Единица силы а СИ — ньютон (Н) (в честь Исаака Ньютона). I И — ото сила, которая, действуя на тело массой I кг в течение 1 с, иоменяет скорость его движения на I м/с. Уже отмсчалос!.. что причина изменения скорости движения тела - действие на него других тел. Мерой действия является сила, поэтому в фп-.пике принято говорить, что причина изменения ско росши движения тела — сила. (Кроме изменения скорости движения, действие силы на те^то является причиной изменения его формы и объема — де-фор.чиции. Подробнее об этом вы узнаете позднее.) Чем большая сила действует на тело, тем замет-пее будет меняться скорость его движения (рис. 10.5). Чтобы тела разной массы изменяли скорости своего движения одинаково, на них должны действовать разные сн.пы (рис. 10.6). Подводим итоги Масса тела является мерой инертности тела — свойства, заключающегося в том, что для определенного изменения скорости движения тела требуется определенное время. При взаимодействии двух тел отношение их .масс обратно отношению измене- т. Ау. ний скоростей их движения: — = гп, Ди, Сравнение изменений скоростей движения тел при их взаимодействии позволяет из.мерять массы этих тел. Рис. 10.6. Чтобы тяжелый автомобиль (а) мог ра юшаться так же быстро, как легкий мотоцикл (6), на автомобиль следует установить более мощный двигатель 56 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ § 11. ГРАФИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ СИЛ. СЛОЖЕНИЕ СИЛ ?! Если на тело одновременно будут действоввть дне силы, например S и 3 Н, то можно получить неожиданный результат; тело будет вести себя так. будто на него действует одна сила, значение которой может быть в пределах от 2 до 8 Н. Почему? А может ли быть так, чтобы, прибавляя 10 к 10, получить 0? Ответы вы узнаете из данного параграфа. Им>6р«жд«м СИпм Сила, действуя на тело, иамсплст скорость его лвижения как по звачеыню. так и по на-прав.пению, поэтому сила определяется и яна* чением, и направлением. Мы уже изображали на рисунках скорости движения тел стрелзсами (см. риг. 2.2). Стрелками будем изображать и силы, действуннцис на тела, однако следует обратить внимание на некоторые отличия. Стрелку, изображающую скорость движе-мия, располагают рядом с телом; стрелка, которой графически изображают силу, начинается в точке, к которой прззложеня данная сила (эту точку так II называют — точка приложения силы). и направлена а сторону действия силы (рис. 11.1) Длина стрелки в определенном условном маг штабе обычно соответствует значению силы. Так на тело большей массы со стороны Земли дей гтвурт болыпая сила (рис. 11.2); чтобы раономер но THH^nTb но столу тело меньшей массы, к нему нужно приложить меньшую силу (рис. 11.3). Рис. 11.1. Стрелка, которая изображает силу, действующую на тело со стороны Земли, начинается в центре тела (в точке приложения силы) и направлена в сторону действия Земли у V; т^< т, F.3H Z'. R^Ft*^Ft /? = 5Н • ЗН = 8Н Л-5Н f,= 311 n = F,-F, Я-Ы1-ЗН=2Н Рис. 11Ж CxeiMd жспсриме*па, позволяющего выяснить, как складываются две разные силы, действующие в одном направлении (al и действующие в противоположных направлениях (6) деленным образом увеличивая скорость движения. Это увеличение будет таким же. как если бы на тележку действовала одна сила 8 Н. Силу 8 Н, которой в даиним случае можно заменить две силы 5 и 3 Н, называют равнодействующей двух сил и обозначают сим-вапом R (рис. 11.4, а). Силу, которая производит из тело такое же действие, как иесколь* ко одновременно действующих сил, называют равнодействующей этих сил. Когда две силы F, и F,, действующие па тело, паправ.пепы а одну сторону, то они складываются. Равнодействующая Н вычисляется по формуле R = F^-eFg, и ее направление совпадает с направлением сил. Бели тележку одновременно тянуть за две нити в противоположные стороны, то силы будут не «помогать* друг другу (залгонять тележку, а наоборот — «метить». В рвссматривасмом случав тележка будет двигаться так, как будто на нее действует только одна сила 2 Н в иап1)авленин, в котором действует сила 5 Н. В данном случае рвниодейгтвую1цей двух сил 5 и 3 Н будет сила 2Н (рис. 11.4, б). Если две силы F^ и F,, действующие на тело, направлены в противоположные стороны, то значение равнодействующей И равно .модулю разности* сил F, и F,, а ее направление совпадает с направлением большей из сия. Выясняем усяоеия, при яоторых силы момпемсируют /|руг друта Вели с одинаковой силой потянуть нити, привязанные к тележке с П1ютиноположных сторон, то равнодействующая двух сил будет равна ну.пю, то есть силы скомпенсируют друг друга и причины для изменения ско|мк~ги движения тела не будет. Две си.аы компенсируют друг друга, если они равны по значе нию, противоположны по направлению и приложены к одному телу. * Вспомним: модуль разиехгти двух чисел получают, вычитая из баль-шего числа меньшее. 59 $ 10. М«сс« как М1«ра иисртмостм тел. Сила Сила — это физическая величина, которая является мерой действия одного тела на другое (мерой взаимодействия тел) и служит причиной изменения скоростей движения тел и деформации тел. Сили обозначается символом F и измеряется в ньютонах. Контрольные вопросы ==========; 1. Дайте определение инертности. 2. Что является мерой инертности? S. Каной мнисимостыо свя}аны отношение масс взаимодействующих тел и отношемие ише-мений скоростей их движения? 4. В чем заключается метод измерения массы тела при его взаимодействии с д|>угим телом? S. Что называют силой^ 6. Какова единица силы в СИ? Упражнение N*10 ■ — ■ ' ■ • —^— 1. Почему во время гололедицы переход автомагистрали становится крайне опасным? 2. Когда автомобиль резко ускоряет свое движение, то водителя и ттассажиров «вжи мает» в спинки кресел. Почему’ 3. Чтобы объехать препятствие, водитель автобуса повернул направо. В какую сторону будут двигаться пассажиры? Почему? 4. Из неподвижной игрушечной пушки массой 500 г сделан выстрел в горизонтальном направлении. Известно, что масса нт\ра 10 г, скорость его движения — S м/с Какую скорость движения приобрела пушка после выстрела? 5. С лодки, находившейся в ссктоянии покоя, спрыгнул мальчик. Скорость движения мальчика составила 4 м/с Камова масса мальчика, если лодка массой 180 кг приобрела скорость движения 1 м/с? 6*. Снаряд фейерверка был пущен всрт^'^'я>ио вверх. В верхней точке траектории, где снаряд на миг остановился, он разорвался на две части массами 200 и 500 г. Какую скорость движения приобрел второй обломок, если первый после взрыва двигался со скоростью 50 м/с? ^ Эмспвримемтальиыс задания 1. Вспомните о двух способах чистки ковров — выбивание пыли с помощью палки и вытряхивание резкими взмахами — и проведите соответствующий эксперимент Чем отличаются эти два способа с точки зрения физики? 2. Проведите опыт со столкновением двух одинаковых шариков, один из которых лежит на столе, а второй на него >«алетает. Как изменятся скорости движения шариков? ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ История Львовского иациомальиого умиверситста им. И. Франко начинается в XVII ст.: в 1661 г. польский король подписал диплом, предоставлявший иезуитской коллегии во Львове «достоинство академии и титул университета». За прошедшие с тех пор столетия университет стал одним из самых престижных учебных заведений Украитты. Сейчас здесь учится более 12 тыс. студеитоВ1; в составе прси^ессорско-преподавательского коллектива — свыше 150 докторов наук, про^ фессоров, около 600 кандидатов наук, доцентов. Налажены научные связи с университетами России, Венгрии, Герматтии Франции, Австрии, Бельгии. Великобритании, Канады, США и др. Особенно тесными являются контакты с польскими учебными заведениями и научными учреждениями. 57 PaiA*n 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Так, чтобы автомобиль двигался по горизонтальному прямолинейному отрезку шоссе с постоянной скоростью, нужно, чтобы сила тяги его двигателя компенсировала силу сопротивления движению (последняя быстро остановит автомобиль при выключеиом двигателе). Пор'Г(|)ель в руке мальчика находится в состоянии покоя благодаря тому, что сила притяжения Земли, действующая на портфель, компенсируется силой, которую прикладывает к портфелю мальчик. Подводим итоги Если на тело действуют несколько сил, то их общее действие всегда можно заменить действием одной силы — равнодействующей. Рявнолействующей двух сил. которые действуют в одном на* правлешш. является сила, значение котп|юй равно сумме значений сил, а направление совпадает с направлением этих сил. Равнодействующей двух сил, которые действуют в противоположных направлениях, явлжтся сила, значение которой равно модулю разности значений сил, а направление совпадает с направлением большей силы. Две силы компенсируют друг друга, если они равны по значению. п|ютивоположны по направлению и приложены к одному телу. Контрольные вопросы - - ■ ----- -------- ------------— — — 1. Почему силд определяется ие только тизчением, но и направлением? 2. Как июбрамают силу на рисунках? 3. Что называют равнодействующей сил. дей гтвующих на тело* 4. Как определить равнодействующую двух сил, действующих вдоль одной прямой? S. При каких условиях две силы компенсируют друг друга? Упражнение N«11 - —, ж 1. Человек действует на пол с силой 800 Н. С какой силой он будет действовать на пол. если возьмет в руки груз, который, в свою о«1ередь, действует на него с силой 200 Н7 Ответ объясните с помощью рисунка. 2. Два мальчика тянут санки, прикладывая горизонтальные силы 50 и ТОН, направленные вдоль одной прямой. Каким может быть значение раяиодей ствующей лих сил? 3. Канат, который тянут в противоположные стороны два человека, находится в состоянии покоя. Один человек тянет канат с силой 300 Н. Чему рав*та сила, с которой тянет канат второй человек.^ Изобразите на рисунке силы, действующие на канат Чему равна равнодействующая зтих сил? 4. Может ли автомобиль двигаться по дороге, если равнодействующая всех сил, приложенных к нему, направлена в с торону, противоположную направлению движения? Если может, то приведите пример. 5. На тело действуют три силы, направленные вдоль одной прямой. Дее из этих сил имеют значения 30 и 50 Н. Какое значение может иметь третья сила, если равнодействующая трех сип равна 100 Н? Сколько решений имеет эта задача? Выполните в тетради соответствующие схематические рисунки. ^ Экспермменгальиое мдание Предложите конструкцию модели для демонстрации сложения сил, действующих вдоль одной прямой, и изготовьте ее 60 § 12. СИЛА ТЯЖЕСТИ. ВЕС ТЕЛА. НЕВЕСОМОСТЬ ?! Если 8]ять в руки, а логом отпустить, например, карандаш или портфель, то они обязательно уттадут. Если сесть на скамью, она прогнется, если к резиновому жгуту подвесить какое-либо тело, он растянется. С 7 класса вам известно, что зто ~ проявление гравитаииониого взаитаодетаствия Земли и всех тел, расположенных вблизи нее. Однако репортажи с космических станций демонстрируют «исчезновение» земного притяжения космонавты и все вещи на борту станций нако^ дятся 8 состоянии невесомости В этом параграфе вы подробнее познакомитесь С земным притяжен1«ем и узнаете о том. как создать невесомость на Земле. вспоммнвем о всемирном тяготении Земля притягивает к себе все теля; Луну, Солнце, людей, дома II т. п. И наоборот: все тела притягивают к себе Землю. Более тош, благодаря гравитационному взаимодействию «се тела во Вселенной притягиваются Оруг к другу — это притяжение иааывактт всемирным тяготением. Небольшое яблоко, висящее на ветке, притя1*иваепгя к Земле и вместе с тем притягивает Землю к себе. Оторвавшись от нетки, яблоко UC только сами будет падать, увеличивая скорость своего днижения, но и заставит Землю двигаться ему навстречу. Из-за того что масса !)<>мли намного больше массы яб.юка. скорость движения, приобретенная Землей вследствие притяжения к яблоку, будет очень маленькой и для нас незаметной. ШЩ Знакомимся с силом тяжести В физике силу гравитационного нритяжепня Земли, действующую на тела вблизи ее поверхности, называют силой тяжести. Отметим, что, когда говорят «вблизи поверхности Земли», имеют п виду тела, расположеппые пе далее чем несколько километров от поверхности Земли. Сила тяжести — сила, с которой Земля притягивает к себе тела, находящиеся на ее поверхности или вблизи нее. Силу тяжести обозначают символом . Сила тяжести приложена к центру тела, которое притягивается Зг.ялей, и направлена вертикально вниз, к центру Земли (рис. 12.1). Многочисленнь1.ми опытами локя.зано, что сила тяжести, дой-ствуюпщя на тело, пропорциональня мяссе этого тела и ее можно представить в виде формулы F^=mg, где “ сила тяжести; т — масса тела; g — коэффициент нро-порциональности. который в физике иазывают ускорение,^ свободного падения. 61 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Рис. 12.1. Сила тятести всегда направлена вертикально внит (к центру Земли) и прило жена к центру тела Рис. 12.2. Тела, размещенные на опоре или подвешенные к подвесу, действуют на них с силой, которую натывают весом тела и которая приложена к опоре или подвесу Ускорение свободного падении вблнаи поверхности Земли равно 9.8 Н/кг (если не требуется большой точности, можно считать, что /f = 10 Н/кг). Незначительно оно отличается на экваторе и полюсах, над океанами и аалежами полезных ископаемых, измени ется в случае подъема в горы и спуска в шахту. Подробнее с те.м, от чего зависит ускорение свободного пвдения, вы познакомитесь в Ш K.iacce, при изучении закона всемирного тяготения. ■ч Выасмлфяя. что фививи н«змм«от оосохя там ** Все тела в результате притяжения к Земле сжимают или прогибают опору или растягивают подвес. Для характеристики такого действия тел в фи.'шке введено понятие вес тела. Вас тела — это сила, с которой тело действует на опору или подвес вследствие притяжения к Земле. Вес тела обозппчоют символом Р. В СИ единица веса, как и любой другой силы. ньютон (Н). Если тело походитгя в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения, то его вес по значению равен cu.ie тяжести [P = mg) и совпадает с ней по направлению. В отличие от силы тяжести, приложенной к телу, вес приложен к опоре или подвесу (рис. 12.2, 12.3). Вес тела и сила тяжести от.тичаются и по своей природе: вес те.та в своей основе является проявлением действия межмолекулярных сил*, а сила тяжести имеет гравитационную природу. Прмаьаяаам я »«а«асомо<ти Термин «невесо.мость» привычен для всех. те.м не мгисс его значение Muui'uc нони.мают неправильно. Так, некоторые считают, что невесомость — это состояние, которое наблюдается только в кос.мосе. * О некоторых проявлениях действия межмалекулярных сил вы узнаете нозже. когда будегс иаучать силы упругости и трения. 62 § 12. Сила тлжасти. Вас тала. Намсоаюсгъ где нет воздуха, или только на борту космиче ского корабля. Также иногда можно услышать, что в состоянии невесомости на тело не действует сила тяжести. Однако все это не так! Отсутствие воздуха само по себе является причиной невесомости. а от гравитации вообще не спрячешься — во Вселенной нет ни одного уголка, где бы не действовали силы всемирного тяготения. На самом деле невесомость — ятп отсут ствие веса. Уберите у тела опору или подвес — и оно окажется в состоянии невесомости. Невесомость — это такое состояние тела, когда оно не действует на подвес или опору. В состоянии невесомости на тело действуют лишь гравитационные силы, и оно движется под действием только этих сил. Таким образом, условием пребывания тела в состоянии невесо мости является движение тела под действием только гравитационных сил. Вблизи поверхности Земли это - сила тяжести. Пкобу^ соэдять состо1и«ие месосомостм На короткое время невесомость легко создать дома, на улице, в классе и т. п. Подбросьте какое-нибудь тело. В тот мо.мект, когда тело остановилось в верхней точке своей траектории, оно не движетгя относительно воздуха и на него действует только сила тяжести,— тело находится в состоянии невесомости. В невесомости на мгновение оказываетесь и вы, когда, например, прыгаете с дерева или подпрыгиваете во время игры в баскетбол. Постоянно в состоянии невесомости находятся космические орбитальные станции (рис. 12.41. Для человека невесомость, как правило, сопровождается тошнотой, нарушением работы вестибуляриого аппарата*, нервными расстройствами (рис. 12.5). Рис. 12J. Вес Р тела приложен со стороны тела к опоре или подвесу, а сила тяжести — со стороны Земли к самому телу Рис. 12.4. Космические орбитальные станции движутся по околоземной орбите под действием только силы всемирного тяготения, поэтому такие станции и все, что в них. пребызают в состоянии невесомости * Вестибу.чярный аппарат — орган чувств у людей и позвоночных животных, восприянмяющкй и.1менс1гая в пространстве положения головы и теля, а также напряялеяие движения. Этот орган отвечает, например. за способность человека различать в темноте, где верх, я где низ. 63 PaiAM 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Подводим итоги Во Вселенной все теле притягиваются друг к другу благодаря гравитационному взаимодействию. Это притяжение называют всемирным тяготением. Сила тяжести — это сила, с которой Зем.ш цритягиваот к себе тела, расположенные на ее поверхности или вблизи нее. Ctina тяжести выпнсляется по формуле = mg и наирав.1епа вер'шкально вниз, к центру Земли. Вес тела — это физическая велнчппл. равная силе, г которой тело действует на опору или подвес в результате нрнтяження к Земле. Вес обозначается символом Р. Следует различать силу тяжести и вес тела: сила тяжести приложена к самому телу, а вес — к его опоре или подвесу. В состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения вес тела равен по значению силе тяжести {P=^mg) и имеет то же нанранлеиис. Когда тело не действует на опору или подвес, то оно находится в состоянии невесомости. Условием пребывания тела в состоянии невесомости является его движение под действием только гравитационных сил. Рмс. 12.S. Чтобы долгое время работать на орбите в состоянии невесомости, космонавты про <юдят сттеииальную гюдготовиу Комтрог вопросы 1. Действует ли на вас сила притяжения к Луне? 2. Притягивает ли Землю автомобиль, стоящий на автостоянке? космическая станция, находящаяся на орби те? 3. Что называют силой тяжести и как ее вычислить? 4. К чему приложена и иуда направлена сила тяжести? S. Что такое вес тела? 6. Чему равен вег ^тела. если оно находится в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения? 7. Чем отличается вес тела от силы тяжести? 8. Что такое невесомость? 9. При каких условиях тело будет находиться в невесомости? Упражмсимс М* 12-------------------------- 1. Определите силу тяжести, дейс твующую на тело массой 600 г. 2. Какова масса тела, если его вес равен 600 Н? 3. Книга лежит на столе. На какое тело действует вес книги? сила тяжести? Сделайте схематический рисунок. ик>6ра}йте силу тяжести и вес книги. 4. В ведро массой 1.S кг ^«алили 5,5 п воды. Какую силу надо прикладывать, чтобы удерживать ведро в руках? Сделайте пояснительный рисунок, игобратив силы, действующие на ведро. 5. Какое И1 тел находится в невесомости: а) муха, летающая в комнате. 6) пылинка. которая летает в воздухе; в) аквалангист, плывущий в толще воды; г) небольшой астероид, пролетающий мимо Земли? 64 § 13. ДЕФОРМАЦИЯ ТЕЛА. СИЛА УПРУГОаИ. ЗАКОН ГУКА Рис. 1Э.1. Под действием руки кпдидер изменяет свою форму — деформи руетси Если сосмуть ветку дерева или растяи/тъ ротиновый жгут, го нетрудна мметить, что тела «оказывают сопротивление*,— появляется сила, которая противодействует внешнему во|дейС1вию. Какие физические явления стоят за зтим? От чего зависит зта сила? Почему конструкторы и машиностроители так тщательно ее изучают? Какие тела называют пластичными, а какие хрупкими? Обо всем атом вы узнаете в данном параграфе. VV Наблюдаем деформацию тел Вы уже зиаете: если на тело действует сила, оно меняет скорость своего движения. Но есть еи;е одно c.tedcmeue действия силы на тело — деформация — изменение формы или объема тела (рис. 13.1). Деформация тел под влилпис.м внешних сил происходит буквально на каждом тагу: становимся не доску, переброшенную с одного 6е(>ега ручья па другой,— дсх:ка прогибается, .затягиваем отверткой шуруп — происходит кручение отвертки, настраиваем гитару — растягиваются струны (рис. 13.2). KV Исследуем природу силы упругости ** При деформации в теле обязательно поз пикает сила, которая противодействует вне шнему воздействию, деформирующему тело. Эту силу называют силой упругости (рис. 13.3). Силу упругости обозначают символом F^. Сила улру1чзсти иаправлепа в сторону, противоположную направлению смеп^ения частей тела при деформации (рис. 13.4). Когда мы ставим на опору какое-либо тело, то вследствие притяжения к Земле тело ее дс()юрм11р>'ет. Например, когда че.;1омек садится на скамью, она прогибается. Деформация опоры вызывает появление силы упругости, направ-.тенной перпендику.тярно к поверхности опоры. В этом случае силу упругости называют силой нормальной реакции опоры*. Какова же природа силы упругости? Слово «нормальный» употребляется потому, что речь идет о нипрявлении вдоль так называемом нормдли — прямой, перпендикулярной поверхности опоры. Рмс. 13Д. Существуют раз личные виды деформации; изгиб (а): кручение (6): растяжение (в) и др. 1 ^ * 65 PaiAM 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ V d Рис. 13.3. Сжимая пру жиму, мы деформируем ее. При этом в пружине 1»01микает сила упругости Пр>ужина недеформирояаниая шшл Растянутая пружина Сжатая пружина Рис. 13.4. При растяжр НИИ или сжатии пружины возникает сила упруго* сти которая всегда действует в иапраяле НИИ, Пр01НВ0П0ПОЖНПМ направлению смещения частей тела при деформации Изнсстно. что все тела состоят из частиц (ято-.мов. молекул). В твердых телах частицы занимают определенные положения рашювегия и взаимодействуют так называемыми межмо лекулярными силами. Если частицы находятся в положении равновесия, то межмолскулярные силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга. При деформации тела по взаимном расположении частиц во.шикают изменения. Если расстояние между частицами увеличивается, то межмолекулярные силы притяжения становятся больше, чем силы отталкивания. Ec.ni же частицы приближаются друг к другу, то боль шс гтаиояятся межмо.текулярные силы оттал* кивания. Другими словами, частицы «стремятся» вернуться о положение равновесия. Силы, возникающие при изменении положения одной частицы относительно других частиц, очепь ма.ты. Однако при деформации тела меняется взаимное расположение большо* го количества частиц, и сложение этих сил дает заметную равнодействующую. Это и есть С1хла упругости. Следовательно, сила упругости — проявление действия межмолекулярных сил. Открыввем В4КОИ Гука Научное исследование процесса растяжения тел было начато Робертом Гуком (рис. 13.5) в XVII в. Для своих опытов Гук воспользовал* ся струной, один конец кэторой был жестко закреплен. Ученому удалось выяснить следующее: если СИЛА, приложенния к свободному концу струны, не очень велика, то после превращения действия силы струна возвращается в исходное состояние, то есть восетаыавливает свою иерво-начальную длину. Такие дефор.мации получили в физике название упругих. При определенном увеличении си.1Ы. растягивающей струну, деформация перестает быть упругой, то есть после прекращения действия силы струна не восстанавливает свою первоначальную длину. Такие деформации получили название пластических. 66 § 13. Дс4ор«и1ция тел*. Сила упругости. Закон Гука Измеряя, на сколько стр>'ка удлиняется под влиянием разных по значению сил, Гук обнаружил: в случае упругих деформаций удлине ние струны пропорциональни приложенной силе. Гук также выяснил: если струпу заменить другим телом, например пружиной, и внешней силой растягивать (сжимать) его, то а случае упругих деформаций изменение длины тела пропорционально приложенной силе. Таким образом, Гук определил .тависимость силы упругости от увеличения или уменьшения длины тел. Эту зависимость назвали законом Гука. При упругих деформациях тела возникает сила упругости, которая прямо пропорциональна изменению длины тела и действует в направлении, противоположном направлению смещения частей тела во время деформации; где — сила упругости; к — коэффициент пропорциональности, который называют жест' костью тела: х — расстояние, на которое растя-гиваегся или сжи.мается тело при деформации. Поскольку ГИЛЯ упругости прямо пропорциональна н.1мопению Д.1ИНЫ тела, графиком зависимости является прямая (рис. 13.6). Из закона Гука можно получить формулу для расчета жесткости тела: k - . X Единица жесткости в СИ — ньютон на метр (Н / м). Рис. 13.5. Роберт Гук (163S-1703), выдающийся английский естес твоисл ытатель. ученый-анциклопедист Рис. 13.6. При упругих деформациях тела сила упругости прямо пропорциональна удлинению (или сжатию) X тела Учимся решать задачи Зодочо. Сила 40 II растягивает пружину на 8 см. *1ему будет 1>авна сила, которая растянет пружину еще на 6 см? Деформацию пружины считайте упругой. Дано: F, =40 Н X, =8 см = 0,08 м Лх=в см = 0.06 м I - 7 Анализ физической проблемы Чтобы растянуть пружину, к пей нужно приложить силу. При рлстяжевии пружины возникает сила упругости, по значемию равная силе, приложенной к пружняе: По условию деформация упругая, повто.чу можно применить закон Гука. т» 67 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Поиск математической модели, решение и ohoauj ре-зультатпн По закону Гука cicia упругости прямо пропорциовальна деформнцин: F^-kx. Поэтому F^ = kx^ и F^^kx,. F, ^ Ах, F, кх. Отсюда F. X. Поскольку X, XX, > Ддг, то окончательно получаем: f. _ «-Дх) Найдем значение искомой величины: Н(м + м) м , . ПЧМТМ1 Н*м (F,l=—^---i=riL!L*H; F,=70 Н. 8 Проапвлилируем результат: при уллииеыин пружины на 8 см сила упругости равна 40 Н; при ее уд.1ииении еще на в см сила упругости увеличится па 30 Н результат правдоподобный. Ответ; сила, дополнительно растяв>зшая пружину на 6 см, равна 70 Н. Знакомимся с механическими сяойстяами твердых т«л Чтобы возводить дома, создавать надожпые машины и механизмы, бытовые приборы и т. п., нужно знать механические свойства различных материалов: бетона, металлов, дерева, пластиков, стекла и др. Конструкторы должны предусмотреть, как будут вести себя те или иные материалы в условиях высоких или низких температур, при кратковременных пли постоянных нагру.зках и т. п. Соответствующие данные получают экспериментально: образцы магериа.юв подвергают нагрузкам н исследуют происходящие изменения, например.при каких нагрузках наблюдаются упругие деформации, при каких начинаются пластические, при каких образцы разрушаются. С[м?ди механических свойств твердых тел чаще всего рассматривают упругость, пластичность н хрупкость. Упругими материалами называют такие, в которых упругие деформации могут быть достаточно большими. Упругие материалы — это, например, сталь и резина. Если удлинить стальной стержень на 1 % его длины, то он вернется к первоначальному состоянию. Для резины такое удлинение может составлять несколько десятков процентов. Пластилин, мокрая глина, свинец, медь практически нс проявляют упругих свойств. Под действием даже малых нагрузок в телах, изготовленных из этих материалов, наблюдаются пластические деформации. Такие материалы называют п.частичпыми. 68 i 13. Деформация тела. Сипа упругости. Закон Гума Хрупкими называют материалы, тела из которых даже в слу* чае малых деформаанй разрушаются. Такими материалами являются, например, стекло и фарфор, чугун и мрамор. Следует отметить, что одни и те же материалы в различных условиях могут проявлять различные механические свойства. Так, ирм больших нагрузках упругая сталь становится пластичной и ил стальных листов можно штамповать различные изделия. Пла(гп<ч-ный свинец в случае охлаждения становится упругим, а стекло при температурах от 500 до 700 “С становится более пластичным, чем пластилин при комнатной температ>'ро. Подводим итоги Деформацией тела называют изменение его формы или объема. Сила упругости — проявление действия межмолекулярных сил. В случае упругих деформаций тел возникает сила упругости, которая прямо пропорциональна изменению длины теля и действует в направлении, противоположном направлению сме1цения частиц тела во вре.мя деформации: = кх . Среди механических свойств твердых тел чаще всего рассматривают упругчкггь, пластичность и хрупкость. Контрольные вопросы — 1. Что называют деформацией^ 2. Какие силы возникают в телах при их деформации? 3. Почему возникает сила упругости? 4. Какую деформацию называют упругой? пластичной? $. Сформулируйте закон Гука 6. Как исследуют механические свойства твердых тел^ 7. Перечислите признаки упругих, пластичных, хрупких материалов. Упражнение N”13 ■ 1. Мальчик растягивает пружину (рис. 1). Какая сила возникает в ней? Изобразите пружину в тетради, на рисунке покажите силы, действующие на кольцо, за которое держится мальчик. 2. На стол погтаяили тяжелый брусок. Что будет происходить со столешницей? Куда будет направлена сила упругости столешницы? Изобразите на рисунке силы, действующие на брусок. 3. Пружину жесткостью 40 Н/м растягивают силой 2 Н На сколько удлинится пружина? 4. Жесткость пружины 20 И/м. Вычислите, какую силу нужно приложить к пружине, чтобы растянуть ее на 1 см. 5. При сжатии пружины на 7 см возникает сила упругости 2.В кН. Вычислите, какая сила возникает при сжатии пружины на 4,2 см. 6. Определите массу груза, висящего на пружине жесткостью 200 Н/м, если удлинение пружины 0,5 см. 7*. Определите плотность вещества, из которого изготовлен кубик (рис 2}. Ребро кубика равно 4 см Рис I Экспериментально* задание Определите жесткость пружины вашей авторучки. Для удлинения пружины возьмите тело известной массы, например 50-ко-пеечмую монету (ее масса равна 4,2 г). 69 PasAcn 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № ,1^ Т«м«. Икотовлеиие динамометра. Цел»: изготовить динариометр. имеющий шкалу с заданной ценой деления. Оборудолаиме: штатив с муфтой и лапкой, де ревяиная линейка, набор грузов массой по 100 г. резиновый шнур диаметром 1-2 мм и длиной 10-12 см, ученическая линейка с отверстием, ножницы, клей, спички, нитки, бумага. Теоретические емдемии Сила — это фитическая величина, поэтому ее можно измерять. Измерить силу озна чает уравновесить ее известной силой. Прибор для измерения силы — динамометр Простейший лабораторный динамометр (рис 1) предстанляет собой деревянную или пластиковую панель (IJ с нанесенной шкалой. К небольшому выступу (2J панели одним концом прикреплена пружина fj), ее свободный конец имеет указатель (4f и проволочный поводок (5} с крючком на конце. Принцип действия такого динамометра основан на сравнении измеряемой силы с силой упругости пружины динамометра. Чтобы изготовить динамометр самим, необходима на дощечке (можно взять ученическую линейкуК оклеенной белой бумагой, закрепить пружину, а потом проградуировать полученный прибор, то есть нанести на него шкалу. Вместо пружины можно использовать мягкую резиновую ленту или резиновый шнур. УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготовка к >ксперим«мту 1. Приготовьте необходимое оборудование. 2. Вгломннте, при каких условиях выполняется закон Гука. Зкспврммвмт 1. Наклейте на одну сторону линейки белую бумагу. 2. Сложите резиновый шнур вдвое, протяните его сквозь отпер* стие и .закрепите с помощью спинки так, чтобы петля шнура свисала на четверть длины линейки вдоль стороны, заклеенной бумагой (рис. 2). Ли11еДкм Спнчкя Передняя стенка .тииеЛки Задним стенка лянейкн Рис 2 Резиновая петля Указатель Пить (нитяной поводок) Рис. г 70 Лабораторная работа N* S 3. На конце петли иакрепите указатель динамометра в виде спички и нитяной поводок (рис. 3). 4. Проградуируйте полученный прибор. Для этого: 1) Закрепите прибор в лапке штатива. Подвесьте к поводку груз массой 100 г; на бумаге, приклеенной на линейку, отметьте горизонтальной черточкой положение указателя. Примачаниа. На груз массой UK) г дайствует сила тяжести, которая приблизительио равна 1 Н. Если груз находится в покое, сила тяжести уравновешивается силой упругости, поэтому сила упругости тоже при6ли|ител)>на равна 1 Н. 2) Последовательно подвесьте второй, третий и четвертый грузы. В каждом случае по.пожеыие указателя отмечайте черточкой (рис. 4). 3) Снимите грузы, отметьте черточкой нулевое положение указателя. 4) Снимите динамометр со штатива и на бумаге напротив горизонтальных черточек проставьте значения: о, 1, 2, 3, 4 Н (рис. 5). 5. Охарактеризуйте полученный динамометр, заполнив первую строку таблицы. 6. На палу<1еяиом динамометре постройте шкалу с ценой де.1ения 0,1 Н (если расстояние между черточками очень маленькое — с ценой деления 0,2 Н). 7. Охарактеризуйте полученный динамометр с новой шкалой еще раз, заполнив втор)’ю строку таблицы. я ^ и 5 & к а К к г с? X в и <а Z X ы g. о «8 S с ж в I 3 § S S i f > * 2 ? S S Две соседние отметки, обозначенные цифрами Блок отметок шкалы Количество делений между соседними отметками Цена доло- пия шкалы Рис. 4 Рис. S Границы измерения верх- няя ниж- няя Амалив рс1ультатон внеперимеитв Сделайте вывод, в котором укажите, как называется изготовленный вами прибор, на клко.м законе основав принцип его действия, где вам может поннло6ит1>ся этот прибор и для чего нужны навыки, приобретенные в ходе выполнения работы. ^ Творческое задание Какой вид имепя бы шкапа изготовленного вами динамометра в случае использования половины резиновой петли? Проведите опыт. Сравните полученную шкалу со шкалами, полученными во время выполнения лабораторной работы, сделайте вывод. 71 Ра1д«л 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N« б Т«м*. Ишеремие веса тел с помощью динамометра Цель: научиться измерять вес тела с помощью динамометра. Оборудование: динамометр, рычааитыс весы с разновесами, штатив с муфтой и лапкой, набор различных тел. УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготовка ■ вкспвримемту 1. Прежде чем приступить к выполнению работы, вспомните ответы на следующие вопросы: 1) Из каких основных частей состоит динамометр? 2) Где должен быть расположен указатель ненагруженного динамометра? 2. Определите цену деления и границы иэмеренпя шкалы ди* намометра. 3. Закрепите динамометр в лапке штатива. 4. Уравновесьте весы. Эксперммемт 1. Взвесьте на рычажных весах несколько тел (кольцо от штатива, груз и т. п.). 2. По формуле P^mg вычислите вес тел (Я,). 3. Определите вес этих тел с помощью динамометра (Я,). 4. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу. Номер опыта I Название тела Массы Вес тела, опреде-тела ленный по форму* т. кг ле. Я,, Н Вес тела, измеренный динамометром. Я,, Н Амалиа реаулктатоа аиспаримвмта Сравните значения веса тела, полученные двумя разными способами. Сделайте вывод, в котором укажите, какой способ измерения 8(кга тела более точен, какой является пниболсе универсальным, какие факторы повлияли на точность ыпних измерений. Творческое задание Обдумайте и запишите план проведения эксперимента, позволяющего определить жесткость пружины динамометра. 72 § 14. ТРЕНИЕ. СИЛА ТРЕНИЯ ?! Трение играет чрс4М<чайно важную роль в жизни человека. С одной стороны, трение не дает разогнаться до сверхрекордных скоростей велосипедистам и пловцам. оно служит причиной ианоса деталей автомобилей и различных механизмов. С другой стороны, трение подошв обуви о землю дает нам возможность ходить, благодаря трению наша одежда не расползается по швам, не развязываются шнурки, мы не соскальзываем со стула при малейшем движении. Как видим, трение приносит как лишние неудобства, так и пользу. А всегда ли существует трение? Как оно возникает и как можно предугадать его действие? Зманоммвкя с сипой трений покоя Если человек попробует передвинуть очень тяжелш^ I'CMo, ныпри.мер большой шкаф, и не сможет сдвинуть его с места, это значит, что сила мышц человека урав11пвеп1ивается силой трения между полом и ножками шкафа. В таких случаях говорят о трении покоя (рис. 14.1). Сила трения покоя — это сила, которая возникает при попытке сдвинуть с места неподвижное тело и препятствует возникновению движения. Гила трения покоя обозначается символом в и всегда направлена н сторону, противоположную той, в которую двигалось бы тело, если бы трении не было. Сила трения покоя прило женя вдоль поверхности, которой тело соприкасается с другим телом, и всегда равна силе, пытающейся сдвинуть тело с места (рис. 14.2). Прп увелнчеттлп силы, 11ри.1ожепиой к телу и пытающейся сдвинуть его с места, увеличивается и сила трения покоя. Когда внешняя сила, действующая на тело, приобретет определенное значение и сдвинет тело с места, сила трения покоя станет максимальной. Макси.малызая сила Рис. 14.1. Шкаф не удается сдвинуть с места, хотя чеповек прикладывает немалые усилия: мешает сила трения покоя трения покоя обозначается символом F, тр. п т«« Рис. 14JZ. Сила f, с которой тянут тело, пытаясь сдвинуть его с места, и сила трения гюкоя возникающая при этом, уравновешивают друг друга — тело находится в состоянии покоя Мы видим, что сила трения покоя не может превышать опредслеиного максимального .'1начеиии: 0< /L „ < fp* а tp. Ш 114«в Примеров полезного действия силы трепня покоя можно привести множество. Благодаря этой силе движутся автомобили, лаль-цы рук удерживают ручки и карандатин, а на болтах держатся гайки. В технике, на транспорте, в быту довольно часто принимают меры, чтобы одно тело не двигалось относительно другого. Например. для увеллчения максимальной силы трения покоя тротуары во врс^мя гололедицы посыпают песком. 73 Ршжллп 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Рис. 14.3. Сила трения скольжения приложена вдоль поверхности соприкосновения тела и опорм и всегда направлена в сторону, противоположную направлению движения тш ЗМАКОМИМКИ с силой тр«ния смолынсмил Когда внешняя сила, действующая на тело, становится {>авной максимальной силе трения покоя, тело начинает двигаться — сила трения покоя переходит в силу трения скольжения. Сила трения скольжения — это сила, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого. Сила трения скольжения o6ojHa4aemcu симяолом ^ и всегда направлена в сторону, противоположную направлению движения тела, к которому она приложена (рис. 14.3). Сила трения скольжения немного меньше максимальной силы трения покоя. Имеяно поэтому тело сдвигается с места рывком, н поэтому массиввые предметы тяжелее сдвинуть с места, чс.м потом двигать их. Выясняем, от чего мвисит сила трения скольжения Прикрепим к деревянному бруску крючок динамометра н начне.м равномерно тянуть брусок по горизонтально расположенной деревянной доске (рис. 14.4, а). На брусок в горизонтальном направлении будут действовать си.тв упругости пружины динамометра и сила трения скольжения. Сила упругости пружины динамометра уравновешивает силу трения скольжения. То есть динамометр показывает значение силы трения скольжения дерева по дереву. Если перевернуть брусок на другую грань (в нашем случае — на меньшую) и повторить опыт, то динамометр будет показывать то же значение силы трения скольжения. Таким образом, сила трения сколь жения не зависит от площади соприкасающихся поверхностей. Заменим доску листом стекла и снова будем равномерно тянуть брусок с помощью динамометра (рис. 14.4, б). Опыт продемонстрирует, что сила трения скольжения дерева по стеклу мепьше силы трения Рис. 14.4. При скольжении одного и того же теле по разным поверхностям возникает разная сила трения скольжения: деревянный брусок скользит по деревянной доске (а); стеклу (6); наждачной бумаге ($) 74 § М. Трсии». Сила трамия скольжения лерева по дереву. Если же будем тянуть деревянный брусок по наждачной бумаге, то увидим, что сила трения скольжения дерева гш иаждачной бумаге больше, чем сила т^юиия скольжения дерева по дереву (рис. 14.4, а). Следовате.тьно, сила трения скольжения зависит от свойств соприкасающихся поверхностей тел. Изменится сила трения скольжения и тогда, когда мы положим па тело дополнительный груз, увеличив таким образом силу нормальной реакции опоры (рис. 14.5). Сила трения скольжения в этом случае возрастет. Многочисленные опыты дока.1ывают. что сила тре ним ско.чьжения увеличивается пропорциона.чьно силе нормальной ре акции опоры. Эту зависимость можно записать следующим образом: где женпя, N сила трения скольжения; ц — ко;)ффициент трения сколь-сила нормальной реакции опоры*. Поскольку сила трепня скольжения и си.за нормальной реакции опоры имеют одинаковые единицы, коэффициент трения скольжения является величиной без единиц. Коэффициент трения скольжения определяется, в частности, материалами, из которых изготовлены соприкасающиеся тела, качеством обработки их поверхностей. Коэффициенты трения скольжения определяют экспериментально. Обычно таблицы значений коэффициентов трения скольжения содержат ориентировочные средние значения аяя пар материалов: Коэффициент трения скольжения 0,40 0,56 0,75 Материалы 1 Коэффициент трения скольжения Материалы Сталь 0,02 Бумага (картов) по льду ао дереву Сталь 0,20 Кожа по стали по чугуну Дерево 0,25 Резива по дереву по бетону VV Выясмием причины воаникновемия и способы умвмьшения силы трения Поверхности твердых тел часто имеют царапины, неровности, бывают шершавыми. Во время или при попытке движения неровности цепляются друг за друга и деформируются или вовсе сминаются. В результате возникает сила, противодейств>чощая силе, которая или стремится сдвин^'ть тело с места, или двигает его. Следовательно, причиной воэ-никиовепия силы трсш1я является наличие неровностей на поверхности К = mg, если на гиризонталышй поверхности па тело в вертика.1ьном ыа-правлоыии не действуют никакие силы, кроме силы тяжести и силы нор-.мальвой реакции опоры. 75 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Рмс. 14J. Сила трения скольжения уаеличивается, если увеличить силу, прижимающую тело к поверхности стола Рис. 14.6. Если под деревянный брусок подложить круглые карандаши, то передай гать брусок по поверхности станет тначительно легче Рис. 14.7. Замена скольжения качением приводит к уменьшению силы трения, и это используют в шариковых и роликовых подшипниках соприкасающихся тел. Сила трения, как и сила упругости,— проявление сил межмолекулярного взаимодействия. Казалось бы, для уменьшения силы тре* ния нужно хорошо отполировать поверхности и таким образом свести к минимуму размеры неровностей. Однако отполированные поверхности очень плотно прилегают друг к друпч и в результате зна'жтельное количество молекул соприкасающихся поверхностей оказывается на таком расстоянии друг от друга, что становится заметным межмолекулярное притяжение. В результате сила трюпия увеличивается. Таким образом, еще одна причина возникновения силы трения — взаимное притяжение молекул поверхностей соприкасающихся тел.* Силу трения скапьжения можно уменьшить, смазав соприкасающиеся поверхности. Смазка, как правило жидкая, отдалит соприкасающиеся поверхности друг от друга. Иными словами, соприкасаться будут не поверхности тел, а слои смазочного материала,— следовательно, трение скольжения (так называемое сухое трение) заменится жидким (вязким) трением, при котором сила трения значительно меньше. Увмаем о сипе тремия качемия Тысячелетний опыт человечества показывает, что, например, тяжелую каменную глыбу легче перекатить на бревнах, чем просто тянуть по земле. Известно также, что трение уменьшится, если между соприкасающимися поверхностями расположить твердые катки (рис. 14.6). Бели одно тело катится по поверхности дру’гого, то мы имеем дело с трение.ы качения. Во время качения возникает сила трения качения, которая обычно намного меньше силы трения скольжения. Поэтому в различных машинах и механизмах дли уменьшения силы т[>ения применяют подшипники (рис. 14.7). Более иодробное исследование трения и обоснование причин его возникновения довольно сложно, и это выходит .la рамки школьного курса фшпткн. 76 $14. Трение. Сила трения Учмаася р*ш«ть мдячм 1одочо. Для равномерного движения книги массой 1 кг по столу нужно приложить горизонтальную силу 2 Н. *1ему равен коэффициент трения скольжения между книгой и столом? Амалиа физической проблемы Сделаем пояснительный рисунок, на котором укажем все силы, действующие на книгу: — сила тяжести {F^^mg); N — сила нормальной реакции опоры; F — сила, под действием которой книга движется по поверх-— сила трения скольжения. 'IL ности стола; KKKW^; VbXVVVVXVV N F -► Книга движсггся раиномерно, следовательно, все силы, действующие на нее. попарно скомпенсированы: сила трения скольжения компенсирует силу, с которой книгу тянут по столу; сила тяжести компенсируется силой нормальной реакции опоры. При этих условиях и следует вычислять коэффициент трения. Поиск математичеекой модели, решение и анализ результатов Поскольку силы, действующие на книгу, попарно скомпенсированы. можно записать: F=F^^, N -mg. Исходя f из того что F^ = pN , получаем F = pmg. Отсюда р = —. Определим значение искомой величины: 1И=—= р»0,2 mg кг* — кг Проанализируем результат: коэффициент трения 0.2 соответствует najie «дерево по дереву» (см. с. 75). следовательно, результв'* правдоподобен. Ответ: коэффициент трения скольжения между книгой и столом равен 0,2. Подводим мтот Сила трения покоя — это сила, которая воэппкает при приложении к телу внешней силы, пытающейся сдвинуть тело С места. Сила трения скольжения — это сила, которая возникает при скольжении одного тела по поверхности другого и прямо пропор-циональпа силе нормальной реакции опоры: F^^^-\iN . 77 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Коэффициент трения скольжения зависит от мнт<>{)нало8, из которых изготовлены соприкасающиеся тела, от качества обработки их поверхностей, наличия между ними других веществ. Для уменьшения силы трения скольжения поверхности тел, в частности, покрывают смазкой. При качении одного тела по поверхности другого жыникает сила трения качения, которая обычно .меньше силы т|)еиия скольжения. Контрольные вопросы ■ ---------------- — t. Что мешает сдвинуть с места большой шкаф? 2. Куда направлена сила трения покоя? 3. Зачем тимой тротуары посыпают песком? 4. Когда проявляется сила трения скольжения и от чего она зависит? S. Почему а таблице коэффициентов трения скольжения представлены пары материалов, а не каждый материал отдельно? 6. Какова природа силы трения скольжения^ 7, Как можно уменьшить силу трения скольжения? В. Почему круглое тело легче катить, чем тянуть? УпражнвмивМ» 14 =-----------г ___________ — 1. Действует ли на книгу, лежащую на горизонтальном столе, сила трения? 2. Чтобы открутить гайку, надо приложить силу. Почему гайка намного легче откручивается, если ее смочить керосином? 3. К бруску, который находится на поверхности стола, с помощью динамометра прикладывают горизонтальную силу 3 Н. Брусок при зтом движется равно мерно а направлении действия силы. Чему равна сила трения, действующая на брусок со стороны поверхности стола? Как будет вести себя брусок и ка кой будет сила трения, если динамометр будет показывать 2 Н? 4. Каков коэффициент трения скольжения между ящиком массой 10 кг и полом, если для равномерного перемещемия ящика по полу нужно прикладывать горизонтальную сипу 40 И? 5. Брусок равномерно тянут по столу с помощью динамометра. Динамометр показывает силу трения 5 Н. Какова масса бруска, если коэффициент трения мехшу бруском и столом равен 0,27 6. Стараясь сдвинуть с места пиатшно, к нему прикладывают постепенно увеличивающуюся горизонтальную силу. Пианино начало двигаться, когда сила достигла 500 Н. Как изменялась сила трения между пианино и полом? Что будет происходить, если продолжать увеличивать силу? у . Экспериментальное задание Положите на поверхность воды пустую пластиковую бутылку или другой плавающий предмет. Возьмите полоску бумаги и попробуйте ею топкнуть бутылку. Возникает ли в случае движения тела в жидкости сила трения покоя? ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ В июле 1937 г. Постановлением Совета народных комиссаров УССР в г. Сталине (сейчас Донецк) был открыт Государственный педагогический институт. Со временем учебное заведение стало Донецким национальным университетом — составной частью Донецкого научного центра НАН Украины и Министерства образования и науки Украины Сейчас в университете учится свыше 2S тыс студентов, проводятся научные исследования по 1S основным направлениям фундаментальным и прикладных наук. Университет поддерживает связи с 26 университетами мира, является членом Ассоциации университетов Европы, двух международных организаций (Евразийская и AlMOS], участником ряда европейских научных программ. 78 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 Тема. Определение коэффициента трения скольжения. Цмь: определить коэффициент трения скольжения дерева по дереву. Оборудоаамме: деревянный брусок, деревянная линейка, набор груэов, динамометр. УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготоама и акслсримамту 1. Прежде чем приступить к выполнению работы, вспомните от* веты на следующие вопросы: 1) В чем причина возникновения силы трения? 2) От чего .зависит и куда направлена сила трения скольжения? 3) По какой формуле вычисляют силу трения скольжения? 2. Определите цену деления шкалы динамометра. Экслеримамт Результаты измерений сразу заносите в таблицу. 1. Подвесьте брусок к динамометру; измерьте вес бруска — он равен силе реакции опоры = значит, N = P). 2. Прикрепите брусок к крючку динамометра и положите его широкой стороной на горизоитально расиоложенную линейку. Равномерно перемещайте брусок (см. рисунок). Определите силу трения скольжения по показаниям динамометра ^ ^vop) * 3. Повторите зкеперимент еще три раза, иоложин на брусок сна* чала один груз, потом одновременно два, а потом одновременно три груза (N ~ Р......* Р^). Обработка результатоа экспсрим«1гга 1. Вычислите коэффициент трения скольжения для каждого опы* та по формуле р = N , результаты занесите в таблицу. Номер Сила трения сколь* I опыте жевия ^ ™ . Н ОШ * Сила реакция Коэффициент трения опоры N, Н скольжения р 79 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Анализ р«»ультатов жеперимента Полученные во время всех опытов значения коэффициентов трения скольжения сравните друг с другом и с табличным значе* нием коэффициента трения скольжения дерева по дереву (см. с. 75). Сде;1АЙте вывод. творческое задание Запишите план проведения эисперимента, который подтверждает, что коэффициент трения скольжения не тависит от плошади ссмтрикасающихся поверхностей. Проведите этот эксперимент. § 15. МОМЕНТ СИЛЫ. УСЛОВИЕ РАВНОВЕСИЯ РЫЧАГА ?1 с незапамятных времен для поднятия тяжелых камней, перемешения больших тяжелых предметов и т. п„ то есть для выполнения действий, которые иевоэ можно осуществить только силой мышц, человек использовал простые орудия труда Ознакомившись с данным параграфом, вы сможете узнать о принципе действия одного из таких орудий и привести примеры его применения сегодня. VV Используам рычаг Давно известии, что, например, тяжелый камень поднять значи* тельно легче, если подложить под него крепкую доску. Доска в данном сл^'тзде будет выступать в качестве простого MexaHUJ.i$a — рычага. Рычаг — твердое тело, способное вращаться вокруг неподвижной оси. Рычаг — простейший механ изм, который человек иснользус'т тысячи лет (рис. 15.1). Изображез.ия рычага можно найти па скалах и в дг>евннх папирусах, па стенах старинных храмов Китая, Индии и т. д. И сегодня примеры использования рычага мы видим всюду (рис. 15.2). Чаще всего в качестве рычага используют длинный стержень с закрепленной осью вращения. Рис. 15.1. Рычаг использовали еще при строительстве египетских пирамид (а), а лопата (тоже пример рычага) — один из древнейших инструментов, известных человеку (6} 80 § 15. Момент шпы. Услоои* равномсия рычага Рис 15Л. Рычаги применяют всюду; на детских пло«цадках (а), в лабораториях (6), центрах управления технологическими процессами (л), на стройплощадках (г) и т. д. Выясмя*м условие равновесия рычага Выясним условие, при котором рычаг нахо* дится в равновесии. Для этотч} воспользуемся ла* бораторным рычагом, к которому с помощью про* волочных крючков можно подвешивать различные грузы. Передвигая крючки, мы изменяем плечи сиЛу действующих на рычаг. Плечо силы — это наименьшее расстояние меж ду осью вращения и линией, вдоль которой сила действует на рычаг (рис. 15.3). Полв1х;нм, например, слева от оси вращения на расстоянии /, » 30 см груз весом = 1 Н. Справа от оси врпщения подвесим грузы общим весом F, = 3 Н; передвигая этот крючок, добьемся положения равновесия рычвга. Это произойдет, когда грузы общим весом 3 Н окажутся иа расстоянии /, = 10 см от оси F. I 3 Многочисленные опы* который называют вращения (рис. 15.4). Найдем отиошепно: = — = —, то есть — — -/, 30 3 F, / ты позволяют сделать вывод, правилом рычага: Если на рычаг действует пара сил, то он находится в равновесии тогда, когда значения сил обратно пропорциональны плечам этих сил: к где F^ а — силы, действующие на рычаг; 1, и ^ — плечи этих сил. Обычно говорят: с помощью рычага можно получить выигрыш в силе. Например, сравнительно пеболыпую силу человеческих мышц рычаг Z li ii *5 о I. О 4 F.1 *! 3 ч •I* V» Рис. 153. О — ось вращения, t, — плечо силы f,; tj — плечо силы Pj I 1 Рис. 15.4. Достичь равновесия рычвга. к которому подвешены грузы разного веса, можно, если определенным образом подобрать ппечи сил 81 т Ридсл 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Рмс. 1S.5. Гравюре «Архимед рычагом поднимает Землю* из книги Пьера Вариньона о механике (1787) Рис. 1S.6. О — ось враи(ения. /, — плечо силы Р,; t, — плечо силы «превращает* в силу, которая в состоянии поднять относительно тяжелое тело. Однако выигрыш в силе сопровождается проигрышем в расстоянии: плечо меньпшй силы больше, и поэтому, когда человек с помощью рычага поднимает тяжелое тело на небольшую высоту, рука преодолевает значительное расстояние. Правило рычага установи^! древнегреческий философ Архимед. Согласно легенде, именно ему принадлежат слова: «Дайте мне точку опоры — и я переверну Землю» (рис. 15.5). Зидяомимся с моментом силы Для характеристики способности силы вращать твердое тело в физике введена физическая величина момент силы. Момент силы — физическая величина, равная произведению силы, которая действует на тело, на плечо этой силы. Момент силы обозначают символом М и вычисляют по формуле \f = Fl, где F — сила, действующая на тело; / — плечо этой силы. Единица момента силы в СИ — ньютонниетр (Н*м). Сила 1 Н создает момент силы 1 Н'М, если ее плечо равно 1 м. * В физике принято: если сила вращает или пытается вра щать тело против хода часовой стрелки, то момент силы имеет положительное значение, а если по ходу часовой стрелки - отрицательное значение. Так, на рис. 15.6 момент силы F, имеет положительное значение, а момент силы F^ — отри1М1тельное. иначе: F^l^^F,lf. Открываем правило моментов Запишем правило рычага Поскольку произведение силы F на плечо силы I является моментом силы Af, то М, (знак •-* поставлен потому, что сила F, стремится вращать тело по ходу часовой стрелки, а значит, ее момент имеет отрицательное значение). 82 f IS. Момент силы. Услоом равновесия рычагв Равенство можно переписать иначе: Л/, Л/, = О . Это уравнение называют прааилом моментов. В случаях, когда на твердое тело, имеющее ось вращения, действует более двух сил, правило моментов имеет следующий вид: Л/j + Л/j + = о Итак. фор.мулируем правило моментов: Тело находится в равновесии, если сумма моментов сил, действующих на него, равна нулю. Таким образом, когда на рычаг действуют, например, три силы (рис. 15.7), условие его равновесия будет иметь вид: + М^ + М^-0. Учимся решать мдачм Зодочо. Какова масса груза I (рис. 15.8), если масса груза 2 равна 4 кг? Массу рьптага не учитывайте. А Рмс. 1S.7. Если на рычаг действует более двух сил. то, чтобы выяснить условие равновесия рычага, целесообразно использовать правило моментов Рис 15Л Дано: Анализ физической проблемы лт, = 4 кг На рисунке иаображеы рычаг, находящийся в равновесии. На рычаг действует пара сил (F| н F,). Из рисунка же ви-^ _ 7 ДИМ, чему соответственно равны плечи этих сил: (,«5а, /, = 3а, где а — длина единичного отрезка, из которых состоит рычаг. Поиск математической модели, решение и анализ результатов Воспользуемся условием равновесия рычага: = Поскольку грузы неподвижны, то F| = m^g ; F, = m^g . Следовательно, = it ^ Hb. - L., m,g ^ Окончательно: щ, = . к Проверим единицу искомой величины: [т,] Найдем значение искомой величины: кг<м кг> {/п,} = 4 ,3л 12 ба — = 2.4*. т, =2,4 кг. 5 Проавализируем результат: к меныпему плечу рычага подвешен груз массой 4 кг, а к большему — груз массой 2.4 кг. Результат правдоподобнен. Ответ: масса груза / равна 2,4 кг. 83 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Подводим ИТОГИ Рычаг — это твердое тело, которое может вращаться вокруг неподвижной оси. Плечо силы — кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы. Рычаг находится в равновесии, если значения сил F^ и действующих на его плечи /:, и Z,, обратно пропорциональны длине F. i. плеч: Для характеристики способности силы вращать твердое тело введен .момент силы М, который равен произведению силы F, действующей ив тело, на плечо I этой силы: М -FI. Используя правило моментов: + Af, + ... + М, = О,— можно сформулировать правило рычага в общем виде: рычаг находится в равновесии, если сумма моментов сил, действующих на его плечи, равна нулю. .. Контрольные вопросы - . - ■■----- 1. Что иа1ьмют рычагом' 2. Что нашвают плечом силы? 3. Сформулируйте условие равновесия рычага. 4 Дайте определение момента силы. S. В каких единицах измеряется момент силы? 6. В каких случаях момент силы имеет по* пожитрльное значение? отрицательное? 7. Сформулируйте правило моментов. ^ Упражнением* 15 ______ . _ - • — i i ■ , ■ !-■- Мосиши стержней, но которых подвешены тела, следует пренебречь 1. Вес грум 7 (рис. 1) равен 90 Н. Какова масса груза 2? 2. Общая масса грузов (рис. 2) равна 48 кг. Вычислите массу каждого груза Вычислите массу груза (рис. 3), если сила, действующая на правый конец рычага, равна 40 Н. 4. К концам тонкого однородного стержня длиной 2 м подвешены грузы массой 14 и 26 кг. На каком расстоянии от середины стержня следует разместить опору, чтобы стержень находился в равновесии? 5. Масса грум 7 равна 10 кг, грум 2 — S кг (рис. 4). Какова масса грум 37 Рис 1 Рис. 3 Рис 2 Э1 Рис 4 Экспериментальное мдаиие _____ ___ ____________________ С помощью линейки, карандаша и нити определите отношение масс ваших мобильного телефона и микрокалькулятора (или двух других предметов, которые найдутся в вашем портфеле! 84 fЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8 Тмм. Выяснение условия равновесия рычага. Цвяв: проверить опытным путем, каким должно быть соотношение сил и их плеч, чтобы рычаг находился в равновесии. Оборудоявние: рычаг, штатив с муфтой и лапкой, набор грузов массой по 100 г. динамометр, ученическая линейка. УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготовив и жеперимемту 1. Прежде чем приступить к выполнению работы, вспомните ответы на следующие вопросы: 1) Что называют рычагом и где используют рычаги? 2) Что называют плечом силы? 3) Что такое момент силы? 2. Определите цену деления шкал измерительных приборов. 3. Закрепите на лапке штатива рычаг и уравновесьте его с помощью регулировочных гаек. Эксперимент Результаты измерений сразу же мносите в таблицу. Номер опыта По ходу часовой стрелки V,. Н • м F,, Н м [Против хода часовой стрелке . л А#,. Н • м Н м А к к M.-t-A/,, Нм 1. Подвесьте с одной стороны от оси вращения рычага один груз, с другой стороны — два груза. 2. Передвигая грузы, уравновесьте рычаг (рис. 1). 3. С помощью линейки измерьте плечи и ссхггветствующих сил F^ и 4. Считая, что вес одпого груза равен 1 Н. запишите значения сил F^ и F,. 5. Повторите опыт, подвесив на одной половине рычага два, а на второй — три rpj'an (рис. 2). 85 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Гг 1 Рис. 3 Рис. 4 6. Подвесьте справа от оси вращения па расстоянии 12 см три груза. Силв F, будет равна общему весу этих грузов. Определите с помощью динамометра, какую силу F, нужно приложить в точке, находящейся на расстоянии 8 см правее точки подвеса грузов, чтобы рычаг находился в равновесии (рис. 3). Обработка рсаулктатов мсперммемта 1. Для каждого опыта: ^ 1) найдите отношение сил —^ и отношение плеч L 2) вычислите момент Л/, силы, вращающей рычаг по ходу <1асовой стрелки, и момент Л/, силы, вращающей рычаг против хода часовой стрелки; 3) найдите сумму моментов сил, действующих на рычаг (напоминаем, что момент силы, вращающей рычаг по ходу часовой стрелки, имеет отрицате.тьное значение). 2. Завершите заполнение таблицы. |- Амалйв ревуяктатов аксперимеита Па основании проведенных опытов сравните отношение сил. действующих на рычаг (f)'" отношение его плеч (tl- Сделайте вывод, в котором сформулируйте условие равновесия рычага, проанализируйте, какие факторы повлияли на точность ваших измерений. Таорчаско* задами* Соберите устройство, как показано на рис. 4. Выполните необходимые измерения и вымислите моменты сил, действукхчик на рычаг. Найдите сумму моментов. Сделайте вывод об условии равновесия рычага в данном эксперименте. 86 § 16. БЛОК ?! Очень давно через колесо, вращающееся вокруг своей оси, неизвестный древний механик перебросил веревку и с помощью этого устройства стал поднимать грузы. Так был изобретен первый блок. По легенде. Архимед с помощью нескольких блоков спустил на воду тяжелое судно, которое не могли сдвинуть с места десятки коней. И сейчас блоки присутствуют во многих машинах и механизмах. Чем же объясняется их широкое применение? Выясняем сяявь иеподямжмого блояд с рычагом На рис. 16.1 изображено колесо с желобом, через который переброшена веревка. Ось колеса закреплена неподвижно, а само колесо может вращаться вокруг этой оси. Перед вами пример еще одного простого ме xanujMa — неподвижный блок. Рычаг и неподвижный блок, на первый взгляд, совсем разные механизмы. Однако на самом деле неподвижный блок — это рычаг с одинаковыми плечами (рис. 16.1, б). Действите.<1ьно, если к концам веревки, перекинутой через блок, приложить силы, то в соответствии с условием равновесия рычага получим . Плечи сил F, и Fg равны радиусу R колеса. Поэтому из условия равно-F R весня —*- = — = 1 следует, что F.=F., то есть неподвижный блок не дает Р, R выигрыша в силе. Однако мы видим, что неподвижный блок позволяет изменять направление действия силы (см., например, рис. 16.2, 16.3). Исследуем подвижный блок С помощью специальной обоймы прикрепим к оси блока груз. Сам блок подвесим на веревке, один конец которой закреплен на по-та1ке (рис. 16.4). Бели поднимать свободный конец веревки, то вслед за Рис. 16.1. Неподвихшый блок можно раселмтривать как равноплечий рычаг. На схеме (6h R — радиус блока; ОВ — плечо силы, действующей со стороны тела; АО — плечо силы, с которой на блок действует человек Рь и ‘ R о' В Рис. 16.2. Неподвижные блоки в конструкции карьерных экскаваторов позволяют изменять направление действия сил под любым углом 87 Ра»дсл 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Рис. 16.3. Неподвижный блок в механи1ме канатной дороги меняет направление действия силы натяжения каната на противоположное В веревкой будет подниматься и блок с грузом. Полученный таким образом простой механизм и есть подвижный блок. Подвижный блок можно рассматривать как рычаг, который вращается вокруг точ* ки О (см. рис. 16.4). Тогда плечо силы Р^, линия которой проходит через ось колеса, равно радиусу ОА колеса: плечо силы F,. приложенной вдоль веревки, равно диамст* ру OR колеса, то есть двум его радиусам. Таким образом, подвижный блок являетс^я рычагом с соотношением плеч 1 :2. Ис- пользуя условие раввовесня рычага = ^ Fj, и учитывая значение плеч сил F, и F,, получаем . Окоичатольпо F, = -^ F, 2R 2 Рис 16.4. Силы, действующие нд подвижный блок Таким образом, подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза, при этом выигрыш в силе сопровождается таким же проигрышем в расстоянии: если поднять свободный конец веревки на высоту Л, груз поднимется на высоту ~ (рис. 16.5). 2 Как правило, неподвижные и подвижные блоки используют одновременно — в виде различных комбинаций (рис. 16.6). Рис. 163. Если поднять конец веревки.на высоту h, то блок под нимется на высоту Рис. 16.6. Для поднятия груюв незаменимы комбинации иеподвиж ного и подвижного блоков 88 $ 16. Блок Учимся р«шятъ мдачи Эодо*«о. На рис. 16.7 изображена система блоков. Сколько в этой системе подвижных блоков и сколько неподвижных? Каковы силы натяжения F, и веревок а и Ь соответственно, если масса груза равна 20 кг? Какой выигрыш в силе дает данная система блоков? На какое расстояние опустится точка А, если груз поднимет* ся на 10 см? Блоки считайте невесомыми, трение отсутствующим. Дано: Анали.1 tpujunrcKolt пров.чемы гп S 20 кг В задаче описана система блоков, ко* Л а 10 см торая, как видно из рисунка, состоит из двух подвижных и одного неподвижпого 6.10KUB. По условию 6.10КИ невесомы, еле* лонптельно, нятяжепие веревок будет вызывать только вес груза. Груз подвешен к подвижному блоку, дающему выигрыш в силе. Второй подвижный блок также лает выигрыш в силе. Для определения выигрыша в силе нужно сравнить вес Р груза с силой F, которая приложена к свободному концу веревки и под .чействием которой ноднимается груз. Следует учитывать, что. выигрывая в силе, мы во столько же раз проигрываем в расстоянии, на которое перемещается груз. Рис. 167 Поиск математической Mode.iu, решение Вес груза может быть вычислен по формуле P^mg. Найдем вес груза; Р = 20 кг-10—= 200Н. кг Подвижный блок, к которому подвешен груз, дает выигрыш в силе в 2 раза, с.чедовательно, сила натяжения веревки а равна; f, = -?55^ = iooh. 2 • 2 Подвижный блок, к которому иодвешена веревка 6, также дает выигрыш в силе в 2 раза, следовательно, сила натяжения веревки Ь составляет; F, = 50 Н. Сила F — это СИЛИ натяжения веревки б: /*■ Поэтому выигрыш в силе составляет: Р 20011 F 50Н F. Л. 89 Ридел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Во сколько раз мы вынграли в силе, во столько раз проиграли в расстоянии: h^'w4h*40 см. Ответ: система блоков состоит из двух подвижных я одного неподвижного блоков: сила натяжения веревки а равна 100 Н; сила натяжения веревки Ь — 50 Н; выигрыш в силе равен 4; точка А опустится на 40 см. Подводим итоги Неподвижный блок подобен рычагу с одинаковыми плечами и поэтому не дает выигрыша в силе, однако позволяет изменять направление действия силы. Подвижный блок подобен рычагу с отношением плеч 1 : 2, и потому он дает выигрып! в силе в 2 раза. Однако выигрыш в силе сопровождается проигрышем в расстоянии в 2 раза. Для большей эффективности, как правило, используют различные комбинации подвижных и неподвижных блоков. Контрольные вопросы ■■■ - ----^ — - _ _— 1. Опишите неподвижный блок. 2. Почему неподвижный блок не дает выигрыша в силе? 3. Для чего используют неподвижный блок? 4. Опишите подвижный блок. S. Какой выигрыш в силе дает подвижный блок? 6. Что означают слова; подвижный блок дает проигрыш в расстоянии в 2 раза? 7. Как с помо шью блоков получить выигрыш в силе более чем в 2 раза? Упражнение N*16 ■ - — в задачах 2-5 трением следует пренебречь 1. На сколько поднимется груз (рис 1), если свободный конец веревки вытянуть — вверх на 10 см? |р.уСво6одный конец веревки тянут с силой f • 40 Н (рис. 2). Какова масса груза? I Рис 1 3. Какую силу f надо приложить, чтобы поднять груз массой SO кг (рис. 2)? Насколько поднимется груз, если вытянуть веревку на 24 см? 4. Какую силу надо приложить, чтобы поднять груз массой 100 кг с помощью подвижного и неподвижного блоков, если масса подвижного блока составляет 7 кг (см. рис 16.6)? 5. Груз поднимается с помощью одного неподвижного и двух подвижных блоков (см. рис. 16.7). Какова масса груза и на сколько он поднимется, если под действием силы 7S Н свободный конец веревки опустить на 60 см? 90 § 17. ДАВЛЕНИЕ И СИЛА ДАВЛЕНИЯ ?! Почему с давних времен жители Севера для передвижения по снегу исполыуют лыжи? Почему летом на мягком асфальте женщина, обутая в босоножки на шпильках, оставляет более заметные и глубокие следы, чем мужчина в обуви на широкой подошве? Почему шила и лезвия ножей время от времени натачивают? Почему гвоздь острием входит в доску легко, а шляпкой вперед — нет? Попробуем получить ответы на эти вопросы. ■■ Наблюддвм последствия дсвктвия силы ** Одним HJ аоследствнй действия силы является деформация тел: чем больше сила, действующая на тело, тем большей будет деформация. Однако деформация зависит не mo-thKO от значения и направления deU-ствия силы, но и от площади, на которую действует сила: нажмите на поверхность песка сначала раскрытой ладонью, а потом пальцем — и вы убедитесь в этом на собственном опыте (рис. 17.1). Можно провести еще один опыт; деревянный параллелепипед поставить на снег сначала меньшей гранью, а затем другой, большей ПЛ01ЦНДИ. В первом случае брусок глубже провалится в снег, чем во втором (рис. 17.2), хотя сила, действующая на снег со стороны бруска, одинакова. Выясняем, что такое давление "" Для характеристики зависимости результата действия силы от площади поверхности. на которую действует ,т сила, в фн* зике испол1>зуют понятие давления. Давление — это физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. /(авлсиие обозначают символом р и вычисляют по формуле г где F — сила, действующая на поверхность (сило давления); S — пло1цал1> поверхности. Рис. 17.1. Если на поверхность песка нажать рукой, то оставленный след в частности сто гттубина. будет зависеть от того, как именно это было сделано — ладонью или пальцем (при одинаковой силе давления) Рис 17.2. Деревянный брусок проваливается в снег глубже, если он поставлен на меньшую грань 91 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Рис. 17J. Бле} Плсклль (1623-1662) — французский yvieHbiH. философ, писатель. Имел удивительно разностороиние интересы, что, впрочем, было характерно для ученых эпохи Возрождения Единица давления в СИ — паскаль (Па = Н/м^) (названа в честь французского ученого XVII ст. Блеза Паскаля (рис. 17.3)). 1 Па — это давление, которое создает сила в 1 Н, действующая перпендикулярно поверхности площадью 1 м*. 1 Па — небольшое дав.>1ение, поэтому часто используют кратные единицы давления: гектопаскаль (гПа), килопаскаль (кПа), мегапаскаль (МПа). 1 гПа= 100 Па; 1 кПа= 1000 Па; 1 МПа =1 000 000 Па. Сравнить давлении, которые оказывают тела, можно с помощью таблицы; Поздание Щ давления Человек и пол, на котором он стоит Гусеничный трактор и грунт Колеса легковою автомобиля и дорога Лопата и грунт Дав.пенне, кПа 20-30 40-50 200-300 Создание давления Швейная игла и плотная ткань Укус собаки Колеса железнодо- рожного вагона и рельсы 1000-2000 Укус комара Давление, кПа До 100 000 До 150 000 300 000 100 000 000 Давление изменится, если изменить площадь поверхпости, но которую действует сила давления. Для увеличения давления площадь следует уменьшать (именно поэтому натачивают инструменты — ножницы, шило и т. II.) (рис. 17.4). И наоборот: для уменьшения давления площадь поверхности увеличивают (рис. 17.5). Рис. 17.4. Чтобы прикладывать меньше усилий при работе с некоторыми инструментами, их натачивают Рмс. 17.S. Человек провалился в снег, а веэдеход бпатодаря широким колесам остался на его поверхности 92 f 17. Давление и сила давления Учиаисд решать аддачм Задача. Сплошной стальной куб оказывает на стол давление 7,8 кПа. Чему равна длина грани куба? Дано: рз7.8 кПаг Ahoauj tpujunecKoU проблемы Из условия известно только давление. оказываемое кубом. Однако указа* S 7800 Па что куб стальной, то есть из спра-^ вочных таблиц можно узнать плотность материала, из которого он изготовлен. Плотность связана с массой тела, масса определяет вес тела, а тот. в свою очередь.— давление. Эти сведения пригодятся для решения задачи. р = 7800-^ кг а - 7 Поиск математической модели, решение По оиределению давление р- — щ где F^mg — вес S куба; S = a* — площадь грани куба (в том числе его основания) <см. рисунок). Поскольку mspV.a V-а* ^ то m * ра*. _ mg pa'g Тогда р = ——-—j- = pa^. “ “ Р Отсюда длина ребра куба as —. РР Опреде.1им значение искомой величины: Н м= Па H..JL „J II JL !L II м; кг 7800 = 0.1; а=0,1м«10см. 7800 10 Ответ: длина грани стального кубо равно 10 см. Подводим игогм Действие тела на поверхность другого тела определяется не только силой, но и площадью соприкасающихся поверхностей. Давление — это физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности. Давление обозначают символом р и вычисляют по формуле F Н р----; единица давления в СИ — паскаль (Па = —7). S м* А Контрольны* вопросы ---- — — , ■ -- 1, От чего, кроме значения и направления, зависит результат действия силы? 2. Дайте определение давле»1ил. 3. В каких единицах измеряется дав ление? 4. Дайте определение паскаля. 93 PaiAM 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Упр«жнени# N*17 i . . ____— - -__- 1. Давление гусеничного трактора на грунт составляет 4S кПа. Что это тиачит? 2. Человек, сидящий на диване, окатывает на его поверхность определенное давление. Как изменится давление, если человек ляметТ 3. Почему комар своим хоботком может создать давление намного большее, чем человек, стоящий на ттолу? 4. Почему для работы в болотистой местности трактор на гусеницах более удобен, чем трактор на колесах? 5. Во сколько раз изменится давление, которое оказывает грузовик на ттоверх-чость дороги, если водитель заменит узкие шины колес широкими? Площадь соприкосновения с дорогой широких шин в 1.S раза больше, чем площадь соприкосновения узких шин 6 Ширина режугдего края лопаты составляет 28 см. а его толщина равна 0.2SMM. Какое давление создает лопата на грунт, если человек действует на лопату с силой 210 Н7 7. Мальчик на лыжах выехал на заснеженную ттоляну. Отеговой покров на поляне выдерживает давление 2 кПа. Ширина лыж 10 см, их длина — 14 м. Какой может быть максимальная масса мальчика, чтобы он не проваливался в снег? ^ Эмсперимектвпьмое вадани* Выясните, во сколько раз изменится давление, которое оказывает ваш письменный стол на ЛОЛ, если его перевернуть ножками кверху? Переворачивать и взвешивать стол нельзя. § 18. ДАВЛЕНИЕ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ. ЗАКОН ПАСКАЛЯ ?t Почему, когда надувают воздушный шарик, резиновая пленка, из которой он сделан, растягивается? Ответ понятен; в шарик добавляют воздух. А можно пи заставить воздушный шарик увеличить свой объем без того, чтобы его надувать? Почему жидкость оказывает давление не только на дно сосуда, в который она налита, но и на боковые стенки? Как передается давление внутри тазов и жид-. костей? Попробуем разгадать все зги загадки давления. |П| НаблюдАсм проявллмия даялеиия гам Положим слегка надутый аавяинииый аоадушиый шарик под колпак воздушного насоса (рпс. 18.1, а). Вели откачивать из насоса воздух, то объем шарика начнет увеличиваться (рис. 18.1, б). По* пробуем разобраться, почему. Вам ужо иэвсстпо, что все газы (как н другзю всщест* ва) состоят из частиц (молекул или атомов), которые находятся в птттоянном хаотичном движении. Поэтому если в герметичном сосуде содержится газ. то его частицы, двигаясь, «бомбардируют* стенки сосуда изнутри и таким образом создают на них давление (рис. 18.2). Конечно, сила удара одной частицы очень мала, однако частиц в газе очень много, и за секунду они производят огром- 94 i 18. Да»л*ни« raio* и жидиосгай. Закон Паскаля ное количество уларов по поверхности стенок сосуда (для поверхности площадью 10 см’ это число, которое имеет 25 нулей!). Поэтому сила, с которой действует такое большое количество частиц, значительна. Частицы газа движутся хаотично, следовательно, давление, которое они со.тдают, не зависит от направления их движения, поскольку количество частиц, движущихся в любом направлении, в среднем одинаково. Вернемся, однако, к воздушному шарику, о котором шла речь в начале параграфа. Во.1дух (газ) внутри и снаружи шарика создает давление соответственно на его внутреннюю и внешнюю поверхности. Если это давление одинаково, то сила давления внутри и сила давления снаружи шарика уравновешивают друг друга и резиновая пленка не растягивается. А вот если давление внутри шарика станет больше внешнего давления, то шарик увеличит свой объем. Когда мы надуваем шарик, то увеличиваем давление воздуха внутри шарика; в опыте с В0.1ДУШНЫМ насосом давление воздуха умеиь-ша.'ш извне. Именно поэтому в обоих случаях шарик надувался. гт Выясняем, от чего мвисит давление газов Дввлепис газа создается ударами его частиц, следовательно, увеличение казичества их ударов по поверхности приведет к увеличению давления газа. Количество ударов частиц, а значит, давление гнля .можно увеличить разными способами. Первый способ — увеличить /ичотность ^030, то есть зобавить газа внутрь сосуда. Если нужно увеличить плотность постоянной массы газа, то следует уменьп1ить объем самого сосуда (рис. 18.3). Второй снособ — увеличить температуру laja. Из курса физики 7 класса вам известно: чем выше температура laaa, тем большей будет скорость движения его частиц. Их удары о стенки сосуда станут более частыми, сила удара каждой частицы возрастет, и, как следствие, давление газа в сосуде увеличится. Ряс. 18.1. Объем слегка надутого воздушного шарика (а) увеличивается при уменьшении внешнего давления (6f V9 3ZO Ряс. 18Jt. Давление газа на сте«4ки сосуда создается многочислстжыми ударами по ним молекул газа 1^ Й ^ V«-; Рис. 183. С помощью поршня утаеньшают объем газа я сосуде. При этом увеличивает ся плотность газа, а значит, количество ударов 1иолекул газа на единицу площади с генок сосуда. Следовательно, давление газа увеличится 95 Равдсл 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ i •' Рмс. 1ВЖ Жидкость со-]дзвт дапление на боковую поверхность сосуда П ОШ Рис. 18.5. С помои|ью по-разному изогнутых трубок, которые имеют одинаковые по диаметру отверстия, закрытые резиновой пленкой, можно продемонстрировать, что давление на одной глубине одинаково во всех направлениях Исслсду«м давлФии* жидкострй В отличие от твердого тела, которое гноим весом создает давление только на поверхность, на которой это тело размещено, жидкость создает давление и на дно, и на боковые поверхности сосуда, 8 котором она находится. Это — следствие текучести жидкостей. Ес.чн в боковой поверхности сосуда, заполненного жидкостью, еде лать отверстия, то жидкость польется через них (рис. 18.4). Следствием текучести жидкости является также то, »гго в любой точке внутри жидкости давление жидкости будет одинаковым во всех направлениях (как и в газах). Возьме.м несколько по-разиому изогнутых етек.1янных трубок одинакового диаметра и закроем пх нижние концы резиновой п.ченкой. Опустим каждую трубку в стакан с водой так, чтобы отверстия, закрытые пленкой, поочередно оказались внут ри жидкости в одном и том же месте. Пленка во всех трубках будет растягиваться одинаково — неанвисимо от того, как распо.-южены отверстия (рис. 18.5). Это значит, «гго давление внутри Ж11ДКОС1Н в данной точке одинакова во всех направлениях. Отмрымем закон Паскаля Благодаря текучести жидкость способна передавать давление по всему объему сосуда, в котором она находится. Наберем воды в полиэтиленовый пакет (рис. 18.6. а) и .завяжем его. Наясмем на пакет — пленка натянется со всех его сторон. Нажмем еще сильнее - иакез прорвется, и, 1И'роятнее всего, не в месте нажатия, а в другом (рис. 18.6, б). Аналогичный эксиеримент можно пропе<гтн с ноздухом или другим газом. Рмс. 18.6. Нзжмем ид пакет с водой — ом, скорее всего, прорвется не в том месте, где на него нажали, а в другом: вода передаст дополнительное давление во все стороны 96 $ 18. Д«м*и»*« гаю» и жидкостей. Закон Паскаля Объясняет это явление закон Паскаля: в Давление, создаваемое на поверхность неподвижной жидкости, передается жидкостью одинаково во всех направлениях. Почти то же можно ска.зать и о газах (рис. 18.7). Подводим итогм Газы создают давление на все внутренние поверхности сосуда вследствие .многочисленных ударов об эти поверхности частиц газа. Давление газа возрастает при увеличении плотности или температуры газа и уменьшается при умепьшении плотности или температуры. Вследствие своей текучести жидкость создает давление не только на дно, но и на боковые поверхности сосуда. Давление, которое создается на поверхность неподвижной жидкости, передастся жидкостью одинаково во всех направленнх (закон Паскаля). Почти то же можно сказать и о газах. Дым Вода Рис. 18.7. Демонстрация аействйя закона Паскаля если с силой толкнуть поршень, вода или дым начнут выходить из отверстий в шарике не только в налравле НИИ движения поршня, но и во все стороны Коитрольиые вопросы ■ - - — 1. Как можно доказать на опыте, что газы создают давление на стенки сосуда. в котором находятся? 3. В чем причина существования давления в газах? 3. Почему давление газов возрастает с увеличением их плотности? 4. Как изменяется давление газов в случае повышения или снижения их температуры? Поясните свой ответ. 5. Почему жидкость создает давление не только на дно сосуда, но и на его боковые поверхности? 8. Сформулируйте закон Паскаля. Упражисиив N* 18 ' — ■ ---—------------- 1. Чтобы устранить вмятину на теннисном шарике, его можно на некоторое время погрузить в горячую воду, благодаря чему восстанавливается форма шарика? 2. Какие изменения происходят с поверхностью жидкости в запаянной сверху трубке (см. рисунок) при охлаждении этой трубки? 3. Почему нельзя допускать чрезмерного нагрева газовых баллонов (даже с негорк>чим газом)? 4. В цилиндре под поршнем площадью 80 см- находится вода. Какой груз нужно положить на поршень, чтобы давление воды на дно цилиндра возросло на 2 кПа? Экспериментальное задаиие Возьмите футбольный мяч и слегка накачайте его. Потом поломите мяч на горизонтальную твердую поверхность, сверху прижмите легкой плоской доской, на которую поставьте довольно тяжелый груз известной массы. Определите, на сколько при зтом давление внутри мяча будет больше давления воздуха снаружи. 4 iCwawa *0 97 PaJAM 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ § 19. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ ?* На рис. 19.1 изображен современник Блеза Паскаля, стоящий на кожаной подушке. заполненной водой. С подушной соединена открытая сверху трубка, кото рую исследователь держит в руках. Почему доска, на которой он стоит, не ежи мает подушку полностью и не вытесняет наружу через трубку всю воду^ Ответ на этот и много других вопросов вы найдете в данном параграфе VV ИсслсАуеяя дААлвим* жидкостей Поставим на стол цилиндрический стакан и нальем в него воды (см. рис. 19.2). Вода действует на дно стакана и создает давление. Причина возникновения данлеиия воды — ее притяжение к Земле. По определению давление Р~~^ (1)* *’A** F — сила давления, S — площадь, на ко торую она действует. В данном случае сила, действующая на дно стакана.— это вес жидкости: F-P = mg (2). Массу жидкости можно выразить через объем и плотность жидкости: m-pV; об14>м налитой в стакан жидкости — через высоту cro.i6a жидкости и площадь дна стакана: VsthS. Следовательно, m^phS (3). Подставим формулы (2) и (3) в формулу (1): mg pAStf . р =---=------S pgh . s s Итак, имеем формулу для определения дав-.тения, которое создает жидкость на дно сосуда: p-pgh Как видим, давление жидкости на дно сосуда зависит только от плотности жид кости и высоты столба жидкости в сосуде (рис. 19.2, 19.3). Это давление называют гидро статическим (от греч. hydro — вода и statoa — неподвижный). Рис. 19.1. Силз дзвления в кожаной подушке достаточна, чтобы удерживать взрослого человека ■|;1 Рис. 19 J..Давление жидкости зависит от высоты h жидкости в сосуде и плотности р жидкости: 5 - площадь дна сосуда : ~ I I — •а 3 и S Рис. 19.3. Опыт, доказывающий зависимость давления жидкости от высоты ее столба и плотности По растяжению резиновой пленки видно: а — увеличение высоты столба воды ведет к увеличению ее давления; б — жидкость с большей плотностью создает большее давление при одинаковой высоте столбов жидкости 98 §19. Гидростатическое давление «дростатмчфсмого VV Н«6людд«м дейгтви! "" дддлеммя Зависимость гидростатического давления опре* деленной жидкости только от высоты ос столба впервые продомонстрировал Блез Паскаль. Взяв крепкую бочку, до краев заполненную водой, он герметично закрыл ее крышкой со вставленной длинной тонкой трубкой. Обеспечив герметич-iioirrb соединения трубки и крышки, Паскаль нали.1 в трубку всего лишь стакан воды. Водя заполнила всю трубку и создала на стенки и дно бочки дополнительное дав.тение. Из*за этого в боковых стенках бочки появились щели (рис. 19.4). Из закона Паскаля и факта существования гидростатического давления следует: давленые внутри неподвижной однородной жидкости на одном уровне* о€)инаково. Казалось бы, дав^аеыме воды на дне подводной пещеры должно быть меньше, чем на дне открытого моря (рис. 19.5). Однако, если бы это действите.чьно было так, вследствие бблыпет давления вода из моря ринулась бы в пещеру. По этого не прюнсходнт. Учимся решать мдачи Зодачо. На дне бассейна находится круг-.1ое отверстие, закрытое пробкой. Какую миии-мйльнучо силу нужно приложить к пробке, <гго-бы вынуть ее из отверстия? В бассейн налита вода до высоты 2 м. радиус пробки — 5 см. Массу пробки и силу трения между пробкой и отверстием нс учитывайте. Рис. 19.4. Опыт, проведенный Б. Паскалем в 1648 г„ продемонстрировал, что гидростатическое давление зависит от высоты столба жидкости Рис. 19.S. Давление воды в подводной пещере равно давлению 1юды в открытом море Дано: hs2 м г = 5 см в 0.05 м р = 1000-?^ и ,.10»- КГ F - ? Анализ физической проблемы Вывуть пробку мешает сила ддвле-иия ооды в бассейне. Массу пробки и силу трения учитывать не нужно, поэтому минимальная сила, необходимая для того, чтобы вынуть пробку из отверстия, по значению равна силе давления воды на пробку: F = (см. рисунок). Поиск математической модели, решение Чтобы найти силу давления воды на пробку, восполь* F зуемся опреде.тением дявленля: р = —■=» F.... - pS (1); * Уровнем называют любую горизонтальную поверхность. *• ф 99 Рид«л 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ формулой гидростатического давлении воды; p^pgh (2); формулой площади круга: (3). Подставив в формулу (1) формулы (2) и (3), полу-чим: яг*. Окончательно: F^npghr*, Определим значение искомой величины: И кг м'-кг {F}*3.14 1000.10-2 (0.05)* = 157; F=157 II. Отлет: следует приложить силу 157 Н. м* = кг. Нм* = Н Подводим итоги в рсэультотг притяжении к Земле жидкость создает давление на дно сосуда. Давление р жидкости на дно сосуда называют гидростатическим. Оно зависит только от плотности р жидкости и высоты Л столба жидкости. Вычисляется гидростатическое давление по формуле p = pgh. Давление внутри пеподаижиий однородной жидкости на одном уровне одинаково. Контрольные вопросы -_________ _______ 1 =жа= 1. HajOBHte причину но]никнояения давления жидкости на дно сосуда. 2. По какой формуле вычисляется гидростатическое давление жидкости? 3. Как и)-меняется давление в жидкости в зависимости от высоты столба жидкости? от плотности жидкости? 4. Опишите опыт Б. Паскаля, с помощью которого он продемонстрировал 1ааисимость гидростатического давления определенной жидкости только от высоты ее столба. 5. Почему давление внутри неподвижной однородной жидкости на одтюм уровне одинаково? Упражнение N*19 ■ 1. Изменится ли сила давления воды на дно стакана, если в воду погрузить палец, не дотрагиваясь при этом до дна стакана' Если изменится, то как? 2. Давление воды на дно сосуда в точке А равно 200 Па (рис 1). Какое давление на дно создает вода в точках в, С? 3. На какой глубине давление в машинном масле 8 кПа? 4. Какое усилие нужно приложить, чтобы на глубине БО м открыть люк подводной лодки? Площадь люка 0.2 5. В два сосуда до одного уровня налили жидкость (рис. 2). Сравни ге давление и силы давления на дно сосудов Сделайте вывод. 6. Какова масса исследователя (см. рис 19.1), если площадь соприкосновения доски, на которой он стоит, и подушки равна 800 cм^ а вода в трубке установилась на высоте 1 м? Рис 1 Рис 2 ^ Энслеримемтальиое задание Погрузите наполненный воздухом резиновый шарик в ванну с водой. Проследите за изменением объема шарика. Сделайте вывод. Определите, на сколько изме иилось давление воздуха внутри шарика на максимальной глубине погружения. и ( 100 § 20. АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ. БАРОМЕТРЫ. ЗАВИСИМОСТЬ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ ОТ ВЫСОТЫ ^1 Когда мы делаем, например, глоток воды, то вряд ли размышляем над физикой атого процесса. Однако ато, равно как и многое другое, можно о6з>яснить давлением окружающего нас воздуха. Откроем для себя некоторые важные свойства этого давления и научим ся его измерять. |П Убеждаемся ■ существовании атмосферио-Be го давления и наблюдаем его действие Воздух, окружающий Землю, притягивается к Земле и создает давление на ее поверхигтсть и все тела, иаходяп(иеся вблизи нее. Это — атмосферное давление. Атмосферное давление обусловливает су* ществовапие всасывания — поднятия жидкости за поршнем (в насосах, шприцах, авторучках и т. п.). Если поднимать ручку поршня, то атмосферное давление, действуя на свободную повер* хность жидкости в сосуде, будет нагнетать жидкость но трубке вверх, в пустоту под поршнем (рис. 20.1). Со стороны все выглядит так, будто жидкость поднимается за поршне.м сама по себе. Кстати, в течение длительного времени это явление приводилось как одно из доказателыггв известного вывода Аристотеля о том, что «природа боится пустоты*. Однако в середине XVII ст. при сооружении фонтанов во Флоренции столкнулись с непонятным явлением — оказалось, что вода, кото|>ая всасывается насоса.ми, не поднимается выше 10,3 м (рис. 20.2). Голи.тео Галилей предложил разобраться в этом своим ученикам — .Эванджелисте Торричелли и Вин ненцо Вивиани. Решая эту проб-аему, Э. Торричелли (1608-1647) впервые доказал существование атмосферного давления. шт Измеряем атмосферное давление Торричелли доверху наполнил ртутью стеклянную трубку длиной около метра, запаянную с одного конца. Потом, плотно закрыв отверстие пальцем, перевернул трубку, опустил ее в сосуд с ртутью м убрал палец — часть жидкости из трубки вылилась в сосуд. В трубке остался Рис. 20.1. Жидкость поднимается за поршнем, потому что на свободную поверхность жидкости в сосуде действует атмосферный воздух ш. I0..1 м *• -тг=; tii^ Рис. 20.2. В 1638 г. не удалось украсить сгщы Флоренции фонтанами, поскольку вода не поднималась выше 10,3 м 101 Раздел 2. взаимодействие ТЕЛ Рис. 20J. Моделмрова-нис опыта Э. Торричеллм. высота h ртути в трубке всегда около 760 мм Рис. 20.4. Современный ртутный барометр столб ртути высотой приблизительно 760 мм, а над ртутью образовалась пустота (рис. 20.3). В результате многочисленных опытов Торричелли установил: высота столба ртути, остающейся в трубке, не зависит пи от длины трубки, ни от ее 1Ш1рнны — эта высота немного меняется лишь в зависимости от погоды. Торричелли сумел также выяснтъ, чем определяется такая высота столба ртути. Оказалось, что давление не поверхность ртути со стороны атмосферы и гидростатическое давление столба ртути в трубке на одном уровне одинаковы, так как и в трубке, и в сосуде находится однородная неподвижная жидкость. То есть давление столба ртути высотой 760 .чм равно атмосферному. Усовершенствованная так называемая трубка Торричелли и линейка представляют собой простейший барометр — прибор для uj-мереная атмосферного давления (рис. 20.4). Лявлеине 760 мм рт. ст. называют нормальным атмосферным давлением. Выразим его в единицах СИ — паскалях. Известно, что гидростатическое давление столба ртути вычисляют по формуле p-pgh ; плотность ртути р = 13600 кг/м*; д = 9,8Н/кг; высота столба ртути Л = 0,76 м. Следовательно: р=р^Л = 13 600 кг/м* X9,8 Н/кг 0,76м = = 101325 Па «101 кПа. В физике и технике также используют внесистемную единицу ат.мисферного давления — атмосферу (атм): 1 атм = 100 кПа . Изучаем комструвцию барометра-амеромла Барометр Торричелли — довольно точный прибор, однако большой размер, ядовитые пары ртути и хрупкая стеклянная трубка делают его неудобным для повседпевного использования. Поэтому сегодня чаше применяют так называемые бар(>метры анероиды (рис. 20.5, а). Главная часть барометра-анероида — легкая и упругая пустая металлическая коробочка I (рис. 20.5, б) с гофрированной (ребристой) поверхностью. Воздуха в коробочке практически нет. К ее стейке прикреплена стрелка 2, насаженная на ось 3. Конец стрелки передвигается по шкале 4, проградуи{и>ваыиой в миллиметрах ртутно1Ч> столба или паскалях. Все детали барометра помещены внутрь корпуса, спереди .закрытого стеклом. 102 § 20. Атмосферное давление. Барометрм Изменение атмосферного давления приводит к изменению силы, сжимающей стенки коробочки. Изменение изгиба стенок передается стрелке и приводит ее в движение. Барометры-анероиды в использовании удобнее, чем ртутные приборы, они легки, компактны и безопасны. Выясняем мвисимостя атмосферного давления от погоды м высоты Наблюдая за барометром, легко обнаружить, что его показания изменяются при и.1мсненни погоды. Перед ухудшением погоды атмосферное давление обычно падает, а перед солнечной погодой возрастает. Однако показания барометра зависят не только от погоды, а н от высоты места наблюдения над уровнем моря. Чем выше мы поднимемся вверх, тем меньшим будет атмосферное давление. Известно, что нблизи поверхности Земли давление изменяется так: через каждые И м высоты давление уменьшается npu6,iuju-тельно на I мм рт. cm. Так как атмосферное давление зависит от высоты, барометр можно проградуировать таким образом, чтобы по давлению воздуха определять высоту. Так был получен а.чьтиметр — прибор для измерения высоты (рис. 20.6). ■V Подводим итоги Давление воздуха на поверхность Земли и на все тела вблизи нее называют атмос(}>ер-яым давлением. Атмосферное давление, равное 760 мм рт. ст. (101 325 Па или приблизительно 101 кПа = 10' Па) при темпервтуре 0®С, принято считать нормальным атмосферным днвлсние.м. Точное измерение атмосферного давления обеспечивает ртутный барометр (барометр Торричелли). Как правило, используют барометры-анероиды — благодаря их удобству, небольшим размс|м1м п безопасности. С помощью барометров можно определять высоту и прогнози(к>вать из.менемие погоды. Атмосферное дав.пенпе уменьшается с высотой, а также перед ненастьем. Рис. 20.5. Барометр анеро»ч1 Рис. 20.6. Альтиметр на приборной доске самолета (ah на руке парашютиста 103 Ра1Д*л 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Контрольны* вопросы 1. Почему существует атмосферное давление? 2. Какие факты свидетельствуют о существовании атмосферного давлении? 3. Опишите строение и принцип действия ртутного барометра 4. Что такое нормальное атмосферное давление? S. Опишите конструкцию и принцип действия барометров-анеро идов. 6. Какие преимущества барометров-анероидов обусловили их широкое ислолыование? 7. Почему с помощью барометров можно предсказывать погоду и измерять высоту? Упрвжнеим* N* 20 — ^ - —————--------------------- 1. Действует ли на рыбок в аквариуме атмосферное давление? Почему? 2. Объясните, почему с увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается. 3. В 16S4 г. Отто фон Герике, бургомистр Магдебурга и физик, прооел опыт с металлическими гюлушариями, внутри которых было создано разрежение воз духа (рис. 1). Магдсбургские полушария (зто название они получили а физике) не смогли оторвать друг от друга 16 лошадей {по 8 с каждой стороны). Что уравновесило действие лошадей и не позволило разъединить полушария? 4. Почему невозможно рассчитать атмосферное давление по формуле р « pgh, где р — плотность воздуха, ah — высота атмосферы? 5. Вырзазите давление 550 мм рт. ст. в кПа, а давление 93 324 Па — в мм рт. ст. 6. На какой высоте расположена смотровая площадка телевизионной башни, если атмосферное давление у основания башни составляет 760 мм рт. ст.. а на высоте площадки — 740 мм рт. ст.? 7*. Какую силу нужно приложить к магдебургским полушариям, чтобы оторвать их друг от друга? Диаметр полушарий 35,5 см. давление внутри — 1/8 атмо-ферного давления Рис. 1. Рисунок Гаспара Шопа <^Магде6ургские полушария» Рис. 2 Эксп*рмм*талъмы* мдания _ 1. Наденьте на трехлитровую стеклянную банку резиновую перчатку, как показано на рис. 2. а. скотчем загерметизируйте место соединения перчатки и банки и всуньте руку в перчатку (рис. 2, б). Теперь попробуйте вынуть руку. Что мешает зто сделать? Легче ли будет вынуть руку, если перчатку проколоть? Почему? 2. Наполните до краев стакан водой и накройте его пластиковым файлом. Прижимая файл к краям стакана рукой, переверните стакан кверху дном, а затем уберите руку. Что удерживает воду внутри стакана и прижимает к краям стакана файл? Какой максимальной высоты стакан можно использовать в этом опыте? 104 § 21. СООБЩАЮЩИЕСЯ СОСУДЫ. МАНОМЕТРЫ И»готавлим«м жмдностмый «мномпр ** На пряное К0.1СНО и*обраэной трубки, в которую налита однородная жидкость, наденем рсэимо-вую гр>тпу. Слегка сожмем грушу — высота столба жидкости в правом колене уменьшится, а в левом Кзмдый день все пользуются водопроводом. А знаете ли в«, почему, когда мы открываем край, из него течет вода? Попробуем выяотитъ. как работает водопровод. используя свойства сообщающихся сосудов, и научимся изготавливать приборы для измерения разности давлений. Исомдуем соо6|цд»ощи«ся сосуды ** Если в правое колено U-обрааной трубки наливать воду, то вода будет перетекать в левое колено, и наобор<1т (рис. 21.1). Если наклонить U-обрааную трубку, то вода начнет вытекать из колена, которое в результате 1шкланп расположено ниже. U-образная трубка — это пример сообщающихся сосудов. Сообщающиеся сосуды — это сосуды, которые соединены между собой и между которыми может перетекать жидкость. Бс.1и сообщающпеся сосуды открыты в am мосферу (рис. 21.2, а), то высоты h^ и столбов однородной жидкости в них будут одинаковыми. Докажем это. Так как в однородной неподвижной жидкости давлсиис на одном уровне одинаково, то на уровне АВ\ Рх~ Рг ^ р, + = р, + . то есть = РРЛ, ^ ^ = Л,. А вит если налить в сообищющисся сосуды жндксхгго с разными плотлостямн, например, воду II керосин, результат будет другим (рис. 21.2, б). На уровне CD дав.тения столбов этих жидкостей в обоих сосудах одинаковы, то ость Рх= Pj, илп р,^/ц = pjgh,, Отсюда Ь-- Р. Л. При ус.човии равновесия жидк1нгтей с ра.иич-ными плотностями в открытых сообщающихся сосудах столб жидкости с меньшей плотностью будет выше, нем сто.%6 жидкости с большей плот ностью. Отношение высот столбов жидкостей обратно пропорционально отношению их плотностей. Рис. 21.1. Если в одно колено и-о6разном Фубки налить жидкость, она перетекает в другое колено Вода Вода 1 1 1 п » • • ч. в/ / Л, Керосии Вода 6 Р, Рис 21.2. В открытых сообщающихся сосудах однородмая жидкость устанавливается на одном уровне faj: если жидкости имеют разные плотноои. то столб жид кости с меньшей плот-ностью будет выше f6) 105 ^ Рид«л 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Р. $ А>рр.\Л :'|лА ,1— 1' Рис 213. Разница атмосферного даа пения р, и давления воздуха р, компен' сируется давлением столба жидкости высотой Л/> щ Ч( Рис 21 ж и-образная трубка, наполненная жид костью и имеющая шкалу,— открытый жидкостный манометр увеличится (рис. 21.3). На уровне АВ лавлепие в жидкости будет одинаковым. В точке В это будет давление воэдуха р, в правом колене, в точке А — атмосферное давление р, плюс давление р^ЛА столба жидкости ЛЛ. Следовательно, р, = р, +р^ЛЛ. Таким образом, с помощью U-образной трубки, заполненной однородной жидкостью, и линейки для измерения разности уровней жидкости в коленах трубки можно определить разницу между давлением воздуха (или другого газа) в сосуде и атмосферным давлением: р,- p,-pgAh . Соответствующий прибор называется открытым жидкостным манометром (от греч. manos — жидкий, неплотный, и metron — мера, измерять) (рис. 21.4). Манометры широко применяют в технике, промышленности, на транспорте. □ Заменяем тидкостныФ мамоматр мегаляйчечхим Жидкостный .манометр не всегда удобен, поскольку необходимо наливать жидкость до нужного уровня, производить дополнительные вычисления. Поэтому в технике используют металлические деформационные манометры (рис. 21.5). Основной элемент металлического деформационного манометра — гибкая дугообразная трубка. Ее один конец запаян, а второй соединен с резервуаром, в котором измеряется давление. Принцип действия таких манометров следующий: если давление газа внутри трубки больше атмосферного, то гибкая трубка распрямляется, а ее движение передается стрелке, движущейся вдоль шкалы прибора. После уменьшения давления газа до атмосферного трубка возвращается в первоначальное (недеформнрованное) положение, а стрелка останав.*1ивается на отмотке 0. Рис. 213. Металлический деформационный манометр: о — общий вид; 6 — комструкцил: трубка f с помощью передаточного механизма 2 прикреплена к стрелке 3. Давление определяют по шкале 4 106 § 21.Соо6щаю1циса1 сосуды. Манометры Шкала металлического манометра п|х)градуи1)ована в паска* лях иля атмосферах. Учимся решать хадачм Зодочо. В правое колено открытой U-образной трубки, в которую налита вода, доливают столб керосина высотой 12.5 см. Оире-делите разность уровней воды н керосина в правом и левом коленах и-образвой трубки, когда движение жидкостей прекратится. Керосин и вода не смешиваются. Дано: А, -12,5 см в «0.125 м кг = 1000 Р. = воо-!^ м ДА - 7 Вода Керосяя Анализ физической проблемы Когда в сообщающиеся сосуды налита вода, ова устанавливается на одном уровне в обоих коленах (рис. 21.6, а). Если в иравое колено долить керосин, то во втором колене уровень воды поднимется (рис. 21.6, б). В однородной жидкости, находящейся в равновесии, на одном горизонтальном уровне давление одинаково. :>го справедливо для уровня АВ и любых уровней ниже, ведь на этом уровне и ниже в правом и левом коленах и-образной трубки будет однородная жидкость — вода. Поиск математической модели, решение Разность высот столбов керосина и воды Ah = h^- . Итак, нужно найти высоту столба воды. Воспользуемся формулой гидростатического давления и определим давления жидкостей в точках А и В: р^— р^|ГА, Р.-Р.КЛ.. Поскольку сосуды открыты, то = то есть ^ Р,*А, _ Р,А. = м, i t даТ ^not |> Р«^^А^=р,^А, =» Л, Проверим единицу: [А_^^] = Определим значение высоты столба воды: 800 0.125 0.1; А = 0,1м = 10см; 1000 ДА = 12,5 см-10 см = 2,5 см . Ответ: разность уровней воды и керосина в правом и левом коленах сосуда составляет 2,6 см. 107 Р«ад«л 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Подводим ИТОГИ Сообщающимися называют сосуды, которые соединены между собой и между которыми может перетекать жидкость. В открытых сообщаю1цихся сосудах разных форм и размеров однородная неподвижная жидкость устанавливается на одном уровне. Открытые жидкостные манометры — это ариборы для измерения давления га.зов: Р, = Р, + р^АЛ, где р, — атмосферное давление; J\h — разность уровней жидкости в коленах ирнбора. Но практике широко применяют металлические дефор.маци-окные манометры. Комтрольмые вопросы---------- -------- 1. Каково основное свойство соо6и43ющихся сосудов? 2. Как ведут себя жидкости ратной плотности, налитые в сообщающиеся сосуды? 3. Что такое манометр? 4. Как работает открытый жидкостный манометр? $. Опишите строение и принцип действия металлического деформационного манометра Упражнвмив N* 21 -......... 1. В жидкостном манометре содержится подкрашенная вода (рис 1). Левое колено манометра открыто в атмосферу. На сколько отличается давление в сосуде от атмосферного? 2. В жидкостном манометре содержится ртуть (рис 2). Левое колено манометра открыто в атмосферу. Каково давление в сосуде, если давление атмосферного вотдуха равно 100 кПа? Уровень моды »»ис 1 Рис. 2 Рис 3 3. Высота водонапорной башни равна 2S м (рис. 3). Каким будет давление воды в водопроводе в квартире на третьем зтаже дома? Высота каждого атажа 3 м, трубы водопровода в квартире расположены на высоте 1 м от пола. 4*. В какой последовательности нужно открывать и закрывать ворота трекка-мериого шлюаа (рис 4), чтобы провести судно против течения? Рис 4 4 3 Рис. S Рис б 108 § 22. Гмдраалмч*скис машины. Насосы Эксп«рим«нтальные мдамия - ■ . , , ■ , 1. Изготовьте дома из корпусов одноразовых шприцев и кусков резиновой трубки сообщающиесн сосуды (рис. 5). Определите условие равновесия в этих сосудах столбов воды и подсолнечного масла 2. Воспользовавшись прозрачной эластичной трубкой и линейкой, изготовьте манометр для измерения разности давлений в атмосфере и бутылке (рис 6). Проследите за изменением разности давлений в течение дня: сделайте вывод. ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ В 1930-х годах символом индустриализации стал Днепрогэс. Эта крупнейшая в то время гидроэлектростанция обеспечила энергией несколько заводов-гигантов, принесла эпек-три>1сский свет в тысячи домов Звпорох(ья, Кривого Рога и других городов Украины. После того как дамба высотой более SO м перегородила Днепр, глубина реки значительно увеличилась. Это обеспечило судоходство в той части Днепра, где были пороги. А чтобы суда могли плыть и дальше, к Черному мортр в конструкции плотины инженеры предусмотрели специальный узел — шлки. (Шиоз представляет собой систему последовательно располомшнных «комнат», которые называют камерами. В каждой камере с двух сторон есть «дверь», но нет «крыши». Размеры камер огромны — каждая из них способна вместить одновременно несколько теплоходов. Работает шлюз следующим образом. Судно входит в первую камеру, ее внешняя дверь за ним закрывается, и через систему соединенных труб происходит выравнивание уровня воды со второй камерой (по принципу сообщающихся сосудов). Затем открывается дверь между первой и второй камерами — судно переходит в другую камеру и т. д. § 22. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МАШИНЫ. НАСОСЫ ?1 Знаете ли вы. что с помощью совсем небольшого устройства — гидравлического домкрата — человек может легко поднять автомобиль и даже огромного слона? Что это за устройство и как оно работает, вы узнаете из этого параграфа. VV Ислользусва для получ««ммя •ыам’рыша ■ силе гидрмлмч«сзи1А пресс 1'идрйвличссккй пресс (рис. 22.1, а) состоит из двух соедпневных цилиндров разного диаметра, заполненных рабочей жидкостью (чаще машинным маслом) и закрытых подвижными поршнями. Если поршни будут расположены на одном уровне, то давление 109 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Рж. 22.1. Учебная модель пщравлического пресса, который дает возможность полу МИТЬ выигрыш в силе: меньшая сила {Р^ дает возможность сжимать трла с большей силой жидкости на поршни будет одинаковым (вспомаите закон Паска-.1я). Сила, с которой жидкость действует на поршень, определяется лав.7ением и площадью поршня, поэтому на больший поршень действует большая сила, а на меньший — меньшая. Пусть F, и f*j — силы, действующие на поршни пресса; S, и Sj — площади поперечного сечения поршней (рис. 22.1,6). Давление, которое жидкость оказывает на поршни, одинаково: F F Р F Р\~ Рг* При этом р, = , а р, = —, то есть —. Таким обра- S, S. S, F S ' * * ' зом, -2- = —!-. Сила, действующая со стороны жидкости на боль F S шои поршень, больше силы, действующей со стороны той же самой жидкости на малый поршень, во столько раз. во сколько раз пло^ щадь большого поршня больше площади малого. Другими словами, сила давления жидкости, дейстаущая на поршень, пропорциональна площади поршня. Работа пресса заключается в создании на большем поршне большей силы. Нажимая на малый поршень, мы сжимаем масло в малом цилиндре и нагнетаем его о большой цилиндр. Давление масла в большом цилиндре возрастает, и его поршень все сильнее сжимает (то есть прессует) деталь. Гидравлический пресс позволяет Рис. 22.2. Гидравлические инструменты: пресс (ah домкрат (б); трубогиб (вУ. гидравлические ножницы (г) 110 f 22. Гидравлические машины. Насосы Рис. 22.3. Гидравлический подъемник — пример гидравлической машины полу'пгть аначнтельный выигрыш в силе, зависящий от соотношения площадей поршней. По такому принципу работают и другие гидравлические инструменты и устройства (рис. 22.2). Гидравлипеский подъемник дает возможность, приложив небольшую силу, пол* нять тяжелый автомобиль (рис. 22.3). VV Ислолыуам насосы для откачивания воды Первыми гидравлическими машинами, которые применя.пись еще в старину, были вса* сывающие и пагпетательные насосы. Во всасывающем насосе (рис. 22.4) при поднятии поршня давление в резервуаре под поршнем уменьшается, клапан а приоткрывается, а клапан в — закрывается. Через открытый клапан вода под действием атмосферного давления р, поднимается в резервуар под порш-не.м. Когда поршень движется вниз, клапан а закрывается, клапан Ь открывается и вода начинает выливаться через кран насоса. Затем поршень снова движется вверх — и все повторяется. Максимальная высота, на которую можно поднять воду с помощью всасываю1цего насоса, определяется атмосферным давлением и составляет 10,3 м (вспомните, почему). В нагнетательном насосе (рис. 22.5) при первом движении поршня вверх давление над поверхностью жидкости над клапаном а и под клапаном h уменьшается. Вследствие этого клапан а приоткрывается. а клапан Ь — закрывается. Под действием атмосферного давления р, вода поднимается за поршнем через открытый кла1шн а. Потом, когда поршень начнет двигаться вниз, из-за увеличения давления под поршнем клапан а закроется, а клапан Ь откроется. Рис 22.4. Принцип действия касыыю-щего насоса: вода поднимается та поршнем в результате действия атмосферного давления t L I г'в Рис 22.5. В нагнетательном насосе всасывание воды во время каждого возвратного движения поршня сменяется нагнетанием воды в водопроводную трубу 111 111 Р«хд«л 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Поршень через клапан Ь вытеснит воду в вертикальную трубу е. Во время второго движения поршня вверх клапан h будет закрыт и вода из вертикальной трубы с не будет попндвть обратно в насос. Подводим итоги Свойства сообщаюшпхся сосудов положены в основу действия гидравлических машин и насосов. Равновесие сил в гидравличе- гких машинах достигается при условии, если Р S Насосы бывают всасывающие и нагнетательные. Обязательные элементы в устройстве насосов — поршень, цилиндр и к.аапаны, пропускаюп^ие жидкость только в одном направлении. Контрольны* вопросы ========^=s 1. Какое принцип действия гидраолических машин^ 2. Сформулируйте уело вие равновесия поршней гидравлической машины. 3. Где применяют насосы? 4. Какие виды насосов вы анаете? S. Чем определяется высота, на которую поднимается жидкость во всасывающем насосе? Упражх т22 1. Куда движется поршень насоса (см. рисунок): вверх или вни>? 2. С какой силой действует больший поршень гидравлического пресса, если к меньшему поршню прикладывают силу 100 Н? Плошади поршней 2 см’ и 2 дм<. 3. На больший поршень гидравлической машины действует сила 4000 Н. Какая сипа действует на меньший поршень, если площади поршней соответственно 400 см- и 10 см’? 4. Чтобы с помощью гидравлической машины поднять контейнер весом 3000 И, к малому поршню прикладывают силу 200 Н. Чему равна площадь больиюго поршня, если площадь малого 4 см'? S*. Малый поршень гидравлической машины опустился под действием силы 300 Н на 4 см, а большой подмялег на \ см. Вычислите силу, действовавшую на большой поршень. ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ Харьковский нвциональмый уиивврсм- т*т имени В. Н. Каразина (ХНУ), основанный в ноябре 1804 г.,— один из старейших университетов Восточной Европы. Истории ХНУ является неотъемлемой частью интеллектуальной, культурной и духовной истории Украины. С Карьковским университетом связаны имена таких всемирно известных ученых и просветителей, как П П. Гулак-Артемовский, А. Н. Ляпунов. Н. И. Костомаров, Н.П.барабашов. Н. К. Бекетов, Д. И. Багалеи, А. Н. Краснов. Н. В. Остроградский, В А. Стеклов. А. А. Потебня, А. В. Погорелое, и многих других. Харьковский университет — единственный я Украине, с которым связаны имена трех лауреатов Hol^encscKoA премии,— это биолог И. И. Мечников, экономист Саймогт Кузнец, физик Л. Д. Ландау. 112 § 23. ВЫТАЛКИВАЮЩАЯ СИЛА. ЗАКОН АРХИМЕДА Почему мнч, если его погрузить в воду, в тем отпустить, выпрыгивает над поверхностью воды? Почему тяжелый камень, который на суше невозможно сдвинуть с места, легко поднять под водойГ Правда ли. что человек в воде находится в состоянии невесомости^ Попробуем разобраться! VI Доказываем суще<твоваим« НЛ выталкивакмцей силы Подвесим к коромыалу весов два одинаковых шара. Поскольку массы шаров одинаковы, весы уравновешены (рис. 23.1, а). Подставим под правый шар пустой сосуд (рис. 23.1, б). Затем нальем в сосуд воды и увидим, что равновесие весов нарушится (рис. 23.1, в): на шар е воде действует ctuta, направленная вверх. Откуда же берется эти сила? Чтобы разобраться, рассмотрим погруженный в жидкость кубик. На него оо всех сторон действуют силы гидроотатичет'кого давления жидкости (рис. 23.2). Силы гидростатического давления F, и . действующие на боковые грани кубика, равны по значению, но противоположны по направлению: площади боковых граней одинаковы, и грани расположены на одинаковой глубине, Такие силы уравновешивают друг друга. Л вот силы гидростатического давления F, и fj, действующие соответственно на нижнюю и верхнюю грани кубика, не уравновешивают друг друга. На верхнюю грань кубика действует сила давления F, = p,S,rae p^~peh^ (р - плотность жидкости), то есть F, =ррЛ,5. Аналогично на нижнюю грань кубика действует сила дазиения Поскольку иижпяя грань находится па большей глубине, чем верхняя то сила давления больше силы давления F^. Равнодействуюищя этих сил равна модулю pa.i-ности сил F, 1 F, и направлена в сторону действия большей силы, то есть вертикально вверх. Таким образом, по вертикали пяерх иа кубик, погруженный в жидкость, будет действовать сила. 0бус.10влснная разностью давлений па его нижнюю и верхнюю грани.— выталкивающая си.ча: F^^=Ff-F^. Рис. 23.1. На шар в ворс действует сила, направленная вверх Рис. 23.2. Силы давления, действующие иа боковые грани кубика, уравновешены (f, - f,). А вот сила давления, действующая на нижнюю грань, больше силы, действующей на верхнюю грань > F,) 113 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ ^ » Рис. 23.3. Айсберг плавлет на поверхности воды благодари действию выталкивающей (архиме довой)силы С СО Рис. 2JA. На тело, погруженное в газ либо полностью или частично погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, которую также называют архимедовой силой На тело, noMcuieiiHoc в газ, тоже действует выталкивающая сила, но она значительно меньше, чем выталкивающая сила, действующая на тело в жидкости, поскольку плотность газа намного меньше плотности жидкости. Выталкивающую силу, действующую на тело в жидкости или в газе, называют также архимедовой силой (в честь древнегреческого ученого Архимеда, который первым указал на ее существованпе и вьшиелвл ее значение) (рис. 23.3). ЩЩ Рассчитываем архимедову силу Вычислим значение архимедовой силы для кубика, погруженного в жидкость (см. рис. 23.2). Поскольку - F,, а F, = и F, = pgh^S, то получим: = pgh^S - pgh^S = p^S(A,^ - Л,). Разность глубин (^-/>])• на которых находятся нижняя и верхняя грани кубнкп, является высотой Л кубика. Поатому - pgSh . Учитывая, что произведение площади 5 основания кубика на его высоту h равно объему V кубика (Sh = V), получаем F^^ = pgV . Очевидно, что pV — это масса т жидкости в объеме кубика. Таким образом, F^^ - mg. То есть архимедова сила равна весу жидкости в объеме кубика. Полученный результат выполняется для тела любой формы, а также в случаях, когда тело погружено в жидкость частично (для расчетов нужно брать только объем погруженной в жидкость части тела). Кроме того, полученные выводы справедливы и для газов. А теперь сформулируем закон Архимеда: На тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и равная весу жидкости или газа в объеме погруженной части тела: где F^ — архимедова сила; р — плотность жидкости илп газа; — объем погруженной части тела. 114 i 23. Выталкммюиия сила. Заком Архимеда Архимрловй сила направлена вертикально вверх и приложена к центру погруженной части теля (ряс. 23.4). Подг»*р1кдаам закон Архимеда аксперим»м1алы«о Подтвердим справедливость наших теоретических соображений опытным путем. Воспользуемся специальным устройством — «ведерком Архимеда». Устройство состоит на пружины со стрелкой, ведерка, тела, отливного сосуда, стакана. Подвесим пружину, ведерко и тело к штативу (рис. 23.5, а) и отмстим положение стрелки пружины. Затем в отливной сосуд погрузим тело — оно вытеснит некоторый объем воды, который сольется в стакан (рис. 23.5, б). Вследствие действия архимедовой силы пружина сожмется и ее стрелка поднимется выше отметки. Начнем переливать воду, вытесненную телом, из стакана в ведерко — пружина будет постепенно распрямляться (рис. 23.5, в). Когда вся вода будет перелита (рис. 23.5, г), стрелка пружины вернется к своему начальному положению, указав точно на отметку! Таким образом, вес воды, вытесненной погруженным в воду телом, уравновесил архимедову силу, то есть Я, = . Итак, мы подтвер- дили справедливость закона Архимеда. Выясияем, что тела ■ тидиости вес мв теряют Возьмем камешек на нити и подвесим его к динамометру. Динамометр покажет вес камешка. Подставим стакан с водой так, чтобы камешек полностыо погрузился в воду. Показание динамометра уменьшится. Кажется, что камешек «утратил» часть своего веса. Однако никакой потери веса тела в жидкости не происходит: вес перераспределяется между подвесо.м (нитью) и опорой (жидкостью). Даже если архимедова сила, действующая на тело, достаточна, чтобы удержать это тело, и подвес не будет растянут, то тело все равно не находится в невесомости, ведь оно давит на опору — жидкость. Рис. 23.5. Опыт с «ведерком Архимеда» доказывает: выталкивающая сила равна весу вытесненной телом жидкости 115 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Однако следует отметить: когда тело плавает, его вес распре* деляется на воду, окружающую всю поверхность тела. Поэтому во время плавания нам кажется, что мы потеряли вес. Такие комфортные условия для тяжслого тела привели к тому, что вследствие эволюпии самые массивные существа на Земле жи* вут в океане (самое крупное животное — синий кит, его масса достигает 150 т, а длина — 35 м). Именно архимедова сила помогает нам поднимать в воде тя' желые предметы, ведь часть веса этих тел в воде уравновептивается не силой наших рук, а архимедовой силой. Правда, бывают случаи, когда вода не помогает поднять тело, а, наоборот, мешает. Это случается, когда тело, например довольно большой камень, плотно прилегает ко дну. Чтобы оторвать тело от два, нужно преодолеть силу тяжести, действующую на тело, а также силу ляв.-1ения воды на верхнюю поверхность тела. (Кстати, то же происходит, когда мы вынимаем пробку из наполненной водой ванны.) Следует отметить, что описанное явление может привести к трагедии: если подводная лодка опустится на глинистое дно и вытеснит из-под себя воду, всплыть сама она уже не сможет. VV Учимся решать задачи ** Залочо. Определите архимедову силу, действующую на сплошной алюминиевый брусок массой 540 г, если он полностью ногру-жен в воду и не касается дна и стенок сосуда? Дано: /п ■б40г! 0,54 кг р^.2700-!^ и ^=*10 — , кг - ? кг 1 Анализ физический проблемы На погруженный в воду алюминиевый брусок действует архимедова сила. Чтобы ее вычислить, нужно звать плотность воды и объем бруска. ^1тобы вычислить объем бруска, нужно знать плотность алюминия и воспользоваться определением плотности тела. Плотности воды и алюминия найдем в таблице. Поиск математической модели, решение Брусок полностью погружен в воду, повтому о(Уьем воды, вытесненной бруском, равен объему бруска У,. Архимедову силу вычислим по формуле П) Объем бруска найдем из определения плотвостн: (2) т т Подставим формулу (2) в формулу (1): т Р« Р- 116 i 23. Выталкм1имо1ца|1 оял». Замой Архиммда Опредслшс .1иачеии« искомой вели'шны: Ы- кг Н —Г'КГ--- кг * 1000 0,54 10 2700 2; F,^-2 Н. Ответ: иа aw*iioMHaHeBbifi брусок действует архимедова сила 2 Н. Подводим итоги На все теля, няходящиесл в мсидкости или газе, действует вм* талкивающая сила (архимедова сила). Причина ее появления в том, что гидростатические давления жидкости пли газа, действующие иа верхнюю и нижнюю поверхности тела, различны. Закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направлсппая вертикально вверх и равная весу жидкости или газа в объеме погруженной части тела: Контрольные вопросы ■■ - ------- 1. Куда направлена сила, действующая со стороны жидкости или газа на тела, погруженные в них? 2. Назовите причину возникновения выталкивающей силы. 3. Как еще называют выталкивающую силу? 4, Сформулируйте закон Архимеда. S. Теряет ли вес тело, погруженное в жидкость или газ? Почему? 6. В каких случаях на тело, погруженное в жидкость, не действует выталкива ющая сила’ Почему? Упражнение N* 23 — — - _ - . 1. Чтобы оторвать подводную лодку от глинистого дна, водолазы прокапывают под ней рвы. Почему они это делают. 2. Стальной шар объемом 400 см* погружен а керосин. Вычислите архимедову сипу, действующую на шар. 3. На шар, полностью погруженный в ртуть, действует архимедова сила 136 И. Вычислите объем шара. 4. Алюминиевый брусок массой 2.7 кг частично погружен в воду. При этом иа брусок действует архимедова сила 2.5 Н. Какая часть бруска погружена в воду? 5. Каким будет показание динамометра, если подвешенный к нему груз массой 1,6 КТ и объемом 1000 см' погрузить в воду? 6. Если подвешенный к динамометру брусок погружают в воду, то динамометр показывает 34 Н, если в керосин — динамометр показывает 38 Н. Вычислите массу и плотность бруска. 7*. Выполняются ли иа искусственном спутнике Земли закон Паскаля и закон Архимеда? 8*. На стальном тросе, жесткость которого 3 МН/м, равномерно поднимают со дна водоема затонувшую статую объемом 0,5 м* Найдите массу статуи, если удлинение троса равно 3 мм. Сопротивлением воды пренебречь. 117 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ 1^0Ш0РНАЯ РАБОТА № 9 Тема. Иэмеремие массы тела методом гидростатического вэвешивания. Цель: отнакомиться с одним и) методов определения массы тела; измерить массу тела методом гидростатического взвешивания. Оборудование: ученическая линейка, пружина или динамометр со шкалой, заклеенной бумагой, штатив с муфтой и лапкой, мерный цилиндр с водой, два тела, которые тонут в воде (например, брусок пластилина, брелок, пластиковый шарик). $ Теоретические сведения ---- Метод гидростатического вэвешивания удобен тем. что. имея только мензурку, линейку и пружину, можно достаточно точно определить массу тела. Если исследуемое тело тонет в воде, то для определения его массы методом гидростатического взвешивания тело сначала подвешивают в воздухе на пружине и измеряют удлинение пружины (рис 1). В этом случае на тело действуют две силы; сила тяжести и сила упругости пружины. При измерении в воздухе действием архимедовой силы можно пренебречь. Поскольку при этом тело находится в покое, то силы, действующие на него, уравновешены - F^). Как известно, F^ - Ibt, (где ж, — удлинение пружины], а F^ * тд. Таким образом, получим: тд (1). Затем исследуемое тело погружают в мерный цилиндр с водой (рис 2). В этом случае кроме силы тяжести и силы упругости пружины на тело действует архимедова сила. Поскольку при этом тело томе находится в покое, то силы, действующие на него, уравновешены Как известно, F^ - pjV, а f^ * кк, (где ж, — удлинение пружины). Таким образом, получим; кх, pgV =■ тд\ кх, = тд ~ pgV (2). Разделив уравнение (2) на уравнение (1) и выполнив необходимые преобразования, получим окончательную формулу для определения массы тела; (3). Рис 1 118 Лабораторная работа IP 9 УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготоокр н мслсрммрмту 1. Прежде чем приступить к выполнению работы, внимательно прочитайте теоретические сведения. Вспомните, при каких условиях выполняется закон Гука, какова причина возникновения силы Архимеда. 2. Соберите устройство, как показано на рисунке, представленном в начале работы. 3. Определите цену деления шкалы каждого измерительного прибора. 4. Определите объем К, воды в мерном цилиндре. Эксперимент Результаты измерений сразу же заносите в таблицу. 1. Обозначьте горизонтальной черточкой пекпожение указателя динамометра при нерастянутой пружине. 2. Подвесьте одно из тел к пружине динамометра, отметьте положение указателя. Линейкой измерьте удлинение пружины X,. 3. Под иодвешенное тело поместите мерный цилиндр с водой. Аккуратно передвигая муфту штатива, полностью погрузите исследуемое тело в воду. Измерьте удлинение пружины X, и уровень воды К, в мерном цилиндре. 4. Повторите опыт для другого тела. Обработка резупьтато* зкеперммента 1. Для каждого тела: 1) определите объем V {У = 2) воспользовавшись формулой (3), вычислите массу. 2. Результаты вычислений занесите в таблицу. Объем воды в тела V;.CM* тела V, см* Удлинение пружины Х| t М Xj f м Масса тела т, кг Амалм! рехуяьгатов аксперимемга Проанали.зируйте результаты. Сделайте вывод, в кото|юм укажите, какую физическую величину и каким образом вы сегодня измеряли, в чем преимущество освоенного вами метода. ^ Творческое вадаиис — ■ --- ^ Продумайте и запишите план проведения эксперимента по определению массы тела, которое не тонет а воде. Проведите эксперимент 119 PaiAM 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ § 24. УСЛОВИЯ ПЛАВАНИЯ ТЕЛ ж| При при(оюш1еиии рдствора соли определенной плотности xoiMHKM погружают а раствор сырое яйцо: если плотность раствора достаточна, то яйцо всплывает, если мала — то тонет. Аналогично определяют плотность сахарного сиропа при консервировании. Об условиях, при которых тело будет плавать а жидкости или raie, вы узнаете в атом параграфе. va Выясняем условия плам и ия тел Можно привести сколько угодно примеров плавании тел. Пла* вают корабли и лодки, деревянные игрушки и воздушпые шарики, а также рыбы, дел1>фипы, другие существа. А от чего зависит способность тела плавать? Многочисленные опыты доказывают: 1) тело всплывает на поверхность жидкости или гала, если имеет плотность меньшую, чем плотность жидкости или гала 2) тело плавает в толще жидкости или гала. если его плотность равна плотности жидкости или гала (р, 3) тело тонет в жидкости или газе, если имеет плотность большую, чем плотность жидкости или гала тш Обосновываем условия плавания тел Подыеси.м тело па нить (рис. 24.1, а). Если тело находится в равновесии, то сила тяжести, действующая на него, уравновешивается силой натяжения нити. По мере опуткавия тела в жидкость архимедова сила, действующая на тело, будет возрастать, а сила натяжения нити — умепьтаться. Далее в зависимости от плотности тела возможны следующие три варианта. Те.ю останется на поверхности жидкости, погрузившись в нее частично: нить перестанет быть натянутой (рис. 24.1, б). В этом случае архимедова сила уравновешивает силу тяжести: = Ргшш • Рассчитаем эти силы: =Р»К«,^ J К,т = Р,Р« • Из равенства этих сил, а также учитывая то, «гго объе.м погруженной части тела меньше, чем объем всего тела (Рав,, <Р,). получаем Рте. 24.1, СйЛд тяжести, действутоиатя на тело, уравнонешена силой натяжения нити faJ: архимедовой силой ГДвЛ силой натяжения н»тти м архимедовой силой W 120 § 24. Услоамя пламимя тел р, < . Бели нить iU!|>«|>e.'iHTb. тело останется плавать на аоверхыостн жидкости. Тело погрузится в жидкость полностью: нить перестинет быть натянутой (рис. 24.1. я). В Э10М случае архимедова сила тоже уравновешивает силу тяжести: = F^ . Попятно, что в формуле для расчета архимедовой силы теперь следует использовать объем всего тела {>авенгтва архимедо- вой силы и силы тяжести получаем р. = р, • Если нить перере.-шть, тело останется плавать в толще жидкости. Тело погружается в жидкость полностью; нить остается натянутой (рпс. 24.1, г). В этом случае сила тяжести уравновешивается двумя си.1ами — си.юй натяжения нити и архимедовой силой: F^ = F^ > F^ . Поэто.му сила тяжести болыпе, чем архимедова сила: F^ > F^. Из формул для расчета силы тяжести и архимедовой силы, дсйствуюи^ей на полностью погруженное в жидкость тело =р*1^,^)« получаем р, >р,и* Если нить перерезать, то тело станет тонуть и в конце кон1ЩВ опустится на дно сосуда. Рис. 24.2. Моллюск наутилус плавает благодаря способности изменять объем внутренних пустот в своем организме I Наблюдаем ллаванме тел • живо«Ъ природа Тела обитателей морей и рек содержат много воды, поэтому их плотность близка к плотности воды. Водные жители с помощью различных «приемов» могут управлять средней плотностью своего тела, а значит, регулировать глубину погружения в воду. Приведем примеры. Рыбы с плавательным пузырем могут изменять объем пузыря (чем .меньше объем пузыря, тем больше плотность тела рыбы и тем глубже она погружается). Моллюск наутилус (рис. 24.2), живущий в тропических морях, может быстро всплывать и снова опускаться на дно благодаря изменению объема вн^п*-Г>еннпх пустот в своем организме (моллюск живет в закрученной спиралью раковине). Распространенный в Европе водяной паук (рис. 24.3) имеет на брюшке воздушную оболочку — именно она обеспечивает ему запас плавучести и помогает подняться из Шубины на новерхность. Рис. 24.3. Воздушная обопочка на брюшке позволяет водяному пауку подниматься с глубины на поверхность 121 Раздел 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Учимкя РЕШАТЬ ЗАДАЧИ Зодочо. Будет ли плавать в воде медный шар массой 445 г, внутри которого есть полость объемом 450 см*? Дано: = 445 г V , «450 см» Р_=8.9^ р_=1-Ч- см — ? Лмалиц физической проблемы Чтобы определить, будет ли плавать шар в воде, нужно найти плотность шара и сравнить ее с плотностью воды. Для вычисления плотности шара нужно звать его объем, а он в данном случае складывается из объема медной оболочки и объема по* лости. Задачу целесообразно решать в единицах, указанных в условии. Поиск математической модели, решение т Вычислим плотность шара: р ■= ■ . (1) Объем шара V ^ * У_^ + V. Определим объем мелвоА оболсисн: V, т. Тогда V" т_ Р-. *V_ Р— (2) Подставив формулу (2) в формулу (1), получим; т_ #и_ Р_ Определим значение искомой величины: J р 4СМ г ем г , см -тем см » • = --.ili»0,89; Р«^=0,89—. 8.9 Ответ: плотность шара меньше плотности воды, поэтому шар в воде будет плавать. ■■ Подводим итоги Тело всплывает в жидкости или газе, если его плотность меньше плотности жидкости или газа (если Р, < p*,re*i )• Те.'ю плавает в толще жидкости или газа, если его плотность равна плотности жидкости или газа (если Р, =р,(,^). Тело тонет в жидкости или газе, если его плотность больше плотности жидкости или газа (если р, >р*,^,). м Контрольные вопросы - 1. Сформулируйте условие, при котором тело, находящееся в жидкости или газе, всплывает. 3. При каком условии тело будет тонуть в жидкости или газе? 1. При каком условии тело будет плавать в толще жидкости или газа? 122 $ 25. Судоходство м волдухоплвванмс Упражисиив N* 24 -h.j___---------- - — - ■ — 1. Будет ли свимцовый брусок плавать в ртути? в воде? 2 В сосуд налили ртуть, воду и керосин (см. рисунок]. Жидкости не смешиваются. В сосуд опускают три шарика: стальной, пенопластовый и дубовый Как располагаются слои жидкостей в сосуде? Определите по рисунку, где какой шарик Ответ поясните 3. Будет ли брусок массой 120 г и объемом 150 см^ плавать в воде? 4 Тело, полностью погрутившись, плавает в керосине. Какова масса тела, если его объем 250 см*? Эисперимвигвлвмыа ааданил : 1. Деревянную линейку сначала погрузите в высокий стакан с чистой водой, а потом — в высокий стакан с раствором соли. По глубине погружения линейки определите плотность раствора соли. 2 Определите плотность сырого яйца при условии, что у вас есть стакан с известным объемом воды, пищевая соль и чайная ложка, вмещающая 7 г соли. 1. Изготовьте «картезианского водолаза» (эту «игрушку» придумал Рене Декарт); в пластиковую бутылку налейте воду и поместите в нее отверстием вниз небольшую мензурку (или маленький пузырек из-под лекарства), частично заполненную водой (см. рисунок). Воды в мензурке должно быть столько, чтобы мензурка едва касалась поверхности воды в бутылке. Закройте бутылку пробкой и нажмите на боковые стенки бутылки. Проследите за поведением мензурки Обтатсните его. Л § 25. СУДОХОДСТВО И ВОЗДУХОПЛАВАНИЕ Плотность стали больше плотности воды, поэтому стальной брусок в воде тонет. Почему же тогда плавают стальные суда? И как огромные воздушные шары вАзесте с пассажирами в гондолах оказываются легче воздуха и поднимаются вверх? Получить ответы на эти вопросы вам поможет знание основ судоходства и воздухоплавания. |П| Выясняем, почему пяямют суда На первый взгляд, сталь непригодна для изготовления пла-вучего средства: плотность стали намного больше плотности воды, поэтому стольная пластипка в воде тонет. Но если из этой же пластинки сделать кораблик н опустить его на поверхность воды, кораб.1ик будет плавать (рис. 25.1). Почему? Дело в том, что погруженная в воду часть кораблика вытесняет достаточно жидкости, чтобы архимедова сила уравновесила силу тяжести, действунзщую 123 Равдсл 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Рис. 25.1. Стальная пластинка тонет, а и)готовленный из нее кораблик плавает -е- ^ па кораблик. Другими словами, средняя плотность кораблика за счет воздуха внутри него становится намного меньше плотности воды. Поэтому кораблик плавает на поверхности воды, лишь немного в нее погружаясь. Этот принцип лежит в основе конструкции всех плавучих судов. Их средняя плотность намного меньше плотности воды, и поэтому они плавают на ее поверх ности, погружаясь на относительно небольшую часть своего объема. шщ Выясмяам характеристики плавания судов Когда новое судно спускают на воду, оно начинает погружаться. Нижняя часть судна начинает вытеснять воду, вследствие чего возникает архи.мсдова сила. Когда архимедова сила уравновешивает силу тяжести, действующую на судно, оно прекращает погружение. Глубина, на которую погружается судно, 11а.'1Ывлетел осадкой. Осадка судна меняется в зависимо(‘ти от его загрузки и от того, в речной или морской воде оно находится. Разумеется, судно нельзя перегружать. Наибольшая осадка, при которой судно может безопасно плавать, указана на его корпусе специальной линией — ватерлинией (рис. 25.2). Когда судно полностью загружено, то оно «сидит» в воде вровень с ватерлинией. Значение архи.медовой силы при такой осадке называется полным водоиэмещением суд на. Самые большие суда — нефтеналивные танкеры — имеют водоизмещение до 5 млн кН, то есть их масса вместе с грузом достигает 500 000 т. Если из полного водоизмещения исключить вес самого судна, то получим максимальный пес груаа, который может принять на борт это судно, то есть вычислим грузоподъемность судна. Украина имеет свыше полутора тысяч километров морского побережья. В стране есть как морской, так и речной флот, десятки портов, и.меющих большое экономическое значение: Одесса, Керчь, Бердянск, Николаев и др.; работают десятки судостроительных и судоремонтных заводов (в Николаеве, Киеве, Херсопс, Одессе и др.). Рис. 25.2. Обычно корпус судна раскрашен так, 410 выше ватерлинии он черный или белый, а ниже — соответстеенно красный или черный 124 $ 25. Судоходстм и воздухопламмие Уунаем, почему петают аохдушиые шары Люди уже давно используют для полетов воздушные шары, заполненные {юрячим воздухом или легким газом. В воздухе на воздушный шар действует выталкиваю1цая сила. Поскольку средняя плотность воздушного шара меньше плотно ста воздуха, выталкивающая сила больше силы тяжести, действующей на шар. и шар поднимается вверх. Разность между ныталки воющей силой и силой тяжести составляет подъемную силу воздушного шара. Сейчас воздушные шары используют для Mtnt4>poaiurH4ecKUx и других исч.'ледоваиий, проведения соревнований, туристических и познавательных путешествий. Воздушные шары, наполненные .1сгким газом (как правило, гелием), называют аэростатами. В последнее время получили распространение воздушные шары, наполненные горячим воздухом.— современные монгольфьеры (рис. 25.3). Высокую температуру воздуха внут ри шара поддерживают га.зовые горелки, установленные в горловине воздушного шара. Поскольку с высотой плотность воздуха уменьшается, воздушные шары не могут подняться па люб>по высоту. Максимальная высота для них та, на которой плотность воздуха равна средней плотности шара. Рис. 25Л. Во1Душиые шары, поднимаюшиеся благодаря мполнению оболочки горячим 1Ю1ДУ хом, и сейчас чааывают монгол|.фьерами Учимся решать мдачи Эодочо 1, В речном порту судно приняло на борт 1000 т груза. из-за чего осадка судна увеличилась на 0.2 м. Какова площадь сечення судна на уровне ватерлиннн? Дано: т = 1000 т = 10* кг Л =0.2 м Р- 1000-!!^ S — 7 Анализ физической проблемы Когда на судно поместили груз, оно увеличило осадку и дополнительво вытеснило определенный объем воды. Поиск математичегкой модели, решение По .закону Архимеда Р - Р,^ . Посколь- ку в данном слу'1ае P = mg. то Р ,в . То есть т^^ = т, 125 PasAM 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ m Из формулы ипределеняя шютности полу- чим формулу для определения объема допалнятельяо вытесысыыой воды: Я1_ (1) Площадь сечения S можно вычислить через формулу объема слоя воды: (2) Подставим формулу (2) в формулу (1): р^А Олредслпм эиачевис искомой величины: [Sh кг {S)=. кг 10* кг м ------»м • кг = 50; S = 50m*. 1000 0,2 Отпет: площадь сечения судна яа уровне ватерлинии равна 50 н* • 10Д0Ч0 2. Воэдушный шар прекратил свой подъем на высоте 3 км. Какова плотность воздуха на этой высоте, если объем шара 600 м*, а общая масса оболочки шара, газа внутри и говдо.1Ы равна 540 кг? Дано: V„^“600 м* т___=540 кг Ahoauj фиаической проблемы Если воздушный шар прекратил свой подъем, то это значит, что плотность шара сравнялась с плотностью окружающе1х> воздуха. Поиск математической ма&ели. решение Р-.-=Р. , ' 'Р, я». Проверим единицу: = Определим значение искомой величины: {<>-}“■ •^=■0.9: р„=0.9 воо м Ответ: плотность воздуха на высоте 3 км составляет 0.9 —» м* 126 i 25. Судоходство и вохдухоплаввиив КОИГ|М>ЛЬМВ1В вопросы ■ ■ —7 II II ^1 . ■ - ■= 1. Что вы тнаетв о средмой плотности судна? 2. Что натывают осадкой судна и какой линит ое обоэнанают на корпусе судна? Э. Что такое полное водо-импещение судна? груаоподъемность? 4. Как меняется осадка судна в случае итменения массы грута и плотности воды, в которой накодится судно (например, после перехода из моря в реку)? 5. Что такое подъемная сила воздушного шара? 6. Чем ограничена максимальная высота подъема воздушного шара? Упражмеии* М» 2S_________—__________________ --=——- -i."= 1. Изменится ли выталкивающая сила, действующая на судно, если оно перейдет из реки в море? Изменится ли осадка судна? 2. Какой максимальный груз можно перевезти на плоту, если масса плога 100 кг, а его объем составляет 1 м*? 31. Воздушный шарик массой 100 г привязан к нити. Вычислите архимедову силу, действующую на шарик, если сила натяжения нити 1 Н 4 Погруженное в пресную воду судно вытесняет воду объемом 15 000 мЧ Чему равен вес груза, если вес пустого судна составляет 5000000 И? 5. Судно в реке вытесняет воду объемом 20 000 мК На сколько изменится объем воды, вытесняемый судном, когда оно перейдет из реки в море? 6. Объем оболочки воздушною шара 400 м>. Шар натягивает трос, которым он прикреплен к причальной мачте, с силой 800 Н После освобождения от трека шар поднимается до некоторой высоты. Какова плотность воздуха на этой высоте? Г* Плотность воздуха у поверхности Земли равна 1.2 кг/м*. Какой должна быть плотность теплого воздуха внутри воздушного шара, чтобы шар поднялся? Объем шара 500 м\ масса оболочки и груза — 150 кг. ^ Энсл«римеит4ль»1Ре задание Изготовьте из пластиковой бутылки кораблик и запустите его в плавание в ванне. С помощью соли и чайной ложки определите грузоподъемность вашего ко* раблика. ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ Николаевское государственное предприятие «Судостроительный завод имени 61 коммунара* — одно из мощнейших судостроительных объединений Украины. На предприятии можно строить и ремонтировать военные и гражданские суда. Поражают размеры предприятия его производственные мощности расположены в более чем 450 промышленных зданиях. Строительство корпусов судов выполняется на трех стапельных местах, конструкция и оборудование которых позволяют вместе со строительством корпуса выполнять монтаж механизмов. Стапельные места дают возможность строить корпуса судов массой до 20 000 тонн (0. Сейчас завод выпускает рефрижераторные суда, военные корветы, скоростные патрульные катера и др. 127 PaiAM 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ ПОДВОДИМ итоги РАЗДЕЛА 2 «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ» 1. Изучая данный раздел, вы узнали причины изменения скорости движения тел и причины изменения формы и объема тел. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ, ВОЗНИКНОВЕНИЕ СИЛ 2. Вы познакомились с различными силами. СИЛЫ 128 Подводим итоги раэдола 2 3. Вы выяснили, что тело находится в состоянии равновесия, если: ■ равнодействующая всех сил, действующих на тело, равна нулю: Я = 0; ■ сумма моментов сил, действующих на тело, равна нулю: Л/| + Afj ч-...-f Л/, = О, 4. Вы научились использовать простые механизмы — рычаг и блок. 5. Вы вспомнили, что результат действия одного тела на другое зависит не только от силы, но и от площади соприкасающихся поверхностей. 6. Вы узнали о давлении жидкостей и газов, познакомились с законами Паскаля и Архимеда, доказали суи^е1*твование атмосферного давления. ДАВЛЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ 129 Раздвя 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ К РАЗДЕЛУ 2 «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ» Часть 1. Вмимод«мст»и« т«л. Силы. Виды сил. Рычаг. Блок Задания I—9 содержат только один правильный ответ, 1. (I балл) Что происходит с телом, если на него не действуют другие тела? о) тело движется с увеличивающейся скоростью; б) тело движется с уменьшающейся скоростью: ■) тело может находиться только в состоянии покоя: г) тело или движется прямолинейно равномерно, или находится в состоянии покоя. 2. (1 балл) Деформация тела является причиной возникновепия силы: о) тяжести; ■) трения скольжения; ®) Упру|'ости; г) трения покоя. 3. (I балл) Взаимодействие Земли и летящего самолета характери-.туется силой: а) упругости; •) трения покоя; б) трения скольжения: г) тяжести. 4. (1 балл) Вес тела — это: о)сила притяжения тела к Земле; б) сила упругости, ватникающая при деформации тела; в) сила, с которой тело действует на опору или подвес: г) сила трения, возникающая при скольжении одного тела по поверхности другого. 5. (1 балл ) Неподвижный блок: о) дает выигрыш в силе в 2 раза: а) дает выигрыш в силе в 4 раза; б) не дает выигрыша в силе; г) дает выигрыш в расстоянии. 6. (2 балла) С какой силой Земля притягивает учащегося массой 40 кг? •)4Н: б)8Н: ■)40Н; г>400Н. 7. (2 балла) Чтобы растянуть недеформировяннучо пружину на 5с.м, нужно приложить силу 15 Н. На сколько растянется ата пружина, если к ней приложить силу 3 Н? в) На1см; ■)9см; 6) 3 см; г) 10 см. 8. (2 балла) Сплошной чугунный шарик подвешен к дина.момртру (рис. 1). Каков объем шарика? •) 350 см*; •) 50 см*; б) 70 см*; г) 35 см*. Рис i 130 Задвимя АЛЯ самопроверки к рааделу 2 9. {2 балла) Стальная балка массой 800кг лежит, опираясь па две опоры. С какой силой балка давит на вторую опору, если на первую она давит г силой 2800 Н? ■)2000Н; а) 2800 Н; О1200Н; 0 520011. 10. (3 балла) С помощью динамометра брусок равномерно тянут по столу в горизонтальном направлении. На рис. 2 изображены действующие на пего силы. Назовите эти силы. Сравните их. 11. (3 балла) На полу лежит кирпич массой 8 кг. На пего кладут еще один такой же массы (рис. 3). Сделайте схематический рисунок в тетради и изобразите силы, действующие на нижний кирпич. Масштаб: 1 см — 40 Н. 12. (3 балла) Ведро объемом 12 л наполнили водой на одну треть. На сколько измспп.лась сила, с которой ведро давит на пол? 13. (3 балла) Длина нерастяпутой пружины равна 10 см. Ч‘1ч>6ы увеличить ее длину до 16 см, нужно приложить силу 3 Н. Какова жесткость пружины? 14. (3 балла) Какова масса саней, если для равномерного движения по горизонтальной дороге к ним надо прикладывать горизонтальпую силу 500 Н? Коэффициент трения между санями и дорогой равен 0.2. 15. (4 балла) Об1цая масса двух грузов на рис. 4 равна 25 кг. Какова масса каждого груза, если рычаг находится в равновесии? 16. (4 балла) Какую силу надо приложить к свободному копцу шпура (рис. 5), чтобы равномерно поднимать груз .массой 12 кг? На какую высоту подни.мется груз, если точка А переместится на 20 см? Рис. 2 Рис. 3 Рис 4 Смерьте наши ответы с приведенными н конце учебника. От .метьте ладания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов. Потом эту сумму разделите на три. Полученное число будет соответствовать уровню ваших учебных достижений. 131 Ра*А«л 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ТЕЛ Часть 2. Даалемиа. Атмосф*рмо« давламиа. Закон Архимеда. Условия плавания тал 1. 2. 3. 5. 7. 8. rSi Задания 1-11 содержат только один правильный ответ. (I балл) По какой формуле можно вычислить давление жидкости ыа дно сосуда? а) P = gm; 6)F=pS; •)р = -^; %) р = ^рЛ. (i балл) Давление воды в сосуде: о)одинаково во всех точках; б) возрастает с увеличением глубины; а) уменьшается с увеличением глубины; г) является ра-тным в точках, находящихся на одном уровне. (/ балл) С помощью ручного насоса мальчик накачал шины велосипеда. Давление воздуха в шинах возросло вследствие: а)увеличения объема шин; Б)увеличения массы воздуха в шинах; в) уменьшения плотности воздуха в шинах; г) уменьшения скорости молекул воздуха внутри шик. (i балл) Давление тела на опору тем больше, чем: а) больше вес тела и бо.тьше площадь опоры; б) больше вес тела и меньше площадь опоры: ■) меньше вес тела н меньше площадь опоры; г) меньше вес тела и больше площадь опоры. (/ балл) Замена колес на гусеницы позволяет значительно повысить проходимость трактора. Это происходит вследствие: о) увеличен и я мощности двигателя трактора; 6) увеличения массы трактора; ■) уменьшения давления трактора на почву; о увеличения максимальной скорости трактора. (I балл) Для измерения атмосферного давления используют: о) барометр-анероид; •) динамо.метр; б) жидкостный манометр; г) тер.мометр. {1 балл) При каком условии тело плавает на поверхности жидкости? о) Если плотность тела меньше плотности жидкости; 6) плотность тела больше пл«>тности жидкости; •) плотность тела равна плотности жидкости; г) архимедова сила меньше силы тяжести. (2 балла) Какова высота слоя керосина в бидоне, если его давление на дно бидона равно 80011а? о) 1 мм; 6) 1 см; ■) 1 дм; г) 1 м. Задания для сямопротермм к раадвлу 2 [ ± 9. (2 балла) На горизонтальной поверхности стола расположены три кубика одинакового размера — медный, алюминиевый и чугун* ный. Какой кубик создает на стол наибольшее давление? о) медный; а) чугунный; б) алюминиевый; г) давление всех кубиков одинаково. 10. (2 балла) Выразите в миллиметрах ртутного столба давление 136 кПа. о) 750 мм рт. ст.: в) 900 мм рт. ст.; 6) 760 мм рт. ст.; г) 1000 мм рт. ст. 11. (3 балла) В жидкостный манометр налита ртуть (рис. 1). Правое колено манометра соединено г газовым баллоном, а левое открыто в атмосферу. Каково давление в баллоне, если атмосферное давление равно 750 мм рт. ст.? о) 690 мм рт. ст.; ч) 780 мм рт. ст.; б) 720 мм рт. ст.; г) 810 мм рт. ст. 12. (3 балла) На какой глубине давлеиие в озере равно 250 кПа? 13. (3 балла) На рис. 2 изображена гидравлическая машина. На малом поршне расположен груз массой 10 кг, на большом— массой 160 кг. Диаметр малого поршня гидравлической машины 4 см. Каков диаметр большого поршня, Рис. 2 если поршни находятся в равновесии и их массами можно пренебречь? 14. {4 балла) На рис. 3 изображены сообщающиеся сосуды. Сначала в эти сосуды была налита вода. Пото.м поверх воды в левый сосуд налили слой керосина высотой 20 мм. Найдите разность уровней жидкости в сообщающихся Рис. 3 сосудах. Керосин и вода не смешиваются. 15. {4 балла) Сплошной однородный брусок плотностью 0,7 г/см* плавает в воде, причем его часть объемом 60 см* находится над водой. Каков объем бруска? 16. (4 балла) Ек;ли шарик, подвешенный на нити, полностью погрузить в вод>', то сила натяжения нити будет равна 3II. Если же этот шарик погрузить в керосин, то сила натяжения нити будет равны 3.2 Н. Какова илотность материала, из которого изготовлен шарик? Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметь те задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму баллов. Потом эту сумму ра.чделите на три. Полученное числи будет соответствовать уровню ваших учебных достижений. Рис. 1 0 и 133 Зачем ныряльщику воздушный шар KoriM-TO В01Д/ШНЫЙ шар был сконструирован для попетое человека «за облака*. Сегодня благодаря развитию гекники воздушные шары и дирижабли используют преиму тественио для развлечений. Реализация же самой идеи в другой области техники позволила создать ботислофы — аппараты для глубоководных исследований. Самым известным из них стал «Гриест*, который в январе 1960 г. достиг самой глубокой точки в Мировом океане — Марианской впадины. Попробуем представить ход мыслей конструкторов батискафа Если поместить воздушный шар на поверхность чюря и нагрузить его балластом так. чтобы вся конструкция оказалась тяжелее яоды, то, естественно, шар начнет погружаться в воду и спустя некоторое время достигнет дна. Если после этого сбросить балласт, то шар всплывет на поверхность. Однако это обтцая идея, а как ее реализовать на практике? Инженерные решения, использованные в сТриесте», понятны по приведенным фота Батискаф ^Триест: Основной элемент конструкции батискафа — «воздушный шар* ОК Однако воздухом наполнять такой шар не следует, поскольку давление на большой глубине его просто раздавит. Конструкторы предложили наполнить шар бензином: во-первых, бензин легче воды и не хуже воздуха обеспечит всплытие аппарата, во-вторых, стеики шара в таком случае можно сделать достаточно тонкими, а значит, легкими, поскольку от деформации их будет защищать несжимаемость жидкости внутри. Гондола с толстыми стенками (толщиной 127 мм) ff/ — чадемное убежище для экипажа из двух человек. Балласт (железная дробь) засыпан в похожие на перевернутые бидоны емкости с крышками f3f, закрывающимися электромагнитными замками (41 В случае аварии такое техническое решение обеспечивает надежную защиту исследователя и пилота. Питание батискафа осуществляется от аккумуляторов, имеющих ограниченный ресурс. Это значил, что спустя некоторое время после аварии (например, батискаф застрял на дне) аккумуляторы разрядятся и прекратят подавать ток к электромагнитным замкам. 6 результате крышки откроются, балласт упадет на дно, а батискаф всплывет на поверхность. К счастью, эта мера безопасности так и не пригодилась. С момента рекордного погружения «Триеста» прошло почти полстолетия За это время человечество осуществило настоящий прорыв во многих областях техники, но конструкция «Триеста* осталась непревзойденной I i Эици«лоо«дичсосая стрлмица Полеты на поезде, или Что такое маглев Если человеку не хватает сил передвинуть тяжелый шкаф, то он может принять стандартное решение — увепимитъ силу, то есть позвать на помощь сскеда. А может вспомнить, что шкаф ттлохо передвигается из-за большой силы трения, и, позвав добросовестного учащегося В класса, вместе с ним придутиать, как уменьшить згу силу. 8 результате они. например, могут подложить под углы (опоры) шкафа пластиковые крышки, которыми обычно закрывают банки для консервирования. Сила трения уменьшится, и теперь, чтобы передвинуть шкаф, будет достаточно усилий одного человека. А как решают подобные задачи в случае создания сложных технических устройств? Маглев-notid я Шашае (Китай) Чтобы уменьшить силу трения, инженеры обычно используют различные смазочные масла — вещества, обеспечивающие более легкое скольжение соприкасающихся поверхностей. А еще силу трения скольжения можно уменьшить, использовав соответствующие соприкасающиеся материалы — вспомните пример со шкафом. Однако как ни облегчай смзльжение. поверхности будут соприкасаться и трение останется. Вот если бы тот же шкаф мог летать... Тогда и первоклассник смог бы его передвинуты И было придумано вот что. Инженеры, которые изобрели магпев (сокращенное от англ, magnetic levitation - «магнитная левитамия»), наверное, добросовестно изучали физику. Попробуем в этом убедиться. Вспомним- если взять два магнита и сблизить их одноименные полюса, магниты будут отталкиваться. А теперь проведем мысленный зтссперимент. Что будет, если мощный магнит разместить, например, на подставке, а сверху к нему одноименным полюсом поднести небольшой магнит? Если второй магнит будет достаточно легким — таким, чтобы сила магнитного отталкивания уравновесила силу притяжения Земли,— то он должен летать в воздухе*. Устройства, использующие описанный выше эффект, получили общее название «маглев». Наиболее впечатляющими, пожалуй, являются маглев-поезда. Во время движения такие поезда не касаются рельсов — они удерживаются над ними мощными магнитами. Таким образом, трение по опоре отсутствует, а препятствует движению маглев-поездов только сопротивление воздуха (как у самолетов!). Именно поэтому скорость движения маглев-поезда можно сравнить со скоростью движения самолета (до 500 км/ч). РАЗДЕЛ 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ § 26. МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА. ЕДИНИЦЫ РАБОТЫ 71 На первый взгляд, привести примеры ситуаций, когда выполняется работа, очень просто. Работу выполняют станки и маши1чы, механизмы и устройстпа, с1роите/||>, укладывая кирпичи, программист, сидя за компьютером, Л выполняет ли работу учащийся, который неподвижно держит в руках тяжелый портфель? peuiaev задачу? И вообще, что имеют в виду физики, говоря о работе? I Опроделпем физическим смысл работы ' В ЛО1100ДН0Ш1ОЙ жизни словом «работа» мы называем полсаиое дойстино ч’ть пройдет баржа под действием силы тяги, тем большая .механическая работа будет выполнена этой си.юй. Механическая работа увеличится н в случае возрастания силы тяги: это произойдет, если, например, на баржу положить дополнительный груз или заставить буксир с баржей двигаться с большей скоростью. В общем случае механическая работа, выполняемая определенной силой, зависит от значения силы и пути, пройденного телом под действием этой силы. Рис. 26.1. буксир действует на баржу и перемещает ее Груз также действует на баржу, но под его действием баржа не перемещается 136 § 26. Механическая работа. Единицы работы Меканическая работа — это физическая величина, равная произведению силы на путь, пройденный телом под действием этой силы. Мта работа? в Мальчик ведет велосипед, прикладывая горизонтальную силу 40 К При этом велосипед даиикется равномерно Найдите скорость движения велосипеда, если за 3 мин мальчик выполнил работу 12 кДм. 9 Поршень в цилиндре равномерно передвинулся на 4 см под действием силы давления газа (см. рисуно«и Вычислите работу, цыгюлисмную силой давления. Доилеиис* газа и цилиндре по-С1ОЖ1Н0 и равно 0,6 МПа; плои4лд|| nopiiiMn составляет 0.005 10. Какую работу надо выполнить, чтобы подмять со диа на поверхность озера камень массой 15 кг? Глубина озера 2 м. средняя плотность камня — 3000 кг/м*. Сопротивлением воды можно пренебречь. ^ Экспериментальное задание Вычислите, какую работу вы выполняете, переставляя с пола на стул ведро, наполненное водой. Какую работу при зтом выполняет сила тяжести, дейстпу' ющая на ведро? ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ Сергей Павлович Королев (1907-1966) — всемирно известный ученый и конструктор, создатель стратегического космического оружия средней и межконтинентальной дальности в Советском Союзе, основатель практической космонавтики С помощью ракет, созданных под руководством С П. Королева, в 1937 г. был запущен первый искусственный спутник Земли; удалось сфотографировать обратную сторону Луны, в 1961 г. первый кооуюиавт нашей планеты Юрий Алексеевич Гагарин совершил попет в космос На созданных Королевым космических кораблях «Вое ток> состоялся первый полет женщины а космос впервые был совершем ввиод человека в открытый космос Многие идеи ученого были реализованы уже после его оаертж Так. технические решения. воплоще«ные в космическом корабле «Союз*, заложили основы для создания орбитальных станций. .Зй научные заслуги С. П. Королев был избран действительным членом Академии наук СССР| ему дважды было присвоено звание Героя Социалистического Труда. В честь С. П. К^олева названы улицы во многих городах бывшего Советского Союза, в частности в Киеве, Москве. Имя выдающегося ученого было присвоено двум научно-исследовательским судам, высокогорному пику на Памире, перевалу на Ihhb-Шанс. С Украиной С. П. Королев был тесно cuninii в молодые годы. Он родился в Жито* миро, учился в Киевском политехническом институте, свои первые разработки летательных аппаратов-планеров испытывал о Крыму, недалеко от Коктебеля. 139 Раздел 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ § 27. МОЩНОСТЬ ?! Возможно, основной толчок и развитии человеческой цивилизации произошел в то время, когда человек научился делать простые орудия труда и оружие, строить примитивное жиз1ье, пахать землю. Сначала он использовал для выполнения работы только свою мышечную силу, затем — силу домашних животных: лошадей, быков, ослов, 1шр6людов, и зто позволило ту же работу ныпол1ВП1> зл меньшее времл. Однако иастонщий п^юрыв в развитии человечества нрои.чошел благодари использоаа»—ю иашмм и иекаиизмов. автомобилей, судов, поездов, кранов, эмосзваторов и т. п. Современные машины могут выполнять работу в тысячи раз быстрее человека. Какая те характеристика машин являекя показателем их эффективности? Знакомимся с мощностью Машинам и людям для выполнения одной и той же работы требуется разное время. Так. если .экскаватор и землекоп одновременно начнут копать траншеи (рис. 27.1), то понятно, что экскаватор выполнит работу’’ значительно быстрее, чем землекоп. Томно так же кран быстрее перенесет нужное количество кирпичей, чем грузчик (рис. 27-2). В с)>нзнке скорость вьшо.тнения работы характеризуют мощностью. Мощность — это физическая величина, характеризующая скорость выполнения работы и численно равная отношению выполненной работы ко времени, за которое эта работа была выполнена. Мощность обозначается си.мволом N и определяется по «1)ормуле I где Л — работа; t — время, за которое эта работа была выиолпеип. Рис. 27.1. Экскаватор выполнит ту же работу гораздо быстрее, чем землекоп Рис. 27.2. Строительный кран перелогит за один раз гораздо большее количество кирпичей, чем грузчик 140 § 27. Мощность Единица мощности в СИ — ватт (Вт)*. Она получила снос 11аз1шние в честь английского ученого Дм. Уитта (рис. 27.3). 1 ватт — .это лю}цность, при которой в течение 1 с выполняется работа 1 Дж, то есть 1 Ит = * *^****- , I с Из опрсделеиия мощности следует, что мощность численно равна работе, выполненной за одну секунду. Значит, при выполнении механической работы б(М11>111ую мощность развивает то тело, icoTopoe за то же время выполняет б(5л1>шую работу. В таблице приведена мощность дви1ителей некоторых технических средств: Рис. 27.3. Джеймс Уатт (1736-1819), английский изобретатель-механик, создатель уминорсальной паровой машинь! 1 1 Мощность 'J'exmoiocKoti е)юдотио • 4 г кВт И (т лошадиные СИДЫ, л. с. Длигатоли CD-KW, CD-ROM 0,01-0,02 — Стиральные мдшииы 0Д5-0.90 — Пылесосы 1,3-2,0 — Моторохяеры (скутеры) 3,0-7.5 4.1-10.0 Мотоциклы 11-74 15-100 Легковые автомобили 37-150 50-200 Тракторы * 45-260 62-350 ГруЭОКЫГ RBTOMoAll.Tn 33-515 50-700 , Йертчмгты 425-7350 575-10 000 Самоитет АН-140 (1 двигатель) 1850 2500 Самолет АН-225 «Мрпя» (1 двигатель) 52 000 70 000 Ракета-иосмтель «Протоми «4,4 10* -5.9-10’ Ракета-носитель «Энергия» »1,23-10‘ -1.7 10* Учимся решать выдачи ЭоАона 1. Человек равномерно поднимает ведро с водой на высоту 20 м за 20 с. Какую мощность он развивает, если масса ведра с водой 10 кг? Внесистемная единица мощности, используемая в технике,— лошадиная сила'. 1 л. с. » 735,5 Вт. 141 Раздел 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ Дано: /| = 20 м / = 20с m = 10 кг Й~П) — кг /V — ? Анализ физической проблемы Чтобы вычислить мощность, нужно найти работу, которую выполнил человек, подиимая ведро на оп1Юде* ленную высоту. Для этого следует вычислить силу, с которой человек действует на ведро. На ведро дей* стнуют две силы: сила тяжести и сила F, с которой на ведро действует человек. Ведро движется равномер* но, поэтому эти силы скомпенсированы, то есть F. Поиск математической модели, решение По определению мощности VV=—(1); работа, выиол' / неннан человеком, A = Fl. Поскольку F^ F^^,^ = тр , л /«Л , то A = mgh (2). Подставив формулу (2) в^])орму лу (1), получим: = t Определим значение искомой величины: [w]= Н кг----м JST____ И'-м Дж = Вт; ^°^=100; N = 100 Дт. 20 Отнетг человек развивает мощность 100 B'j‘. Зоя"*^ 2. Трактор тннет плуг с постоянной скоростью 5,4 км/ч, прикладывая силу 50 кН. Какую мопшость развивает двигатель трактора? Да во: Анализ физической проблемы Для вычисления мошностн, которую развивает двигатель трактора, нужно работу, выполняемую трактором за определенное время, разделить на это время. В свою очередь, работа определяется смлоД. которую трактор прикладывает к плугу, и путем, пройденным трактором за определенное время. Поиск математической модели, решение и ома лиз результатов ^ По определению мощность N = — .В свою оче- t рсдь. A = Fl. Поскольку движение трактора равно* мерно, го l = vt. Тогда N = —=—= Fu.* t t Опреде.тям значение искомой величины: (А^1=Н.-= ^ Н'М Дж = Вт; * Обратите внимание: мощность можно вычислить не только по фор-Л муле N = —, но и по формуле N = Fv 142 § 27. Мощность {N)-r)10' 1,5 = 7,610^ N = 7,510* Вт = 75кВт. 11)>ииш(.'111!1ируим результат: мощность тракторон, укоапи-мои в твОлицс (см. с. 141), составляет 45-260 кВт, то есть пол ученный результат правдоподобен. Ответ: AiniiTiTPab трактора развивает мощность 75 кВт. гтг;] Подводим итоги } Мощность — «то (|)и:шческая величина, характеризующая ско-рость выполнения работы и численно равная отношению вы110.пнен* ной работы ко премени, за которое эта работа выполнена: N = А/1. , Кдитща мощности н СИ — ватт (Вт); 1 Вт = 1 Дж/1 с. Мо1цногп. также можно вычислить по формуле N = Fo. Контрольные вопросы — ■ ------ - 1. Для хдрйктористики чего используют мощность? 2. Дайте определение мощ ности. 3.1-<азопите единицу мощности в СИ. А. Что такое ватт? 5. Как вычислить MouiHOCTb, которую развивает тело, если известны сила, дейовующая на тело, и скорость его движения? .Упражисиис Ш 27 - - -------------------- •- —■ 1. Пернокласхпик и одииилдцатиклассник за одинаковое время поднялись по стужч41>кам с первого этажа на второй. Кто из них развил во время движения бблыпую МОИ|ИОПЬ? 2. Дв««гаясь с некотором скоростью по горязоктальному участку дороги, автомобиль пояъекал к поръему. Изменится ли скорость движения «томобиля во время подьеш. если моьиязсть. которую оазаивает его двигатель не изменится* 3. Горизонтальные участии дороги чередуются с подг>емаыи и сттусками. Кая долина изменяться мощность двигателя автомобиля на этих участках, если он движется с постоянной скоростью? *. Мальчио. поднимаясь по ступенькам, развил мошносгъ 160 Вт. Какую работу выполнил мальч>1к за 20 с? 3 За какое время двигатель автомобиля, развивая мощность 150 кВт. выполнит работу 900 кДж? <• Мощность двигателей самолета 10 МВт. Определите силу сопротивления дви-«ению если саьюлет движется с постоянной скоростью 720 км/ч. ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ Первый набор студентов Днелропетровехмй национальный умиверситет провел а 1918 г. Тогда в нем обучалось 2750 человек. Первым ректором университета был известный учемый-биолог В. П. Карпов. За время своего существования учреждение подготовило более 70 тыс слециалистов. Превращение учебного заведения в один из ведущих вузов Украины связано с именем другого ученого — академика В И. Моссаяовского. который был ректором университета в 1964-1986 гг. С 1951 г Днепропетровский университет начал подготовку специалистов в о6-лаои ракетостроения, затем появились новые научные школы в области математики, механики, физики, радиозпектроиики. Благодаря общегосударственному и международному признанию Днепропетровскому университету был присвоен статус национального. 143 Раздел 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ § 28. ЭНЕРГИЯ. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ТЕЛА ^1 Слово «знсргин» мы слышим очень часто. Им можно воспользоваться для характерна ики людей (энергичный человек), природных явлений (энергия землетрясения или урагана), машин и механизмов (электроэнергия, потребляемая бытовыми приборами) и т. д. А что же такое энергия с точки зрения физики? Вспомии.тг>м. м?о такое энергия и к>^и оиз "" * м^камичьгкой работой R 7 классе иы уже познакомились с понятием энергии, узнали, что энергия характч*ризует способность тела выполнять работу. Сосулька, списпштцая с крыши, автомобиль, мчащийся по диро1'е, натянутая тетива лука псе этч) примеры тел, способных выполнить работу. '1то6ы под])обп(ч* выяснить значение термина «энергиям и связь энергии с мохапичп1;кой работой, рассмотрим примеры. На 1)ис. 28.1 мальчик на некоторой высоте держит камень. 1Самень не движется и потому механической работы не выполняет. Но если камень отпустить, он упадет и расколет орех. При этом высоп'а, но которой находи'1ч;я камень, уменьпштся. На рис. 28.2 крепкая пе|м>вка удерживает coi’iiyryio (деформированную) балку катапул1.ты. 1>алка работы не н1,»)К).|1няет, но может выполнить, если отпустить m?peu-ку; распрямляясь, балка придаст скорость .метательному снаряду. При атом дсфор.мация балки уменьшится. Многим из вас. наверное, приходилось видеть, как играют R боулинг. Игрок с силой запускает шар по горизонтальной гладкой дорожке. Сначала шар движется практически по инерции и работы не выполняет, но потом, разбрасывая кегли, шар выполняет определенную работу (рис- 28.3). При этом скорость движения шара уменьшается. Р«с. 2в.1. Мдлкмия держит камгмь на определемном высот* (а), Камень обладает энергией, то есть может вытхзлиить механическую работу, например рэско-лоть орех fSt Рис. 28Д. Деформированная балка катапульты обладает энергией: если веревку отпустить, балка распрямится и придао скорость метательному снаряду, то есть выполнит работу {р*«Сунок Леонардо да Винчи) 144 § 28. Энергия. Потенциальная анергия тела Рис. 28.3. Шар. дпижу1цийся по t/ia/|KOMy полу, анергией, поскол1>ку может пыполиить работу гбиЦ| кегли Если тело или система тел могут выполнить механическую работу, то говорят, что они обладают анергией. Энергия обоаппчнотся символом W. Единица энергии в СИ (как и работы) — джоуль (Дж). Чем бблыиую работу может, выполнить тело, тем большей энергией оно обладает. Во нремя пып().1Ш0Ш1я механической работы «лергня тч?ла нлмопжуинт. Следовательно, .ит»-ханичеекам работа лалнетсл мерой измеиеним энергии тела. Например, когда грузчик поднимает кирпичи, энергия кирпичей увеличивается на значение выполненной грузчиком работы (рис. 28.4). ЦЧ I ' '*■ Iнэнергии тела «лл г-яеочиостью 5ежли Из-за притяжения к Земле любое тело, поднятое нал ее поверхностью, обладает определенной энергией, то есть сможет совершить работу. Эт>* энергию иалыяают потенциальной {от латин. potentia — сила, возможность). Потенцмвльная эмергмя — это энергия, которой обладает тело вследствие взаимодействия с другими телами или вследствие взаимодействия частей этого тела друг с другом. Рис. 28.4. Гк>днимпя кир ПИЧИ, грузчик оыполиясм (лехамйческук» работу, рдвкуо изменению энергии юфоичей Рмс. 283. При равномерном пооиятии тела к нему необходимо при кладымтъ силу, равную силе тяиести if • и направленную ваерж Попробуем оыисшггъ связь между изменением потенциальной энергии тела, которое притягивается к Зе.мле, и механической работой. Чтобы равномерно поднять камень массой m на высоту Л над поверхностью Зе.мли, нужно выполнить работу A = Fl. Поскольку F = а / = Л, то для работы по подъему ка.мня получим А = mgh (риг. 28.5). 145 Раздел 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ Рис. 28.6. Потемиии/1Ыми .энергия книги, р|')С11()>10Жониой на четвертой полке, относи-те/нч-ю пола больше, чем относительно второй попки Вы уже знаете, что механическая i)a* бота — это мера изменения энергии тела. Е!сли условно считать значение потенци* альной энергии камня, лежащего на поверхности Земли, равным нулю, то на высоте Л его потенциальная энергия будет больше нуля на величину mgh^ следоватслыю. w;, = mgh. Потенциальная анергия тела, поднятого над поверхностью Земли,— это произведение массы т тела на ускорение свободного падения д и высоту h, на которюй находится тело: ~ rngh Потенциальная энергия тела массой т зависит от высоты, па которой оно находится,— следовательно, пн значение нотонци-алыюй энергии существенно iujmjiot выбор нулевого уровня (уровня, от кот'орого буд(!Т измеряться высота). Так. потенциальная энергия книги, лежащей на четвертой полке. относительно пола комнаты будет бо-ть-ше, че.м потенциальная энергия той же книги относительно второй полки (рис. 28.6). .3^«аком»иАСЯ с потетп4мал^нои >гм>.;тгмем упЕУуг-з де^орммрсваммых т*т В упруго деформированном теле его части взаимодействуют силами упругости. Если лишить такое тело внешнего воздействия, то силы упругости приведет в движение части тела н заставят его вернуться в исходное, недеформированное. состояние, то есть эти си.ты ВЫП0.1ЯЯТ механическую работу. Сте-довате.тьно, упруго деформированное тело обладает потенциальной энергией. Например, чем больше сила упругости, возникающая при оттягивании тетивы лука, и чем бо.тьше эта тетива оттянута, тем бо.зьшей потенциальной энергией обладает лук и тем (большую работу он мож«*т выполнить — придать стреле большую скорость движения (рис. 28.7). Потенциа.чьная энергия деформированной пружины испо.тьзу-ется для выполнения работы в большинстве механических часов. Р«к. 28.7. Ч#М бопе^им! отгя нута тетхеа лука, тем большей будет его потенциальная зисргйя 146 § 28. Энергия. Потенц|«альная энергия тела ■Щ - -V Рис. 28.8. Соойство деформироивимой пружины «запасать» по1снциллы1/ю энергию, а П01ОМ за счет нее выпопнять механическую работу испот>зу<'ТСГ1 во многих механизмах; механических часах (aj; дверных замках (6); клапанах .звгомобильных двигателей (в): амортизаторах автомобилей W и т. д в автоматических клапанах, для автоматического анкрывания дверей и т. п. (рис. 28.8). Псдиоаым итоп* Коли тело (или система тел) может вьшолнить механическую работу, то говорят, что оно (или она) обладает энергией. Механическая работа является мерой нз.меыенпя энергии тела. Энергия обозначается симво.10М Ж Единица энергим СИ — джоуль (Дж). Энергию, обусловленную взазгмодействием тел или частей одного тола, называют потсшиталыюй энергией. Поте)1ииалыюй энергией обладают 'гола, подпят1>1с над поверхностью !й*.мли, и упруго де^ю1)ми)ктаниыс тела. Потенциальную эне})гию поднятого над ионе]тхностыо Земли тела можно вычислить по формуле IV, = mgh, где т — масса тела; g — ускорение свободного падения; h — высота относительно нулевого уровня. Контрольные вопросы --- 1. Что означает выражение «тело (или система тел) о6ллд«1ег энергией»? 2. Нашейте единицу энергии в СИ. ). Приведите примеры и подтверждение того, что при выполнении работы энергия изменяется. 4. Что такое потенциальная энергия? 5. Как можно вычислить потенциальную энергию тела, поднятого на высоту h над поверхностью Земли? б. Какие тела, кроме тех, которые подняты над поверхностью Земли, обладают потенциальной энергией? Упр«м»«емме 28 — ' Приведите примеры тел. обладающих потенциальной энергией. 2. Опиимте. как изменяется потенциальная энергия самолета во время взлета и посадки. Вычислите потенциальную энергию портфеля, лемащего ма парте, относи- TCiiuHO пола. Масса порт|(>елл 3 кг. Высота парты 80 см. Л. И.Ч колодца глубиной 12 м чогюпек вытащил вед|Ю поды массой 10 кг и поставил его на скамейку. Сравните потенциальную энер| ию ведра до и после подъема. Увеличилась она или уменьшилась? на сколько? 147 Раздел 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ § 29. КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ТЕЛА. ПОЛНАЯ МЕХАНИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ?! а Рис. 29.1. Чем больше масса шара, тем ббльшую работу он выполнит EL ^ . - И) теленоеостей вам. наверное, известны поспедствия таких стихийных бедствий. как шторм и ураган. Так. ураганный ветер помает опоры пиний электро-переда«1. вырывает с корнем деревья, разрушает здания А известно ли вам. за счет какой энергии это происходит? fa Знакомимся с кинетической энергией тела ** Вспомним примсф с боулингом; шар катится, разбрасывает в разные стороны кегли и уменьшает скорость своего движения. Шар НЫПО.М11ИЛ механическую работу и уменьшил свою анергию. Однако по1'енциал]>)1п>1 энергия шара до и после столкновения с кеглями oci*a-ется незезмеянон, ведь шар все время находился на одной н тон же высоте — изменялась татько скорость его движения. Стеловательно. энергия шаря б|.1ла связана с его явиженнем. В физике згу энергию называют кинетической (от греч. kinfma — движение). Кинетическая энергия I/V, — это энергия, которой обладает тело вследствие своего движения. Кинетическая энергия тела зависит от его массы н скорости движения. Так, из двух шаров, движущихся с одинаковой cicopori’bro, шар болыш!й масс1>1 отто.икнет один и тот же брусок на (кхтьшее расстояние (рис. 29.1). То есть при одинаковой скорости движения больший по массе шар выполнит больптую ра6от>*. Коли два одинаковых шар.т начиняют движение с разной высоты, то niap. который катится с большей высоты, приобретает большую скорость движения. Он оттолкнет тот же брусок на большее расстояние, то есть выполнит 6(хлыпую работу (рис. 29.2). В физике доказано: кинетическая энер гим тела — это половина проилвеОения массы тела ни квадрат скорости его движения: .*■1. «I, «?, Рис, 29 J. Чем больше скорость шара, тем большую работу он выполнит IV, = то где т — масса тела; v — скорость движения тела. 148 § 29. Кинетическая энергия тела. Полная механическая энергия Рис. 29.3. Относительно туриста клмс'нь не обладает кинетической энергией, а оттюсительно нелосипе диета, стремительно при()/1ижмкнце-гося к камню, ~ обла/(лсм Рис. 29.4. Относительно пассажира движущегося поезда кинетическая энергия книги раина нулю. Но для человека на платформе книга обла/iaei определенной кинетической энергией Кинотнчоокая мпоргим одного тела для разных наблюдателей мо* же*!’ быть рапной» поскольку относит'ельно разных наблюдателей скорость л»иж(?иия телд может быть неодинаковой (рис. 29.3, 29.4). Приводим омродедение полной механической анергии тела Чаете тело обладает и потенциальной энергией, и кинетической. Так, летящий сямол(!Т обладает и потенциалыюй эне1Н'ией (посколысу нза-нмодействует с Зеэслен), я кинетической энергией (поскатьк>’ движется). Сумму потенциальной и кинетической энергий тела называют полной механической энергией тела. VV Поё' итоги ** Энергию, которой об.ладают тела вследствие своего движения, называют кинетической энергией тела. Ее вычисляют по фор,муле W = mv где т — масса тела: v — скорость его движения. Сумму поггенциялыюй я кннетическон энергий тела называют полной механической энергией тела. . Контрольные вопросы — ■ ■ ■ ------- 1. Что квэымют кинет1«чс<кой энергией тела? 2. По какой формуле можно рассч«*-гать кинетическую энергию тела? 3. Почему кинетическая энергия одного тела мо жет быть раэиой для раэных наблюдателей? 4. Что называют полной механической энергией тела? ^ УпрлжнФнтш N* 29 ---------------- — .. - — . '1. jВелосипедист массой SO кг движется со скоростью 36 км/ч. Вычислите кинетическую энергию велосипедиста. 2. Автомобиль разгонялся на горизонтальном участке дороги длиной 400 м под действием силы 10 кН. Увеличилась или уменьшилась кинетическая энергия автомобиля? нл сколько? 3. Во время игры в баскетбол мяч массой 400 г брошен в направлении кольца. Вычислите полную механическую энергию мяча на высоте 3 м. если на этой высоте он двигался со скоростью 10 м/с. За нулевой уровень потенциальной энергии примите уровень пола спортзала. 149 Раздел 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ § 30. ПРЕВРАЩЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ?! Наверное, многие из вас «стреляли» из трубочки, выдувая из нее с определенной скоростью маленькие шарики. Вспомните; шарики взлетают вверх, а затем падают. Хо|тошо видно, что, когда шарики летят вверх, скорость их движения уменыилотся,- ведь чтобы упасть, они должны сначала остановиться, а уже потом начать движение вниз. Кинетическая анергия шариков при их движении вверх юже умс>и1>шается. Бесследно ли она исчезает? Наблюдаем превращение потенциальной энергии в кинетическую и наоборот Рассмотрим свободные колебания маятника. За нулевой уровень примем самое низкое положе* ние шарика (положение равновесия) (рис 30.1). В крайнем щтавом положении шарик на* ходится на высоте относительно нулево1Чт уровня, следовательно, имеет наибольшую потенциальную энергию ()• «том положении шарик не движется, поэтому 01ч) кинетическая энергия равна нулю. 1Со1'дн шарик начинает движение вниз, его скорость носпч-пенно увеличивается, соответственно возрастает и кинетическая энергия. Когда шарик оказывается в самой нижней точке своей траекторпи, его потенциальная энергия уменьшается до нуля. В этот момент скорость движения шарика и соответственно его киветв- .2 - ). Рис. 30.1. При колсбя НИИ нишиого имтмим проиоюдкт постоянное превращение потсиииаль ной зиергии шарит вето кинетическую энергию ииаоборот Рис. ЗОЛ. Zlo те* пор пока струна будет колебаться. будет продолжать ся взаимное превращение потенциальной и кинети ческой энергий (71 у ческая энергия наибольшие ( = * £ За счет запаса кинетической энергии ша* рик продолжает двигаться влево, поднимаясь все вьппе, вследствие чего возрастает его потенциальная энергия. Вместе с тем скорость движения шарика уменьшается, соответственно уменьшается его кинетическая энергия. Таким образом, один вид энергии переходит в другой: кинетическая энергия превращается в потении* алънуто, и наоборот. Такие же превращения механической энергии наблюдаются во вре.мя колебаний натянутой струны (рис. 30.2). Оттянем струну в сторону — 8 этот момент она обладает только потенциальной энергией: струна дефор.мнрова* на, но не движется. Если отпустить струну, она 150 § 30. Превращение механической анергии. Закон сохранении механической энергии придет н диижоиие и ее кинетическая энергия начвет возрастть. При этом деформация струны уменьЕпается и соответственно уменьшается ее потенциальная энергия. Намбальшее значение кинетическая энергия приобретает в момент, когда струна проходит положение равновесия,— ее скорость макси.мальпа, а деформация отсутствует. Далее струна продолжает движение, се кинетическая энергия уменьшается, а потенциальная — увеличивается. А,< А, •'•t 1 о о л. п 1" 9 Рис. 30.3. При дниже-мии шарика ииерх его потемцилп1»нам э«1ергия увеличивается, а кинетическая — умоммиастся Открываем закон сохранения механической энергии Приведем еще один пример диижение металлическою шарика, брошенного вверх. Вы(ч>та шарика OTHocHTCLibBO поверхностн Зем^зи увеличивается, поэтому' возрастает его потенциальная энергия. Скорость движения шарика уменьшается, соответственно уменьшается его кинетическая энергия (рис. 30.3). Опыты доказывают, что при отсутствии силы сопротивления eojdyxa кинетическая энергия шарика уменьшается на столько, на сколько увеличивается его потенциальная энергия, и наоборот, то есть полная механическая энергия не иэменяется. То же можно сказать в отношении колеблющихся маятника или струны: при отсутствии сил тр«М1ия их полная механическая энер-1'ия остается иоизменнон. Teoj)eTii4eciCMe и экспериментальные нссл закон сохранения механической энергии: В системе тел. взаимодействующих только друг с другом и только силами упругости и силами тяжести, полная механическая энергия не изменяется. Еще раз подчеркнем: закон сохранения механической энергии выполняется лишь тогда, когда нет потерь .механической эиерпш, в частности при отсутствии силы трения. Если трение учитывать, го полная механическая энергия со временем уменьшается. Происходит превращение механичсчгкой энергии а другие виды :)нергии. Примером может быть нагревание тел в результате трения: м(“ха-ническая энергия прев1)ащаетея в тепловую. Учимся решать задачи Зодачо t. Тело .мгкгсой 1 кг без началыюй скорости падает на поверхность Земли с высоты 20 м. На какой высоте киыетичсчгкая энергия тела будет 100 Дж? Сопротивлением воздуха пренебречь. 151 Раздел 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ Дано; т=1 кг 1?о=0 Ло=2() м W^=100 Дж g = 10 — кг |Л — ? Ahoauj филической проблемы Сопротивление воздуха отсутствует, значит, выполняется зак№ сохраненва акхаяичегкой энергии: полная механн-чсская энергия тела но изменяется. За нуленой уровень примем нонерхность Земли (см. рис. 30.4). W I W тО Ш. 3 гО в mgh^ ^=0 W^^mmgh W #0 Нулевой уровень Рис. 30.4 Поиск математической мо&ели. решение На высоте полная механическая энергия тела: на искомой высоте А: W',По закону сохранения механической энергия: + IV =И', На высоте A<, ®*‘***’^** падения): VV’^ „=mgAo; Й*^^^=0 (так как н„=0). На высоте А (во время палония): W^=mgh; (тик как тело движется). Тогда mgh^^ O^nigh + W^. От- сюда mgh = nigh„ - *0- nig Определим значение искомой величины: Дж |л| М-- КГ- кг 10U Дж Н • м = м = м-------- м ; Н Н {Л} = 20-—*20-10 = 10; Л = 10 м. ' ‘ 10 Отеет: кинетическая эпергня тела будет равна 100 Дж на высоте 10 м. Зодоч>9 л. Тело бросают нертика.льно вверх сч) сксфостыо 20 м/с. На какой вькготе потенциальная энергия те.ип будет равна 01Ч) кинетической энергии? Сопротивлением воздуха пренебречь. Дано: v, =20^ с w. =w. g.ioiL=io4* КГ А„=0 А — 7 Анализ физической проблемы Поскольку сопротивление воздуха отсутствует, то вынодняется закон сохранения механической энергии: полияя механическая энергия тела не изменяется. За нулевой уровень потенциальной энергии примем уровень, с которого бросают тело. Поиск математической модели, решение По закону сохранения механической энергии: ♦ Поскольку \\\=mv*.'2, между единицами энергии существует соотво-шеине; Дж = Н-м = кг м*/'с* => Н/кг-м/с* , Подробнее вы узнаете об этом в 10 классoipyгости и силами тяжести, полная механическая энергия не изменяется. Она лишь превращается нэ кинетической энергии в потенциальную. и наоборот. л Контропьные вопросы . ---= 1. Прицедите примеры п|>е11ращекия по1енциальной энергии тела в кинетическую и наоборот. 2. Сформулируйте током сохранения м(?ханической энергии. 3. При каких условиях выполииетси таком сохрлнеиия механичсч:кой энергии? 4. Приведите примеры, когда полная механическая энергия не сохраняется. Улражиеиие 30 - В заданияя 3-S сопротивление воздуха не учитывайте. 1. Пружинный пистолет таряжзют шариком и стреляют «верх. Какие при этом происходят превращения энергии? 2. Шайба скатывается с ледяной г<юки на асфальт и останааливоется вылеэп-мяется ли в этом случае закон сохранения мех^тическои энергии? 3. Нймая1»иал потенциальная энергия тела, илходящеюся и покое на определенной высоте, равна 400 Дж. Затем тело падает. Какой будет кинетическая эисфгия тепа в момент, когда его гютенциальная энергия будет 150 Дж? 4. Тело бросают вверх, сообщая ему кинетическую энергию 300 Дж. На определенной высоте его кинетическая энергия уменьшится до 120 Дж Какой будет потенциальная энергия тела на этой высоте? 5. Тело, находившееся в состоянии покоя, падает с высоты 20 м На какой высоте скорость его движения будет равна 10 м/с? ^ Эвеперимеитальиоф мдание Подбросьте вверх небольшое тело,— например, спичечный коробок. Измерьте или оцените на птаз высоту, на которую ои подмюкя Определите начальную скорость коробка. Сопротивление воздуха не учитывайте. 153 Раздел 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ § 31. ПРОСТЫЕ МЕХАНИЗМЫ. «ЗОЛОТОЕ ПРАВИЛО» МЕХАНИКИ ?1 Древние греки не только наунились пользоватьо! такими простыми механизма* ми, как рычаг, блок и т. п„ но и выяснили, почему эти устройства позволяют получить выигрыш в силе. Вместе с тем простые механизмы дают проигрыш н расстоянии. Л длют ли они выигрыш в работе? Почему и сегодня усовершен ст1юванные «спотомки» древних простых механизмов встречаются ма заводах, ст|х>ительных мло1Мддках, в транспортных средстнпх и бытовых приборах? Вспоминаем о рычаге и блоке Bw уже знаете, что еще в древности для обитегчеыня работы человек использовал различные простые механизмы. Так, в Древнем Египте при строительстве пирамид и храмов исполызовали рычаг. Свойство рычага давать выигрыш в силе следует из условия его равновесия. Вспомните, что блоки можно рассматривать как рычага — р1Ш11011.г1ечие (неподвижный блок); такие, у которых плечи отличаются в 2 раза (подвижный блок). Разновидностью рычага также япляот(;я ворот, который испо.иьзуется, например, в системе рулевого управления автомобилем (рис. 31.1). Открываем «so.'joToe правило'^ механики Рычаги с (зазныэси плечами, подвижные блоки и вороты позволяют по.тучить выигрыш в силе. Но «даром* ли дается такой выигрыш? Оказывается, что при использовании рычага его бо.чее длинный коосц проходит бо.тьший путь (рис. 31.2): тяжелое тело поднимется на небольшую высоту (Л,), а конец длинного плеча рычага, к которому приложена меньшая сила, опустится на значительно большую высоту Таким образом, получив выигрыш в силе, мы проиграем в расстоянии. Тот же рс'зультат по.пучасм при использовании подиижно1Ч) блока (рис. 31.3) и ворота. * Рис. 31.1. Вмигххаоа в силе который дэег руль, равен отношению рад»«уса R руля к ре-диусу г шестерни, поворачивающей колеса автомобиля Рмс. 31Во сколько рд] плечо I, рычага длин*.ее плеча во столько раз высота h, больше высоты 154 § 31. Простые механизмы. «Золотое правило» механики Клнссическне расчеты рычагов и блоков принадлежат Архимеду. Он сфорасулировол правило, применяемое не только к рьтагу, но и ко всем простым механиамам. Это правило называют «золотое правило» механики: Во сколько раз простой механизм дает выигрыш в силе< во столько же раз он дает проигрыш в рас-аоянии. Отметим, что «золотое правило* выполняется при идеальных условиях, когда подвижные части простых механизмов не имеют веса, а между тела.ми. которые скользят или катятся яр>т по другу» отсутств>*ет трение. Из закона сохраветшя механической анергии следует, что простые механизмы не дают выигрыша в работе. Действительно, согласно /■’ / «золотому 11рпвнлу?> мехнинки —= То ость => Л| — Ag, К Исследуем наклонную плоскость Кроме рычага и блока, люди с античных времен используют еще один простой механизм — наклонную плоскость (рис. 31.4). С ее помощью .можно поднимать тяжелые предметы, прикладывая к ни.м относительно небольшую силу. Докажем условие равновесия сил ив на-клоииод плоскости на опыте. Допустим, по наклонной плоскости длиной / нужно втащить тело на высоту h. Для умопыисния сил).1 трения лучию воспользоваться катком (рис. 31.5). Чтобы поднять каток, нужно прикладывать к нему силу, значение которой равно значению силы тяжести . а чтобы втаскивать его по наклонной плоскости — силу F. При подъеме катка на высоту // выполняется работа А^ = F^^h . При втаскивании катка по наклонной плоскости на расстояние / выполняется работа Aj~Fl. При отсутствии трения Л, = Д, , то есть F^h = Fl=^ ~ — . F h Для наклонной плоскости «золотое правило» механики выполняется, если между телом, Рис. 313. Если веревку поднять м« высоту 2h. то ПОДВИЖНЫЙ блок с грузом поднимется не высоту h Рис. 31.4. Наклонная плоскость незаменима, когда нужно поднять груз. Чем более пологий каклои имеет плоскость, тем легче •ылолнитъ эту работу Рис 313. Чтобы тянуть тело вверх по наклонной опоскости. «ухсна зна-читель*«о меньшая сипа, чем для псщьема этого тела по вертикали 155 Раздел 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ Рис. 31.6. Клим не только дает выигрыш н си/те, »<о и иш('>мнот ос ил1т|^вление Рис. 31.7. Разновидностью наклонной плоскости является винт KO'rojioc* тггискинают по нак.т10ннои п.поскости, и поверхностью п.по* скости oTcyTTvniycvr трение. Змлкомимся с разновидностями наклонной плоскости Спойсти» 1ШКЛОНИОЙ плоскости используютчтя, например, и зскалато1)ах, обычных ступеньках, конвейерах. Одна из разновидностей наклонной плоскости — клин. Чтобы облегчить рубку Д1юп, в трещину бртпша нставляют клин и бьют по нему обухом топора. Во 11|>емя удара на клин действуют три тела: све])ху — обух, по бокам — дм(! часттн бревна. Соответственно клин дейсттзует на обух топора ши;])х, а па древесину бревна — в сюропы, то ость ))аздии‘ тот 110Л01ЖПКИ бремта. Таким об1за,зом. клип изменяет иап))а»лспнп СИЛЫ удара топора. Кроме того, сила, с которой ов раздвигает по* ЛОВ11НКН бревна в разные стороны, намного бсыьше силы, с ксуторой топор ударяет по клину (рис. 31.6). Еще одна разиовилвость наклонной плоскости — винт. Возь* мем треугольник, вырезанный из картона, и расположим его рядом с оилннд{юм. Наклонной плоскостью будет служить ребро картона. Обернув треу’гольник вокруг цилиндра, мы по-тучим винтов>'ю наклонную плоскость (рис. 31.7^. Нарезка винта — это наклонная плоскость, многократно обернлтая вокруг цн.линдра. Подобно клину винт может из.мрнять направление и числовое значение при.тожен-ной см.ты. Принцип действия винта используют во многих механизмах п устройствах: механических домкратах и подъемниках, в мясорубках, тисках, струбинвах. сверлах, шуфупах, резьбовых креплениях и т. п. VS Доказываем золотое правило" aiexaHMiuii для гидраняыческого пресса При сжимании жидкость практически не изменяет своего объема, поэтому, опускаясь, малый поршень гидравлического пресса вытесняет из малого цилиндра такой же объем жидкости. какой попадает в большой цилиндр: = Поскольку V, =8,Л,, а (где Sj и Sj— площади малого н большого поршней соответственно; Л, и Л, — расстояния, на которые со- 156 § 31. Простые механизмы. «Золотое правило» механики отнетс'гиенно поримсмпнются поршни)» то =>-^= • и, .4, И« условия раииовосня для гидравли- г, г, ческого пресен = -i- , где F, и F, — силы» Ь\ .4, действующие соотиотствепно на малый и большой поршми (см. § 22), получаем — = ^ . То есть во сколько раз гидравли- К uccKuit пресс увеличивает силу на большом порите, во столько же раз уменьшается расстояние, на которое передвигается боль-moii поршень. 'J’hkjim обрааом, получив вы-иг])Ь1111 в силе, мы снопа получаем такой же проигрыш в рВСС'1‘ОЯ1ЖИ (1>ис. 31.8). Для гилрпв.нического пресса «золотое nj)HBn.Tio» вы11олня(‘Т(;я, (*сли пренебречь массами поршпой и силой сопротивления движению жидкости при (ч! перетекании из малого 1шлинд])а в большой. НахоАмм простые »1«яан|«змы ■ соор«м*т«ыя ылштнах Простые мгхаин.1мы — это труженики со стажем работы свыше 3000 лет. но они ничуть не «постарели»: в каждом современном техническом устройстве можно обязательно найти простой механизм, н не один. Так. рычаги и вороты можно обнаружить в велосипедах и автомобилях: в конструкции подъемных кранов присутствуют рычагн. 6.ТОКИ, вороты. Рычаги н блоки — непременные составные части конструкции путе- и трубоукладчиков (рис. 31.9). подъемных кранов и других .маппш. Транспортеры. используемые в uiaxTax и на фабриках, являются прнмера.ми мак.юннои плоскости (рис. 31.10). Ворот и винт используются в механических домкщ1тах. Подводим итоги С древних в|)омсн человек использует простые механизмы: рычаг, блок, ворот, наклонную плоскость, клин. винт. Рис. 31.8. Сила лак лепил на поршень одного крольчонка вдвое меньше силы давления двух крольчат. Поэтому если одного крольчонка опустить на определенную высоту, то два крольчонка поднимутся на вдвое мен1>шую высоту Рис. 31.9. 5/юкм и рычаги легко угумшвыотся я конструкции тру6оукладч»(ков и други! машин Рис 31.10. Конвейер является примером использования свойств наклонной плоскости 157 Рвэдел 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ Для простых мсхниизмои и гидравлического пресса мыпол* мие1Ч!я ♦золотое праипло» механики: во сколько раз простой механизм дает выигрыш в силе, по с1Ч)лысо же раз он дает проигры1п н расстоянии. ♦Зол<я'ое правило» механики выполняется при идеальных условиях. Простой механизм — шшреме11иал составная часть (чафомен-пых машин; их комструкния может иметь несколько п1М)стых механизмов. _ Контрольные вопросы 1. Для него 1Ю10льзух>т простые ыехаиммы? 2. Сформ-/тфуйте «золотое прваи-ло* wexaniMu* дпя простого мемгымы 3. Казовнте разновясности нмлонноя плоскости. ■* Какой выигрыш • силе д»ет какломид* плоскость? S. Сформ>ли руйте «золотое правило* ыехаиики для гидравлического пресса 6- Приведите ггримерь! использования простых механизмсз в современных яшиинах Упражнемы* 31 --------- ——— — Cwumoume. что во всем задачам выполняюггкв идеальные условия 1. Поднимая груз с помоииио рычага, получили выигрыш в сипе в 3 раза. При зтом груз, привязанный к левому концу рычага поднялся на высоту 20 см. На сколько опустился правый конец рычага? 2. С помощью подвижного блока человек поднимает ведро массой 20 кг Вычислите силу, с которой человек действует на веревку. 3. С помощью рычага подняли груз массой 100 кг. На длинное плечо рычага действовала сила 2S0H. л точка приложения силы опустилась на 30 см На какую высоту был поднят груз? 4. Вычислите, какую силу надо приложить, чтобы поднять по наклонной пло скости тележку массой 60 кг, если высота наклонной плоскости равна 80 см, а ее длина 3.2 м? 5. В результате сжатия дета/1и гидравлическим прессом силой 10 кН большой поршень поднялся на 5 мм. Какая сило была приложена к малому поршню, если он опустилсл на 20 см? Экспериментальное задание Осмотрите бытовую мясорубку. Укажите все простые механизмы, входящие в ее состав. § 32. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО,ДЕЙСТВИЯ МЕХАНИЗМОВ ?! «Золотое правило* механики подсказывает, что выигрыш в силе, который дают простые меха»«измы. компенсируется проигрышем в расооямим. Поэтому ника кого выигрыша в работе с помощью простых механизмов мы не получаем. Более тога в реальных условиях оказывается, что мы проигрываем в работе — часть работы куда-то «исчезает*. Попробуем выяснить, куда. Знакомимся с »аж>«ой характеристикой механизмов Предположим, на определемную высоту н>-жко поднять груз. Перебросим через неподвижный блок вех>евку. привяжем к ней груз 158 § 32. Коэффициент полезного действия механизмов И будем ранномсрии тянуть веревку вниз. Груз начнет подннмяться. Поскольку неподвижный блок можно нредстаинть как равноплечий рычаг, то сила, с которой тянут веревку, равна весу груза: F=P. Однако на практике всегда есть сила трении, и ноотому, чтобы поднять груз, к свободному концу веревки надо приложить силу, которая больше веса груза: F>P (рис. 32.1). При подъеме 1*руза на нужную высоту h В1411ОЛИЯ0ТСЯ поле.зыая работа A^=Ph. При атом затрачошни1 (полная) работа по вытягиванию веренки ни д.пину Л вычисляется по формуле: A^^Fh. Ми-аа трения полная работа будет больше, чем полезная работа [Fh>Ph). Па практике полезная работа, вьшолняе-мая с помощью любош механизма, всегда меньше полной ])аботы: < А^. Только в идеальных случаях полезная работа была бы равна полной 1)пбот(*, но :этого никся'да не случается. Отношение полезной работы к полной работе называют коаффмимектом полезного дей-ствмл (КПДК КПД обозначают снмваюм г| («эта») п вычисляют по формуле Рис. 32.1. Если II ме1К)д-вижном блоке есть трение, то сила Г, с которой человек должен тянуть веревку, больше веса груза А, плн в процентах: т] = 100% КПД любого механизма демонстрирует, какую часть полной работы механизм превращает в полезную. Поскольку в ходе использования механизмов полезная работа всегда меньше полион, КПД любого механизма всегда меньше 100 . Ушямся решать задачи ** Зодо-ш. Тело массой 20 кг поднимают по наклонной плоскости. Какую ciuiy нужно прикладывать в направ.тенин движения теля, если длина наклонной плоскости 4 м, высота — 1 м, а КПД составляет 80 '«? Дано: m = 20 кг /-•I м /ts 1 м Т1 = 80% F — ? Анализ физической проблемы При подъеме груза по наклонпой плоскости сила, приложенная к грузу вдоль няклонноА плоскости, выпатвяет полвузо работу. По.'1еэная работа зл(к:ь это изменение потенциальной энергии под- * нимаемого груза. Отношение по.зезной н полной работ — КПД наклонной плоскости. 159 Раздел 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ Поиск математической модели, решение и аиали.1 ре-jy.inmtamoe Иоспильзуемся определением КПД: г| = '^ этом Л„ = mgh, А, = Р1. mgh 100%. При Отсюда Л = ' 100% => /-^-^ юоч. FI ц1 Определим значение искомой пеличиим: н кг----м кг %<м •% = Н; 100=62,6; /-'=62,5 и. ‘ ^ 80-4 Проммализируем результат: сила 62,5 И меньше исса тола 200 Н, то есть наклонная плоско<’-ть дала нынгрыш II сило 200/62,5 = 3,2. По условию проигрыш в расстоянии 4/1 «=4. Так как КПД плоскости мет>ше 100%, то вын!-ры1н в силе меньше проигрыша в расстоянии,*— это прав* донодобный результат. Отпет: к телу нужно прикладывать силу 62,6 П. ^ ‘ . I' Г.« Ф На практике патезная работа, котор>то вьшолнякгг с помощью любого механизма, всегда меньше полной (затраченной) работы: л,<Л. Отношение по.тезвой работы к полной работе называют коэф* л J фнаиентом полезного действия (КПД): n = il = ^^-100'». А, А, КПД любого механиз.ма всегда меньше 100 Контрол1*мь<« «опросы - - — 1. Почему не прмтмке полезная работа всегда м^ьше полном? 2. Дайте определение КПД. 1. Каково максимальное значение КПД любого механизма’ Упражнение 32 - - - — 1. С помощью простого механизма выпопмема полезная работа 120 Дж. Найдите КПД механизма, если полная работа равна ISO Дж. 2. Тело поднимают по наклонной плоскости, выполняя полезную работу 180 кДж Найдите полную работу, если КПД наклонной плоскости 90%. 1. Груз массой 160 кг подняли с помощью рычага на 2S см. прикладывая к длинному плечу рычага силу 400 Н. Определите КПД рычага, если конец длинного плеча опустился на 1 м 25 см. 4. Тело поднимают по наклонной плоскости, прикладывая в направлении дви> жемия тела силу 50 Н. Определите массу тела, если длина наклонной плоскости 2 м, высота— 50 см, а КПД составляет 80%. 160 /иборатормая работа М* 10 Гру.ч млссой 9 кг 1к>дкимаю1 с помощью устройств, состояищго из ПО/тИЖНОГО и исподВИЖИОГО блоиои (см. pncyi’iOK). Клкук) силу нужно прикладывать к оеревко, переброшенной через неподвижный блок, если КПД устройства 90%? ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ Одесский нациомАЛЬный университет им. И. И. Мечникова со дня создания в 186S г. занимает одно из ведущих мест и Украине. Наряду с Хары«овским. Киевским и Львовским университетами он фактически определяет состояние и перспективы развития образования науки и культуры страны. Учебный процесс н университете Ытослечи-вают 10 факультетов. Количество студентов — около 14500 человек. В университете работают 125 докторов наук, профессоров, 576 кандидатов наук, доцентов. Много ярких страниц вписали в историю Украины и университета всемирно известные ученые: микробиологи И. И. Мечников. Д. К. Заболотный, физики Ф. Н. Шведов, К А. Умоа. физиолог И. Н Семенов и др. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10 Тема. Определение КПД наклонной плоскости. Цель; убедиться на опыте, что полезная работа, выполненная с помощью наклонной плоскости, меньше полной; опр>еделить КПД наклонной плоскости. Приборы и материалы: мерная лента, динамометр, набор грузов, де(;еилиная линейка, и1татив с муфтой и лапкой, дерс^вянный брусок. УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготоика к эксперименту 1. Пределе чем приступить к выполыению работы, вспомните ответы на следующие вопрос;ы: I) Какие вилы простых механизмов вы знаете? 161 •л Раздел 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ 2) Что пнзывают козффициептом iKwioanoro дсйсп'вия? 3) Почему КПД любого механизма всегда меньше 100'’-.? 2- Опредетите пену деления шкалы каждого измерительного прибора. 3. Соберите экспериментальную установку, как показано на рисунке, приведенном в начале работы. Эксперимент Результаты измерений сразу заносите п таблицу. 1. Измерьте с помощью мерной ленты длину I и высоту Л наклонной плоскости. 2. ()преле.»тте с noMoiubio динамометр»» нос Р бруска. 3. Положите брусок ин Ш1клопиую плоскость и с помощью ди* намом(*тра равномерно передвигайтг» ого вверх. Измерьте силу тяги F, действующую на бр>*сок со стороны динамометра. 4. Не изменяя утла наклона плоскости, повторите опыт еще трижды, разместив на бруске сначала один, потом два. а потом три гр>-за. Обработка реауньтато* жеперимакта 1. Длн ка1Ждого опыта вычислите: 1) полную (зат1)очен11ук)) работу: Л, - Ft; 2) иоле.'шую работу: = Ph; Р 3) нымгрыш в силе, который дает наклонная плоскость: — ; F 4) 1СИД наклонной плоскости: Г) = -^" •1()0%=-^100%. А, 2. Р(!1»ультпты вымис.11(мжй замесите в *1-мб.*1ицу. *= 6-X 2 X ^ 1:1 о >. *5» Б* л _ в 2 f- %т С = = S W о аг . 2 5 Ё ® i 5 I « .Ё §1" о 5 ^ С его 5 Е = Ssi- а с. ^ & 1" е* « - » о ~ S ^ Анализ результатов эксперимента Сравните пшса.занкл динамометра со .пщчопиями веса бруска и сделайте вывод о мыигрыик: В CMJie, который дает пак-воннпи плоскость; сравнит»! нолученные анач1?иин КПД и сделайте вывод, зависит ли КПД от веса тела, которое поднимают по наклонной плоскоi4> э«слер(аме>1га. кз« заажет КПЛ ><аклоннэ4 плоское^»! or ее макломд Почему по ваше«гу ммеико прч изыенегнт угла маА-тона пло:яост>* иг м^чяется «е КПД? 162 подводим итоги РАЗДЕЛА 3 «РАБОТА И ЭНЕРГИЯ» 1. в разделе 3 вы узнали и моирюсть. , что ч’акое механичеекая работ», энергия 1 Механическая работа, 1 Энергия, Дж ] Мощность, Вт А = П И' .. Л 1 Дж = 1 Н'М • характеризует с по- jV = — г • к телу приложена собность тела (или _ 1 Дж сила • под действием спстемы тел) вьтол- 1 Вт - -£ этой силы тело движет- нятъ работу' ■ во вре- • характерк- ся • паправлеипе двн- мя изменения энер зуег cKojjocTb жения тел» и манрапле- ГИИ иыполияется ньшолиепня ине сил III ие являются работа • изменение работы перпендикулярными энергии равно работе 2. Вы поучились ралличать кинетическую и 11отс1щпальную аисргии, познакомились с законом сохранения мехиимческом эыиргии. • Кпн<*тичсская энергия 2 • Потенпиальвая энергия = nigh • При услонии огсумчгпжя трения ныиолпяетси закон сох)шнения ме- ханичсчжой энергии: ^„.о ~ 3. Вы ознакомились с простыми механизмимн и выясмпиш, что пи один из них ие дает выигрыша в работе; узнали о физической всличн не — коэффшгаенте полезного действия (КПД). Выигрыш BciLTe при идеальных условиях п= ^-100% А. Простой Mc'С.ТОВИЯХ, % КПД вревльпых УСД^ЖКЯХ, Не дает В 0,5 рала 100 100 100 100 100 100 100 Причины уигяыиеянл КПД Вес рычпп), сила трепня в оси вращения Сила тр(*ния в оси прыщения Вес блока. СИЛЗ трения в оси вращения < 100 Сняв трения 163 Раздсп 3. РАБОТА И ЭНЕРГИЯ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ К'РАЗДЕЛУ 3 «РАБОТА И ЭНЕРГИЯ» Задания 1-11 содержат только один правильный ответ. 1. П балл) Механическая работа ньшолняется. если: а}сила перпендикулярна направлению движения тела;' . ^тело неподвижно; и) тело движется под действием силы; г) нп тело не действуют силы. 2. (1 балл / Неподвижный б.юк: о)даст выигрыш в силе в 2 раза; в) дает выигрыш в работе; б)но дает выигрыша в силе; г) дает выигрыш в расстоянии. 3. (1 балл) Потенциильння энергия тела, поднятого над поверхностью Земли, за висит: о)от массы и скорости движении тела: б) от массы тела и его высоты над поверхностью Земли; в) от высоты тела над поверхностью Земл и и скорости движения тела; г) только от скорости движения тела. 4. (1 балл) Кинетическая энергия движущегося тела зависит: о)от массы и скорости движения тела; б1то-тько от высоты тела над поверхнос тью Земли; •) от высоты тела над поверхностью Земли и ско|юсти ого движения; rj только от скорости движения тела. 5. (I балл) Коли мо<цность механизма равна 100Вт, то: а) за 100 с он выполнит работу 1 Дж; б) за 10 с он выполнит работу 10 Дж: •t3a 1 с он выполнит работу 0,01 Дж; г) за I с он выполнит работу 100 Дж. 6. (I балл) Если использование простого механизма диет выигрьин в силе в 6 раз, то при идеальных условиях он дает; а) п1юигр1>ии в рпсстоянии в 6 раз; ■; проигрыш в расстоянии в 36 раз; б) выигрыш в рлсстоянии в б pa.i; г) выигрыш в расстоянии в 36 раз. 7. (1 балл) Подвижный блок: а) днет выи)’ры1н п силе в 2 раза; ■) дает вы11Г1>ыш в работе; б) не дает выигрыша в силе; г) дает выигрыш в расстоянии. 8. (2 балла) Какую работу нужно выполшпъ, чтобы вытащить ведро с водой из колодца глубиной 12 м? Масса ведра с водой 8 кг. Считайте, что /?-10—. кг о) 1,5 Дж; б)15Дж; в) 96 Дж; г) 960 Дж. 164 3«д«ми11 дпя самолро»«р*см к рид*1«у 3 9. (2 балла) Какова мощность двигателя, если за 4 мин он совершает работу 12 кДж? а) 50 Вт; б; 500 Вт; • ЗкВт; г) 12 кВт. 10. (2 балла) Кран поднял груз весом 24 кН, совершив при этом работу 360 кДж. На какую высоч’у был поднят груз? о) 15см; б) 1,5 м; г) 21,6 м. 11. (2 балла) За какое время двигатель мощностью 100 Вт совершит работу 2 кДж? о) 20 с; б) 200 с; а)50с; г) 0,05 с. 12. (8 балла) Кит, плавая под водой со скоростью 18 км/ч, развивает мощность 150 кВт. Определите силу сопротивления воды. 13. (4 балла) С помощью подъемника автомобиль массой 2 т под-НЯ.1П на высоту 2 м. Определите совершенн\*ю при этом работу, еЩ)и КПД подъемника 80 %. 14. (4 балла) С помощью подвижного блока поднимают груз массой 40 кг; свободный конец шнура тянут с силой 300 Н. Определите КПД блока. 15. (4 балла) С помощью неподвижного блока поднимают груз, прикла;;ыпая силу 1,6 кН. Какова масса груза, если КПД блока 80 % ? 16. (4 балла) Длинное плечо рычага в 3 раза больше короткого. Чтобы поднять груз массой 60 кг, подвешенный к короткому плечу рычага, к длинному плечу прикладывают силу 250 Н. Определите КПД рычага. 'N 17. (4 балла) КПД наклонной плоскости высотой 30см составляет 70%. Чтобы поднять груз массой 14 кг, необходимо прик.пады-вать силу 60 Н. Вычислите длину нак.юннол плоскости. 18. (б баллов) Мяч массой 0,6 кг подбрасывают вертикально вверх с начальной скоростью и, равной 20 м/с. Найдите потенциальную и кинетическую энергии мяча в тот момент, когда его скорость уменьшится в 2 раза. Сопротивление воздуха не учитывайте. 19. (б баллов) Под действием определенной силы тело приобрело скорость движения 10 м/с и прошло расстояние 10 м. Вычислите значение этой силы. Силу трения не учитывайте. Сверьпе ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте задания, которые вы выполнили правилыш, и подсчитайте сумму баллов. Потом эту сумму разделите на четыре. Полученное число будет соответствовать уровню ваших учебных достижений. 165 Зачем уничтожают новые автомобили Народная мудроси» гласит; «Знал бы, где упадешь,— соломки подстелил». Чаще всего ато выражение употребляют в переносном смысле, однако с точки зрения физики верно и ого буквальное значение. кСоломка», на которую мягче падать,— это спортивные маты в физкультурном зале, куча пустых картонных ящиков для страховки каскадеров и другие простые средства защиты человека от повреждений при вероятном падении. Л как народную мудрость используют инженеры? При столкновении движущегося тела с препятствием произойдет их деформации. Если, (тлпример, мороженое упадет на пол. то, согласитесь, беда невелика. А нот если автомобиль сюлкнегт я с другим автомобилем или с бетонной оградой, то это может закончиться трагедие>1. Поэтому конструкторы звтомоб«тлей стараются, чтобы последствия воз»^«ожмых аварий были минимальными. Для этого автомобили конструируют так. чтобы деф-^рмации подвергались только его перодиян или тадмяя части, а салон был максимально защищен от сминамия Проверку своих идей инженеры осуществляют при помощи так называемых краш-mecmoe. Дли проведения такого теста абсолютно новый автомобиль оборудуют огромным количеством датчиков, о салоне размещают манекенов, гоже оснащенных датчиками. После этого автомобит, разгоняют до скорости 40-60 км/ч и напрзавляют на препятствие ^ у_1~« >нцмкпопеде1Ческвя страниц* Уничтожать новенький автомобиль абсолютно не жаль, ведь данные, полученные в результате такик испытаний, позволяют сберечь десятки яеловечеошх жизней Обьем данных, полученных благодаря краш-теста1А. огромен |далее пойдет оечь лишь о тех. которые непосредственно касаются исследуемой темы). lia схеме приведен график зависимости кинетической энергии и энергии деформв' ции от времени после столкновения автомобиля со стеной. (Напомним: уменьшение одного вида и увеличение другого вида энергии было изучено в § 30 «Лревращение механи«^кой энергии. Закон сохранения механической энергии».) Особо внимательные, наверное, заметят, что если сложить величины энергии деформации и KHHeTMf ческой-энергии при скорости, скаже»(?Г^0 м/с, то сумма будет немного меньше, чем первоначальная кинетическая энергия. Это связано с тем, что йсходная кинетическая 1еотия превратится в зшу/ле виды энергии, т орнамнньа^ иа.Графике. Результаты Kpotcemecmo; 3c»eiicuMOCTf>b ниыстич(^ской энергии (сплошная линия) и де.(рС11)мацци (1^унтир1Щ линиям OffN^peAMMu ьспелтааяий. Р'эпе на ерофо>^ удар овтомобшев р. пропШстиис РАЗДЕЛ 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ § 33. ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ ИЗМЕРЕНИЕ ?1 Всем с детства приоы‘1ны слова: горячее, тег»лое, холодное. «Осторожно, чашка горячая, обожжешься»,— предупреждали нас юрослые. Мы ме понимали, что значит «горячая», притрагивались к чашке — и обжигались. «Снег хо/юдный, не снимай перчаток, пальчики замерзнут»,— уговаривала бабушка. Нам очень хотелось узнать, а как это — 'ЖОлодный>, мм сншдали перчатки и вскоре помм-Мали значение зтого смма «Придется побвпь • постели. Температура высокая*.— мастаивал врач А что же такое температура с точки зрения физики? ЗмаковАммся с ломятием ‘ттемпература Первые представления о температуре человек приобрел с по-мощью прикосновения. Характеризуя, например, тепловое состоя* вне очень холодного тела, можно сказать о нем «ледяное», то есть сравнить свои ощущения от прикосновения к этому телу с ощущениями, возникающими при прикосновении ко льду. Определяя, насколько нагреты тс или иные тела, мы сравниваем их температур).!. Когда говорят: «(Сегодня на улице теплее, чем вчера»,— это значит, что температура воздуха на улице сегодня выше, чем вчера; фраза «Снег на о1цу1ц> холодный» означает, что температура снега ниже температуры руки. Таким образом, на илтунтнвном уровне мы определяем температуру тела как физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. Рис 33.1. Опыты для подтверждгния субъективности иоших ошутдений: о — гладкая на ошупь бума.'з кажется холоднее шершавого коврика; б — если погрузить левую руку в теплую воду, правую — в холодную, а через некоторое время обе руки поместить в сосуд с водой комнатной 1смпературы, то возникнет странное ощущение: одну и ту же воду левая рука воспримет как холодную, а правая — как теплую 168 § 33. Температура и ее измерение Однако, опреде.тяя степень нагретости тел на ощупь, можно дать лишь пр1гблнзнтельную оценку их температуры, да и тело не всегда можно потрогать. Более того, ощущения могут нас обманы* вать. И действительно, при одной и той же комнатной температуре металлические предметы кажутся более холодными, чем деревян* ные или пластмассовые, а шершапыс — более теплыми, чем гладкие (рис, 33.1, а). И даже одно тело в один и тог же момент может иметь МП ощупь разную степеш. нагретости (рис. 33.1, б). Поэтому для бомог качественного срштения температур тел используют не субъективные, а объективные факторы, О некоторых из них пойдет ])очь ниже. тш понятие теплового равновесия Опыты доказывают: когда тела с разной стопппыо иагреа'ости контактируют друг с другом, то более нагретое тело всегда охлаждается, а менее нагретое — нагревается. При этом могут изменяться и другие свойства тел: они могут из.ченить размеры, перейти в другое агрегатное состояние, !1ачать лучше или хуже проводить электрический ток, излучать свет другого цвета и т. п. Вместе с тем одинаково нагретые тела, контактируя друг с другом, не изменяют своих свойств, и тогда говорят, что эти тела находятся в состоянии теплового равновесия (рис. 33.2). Итак, дадим определение температуре. Температура — это физическая величина, характеризующая состояние теплового равновесия системы тел. Вспоминаем физический смысл понятия температуры Из курса (])изики 7 класса вы знаете, что температура тела тесно связана со скоростью хаотичного движения его микрочастиц (атомов, молекул, ионов). Это движение так и называют — тепловым. Рис. 33.2. Одинаково горячие или одинаково холодные тела находятся в состоянии теплового равновесия: о — книга на стопе находится в состоянии теплового равновв' сия со столом; б — дерево находится в состоянии теплового равновесия с воздухом; в — игрушки находятся в состоянии теплового равновесия с водой 169 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Частицы толп всегда движутся, следовательно, всегда имеют кинетичес'Н11Ю жергию. Чем быстрее движутся частицы, тем выше темперптурп т(‘ла. Вы также знаете, что скорость движения отдельных чаггнц, а следо1ттолы1<>, и их кинетическая энергия постоянно измепяю^ч^я. По при ТСМ1ЛОИОМ равновесии средняя кинетическая энергия частиц всех тол СИСТ0М1.1, то есть кинетическая энергия, приходящаяся в С1)одиом на каждую частицу, одинакова. Таким обра.юм, с 'гочки .зрения атом по-молекулярной теории температура является мерой средней кинетической энергии хаотичного движения частиц, из ко торых состоит тело (система тел). Итак, мы нашли некий объективный фактор для определения темнератур||| это средняя кинетическая энергия частиц вещества. Dto'j* ())актор не зависит от наших ощущошй, однако он не поможо']' измерить температуру, ведь непосредственно и.змерить среднюю кипетичспжую энергию движения частиц невозможно. Ихмерасм температуру Уже о'1'мочалось, что с изменением темнерату1)ы то.па изме* иякпч^я и некоторые его свойства. Таким образом, изме|тя физи-ч(Ч*кую величину, характеризующую какое-либо из таких свойств тела, можно сделать вывод и об изменении температу'ры тела. Приборы для измерения температлтш называют термометрааш (от Греч, thermos - теплый) (рис. 33.3). Рассмотрим жидкостный термометр, принцип действия которого основан на распгареним жидкости при нагревании (с отим явлением вы знакомы с 7 класса). Простейший жидкостный термометр (рис. 33.4) состоит из резервуара, напатаенного жидкостью, длинной тонкой трубки, в которую выступает столбик этой жидкости, и шкалы. Высота столбика жидкости является мерой темпе- Рис J3 J. Разанмиые виды термометров: а — ккокост>«ый (мерой температурм явлйетса высотз стопбикз ясидмосп«): б — металлический деф<х7мви>*оиный (биметаллическая пластинка, соединенная со стрелкой термометра, изгибается в результате нагревания»: в — термометр сопротивления (с опменемием температуры изменяется сила эле«стрического тока я цепи); г — медицин-смий (вследствие изменения температуры меняется i^er определенного участка термометра) 170 § 33. Температура и ее измерение ратуры: че.м выше температура тела, тем выше столбик жидкости в термометре. Чтобы по высоте столбика жидкости можно было о11]М)Д1и1ЯТ1> тем1Ю|)нтуру, следует иписс-ти шкалу н прежде все>’о обозначить на пен 'шк называемые реперные точки. Такие точки должны быт1. однозначно связаны с какими-то физическими процессами, кото|)ЫС легко воееоздять. Так, чтобы изготовить шпроко используемую шкалу Цельсия^ в качестве реперных точек берут: — температуру таяния чистого льда при нормальном атмосферном давлении. Для этого будущий термометр опуткают в тающий лед и, дождавшись, когда столбик жидкости прекратит движение, напротив верхнего положения столбика ставят отметку 0*С (рис. 33.5, о); — температуру кипения, воды при нор мальном атмосферном, давлении. Будущий термометр частично погружают в кипящую воду и положение сто.пбика жидкости обозначают как 100 "С (рис. 33.5, б). Разделив промежуток между отметками о и 100 ®С на сто равных частей, получим термометр. проградуированный по шкале Цельсия, и единицу температуры по этой шкале — градус Цельсия* ГС). Один градус Цельсия равен одной сотой части илменения температуры воды при ее нагревании от температуры плавления до температуры кипения при нормальном атм<у сфе.рном давлении. Тсмно1)атуру, измероиную по шкале Цельсия, обозначают символом i. Обратите внимание: термометр всегда показывает свою собственную температуру^ поэтому, измеряя температуру тела, нужно дождаться состояния теплового равновесия между этим телом и термометром. * Кроме шкалы Цельсия, использухл- другие температурные шкалы: Кельапна. Фаренгейта. Реомюра. В СИ а качеегте освовной единицы температуры прнвят кельвин (К). 2 1 Рис. 33.4. Строение ЖИДКОС1НОГО термометра; 7 — ретерауар: 2 — трубка; 3 - шкапа Рис 33.5. Построемие температурмой шкалы Цельсии: о — температуре таимия льда приписывают зиачемче 0*С б— температуре кипения воды — тианение 100 *С 171 ir Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ V ПоДООАИМ итоги Параметры контактирующих тел через некоторое время перестают изменяться. Тогда говорят, что тела находятся в состоянии теплового равновесия. Физическую величину, характеризующую состояние теплового равновесия, называют температурой. Температура является ме))ой средней кинетической знергни движения чистин,, из которых состоит тело. Ип практике мы чаще имеем дело с такой единицей температуры, КПК I'pay^yc П,сльсия (®С). Один градус Цельсия ривеп одной сотой части измо11(!Иия температуры воды при ее нагревании от температуры плавления до температуры кипения при нормальном атмосферном да в лен ии. Приборы ДЛ51 измерения температуры называют термометрами. Действие •1Ч!рмометров основано на способности тел изменять свои свойства при изменении температуры. Ко1п рольные ooiipuoti ---- I. Почему ма otaynii нельзя точно определить температуру тела? 2. В чем заклю частей состояние юплоного равновесия? 3. Дайте определение температуры тела. 4. Почему хаотичное /унижение молекул тела называют тепловым движением? S. Чю '(акое юрмомемр? 6. Какие виды термометров вы знаете? Опишите принцип дей ствил жидкостного те1тмометра. 7. Назовите реперные точки шкалы Цельсия. 8. Температуру KjMono тела всегда гюкгзывзег термометр? Уприжиенме i3 - Чем мсудобем термочиетр. который вместо ртути ззлолием водой’ 7 Измеряя температуру тела, термометр следует держать под мыижой несколыю минут Понем-,' ‘ Почему paiMt-poi термометра должны быть ие6ольши%»и по сравмению с разме рами тепа, температуру которого измеряют? Проведите опыт с горячей и холодной водой, приведенный в пункте 1 данного параграфа. Опишите последовательность свомх действий и сделайте вывод ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ Черновмцкмй национальный уиивероггет им. Ормм Оедьковича был основан в 1875 г. по указу императора Австро-Венгрии Франца Иосифа. Тогда в универстете были только теологический, философский и юр«*ду1че-ский факультеты. Сегодня в университете функционирует 1б факультетов. на которых обучаются свыше 16 тыс. стуяем-тов. Учебно-научную работу вуза обеспечивают около 100 докторов наук, профессоров, SOO кандидатов неук, доцентов. Среди основных направлений исследований, связанных с физикой, можно назвать теоретические и прикладные исследования полупроводникового материаловедения; рвзра-ботку новых технологий, материалов, микросхем и приборов для опто-, радио- и микрозлек-троники, полупроводникового приборостроения; статическую оптику, голографию и др_ 172 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11 Тема. Измерение температуры с помощью разных термометров. Цель: измерить температуру воды и воздуха, пользуясь разными термометрами; изучить строение и принцип действия спиртового термометра. Оборудование: два спиртовых термометра с различными ценами деления шкал, несколько видов комнатных термометров (например, жидкостный, металлический деформационный, электронный), два стакана, один из которых примерно наполовину наполнен холодной водой, а второй — теплой, деревянная или пластикоиая па* лочка для перемешивания жидкостей (мешалка). Теоретические сведения Праиила попьэопания жидкостным термометром 1) Т(*рм(»иотр шюГтходимо хранить в спецналыюм футля])е. После пропод‘-ния иэмерени5т термометр следует сразу же убрать в футляр. 2) Снимая показания, термометр следует все время держать вереде, те.мпературу которой измеряют (исключение, например, термометры максимальной температ>’ры*). 3) Во вре.мя и.з.мерения нужно следить за правильным положе-нне.м глаз они должны быть на уровне верхней границы столбе жидкости. 4) Измеряя температуру жидкости, ее следует слегка перемешивать мешалкой. УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготовке к жслерименту 1. Внимательно прочитайте правила пользования термометром. 2. Рассмотрите строение спиртового термо.метра (резервуар со спиртом, запаянная сверху тонкая стеклянная трубка, шкала), ра-тберитесь в принципе его действия. 3. Определите цену де.теяия шкалы и границы измерения каждого из предложенных термометров (если термометр цифровой, то гроимпы измерения определяют по паспорту). (Х^ычныА медицинский термометр — это термометр максимальной температуры: после достижения те.мпературы вашего тела его столбик самостоятельно не опускается. 173 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ 4. Роаультиты занесите в табл. 1. Термометр ПИЯ, обо-анячснные 1ип||рами Блок отметок шкалы Дна сосед- Количество них значе- делений между соседними цифрами Таблица ! Границы измерения Цена деления шкалы верхняя нижняя Эксперимент 1. С/ помощью различных комнатных термометров определите томт?ратуру воздуха в комнате. Результаты и.шерепий аннесите в ’тбл. 2. 2. Обоими спиртовыми термометрами измерьте температуру холодной воды. 3. Обоими спиртовыми термометрами измерьте температуру теплой воды. 4. Измерьте т{*мпературу смеси. Д.пя заюго в стакан с ттп1лой водой вылейте холодную воду; осторожно перемешивая воду меша^ткоя, наблюдайте за из.меяеипем температуры на обоих спиртовых термометрах. Запишите наибольшие показания каждого термо.метра. 5. Закончите заполнение табл. 2. Таблица 2 Измерение температуры воздуха Температура воды t. холодной горячей смеси Измерение температуры жидкости Температура Г. 'С Термометр Термоэсетр Aii^ainj р -уг ..тагов жсперимвкта Сравтгге резу.тьтаты измерений, выполненных с помощью разных термометров. Сделайте вывод, в котором укажите, какую физическую величину вы измеряли, какой термометр, на ваш взг.тяд, дает наиболее точный результат, какой — удобнее в применении, какой — универсален, более практичен. ^ Творчаскоа задание ------------ Подготовьте реферат на одну из тем: «История термометров>: «Различные температурные шкалы»; «Самые удивительные термометры». 174 § 34. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ?! в выпусках ноаостем. когда речь идет о космических исследованиях, вы кмер-мжа слышали фразу ткла* «Спутник вошел в атмосферу Земли и прекратил свое с/щеововамие* Но известна что спутник обладал огромной механической анергией: кинетической, поскольку он двигался, и потенциальной, поскольку находился высоко над поверхностью Зекиш. Куда же исмезла эта энергия? Физики объясняют, что она передалась молекулам воздуха и спутника, то есть перешла в энергию внутри вещества. Поэтому эту энергию называют ниутрсн-ней. О том, что такое внутренняя энергия, и пойдет речь ниже. Знакомимся с понятием «вмутренняя энергиям Мы ужо гоиорнди, что бднгодмря теп лоном у днижению кижОоя частица вещества всегда обладает кинетической энергией (рис. 34.1). Разумеется, значение клиетическон эпер-П1И отдельной частиаы невелико, поскольку о<1ень мала .масса частицы. Например, кине* пгческая эисргш!, ттрпходящаяся в среднем нн одну молекулу газа при комнатной температуре. приблизительно равна 5 10 Дж. Вместе с тем молекул в единице объема пощества оч(*иь много, и поэтому их суммарная кинетическая энергия велика (рис. 34.2). Частицы вещества обладают и потенци ольной энергией, гак как вэаимод(‘йствуют друг другом — 111жтягиваютсз1 и (П'талкипаются. Сумму кинетической энергии теплового движения частиц, из которых состоит тело, и потенциальной энергии их взаимодействия называют внутренней энергией тела. Единица внутренней энергии в СИ джоуль (Дж). Выясняем, от чего зависит внутренняя энергия ТИЛА Мерой средней кииетической Э110|>гни движеиин частиц, из которых состоит тело, является тем-шфатура. Поэтому изменение температур!.! приводит к измшкчшю суммарной кинетической энергии чистин,, «« слсдонателыю, к нзмонешио внутренней энергии тела. Кро.чсе того, с изменением температуры тело расширяется иля сжимается. При этом о о V ^ в ft о * ' ^6 *>■ Рмс. 34.1. Клждвя частица вещества находигся в состоянии непрерывного хаотичного движения, благодаря чему обладает кинетической энергией Рис. 34.2. Суммарная кинетическая эиср1ил молекул воздуха, мапример, в платяном шкафу около Л Ю'Дж f0,4 МЛж! Этой 'лм-ргии достаточна чтобы всех уча-шихся класса поднять примерно ма 2S м 175 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ^ О Оо О ^ 0^0 Рис. 34.3. в разных агрегатных состояниях взаимное расположение молеиул вещества разлин но поэтому отличается и потеиииальмая энергия взаимодействия молекул Рис. 34.4. При одинаковой температуре внутренняя эиер ГИИ Л1*да меньше внутренней энергии такой же массы воды; во время перехода вещества ИТ твердого состояния в жидкое увеличивается потенциальная энергия взаимодействия молекул воды изменяется расстояние между частлиами ве* хцества и» следовательно» изменяется питеиди-АЛЫ{ая Анергия нх нзаимо;и*йстпия. Эго тоже» в свою очередь, обусловлиппет изменение вну* треннтч"! энергии тела. Итак, внутр(>нняя энергия тела зависит от температуры тела. Внутренняя энергия зависит и от агрегатного состояния вещества, так как изменение взаимного расположения частид вещества приводит к изменению потснднвдьной эне.ргии нх взаимодействия (рис. 34.3, 34.4). . I '41.>Л1'чаем iTiivipeHHio ;• энергию мс''’нич-г ку»^ эне^. нЮ При изучении механики мы 1'оворили, что сумму кинетической и потенциальной энергий системы тел называют пачной .механической энергией данпон системы. Кто-то. возможно, скажет: •Пол\'чается. что внутренняя и механическая энергии — одно и то исе!» Одиако это не так. 1^ чем-то формально похожие, эти понятия отличаются по сноей сути — их даже изучают в разных разделах физики. Со временем вы узнаете об этом подробнее, а сейчас укажем только на некоторые отличия. Во-первых, когда говорят о .механической энергии, то это значит, что рассматривают тело (или несколько тел}. А вот если речь идет о внутренней энергии, то рассматривают движение и взаимодействие очень болыного количества частиц (10“ или более). Разумеется, в случае с внутренней энергией неш1зя отследить индивидуальные характеристики каждой частицы,— поэтому физики используют только средние характеристики. Во-вторых, для одного физического тела всегда можно найти систему отсчета, относительно которой это тело не будет имеч'ь механической энергии (см. рис. 29.4). Однако не-П0.3М0Ж110 найти систему отсчета, относительно которой была бы равна нулю внутренняя энергия тела, поскольку не существует системы отсчета. относительно которой не двигались бы все частицы тела. 176 § 34. Внутренняя энергмя Рис. 34.5. BiiyipciiMHR энергия рюкзака, который лежит на полу (о), стоит на стуле (6) И/1И дкижется имеете с мальчиком (в), одинлкоиа, л его мехлмиисская энергия — раэнлн 13-гретьих, механическая эт^1)гия зависит от движения и рас* подожония (})Изического тела относлггелыю д])угих тел или частей тела относительно друг друга. Инутренияя же анергия определи* стоя характером движения и взанмодейстеия только частиц тела. Например, внутренняя энергия рюкзака, который лежит на полу, стоит на стуле или «путешествует* с вами по школьному коридору, одинакова. А вот его механическая энергия в этих ситуациях будет разной (рнс. И4.5). Подводим итоги Любое физическое тело обладает внутренней энергией. Внутренней энергией тела называют сумму кинетической энергии теплового движения частиц, из которых состоит тело, и потенциальной энергии их в.заимодействия. Внутренняя энергия тела зависит от его температуры и агрегат нсич) состояния вещества, из которого это те-то состоит. Контрольные вопросы ------ ■ — ■—— I Почему члетицы мшесгва обладлот потемчмллытой >иерп«ей? всегда обладают «ниетнческой энергией? 2 Что называют внутренней энергией тела? 3. От чего эавйсит внутренняя энергня тела? « Пока лед гмавится его температура не иь меняется. Изменяется лм прм этом внутренняя энергия льда? > Может пи тело обладать внутренней эиергией. но не иметь при этом механической энергии? Если поднять камень, то потенциальная энергия камня, а следовательно, каждой ого частицы, увеличится. О.Ч1«ачает ли это, что внутренняя эне|)1и»| камня тоже увеличится? Поясните свой ответ. 2, Мяч брошен вверх. Как во время д|*мжения мяча изменяется его внутренняя энергия? механическая энергия? Сопротивлением воздуха пренебречь, i. Как изменяются внутренняя и механическая энергии бутылки с водой в вашем рюкзаке, когда вы в морозную погоду входите с улицы в теплый дом? подии* маетесь на второй этаж здания? уско|>яете движение по школьному коридору? 4* Металлический шарик подвесили на веревке и нагрели. Как изменилась внутренняя энергия шарика? механическая энергия? 177 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ § 35. СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ ?! Вспомните, что делают ваши одноклассники после игры в снежки на перемене. Кто то энергично трет руки, кто-то прижимает их к теплой батарее. Для чего они это делают? Конечно, чтобы согреть замерзшие руки. Л чем отличаются способы нагреиймия с 1томо1цью трения и в результате контакта с телом, имеющим более высокую температуру? 6 Рис. 3S.1. Выключенный горячий утюг остывает — передает определенное количестею теплоты окружающей среде, пока нс уоановится тепловое раиножкие Рис 35.2. Бенджамим Томсон (граф Румфорд} 0753-1814). английский физик, в коние XVIII в. впервые экспериментально доказал, что теплота — это энергия, которую можно получить за счет иыполмрнин работы Змамомимся с гфоцессом Т9«и»оп«рягд»-чи и понятием количества теплоты Вам хорюшо известно, что, если выключить из розетки горячий утюг, черсез некоторое время он огтынет (рис. 35.1); погруженная в 1ч>рячий чай холодная ложка обязат(М1ыю нагреется. В каждом из этих слу-чаев изменяется температтгра тел, и это значит, что изменяется их внутренняя энергия. В то же время все эти тела остаются на своих .местах, следовательно, никакой работы не выполняют. В таких слу^тях говорят о передаче тепла. Нагр<п ым утюг передаст теп.тю oici)y-жающему воздуху, горячий чай — той части .южки. которая погружена в него, более нагретая часть ложки — .менее нагретом и т. п. Процесс изменения внутренней энергии тела или частей тела без совершения работы называют теплопередачей (теплообменом). Для кол^гчественнон характериегтикл процесса теплопередачи используют понятие количества теплоты. Количество теплоты — это физическая величина, значение которой равно энергии, получаемой или отдаваемой телом в процессе теплопередачи. Катнчество теплоты обозначают символом Q. Единица количества теплоты в СИ — джоуль (Дж)*. 1гу\\^-Р- 35.3. Схемл эксперимеюи Румфорда: коте, дой поставлен i-w заготовку пушечного о вола; в заготовку пушечного naei н результате сверлении ствола лок с 1Ю-вода заки- 178 § 35. Способы измене» 4утрем»4еи энергии Опыты убеждают, что процесс теплопередачи etKiMOMCH только при наличии рал-ности т»киператур. причем передаваться npou^eoA*uio тепло может только от тела с большей температурой к тели с меньшей температурой. Чем больше разность температур, •l•eм быстрее при прочих рапных условиях осу1цествляется процесс передачи тепла. Этот процесс будет длиться до тех пор, пока тч'мпернтуры тол по сшпут оди-накопыми, то есть пока между те.т1вмн не установится тепловое равновесие. тт Ининияем |1нутрению»о энергию, совершич рабогу Многочисленные наблюдения н эксперименты показывают: даже при отсутствии теплообмена внутреннюю энергию тела можно увеличить, если над телом совершить работу (рис. 35.2—35.4). Так, работа сил трения приводит к увеличению внутренней энергии шнн автомобиля и дорожного покрытия; во время движения авто.мобиля они нагреваются. Точно так же, если нн'гепсниио тереть ладони друг о друга, их внутренняя энергия увеличивается (то есть они разогреваются) вследствие работы силы трения (рис. 35.5). Описаииое явление ш»блюдается и в технике. Например, в процессе обработки металлических деталей за счет работы сил трения заметно возрастает температура как самого инструмента (сверла, резца и т. п.), так и обрабатываемой детали. А как изменится внутренняя энергия тела, если оно само выполняет работу? Проведем опыт. Возьмем толстостепныГ! стеклянный сосуд с небольшим количеством воды. Из-за испарения в сосуде образуется водяной пар. Закупорим сосуд и через 3 Рис. 35.4. Прибор, с помощью которого в середине XVIIt в. Джеймс Джоуль смог точно иэ* мс|>и1ь изменение температуры ноды в результате совер-шенин над ней определенной механической работы. Джоуль нагревал воду, перемешивая ее с помощью специального колеса с лопатками П). по-мешеи»«ого • иэолированный моитеи»«ер е воаой Qh дви-Mr**t*v колеса обеспечивали грузы (J/ Рис. 35.5. Если интенсивно тереть ладони друг о друга, они разогреваются — их энергия увеличивается вследствие выполнения работы Для измерения количества теплоты издавна применяли такую единицу, КПК каморим (от лптип. calor — тепло), (^ойчпе эту единицу час'1Ч1 иополытуют для опредолепия энергии, выдолякмцейся и результат» пот1>еблет1я пищевых щюдуктов: 1 кал«4.2 Дж. 179 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Рис. 35.6. Опыт, под-liiepmMaKMiiHH, что при совершении вотумом работы его вн/треяняя энергия уыемыиается. До«А»ательст80 — появление тумана в сосуде отверстие в пробке начнем накачивать в сосуд воздух. Спустя никоторое время, при достижении определенного давления, пробка вылетит, при атом в сосуде появится туман — мелкие капельки йоды, обрнзовашинеся из нодяио1Ч) пара (рис. 35.6). Г1ояи.ие1Шс тумана свидетельсч'вуе'!' о том, что температура воздзгха в сосу'де уменьшилась,— соответственно ^уменьшилась вн>т-ренвяя .анергия воздуха. Таким образо.м, воздух совершил механическую работу (вытолкнул пробку) за счет уменьшсиия собственной внутренней анергии. Если тело само соаершаст работу, то его анутренпмл оиергия уменьшаетсл. Подводим 1ГГОГМ Есть два способа нзме}|пть внутреннюю анергию тела: совершение работы и теплопередача. П1юцесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы называют теплопередачей. Энергия в процессе теплопередачи 11роизно.иыю мож(гг передаваться TtvibKO от тела с большой темпе-ратл'рой к телу с MeHbuiefi температурой. Количество теплоты — это физическая велячпна, значение которой равно изменению внутренней энергии а процессе теплопередачи. Количество теплотча обозначают символом Q и измеряют в дзкоулях (Дж). При отсутствии теплообмена, когда над телом совершается 1>абота, eix) внут)к^нняя энергия увеличивается; когда тело само еовертаст работу, то его внутренняя энергия уменьшается. Контрольные воорось. --- —г ----- 1 Как шюжмо ишемитъ внутрвиною >меропо 2 Что мвзывл«т тепло- передачей? i Приведите примеры теплопередачи * Что т.тчое количество теплоты? 5. Наювите единицу количества теплоты. 6. Приведите примеры изменения внутренней энергии тела в результате совершения работы. /. Как изменяется оиугреиияя эж-ргия тела о случае, когда оно соиершает работу, и и случае, когд.т над ним совершают р,з6оту, при условии, что юллообмен с окружающими телами отсутствует? Улр.тжненис 35 - — — - =—- - — Почему бойцьс десактирующиеся с вертолетов по кг>^там. надевают перчатки? 7 Мы можем согреть руты, иегтользом» контакт с телом, имеющим более высокую температуру, или трение. Чем отличаются зги способы? 3 Правильно ли утверждение, что в процессе теплопередачи энергия всегда переходит от тела с большей внутренней энергией к телу с меньшей ииут-ронней энергией? Свой ответ обоснуйте. 4". Приведите примеры, когда одновременно совершается работа и происходит теплопередачи. Может ли в таких случаях внутренняя энергия остаться неизменной? 180 § 36. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ п ттт т тт Тт Зачем яитепи торта, оамоюв Центргт|Н01^ А)ми летом носят ватные кдлаты? Как сдепать, чтобы мороженое и летнюю жару быстро ие рлсгаяло, ес ли |>л;(ом ист холодильника? В какой обуьи бс-ктрее озябнут моги: в той. которая плотно прилегает к йоге, или в просторной? После изучемит! данного параграфа вы сможете правильно ответить на все эти вопросы. Знакомимся с механизмом теплопроводности Проведем опыт. Закрепив в лапке штатива медный стержень, прикрепим воском вдоль стержня несколько канце* .тярских кнопок. Если свободный конец стержня нагревать в пламени спиртовкн, то спустя некоторое время кнопки по очереди будут падать на стол (рис. 36.1). Д.ТЯ объяснения этого явления воспользуемся знаниями атомно-молекулярной теории. Когда конец стержня помещаю’/* в пламя спиртовки, то сначала разогрен/»* отся именно зта часть стержня и увеличивается скорость колебател/.иого движения только тех частиц металла, которые н/1ходятся непос1н‘ЛСТ1н*нно в п.замеии. Эти частицы, в.чаимодействуя с соседними частицами, •раскачивают* и их, то есть увеличивают скорость их колебательного движения. В результате ионышается темперютура следующей части стержня и т. д. Образно .можно сказать, что вдоль стержня идет «волна» тепла, кото|»ая последовательно разогревает метал.1. Тепло от металла передается воску, он размягчается, и кнопки одна за друтой отпадают от стержня. Обра'ги'1‘е инимани(% ч'/чз в ходе это1ч> п()оцесса само нощество (медь) не перемещается от одпо/ч) конца ет/*|>жмя к дру/ч/му. Рис. 36.1. Опьп, демонстрирующий те11/1СМ1роиоднос1ь металла Теплопроводность — это процесс передачи тепла от одних частей тела к другим его частям или от одних тел к другим телам, который обусловлен хаотичным движением частиц вещества и не сопровождается перемещением этого вещества. Убеждавмея, что разные М1цсства проводят тепло по-разному Вы, конечно, замечали, что одни вещества проводят теп.<10 лучше, чем друтяе. Так. если поместить в стакан с горячим чаем две чайные ложки — стольную и серебряную.— то серебряная нагреется намного быстрее. Это знашгг. что серебро лу’чше проводит тепло, чем сл’аль. 181 IMS Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Рис. 36.2. Опыты, иллюстрирующие плохую теп* лопроводность дерева (а) и воды (6) Устпиоилено, ч'го лучшие проиодижш тепла - металлы. Дерево, стекло, немало вплов пластмасс проводят тепло значительно хуже, именно поэто.му мы можем, например, держать зажженную спичку до тех пор, пока пламя не дойдет до пальцев (рис. 36.2. а). Плохо проводят тепло и жидкости (исключение — расплавленные .металлы). Проведе.м опыт. Па дно пробирки с холодной подои положим кусочек льда, а чтобы он не всплывал, прижмем его небольшим грузом. Если нагревать МО спиртовке верхний слой воды, через какое-то время иода у поверхности закипит, и лед внизу П1ю6ир1ш еще не растет (рис. 36,2, 0). Еще хуже, чем ясидкости. щюиолят теп-ло газы. И это легко объяснимо. Расстояние между молекула.мм в газах намного бо.тьше. че.м в жидкостях и твердых телах. Поэтому стопкиовения частиц происходят реже, и соответственно энергия от одной частицы к другой переносится медленнее. Стекловолокно, вита, мех очень плохо проводят тепло, поскольку, во-первых, между их волокнами нйхолитоя воздух, а во-вторых, эти волокна плохо проводит тепло сами по себе. Обращаем внимание на теппопроипдиость п природе и ЖИ1НИ человека Вы. наверное, знаете, что домашние животные весной и осенью линяют. Весной мех животных становится более кщюткнм и редеет, осенью, наоборот, удлиняется и становится гуще. Шерсть, мех. пу'Х плохо проводят тепло и надежно защищают тела животных от охлаждения. Представители фауны, обитающие в холодных морях (тю.тени, моржи), под кожей имеют толстую жировую прослойку, которая благодаря слабой теплопроводности позволяет им долгое время находиться и воде не переох^гаждаясь. Многие насекомые зимой закапываются глубоко в землю — ее хорошно тешлоизолядноппые свойства позволяют выясить им даже в сильные морозы. Нокото])ые раст(шия пустыни покр]>1Ты мелкими ворсинками: воздух между ними препятствует теплообмену с окружающей средой. Человек часто применяет те или иные вещества, уч1ггывая их теп.юпроводяость. Вещества с хорошей теплопроводностью приме- 182 § 36. Теплопроводность Рис. 36.3. Там, г/)0 нужно быстро 1и?реддп. тепло от одного тела к другому, применяют вещества с высокой теплопроводностью Рис. 36.4. Чтобы не допустить нагревания или охлаж/юния тел, используют вещеены с малой теплопроводностью:^ о — пористый кирпич является хорошим теплоизолятором; 6 — куртка с подкладкой, наполненной пухом, надежно за1митит от холода МЯ10Т там, где нужно быстро передать тепло от одного тела к дру-го.му. Например, кастрюли, сковородки, батареи отоп*леыия и т. и. изготовляют из металлов (рис. 36.3). Л если нужно предотвратить пигревание или охлаждение тол, применяют вещества, плохо проводящие тепло. Например, деревин* нпя ручка турки позво.ггяет надпить кофе, не пользуясь прихваткой, а в водопроводных трубах, проложенных глубоко под зе.млей, вода не .'шмерзяет даже в очень сщтьные морозы и т. д. (рнс. 36.4). Подводим 1ГГОГИ Тенлопроводность — это процесс передачи тепла от одних тел к другим телам или от одних частей тела к другим его частя.м, который обуслов.18н хаотичным движенне.м часпга вещества н не сопровождается перемещением этого в<*щества. Вещество в разных агрегатных состояннях, а также различ* ные вещества имеют разя>то теплопроводность. Самые лучшие про-водвикн тепла — металлы, самые плохие — газы. Человек широко использует способность раз.т1гчных веществ по-разному проводить тешто. л Кпитропьиые вопросы ----- — . :---=____ - ^ 1. Что называют теплопроводностью? Л. Ил каком примере можно убедитьсм, ‘ПО мега/1лы хорюшо проводят тепло? s. Как происходит передача энергии при теплопроводности? 4, В каком состоянии вещество хуже проводит тепло— в твердом, жидком или газообразном? S, Почему животные не злмер-ЗАЮТ даже в сильный мороз? л Какие материалы хорошо проводят тепло? Где их применяют? 7, Назовите материалы, плохо проводящие тепло. Где их применяют? 183 Рлэдел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Упражнение № 36 =---------------- — 1, Почему с точки зрения физики ныражемие «шуба греет» неправильно? 2. 3. 4. 5», Почему под соломой снег долго не laei? Почему двойные рамы в окнах способствуют лучшей тсплоизолямии квартир? Почему в бесснежные зимы озимые посевы страдают от морозов? При комнатной температуре мегаллические вещи на ощупь кажутся более холодными, чем деревянные. Почему? Когда металлические предметы будут казат(»сл ив ощупь более теплыми, чем деревянные? одинаковыми с ними по температу|>е? Зжпетн^ментапьнс^ задание ■ - --------- - ■ ■ Возьмте два кусхтчка льда, каждый поАОжите в отдельный полиэтиленовый пакет. Один из гтвкетов тщательно обломите ватой Попоките пакеты на тарелки и поставьте их в шкаф. Через час разверните пакеты Объясните результат. § 37. КОНВЕКЦИЯ Представьте жаркий летний полдень, берег моря. Вода на поверхности теплая, а ее нижние слои — прохладные. От воды веет легкий ветерок. А откуда берется этот ветерок, ведь немного дальше от воды дс(>евья даже не шевелятся? И почему на* грелся только верхний слой поды, ведь солнце печет уже достаточно долго? Попробуем ответить на эти вопросы, а также на ряд других. Наблюдаем конвекцию п жидкостях и газах Вы уже знаете, что газы и жидкости плохо проводят тепло. Возни* кают нопросы: почему же тогда нпгргмшется воздух в комнате от ради* a'j'opoB водяного отопления? почему иагревпотг.я вода в кастрюле, поставленной на включенную плиту? Чтобы ответить на них, обратимся к опытам. Наполним круглодонную колбу на три четверти водой и закрепим ее в лапке штатива. Стеклянной палочкой положим на дно кол* 6).1 неосолысо крупинок акварельной К1)ас.ки н станем нагревать колбу снизу. Спустя неко* торое время со дна колбы начнут подниматься окрашенные гтр>*йки воды. Достигнув верхних слоев воды, они будут спускаться вдоль более холодных стенок (рис. 37.1); далее процесс повторится. В результате произойдет естественное перемешивание нагретых п ненагретых частей жидкости. Такой же процесс может происходить и в газах. Чтобы в этом убедиться, достаточно Рас. J7.1. Опыт, демон-сгр1«ру«»щий конвекцию в жкгдкостм. Окрашенные теплые струйки воды поднимаиттся, а холодные— опускаются 184 § 37. Конвекция подержать .1адопь над горячей электроплитой НЛП включенной э.псктрической .лампой. Восходящие потоки горячего воадуха могут даже врап\пть легкую пертушку (рис. 37,2). В прмпслснных случаях наблюдаем еще один инд теплоперсдичи — кои&екцчю. Конвекция — это вид теплопередачи, при котором тепло переносится потоками жидкости или газа. Обратите внимание; конвекция не мо жет происходить в твердых телах, по скольку в них не могут 1ЮЭНПКН>’ТЪ ПОТОКИ вещества- Рис. 37.2. Восходящие потоки горячего щощухл. действуя на легкую ме^лг-тическую еертуш ку хесгавляют ее враимтъся Выясним 11]1ичии1>] Боуниииовепня естественной конвекции. Для о'гого мысленно ш.г делим лс*болыпой объем жидкости в сосуде, размоищтюм над горелкой. Вы зпаоте, что нн любое тело внутри жидкости (или (-аза) действуют сила тяжести и архимедова сила. Те же силы действуют на любой небольшой объем самой жидкости. Как известно, при повышении температуры жидкость расширяется, ее плотность у.меньшается и архимедова сила, действующая на выделенный объем жидкости, становится больше, чем сила тяжести (риг. 37.3). Вследств»!е этого нагретая жидкость (имею1цая мечилную плотность) всплывает, а холодная жидкость (имеющая большую плотность) опускается. Аналогичные соображения справедливы и для газов. Часто естественное перемешивиине слоев жидкости или газа невозможно или недостаточно. В таком случае прибегают к их искусственному перемешивании) — принудительной конвекции (рис. 37.4). На* пример, принудительное перемешивание воздуха осущоств.1яют в космическом корабле. в условиях невесомости, где сила Архимеда не действует. [ > Рис. 37.3. На любой ие большой объем жидкости, находящийся ему три жидкости. дейстауют сила тяжести и архимедом сила Рис. 37.4. Вода в сосуде нагревается благодаря естествен ной конвекции. Но для более равномерного прогревания, налрммер. густой каши хозяйка прибегает « принудительной КОИ8С1ЩИИ — ттеремеши-вает кошу ложкой 185 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Рис. 37.5. Сильные ветры — эго мощные •кОнве«а|иоимые потоки 'И К. Аймюослим «Девятый ««/»>) Рис. 37.6. Образование бризов — дмеаиых и ночных — о6»1»кин«?тсл конвекциеи; а — дневной {морской) 6ри.ч; О - ионной (береговой) бриз Рис. 37.7, )4«Ч>ольшой теилоиой радиатор блыодзрв комвекдии обогревает все помещение ■Ч кзбдюяавв* KOHseicufiio о пртфоде м ыспо^м>*7ги1 ее ■ певсег.невнои жмзмы Естестзенная коявекдня имеет очень большое значение в природе и широко применяется человеком. Из ку1к;а гоограс1)ИИ внм известно, что одним из ()шкторов, в.пияюидих иа климат Земли, являются вет)>ы. А .чнп-ОТР .11Н вы, что одной из осиоиных причин появления ветров на планете явля етгя конвекция (рис. 37.5)7 Рассмоггрии, вапрнмрр, как образуется 6puj — ветер, возникающий у борегя .моря или большого озера. Днем суша прогревается быстрее, чем пода, поэтому температура воздуха над сушей выше, чем над ионррхностыо волы. Воздух над сушей расширяется, его плотность уменьшается, и ои поднимается вверх. В результате давление над сушей падает и холодный воздух i: поверхности шэлосма иачинвет низом пер4».чещаться к суше — вкшикает /7нл1 nott (морской) бриз (рис. 37.(>, а). Ночью ка])гина меняется на протнвопатожную: суша остывает быстрее, воде» соответ* сгиеино имеет более высокую темпера-'туру» и ветер с поверхности земли дует от берега к морю. Этот ветер •— ночной (береговой) бриз (рис. 37.6, б). Из-за iieriaBHOMepuoio нагрева-иия волы во-тникают постоянные течения в водах рек. морей, океанов. Как и ветры, течения играют больш>то роль в формировании к.тимата на нашей планете. С конвекцией мы имеем дело не только в природе, но и в повседневной жизни. Тан. б.пагодаря 1<<>нвекции происходит оСим’рев и охлаждение по-м(*щений (рис. 37.7), нагренмстся вода в ч.лйнпке. Образование тяги — тоже проявление конвекции (рис. 37.8). Воэ- 186 § 37. Коиа*«и4ия дух В печи нагревается н расширяется, его плотность уменьшается, и теплый во.тдух на-пранляегся вверх, в трубу. В ре.чультпте давление поадуха вокруг дров и в 'l•))yГ>e умемь* шаегся и становится мош.шнм, чем давление воздуха в комнате; благодаря этому обогащенный кислородом холодный воздух поступает к дровам. ГТодводям trrocM Конвекция — это вил теллоперодачи, при когтчфом тепло переносится потокамн жидкости или газа. И тио1)лых всмцсствах этот вид тон.по-перодячи 1В‘возможен. 1*пзличаю'1 (ятествсннук) II принудит(?лы1ую комвокцин. Естественную конвекцию можно объяснить наличном архимодовой силы и явлением теплового рпсишреяия. Теплые слон жидкости или газа (имеющие меньшую плотность) направляются вверх, а катодные (большеГ| плотности) — о1х>ткаются. Рис. 37.8. ОЦ(><»з(М)«>иис (жн; обогаив'нмый кислородом хо/юдммй иозцух поступает в печь благодаря конвекции Комтровъмые вопросы =====^^=^==== 1. Опишите опьп, 4ок|ОЫ1Ж1ощий, что в п|:х>цессе нв1|>сваиил теплые потоки жидкости подиимпют01, л холодные - опускаютсл. 7. Что иятыоают конвекцией? S. Чем отлйчпетси конттекцив от юплопрооодмопи? 4. Назовите при чины позникиовемил естественной конвекции 5. Возможна ли конвекции в веществах, находящихся в твердом состоянии? Почему? 6. Что называют принудительной конвекцией? 7. Приведите примеры проявления конвекции В природе и • жизни человека Упражнение N* 37 - 1- Гое пумше размесить сосуд с водой, чтоб*# быстрег ее нагреть, над нагреезгелс-м. под нагремтепем или. сбо Kf от нвр? Гае лучше разиесг|стъ ’«ло чтобы быстрее охладить его с потлощ|»ю льда: на льду, подо льдом или рядом с МММ? Ответы api ументируйю, 2. Почему Т1.ЧЫКИ пламт'ни поднимаются? 3. Почему летом вода в реке на глубине холоднее, чем на поверхности? 4*. Известно, что в результате конвекции слои жидкости с большей плотностью всегда опускаются Почему же зимой водоемы не промерзают до дна? ^спернментальчые г^даил» -=^==^== I. Зажгите свечу, размещенную на подставке, и исследуйте ндприжпенме KCHBCKUHOMHboi г>огоков вдоль открытой д«ер.1 fCM. р.-тс 1; Объясните резуттьтаты наблюдении. Рис 1 187 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ i. Вырежьте из тонкой бумаги прямоугольник, согните его по серединным линиям и снова расправьте. Закрепив на ластике шпеймую иглу острием вверх, разместите на ней подготовленный бумажный листок (см. рис. 2}. Осторожно приблизьте раскрытую ладонь к листку. Он начнет вращаться. Отодвиньте ладонь — листок остановится. Вам остается показать фокус друзьям и объяснить это явление. {Подснаяка: температура ладони не везде одинакова^ § 38. ИЗЛУЧЕНИЕ ?1 в основе нашей цивилизации лежит обмен анергией. Большей частью энергия поступает на Землю от Солнца (рис. 38.1). Используют солнечную энергию листья и цветы, распускающиеся весной под солнечными лучами, ветры и течения, возникающие вследствие разности температур прогретых Солнцем участков Земли. А такие источники тепловой энергии, как нефть, газ, уголь, «выросли» под солнечными лучами глубокой древноаи. Возникает вопрос; как энергип от Солнца попадает па Землю, ведь между этими космическими объектами практически мет мо/текул, то СЧТ1» ни о теплопроводности, ни о конвекции ие может быть и |течи7 Зиако1иимся с излучением Если стать возле открытого огня (костра, печи н т. п.), то можно ощутить, что лицо и другие открытые участки тела нагреваются. Ото означает, что от огня середается определенное количество теплоты. Но как передается тепло? Воспользуемся научными MCTUAB.MM изучения природы, к которым отнсх:ятся най.гюденигщ размышление^ эксперимепт. Мы наблюдаем, что языки пла.менн поднимаются (если это костер) или направляются в тру*бу (если это печь или камни), следовательно, туда же движется и теплый воздух. Отсюда первый вывод: тепло от опгкрытого огня передается не в результате кон-векции (рис. 38.2). Выдвинем /ипотезу: возможно, энергия передлется благодаря теплопроводности. Рис 38.1. Солмие ежесекундно излучае* в окружающее просграмстяо колоссальное количество эмергип. определенная часть которой попадает на Землю 188 § 34. И»лучеи11« Чтобы проверить гипотезу, проведем эксперимент: поместим Boxie огня лист металла (рис. 38.3, а). Он надежно защитит от жара, хотя металл хорошо проиоднт тепло. лист металла стеклом ())ис, 38.3, б), уб<^жласм-ся, что прозрачное стекло, несмотря на хоро* шие теплоизоляционные свойства, защищает от жара хуже, чем непрозрачный металл. Делаем второй вывод; тепло от открытого огня передается не только благодаря теплопроводности. Итак, в данном случае имеем дело еще с одним видом теплопередачи — его называют иэ.1учением. Излучение — это вид теплопередачи, при котором энергия передается с помощью элек* тромагнитных волн. Любое тело всегда излучает элект1>омаг-иитные волны. Чем выше температура тела, тем больше знергии оно излучает. Выясняем некоторые особенности излучения Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме, поэтому при излучеш1и, в отличие от других видов теплопередачи, зиергня .может передаваться через пространство, в кото-ро.м нет вещества. Нап])имер, энергля от Солнца перелается к Земле в другим планетим только благодар.»! и.злучению. Однако неправильно было бы думать, что излучение ш’1)ает важную ]юль толысо н косм^юе. М.^лучеиие — это универсальный вид пгегглоперсдачи. оно осуществляется между всеми телами. Из курса физики 7 класса вам известно, что тела частично отражают В1{димый свет, частично поглощают его и частично пропускают. Эти процессы зависят от оптических своГ1Ств материалов, и » которых состоят тела. Так, черная краска, нанесенная на поверхность тела, поглощает свет, белая — отражает, а прозрачное стекло большую часть падающего света пропускает. Эти свойства видимого света присущи и тепловому излучению. Рис. 38.2. Нэбпюдения педтверждают. что, стоя возле открытого огня, мы полумем зыергмях но не 8 резупв’вте конве«щии Рис. 38J. Металл, который хорошо провоокт тепло, лучше защищает от горичето ппамени (а), чем стекло. явлтои|ееся плохим ПрОЛОДМИКОМ тепла (6) 189 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Р»к. Э8Ж Теппоп1>»<€»*»ч»<. ' — *гпот»ровэим4я поаерж иостъ коробки. 2 — черная поаерхносге: 3 — ручво. 4 — Трубка для соех!инения пмутремн^ части коробки теплоприеммиоз с acHAMOCTHbiAd u.u«oMrtpou Рис М.5. Опыт, демонстрирующий. что слособмостъ тела поглощать тепло зависит от» uaera его поверхности Чтобы доказать это, восиользуомгл то1иитрш'М1шк(ш (рис. 38.4). Ипкрпиим ого и му(|)те штатива и соединим <• жидкостным манометром. К черной стороне гои.по* приемника поднесе.м элек'плтчоскук» плитку (рнс. 38.5, а). Уровень жидкости в колтню маномотрНэ соедилбипом с toik'ioiiiuh'm* ником, сниуится. Это значит, что воздух в коробке нагрелся к расошрился. Повернем тетитоприемник отполированной иовер-хпостью к плитке — в этом случае рялностъ >Тюпяой жидкости в коленах манометра бу" дет HaMHtiru меньше (рпс. 38.3, tf), то есть воздух ь теплоприемклке нагреется слабее. Следовательно, тела с темной iwerp хностью .11/чше поглощают теплотн иллу чение. чгм тела со сеетлои илы omno.iupo еаншш поверхностью. С помощью похожих опытов уотанпг лено также, что тела с темной пчперхмо стью п( только .хунте поглотают тепл(ни>е и^г.учснис, по и активна и,1лучиют тепло, о сла^юотг.хьно, быстрее охлаждаются. С.чедует добавить, что благодаря излучению псе тела при любой т<.,\1пс1шту-ре обменпннются энергией. То i*cti. лнпик тело одновременно и иллучает. и по.ло щапп inen.no. Вели температура гела 60.1 ь Hie температуры окружающих тел, то оно излучает пнерз ии больше, чем поглощает. Велм Ж1! тело холоднее окружак>1Цих to.fi, ю nor.uratpiOMmi им знергня будет болмне, чем излучаемая. Следовательно, иллучение, кик и .тобой другой вид теп.хоиерсдичи, а конце концов приглгдит к тепловому раоновесию ПодвОАмаи мтопя Вид теплопередачи, при котором энергия передается с по.мошью алегггромагнитных волк, называют азлу'чением. Излучение — это универсальный вид тепло|Ш|>елнчи, оно осуществляется между все.мм телами (даже когда они находятся в вакууме). • 190 § 39. Удельная теплоемкость вещества. Количество теплоты . I Интенсинность иалукжия и поглощения телом энергии ап висит от цвет» поперхпости тела. Тела с темной поверхностью лучше нз.пучают и поглощают оиергию. Тела со светлой и серебрисюй поверхностями, наоборот, хуже и излучают, и поглощают тепло. « Контрольные вопросы - ■ 1. По«<ему эиергин от Солнце к Земле не может передаватьсн ни конвекцией, ни теплопроцодноегью? 2. Опишите опыт, подтверждаюи*мй, что энергия костра может передаплтьо1 нс только благодаря теплопроводности. 3. Что называют излучением? 4. Тела какого цвета лучше поглощают тепло? Опишите опыт в подтверждение вашего ответа. 5. Существуют ли такие условия, при которых тело не и.злучвет и не поглощает энергию? 6. Что можно сказать о соотмо-тении по1лпии‘ним и из/тучения энергии телом, если температура тела уменв шпотсл? Упражнеиио N^'ЗВ______ ■■ ■ ■■ - - . . 1. Почему летом люди обычно носят светлую одежду? 2. Почему отопи гельиые батареи лучше покрывать темной краской? 3. Какой цвет лучше вы6|>ать для окраски фургонов рефрижераторов? Л. Зимой в неотап/1Иваемом помещении, окна которого «смотрят* на юг, до-1ЮЛ1.НО тепло. Когда такое может быть? Почему? !», Почему весной .ы1рюпенный ciмосах между стенками колбы откачивают воздух, а поверх ио(Т1> колбы 1и)К|)Ыпают слоем отполированного металла? § 39. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ ВЕЩЕСТВА. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ, КОТОРОЕ ПОГЛОЩАЕТ ВЕЩЕСТВО ПРИ НАГРЕВАНИИ ИЛИ ВЫДЕЛЯЕТ ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ ?1 Hd -р быстра ♦of^oerroi: два или -.илотраммз лид»ос»и*. — кто- ft-» If- что пча oo^ervK) же, что три .кочк;-а/има будут нлгревлться ич -=■ 3tt;T отчет «отмоямо. бузет- пг>зв*с»а-*ьл». 3 возмо'жз — мет Так что, -•о soontT-f'Co С ацяодвии выясним все т-о-горядк,’ от чего змвтсмт количество теплоты, иеобходиыое для идгр«вания тела Если U одппаковые г«эсуды поместить две жидкекпн массами 0,2 •? 0.3 1<г и •: л<>.мо1Ш>к> одинаковых нагревателей нагреть их от 20 до 100^, жидкость какой массы нагреется быстрее? Иод^'маом ипд .егим вопросом. Во-первых, о'ювидно, что если жидкость одна и га же. например, это вода, то для кагреванпя и,о кг воды нужно больше вре.мсни. л следовательно, и большее» количеспу) теплоты, чо.м ,1ля нагревания 0,2 кг. значит, что HOAU tt'cmeo теп.1оты, nto6xoduMoe для нагревания тела, лааисит от массы .т.ого тела. 191 1 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Рмс. 39.1. Опыт по изучетпо завмсиыосп* количестжа теплоты, не-обяодииого АЛЛ Kjrpe вани|1 аещести. от рода вещества Взты ратные веитества одинаковой массы Для одималового итмемения их температуры требуется ратное время, то есть ратное количество теплоты (т^>т^^ о Q- Во-вторых, вспомним, что нагреваине oiiptvic-ленного количества воды от 20 до 100 ’С требует больше времени, чем нагревамио того же количества воды от 20 до, например, 50 (J. Следовательно, чем больше при назревании изменяется температура тела, тем большее количество теплоты необходимо ему передать. В вопросе не указано, о каких жидкостях идет речь, и поэтому ответить, какая из них нагреется быстрее, мы не можем. Ведь необходимое для нагревания )соличестно теплоты за-вз^сит от 1юда вещества. Докажем это. Возьмем 0,3 кг водьз и 0,3 кг нодсюлиоч-иого масла и нагреем обе жидкости от 20 до 100 *С. Измерив время наз'реваиия, заметим, что масло назрел ось быст])ее, а следовате.чь-но, получило меньшее количество теплоты, чем вода (рис. 39.1). То tHvn. количество теп лоты, которое необходимо передать телу для определенного изменения его nie,ttnep(imypui, за висит от рода вещества, из которого состоит это тело. Изменяя мжсу вещества, его род, способы нагревания я ох^тажления. учитывая тепловые потери и стараясь свести их к минимуму, ученые доказали, что количество теплоты, кото рое поглощает тело при нагревании или выде ллет при охлаждении: — пропорциона.1ьно массе тела >Q^m): — пропорционально изменению темпера туры тела — зависит от рода вещества, из кпторо го тело состоит (изготовлено). Это утверждение мэжно записать в виде формулы Q=cmSt, где Q — количество теплоты; m — масса вещества: — из.мевение температуры; с — коэффициент пропорциональности, определяемый родом вещества. В физике этот коэффициент называют удельной теплоемкостью вещества. 192 § 39. Удельная теллоемность вещества. Количество теплоты L KV Даем определение удельной теплоемкости вещества Удельная теплоемкости является характеристикой вещества. Выясним фи.шческое содержание удельной теплоемкости. EIc.iH мясса вещества 1 кг (/л = 1кг), а изменение температуры при нап>евании составило 1 *С то из формулы Q = cm^t по- лучаем, что численное значение количества теплоты равно численному лначевию удельной теплоемкости вещества; {Q} = {c]- Удельная теплоемкость вещества — это физическая величина, характеризующая вещество и численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать веществу массой 1 кг, чтобы нагреть его на 1 ^0. Удельную теплоемкость обозначают символом с и определяют по формуле ^ тА( Из формулы для определения удельной теплоемкости получим / rw N .*. ее единицу — джоуль на килограмм-градус Цельсия Дж кг Удельная теплоемкость покалывает, на сколько джоулей изменяется внутренняя ,*нерзия вещества массой 1 кг при изменении его температуры на 1 *’С, Сравниваем удельные теплоемкости рзанык веществ Удельные теплоемкости разных веществ и материалов могут существенно отличаться. Так, удельная теплоемкость золота Дж 130 ----, и это значит: при нагревании 1 кг золота на 1 ^ оно кг-Х поглощает 130 Дж теплоты, п если 1 кг золота остынет пн 1 то при этом выделится 130 Дж теплоты. Удельная теплоемкость , Да* подсолнечного масла составляет 1700 ---, то есть при нагрева- кг-Х Н1Ш I кг масла на 1 *С оно поглощает 1700 Дж теплоты, а в процессе охлаждения на 1 ‘Х 1 кг масла выделяет 1700 Дж теп.юты. Удельная теплоемкость аеи^естаа в разных агрегатных состояниях различна. '1'ак, удельная теплоемкость воды составляет Дж ____________ Дж 1200 160 кгХ Дж , льда — 2100 кг*Х железа в твердом состоянии — , расплавленного же.теза — 830 Дж «г*Х кг • X ных теплоемкостей веществ определяют опытным путем. . Значения улель- * В СИ удельную теплоемкость измеряют в кг - к : числовые значения . - Дж Дж удсльнон теплоемкости, выраженной в ----— и -----— , одинаковы. кг-Х кг • к 193 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В таблицах 1 -3 приведены удельные теплоемкости некоторых веществ в разных агрегатных состояниях*. Таблица 1. Удельная теплоемкость веществ в твердом состоянии Вещество Дж Вещество Дж кг-®С кг-^С Золото 130 Сталь 500 Свиной 140 Чугун 540 Олово 230 Графит 750 Серебро 250 Стекло 840 Медь 400 Кирпич 880 Цинк 400 Алюминий 920 Латунь 400 Лед 2100 ЖОЛ(!ЭО 460 Дерево (луб) 2400 Таблица 2, Удельная теплоемкость веществ в жидком состоянии Вещество Дж Вещество Дж Сщ кг-*С Ct кг-®С Ртуть 140 Керосин 2100 >1Селезо 830 Эфир 2350 Алюминий 1080 Спирт 2500 Масло подсолнечное 1700 Вода 4200 Таблица 3. Удельная теплоемкость веществ в галообразиом состоянии (при постоянном давлении) Вещество Дж Вещество Дж кг- 'С V» КГ* ^ Углекислый гал 830 Водяной пар 2200 Кислород 920 Гелий 5210 Войду X 1000 Водород 14 300 * При изменении темперя'1'уры удельная теплоемкость вещества изме- няется даже без измеиеиия его агрегатного состояния. Однако хин иг очень точных аычлслеапн изыгметием удельной теплоез<коств можно пренебречь. При низких температурах км пренебрегать нсль-тя. 194 § 39. Удельная теплоемкость яетцества. Количество теплоты Учимо) решать задами Зодомо. При остывдиип киршгчной пр*{м массой 2 т от 60 до 10 'С выделилось 8,8 МДж теплоты. По.тьзуясь данными задачи, определите удельную теплоемкость кирпич». Дано: /л =2000 кр Г,=60®С f, = 10*C Q = 8,8 МДж = = 8800000 Дж г — ? Ашипы фи.шчсскои проблемы Удельную теплоемкость кирпича можно найти по формуле, опреле.)1Я1ощон удельную теплоемкость нещества. Поиск математической модели, решение и анализ результатов О Поскольку с =---, а Л/ = Г,, то получим; mSi с= Определим звачеяне игкомоб велхпнпы: Дж Дж (сЬ = * — КГ- (•’С-ч:) кг-®с * 8800 000 «г880; с = 880^'^^”-. кг* “С 2000(60-10) Прооиализируем результат: полученное значение удельной теплоемкости совпадает с дннными таблицы (см. с. 194), значит, задача решекл правильно. 880 Отлет: удельная теплоемкость кирпича равна Дж кг- с Подводим итоги Опыгш.ш путем монпю установит!., что ко.аичество теплоты, поглощаемое телом при нагрсвапии или ныделяющеечч! при его охлаждении, пропорционально массе этого тела, изменению его температуры и зависит от рода вещестна, из KOTopoi’o это тело состоит (изготовлено): Q ~ vmdit. Удс'льная теплоемкость вещества — физическая величина, характеризующая вещество и численно ранная количеству теплоты, которое необходимо передать веществу массой 1 кг, чтобы нагреть его на 1 Удельную теп.юемкость обозначают символом с и измеряют Дж Q _ В -----. Ее можно выч)1с.11ггь по формуле с =- кг • ’С * П.1И найти в со- ответствующих таблицах. 195 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Контрольнме поиросы — 1. От мего занигит количество теплоты, необходимое для нагревания тела? 2 По какой формуле «ычиелнют количество теплоты, переданное телу при нагревании или выделенное им при охлаждении? 3. Каково физическое содержание удельной теплоемкости вещества? 4. Назовите единицу удельной теплоемкости вещества. О 5. Как известно, С --. Можем ли мы сказать, что удельная теплоемкость зависит тлг от массы нещостил? от изменения температуры вещества? от количества переданной теплоты? Упражнение М« 39 1. Удельная теплоемкость серебра 250 Дж Что это означает? кг- 2. 3. 4. 5. 6. 7. Почему в системах охлаждения чаще всего используют воду? Почему возле мори перепады температур меньше, чем в глубине континента? Стл/1ьную ложку массой 40 г нагрели в кипятке. Какое количество теплоты пошло на ее на1|>епаииС| если температура ложки увеличилась от 20 до 80 "С? Дли нагревании на 160 X детали массой 250 г было передано 20 кДж теплоты, Из какого материала сделана деталь? Подсолнечное масло массой 0,3 кг и воду массой 0,2 кг нагревают от 20 до 100 X в одинаковых сосудах и с помощью одинаковых нагревателей. Какая жидкость ип1 реетсп быстрее? И плюмииис'иой кастрюле массой 500 г нагрели 1,5 кг воды 01 20 X до кипения. Какое количество теплоты передано кастрюле с водой? Изучм геплсжые свойства веществ, исследовали зависимость изменения температуры •ещеов от вретаени нагревания. Для этого на одинаковых нагревателях нагревали медное, длюмммневое и золотое тела одинаковой массы. По результатам наблюдений были пехгтрое-мы три графика (см рисумотО. Огтреоелите какому веществу соответствует каждый график. § 40. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ?! При изучении механических явлений вы уже познаксмиились с проявлением закона сохранения энергии Этот фундаментальный закон выгчзлняется для всех процессов, происходящих в природе, в том числе для процесса теплопередачи. Магематическое выражение закона сохранения энергии в процессе теплопере дачи — это уравнение теплового баланса. Познакомимся с этим уравнением и научимся применять его для решения задач. VB Записываем уравнение теплового баланса ** Прсдгтппьтс систему тел, которая ее получает энергии извне (такую систему называют и.юяированной) и в которой умсныление или уцеличение внутренней энергии тел происходит лишь вслед* 196 § 40. Тепловом баланс Кипяими! водп Рис. 40.1. Применение уравмемия теплового баланса к решению практических идач-а — вычисление количества воры разной температуры, которое нужно добрить в о>-суд для получения теплой воды заданной температуры, б — опредеяентге удельмой jn. теплоемкости пеи^ества: с., . При этом т, т,~т^ т^^т,-т, ствие теплопередачи между телами системы. В таком случае на основании закона сох[>пиения энергии можно утверждать: сколько теплоты отдадут одни тела системы, столько же теплоты получат другие тела этой системы. Обозначим Q' количество теплоты, полученное какнм*либо телом СИСТР.МЫ. а Q — количество теплоты, отданное каким-либо телом этой системы. Тогда закон сохранения энергии для процесса теплопередачи можно записать в виде уравнения, которое называют уравнением теплового баланса: Q, + —Qi +...•♦ . Формулируется оно так: если внутренняя энергия тел, состав ляющих изолированную систему, изменяется только в результате теплопередачи между этими телами, то суммарное количество теплоты, отданное более нагретыми телами системы, равно суммарному количеству теплоты, полученному менее нагретыми те,чами этой системы. Уравнение тстлового ба.1анса применяют для решения ряда практнч(!ских задач (рис. <30.1). Ре)пая задачи на составление уравнения теп.)К)1шго баланса, с.педует помнить: если процесс теплообмена будет /длиться достаточно долго, то » конце кондов устанонится состояние теплового равновесия, то есть температура всех тел системы станет одинаковой. тт Учимся решать Задача. В воду массой 400 г, взятую при температуре 20 ®С, добавили 100 г горячей воды, имеющей температуру 70 ®С. Какой будет конечная температу'ра воды? Считайте, что теплообмен с окружающей средой не происходит. 197 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Дано; W, =400 г=0.4 кг f, = 20“C m, =100 г = 0,1 кг /в =70 X i — ? Анилин физической проблемы В теплообмене принимают участие два тела: отдает энергию тт^чая вода. пол\'чает — холодная. По условию теплообмен с окружающей средой не происходит, поэтому можно воспользоваться уравнением теплового баланса. Поиск математической мойели, решение и анализ результатов Катечество теплоты, отданное горячей водой: ©, =cm,(<-f,). (I) К»)ЛИчество теплоты, полученное холодной водой: Ц=с7Н,(«а-Г). (2) Согласно уравнению leii.TOBotvj балансе (3) Подставив уравнение (1) и (2) в уравнение (3), получим: cm, = -/)=:> m.,(t-t,)>=m,{t^-/). Выпо.лпнм необходимые пргч>бразо1Ш11Ия: Огаол. m,f-f m,f = т m,) = • Окончательно получаем: t = —^ Опреде.зим звачеяяе искомой величины: 1'}=- КГ+ КГ 0,-1.20 + 0,1.70 кг = 3(П < = 30Х. 0.4 + 0,1 Пролпялзтзируем результат: полученное значение конечной температуры воды (30 °С) вполне реально, поскольку оно больше 20 X и меньше 70 X. Ответ: конечная температура воды будет равна 30 X. Подподим итоги ** Для любых процессов, происходящих в природе, выполняется заж)н сохранения энергии. Для изолированной системы, и которой внутренняя энергия тел изменяется только вследствие теп.топере-дачн между телами этой системы, закон сохранения энерг:п1 мож* но сформул51ровать так: суммарное количество теплоты, отданное одними телами системы, равно суммарному количеству теплоты, полученному другими телами этой системы. 198 Лабораторная работа № 12 Математическим выражением закона сохранения энерши в процессе теплопередачи является уравнения теплового баланса: Q. ~Qj =Q, . A Контрол1>ныс вопросы — — 1. Клкаи система называется изолированной? 2. Сформулируйте общее правило, 1ю которому происходит теплопередача между телами, составлнюитими замкнутую систему. Упражнение N940 ■ — ■ — ^ - При решении задач теплообмен с окружаюитей средой не учитывайте. 1. В кастрюлю налили 2 кг воды, нагретой до температуры 40 *С. а потом добавили 4 кг воды при 85 *С. Определите температуру смеси. 2. В ванную налили 80 л воды при температуре 10 *С. Сколько литров воды при 10ОХ нужно добавить, чтобы температура воды в ваннри стала 25*С7 3. В латунным калориметр массой 200 г налили 400 г воды при температуре 20 *С и опустили 800 Г серебра, имеющего температуру 69 °С Вода нагрелась до 25*С Определите удельную теппоемкость серебра. 4. Иегтользуя рис. 40.1. & составьте план проведения эксперимента по определению удельной теплоемкости вещества. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12 Тема. Изучеииз теплового баланса при смешивании воды размой температуры Целы ознакомиться со строением и принципом действия калориметра, определить количество теплоты, отданное горячей водой, и количество теплоты, попучеииое холодной водой, в рс.зул1лате смешиваттин поды размой температуры, сравнить резу/штаты. ОборудовАние: мерный цилиндр, термо метр, калогтиметр, стакан с хо/юдмой водой, стакан с горячей водой, бумажные салфетки, мешалка. Теоретические сведения ==s=sss=^==z. Во многих опытах по изучению тепловых явлений применяют калориметр — устройство, состоящее из двух сосудов (стаканов), размещенных один в другом и разделенных воздушной прослойкой (см. рисунок справа). Из-за слабой теллопроводноои воздуха и благодаря небольшому расстоянию между внутренним и внешним сосудами, что обеспечивает отсутствие конвекционных потоков. ■ калориметре теплообмен с окружающей средой значительно уменыиается. 199 Рахд»л 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ УКАЗАНИЯ к РАБОТЕ ■Ш Подготовка к ?кслермм*итт 1. Определите цену деления шкалы каждого измерительного прибора. 2. Вспомните правила безопасности при работе с мерным ци-лиидром, термометром, горячей водой. Эксперимет Результаты измерении сразу заносите в таблицу. 1. О.тнакомьтесь со строением калориметра. 2. Ha.ieirre в мерный цилиндр 60-80 мл холодной воды. Определите се объем (К,) и измерьте ее температуру (/,). 3. Налейте в калориметр горячей воды (1/3 внутреннего сосуда калориметра) и измерьте ее те.мпературу (). 4. Не вынимая термометра, вылейте в калориметр хаюдную воду из мерного цилиндра н, осторожно перемешивая смесь мешалкой, следите за показаниями термометра. Как только измсио)1ис температуры станет незаметным, измерьте тем-ператл'ру смеси (f). 5. Осторожно выньте термометр из воды, протрите салфеткой и спрячьте в футляр. 6. Перелейте всю воду из калориметра п мерный цилиндр, измерьте общий объем V воды. Обработка результатов эксперимент а 1. Определите массу холодной поды: формуле Ц ~^j) »Ь1числитс количество теплоты, получен- ное холодной водой. 2. Определите объем V\ и массу т, горячей воды: V, = V - Vj, ^2 = Рвояи^'г• Но формуле = вычислите коли- * чество теплоты, отданное горячей водой. 3. Завершите заполнение таблицы. Температура, °С А f, t Объем воды, .мл V. Масса, кг trti ГПу Количество теплоты, Дж Анализ результатов эксперимента Срав1ште количество теплоты, отданное горячей водой, с количеством теплоты, полученным холодной водой. Сделайте вывод, в котором укажите причину возможного расхождения результатов. 200 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13 Тема. ОлредеАеи**е удель«о»1 геплоемкост вещества. Цель: определить удельную теплоемкость вещества и твердом состоянии. Оборудонлние: мерный цилиндр, весы с разновесами, термометр, калориметр, металлический цилиндр с нитью, стакан с водой, электрический чайник с водой (один на класс), бумажные салфетки, мешалка. $ Теорггмческмс сведемии ■■ —: Для определения удельной теплоемкости «ещестм в твердом состоянии можно воспользоваться таким методом. Тело нагревают в кипятке (в воде при 100 *0. а потом опускают в калориметр с холодной водой (см. рис. 40.1, б). Происходит теплообмен, в котором принимают участие четыре тела: отдает энергию твердое тело, получают — вода, калориметр, термаометр. Поско/1ьку термометр и калориметр по сравнению с водой по/1учают незначительное количество теплоты, можно считать, что количество теплоты, отданное твердым телом, равно количеству теплоты, полученному холодной водой: 0,„„« Q_ Итак, (f ) > отсюда с^ш^(г-г^) с^=- где с^, с ^ — удельные теплоемкости вещества, из которого состоит тело, и воды, m,, , т — массы тела и водьс и f , — температуры тепа и воды в начале опыта, г — температура тела и воды после установления теплового равновесия УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Подготовка к эксперименту 1. Определите цену деления шкалы каждого измерительного прибора. 2. Вспомните правила безопасности при работе с мерным цилиндром. термометром, горячей водой. Эксперимент Результаты измерении сразу заносите в таблицу. С помощью мерного цилиндра налейте в калориметр 100-150 мл воды. Измерьте объем воды (Г ,^,,1. 2. Измерьте температуру воды в кялозжметре 201 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ 3. Выньте термометр из поды, но;н>жите его па спл(1и*тку. Подойдите с калориметром к учителю, который из чайника с кипящей иодой достанет за пить металлический цилиндр и положит его в ваш калориметр. 4. Снова поместите термометр в ка.ториметр и, слегка перемешивая воду мешалкой, следите за повышевие.м температу' ры. Как только изменение темпс1мгг>1>ы станет незаметным (то есть установится тепловое равновесие), запишите показание термометра (f). 5. Выньте термометр из воды, осушите его бумажной салфеткой и положите в футляр. 6. Выньте металлический цилиндр из волы, осушите ого бумажной салфеткой и взвесьте. Обработкл результатов эксперимента 1. Определите массу воды в калориметре 2. Воспользовавшись формулой nt. вычислите удельную теплоемкость ме’тлла, из кот(>1юго изготовлен цилиндр 3. Ре.зультаты вычислений занесите в таблицу. г 01 I S 2 л 5 е- а се э* ее X а я а « U а S JC ь 8 5 * о ч а Cl о U 7t а е 2 3 I е « С . Я « и г S а S се JB V < ST а X S. >ч н тт I? Z . SI ^ а « ? а 5 н •« 01 а о « $ 3 «е н а о о а S 1*1? §'=15 К S а л I а Ч ш н QI Анализ результатов эксперимент Восцользопашпись таблицей удельных теплоемкостей веществ в твердом сослчшнии (см. с. 194), оп))едс.чите вещество, из JtoToporo изгочх)влен ци.’шнлр. Сделайте ныиод. в котором уиамсите. какую величину* вы сегодня определяли, какой результат получили, какие факторы повлияли на точность подученного результата. Творческое ваданяе ■ —. ...... . = Предпожте способ определения удельной теплоемкости жидкости. Составьте плен эксперимента. 202 § 41. ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ НАГРЕВАТЕЛЯ ?! Возьмите коробок со спичками, достаньте одну спичку. Перед вами — два холодных твердых 1елл (рис. 41.1). Но если потереть головку спички о коробок, то спичка вспыхнет. Откуда берется эта энергия? Благодаря выполненной работе? Однако, если долго и с усилием тереть о коробок спичку другим концом, столько тепла не выделится. Если зажженную спичку поднести к включенной газовой горелке, то мгновенно начнет выделяться достаточно большая энергия. Откуда появилась эта энергия в газе? Ответы на поставленные вопросы вы найдете в этом па|>Агрстфе, П| Знакомимся с рляиыми видами топлива В жииип шш часто требуется увеличить температуру какого-'1Ч) тела. Так, чтобы в комнате стало теплее, нужно увеличить тем1Ш))атуру воды и батареях отопления, чтобы приг(т)11И'1'ь пищу — температуру воадуха в духовке. Иадаипа человечество для уиеличелия '1чшж*ратуры использовало аиоргию, выделяющуюся во время химической реакции /орения топлива. Из курса химии вы уже знаете, что реакция горения,— а чаще всего это реакция вааммодеЛствия углерода или водорода с кислородом (рис. -11.2).— экзотермическая реакция, то есть происходящая с выделением тепла. Топливом могут служить как природные вещества (каменный угать, нефть, торф, дрова, природный газ) (рис. 41.3). так в спе-цналыю полученные человеком (керосин. Рис. 41.1. Незажженнал спичка и коробок — два холооиых твердых тела Но достаточно потереть спичку о коробов — и сличка вспыхнет С о о а). 9 Р»к. 41Д. Реакция окисления углерош сопровождается вмделе^ кием тепла. С ♦ О. * СО, ♦ О Рмс. 41.3. Дрова ~ раегтро страненное твердое природное топливо Рмс. 41Ж Керосигс бемэин. дизельное топливо — это-жидкое топливо, гюлучеиное человеком 203 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ V/. е, ДРОВА { СУХОЙ СПИРТ КЕРОСИН Рис. 41.5. Для сои|)сменмой цивилизиции топливо является необходимым условием сущее тионания бензин, порох, древесный уголь, этиловый спирт и т. п.) (рис. 41.4). Очевидно, что топливо бывает твердым (ка.ченный уголь, торф, дрова, сухой спирт), жидким (нефть, керосин, бензин, дизельное топливо) и га.тобразмым (природный газ, пропан, бутан). Для современной цивилизадии топливо — необходимое условие су1цсство1ишия. Для рабсл'1э1 траисиорта, различных механизмов в промышленности и сельском хозяйстве, обогрева жи.чья и приготовления пищи человек использует энергию топлива (рис. 41.5). Е-Оди^ поиятле удсльис.' тепог ы сгорм*«ия топа-*».? ^ Разные виды топлива отличаются друг от друга теплотворной способностью. Убедимся в этом с помощью простого опыта. Поставим на левую чашку весов спиртовку, ипполиеиную спиртом. Над спиртовкой подвесим метп.»глимеокую банку с водой, предварительно измерив температуру и объем воды. После уравновешивания весов на левую чашку положи.м гирю массой 1 г. Равновесие весов нарушится (рис. 41.6. а). Зажжем спиртовку. По мере сгорания спирта масса спиртовки со спиртом будет уменьшаться, и через некоторое время равновесие весов восстановится (это означает, что сгорел 1 г спирта) (j)HC. 41.6, б). В этот момент пошеим сгш]>товку, после чего измерим и зафиксируем температуру воды. Повторим опыт. 204 § 41. Теплота сгорания топлива. КПД нагревателя наполнив спиртонку (ссросипом, и убедимся, что в этом слу'1ае иода нагреется больше. Это значит, что при сгорании 1 г керосина выделилось больше энергии, чем при сгорании 1 г спирта. Для количептпенной характеристики теплотворной способности топлива применяют физическую величину, которая называется удельная теплота сгорания топлива. Удельная теплота сгорания топлива — это физическая величина, которая характеризует определенный вид топлива и численно равна количеству теплоты, выделяющемуся в процессе полного сгорания 1 кг топлива. Удельную '1Ч511ЛОТУ сгорания топлива обозначают символом (] и вычисляют по формуле г/ = — , т где Q — количество т(!нлоты, тсоторое выделяется в ходе но.)1110го огорвимя топлива массой т. Из форму.ты для определения удельной теп-.10ТЫ сгорания топлива получим единицу этой f ^ \ величины в СИ — джоуль на килограмм ^---------I. Уделытую теплоту сгорания разных видов топлива оттреде.тяют в лабораторных условиях в заносят в таб-тицы. Рис. 41.6. Опыт, домои-стр«(рую1иии качестос*»юе опычме разных видов топгиаа Удельная теплота сгорания некоторых видов топлива Топливо .ЧДж V* кг Топливо МД 7. кг Порох 4 Древесный уголь 34 Дрова сухие 10 Дизельное топливо 42 БурмЛ уголь 12 Природный газ 44 Солома 14 Нефть 44 Торф 15 Бензин 46 Тротил 15 Керосин 46 КамемпыА уголь 27 Пропан 46 Спирт 27 Ацетилен 50 Антрацит 30 Водород 120 205 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Pwc. 41.7. Различные нагревательные устройства, ислолъзуоные человетсоы. примус (а); газовая плита (6): паяльная лампа газовый котел (г.) Зная удельную теплоту сгора1ШЯ и яассу топлива, легко вычислить количество теплоты, выделяющееся при по.тно.ч сгорании Q этого топлива: поскольку »зичоских опытов, во время которых топливом будет спирт, в качестве нагревателя выбирают спиртовку. Однако даже с помощью самых современных нагревателей nvnoj-можно полностью испольмнтть всю энергию^ 4накоплепную» в 'гон-ливе. Во-первых, пн одно тол.»жво не может в рен.вы1ых yc.iu)uiuix сгореть полностью. Во-вторых, некоторая часть анергии •1'))мтится «бесполезно» (например, уноси'гся с продуктами С1'01)я1жя, уходит па нагревание окружающей С1><‘лы). Коэффициент полезного действия нагревателя — это физическая величина, характеризующая эффективность нагревателя и равная отношению полезно использованной теплоты ко всей теплоте, которая может быть выделена а процессе полного сгорания топлива Математически это записывают так: Т1 = ^==- где Q TI — коэффициент полезного действия (КПД) нагревателя; — полезно использованная теплота: Q-._ — вся теплота, ко- торая может быть выделена в процессе полного сгорания топлива 206 § 41. Теплота сгорания топлива. КПД нагревателя Обычно КПД пырижают в прш^онтах: Q «__ZS252J1L.100% О Учимся р«Ш«Тк МД«ЧМ * Задочо. Т>'ристы остановплись на привал возле ручья и ре-ШИ.ЧН приготовить чай. Какое количество дров им надо заготовить, чтобы вскипятить 10 кг воды? Вода получает 15% энергии, выделяющейся при полном сгорании дров. Температура воды в ручье 15 *С. Дано: кг 15% = 0,15 Г, = 15 "С <,»100 с =4200 --У-кг •"’С « -1 КГ ^Я|ЧИ1 Анализ физической про<Улемы. поиск матема‘ тической модели, решение и анализ результатоо Для решения задачи воспользуемся формулой для нычясления КПД нигронателя: Q Q ^ИЛВН (1) Количество теплоты, выле.ляющееся при полном (Л'орании дров: Qiiodii ** ' (2) Количество теплоты, к(пч>))ую необходимо на-рмс.ходовать на паг])опд11ио поды; (3) Подставяв формулы (3) и (2) в формулу (1). по* .лучим: а т =»ш___= по^ /Яд ^ —с т При нормальном атмосферном давлении вода кипит при температуре 100 ®С. Удельную теплоемкость воды и удельную теплоту сгорания дров ипйдом в таблицах (см. с. 194, 205). С)прсде.чим значение искомой величины: 1Н=[— •кг“С Дж кг Джкг Дж кг; , , 4200 10-(10-15) {«>}=------ ' ,---^ = 2,38; т=2,38 кг. ' ^ 0,16*10’ Проаналнзир>*ем результат. Чтобы нагреть воду, туристам нужно 2.38 кг сухих дров. Для cyxAix дров резу.тьтат вполне реален. Ответ: необходимо заготовить 2,38 кг дров. 207 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Подподим итоги Химическая 1)епкция го1>ення ']’()]1лнна — экзотерм и че(жпя, то есть П1ЮИСХОДИТ с пыделением теплоты. Количество теплоты, вылеляющееся при полном сгораннв топлива, вычисляют по формуле Q-qm, где q — удельная теплота сгорания топлива; т — масса сгоревшего топлива. Удельная теплота сгорания тоштва равна котичеству теплоты. выделяющемуся в процессе по.1Иого сгорания 1 кг топ.тива. Эта физическая величина является характеристикой теплотворной •И- способности топлива и измеряется в джоулях на килограмм Сгорание топлива обычно происходит в нагревателях-КПД нагревателя вычисляют по формуле п = Q. тах: п = Q Q 100 %. Q. или в процен- Контрольныепопросы ■ - ■-_------------- -------------- ---- 1. Какие виды топлива вы знаете? 3. Опишите опыт, подтверждающий, что при горении разных видов топлива выделяется разное количество теплоты. 3. Каков физический смысл удельной TeiuioHit сго[)ания топлива? В каких единицах ее измеряют? 4, Как вычислить количество теплоты, выделяющееся в процессе полного сгорания топлива? Сформу/1ируйте определение КПД нагревлтеяя. Упражиемик * 41 ■ ----- 1. Удельная теплота сгорания дров д* Ш МДк/кг. Что это значит? ? Удельная теплота сгорания пороха намного меньше удельной теплоты сгорания дро« Почему ме горящая спичка в руках — зто достаточно безопасно, а если вспыхивает такая же масса пороха, го можно серьезно пострадать? Сколько теплоты выделится при полном сгорании каменного угля массой Ю кг? В процессе полного сгорания керосина выделилось 92 кДж теплоты. Какова масса сгоревшего керосина? На спиртовке нагрели 300 г воды от 15 до 75 *С. Определите КПД нагревателя, если на нагревание израсходовано 8 г спирта. В чайник налили 2 кг воды при температуре 20 °С. Сколько нужно природного газа, чтобы вскипятить чайник, если иода получает 40% тепла, которое может быть выделено при полном сгорании газа? 3. 4 6. ФИЗИКА И ТЕХНИКА В УКРАИНЕ Научно-технологический комплекс (НТК) «Институт монокристаплоп» НАН Украины (Харьков) начал свою историю в 1955 г. Сегодня я состав НТК входят несколько научных институтов и завод химических реактивов. В сфере научных интересов ученых комплекса — фундаментальные исследования процессов роста кристаллов и взаимодействия излучения с веществом; разработка технологий получения различных детекторов и создание гтриборов на их основе В последнее время большое внимание уделяется разработке тест-систем для давгностики болезней человека и животных 'ЗИЧ.'СЛИД. вирусные гепатиты В и С и т. о). НТК сИмстмтут момояристалловэ имеет тесные гворческие связи со многими ведущими научными центрами и университетами России. Беларуси, Израиля. Китая. Индии. Японии. QUA и стран Западной Европы. 208 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14 Тема. Определение коэффициента полезного действия нагревателя. Цель: измерить КПД устройства, в котором нагревателем является спиртовка (или сухой спирт); убедиться на опыте, что КПД нагревателя меньше 100%. Оборудование: весы, гири, мерный цилиндр, термометр, стакан с водой, круглодонная колба, спиртовка со спиртом (или сухой спирт), спички. Теоретические сведения По определению КПД нагревателя: д = - •100%, где 0„ В С пу DiyiM ((,-(,) — количество теплоты, полученное водой при нагре- вании: — количество теплоты. вьщепя$ощееся при сгорании спирта Здесь — масса водьс с;^ — удельная тетиюемкость водьс t, — температура воды • начале нагревания; Г, — температура воды в конце нагревания, т- — масса сгоревшего спирта, а — удельная теплота сгорания спирта. УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ Посготошса к мспврмааекту 1. Определите цену деления шкалы каждого измерительного прибора. 2. Вспомните правила безопасности при работе с мерным цн* .тиндром, термометром, горячей водой, спиртовкой. 3. Прочитав теоретические сведения, подумайте, значение ка* ких физических величин вам необходимо выяснить путем измерений и вычислений, а значение каких можно найти в таблицах (найдите их). 4. Соберите экспериментальную установку, как показано на рисунке, привелениом в начале работы. Зхсперм«1«кт Результаты измерений сразу заносите в таблицу. 1. Налейте из стакана в мерный цилиндр 80-100 см* воды. Определите объем воды 209 Раэдел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ 2. Перелейте иоду в колбу. Измерьте температуру /, воды в колбе. 3. Определите с помощью весов массу rn^ спиртовки со спиртом (или массу резервуара с сухим спиртом). 4. Поставьте спиртовку под колбу с водой и зажгите ее. 5. Пока вода в колбе будет нагреваться, следите за показаниями те1)Мометра. Когда вода нагреется до 70-80 ®С, погасите пламя (накройте спиртовку или сухой спирт колпачком). Мэм(!рь'1'е температуру воды в колбе. 6. Повторно измерьте массу спиртовки со спиртом (wig)* Обработка результатов эксперимента 1. Вычислите: 1) массу воды: '««ww 2) массу сгоревшего спирта: Щ \ 3) количество теплоты, полученное водой при нагревании: 4) количество теплоты, выделившееся при С1х>1)апии спирта: 9с11иртл> 2. Опр(!делите КПД нагревателя: т) = 3. Закончите запатненне таблипы. Q ^ II Вода Спирт От гт- - О.,.. "С *С м» кг Дж кг кг кг Дж КПД Л. Анал»} э«спер**мр».-т^ Проанализируйте ход эксперимента и его результаты. Сделайте вывод, в котором укажите, какую физическую величину вы сегодня измеря.111, какой результат получили, где вам могут пригодиться приобретенные навыки. Дополи и тел ь«4о« «адание === ■■ , = Предложите план жсперимента по определению КПД электрического чайника АЛощиость чайника указана в его паспорте. 210 § 42. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ?! Взрослый человек можп зл сутки пыполнит(1 работу, приблизитет.ио ревную 1 мли Дж. Среднесутоммое iio-ipeOneHne энергии жителем Земли и сотни раз больше. Из всей энергии, потребляемой человеком, около 90% — энергия топлива. При этом на обогрев помещений и приготовление пищи идет только незначительная часть этой энергии — преимущественно человек использует энергию топлива, превращая се я механическую. Как это происходит и при каких условиях возможно такое превращение? ■Ч Знакомимся с принципом действия t-ini?oabix двигателей Проведем проеггой опыт. Плотно закупорим носик чайника и nocrasirM чайник с водой на горелку газовой плиты. Спустя некоторое время крышка чайника начнет подпрыгивать. Выясним почему. Води в чайнике начинает закипать, давление пара под крышкой увеличивается. В 1К*-зультато наступает момент, коща сила дпвлеиня пара становится больше силы тяжесч’и, действующей на крышку,— крышка подпрыгивает. В этот момент часп. пара выходит наружу, сила давления пара на крышку уменьшается и сила тяжести возвращает крышку на место (рис. 42.1). Если натхэеваиие прюдолжить, то процесс понторится. Следовательно, в описанной системе, состоящей КЗ газовой горелки, чайника с крышкой и кипящей воды, за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, совершается механичспсая работа, при этом часть энергии отдается окружающей среде. Если с крышкой чайника соединить какой-либо механизм, то полу^шм простейшую модель теплового двигателя. Тепловой двигатель — это циклично работающая машина, которая превращает энергию топлива в механическую работу. На примере с чайником выясним, из каких основных частей должна состоять тепловая машина.* Рис. 42.1. На крышку чайника действуют сила тяжести (/■„,= 1пд) и сила давления пара. Если крышка подпрыгивает; если крышка возвращается на место Кроме те.пловых двпгпте.чсА существуют л1*>тио виды тепловых машин. Подробнее об этом шл узнаете в сэ’прпшх классах. 211 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Рмс. 42^ Принцип работы теггпсн1Ы1 машин: рабочее тело получает определенное коли-честао теплоты (С?,; от кагре-вателл. ата теплота частично превращается в механическую змергию (рабочее тело выпол нлет работу А), а частично (0^ передается холодильнику lk)‘nu])itbix, в данной системе механическую работу выполняет пар, который, расширяясь, поднимает крышку. Газ, couepiiuiio-щнй механическую работу в процесса (шогмю pacjiiiijjciina, называют рабочим телом. Но-нторых, пар под крышкой чайника расширяется в результате повышения его давления при нагревании чайника ш) газовой горелке. Устройство, от котсфого рабочее тело получает определенное количество теплоты, называют нагревателем. В-третьпх. во вре.мя опыта водяной пар периодически отдает часть энергии окружающей среде (иначе двигатель не смог бы работать циклично: крышка не возврапщ-лась бы в исходное по.южение и процесс не повторялся бы). Обтлкт, которому рабочее тело отдает определенное количество теп- лоты. называют холодильнико.ч. Любая тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело, холодильник (рис. 42.2). Определяем КПД теплового двигателя В любом тепловом двигателе »!а выполнение работы тратится только часть энергии, выделяемой топливом. Некоторое количество анергии передается окружакшцгй среде (утрачивается). Потерн анергии в тепловых диигате.иях не ограничиваются теп.пооы.чи потерями: еще часть aiie|)i'ini тратится на совершение pn6orv.i но преодолению сил трения частей и механизмов двигателя. 'Гакие потери энергии называют механическими. Таким образом, чем меньше тепловые и мехиинческне потери в двигателе, тем меньше '1Ч)н.пива нужно сжечь*, чтобы сове1)птт1. одну и ту же полезную работу, и тем экономичнее двигат(и|ь. Коэффициент полезного действия двигателя — это физическая величина, которая характеризует экономичность теплового двигателя и показывает какая часть всей энергии, выделившейся в про цессе полного сгорания топлива, превращается в полезную работу Коэффициент полезного действия двигателя (п) вычнслякгг по формл'ле: или в процентах: Л Q. 100 При использовании ядерного топлива энергия выделяется а процессе ядерных реакций (подробнее вы у.шаете об этом в старших к.тнссах). 212 § 42. Принцип действия тепловых двигателей. КПД теплового двигателя где — пояоаипя рнАота; Q„^ — количество теплоты, выде- ляющееся в процессе полного сгорания топлива. Поскольку полезная работа всегда меньше количества теплоты, выделяющегося в процессе полного сгорания топ.чива, то очевидно, что КПД теплового двигателя всегда меньше 1 (100%). Обычно КПД тепловых двигателей составляет 20-40%. Подоодим итоги Тепловым двигателем называют циклично работающую маши* ну, П1)евращающук> эмергню топлива в механическую работу. .Любая тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело, холодильник. Принцип л«)йстпия тепловых машин: рабочее тело получает определенное количество теплоты от нагревателя; часть этой теплоты превраищется в механическую энергию (рабочее тело выполняет работу), а 4RCT1. отдается холодильнику. Коэффициент полезного действия г\ двигателя — это физическая величина, KO'j'opn)i характеризует экономичность теплового двига'1*еля и покнныипст, какая часть всей эн(!1)гии Q,^„, выделившейся в 111)оцес.со полного сгорания топлива, превращается в нолоз-иую 1)нботу 1СПД теплового двигателя вычисляют по ()юрмуло Л = (или П = Q. ■100%). Ко««|рольмы* «опрос.; — 1 Чго Hasweeof тепловым двигетелем? 2. Перечислите ооювмые части теплового ABMraTeim. В чем ммлочается принцип его действия з Назовите основные виды потерь зиергии в тепловых двигателях, д Что называмтт КПД теплового даигателят s Почему КПД теплового двигателя всегда меньше 100%? Упра.шиемме 42 ^ --- 1. При работе теплового двигателя использовано 0.S кг дизельного топлива. При зтом двигатель совершил полезную работу, равную 7 МДж Вычислите КПД двигателя. 2. В процессе работы теплового двигателя сгорело 10 л бензина. Какую полезную работу совершил тепловой двигатель, если его КПД 20%? 3 Какую среднюю мошностъ развивает двигатель мотоцикла, если при скорости движения 90 км/ч затраты бензина составляют 4 кг на 100 км пути? КПД двигателя 25%. ^мслеримемтольмое задание Возьмите стеклянную бутылку, ополосните ее водой и закупорьте бутылку карггофелиной (осторожно вдавите горлышко бутылки в картофелину и уберите остатки картофелины). Поставьте закутюренную бутылку в кастрюлю с водой и начните нагревать воду. Спустя некоторое время «пробка» вылетит (см. рисунок). Объясните это явление. 213 § 43. Некоторые виды тепловых двигателей Узнаем о построении двигателя пнутреннего сгорания Одним иа нниболеч* [жсиространениых видов тепловых двигателей, используемых в транспортных ciHViCTnax, является двигатель енут-реинего сгораним, сконструированный немецким иао6])етател(?м Ишсолиусом Отто (рис. 43.4). lJ))ii работе двигателя внутреннего сгорания топливо сгорает непосредственно внутри его цилиндров, отсюда и название двигателя. Двигатели и и утрем пего сгорания работают на iTtae или жидком т'омлиш*. Двигатель Biiy'j'jjenHoro сгорания (рис. 43.5) СОСТОЙ']’ иа цилиндра (I)* » котором перемещается поршень (2). Внутри поршня шарнирно закреплен шатун (3), Шатун, в свою очередь, соединен с коленчатым валом (4), вращение кото])()Г() обсснечииш*']’ )|ра1цеиие тяговых колес Tj)a)icHopTHOi4> средства. Ji верхней части цилиндра расположены два канала, :шкрытых клапанами ^5). Горючая смесь (смесь воздуха с топливом) через впускной клапан поступает в цилиндр: через выпускной клапан выбрасываются отработанные газы. Кроме клапанов, в верхней част цилиндра некоторых двигате.<1ей имеется свеча (6) — устройство. в котором с помощью электрической искры поджигается горючая смесь. Члбпюдоем рлсогси чгтыре5‘Т^кт>10Г0 ДВМГат^МН ONyrp£>**Nirrn СГОрДНИЯ Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит соответственно из четырех тактов (рис. 43.6). I такт — всасывание. Поршень движется вниз (рис. 43.6, о), в цилиндре падает давление. В это время приоткрывается впускной клапан и горючая с.месь всасывается в цилиндр. В конце I такта впускноГ! клапан закрывается. II такт — сжатие. Поршень движется вверх (рис. 43.6, б) и сжимает горючую с.месь. Когда поршень достигнет крайнего верхнего положения, проскакивает искра и горючая смесь воспламеняется. Рис. 43.4. Николаус Август Отто (1832-1891). немецкий конструктор и пр>едприниматель, создатель четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с электрическим зажиганием Рис. 43.5. Схема построения простейшего двигателя виутреннего сгорания. 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — коленчатый вал; 5 — клапаны; 6 — свеча 215 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Рмс. 43Л. Работа четы-рехтактж>го двигателя внутреннего сгорания: о — всасывание; б— сжатие; в — рабо чий ход; { — выпуск Рис. 43,7. Современный 8-1)илиндровый двмгатепь виутрението сгорания Рис. 43.8. Рудольф Дизель (1858-1913), немецкий инженер, создатель двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия Ш такт — рабочий ход. Раскаленные газы толкают поршень вниз (рис. 43.6, в). Движение поршня передается шатуну, который толкает коленчатый вал и застав.пяет его вращаться,— двигатель выполняет полезную работу. В конце 111 такта приоткрывается выпускной клапан. IV такт — выпуск. Поршень движется вверх (рис. 43.6, г) и через выпускную трубу выталкивает проду1Сты сгорания п атмосферу. В конце IV такта выпускной клапан закрывается. Шапуск отработанных газов сопровождается передачей некоторого количества теплоты окружающей среде. Как и в любом тепловом двигателе, в двигателе внутреннего сгорания есть нагреватель (горючая во.здушная смесь), рабочее тело (раскаленные газы), холодильник (окружающая среда). За цикл газы толкают поршень только один раз, поэтому для равно.мерной работы двигателей чаще всего ставят четыре цилиндра. Их устанавливают на коленчатом валу таким образом, что во время каждого такта работает один из цилиндров. Есть двигатели, имеющие 6, 8 и более цилиндров (рис. 42(.7). В последнее время все чаще применяют дизельные двигатели, названные так п честь немецкого инженера Рудольфа Дизеля (рис. 43.8). Эти двигатели, в частности, не имеют свечей зажигания, их КПД боле(5 высок. У двигателей, описанных выше, КПД составляет 20-25%, у дизельных — 40%. 216 § 43. Некоторые виды тепловых двигателей Рйзмышлием о плюсах и минусах использовании теплой1<о( днигаусл«?й Работа описанных ihiIIHo тепловых двигателей основана на преобразовании тепловой энергии, возникающей преимущественно в ходе двух химических реакций: CM (),->CO, + Q; 2Hj + 0j-*2Hj,0 + Q. Казалось бы, тепловые машины практически совершенны: продукты химических {юакций — «обычные* соединения (углекислый газ входит в состав воздз^ха, вода находится повсюду Boicpyr пас). То есть по.т|учаетея, что эти вещества не загрязняют природу, ЯВЛЯЮТС41 экологически чистыми. Однако не следует делать поспешных выводов. Bo-iicj)HJ>ix, наряду с углеродом и водородом практически все виды топлива сод(?ржат небольшое количество серы, которая со временем iipcBpnJuaoTCii в ядовитую серную кислоту. Во-вто1>ых, на тепловых станциях при сгорании угля образуется пепел, опродсиюнпое количество KOTopoix) ра«.«етается, загрязняя BC(i пок))уг. Н-трстьих, II М0Т01ШХ автомобилей топливо не всегда сгорает ♦до конца», поэтому в выхлопных газах содержится значительное количество отравляющего угарного газа (СО). И это далеко не исчерпывающий перечень! Загрязнение атмосферы стало проблемой для всего челове«1в-ства. Как же бороться с негативными ооследствиями исиользова-пия тепловых дамгателей? Существует несколько основных направлений: 1) уменьшение (или по крайней мере сохранение на стабильном уровне) суммарной .мошностн тепловых машин. Другими слова.мн, потребители энергии (телевизоры, холодильники, лампы и т. п.) должны использоеать меньше энергии; 2) уменьшение вредных выбросов тепловых электростанции, В частности, для этого применяют специальные фильтры: 3) использование нетепловых источников энергии. Подводим итоги Самы.м давним из применяемых в совре.менной технике тепловых двигателей является паровая турбина. Работу в ней совершает нагретый пар, который направляется на лопатки турбины и вращает ее. Еще один пример теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. В НО.М топливо сгорает внутри цилиндров и нагретый воздух, расширяясь, выполняет работу. Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания имеет соответственно четыре такта: всаемвание. сжатие, рабочий ход, выпуск. 217 т Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ В послпдмое время острю стоит проблема загрязнения окру* жающей среды из*за негативных проявлений работы тепловых машин. ty Контрольные вопросы ■ — ■ —- 1. Какие дииглтсли называют паровыми? 2. Назовите основные ^мсти паровой турбины. 3. Опишите работу паровой турбины. 4. Что в паровой турбине служит нагревателем? холодильником? рабочим телом? 5. Почему двигатель внутремиого сгорания так называется? б. Назовите основные части двигателя внутреннего сгорания, опишите их назначение. 7. Какие процессы п|Н)исходят в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания на протяжении каждого из четы|х>х такгои? 8. Докажите, что теплов1>1е двигатели оказывают негативное влимние на окружающую среду. Как решают эту проблему? УпрАЖмеиис N*' 43 ■ ■ ■ — ■ 1. КПД дизельного двигателя составляет 40%. Объясните, что это значит. 2. Опытные водители легко определяют, какая свеча двигателя не работает. Как они это делают? Поясните свой ответ. 3. Тепловые двипттели, несмотря на многочисленные недостатки, являются самыми распространенными. Почему человек отдает предпочтение имен* но им? § 44. ПЛАВЛЕНИЕ И КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ВЕЩЕСТВА ^1 Задумымткъ ли вы над тем. почему тает в руке комочек снега, почему о6ра« зуются ледяные сосуткм и когда это происходит — в оттепель или. наоборот, в мороз? А знаете ли вы. как охладить неимого снега без морозильной камеры’ Почему кусочек свинца можно расплавить в стальной ложке, а кусочек стали в свинцовой — нельзя? Изучив данный параграф, вы сможете ответить на эти вопросы. VV ЗнФиомыякя с процвссами плафлемия и кристАллимцим ** Если яиестн немного снега в теплую комнату, то спустя некоторое время он рлстает. иля, как говорят физики, расплавится. Плавление — это процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. Прос^юлим изменение те.мперату'ры снега в процессе его плавления в теплой комнате. 6 начале опыта (рис. 44.1, а) температура снега ниже О ®С, сиег не тает, а его температура быстро растет. Как только столбик термометра достигнет отметки О *С, температура перестанет увелнчипаться, а в стакане появится вода (сиег начнет плавиться) (рис. 44.1, б). Осторожно перемешаем воду с остатками 218 § 44. Плавление и кристаллизация вещества СНОП! И отмртим, что томш'ратура смеси остается иоилмонпой. И только после того как снег полностью расмлаиится, температура снова начнет возрастать (рис. 44.1, в). Из этого oiiMTii можно сделать по мень-imn'i мерс дна вывода: во-первых, в процессе 11ЛЛПЛСМ1НЯ *юмпоратура снега не изменяется; во-вторых, CHOI' начнш1ет плавиться только после достижения им т(?мпературы О ®С. Опыты доказывают: практически все крисптмлычспсиг вощостаа плавятся после достижения ими определенной температуры; о процессе нлиоления их температура не изменяется. Температура плавления — это температура, при которой твердое кристаллическое вещепво плавится, то есть переходит в жидкое соаоииие. Итак, при лостпж(Ч1ми определенной темпр{)ат>'ры твердые вещества превращаются в жидкость. Точно так же прн определенных )Тлоаних отвердевают (кристаллизуются) жидкости. Например, если поставить сосуд с водой в мороз1ыьную ка.меру. то вода со вре.менем кристаллизуется — превратится в .тел (рис. 44.2). -8='С J Cm*r О "С L Свс!1’ Иол» + 12ч; Водп Рис. 44.1. Наблюдоаие процесса плавления снега в KOMaaie: о — при температуре ниже О “С вода остается и твердом cocrofMMC 6 — при температуре О X снег начинает таяпк* В процессе таяиия температура смеем неизменно равна О *С в — при температуре выше ОХ вода находится в жидком состоянии Кристаллизация — это процесс перехода вещества кэ жидкого состояния в твердое (кристаллическое). Измеряя температу'ру веществ в процессе их охлаждения и последующей кристаллизации. можно сде.Т11ть выводы, аналогичные вывода.м н отношении плавления веществ: во-первых, в процессе кристаллизации температура вещества не изменяется; во-вторых, процесс кристаллизации начинается только после охлаждения жидкости до определенной температуры. Измерения покаэыянют. что темпе ратура кристаллизации вещества равна температуре его плав:1еиия. Рис. 44Л. Вода, помещенная в морозильную камеру, кристаллизуется — превращается в лед 219 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Температуры плавления (кристаллизации) разных веществ достаточно сильно отл1гчаются (см. таблицу). Температура плавления (кристаллизации) некоторых веществ при нормальном атмосферном давлении BetUCCTRu t, ®С Вещество Л “С Водород -256 Алюминий 660 Спирт -115 Серебро 962 Ртуть -39 Золото 1065 Лед 0 Медь 1087 Пяра(|)И11 55 Чугун 1200 Нафталин 80 Сталь 1400 Олово 232 Железо 1535 Свинец 327 Титан 1660 Цинк 420 Вольфрам 3387 Н подои пой таблице нет аморфных веществу поскольку они (вам это известно из курса фнзикл 7 класса) не имеют определенной температуры плавления: нагреваясь, они постепенно размягчаются, а в ходе охлаждения — затвердевают. Далее, изучая процессы плавления и кристаллизации, мы будем рассматривать только кристаллические вещества. Убаядзамсв. яю процессы ”пг8лемия и криствялизации невомможмы без передачи эмергми Если опыт с таянием снега провести в холодильной камере, температура в которой постоянна п равна 0*’С, выяснится следующее. Как и в опыте с таянием снега в теплой комнате, сначала температура снега будет увеличиваться, правда мех1еннее. Это значит, что увеличивается внутренняя энергия снега: более нагретый воздух в камере отдает опреде.ченное количество теплоты менее нагретому снегу. Температура снега будет повышаться до тех пор, пока не достигнет О ®С. И тут начинается самое интересное. Температура снега достигла температуры плавления, а снег не тает (рис. 44.3). Почему? Вспомните: первый опыт проводился в теплой комнате (при температуре выше О *’С). Следовательно, между воздухом в комнате и снегом происходил теплообмен. При этом снег все время получал энергию, в частности и тогда, когда его температура оставалась неизменной. поэтому он таял. Во втором опыте температура плавления снега и температура воздуха в холодильной камере одинаковы. 220 § 44. Плавление и кристаллизация вещества поэтому тсплообмоип по происходит. Снег не получает энергию, слодовптсльно, и не тает. Делаем вывод: чтобы вещество плавилось, нужно, чтобы оно получало энергию. А это значит, что при одинаковой температуре внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней .тергии вещества в твердо.». состоянии. Следовательно, если в холодильную камеру с температурой воздуха О ®С поместить теплую воду, то темпе1)птура воды постепенно уменьшится до О (теплая вода отдает энергию воздуху в KaM(jpt»), однако после этого вода Кристал л из()ват1ч;я не будет. Ведь чтобы перейти в состояние с меньшей внутренней энергией, веществу нуисно о’1'дпть ок))ужающей среде некоторое количество теплоты, а в случае теплового равновесия теплообмен не происходит. Рис. 44.3. в холодильной камере, температура воздуха о которой составлиет 0*С, снег достигает температуры плавления, но не тает щт Строим Iрафии Ш1А1о1ония и кристаллизации вещества Для более подробного изучения процессов плав-тення и крн* стал.тнзацин вещества рассмотрим график зависимости температ>’-ры кристаллического вещества (льда) от времени его нагревания или охлаждения (рис. 14.*1). Участок графика от точки А до точки D соответствует передаче определенного количества теплоты от нагревателя веществу, а следовательно, соответстзует \*вел1гчению внутренней энерпш вещества. Участок от точки D до точки К соответст8>*ет передаче теплоты от вещества холодильнику, а следовательно, соответствует У'меньшеиию вн>'т;юнней энергии вещества. Из графика видно, что в момент начала наблюдения (точка Л) те.мперлт^ра льда составляла —20’С. При работе нагревателя те.мпег»атура льда увеличивается (участок АВ). Согласно атомно-молекулярной reopiiH в это время в узлах кристаллической решетки льда увеличивается кинетическая энергия ко.тебательного движения молекул воды. После достижения те.мпературы О лед начинает п.тавить-ся, и некоторое вре.мя температура вещества не изменяется (участок НС), несмотря на то что нагреватель продолжает работать н передавать льду определенное количество теплоты. Вся энергия, поступающая от нагревателя, расходуется на разрушение кристаллической решетки льда. В этот промежуток врюмени внутренняя энергия льда возрастает только за счет увеличения потенциальной энергии молекул. 221 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Рис. 44.4. График плавление и кри" сталлизамии льда (без соблюдения масштаба) После того КПК весь лед расплавился (превратился н воду) (точка С’), температура вещества снова начала расти (учтггок С1))^ то есть начала возрастать кинетическая энергия движения молекул. В момент, когда температура воды достигла 30 ®С (точка D), иаг))ователь выключили. Воду поместили в холодильник, и ее тем* по])атура начала падать (участок DE). Снижение температуры сии* дстельстнует о 'j’om, что кинетическая энергия, а значит, и скорость движения молекул умеиыпаюч'ся. Когда вода достигает температлфы кристаллизации 0 “С (точка £). скорость молекул уменьшается настолько, что они л-же не могут перспрышвать с места на место. Постепенно они занимают фиксированное положение (участок £/*), н к моменту .-завершения крнсталлнзвцни все мо.1екулы колеблются только около положения равновесия. Вода переходит в состояние с меньшеб внутренней энергией — по.т костью превращается в лед (точка F). При ля.тькейшей работе хатодв.тьнпка замерзшая вода (лед) остывает, а кинетическая энергия ко.1ебатсльного движения молекул уменьшается (участок FK). Подводим итоги Тепловой процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называют плав.1еиием. В процессе плавления температура вещсстпа не изменяется. Температура, при которой твердое кристаллическое вещество переходит в жидкое состояние, называют те.мпсратурой плав.ления. При одинаковой температуре вилтренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии вещества в твердом состоянии. Чтобы вещество перевести из твердого состояния в жидкое, необходимо выполнение двух условий: вещество нужно нагреть до те.мперат>’ры плавления; при плавлении вещество далжно получать энергию. 222 § 44. Плавление и кристаллизация вещества Пуюцесс персходп вещества из жидкого состояния в твердое называют К])ис1’аллизацией. Температура кристаллизации вещества равна температуре его плавления. Чтобы вещество перевести из жидкого состояния в кристаллическое, необходимо выполнение двух условий: жидкость нужно охладить до температуры кристаллизации; при кристаллизации вещество должно иметь во.'шожность отдавать энергию. л Контрольные вопросы - 1. Какой процесс назьтаю^ плавлением? 2. Как изменяется температура вещества при плавлоиии? 3. Какой процесс называют кристаллизацией? 4. Сравните температуры плиплемия и кристаллизации какого-либо вещества. 5. Будет ли таять лсд в холодильнике, температура в котором О *С? Будет ли замерзать при такой темперагуре вода? 6. Опишите процессы, происходящие при плавлении и кристаллизации льда. Упражнение N*'44 1. Можно /1И расплвиить сталь в свинцовой ложке? Поясните свой ответ. 2. В ведро с водой плавают куски льда. Что при этом происходит; тает лед или замерзает вода? От нею это зависит? 3. На рис. 1 предоau/ienu графики ппавления некоторых веществ. У какого из веществ выше температура плавления? Какое из них в начале опыта имело большую температуру? Воспользовавшись таблицей на с 220. определите, о каких веществах идет речь. 4. На рис. 2 приведен график плавления и кристаллизации определенного вещества Какому сосгоямию вещества соответствуют точки А, В.С * D гра фика? Г. “С. / м 01 т. мня Рис 1 Рис 2 ^ Зиспериментальное задание Смешайте 100 г снега, взятого при температуре 0**С и 30 г поваренной соли П столовая ложка с горкой). Снег качнет быстро таять и остывать. Если в такой раовор опустить кусочек картофеля, то он промерзнет. Объясните почему. [Подсяалм: раствор соли кристаллизируется при более низкой температуре, чем вода.) 223 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ § 45. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ ?! Вы знаете, что при переходе из твердого состояния в жидкое вещество поглощает определенное иоличестао теплоты и его внутренняя энергия увели-чивается, а обратный переход сспровождастся выделением теплоты и умет>-шением внутренней знергии вещества Выясняй, от чего зависит количество теплоты, необходимое для плавления определенной массы вещества, и какое количество теплоты выделяется при кристаллизации. VV Вводим понятна удельной теплоты плавления вещестья И.чучопие процессов плавления и кристаллизации показало, что количество теплоты, которое необходимо израсходовать на плавление определенной массы вещества, равно количеству теплоты, выделяющемуся во время его кристаллизации. Опыты также показывают, что при зтих процессах изменение внутренней энергии вещества прямо пропорционально .кассе вещества. Воаннкает вопрос; одинаковое ли количество теплоты необходимо израсходовать на плавление разных веществ одиваковоз'1 массы? Логично прелположить. что ра.зное, ведь силы взаимодеЛствия между чагпщами различных веществ неодинаковы, поэтому на разрушение их кристаллических решеток наверняка потребуется разное количество энергии. И это на самом деле так. Например, чтобы расплавить 1 кг льда, ему нужно передать в 10 раз больше теплоты, чем необходимо для плавления 1 кг свинца. Удельная теплота плавления — физическая величина, характеризующая определенное вещество и равная количеству теплоты, которое необходимо !1ередать твердому кристаллическому веществу массой 1 кг, чтобы при rep^neiparype ппаапения полностью перевести его в жидкость. Удслыг>то теплот>* пллв.тения обозначают симво.том ' («лямбда») II вычисляют по формуле т где Q — количество теплоты, необходимое для плаплеиия вещества массой /71. Из (|)ормулы для определения удельной теплоты планлсшия получим единицу этой величины в СИ — джоуль на килограмм [ |. I кг } Удельная теплота плавления показывает, на сколько при температуре плавления внутренняя анергия 1 кг вещества, в жидком состоянии больше внутренней энергии 1 кг этого вещества в твердом состоянии. В этом заключается физический смысл удельной теплоты плавления. 224 § 45. Удельная теплота плавления Удгльную теплоту плавления определяют опытны.ч1 пу*тем (рис. 45.1) II фиксируют в таблицам. Уделггная теплота плавления некоторых веществ (при иормальшш атлюс(рериом Оавлепии) Beu^ucTuo , кДж Л f кг Вещество X. к Алюминий 393 Серебро 87 Лед 332 Стиль 81 Железо 270 Золото 67 Медь 213 Водород 59 Вольфрам 185 Олово 59 Парафин 150 Свинец 25 Платине 113 Кис.юрод И Спирт 105 Ртуть 12 Вычисляем количестпо теплоты, необходимое для пллплемия вещества или выделяющееся при его кристаллизации Из <})ормулы для определения удельной теп.'юты плавления — т получиэл формулу ДЛЯ вычисления количества теплоты, которое необходимо передать твердому веществу массой т, чтобы превратить его в жидкость при TeMneparyiie плав.1ения: Q = /jn То есть, чтобы вычислить ко.гичество теплоты^ необходимое для планлепия кристаллического вещестаа, взятого при темпера туре плавления, нужно удельную теплоту плавления этого вещества умнолсить на его массу. Понятно, что количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации вещества, рассчитывают по тон же формуле: Q = Ут. Рис. 45.1. Опыт по определению удельной теплоты плавления воды. В калориметр (I), содержащий известную массу воды (2). погружают лед (3) при температуре О *С. Измерив массу воды после плзвле н«<я Льда и температуру воды до и после плавления льда (г. и ГД определяют удельную теплоту ллаале-имя льда: /v = &■. ..as.. m m m. - m К tliiiuiKli, я 225 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ УЧММС11 решать мдачи Задача. Какое ка1ичество теплоты необходимо, чтобы расплавить 5 кг свикца, взятого при температуре 27 °С? Дано: m - 5 кг /, = 27 °С /, = 327 е = 140 ^ кг •'Г ?.=25-^^ = 25000 кг Дж кг Q - 7 Анали.1 физичеснои проблемы Чтобы расплаиить свинец, ого сначала нужно нагреть до чч‘миературы плавленин. Найдем U таблице- (с. 220) температуру /, плавления свяноа п построим схекяглпгескнй график процесса: 327 27 X, мин Общее ка-ошество теа.тоты Q равно сумме количества теплоты О,, необходимого для нагревания свинца до температуры плавления, и количества теплоты необходимого для плавления. Удельную теплоемкость с и удельную теплоту плавления X свинца найдем п таблии,ах (с. 194, 225). Поиск математической, модели, решение Q = (1) Qj =С/п(|,-1,) — ивгреваияе; 12) Q^ = \m — плавленмс. (3) Подставив формулы (2) н (3) в формулу (1). окончательно получим: Q = cпt{tf-t^)+Xm.. Определим значение искомой величины: IQ U . кг. «>с + /i-. кг=Дж н Дж = Дж; 1«г*‘‘С кг {Q| = 140 о (327-27)+25000 5 -335000: g - 335 000 Дж = 335 хДж. Ответ: необходимое количостно теплоты равно 335 кДж. Подводим итоги Физическая величина, ха))актеризующая определенное веще-rj'Ho и равная количоегтву теплот).!, которое необходимо передать 1 кг этого вещества в твердом состоянпп, чтобы при температ>^ре 226 § 45. Удельная теплота плаяления оловленин полностью П(«ревеспг его в жидкость, илаывлется удель* ной теплотой плАвленмя . Уделмшя топлотп плавления показывает, па сколько впутреп-няя энер1'ня 1 кг вещ<;стиа в жидком сосюяпии, и.чятош при температуре плавления, больше виупюпией анергии 1 кг «того вещеетва U твердом состоянии. Удельная теплота плавления вычисляется по формуле Х = — (Лж и в СИ измеряется в джоглях на килограмм-------. кг Количество теплоты, которое необходимо для плавления определенного вещества, взятого при температл'ре плав.леыия. равно количеству теплоты, выделяющемуся при кристаллизации этого вещества, и вычисляется по формуле Q^\m. ^ Коитрипьные вопросы 1. От чего зависит количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации ве-щестла? 2. Что называют удельной теплотой плавления Heuiecrea? 3. Каков физический смысл удельной теплоты плавления? 4. К,тк вычислить количество теплоты, необходимое для плавления вещества или выделяющееся при его кристаллизации? ^ Уттратнемме 4S 1. Уделкмая теплота плавления стали составляет 84 «Дзк/вт. Что зто значит? 2. Какое из тел имеет большую внутреннюю зчергию и на сколько: алюминиевый брусок массоФ 1 кг. взятый при температуре плавления, или 1 кг рас-пллв/юнного алюминия при той же температуре? .3. Какое количество теплоты необходимо, чтобы pacnniiiiHTii 500 г меди, штой при температуре плавления? 4. Какое количество теплоты выделится мри кристаллизации 100 кг стали и даль нойшем ее охлаждении до 0*С? Начальная температура стали равна 1400 *С. 5. Какое количество теплоты необходимо для превращения 25 г льда, взятого при температуре -15*С. в воду при температуре 10 *С? 6. В горячую веду положили лед масса которого равна массе воды. После того как весь лед расплавился, температура воды уменьшилась до ОХ. Вычислите иа'«альмую температуру воды, если начальная температура льда была 0 X 7. На рмсунне изобрамемы графики зав1*си«юсти температур от времени в про иессе криггалпиззиии двух веществ одинаковом массы Какое вещество имеет более втасокую температуру пллитчтми? ббльшуи» удельную теплоту пллв-ленил? большую удельную теплоемкскть и твердом состияиии? Назоните -тти В1ЧЦ1ЧТНЛ. >.’0 t. И1ГВ 227 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ФИЗИКА И ТЕХНИКА 8 УКРАИНЕ Михаил Петрович Авенариус (18Э$-1895) закончил Петербургский университет, а 1865-1891 гг. работал в Киевском университете; член-корреспондент Петербургской Академии наук. Ученый был организатором и руководителем киевской школы физиков-акспсриментаторои — первой физической школы в Украине. Научные труды М П. Авенариуса касаютси термоэпектри-чества и молекулярной физики. Ученый предлоаоит и обосновал одну из основных формул, описывающих явление термозлектричества {закон Авенариуса) (с термозлекгричеством вы познакомитесь позднее). В области молекулярной физики ученый изучал жидкое и газообразное состояние веществ в условиях изменения температуры и давления. Именно в своей киевской лаборатории в 1873-1877 гг. М. П. Авенариус вместе с учениками получил количественные хараюермстики зтмх процессов — они вошли во все физические cnpaeosHNPOi того времени и бпагодаря высокой точности намерений долгое время оставались неизменными § 46. ИСПАРЕНИЕ И КОНДЕНСАЦИЯ ?! Почему, выходя из реки в жаркий летнии день, мы ощущаем прохладу? Куда исчезают лужи после дождя? Для чего в жару собака высовывает язык? Почему, если нужно остудить руки, мы на них дуем, а если хотим согреть, то дышим? Ежедневно можно задавать себе множество таких вопросов. И этом параграфе вы найдете ответы на некоторые из них. Змвкоккимся с npou^coAi испаре^пмя Любое вещество может переходить нз одного агрегатного состгтя* ния в другое. При определеншох условиях твердое тело может превратиться в жидкость, а жидкость стать твердой или превратиться в газ. Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называют парообразованием. Есть два способа прекрашеиия жидкости в газ: испарение м кипение. Знакомство с парообразованием жидкости начнем с процесса испарения. Если разлить воду, то через некоторое время лужа исчезнет; промокшие под дождем вещи обязательно станут сухими: даже масляный след, оставшийся на асфальте после неисправной машины, го премеигм станет- почти незаметным. Все .-зти явления можно оГгь-яснить испарением жидкости. 228 V п Рис. 46.1. Мояекула. вь*летающая из жид«ости. должна п'реодолргь силы межмолекулярного притя-жемия, которые тянут ее обратно 8 жидкость § 46. Испарение и конденсация Испар«ми« — это процесс ларообраювания с поверхности жид* кости*. Объягняем процесс итпарсиип и делаем вынодь! Рассмотрим проц(!сс испарения с точки зрения атомно-молекулярной теории. Молекулы жидкости постоянно движутся, изменяя скорость своего движения. Среди молекул, хаотично движущихся около поверхности жидкости, всегда найдутся такие, которые «стараются» вылететь из нее. Те молекулы, которые в определенный момент движутся медленно, не смогут преодолеть притяжения со-СЧ*Д1ШХ МОЛ(!КуЛ и ОСТану1Ч!Я в жидкости. Ксли же около поверхности окпясется «быстрая* молекула, то ее кинетической энергии Судет достаточно, чтобы выпо.чиить работу против сил можмолекулярного притяжения, и эта молекула вылетит за П1>елелы жидкости (рис. 46.1). Теперь можно сделать несколько выводов. Во-первых, тот факт, что в жидкости всегда есть молекулы, движущиеся сравнительно быстро, позволяет сделять вывод, что испарение жидкостей происходит при любой температуре. Во-вторых, поскольку в процессе испарения жидкость покидают самые быс'1'рые молекулы, то средняя кинетическая энергия остель-ных молекул уменьшаото!. Поэтому, если жидкость не получает энергии и:ише, она остывает. Кроме того, во врем>1 испарения совершается работа против сил межмолекулярного притяжения и против сил внептего давления, поэтому процесс испарения сопровождается поглощением энергии. Именно поэтому, выходя из реки после купания или находясь в мокрой одежде, мы о1цущаем прохладу. Въ<йснял-*^, от чего Чтобы быстро высушить одежду, мы обычно кладем ее на батарею отопления НЛП проутюживаем. Почеагу мы это делаем? Потому что скорость испарения зависит от температуры жидкости. С увеличением температуры жидкости увеличивается количество ♦быстрых:» молекул, а с^гедовательно, все большее их количество может преодолеть силы меж молекулярного притяжения и вылететь за пределы жидкости, то есть чем выше температура жидкости, тем быстрее она испаряется. * Процесс парообразования происходит к с поверхности твердых тел (вы, наверное, ощзгщалн запах вафта.аина. замечали, что при сильном морозе исчезают замерзшие лужи и т. п.). Этот процесс называют сублимацией (и.ти возгонкой). 229 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Рис. 46.2. С увеличением шющади поверхности (чай пс|}елит из чашки в 6люд|)е) скорость испарения увслими 11ЛСГСЯ. А поскольку при испарении чай теряем энергию, ом быстрее остывает (Б. М Кустодиев «Барыня за чаем») Обратим ниимание ещс- па один момент. Стараясь быстро высушит!» одемсду, мы не положим ос па батарею комком, а i)n(iiipa-впм, по опыту звая. что скомканная одежда высыхает намного мехтеннее. Почему? Потому что скорость испарения jaeucum от л.гощади свобоОмой поверхности жидкости. Ведь чем больше гыощадь поверхности жидкости. тем больше «быстрых* молекул окажется на поверх ностп и тем 6ыст|)ее жидкость испарится (рис. 46.2). С увеличением площади поверхности скорость испарения увеличивается. Нарисуем пп стекле или классной доске три фигурки. Одну изобразим салфеткой, смоченной II спирте, другую - а воде, третью — в масле (рис. 46.3). «Спиртовая» фигурка мгиопеипо испарится, «водяная* продс1)жится немного дольше, тогда как «масляная» будет радовать 1шс пееко.лько дней. Дело и том, что сил1.1 притяжения между мо.теку.лами разных жидкоотей различны. поэтому скорость испарения лависит от рода жидкости. Очевидно, что быстрее испаряются те жидкости, молекулы которых слабее взаимодействуют друг с другом. Жизненный опыт подсказывает, что скорость испарения зависит от движения воздуха. Действительно, чтобы быстро высушить волосы, мы включаем феи в более мощном режиме; чтобы остудить обожженную руку, дуем на нее. Белье, нытчпонпое на ветру, сохнет быстрее, чем в 11омеш,омии. Такую зависимость тоже легко объяснить с ТОМКИ з])011ия молекулярного движения. Около пов(?рх пости жидкости исс1’да существует «облако» молекул, ныле'генших из нее. Эти молекул!.! хаотично движутся, (гталки-ваются друг е дру1'ОМ н с .молекулами д])угих iTiaou. состаиляюншх воздух. Вследствие этого молек>’ла жидкости может так близко подлететь к ее поверхности, что ее «захватят* силы межмолекуляр-яого взаи.модействия и «заставят» вернуться обратно в жидкость (рис. 46.4). А если есть ветер, то он сразу уносит часть вылетевших .молекул и нс дает им возможности верн\-ться. Рис 46 Дсмо*1Стр«ция tjUMCHviocTM скорости испарения от рода жидкости. Через минуту фигурка, нарисованная спиртом, полностью исчезла {оУ, фигурка, нарисованмлн подой, осталась частично (б); испарения масла почти незаметно (в) 230 § 46. Испарение и конденсация Если бы все молекулы, покинувшие жидкость, не зоз5рдща.1Ись в нее. то скорость вспареняя бы.та бы просто колоссальЕод. На пример, при комнатной •|’емпер«’гур(? полный стакан поды испа])ился бы за 6 мин, иод>1 нрн этих ycjJonHHX с 1 см^ ш>ды каждую секунду нылетает молекул. Знакомимся с процессом конденсации Мы уже знаем, что молекулы постоянно вылетают из жидкости и определенное их количество возвращается. Таким образом, наряду* с процессом испарения, в ходе которого жидкость превращается в пар, существует обратный процесс, при котором вещество из газообразного состояния переходит в жидкое. Рис. 46.4. Молекулы, покинувшие жидкость, могут снова вернуться • нее вследствие теп лоеого движения Процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое называют конденсацией. Процесс конденсации (от латии. condennutio — сгущение, уплотнение) моды в природе мы наблюдаем ежедневно. '1’пк, .петиим утром на листьях растений появляются прозрачные каш-льки росы (рис. 46.5, «). Это водяной пар, который днем вследствие испарения накапливается в воздухе, а ночью, охлаждаясь, конденсируется. Когда влажный воздух поднимается в более высокие слои атмосферы, то, охлаждаясь, он образует облака (рнс. 46.5, б). Облака состоят из мелких капелек воды, образовавшихся вследствие конденсации водяного пдро. А когда в.тджный воздух охлаждается около повт'рхностн Земли, образу'ется туман (рис. 46.5. л). Поскать-ку процесс конденсашш сопровождается выде.тенпем энергии, то образование тумана задерживает снижение температу*ры воздуха. Рис. 46.5. Проявления конденса1.|ИМ в природе: выплдепие росы (а}-. o6pнп уменьшилось. В народе говорят; «1к.‘сенний туман снег съедает». ООт>»1сиите эту примету с точки зренитт физики. В странах А.зии для питьевой воды используют специальные сосуды из слабо обожженной глины — алькарацца (см. рисунок). Вода, налитая в зги сосуды, может просачиваться сквозь ее глиняные стенки Почему вода в таких сосудах остается про хладной даже в знойный летний день? Находясь в морозный день на улице, вы можете наблюдать «лар>. идущий изо рта Что вы видите на самом деле? Зкелеримемтальиое задание — - ------ Возьмите хорошо увлажненную и отясатую хлопчатобумажную салфетку, положите ее на блюдце, а блюдце поставьте в холодильную камеру Убедитесь, что сттустя некоторое время салфетка затвердеет, а через несколько дней высохнет Напишите отчет, в котором используйте информацию об испарении твердых тел, найденную в дополнительной литературе и Интернете. 232 § 47. КИПЕНИЕ. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ ?! До ка«ом температуры можно нагреть воду’ Имеет ли смысл увеличивать мощ ностъ горелки, чтобы ускорить приготовление борща? Как вскиляттггъ воду с помощью снега? Ответы на некоторые и] этих вопросов вы найдете в этом пара* графе, на остальные сможете ответить сами после его иэучемия. Знлр.оьв-Дй9Мес1И.в Проведем эксперимент. Закрепим колбу с водой в лапке штатива. Плотно закупорим колбу пробкой с двумя «>т»срсти-ями. li одно иа отверстий поместим трубку для иыходд пара, во второе — Т()рмомстр (1)ис. 47.1). С помощью спиртовки начнем иаг))енать воду в колбе. Чореа некоторое время дно и стенки колбы покроются пузырьками (рис. 47.2, п), обрааованными растворенным и поде воздухом и водяным паром. Дело в том, что в жидкости всегда есть растворенные газы, однако с увеличением температу11Ы растворимость газов уменьшается, а «лишний» газ выделяется в виде пузырьков. Поскольку пузырьки находятся в воде, то в них, кроме воздуха, присутствует еще и водяной пар. С увеличением температуры воды пузырьки увеличиваются в объеме. При достижении пузырьком определенного размера архимедова сила, действующая на пузырек, отрывает его от стенки или от дна сосуда и пузырек поднимается (рис. 47.2, б). На месте пузырька осггается небо.1ыпос количество воздуха — зародыш нового пузырька. Верхние слон воды некоторое время холоднее нижних, поэтому в верхних слоях водяной пар в пузырьке конденсмруется, воздух, находящийся в нем, растворяется и пузырек 1)озко уменьшается и о6'ьKjOMOMvao мергии и не снимет скорости ГфИГОТОПЛСНИЯ Рис. 47.4. Если пережать трубку для отведения водяного пара, давление в колбе увеличится, и это прз'ведет к возрастамию температуры кипения жидкости Рис. 47.5. Кастрюлл-скороваркэ: над жидкостью поддерживается высокое давление благодаря клфтпаиам и герметичной крышке поэтому температура кипения воды достигает 200 “С этого времени внутри пузырьков активно испаряется вода (рис. 47.2, в). Достигнув поверхности воды, пузыр1»ки лопаются н выбрасывают наруж>' значите.тыюе ко.1н-мсство водяного iiniwj (рис. 47.2, г). Пода ип* чинаст бурлить и клок<1тать — мы говорим, что она закипела. Термометр в этот момент показывает температлфу 100 'С. Кипение — это процесс парообразования, происходящий во всем объеме жидкости и сопровождающийся образованием и ростом пузырьков пара. ВыленА^м, от чего тависвгг температура кипения Продолжим нигровать теперь уже кипящую воду и наблюдать за показаниями термометра. Мы увилмм, что столбик тер.мометра застыл на от.метке 100 *С. Следовате.пьно, при кипении температура жидкости не изменяется (ри<*. 47.3). Температура, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения. Выясним, от чего зависит температура кипения жидкости. Для начала >'меньши.м выход пара из колбы, крепко сжав трубку для отведения пира (рис. 47.4). Пар будет собираться над понерхиостьк) поды, давление над жидкостью увеличится, и кипение на некоторое время прекрат1ггся. Температура жидкостп начнет повышаться. Таким образом, температура кипения зависит от внешнего давления. С увеличением внешнего давления температура кипения жидкости возрастает (рнс. 47.5), Нальем в колбу воду комнатной температуры и насосом начнем откачивать из колбы ВО.ЗДУХ. Через некоторое время на внутренней поверхности ко.1бы появятся пу'эырькн газа. Если откачивать воздух и Аа.1ыио, вода закипит (рис. 47.6), но уже при темиерш’уре намного ниже 100 "С. 234 § 47. Кипение. Удельная теплота парообразования Следователыю, ес.пи внешнее давление уменьшается, температура кипения жидкости снижается. Наблюдая кипомие других жидкостей, например спирта, масла, .эфира, можно заметить, что при нормальном давлении они кипят при разных температурах, отличающихся от температуры кипения воды. То есть температура кипения .швисит от рода жидкости (см. таблицу). Температура кипения некоторы.х веществ (при нормальном атмосферном давлении) Вшцостио Томпература кипония, “С Вепщетво Температура КИ1ИМ1ИЯ, 43 Водород 253 Глицерин 290 1СНС.1|01ЮД -183 Масло 310 Эфир 35 Ртуть 357 Спирт 78 Свинец^ 1740 Молоко 100 Медь 2567 Вода 100 Железо 2750 Температура кипения также сильно зависит от на^чичия в жидкости растворенного газа. Если долго кипятить воду, удалив тем самым нз нее растворенный газ. то повторно при нормальном давлении эту воду можно будет нагреть до температуры, превышающей 100 ”С. Такую воду называют перегретой. Вводим noKimic удсяьмок теппотъ« лврообравоввмвя Процесс кипения — это процесс перехода жидкости в пар. м этот процесс идет с поглощением энергии. Поэтому для поддержания кипения жидкости к ней нужно под водить определенное количество теплоты. Опыты показывают: количество теплоты. необходимое для превращения жидкости в пар при неизменной температуре, пропорцнона.тьно массе жидкости и зависит от рода жидкости. Удельная теплота парообразования — это физическая величина, характеризующая определенное вещество и равная количеству теплоты, которое необходимо передать жидкости массой 1 кг, чтобы при неизменной температуре превратить ее в пар. Рмс. 47.6. Набл«эдение за снижением температуры кипения воды при умеиьшеним внешнего давления 235 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ Удельную теплоту парообразования обозначают символом L и вычисляют по ()юрмуле L=-i. т где Q — количество теплоты, полученное жидкостью; т — масса полученного пара. Удельная теплота парообризоштия показывает, на сколько при данной температуре внутренняя энергия 1 кг вещества в газообразном состоянии больше, чем внутренняя энергия 1 кг этого же вещества в жидком состоянии. Единица удельной теплоты парообра- ( Дж ' зования в СИ — джоуль на килограмм -- I кг Удельную теплоту парообразования определяют опытным путем (рис. 47.7) и заносят в таблицы. Удельная men.iLoma парообразования некоторых веществ (при температуре кипения, и нормальном атмосферно.м давлении) Рис. 47.7. Опыт по определе мию удельной теплоты млро образонстний поды (см. также задачу 2 на с. 238) II Вещество , МДж Вещество - МДж кг кг Вода 2,3 Эфир 0.4 Аммиак 1.4 Ртуть 0.3 Спирт 0,9 Воздух 0.2 • W-' Рис. 47.В. Опыт, демонстрирующий конденсацию пара -- - Из формулы для определения удельиоГт теплоты парообразеюаняя вещества легко получить формулу для вьщисления количества теплоты (Q), которое необходимо передать жидкости (массой /п), чтобы превратить ее в пар при неизменной температуре. Действи- телъно, по определению L = — , отсюда т Lm Если перед трубкой для отвода пара поместить какой-либо холодный предмет, на нем будет конденсироваться пар (рис. 47.8). 236 § 47. Кипение. Удельная теплота парообразования Очень точные измсфопия показывают, что при конденсации пара выделяется такое же количество теплоты, какое .штрачивается на па-рообра .юааиие. Учимся решать задачи Зодоча I. Кпкоо количество энергии нужно израсходовать, чтобы 3 кг поды, взятой при температуре О ^С, довести до кипения и полностью испарить? Посп-ройтс грт)тк процесса (не придерживаясь масштаба). Дано: m = 3 кг t^ = О “С /^ = 100^0 кг* “С £, = 2,3-^!?^ = кг = 2.3.10*^ кг Q - ? Анализ физической проблемы Г1ост1юим график зависимости температуры вещество от времени его нагревания. Н первый момент времени т»‘мпе1)атура воды (<,) составляет о "С — точка О на графике. При дальнейшем нагрева и и и температура воды увеличивается пропорционально количеству переданной теплоты Q^, а следовательно, и времени нагревания (участок ОА). Hj)ii температуре 100 ®С (температура кипения вод1.|) вода начинает кяпеть и ее темп^мтура уже не будет изменяться до тех псф, пока вся вода ве вспарнтся (участок АВ графика). Вода при тгом получает осгределеввое количество теплоты Общее количество теплоты Q равно сумме количества теплоты Q,. веобходямого для нагревапкя воды до температуры кипения, п колнчества теплоты необходимого лля парообраэовения. Удельную теплоемкость с воды и удельную тихлоту' оарообра-зования L найдем в таблицах (см. с. 104. 236). Поиск математической модели, решение I — вагреванне воды: Q, = Lm — парообразование; 0 = >,), а потом охлаждается (Оа). Получает тепло вода (©вади)* По условию теплообмен с окрун^ающей средой не происходит, поэтому (1) Поиск математической модели, решение и anu' лип результатов Общее количество теплоты, отданное паром: = ©! + ©£. где ©, = ; Qj = с, т iiftpi» (^1 ~ о • (2) Следовательно, ©|Л1)« ~ (^1 ~0 * 1Соличество теплоты, полученное водой: Q___=с____W____(3) Подставим уфаввенле (2) и (3) в ураваент (1): m , (/-/^1-С-,- 7П- ^ (/. -/}. Окоя^льво . Определим значение искомой величины: Дж Дж -X [11 = кг X кг(Х-Х) кг _ X - . кг кг 4200-0,5-30 - 4200-0.025 50 0.025 1=2,31 = 2310000: МДж кг Патученвый результат совпадает с табличным значением. следовате.тьно. задача решена прави.тьоо. Ответ: уде.тьная теплота парообразовалия воды 2,31 МДж/кг. Подводим итоги Процесс парообразования, который происходит во всем объеме жидкости и сопровождается образованием и ростом пузырьков пара, называют кипением. 238 § 47. Кипение. Удельноя теплота парообразования Температуря Kiiiieim)i жидкости аннисит от внешнего дап.чс* ПИЯ. рода жидкости и пп.пичия рпстт)1м>пиых и ней газов. Удельная теплота пп))<х)бразовапия — ото ())изическая величина. характеризующая оп{>оле.тенное вещество п разная количеству теплоты, которую ееобхолнмо передать жидкости массой 1 кг. чтобы при неизменной температуре превратить ее я пар. Q Удельнуто теплоту вычисляют по форму.ю L = — п измеряют f Дж ^ В джоулях на к ил or ра .мм кг )■ Количество теплоты, необходимое для [1ренращения жидкости н пар при неизменной тс.мпературе, равно количеству теплоты, которую выделяет пар. конденсируясь при неи.змсшнон температуре. Г)то количество теплоты вычисляют по формуле Q^Lm. . Контрольные вопросы - ■ 1. Что такое кипение? 2. Клкие явление наблюдаются в жидкости, прежде чем ома начинает кипеть? 3. Какал сила заставляет пузырек tasa подниматься на поверх ность жидкости? 4. Изменяется ли во вр>емя кипения температура жидкости? S. От каких факторов залип'гг температура кигтения жидкости? 6. На что расходуется энергия, нолучармал жидкостью при кипении? 7. Что называют удельной теплотой парообразо1ынил? 8. По какой формуле мс»жно вычислить количкт-во теплоты, 11ЫАе/1мю1МР<чл в ходе парообразоиами>1 и конденсации жи/^кемтп? у. Упражнекие W* 47 — — — — — 1. Удельная теплота парообразегания воом раем» 2.3 МДж:'кп Что это змач*тт? 2. Чем можно обыкиигь что начиная с момента ы«*(пання воды продсмтжи тельность варки овощей не зависит от интеисивпости нагревания? 3. Известно, что температура кипения воды на вершине Эвереоа составляет около 70 *С Как вы думаете, почему? 4. Почему обжечься паром опаснее, чем кипятком? 5. Какое количество теплоты необходимо передать воде массой 10 кг, взятой при температуре кипения, чтобы превратить ее в пар? Сколько дров ттужно сжечь для этого? Считайте, что вся энергия, выделяющаяся при сгорании дров, расходуется на испарение воды. 6. На сколько увеличится внутренняя энергия 10 кг льда, взятого при темпе ратуре ОТ, в результате превращеиин его л плр с температурой 100'С? 7. В кастрюлю с кипящей «одой поместили открытую колбу с водой. Кипит ли вода в колбе? Cj Экспериментальные задания 1. Осторожно налейте « прозрачную стеклянную бутылку горячую воду. Покачайте воду в бутылке, увеличивал таким образом площадь свободной поверхности воды, а следовательно, скорскть и( 11а|м;ния. Образовавшийся плр вытеснит И.З бутылки чт ть воздуха. Плотно .закупорьте бутылку, перешерпите и охладите ее дно с помощью холодной подь» или тега. Вода в бутылке закипит Объясните это явление 2. Возьмите одморахжый шприц без иглы. при6лмэигет^|НО иапоповйну заполните его теплой водой Плотно та«ми-те отверстие пальцем. Медленно вытягивайте поршень и иаблюдайте за кипением воды (см. рнсу»юк) Объясните наблюдаемое явление Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПОДВОДИМ итоги РАЗДЕЛА 4 «ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ» При изучении jnuyfo раздела вы познакомились е некоторыми тепловы ми процессами, физическими величинами, характеризующими эти процессы, а также с такими фуиОаменшальными понятиями физики, кик температура и внутренняя энергия, 1. Вы узналиэ что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами. СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ L Выполнение работы • Если над телом выполняется работа, то его внутренняя анергия увеличивается ‘ Если тело выполняет работу, то его внутренняя энергия уменьшается Теплопередача • Энергия всегда передается от тела с большей температурой телу с меньшей температурой • Если температуры тел равны, то теплообмена не происходит Теплопроводность Энергия передается череэ вещество, но без перемещения веи^ества с Конвекция Энергия передается потоками жидкости или газа Излучение Энергия гтередается электромагнитными волнами 2. Вы узнали, что изменение вну-тренней энергии в процессе теплопередачи характеризует физическая величина — количество теплоты Q. Единица количества теплоты в СИ — джоуль. 3. Вы узнали об уравнении теплового баланса, который является выражением закона сохранения энергии при теплообмене. УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА I В изолированной системе, в которой внутренняя энергия тел изменяется ■ только в результате теплопередачи, суммарнсте количестио теплоты, отданное одними телами системы, равно суммарному количеству теплоты, полученному другими телами этой системы. Qi Qfi ~ Qg Q/i I 240 Подводим итоги раздела 4 4. Вы поанпкомились с физическими величипами, характеризующими теплопыс свойства веществ: I Физич^сская величина Удел Ы1 оя теплоемкость Удельная теплота плавления Удольнпя т(М1лота пп])ообрпзонаиия Символ для обозначения к L ,Едивида Дж кг •"С Дж кг Дж кг Формула для определения с = - С? Х = mAt Q т т 5. Вы убедились, что в процессе сгорания топлива выделяется энергия, и узнали, что эта энергия используется в работе как ]>азлич11ых нагревательных устройств, так и тепловых двигателей. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ МАШИН Нагреватель 6. Вы познакомились с физическими величинами, характеризующими топливо, нагревательные устройства и тепловые двигатели. Удельная теллоти сгорииия топлива КПД нАгргвателл Символ для обооначення Единица Дж кг % Формула для определения 9 = т л= -100% кпд теплового двигателя % 1 = -^SBSOL. 100% 241 Раздел 4. ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ К РАЗДЕЛУ 4 «ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ» Часть 1. Внутренняя анергия. Теплопередача. Тепловые двигатели Зшкшия 1-4 содержит только один правильный- ответ, (1 балл) В КАКОМ случао уменьшпо'1ч;я внутре1шяя энергия теля? 1. о) тело нагревают; 6) подбрасывают вверх; •) охлаждают; г) расплавляют. 3. (I балл) На рисунке схематически изображено положение поршня и клапанов во время работы двигателя внутреннего сгорания. Какому такту работы двигателя соответствует рисунок? а) всасывание; м) рабочий ход; б) сжатие; i) выпуск. (2 балла; Какое количество теплоты необходимо для нагревания 2 кг а.тюмш1ия на 50 '^С? а) 420 кДж; б) 100 кДж: I) 92 кДж; г) 920 Дж. 4. 5. б. 7. 8. (2 балла) Сколько керосина нужно сжечь, чтобы получить 92 МДж теплоты? Считайте, что керосин croj)aer по.|1Н(к*тью. а) 2 кг; 6) 0,5 KJ*; о) 450 г; г) 1 (Ю кг. (3 балла/ В газовом ваг1>евателе при сгорании 2,5 кг природного газа было получено 82,5 МДж полезной теплоты. Определите КПД нагревате-1я. (4 балла) На сколько градусов можно нагреть 10 кг меди, использовав количество теплоты, выделяющееся при сжигании 100 г дров? Потерями анергии пренебречь. (Г) баллов) Автомобн.пь проехал 60 км и иарнсхолоти! 6 кг ди* зе.11Ы1ого топлива. Какова сила тяги автомобиля, если КПД двигателя рювен 30 % ? (в баллов) Сколько нужно холодной воды при темлерат^фе 15'С и горячей воды при температуре 65 ®С, чтобы приготовить ванну на 250 л с температурой воды 35 '’С? Сверьте ваши ответы с приведенными в конце учебника. Отметьте .тдаиия. которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сум.иу баллов. Потом эту сумму ра.1делите на два. Полученное число будет соответствовать уровню ваших учебных достижений. 242 Задания для самопроверки к разделу 4 Часть 2 Иамамсмме ягр«€атм<ич> состоян»н1 мщясгва Задания 1~5 содержат moLitKO один правильный ответ. 1. (1 балл) Что пропсходит с температ>'рой вещества при кристал- лиаииии? а) смижно’|Ч!я; б) понышиется; в) остнется пеизметпи)»1; г) для одних вещестн повышается, для других — снижается. 2. (1 балл) По какой из приведенных формул определяется удельная теплота парообразовании? a)L»Q m; S) q Q,m: nc-Q/m\t. 3. (2 балла ) Какое вещество можно расплавить в сосуде из свинда? о, железо; 6: медь: ■ I олово; г) вольфрам. 4. (2 балла t В .лабораторных условиях при нормальном атмо<х{№рном давлении провод^!-лн исследование зависимости температуры некой жидкости от времени ее нш'реваиия. Результаты исследования представлены иа гра(|)ико. Используя таблицу темпе]штур кипения, определите, какую жидкость исследовали, о) вода; в) спирт; 6) э()>ир: г) подсолнечное масло. 5. (3 балла) Какое количество теплоты необходимо израсходовать для плав.теяня 5 кг алюминия при температурю плавленпя? о) 0,3 кДж; 5; 3036 кДж; 607 кДж; г) 1965 кДж. 6. (4 балла) Какое ко.шчество теплоты выделяется при конденсации 0,1 кг эфира, взятого при темпериту-рю кипения, и последующем его охлаждении до 15”С? 7. (5 баллов) В железной коробке массой 200 г содержится свинец массой 250 г при температуре 27‘’С. Какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить этот свинец? 8. (6 баллов) В калориметр, где содержится вода при температуре 0®С, впустили 42 г водяного пара при температуре 100°С. После установления теплового равновесия температура в калориметре составила 50°С. Вычислите массу воды в начале опыта. Потерями тепла пренебречь. Сверьте ваши ответы с приведенными в концеуче6ника.Отметьте задания, которые вы выполнили правильно, и подсчитайте сумму б<1ллов. Потом эту сумму разделите на два. Полученное число будет соответствовать уровню ваших учебных достижении.. 243 Что такое тепловые трубки 11пг|М!1Ш1тс Охлпждонип ICiiimjiJiMpiiiui гтруктурн (фитиль) Рис. 1 ,« I , Вы ужо знаете, что самые лучшие проводники тепла — металлы, а среди них «рекордсменами» являются медь, серебро, алюминий. И когда у вас спросят: «Как быстрее всего передать тепло от одного участка к другому?».— вы. безусловно, вспомните. что если один конец медного (или алюминиевого, серебряного) стержня расположить в горячем месте, то второй его конец быстро нагреется. А можно ли передать тепло быстрее, чем с помощью этих металлов? Казалось бы, нет, ведь эти металлы недаром называют рекордсменами. Однако инженеры решили и такую задачу, а изобретенное устройство назвали тепловой трубкой. Объясним принцип ее действия (рис. 1). Возьмем запаянную трубку с небольшим количеством воды внутри. Верхний конец трубки поместим в горячее место. Капельки воды, оставшиеся на внутренней поверхности этой части трубки, начнут превращаться в пар. Молекулы пара «полетят» во все стороны, в том чис/ю вниз, где и сконденсируются на участке холодного конца трубки. Величина теплоты испарения воды очень велика, поэтому передача тепла в трубке происходит чрезвычайно эффективно. К сожалению, конструкция имеет очень существенный недостаток — «одноразовость»: капельки «оды испаряются, и процесс передачи тепла п|>екращаетсп. Для рсмлемил этой мроблем1а инженеры воспользова/)ись так называемым капиллярным эффектом. (Вспомиитс: если край рубашки или платья попадет в воду, то мокрым становится не только сам край, но и ткань вокруг.) Капмлляриые структуры разместили вдол> внутренних стенок тепловой груб«м (красная полоса на рис 1L и трубка стала «многоразовой». В таком устройстве вода движется «по кругу» ма горячем конце трубки (вверху) вода испаряется пар переносится вниз и коидемсируется в холодной части трубки: образовавшаяся вода по капиллярам постутмет вверх, снова испаряется и т д. Для решения конкретных задач трубки изтотввливают из металла, а капилляры делают а виде проволочного жгута (рис 2 или напыленных микрочастиц (рис 3). Тепловые трубки очень распространены. Так. тепловая трубка, подобная приведенной на рис 2. применяется для охлаждения пер€Оиа№ньи компьютеров. Неожиданное применение тепловые трубки нашли на Аляске. На рис 4 показам участок газопровода, построенного в районе вечной мерзлоты. Во время перекачивания газа он рВэог^евается. тепло передается трубе, а часть этого тепла, нагреем опору •уходит в зем1вО|£сли передавать много тепловой энергии, то участок вечной мерзлоты вокруг onoptipiBC^r и возникнет риск аварии. Конструкторы решили проблемой оснастив каждую Onopf, кпловыми трубками стержни на рис 4). благодарл поворым избыточное тепл4>99Дит вверх, в aTMOOfepy. , ^ Энциклопедическая стран Эффект «памяти формы» Вм утл у|нали о просте«кшт превращениях вещества: твердое тепо — мид кость; жидкость —> гаа. В 7 классе вы познакомились с четвертым состояиием вещества — плазмой. Однако хго не все возможные поеобраэоваимя. В XX сх физики открыли чрезвычайно интересное явление, со временем получившее широкое гуименечие. Речь идет о так называемом эффекте сламяти формы». В чем же заключается его суть? Воспользуемся простым примером. Эффект спамя-ти формы» присущ некоторым сплавам, самый известный из которых — иитинол — сплав никеля и титана. Возьмем длинный стержень, изготовленный из нитмнола. нагреем его и 8 горячем состоянии придадим любую форму, скажем. свернем в виде колы4а. Потом пздуча стрежню остыть до комнатной температуры и придадим ему другую форму, отличную от кольца.— например, распрямим его или свернем в виде любой другой фигуры. Если же теперь снова нагреть стержень, то ок как живое существо. 'ВСПОМНИТ» свою йоорию и самостоятельно приобретет первоначальную форму, то есть в данном случае согнется в кольца Более того, стержень надолго «сохраняет память» о своей первоначальной форме и при указанных условиях может принимать ее много раз. Это явление и называют аффектом «памяти формы». Его широко применяют в технике. Например, на рис. S показана конечность робота. «Пальцы», изготовленные из сплава, которому присущ эффект «памяти формы», были согнуты в горячем состоянии. «Суставы пальцев» представляют собой электрические нагреватели, и если пропустить через них ток, то ■суставы» нагреются и «кисть» сожмется в кулак. ЭНЕРГИЯ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА. Теплоэнергетика. Способы сохранения энергетических ресурсов. Энергосберегающие технологии. Использование энергии человеком и охрана природы ?f С01ОД1О1 дг‘Н1слы«(>сгь человека на кажлом шагу нуждается в потреблении знер 1ИИ. Привс'дем лиш(» несколько примеров Подавляющее большинство людей на планете живет п уктеренных широтах, где температура окружающей средт.! почти гтолгода достаточно низкая. Человек не залегает, как медведь, в зимнюю спячку, поэтому и холодное время года вынужден обогревать свое жилье. Энергия ттужна также для движения транспорта, функционирования предприятий, для приготовления пищи и т. п. К сожалению, энергии всегда не хватает, поэтому на протяжении всего своего сув^огтнонания человечество ищет способы ее экономии Особенно это актуал|<ио в ттоследнее время, когда стало заметным «дно» мировых запасов органического топлива (ископаемых ресурсов). Именно сейчас сформулированы обилие принципы энергосбережения и разработаны технологии для воплощения этих принципов в жизнь посредством новейших устройств и оборудования. Энергия и ос использование — тема обобщающего занятия. |П1 У<масм о роди теплоэнергетики в жизни человека С лР<'Ш1(м’4птх времен определяющую роль и жизни челотпю-ства играет энергия, получаемая от сгорания топлива. На протяжении многих столетий пламя кехггра (печи, камина) было практически единственным источником энергии; другие псточники (ветер и вода) занимали яезначите.1ьвое место. Только в XX ст. альтернативные источники энергии стали играть заметную роль в энергетике. Примерами таких источников являются гидроэлектростанции, ато.чные станции, ветрогенера торы, солнечные батареи (рнс. 1-4), А.1ьтериатив11ые источники энергии, разработка и создание которых требу'ет значлте.тьных затрат, возникли «не от хорошей жизни*. Ведь и.мен11о в XX ст. резко возросло использование теп- Р»»с 1. Гшщрозлектростанция (Днепрогэс 246 Энергия 8 ЖИ1НМ человека Рис. 2. Общий вид атомной }лектростамции (Запорожская АХ) Рис. 3. Ветрогене-ратор ■ 1 А Рис. 4. Панель солнечных батарей левых МАШИН — устроГ|ств, которые превращают энергию, полученную от сгорания топлива, в другие виды Салектрическую, .механическую). Прежде всего речь идет об автомобилях и других транспортных средствах, использующих продукты пере)>п6отки нефти (как правило, бензин). Kj)OMc того, для обогрева жилья и iij)h готовлен и ii пищи широко применяют устройства, сжигающие природный гая. 1)тот же газ используют и производстпеппых процессах (металлургия, химический синтез). Газ, нефть, уголь используют для производства алектроэпергии на тепловых электростанциях. Вы знаете, что указпипые виды тогшива являются ископаемыми ресурсами и их запасы ограничены. Миллионы автомоби.псй приблизительно за 100 лет *съели* значительное количество мировых запасов нефтп. По оценкам специалистов, запасы природного ra.ia 11С1ерпак>тся на протижении 40 ближлйших лет. Немного больше разведанных запасов угя* — на несколько сотен лет потребления. Рассуждаем о сохрвне«м*м эмергетмнеошх ресурсов Приведеппые дани1.К) свнл(Я’ельствуют о том, что через Ш-15 лет обычные сейчас виды топлива (иаприм(;р, бензин) окажутся на грани исчезнонотя. Что же делать? На сегодня учеными предложены три направ.пенин решхтия проблемы будущего «энергетического голода^. 1. 'Экономия имеющихся ископае.чых ресурсов. Речь идет об ис-по.тьзовАИин новых технических решений — энергосберегающих технологий. 2. Постепенная замена топлива из ископае.чых ресурсов топ .чиво.4. полуиаемы.и из растений. Сепчпс уже нспачьзуют два типа технологии производства растительного топлива; добьпа за.мсн»ггелей бензина из [мстенин, содержащих сахар, и переработка в дизельное топливо растительного масла. Расчеты отечественных спсшишистов по-]<азывак»т, что посевные нло1цади страны при разумном использоиаиии позволяют полностью обеспечить внут1)опнне потребпости в топливе. 247 ЭНЕРГИЯ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА Рис. 5. 061ЦИЙ МИД опытной то|>мопдериой уттлиоики 3. Использование альтернативных ис тояников энергии. Прежде всего |>ечь идет о ядернои и термоядерной Э11е1)гнях. Ископаемых запасов урана — топлива для атомных станций — хватит на несколько сотен лет. Во многих странах (Франция, Украина, США) этот вид производства электроэнергии является одним из ведущих. Так, в Украине на атомных станциях вырабатывают около половины всей электроэнергии. Практически неисчерпаемым источником может стать термоядерная энергия (рис. 5). В Мировом океане запасов тяжелого водорода — топлива для термоядерных реакторов — хватит для обеспечения потребностей че.човечсства на много тысячелетий. Зиск:»мимсч < энергосберегающими гехнологиями * Мз нр(5дылуще1Ч) курса физики вы уже знаете об одном из способов »н(51Я'осбережсния — замене традиционных лампочек новым типом шоиомияных ламп. Этот простой способ позволяет уменьшить потребление энергии д.ля освещения почти в 10 раз (!). Вместе г тем «изю.минка» современных приыципов энергосбережения - комплексное использование нескольких технологий. Для примера рассмотрим обычную квартиру. Наибольшее количество энергии, ногтупающей в нее,— это энергия, необходимая для обогрева. Соответственно именно с этого и нужно начинать экономить. За.меиа традиционных окон стеклопакетами. >тгоплепие двери, нанесение теплозащитного покрытия на внешние стены дома позволяют уменьшить потребление тепла на десятки процеятон. Горячая водя поступает в батареи домов от теплоэлектростанций, обычно расположенных на расстояния в несколько километров. Такой длинный путь теплоснабжения связав с большими потеря.ми тепла. Если же обог1м^те.1ь (электрический или гаэовым котел) установить прямо в квартире, то этот путь будет составлять лишь несколько метров — очевидно, что при прочих равных условиях тепла для обогрева потребуется значительно .меньше. Для экономии электрической энергии нужно применять вышеупомянутые экономичные лампы и электрические приборы с небольшим потреблением энерпга. (Подумайте, за счет чего еще возможна экономия в домах.) Мы привели прюстой пример комплексного подхода к энергосбережению в помещениях. Аналогичные принципы, только со значительно большим количественным эффектом, успешно применяют и в производственных процессах. 248 Энергмя в ЖИ1НИ чеповека О у Ко- 11'*г'по>нег>г^тин*1 Hi >^»рироду Пока тепловые станции не имели большой мощности, а авто* мобплей было немного, негативные последствия работы тепловых машин не очень беспокоили чоловечестио. Проблема стала актуаль* пой во нто))ой половишь XX н., когда пмес'1Ч) обычных стали идти кислотные дожди, вывианпыс выбросами элсчстростапций, люди начали задыхаться в автомобильных пробках и т. п. Ученые предложили множество технических решений этих проблем. В качестве примера приведем те из них, которые касаются уменьшения выбросов бензиновых двигателей: — удаление из бензина ядовитых соединеиин свшищ; — «дожигание» с помощью специальных устройств угарного газа до менее вредного углекислого газа; — использование гибридных автомобилей с двумя двигателями — электрическим и бензиновым. Экологиче1'ки чистый электрический мотор используется в городе (где много автомобилей), а бензиновый — за городом (где загрязнение воздуха не так опасно); — со.здаиис экологически чистых электромобилей этих настоящих автомобилей будущего (рис. 6). Для человечества существует еще одна большая ир«)блсма. Дело в том, что во время работы тепловых машин выделяется углекислый газ (COjj). По оценкам ученых, за 200 лет интенсивной работы тепловых машин в атмосферу были выброшено около одного триллиона (10*^) тонн СО,. Это огромное количество углекислого газа вызвало так называемый napHUKOttuu эффект. Разберемся с ЭТН.М подробнее. Почему это произошло? Как вы знаете. Солнце не только освещает, но и обогревает Землю. Еще сто лет на:шд получаемое Землей тепло практически по.тностью излучалось (возвращалось) в космос. После того как в верхних слоях атмос(|>('ры накопилось огромное ко.11Ичество углекислого газа, этот газ стал своеобразным «зеркалом* Д.ПЯ излучения с поверхности Земли. В результн'ге часть энергии задержива* ется в атмосфере и нагревает ее. Из-за парникового эффекта средняя температура поверхности Земли повысилась на 0,6 ®С. Но даже это небольшое нагревание уже привело, по мнению многих уче-яыХу к г.юбальным изменениям климата. Если же средняя теасперат>т>а поверхво- ^^оследиие модеяи эоек- сти Земли повысится на 2 “С. то аемиву - coeeputciwio HIE отаичмотся от саомк ОМЫМИ епшут глобальпыо КПТВКЛИЗМЫ; .6.„з„ж,вых со6,шьев. 249 ЭНЕРГИЯ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА тлямио ледников, подъем у|>ош1я Мирового океана, затопление iijni* брожмых городов и др. По изб(?жаиио таких китт;тро<|)ических последствий, в ИШ7 г. п г. Киото (Япония) правнчч»льст1ш многих стран подписали так на зьжасмый Киотский про1Ч»кол. (к)глнсно этому протоколу для каждой (П'рашя мира определен максимальный обч.ем выбросом СО,,. I'kviii этот об'ьсм превышен, то страна-нарушитель платит nri'i^Kl), который нспатьзуется для снижения уровня выбросов. В июле 2008 г. страны «большой восьмерки» достигли соглашения по уменьшению до 2050 г. вредных выбросов в атмосферу на 50 . Подводмм итоги Нефть, природный газ и уго-пь — это ископаемые ресурсы, запасы которых исчерпаемы, ограничены. Быстрое увеличение кг. .'шчсчгтва теп.10вых машин привело к необратимому исчезновению значительной части ископаемых ресурсов. Основные яапрявлеиня преодо.тсния энергетичсскиго кризиса: экономия Иамеющихсл ископаемых ресурсов; — постепенная замена топлива из ископаемых ресурсов топливом. получаемым из растений: — использование альтернативных источников энергии, прежде всего ядерной и терм<)ЯдериоГ| энергии. Использование новейших технологий позволяет у.монынит1. потребление тепловой энергии в несколько раз. Тепловые исто^шики энергии (особенно в большом количестве) оказывают вредное возде(^стнме на окружающую среду. В соответствии с международным сгоглпшеиием (Киотский протокол) коли-чести<| вредных выбросом для каждой страны ограничено. - Контрольные вопросы ------- У. Какие источники энергии иэдлоил использует человечество? 2. Какие существуют типы альтериа1И11иых источников энергии? 3. Какова причина не обратимого уменьшенил hckoiiiU'mmx |к*сурсов? 4. Перечислите оснокные направления преодолении эмсркпичсского кризиса. 5. Прим-дите п|тимеры энергосберегающих технологий. 6. Как влияют тепловые источники эиер1ии на окружающую среду? 7. Что такое Киотский протокол? 250