Учебник Физика 8 класс Исаченкова Лещинский

л. А. Исаченкова Ю.Д. Лещинский Учебник для 8 класса общеобразовательных учреждений с русским языком обучения Под редакцией Л. А. Исаченковой Утверждено Министерством образования Республики Беларусь А Минск «Народная асвета» 2010 Правообладатель Народная асвета УДК 53(075.3=161.1) ББК 22.3я721 И85 Рецензенты: кафедра общей физики и астрономии Витебского государственного университета имени П. М. Машерова (кандидат педагогических наук, доцент, заведующий кафедрой И. В. Галузо); учитель физики и астрономии высшей категории СШ № 184 г. Минска Л. И. Вашкевич Исаченкова, Л. А. И85 Физика : учеб. для 8-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения / Л. А. Исаченкова, Ю. Д. Лещинский ; под ред. Л. А. Иса-ченковой. — Минск : Нар. асвета, 2010. — 183 с. : ил. ISBN 978-985-03-1329-4. УДК 53(075.3 = 161.1) ББК 22.3я721 ISBN 978-985-03-1329-4 © Исаченкова Л. А., Лещинский Ю. Д., 2010 © Оформление. УП «Народная асвета», 2010 Правообладатель Народная асвета Как работать с учебником Материал, изложенный в учебнике, познакомит вас с новыми физическими явлениями, понятиями и величинами, наиболее важными законами природы и их значением для науки, техники и практической жизни. Однако, чтобы решать практические за,дачи, грамотно объяснять происходящее в окружающем нас мире, недостаточно только познакомиться с физическими явлениями и понятиями. Необходимо понять и усвоить суть физических явлений и понятий, основные закономерности, которым они подчиняются. Чтобы работа с учебником была более продуктивной, мы хотели бы дать вам несколько советов. Прочитайте параграф сначала бегло, чтобы понять смысл изложенного, а затем беритесь за его изучение основательно. Не заучивайте наизусть текст параграфа. Особое внимание уделите определениям величин, формулам, законам. Они в тексте выделены жирным шрифтом. Если формула имеет вывод, его на,цо самостоятельно воспроизвести в тетра,ци. В тексте параграфа есть вопросы. Не оставляйте без ответа ни один из них. Если на какой-либо из вопросов вы не смогли ответить, вернитесь еще раз к началу параграфа и внимательно прочитайте текст, после чего снова пытайтесь ответить на вопрос. Не уходите от нашей просьбы привести примеры, подтверждающие то или иное явление. Запишите эти примеры в тетрадь. Внимательно читайте описания опытов, приводимых в параграфе. Многие из них можно повторить дома. Сделайте это, и вы намного лучше станете понимать материал. Серьезно относитесь к главным выводам, которые сделаны в конце параграфа. Полезно их записать в тетрадь и дополнить своими соображениями, которые у вас неизбежно возникнут, если вы усвоили учебный материал. В конце параграфа для проверки понимания материала предусмотрены контрольные вопросы. Не забывайте об этом и старайтесь дать ответы на каждый из них, даже если для этого потребуется использовать дополни -тельную литературу. После изучения теоретического материала, ответов на контрольные вопросы следует решить задачи, предлагаемые в упражнениях. Задачи расположены по степени возрастания сложности, поэтому рекомендуем начинать решение с первых номеров. Правообладатель Народная асвета 3 Наиболее сложные задачи отмечены знаком ^ . Таким же знаком отмечены и наиболее сложные контрольные вопросы. Если вам удалось решить все задачи, значит, материал усвоен вами достаточно глубоко и вы можете быть удовлетворены своей работой. В некоторых параграфах мелким шрифтом напечатан дополнительный материал, относящийся к данной теме, который может быть вами изучен по желанию. В создании учебника принимал участие большой коллектив специалистов. На учебник затрачена хорошая бумага и краски. Цените труд и старания всех, кто создавал учебник, — берегите его! Желаем вам творчества в работе. Авторы Правообладатель Народная асвета Как быстрее остудить горячий чай? Почему зимой дует от закрытого окна? Почему лед скользкий? Всегда ли кипящая вода горячая? ,Л.. . и Л' ш.. >1 < .!/ § 1. Тепловое движение частиц вещества Из химии и физики (6-й класс) вы уже знаете, что все вещества имеют дискретное строение. Они состоят из мельчайших частиц: атомов, молекул. Размеры частиц так малы, что увидеть их даже с помощью очень сильных оптических микроскопов не удается. Однако целый ряд наблюдаемых явлений подтверждает дискретное строение вещества, а также непрерывное беспорядочное (хаотическое) движение частиц вещества. К таким явлениям относится уже знакомое вам явление диффузии — самопроизвольное проникновение одного вещества в другое. Самым убедительным доказательством дискретности вещества и беспорядочного непрерывного движения его частиц является броуновское движение. В чем его суть? Броуновское движение представляет собой беспорядочное движение малых частиц вещества (размеры частиц 10-6 м и меньше, что более чем в 1000 раз превышает размеры молекул), взвешенных в жидкости или газе. Его наблюдал английский ботаник Роберт Броун в 1827 г. С помощью микроскопа он рассматривал движение частиц цветочной пыльцы в воде. Каждая частица (ее называют броуновской) совершала причудливое зигзагообразное движение, непохожее на движение другой броуновской частицы. На рисунке 1 представлена наблюдаемая в микроскоп картина движения трех броуновских частиц. Точками на рисунке отмечены положения частиц через одинаковые промежутки времени. Правообладатель Народная асвета 6 Рис. 2 Броуновское движение можно наблюдать и в газе. Как объяснить броуновское движение? Это сделать легко, если предположить: 1) вода (газ) состоит из молекул; 2) молекулы воды (газа) находятся в непрерывном беспоря,дочном движении; 3) молекулы, двигаясь беспоря,дочно, ударяются о броуновскую частицу; 4) беспоря,дочное движение молекул приводит к тому, что число и сила ударов с разных сторон о броуновскую частицу разное (рис. 2). Частица в каждый момент времени движется в направлении действия большей суммарной силы ударов о нее молекул воды (газа). Интересно, что сам Р. Броун не понял причины движения частиц пыльцы, а приписал им свойства живых существ. Кроме того, было доказано, что скорость движения броуновской частицы тем больше, чем меньше ее масса и чем выше температура жидкости (газа). Аналогичным закономерностям подчиняется движение молекул. Оно беспоря,дочно. Скорость движения молекул вещества тем больше, чем меньше их масса и чем выше температура вещества. Таким образом, броуновское движение неоспоримо доказало факт того, что вещества состоят из молекул (атомов). И самое важное, что молекулы (атомы) находятся в непрерывном беспоря,дочном движении. Интенсивность этого движения зависит от температуры. Именно поэтому, как вам известно, его называют тепловым. Каковы особенности теплового движения молекул газов, жидкостей и твердых тел? Из физики 6-го класса вам известно, что расстояние между молекулами у газов больше, чем у жидкостей и твердых тел. Силы же взаимодействия между молекулами у газов при нормальных условиях практически равны нулю. Молекулы движутся свободно до столкновений. При столкновении они меняют направление скорости и опять движутся свободно. Поэтому газы не сохраняют ни формы, ни объема, а занимают все предоставленное им пространство (рис. 3). Рис. 3 7 Правообладатель Народная асвета Рис. 4 Тепловое же движение молекул жидкости иное. Расстояния между молекулами жидкости меньше, чем в газах. Молекулы связаны между собой преимущественно силами притяжения. Они совершают хаотические колебания в данном положении, затем перескакивают в новое положение и снова колеблются, изменяя свою энергию, после чего опять перескакивают в другое по- ложение. Наличие сил притяжения между молекулами обеспечивает жидкости сохранение объема, а перескоки — текучесть. Итак, жидкость сохраняет объем, но не сохраняет форму. Она принимает форму сосуда, в который налита (рис. 4). В твердых телах частицы связаны между собой сильнее, чем в жидкостях. Их тепловое движение главным образом сводится к беспорядочному колебательному движению около положений равновесия (рис. 5). Перемещения частиц по объему (т. е. подвижность частиц) в твердом теле в отличие от жидкостей и газов крайне затруднены. Поэтому диффузия в твердом теле идет очень медленно. Известен опыт, в котором плотно прижатые друг к другу свинцовая и золотая пластинки срослись, но на это пона,добилось пять лет. Более сильное взаимодействие частиц и отсутствие у них подвижности приводят к том^, что твердые тела сохраняют и объем, и форму. При нагревании вещества в любом его состоянии: твердом, жидком, газообразном — скорость теплового движения его частиц увеличивается. Рис. 5 8 Правообладатель Народная асвета Главные выводы 1. Силы взаимодействия между частицами твердого тела больше, чем между частицами жидкости. В газах при нормальных условиях эти силы практически равны нулю. 2. Силы взаимодействия частиц в веществе определяют характер их теплового движения и свойства газов, жидкостей и твердых тел. 3. Тепловое движение частиц в любом состоянии вещества является беспорядочным, усиливающимся при нагревании. Контрольные вопросы 1. Что такое броуновское движение и как оно объясняется? 2. В чем ценность опыта Р. Броуна? 3. Что можно сказать о силах взаимодействия частиц в различных агрегатных состояниях вещества? 4. Какие особенности движения частиц (молекул, атомов) в газах, жидкостях и твердых телах? 5. Почему беспорядочное движение частиц называют тепловым? § 2. Внутренняя энергия В 7-м классе вы познакомились с механической энергией: кинетической и потенциальной. Напомним, что кинетической называют энергию, которой обладает тело вследствие своего движения. Она зависит от его массы и скорости движения: mv2 K = 2 . Потенциальная энергия — это энергия, обусловленная взаимным расположением взаимодействующих тел или частей тела. Коротко кинетическую энергию можно определить как энергию движения, а потенциальную — как энергию взаимодействия. Кинетическая и потенциальная энергии могут превращаться друг в друга. А какую еще энергию, кроме механической, может иметь тело? © Шайба, движущаяся по горизонтальному льду (рис. 6), остановилась. Она неподвижна Рис. 6 9 Правообладатель Народная асвета Рис. 7 (v = 0), не поднята над уровнем льда и не деформирована. Означает ли это, что ее механическая энергия исчезла бесследно? Механическая энергия перешла во внутреннюю энергию шайбы и льда. Что же такое внутренняя энергия? Напомним, что частицы, из которых состоят вещества, непрерывно хаотически движутся, например молекулы газа (рис. 7). Раз они движутся, значит, обладают кинетической энергией. Так как частицы могут взаимодействовать друг с другом (в жидкостях и твердых телах), то они будут обладать и потенциальной энергией. Кинетическая и потенциальная энергия всех частиц, из которых состоит тело, называется внутренней энергией тела. Внутреннюю энергию, как и механическую, измеряют в джоулях. А может ли внутренняя энергия тела, как механическая, быть равной нулю? Движение частиц, из которых состоит тело, не прекращается даже при самых низких температурах. Значит, тело всегда (подчеркиваем, всегда) обладает некоторым запасом внутренней энергии. Его можно либо увеличить, либо уменьшить — и только! Велико ли значение внутренней энергии тела? Энергия одной частицы, например кинетическая, в силу незначительности ее массы чрезвычайно мала. Расчеты для средней энергии поступательного движения молекулы кислорода показывают, что ее значение при комнатной температуре: ,.2\ {Ко) = * 3,7 -10-21 Дж. т=1000 кг т Л = 10м У б к молекул = тдЬл Рис. 8 10 Здесь т0 — масса молекулы кислорода, а (v) — средняя скорость ее движения. Конечно же, это очень малая величина. Теперь найдем кинетическую энергию К всех молекул газообразного кислорода, содержащихся в объеме 1 м3 (рис. 8, а). Их число n * 2,7 • 1025, тогда К = (К0) п = 3,7 X X 10-21 Дж • 2,7 • 1025 * 100 кДж. Это значение энергии уже весьма значительно. Оно, например, равно механической энергии камня массой m = 1 т, поднятого на высоту h = 10 м (рис. 8, б). Правообладатель Народная асвета Главные выводы 1. Независимо от того, есть у тела механическая энергия или нет, оно обладает внутренней энергией. 2. Внутренняя энергия тела определяется движением и взаимодействием частиц, из которых состоит тело. 3. Внутренняя энергия тела всегда не равна нулю. Контрольные вопросы 1. Что собой представляет внутренняя энергия тела? 2. Чем принципиально отличается внутренняя энергия тела, находящегося в твердом, жидком и газообразном состоянии? 3. Почему внутренняя энергия тела не может быть равной нулю? 4. Может ли механическая энергия превращаться во внутреннюю? Приведите примеры. Упражнение 1 1. Из каких видов энергии состоит внутренняя энергия данной массы воздуха, если он находится: а) в комнате при нормальном атмосферном давлении; б) в баллоне в жидком состоянии? 2. Может ли тело обла,дать внутренней энергией и не иметь при этом механической? А наоборот: иметь механическую энергию, а внутреннюю — нет? Приведите примеры. 3. Отличаются ли внутренние энергии водяного пара массой т1 = 5 г, находящегося при атмосферном давлении, и воды такой же массы? Чем? Температура обоих веществ одинаковая. 4. Как изменяются механическая и внутренняя энергия куска льда, если его: а) равномерно поднимать вверх; б) бросить в горизонтальном направлении? 5. Будут ли равны внутренние энергии бака бензина и одного стакана бензина из этого же бака? Аргументируйте ответ. 6. Изменится ли внутренняя энергия воздуха в автомобильной камере, если часть его медленно вытечет? Почему? 7. Одинаковы ли внутренние энер- гии воздуха, заполняющего две одинаковые колбы 1 и 2, соединенные с манометрами (рис. 9) и опущенные в воду? Почему? Рис. 9 11 Правообладатель Народная асвета 8. На рисунке 10 представлены три резиновых жгута с одинаковой начальной длиной l0. Сравните их внутренние энергии. § 3. Способы изменения внутренней энергии Чтобы изменить механическую энергию тела, надо изменить скорость его движения, взаимодействие с другими телами или взаимодействие частей тела. Вы уже знаете, что это достигается совершением работы. Как можно изменить (увеличить или уменьшить) внутреннюю энергию тела? Рассуждаем последовательно. Внутренняя энергия определяется кинетической и потенциальной энергией частиц. Значит, нужно изменить либо скорость движения частиц, либо их взаимодействие (изменить расстояния между ними). Очевидно, можно изменить и скорость, и расстояния между частицами одновременно. Изменить скорость частиц тела можно, увеличив или уменьшив его температуру. Действительно, наблюдение диффузии и броуновского движения показывают, что быстрота протекания этих процессов увеличивается при нагревании (рис. 11). Значит, увеличивается скорость движения молекул, а следовательно, их средняя кинетическая энергия. Отсюда следует важный вывод: мерой средней кинетической энергии молекул является температура. Как изменить кинетическую энергию частиц тела? Существуют два способа. Рассмотрим их на опытах. а б Будем натирать колбу с воздухом полоской сукна. Через Рис. 11 некоторое время уровень жидкости в правом колене мано- 12 Правообладатель Народная асвета метра (рис. 12) понизится, т. е. давление воздуха в колбе увеличится, что говорит о его нагревании. Значит, увеличилась скорость движения и кинетическая энергия его молекул, а следовательно, и внутренняя энергия. Но за счет чего? Очевидно, за счет совершения механической работы при трении сукна о поверхность колбы. Проведем еще один опыт. В толстостенный стеклянный сосуд нальем немного воды (чайную ложку) для увлажнения воздуха в сосуде. Насосом (рис. 13) будем накачивать в сосуд воздух. Через несколько качков пробка вылетит, а в сосуде образуется туман. Из наблюдений за окружающей средой мы знаем, что туман появляется тогда, когда после теплого дня наступает холодная ночь. Значит, туман в сосуде свидетельствует об охлаждении воздуха, т. е. об уменьшении его внутренней энергии. Но почему уменьшилась энергия? Потому что за ее счет совершена работа по выталкиванию пробки из сосуда. Сравним результаты опытов. В обоих случаях изменилась внутренняя энергия газа, но в первом опыте она увеличилась, так как работа совершалась внешней силой (над газом), а во втором — уменьшилась, ибо работу совершала сила давления самого газа. А можно ли, совершая работу, изменить потенциальную энергию взаимодействия молекул? Опять обратимся к опыту. Два куска льда при 0 °С будем тереть друг о друга (рис. 14). Лед превращается в воду, при этом температура воды и льда остается постоянной, равной 0 °С (см. рис. 14). На что тратится механическая работа силы трения? Конечно же, на изменение внутренней энергии! Но кинетическая энергия молекул не Правообладатель Народная асвета изменилась, так как температура не изменилась. Лед превратился в воду. При этом изменились силы взаимодействия между молекулами Н2О (напоминаем, что лед и вода состоят из одинаковых молекул), а следовательно, изменилась потенциальная энергия их взаимодействия. Совершение механической работы — один из способов изменения внутренней энергии тела. А есть ли возможность изменить внутреннюю энергию тела, не совершая работы? Да, есть. Нагреть воздух в колбе (рис. 15, а), расплавить лед (рис. 15, б) можно с помощью спиртовки, передав воздуху и льду теплоту. В обоих случаях внутренняя энергия увеличится. При охлаждении тел (воздуха, льда) их внутренняя энергия уменьшается, а теплота от тел передается окружающей среде. Процесс изменения внутренней энергии тела без совершения работы называется теплопередачей. Таким образом, совершение механической работы и теплопередача — два способа изменения внутренней энергии тела. Величину, равную изменению внутренней энергии при теплопередаче, называют количеством теплоты (обозначается Q). Единицей количества теплоты, как работы и энергии, в СИ является 1 джоуль. Физики XVIII в. и первой половины XIX в. рассматривали теплоту не как изменение энергии, а как особое вещество — теплород, т. е. жидкость (флюид), которая может перетекать от одного тела к другому. Если тело нагревалось, то считалось, что в него вливался теплород, а если охлаждалось — то выливался. При нагревании тела расширяются, что объяснялось тем, что теплород имеет объем. Но если теплород — вещество, то тела при нагревании должны увеличивать свою массу. Однако взвешивания показывали, что масса тела не менялась. Тогда теплород стали считать невесомым. Теорию теплорода поддерживали многие ученые, в том числе и такой гениальный ученый, как Г. Галилей. Дж. Джоуль на основании проведенных им опытов пришел к выводу, что теплород не существует и что теплота есть мера изменения кинетической и потенциальной энергии движущихся частиц тела. Однако введенная на основании теории теплорода единица — калория сохранилась и до настоящего времени. В дальнейшем выражение «сообщить телу количество теплоты» мы будем понимать как «изменить внутреннюю энергию тела без совершения механичес- 14 Рис. 15 Правообладатель Народная асвета кой работы». А выражение «нагреть тело» будем понимать как «повысить его температуру» любым из двух способов. Главные выводы 1. Внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения механической работы или теплопередачей. 2. Изменение внутренней энергии при нагревании или охлаждении тела при постоянном объеме связано с изменением средней кинетической энергии его частиц. 3. Изменение внутренней энергии тела при неизменной температуре связано с изменением потенциальной энергии его частиц. Контрольные вопросы 1. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела? 2. Как изменяется внутренняя энергия тела, если его: а) нагревать; б) охлаждать? 3. Можно ли изменить внутреннюю энергию тела, не изменяя его температуры? Приведите примеры. 4. Какое явление называется теплопередачей? 5. Что такое количество теплоты и в чем оно измеряется? Упражнение 2 1. Как и каким способом изменяется внутренняя энергия: а) сверла при сверлении детали; б) пакета молока, помещенного в холодильник? 2. Зажечь спичку можно трением ее головки о спичечный коробок и от пламени спиртовки. Равны ли изменения внутренней энергии головки спички в обоих случаях? Чем отличаются способы изменения внутренней энергии в обоих случаях? 3. Если тело нагрелось, то его внутренняя энергия увеличилась. Верно ли будет обратное утверждение: если внутренняя энергия тела увеличилась, то оно нагрелось? Приведите примеры. 4. Одну шайбу натерли куском сукна, совершив работу Л1 = 1 Дж, а вторую такую же шайбу подняли вверх, совершив работу Л2 = 1 Дж. Одинаково ли изменилась их внутренняя энергия? Почему? 5. Алюминиевая и стальная ложки одинакового объема упали со стола на пол. Считая, что вся механическая энергия ложек при па,цении пошла на нагревание, определите, одинаково ли изменилась их внутренняя энергия. 6. Почему при накачивании воздуха в велосипедную шину насос нагревается сильнее, чем при совершении такого же количества движений поршня насоса, отключенного от шины? 15 Правообладатель Народная асвета 7. График зависимости температуры наружного воздуха от времени суток представлен на рисунке 16. В какие промежутки времени внутренняя энергия забытых на улице коньков изменялась наиболее сильно? § 4. Теплопроводность В предыдущем параграфе мы условились говорить о количестве теплоты только в том случае, если внутренняя энергия тела изменяется без совершения работы, т. е. путем теплопередачи. Какие виды, теплопередачи существуют в природе? V т Рис. 17 Рис. 18 16 Всем нам известно, что теплота может «путешествовать» с одного места на другое. При размешивании углей металлическим стержнем (рис. 17) нагревается и тот его конец, который не находится в пламени. Металлическая ручка сковородки нагревается, хотя непосредственно над пламенем газовой горелки не находится. В обоих случаях происходит перенос энергии от более нагретых частей тела к менее нагретым. Приведите сами примеры подобного переноса. Как происходит перенос энергии? Проведем опыт. К медному стержню с помощью воска или пластилина прикрепим несколько гвоздиков (можно спичек) (рис. 18). Свободный конец стержня будем нагревать на пламени спиртовки. Мы заметим, что сначала отпадут гвоздики, находящиеся ближе к пламени, а затем поочередно все остальные. Почему так происходит? Правообладатель Народная асвета В твердом теле (металле) частицы взаимодействуют между собой. При этом они совершают колебательные движения (рис. 19). В пламени спиртовки температура свободного конца медного стержня повышается. А это значит, увеличивается средняя кинетическая энергия колебательного движения его частиц. Так как частицы взаимодействуют, то усиливаются колебания и соседних частиц, а от них — следующих и так далее по всему стержню. Это можно уподобить передаче энергии колебательного движения от одного к другому в цепочке взявшихся за руки детей (рис. 20). Если один из них будет смещаться то в одну, то в другую сторону, то он вызовет смещение по очереди и всех остальных. Заметим, что в этом виде теплопередачи переноса самого вещества не происходит. Процесс переноса теплоты от более нагретых тел или частей тела к более холодным в результате теплового движения и взаимодействия частиц без переноса вещества называется теплопроводностью. Перенос энергии идет до тех пор, пока температура не станет одинаковой по всему телу. У разных веществ теплопроводность неодинаковая (рис. 21). Теплопроводность меди больше, чем теплопроводность алюминия и железа. Малую теплопроводность имеют пластмасса, древесина, стекло. Именно поэтому деревянные дома хорошо сохраняют теплоту. Ручки кастрюль, паяльников (рис. 22) делают Рис. 20 Рис. 21 Рис. 22 17 Правообладатель Народная асвета из пластмассы и дерева. Дерево, пластмасса и другие слабопроводящие теплоту материалы называются теплоизоляторами. А могут ли проводить теплоту газы? Проделаем опыт: поместим в открытый конец пробирки термометр (рис. 23) и будем нагревать пробирку сверху. Нагревание воздуха идет очень медленно, что подтверждается малым повышением температуры. Чем объясняется слабая теплопроводность газов? Вспомните, что силы взаимодействия между молекулами газов при нормальном давлении практически равны нулю. Значит, энергия переносится только за счет хаотического движения молекул и столкновений между ними. Теплопроводность воздуха почти в 10 000 раз меньше теплопроводности меди. Теперь вы можете объяснить, почему для утепления квартир, построек для скота используют пористые, содержащие воздух вещества: пенопласт, войлок. Вата, шерсть, пух, мех и подобные им материалы содержат между волокнами воздух и поэтому являются хорошими защитниками от холода для человека и животных (рис. 24). А какова теплопроводность жидкостей? Возьмем пробирку с кусочками льда и водой, поместим ее над пламенем спиртовки. Вода в верхней части пробир- Рис. 24 18 Правообладатель Народная асвета ки уже кипит, а в нижнеи — все еще остается лед (рис. 25). Это говорит о малой теплопроводности воды, хотя она больше, чем воздуха. Действительно, теплопроводность воды примерно в 25 раз выше, чем воздуха, но в « 330 раз меньше теплопроводности меди. Однако металлы в жидком состоянии (ртуть, олово и др.) обладают большой теплопроводностью. Рис. 25 Главные выводы 1. Теплопроводность обусловлена хаотическим движением и взаимодействием частиц между собой. 2. При теплопроводности нет переноса вещества. 3. Перенос энергии идет от более нагретых тел или частей тела к менее нагретым. Процесс продолжается до тех пор, пока температура не станет одинаковой по всему телу. Контрольные вопросы 1. Что называется теплопроводностью? 2. Чем отличаются механизмы переноса теплоты в твердых телах и газах? 3. Будет ли изменяться теплопроводность воздуха при его расширении? Его сжатии? Почему? 4. Как долго продолжается процесс теплопроводности при контакте двух тел, имеющих разные начальные температуры? 5. Возможна ли теплопроводность в сильно разреженных газах? Упражнение 3 1. Почему дно посуды для приготовления пищи (рис. 26) изготавливается из хорошо проводящих теплоту материалов? 2. Оконные рамы в домах делаются двойными, а в Якутии — тройными. Почему? 3. Проанализируйте выражение: «Шуба греет человека». Кто кого греет? 4. Почему при измерении температуры тела медицинекий ртутный термометр надо держать под мышкой не менее 5—7 мин? Рис. 26 19 Правообладатель Народная асвета Рис. 27 5. Миша налил в стакан кипящую воду. Стакан лопнул. Маша в свой стакан сначала опустила ложку, а затем налила кипяток. Стакан остался цел. Чего не учел Миша? 6. Почему стальные ножницы кажутся холоднее, чем деревянный карандаш, находящийся в той же комнате, что и ножницы? Одинакова ли их температура? 7. Плотности двух кусков пенопласта равны: Pj = 40 -^3, р2 = 100 -23. Одинаковая ли теплопровод- м3 м3 ность кусков пенопласта? 8. Слой рыхлого снега предохраняет озимые посевы от вымерзания. А исследователи Крайнего Севера из снега строили себе временные жилища. Почему такое возможно? 9. Почему в термосе (рис. 27, а) долго сохраняются горячими чай, кофе? Зачем откачивают воздух из пространства между двойными стенками термоса (рис. 27, б)? 10. В воздухе при температуре t = 20—22 °С в купальнике нам тепло, а в воде при такой же температуре мы быстро ощущаем холод. Почему? § 5. Конвекция Обратите внимание на место нагревательного элемента в электрочайнике, кофеварке и других приборах для нагревания воды (рис. 28). У каждого из них нагревательный элемент расположен внизу у дна. Тем не менее вода нагревается по всему объему. Как это происходит? Как нагревается воздух во всей комнате, если отопительные батареи стоят внизу у пола? Это происходит за счет конвекции. Рис. 28 20 Правообладатель Народная асвета а б Рис. 29 Рис. 30 Что же такое конвекция? Обратимся к опыту. В трубку с холодной водой опустим несколько кристалликов марганцовки. Будем нагревать трубку снизу (рис. 29). Мы увидим, как нагретые нижние слои воды поднимаются вверх. Верхние окрашенные слои, как более холодные, а значит, более тяжелые, опускаются вниз, нагреваются и устремляются вверх. Через некоторое время вода нагреется по всему объему трубки. Так идет перенос теплоты (энергии) в жидкостях. Наблюдать перенос теплоты (энергии) в газах, например в воздухе, можно, проделав такой опыт. Зажжем свечу. Нагретый на,д пламенем свечи воздух перемещается вверх. В теневой проекции виден его поток (рис. 30). Поставив на пути картонную пластинку, можно изменить направление потока, что видно на экране. Объем жидкостей и газов при нагревании увеличивается, а плотность уменьшается. Они становятся легче, поднимаются вверх, перенося с собой энергию, что приводит к выравниванию температуры по всему объему жидкости или газа. Перенос энергии в жидкостях и газах потоками вещества называется конвекцией. А возможна ли конвекция в твердых телах? Очевидно, нет, так как в твердом теле вещество не может перемещаться по объему. Вспомните жесткую структуру твердого тела, например алмаза (рис. 31). Рис. 31 Правообладатель Народная асвета Рис. 32 Благодаря конвекции создается необходимая для полного сжигания топлива тяга. Она чрезвычайно важна не только для хорошей работы домашних печей (рис. 32) и каминов. Для создания хорошей тяги даже небольшие котельные имеют трубы высотой в несколько десятков метров (рис. 33). Трубы одной из крупнейших в Европе Новолукомльской теплоэлектростанции имеют высоту по 250 метров каждая. Примером использования конвекции является система водяного отопления (рис. 34). Нагретая вода (в котельных или теплоэлектроцентралях — ТЭЦ) по трубопроводам поступает в здание (в подвал). По трубе большого сечения (стояку) горячая вода поднимается вверх, попа,дает в отопительные батареи (ра,диаторы). Батареи с водой отдают энергию воздуху в помещении, вода остывает. Остывшая вода из батарей по второму стояку возвращается обратно. Рис. 33 Рис. 34 22 Правообладатель Народная асвета ^ Рис. 35 Отопительные батареи стоят внизу (под окнами) (рис. 35) и путем конвекции нагревают воздух по всему объему помещения. Благодаря конвекции нагревается вода в кастрюле на электрической или газовой плите. Конвекцией объясняются ночные и дневные ветры — бризы, возникающие на берегах морей и океанов. В солнечный летний день воздух, более теплый над сушей, чем над водой, устремляется вверх. Это вызывает понижение давления над сушей. Сюда перемещается с моря холодный воздух. Это — дневной бриз. Самостоятельно определите направление и причины ночного бриза. Главные выводы 1. Конвекция — способ передачи энергии (теплоты) потоками газа или жидкости. 2. При конвекции происходит перемещение вещества — жидкости или газа. 3. Конвекция невозможна в твердых телах. Контрольные вопросы 1. Что представляет собой конвекция? 2. Почему конвекция невозможна в твердых телах? 3. Можно ли сказать, что охлаждение комнаты с помощью открытой форточки вызвано конвекцией? 4. Что общего и различного у явлений конвекции и теплопроводности? Упражнение 4 1. Почему форточки делают в верхней части окна? 2. Почему нагревательный элемент у электрочайника находится внизу? 3. Измерьте температуру воздуха в вашей квартире у пола и потолка. Совпадают ли показания термометра? Почему? 23 Правообладатель Народная асвета 4. Как грамотно поступить, чтобы быстрее охладить бутылку лимонада: поставить ее на лед или обложить льдом сверху? Почему? 5. Если к зажженной свечке поднести ладони на одинаковые расстояния сбоку и сверху, то какая ладонь нагреется быстрее? Почему? Проверьте экспериментально. 6. Будет ли гореть свеча в космическом корабле-спутнике? Почему? Рис. 36 § 6. Излучение В холодном помещении мы растапливаем камин (рис. 36) и, устроившись напротив, испытываем приятные ощущения теплоты, идущей от него. Но как в данном случае передается к нам тепловая энергия? Ни теплопроводность, ни конвекция не могут быть причиной такой передачи энергии. Теплопроводность у воздуха очень мала. Конвекционные потоки движутся вверх. Существует еще один способ теплопередачи — излучение, который возможен и там, где нет среды (в космосе). Излучением переносится к Земле теплота от такого мощного источника, как Солнце. Костер (рис. 37), натопленная печь, камин и др. — все это примеры источников, которые наря,ду с конвекцией и теплопроводностью передают энергию более холодным телам посредством излучения. Любое тело излучает и поглощает энергию, но при теплообмене перенос энергии (теплоты) идет от более нагретого тела к менее нагретому. «Холодное» тело само тоже излучает энергию, но меньше, чем поглощает (рис. 38). «Горячее» же тело, наоборот, излучает энергии больше, чем поглощает. В итоге «горячее» тело охлаждается, а «холод-Рис. 37 ное» — нагревается. 24 т % Правообладатель Народная асвета Рис. 38 Механизм излучения сложен. С ним вы познакомитесь в 11-м классе. Здесь подчеркнем то, что при излучении, как и теплопроводности, происходит перенос энергии, а не вещества. Для излучения не требуется среда. От чего зависит, на сколько эффективно будет идти излучение? Проведем опыт. Два теплоприемника соединим с коленами манометра (рис. 39). Поднесем их черными сторонами к сосуду с горячей водой, одна половина которого зачернена, другая — белая. Уровень жидкости в колене 1 манометра стал ниже, чем в колене 2, т. е. воздух в теплоприемнике, обращенном к зачерненной поверхности сосуда, нагрелся сильнее. Следовательно, тела с темной поверхностью излучают больше энергии (теплоты), чем тела со светлой поверхностью. Поэтому тела с темной поверхностью остывают быстрее, чем со светлой. А есть ли различие в поглощении энергии этими телами? Видоизменим опыт. К сосуду с горячей водой, вся поверхность которого зачернена, повернем теплоприемники разными сторонами: один — черной, другой — белой (рис. 40). Уровень жидкости в колене манометра 1 стал ниже. Значит, воздух в теплоприемнике, обращенном к сосуду черной стороной, поглотил больше энергии и нагрелся сильнее. Таким образом, тела с темной поверхностью поглощают больше энергии, чем тела со светлой поверхностью, а поэтому и нагреваются быстрее. Рис. 39 Рис. 40 Тело, которое больше поглощает энергии, больше и излучает. 25 Правообладатель Народная асвета Рис. 41 Рис. 42 Этот факт учитывается в технике и быту. Самолеты, скафандры космонавтов, холодильники, морозильные камеры (рис. 41) окрашивают в серебристый или белый цвет, чтобы они меньше нагревались. В жару носят светлую одежду. Бак для душа на дачном участке красят в черный цвет, чтобы использовать солнечную энергию для нагревания воды. В северных районах иногда лед на реках окрашивают с самолета в черный цвет еще до наступления паводка, чтобы избежать бурного ледохода. Отметим важную роль площади излучающей (или поглощающей) поверхности. Так как тепловое излучение происходит с каждой единицы площади поверхности, то чем больше поверхность, тем больше излучается (поглощается) теплоты. Поэтому, например, радиаторы водяного отопления (рис. 42) имеют сложную ребристую поверхность, хотя при производстве проще и дешевле было бы изготавливать радиаторы более простых форм (прямоугольной, цилиндрической). Большая площадь нагретого тела увеличивает теплопередачу и другими способами — теплопроводностью и конвекцией. Главные выводы 1. Перенос энергии от более нагретых тел к более холодным может осу-ш,ествляться излучением. 2. Излучение — единственный способ теплопередачи, не требующий наличия среды. 3. Все нагретые тела не только излучают, но и поглощают энергию. 4. Тела, окрашенные в темные цвета, больше поглощают и больше излучают энергии, чем тела, имеющие светлую окраску. Контрольные вопросы 1. Как изменяется температура тела при излучении энергии? При поглощении телом энергии? 2. Если изменение температуры тела прекратилось, значит ли это, что тело больше не излучает? 3. Закончите фразу: «Если тело больше поглощает энергии, то оно...». 4. Чем отличается передача теплоты излучением от других видов теплопередачи? 26 Правообладатель Народная асвета Рис. 43 Упражнение 5 1. В каком из кофейников(рис. 43)одинакового объема кофе сварится раньше? Остынет раньше? 2. Укажите причины, по которым в городе снег тает раньше, чем в деревне. 3. Лед, имеющий температуру = -5 °С, поместили в холодильную камеру. Как будет изменяться его температура, если температура в камере: а) t2 = -10 °С; б) t3 = -5 °С; в) t4 = -1 °С? Почему? 4. Вагоны-рефрижераторы для перевозки скоропортящихся продуктов (мясо, рыба, фрукты) имеют двойные стенки. Пространство между стенками заполняют пенопластом, а наружные поверхности окрашивают в белый или желтый цвета. Какие физические явления учтены в конструкции вагона-рефрижератора? 5. Маша доказывает, что в жару в белой одежде прохла,цнее, чем в черной, поскольку она меньше поглощает солнечной энергии. Дима считает, что лучше носить черную одежду, так как она больше излучает. Кто из ребят прав? Почему? 6. Почему поверхность цилиндров двигателя мотоцикла делают ребристой (рис. 44)? 7. Вам необходимо быстрее остудить горячий чай. Как следует поступить: а) сразу добавить ложку сахара и подождать несколько минут; б) подождать несколько минут, а потом добавить сахар? 8. На,ц включенной электрической лампочкой укреплена металлическая пластина. Одинаковым ли будет изменение температуры пластины, если опыт проводить в комнате и в космическом корабле? Давление, температура воздуха и промежуток времени проведения опыта одинаковы. 9. Используя свои знания о теплопередаче, предложите проект дачного дома, в котором летом было бы прохла,дно, а зимой тепло. Какие физические явления необходимо учитывать при создании данного проекта? Рис. 44 27 Правообладатель Народная асвета § 7. Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении. Удельная теплоемкость Вы уже знаете, что изменить внутреннюю энергию тела можно передачей ему количества теплоты. Как связано изменение внутренней энергии тела, т. е. количество теплоты, с характеристиками самого тела? Внутренняя энергия тела есть суммарная энергия всех его частиц. Значит, если массу тела увеличить в два или три раза, то и количество теплоты, необходимое для его нагревания на одно и то же число гра,цусов, увеличится в два или три раза (рис. 45, а). Например, на нагревание двух килограммов воды от 20 °С до 80 °С потребуется в два раза больше теплоты, чем на нагревание одного килограмма вод^1. Очевидно также, что для нагревания воды до кипения, на,до передать ей большее количество теплоты, чем для того, чтобы она стала только теплой (рис. 45, б). 2 кг 2 кг М= Рис. 45 а б Из этих рассуждений следует подтвержденный опытами вывод. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, прямо пропорционально его массе и изменению температуры. А зависит ли количество теплоты, необходимое для нагревания, от вещества, которое нагревается? В два одинаковых металлических стакана нальем по 150 г подсолнечного масла и вод^1. Опустим в стаканы термометры и поставим на нагреватель (электроплитку или спиртовку (рис. 46). Получив за одинаковое время от нагревателя равное с во-Рис. 46 дой количество теплоты, масло нагрелось 28 Правообладатель Народная асвета больше, чем вода. Значит, для изменения температуры масла на одну и ту же величину требуется меньше теплоты, чем для такой же массы вод^1. Поэтому для всех веществ вводят специальную величину — удельную теплоемкость вещества (от лат. capacite — емкость, вместимость). Эту величину обозначают буквой с. Удельная теплоемкость показывает, какое количество теплоты нужно передать 1 кг данного вещества, чтобы повысить его температуру на 1 °С. Теперь мы можем записать строгую формулу для количества теплоты, необходимого для нагревания: Из формулы Q = cm{t2 - ti). c = Q m(t2 - ti) удельная теплоемкость есть физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °С. Удельная теплоемкость измеряется в джоулях на килограмм-градус Цель- сия Дж кг • °С В таблице 1 представлены значения удельной теплоемкости различных веществ (в различных состояниях). Как следует из таблицы 1, максимальное значение удельной теплоемкости имеет вода: для нагревания 1 кг воды на 1 °С требуется 4200 Дж теплоты — это почти в 2,5 раза больше, чем для 1 кг подсолнечного масла, и в 35 раз больше, чем для 1 кг ртути. Таблица 1. Удельная теплоемкость некоторых веществ Вещество с Дж Вещество с Дж ’ кг • °С ’ кг • °C Твердые тела Алюминий 920 = 9,2 • 102 Парафин 3200 = 3,2 • 103 Бетон 880 = 8,8 • 102 Песок 970 = 9,7 • 102 Дерево 2700 = 2,7 • 103 Платина 130 = 1,3 • 102 Железо, сталь 460 = 4,6 • 102 Свинец 120 = 1,2 • 102 Золото 130 = 1,3 • 102 Серебро 250 = 2,5 • 102 Кирпич 750 = 7,5 • 102 Стекло 840 = 8,4 • 102 Латунь 380 = 3,8 • 102 Цемент 800 = 8,0 • 102 Лед 2100 = 2,1 • 103 Цинк 400 = 4,0 • 102 Медь 380 = 3,8 • 102 Чугун 550 = 5,5 • 102 Нафталин Олово 1300 = 1,3 • 103 250 = 2,5 • 102 Сера 710 = 7,1 • 102 29 Правообладатель Народная асвета Продолжение Вещество с, Дж^ кг • °С Вещество с, Дж4 кг • °С Жидкости Вода Глицерин Железо Керосин Масло подсолнечное 4200 = 4,2 • 103 2400 = 2,4 • 103 830 = 8,3 • 102 2140 = 2,14 • 103 1700 = 1,7 • 103 Масло трансформаторное Ртуть Спирт этиловый Эфир серный 2000 = 2,0 • 103 120 = 1,2 • 102 2400 = 2,4 • 103 2300 = 2,3 • 103 Газы (при постоянном давлении) Азот Аммиак Водород Водяной пар 1000 = 1,0 • 103 2100 = 2,1 • 103 14 300 = 1,43 • 104 2200 = 2,2 • 103 Воздух Гелий Кислород Углекислый газ 1000 = 1,0 • 103 5200 = 5,2 • 103 920 = 9,2 • 102 830 = 8,3 • 102 Формула Q = cm{t2 - tj) дает возможность найти и выделяемую при охлаждении тела теплоту. Так как конечная температура t2 остывшего тела меньше начальной tj, то изменение температуры оказывается отрицательным числом. Значит, и выделяемое телом количество теплоты выражается отрицательным числом, что обозначает не рост, а убыль внутренней энергии тела. В заключение заметим, что при теплообмене двух или нескольких тел абсолютное значение количества теплоты, отданного более нагретым телом (телами), равно количеству теплоты, полученному более холодным телом (телами): I QOTД I QПOЛ . Это равенство называется уравнением теплового баланса и выражает, по сути, закон сохранения энергии. Оно справедливо при отсутствии потерь теплоты. Рассмотрим конкретную за,дачу. Для купания ребенка в ванночку влили холодную воду массой mj = 20 кг при температуре tj = 12 °С. Сколько горячей воды массой т2 при температуре t2 = 80 °С нужно добавить в ванночку, чтобы окончательная температура воды стала t3 = 37 °С? Удельная теплоемкость воды с = 4200 Дж кг • °С' 30 Правообладатель Народная асвета Дано: mj = 20 кг t, = 12 °С t2 = 80 °С t3 = 37 °С с = 4200 кг • °С m2 — ? Решение По закону сохранения энергии | ^отд | = ^пол. Отдавала теплоту горячая вода, изменяя свою температуру от t2 = 80 °С до t3 = 37 °С: Q cm2(t3 -12). Холодная вода получила эту теплоту и нагрелась от t1 = 12 °С до t3 = 37 °С: ^пол = cmj(t3 - tj). Так как нас интересует только модуль ^отд, то можно записать: ^отд = cm2(t2 — t3). Тогда cm^(t2 — t3) = cmj(t3 — tj), или m^(t2 — t3) = m,(t3 — tj); m1(t3 — ti) 20 кг • (37 °С — 12 °С) m2 = 12 кг. t2 — t3 80 °С — 37 °С При решении мы пренебрегали потерями теплоты на нагревание самой ванночки, окружающего воздуха и т. д. Возможен и другой вариант решения. Рассчитаем сначала количество теплоты, которое было получено холодной водой: Яиол = cmi (t3 — t1) = 4200 Дж •20 кг • (37 °С —12 °С) = 2100 000 Дж = 2,1 МДж. кг • °С Полагая, что эта теплота отдана горячей водой, запишем: ^отд = cm2(t3 — t2). Выразим искомую массу: ^отд —2 100 000 Дж m„ = ^ c (t3 — t2) Ответ: m2 « 12 кг. 4200 Дж кг • °С 12 кг. •(37 °С — 80 °С) Главные выводы 1. Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (выделившееся при охлаждении), прямо пропорционально его массе, изменению температуры тела и зависит от вещества тела. 2. Удельная теплоемкость вещества численно равна количеству теплоты, которое надо передать 1 кг данного вещества, чтобы изменить его температуру на 1 °С. 3. При теплообмене количество теплоты, отданное более горячим телом, равно по модулю количеству теплоты, полученному более холодным телом, если нет потерь теплоты. 31 Правообладатель Народная асвета Контрольные вопросы 1. Какая физическая величина определяет количество теплоты, которое выделяется при охлаждении на Af = 1 °С тела массой m = 1 кг? 2. В каких единицах выражается удельная теплоемкость вещества? Как это доказать? Дж 3. Удельная теплоемкость воды с = 4200 -Что это означает? кг • C 4. Почему по введенной формуле можно рассчитывать как значение теплоты, необходимой для нагревания, так и выделяемой при охлаждении тела? 5. Что называется уравнением теплового баланса? Какую закономерность оно отражает? Пример решения задачи В воду объемом VB = 4,0 л и температурой ti = 80 °С опустили стальную гирю массой тст = 2,0 кг, температура которой t2 = 20 °С. Определите конечную температуру воды. Потерями теплоты пренебречь. Дано: V,= 4,0 л = 4,0 • 10-3 м3 тст = 2,0 кг Р, = 1,0 • 103 t1 = 80 °С t2 = 20 °С св = 4,2 • 103 ^ж- кг • °С Сст = 4,6 • 102 -^ж- с^ ’ кг • °С Решение По уравнению теплового баланса: количество теплоты отданное водой, равно количеству теплоты, полученному гирей: I О, I = Qг. Модуль количества теплоты, отданного при тепло -обмене водой: |Qh I = квтв (t3 - t1)|; тв = pBVB, или: Яв = Свтв (t1 - t3) = СвРвVв (t1 - t3). (1) Количество теплоты, полученное гирей t3 “ ? Яг = Ссттст (t3 - t2). Приравнивая выражения (1) и (2), получим: свРвVв (t1 - t3) = ссттст (t3 - t2 ); CвРвVвt1 - СвРвVвt3 = Ссттстt3 - Ссттстt2; (Ссттст + CвРвVв )t3 = СвРвVвt1 + Ссттстt2. Окончательно искомая температура: t Св рв^13 ^1 + Ссттст^2 Сст тст + Сврв^13 Подставляя числовые данные, получим: t3 = 77 °С. Ответ: t3 = 77 °С. 32 (2) Правообладатель Народная асвета 3 м Упражнение 6 1. Если при нагревании стального шарика на h.t = 80 °С им было поглощено Q = 300 Дж теплоты, то сколько теплоты выделится при его остывании на At = 80 °С? 2. Как изменится количество теплоты, и,дущее на нагревание вещества на At °С, если его масса увеличится вдвое? 3. В сосуд с горячей водой опустили стальной и алюминиевый шарики, имеющие одинаковую массу и начальную температуру. Одинаковым ли будет изменение их температур? Одинаковое ли количество теплоты поглотят шарики? 4. Какое количество теплоты потребуется, чтобы довести до кипения воду в объеме V = 1,0 л, температура которой t = 15 °С? Температуру кипения примите равной tj = 100 °С. 5. Из какого вещества изготовлена статуэтка массой m = 200 г, если на ее нагревание от температуры tj = 20 °С до t2 = 30 °С потребовалось теплоты Q = 500 Дж? 6. Какой установится окончательная температура смеси из воды массой mj = 200 г при температуре tj = 40 °С и воды массой m2 = 30 г при температуре t2 = 10 °С? 7. До какой температуры был нагрет железный брусок массой mj = 3,0 кг, если вода объемом V = 2,0 л в сосуде, в который был опущен брусок, нагрелась от температуры tj = 15 °С до температуры t2 = 20 °С? Потерями теплоты на нагревание стенок сосуда пренебречь. 8. Какой физический процесс происходит с веществом массой m = 0,1 кг? Гра -фик процесса представлен на рисунке 47. Какое это вещество? 9. На графиках I, II, III (рис. 48) даны зависимости количества теплоты от изменения температуры для трех тел одинаковой массы, но изготовленных из разных веществ. Сравните удельные теплоемкости веществ этих тел. Правообладатель Народная асвета Сулч . >°с 1000 800 600 400 200 V п — 7 о 10 20 30 40 50 60 д^,°С Рис. 49 10. На графиках I и II (рис. 49) изображены зависимости теплоемкостей двух тел от температуры (теплоемкость тела равна удельной теплоемкости вещества тела, умноженной на его массу, С = ст). Определите количество теплот^1, необходимое для нагревания этих тел на = 30 °С. Из какого вещества изготовлены тела, если масса каждого из них т = 1,0 кг? Какой физический смысл имеет теплоемкость? Одинакова ли теплоемкость разных тел, изготовленных из одного и того же вещества? § 8. Горение. Удельная теплота сгорания топлива Каждый из вас неоднократно зажигал газовую горелку или растапливал печь, чтобы вскипятить воду, сварить суп, т. е. получить энергию от сгорания газа, дров и передать ее приготовляемой пище. Чтобы «грела» печь, на,до сжечь дрова (рис. 50), уголь или торф. Энергия, вы,делившаяся при их сгорании, поглощается печью, ее внутренняя энергия увеличивается, печь нагревается. Газ, уголь, торф, дрова и др. называются топливом. Величина, численно равная количе- ___________________ энергии, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива, называет-Т1 1t 1 ся удельной теплотой сгорания топлива. Обозначается удельная теплота сгорания буквой q. Тогда при полном сгорании 2 кг топлива вы,делится энергии (теплоты) в два раза больше, а при полном сгорании т кг — в т раз больше, т. е. Q = qm, откуда удельная теплота сгорания топлива Рис. 50 34 Q q = —. m Правообладатель Народная асвета Из формулы следует, что удельная теплота сгорания измеряется в джоулях на килограмм (). V кг / Почему при горении выделяется энергия? Вы уже знаете, что молекулы состоят из атомов. Молекула — достаточно устойчивая конструкция. Чтобы ее разрушить, т. е. разделить на атомы, надо затратить энергию. Зато при образовании молекулы из атомов энергия выделяется. В процессе горения образуются Рис. 51 молекулы. Например, углерод, входящий в состав топлива, соединяется с двумя атомами кислорода воздуха, и образуется молекула углекислого газа СО2 (рис. 51). При этом выделяется энергия (теплота Q). В таблице 2 представлены значения удельной теплоты сгорания q для различных видов топлива. Проанализируйте данные таблицы 2. Из нее следует, что наибольшее количество теплоты, вы,деляюш,ееся при сгорании 1 м3 газообразного водорода, q = 120 000 000 = 1,2 • 108 ^Ж^. м3 м3 Водород — один из высокоэнергетических видов топлива. Кроме того, продуктом сгорания водорода является обычная вода. Это делает водород экологически наиболее чистым топливом, что для нас очень важно. Газообразный водород взрывоопасен и имеет самую малую плотность в сравнении с другими газами при равной температуре и давлении. И хотя имеются сложности со сжижением водорода и его транспортировкой, тем не менее, водород представляет перспективное топливо. При сгорании других видов топлива (мазута, природного газа) выбрасываются вредные для здоровья человека и всего живого вещества (рис. 52): угле- Рис. 52 35 Правообладатель Народная асвета кислый и угарный газы, зола и топочные шлаки, загрязняющие воздух, почву и воду. Именно в связи с загрязнением атмосферы вредными продуктами сгорания проблема социальных мероприятий по охране окружающей среды, поиска экологически чистого топлива является особенно актуальной. Таблица 2. Удельная теплота сгорания разных видов топлива Вещество МДж q, кг Вещество МДж q, кг Твердое Бурый уголь 9,3 Каменный уголь: Древесный уголь 29,7 марки А-I 20,5 Дрова сухие 8,3 марки А-II 30,3 Древесные чурки 15,0 Кокс 30,3 Порох 3,0 Торф 15,0 Жидкое Бензин, нефть 46,0 Мазут 40,0 Дизельное топливо 42,0 Спирт этиловый 27,0 Керосин 43,0 ^ ,, /'МДж'! Газообразное I ^—1 V м ' (для 1 м3 при нормальных условиях) Генераторный газ 5,5 Природный газ 35,5 Коксовый газ 16,4 Светильный газ 21,0 Водород 120,0 Главные выводы 1. Горение — процесс вы,целения энергии в результате химической реакции соединения атомов различных веществ с кислородом. 2. Удельная теплота сгорания определяет количество энергии (теплоты), выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. 3. Сгорание топлива вызывает загрязнение окружающей среды. 36 Правообладатель Народная асвета Контрольные вопросы 1. Что называется удельной теплотой сгорания? 2. Удельная теплота сгорания торфа почти в два раза выше удельной теплоты сгорания сухих дров. Как это понимать? 3. Какой из видов твердого топлива, представленных в таблице 2, наилучший? Наихудший? Почему? 4. Какое утверждение верно: «Удельная теплота сгорания прямо пропорциональна количеству выделившейся теплоты и обратно пропорциональна массе сгоревшего топлива» или «Удельная теплота сгорания топлива численно равна количеству выделившейся теплоты при полном сгорании 1 кг топлива»? Почему? 5. Предложите пути снижения степени загрязнения атмосферы при использовании топлива. Пример решения задачи Определите массу торфа, который надо сжечь, чтобы довести до кипения (tK = 100 °С) воду массой тв = 10 кг, имеющую температуру tj = 20 °С. На нагревание воды идет одна пятая часть теплоты от сгорания топлива. Дано: tB = 100 °С t1 = 20 °С тв = 10 кг = 0,2^т св = 4,2 • 103 Дж кг • °С q = 15,0 МДж = 1,5• 107 кг кг тт — ? Решение Количество теплоты, необходимое для нагревания воды: = cвmв(tк - t1). Торф при сгорании вы,деляет энергию: QB = qmB. По условию вода получит 1 Qт: Qh = 11 qmт = 0,2qmт. Следовательно: Cвmн(tк - tJ) = 0,2qmB. Откуда: _ ChmH (tк - t1). 4,2 • 103 Дж • 10 кг • 80 °С кг • °С , , т =---------------------=-------= 1,1кг, 7 Дж 0,2q „ , , 0,2 • 1,5 • 10 Ответ: тт = 1,1 кг. кг Упражнение 7 1. Сколько теплоты вы,деляется при полном сгорании каменного угля марки А-I массой т = 10,0 кг? 2. Одинаково ли нагреется печь, если в ней сжечь сухие дрова массой т1 = 14,5 кг или торф массой т2 = 8,00 кг? Время сгорания считайте одинаковым. 37 Правообладатель Народная асвета Q, кДж 13500 10500 7500 4500 1500 Рис. 53 и / / / / у / 1 3. При сгорании топлива массой m = 50 кг вы,целилось Q = 750 МДж теплоты. Какое это топливо? 4. Одна литровая бутылка заполнена бензином, а другая — керосином. Одинаковое ли количество теплоты выделится при полном сгорании содержимого каждой из бутылок? 5. Зависимость теплоты, вы;делившей-ся при сгорании двух видов топлива, от их массы показана на графиках I и II (рис. 53). Чему равна удельная теплота сгорания каждого топлива? Во сколько раз количество теплоты, вы,делившееся при сгорании одного топлива, больше количества теплоты, выделившегося при сгорании другого, если их массы mj = m2 = 0,3 кг? Определите виды топлива. 6. Используя графики зависимости удельной теплоты сгорания топлива I и II от их массы (рис. 54), определите суммарное количество теплоты, выделившееся при сгорании топлива I массой mj = 2,00 кг и топлива II массой m2 = 3,00 кг. Определите виды топлива. 7. Какая масса пороха должна быть сожжена для получения энергии, равной энергии пули массой m = 10,0 г, летящей со скоростью v = 600 — ? Будет с ли реально пуля иметь такую скорость, если в ее патроне сгорит порох рассчитан -ной массы? о 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 /77, кг Q,10 4.5 4,0 V // 1 ; 1 1 1 1 1 1 У о 1 2 3 4 5 6 m, кг Рис. 54 § 9. Плавление и кристаллизация При теплопередаче внутренняя энергия тела изменяется. Чаще всего это связано с изменением его температуры. Но при этом агрегатное состояние вещества остается прежним. Однако существуют процессы, при которых внутренняя энергия вещества при получении теплоты увеличивается, а температура остается постоянной. К таким процессам относятся плавление и кристаллизация (отвердевание). Изучим эти процессы с помощью опыта. В стакан поместим кусочки льда из мо- 38 Правообладатель Народная асвета розильнои камеры, охлажденные до минусовой температуры, например -10 °С. Вставим в стакан термометр (рис. 55) и начнем нагревать. Тем -пература льда повышается. Он нагревается. Внутренняя энергия льда увеличивается за счет кинетической энергии его молекул. Изменение температуры вещества в стакане с течением времени будем изображать на графике (рис. 56). Участок АВ соответствует нагреванию льда от -10 °С до 0 °С. При дальнейшей передаче льду теплоты его температура остается постоянной, равной 0 °С. На что же уходит полученная льдом теплота? Наблюдения показывают, что кристаллический лед превращается в воду. Рис. 55 Рис. 56 Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением. Полученная от плитки теплота по-прежнему превращается во внутреннюю энергию вещества, увеличивая ее. Это увеличение идет за счет изменения потенциальной энергии взаимодействия частиц при разрушении кристалла. Кинетическая же энергия не изменяется, так как температура постоянна. Аналогично идет процесс плавления большинства кристаллических веществ: железа, меди, стали и т. д. Температура, при которой вещество переходит из твердого состояния в жидкое, т. е. плавится, называется температурой плавления. Температура плавления у разных кристаллических веществ неодинаковая (табл. 3). Она очень высокая у вольфрама и очень низкая у водорода. Продолжим опыт. Как только весь лед расплавится, температура воды в стакане начнет возрастать (участок CD, см. рис. 56). На всех участках процесса теплота поглощается веществом (льдом, водой). 39 Правообладатель Народная асвета А теперь снимем стакан с плитки, поставим в морозильную камеру и будем периодически наблюдать за показаниями термометра и состоянием вещества. Вода сначала остывает до 0 °С (участок DE). Ее внутренняя энергия уменьшается, теплота выделяется, причем |Q;^| = Q3. Затем идет процесс кристал- лизации (участок ЕК), температура остается постоянной, и ее значение равно 0 °С. Вода превращается в лед. Теплота Q!^ выделяется, |Q;(| = Q2. Участок КМ (см. рис. 56) соответствует охлаждению льда до температуры в камере. Процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. Обратите внимание, что температура плавления и температура кристаллизации одинаковы. Например, если олово плавится при температуре 232 °С (см. табл. 3), то и отвердевать оно будет при температуре 232 °С. Таблица 3. Температура плавления и удельная теплота плавления (кристаллизации) некоторых веществ (при нормальном атмосферном давлении) Вещество Тем -пера-тура плавления t, °С Удельная теплота плавления X, Дж кг Вещество Тем -пера-тура плавления t, °С Удельная теплота плавления X, Дж кг Вольфрам 3387 184 000 = 1,84 • 105 Свинец 327 24 700 = 2,47 • 104 Платина 1772 113 000 = 1,13 • 105 Олово 232 60 300 = 6,03 • 104 Железо 1539 270 000 = 2,70 • 105 Лед 0 333 000 = 3,33 • 105 Сталь 1500 84 000 = 8,40 • 104 Ртуть -39 11 800 = 1,18 • 104 Медь 1085 210 000 = 2,10 • 105 Спирт -114 11 000 = 1,10 • 104 Золото 1064 67 000 = 6,70 • 104 Азот -210 25 500 = 2,55 • 104 Серебро 962 87 000 = 8,70 • 104 Кислород -219 14 000 = 1,40 • 104 Алюминий 660 390 000 = 3,90 • 105 Водород -259 58 200 = 5,82 • 104 В таблице даны температуры плавления веществ при нормальном атмосферном давлении. И это не случайно. Для большинства веществ с увеличением давления температура плавления увеличивается. Но для льда — наоборот: при повышении давления лед может плавиться, например, при температуре -5 °С. Понятия «температура плавления» и «температура кристаллизации» применимы не ко всем веществам. Согрев рукой кусок холодного твердого пластилина, мы ощутим постепенное уменьшение его твердости. Продолжая нагрев на каком-либо нагревателе, можно перевести пластилин в состояние вязкой жидкости. Но мы не обнаружим определенной темпера- 40 Правообладатель Народная асвета Рис. 57 Рис. 58 туры плавления. То же самое происходит при нагревании стекла (рис. 57). Наблюдается непрерывное уменьшение твердости стекла и увеличение текучести. Причина такого поведения указанных веществ (их называют аморфными) в отсутствии в их строении правильного повторяющегося расположения частиц (молекул, атомов, ионов). Понятия «температура плавления» и «температура кристаллизации» применимы лишь к телам, имеющим кристаллическое строение. Температуру плавления приходится учитывать при создании бытовой и промышленной техники. Спирали лампочек (рис. 58), нагревательных элементов делают из тугоплавких материалов. В самолетостроении, в ракетной и космической промышленности используют материалы с высокой температурой плавления. Объясните причину этого. Главные выводы 1. Для перехода кристаллического вещества из твердого состояния в жидкое оно должно быть нагрето до температуры плавления. 2. В процессах плавления и кристаллизации температура вещества не изменяется. 3. Температуры плавления и кристаллизации одинаковы. 4. При плавлении вещество поглощает энергию, при кристаллизации такая же энергия выделяется. Контрольные вопросы 1. Какой процесс называется плавлением? Кристаллизацией? 2. К каким телам применимы термины «плавление» и «кристаллизация»? 41 Правообладатель Народная асвета 3. Как объяснить постоянство температуры при плавлении тела? На что расходуется подводимая при этом энергия? 4. Как изменяется внутренняя энергия при переходах твердое вещество — жидкость и жидкость — твердое вещество? Равны ли изменения внутренней энергии при этих переходах? 5. Замерзнет ли вода в какой-либо из пробирок, представленных на рисунке 59? Почему? § 10. Удельная теплота плавления и кристаллизации Как определить количество теплоты, которое должно поглотить твердое тело массой т, чтобы перейти в жидкость, т. е. расплавиться? Еще раз обращаем ваше внимание на то, что температура во время плавления не изменяется (см. рис. 56, участок ВС), но теплота телу сообщается. Значит, она идет на разрушение кристаллической упорядоченной структуры вещества. Физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое надо передать твердому телу массой 1 кг при температуре плавления для перехода в жидкость, называется удельной теплотой плавления. Удельная теплота плавления обозначается греческой буквой X (лямбда). Чтобы расплавить твердое тело массой 2 кг, ему на,цо передать энергии (теплоты) Q в 2 раза больше. А если масса тела равна т? Очевидно, для перехода в жидкость тело должно получить теплоты Q в т раз больше, т. е.: Q = Xm. Из формулы следует, что удельная теплота плавления определяется как: X = Q грамм В СИ единицей удельной теплот^1 плавления является 1 джоуль на кило- (). ' кг / У различных веществ удельная теплота плавления X неодинаковая. В таблице 3 приведены ее значения для разных веществ. Как следует из таблицы, X для ртути равна 11 800 . Это значит, что для кг перехода массы ртути m = 1 кг, имеющей температуру t = -39 °С, из твердого 42 Правообладатель Народная асвета m а ОС = 333 кДж б ОС 0= 333 кДж Рис. 60 состояния в жидкое ртуть должна поглотить Q = 11 800 Дж энергии. Больше всего теплоты для плавления массы m - 1 кг требуется льду — \ = 333 000 кг (рис. 60, а). Но при замерзании воды при температуре t = 0 °С столько же теплоты выделяет каждый килограмм воды (рис. 60, б). Большая удельная теплота плавления объясняет затяжное таяние льдов озер, рек и других водоемов. А так как теплоту лед поглощает из окружающей среды, то погода в это время, как правило, прохладная. И наоборот, при замерзании озер, рек и других водоемов (рис. 61) выделяется большое количество энергии, что делает более теплой позднюю осеннюю погоду, а климат вблизи морей и океанов более умеренным. Рис. 61 Главные выводы 1. При переходе 1 кг вещества из твердого состояния в жидкое поглощается количество теплоты, численно равное удельной теплоте плавления X, и ровно столько же выделяется при его переходе из жидкого состояния в твердое. 2. Температуры плавления и кристаллизации для данного вещества одинаковы. 3. Удельная теплота плавления у разных веществ различная. Контрольные вопросы 1. От чего зависит количество теплоты, необходимое для перехода в жидкое состояние твердого тела? 2. Что называется удельной теплотой плавления? В чем она измеряется? 43 Правообладатель Народная асвета Дж 3. Что обозначает выражение: «Удельная теплота плавления олова X = 60 300 »? кг Дж 4. Удельная теплота плавления вещества равна X = 58 200 ^^. Какое это вещество? Какая у него температура плавления? 5. Как правильно прочитать формулу X = —: а) удельная теплота плавления пря- m мо пропорциональна количеству теплоты и обратно пропорциональна массе тела; б) удельная теплота плавления численно равна количеству теплоты, необходимому для плавления единицы массы вещества? Пример решения задачи В горячую воду при температуре = 90 °С опустили кубик льда, массой т2 = 0,20 кг, имеющего температуру t2 = -10 °С. Окончательная температура воды стала t = 20 °С. Определите массу горячей вод^1. Потерями теплоты пренебречь. Дано: т2 = 0,20 кг t2 = -10 °С t1 = 90 °С tпл = 0,0 °С t = 20 °С св = 4,2 • 103 ^ ’ кг • °С Сл = 2,1 • 103 ^ ’ кг • °С X = 3,33 • 105 mj — ? Или: Решение Составим уравнение теплового баланса: I ^отд I ^получ . Отдавала теплоту горячая вода, охлаждаясь от температуры t1 до температуры t: Оотд = свт1 (t1 - t). Лед получал теплоту, за счет которой он нагрелся от t2 до tпл и превратился в воду, и полученная вода нагрелась от температуры tпл до температуры t: Q = Q + Q + Q . ^получ ^нагрев. ль^а ^пл ^нагрев. вод^1 Qполуч = слт2 (tпл - t2) + Xm2 + Свт2 (t - tпл ). Свт1 (t1 - t) = -Слm212 +Xm2 + m2t; m1 = - c_m2t2 + Xm2 + св m^t св (t1 - Подставив числовые данные, получим: т1 = 0,3 кг. Ответ: m, = 0,3 кг. 44 Правообладатель Народная асвета Упражнение 8 1. Можно ли железный гвоздь расплавить в оловянной чашке? Почему? 2. Во сколько раз отличаются количества теплоты, выделившиеся при кристаллизации 1 кг меди и 1 кг железа? 3. В каком состоянии при атмосферном давлении находятся свинец и азот, если их температуры равны соответственно 1св = +330 °С и ^азота = -215 °С? Почему? 4. Кусок льда принесли с улиц^1, где температура t1 = -5 °С, в сарай, температура в котором t2 = 0 °С. Будет ли таять лед? Почему? 5. На сколько увеличится при плавлении внутренняя энергия серебра массой m = 2,00 кг? 6. Почему ртуть не используется в бытовых термометрах для измерения температуры воздуха в северных районах? 7. До какой температуры на,цо нагреть железный куб (рис. 62), чтобы он, помещенный на лед при температуре t = 0,0 °С, полностью в него погрузился? Считайте, что вся теплота, отданная кубом при охлаждении, пошла на плавление льда. 8. Зависимость количества поглощенной теплоты от массы для двух веществ при их плавлении показана на рисунке 63. Определите удельную теплоту плавления обоих веществ. Что это за вещества? Сколько тепло -ты выделится при кристаллизации вещества II массой m = 2,00 кг? 9. Сколько теплоты потребуется, чтобы расплавить лед массой m = 3,0 кг, находящийся при температуре t = -10 °С? Постройте график зависимости количества подводимой для этого теплоты Q от температуры t вещества. 10. Для плавления стали, имеющей начальную температуру tj = 20 °С, был сожжен каменный уголь (марки А-I) массой m = 20 кг. Какая масса стали расплавилась, если на плавление затрачено 50 % теплоты, о полученной от сгорания угля ? 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 т, кг Рис. 63 45 Правообладатель Народная асвета 11. На двух одинаковых горелках плавятся лед и олово, массы которых равны mj = m2 = 100 г. В каком сосуде плавление закончится раньше? Начальные температуры олова и льда одинаковы t1 = t2 = 0 °С. 12. При температуре воздуха t = -10 °С кажд^тй ква,цратный метр поверхности пруда выделяет Q = 180 кДж теплоты в час. Какой толщины лед образуется за промежуток времени Ат = 2 ч, если температура воды у поверхности пруда t = 0 °С? § 11. Испарение жидкостей. Факторы, влияющие на скорость испарения Задумывались ли вы над вопросом: почему сохнет мокрая одежда? Почему в ветреную погоду она высыхает значительно быстрее, чем в тихую холодную? А если оставить открытым флакон духов, то очень скоро он может оказаться пустым. Почему? Попытаемся ответить на эти вопросы. Вспомним, что молекулы вещества в любом его состоянии находятся в непрерывном движении. Их скорости меняются самым случайным образом. Молекула жидкости, имеющая большую скорость, обла,дает большой кинетической энергией. Такая молекула может преодолеть силы притяжения к другим молекулам и покинуть жидкость (рис. 64). Так как молекулы с большой энергией есть всегда, то со временем количество жидкости будет уменьшаться, а над жидкостью будет образовываться пар (газ). Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием. В физике отличают два вида парообразования: испарение и кипение. Испарение — это парообразование, идущее со свободной поверхности жидкости. При испарении жидкость покидают молекулы с большей энергией. Энергия жидкости уменьшается. Значит, и температура жидкости уменьшается. Проверьте это на опыте. Капните на ла,донь каплю эфира или ацетона. Вы ош;утите холод. Это происходит потому, что при испарении эфир (ацетон) охлаждается и забирает у ладони теплоту. От чего зависит скорость испарения? Проведем опыт. На стекло нанесем тампоном влажные пятна одинаковых размеров в такой последовательности: подсолнечное масло, вода, ацетон (эфир) 46 Рис. 64 Правообладатель Народная асвета масло вода ацетон / 1 \ -и ^вода^ а ilL, ^ А б сЬ Рис. 65 (рис. 65, а, б). Первым исчезнет пятно ацетона, затем воды. Масляное пятно сохраняется долго. Отсюда следует вывод, что скорость испарения у разных жидкостей неодинаковая. Это и понятно: у разных жидкостей силы взаимодействия молекул неодинаковые. Продолжим опыт. Одну стеклянную пластинку возьмем холодную, а другую нагреем и нанесем на них две одинаковые капли ацетона или воды (рис. 66, а, б). С нагретого стекла капля исчезнет быстрее, чем с холодного. Чем выше температура жидкости, тем больше скорость испарения. А теперь капнем на стекло две капли ацетона. Размажем одну каплю так, чтобы образовалось пятно (рис. 67, а, б). Пятно ацетона испарится быстрее. Значит, чем больше площадь свободной поверхности жидкости, тем больше скорость испарения. Рис. 66 Рис. 67 47 Правообладатель Народная асвета Рис. 68 Рис. 69 Наконец, на два стекла нанесем по капле ацетона, но одно стекло будем обмахивать картонным веером. Капля с этого стекла испарится быстрее. Почему? При испарении молекулы не только покидают поверхность жидкости, но и возвращаются обратно. Ветер же уносит вылетевшие молекулы (рис. 68). Процесс испарения находит практическое применение в технике. Зависимость скорости испарения от рода жидкости используют для разделения смеси жидкостей на отдельные компоненты. В основе работы холодильных установок, сушильных машин лежит процесс испарения. В космонавтике испарение вещества, которым покрывают спускаемый аппарат, охлаждает его и спасает от перегрева при попадании в плотные слои атмосферы. А испаряются ли твердые вещества? Поместим в пробирку кристаллики йода и будем нагревать над пламенем спиртовки (рис. 69). Через некоторое время кристаллики йода испарятся. Значит, твердые тела тоже испаряются. Исчезает иней на деревьях в ясный морозный день (рис. 70), белье высыхает даже на сильном морозе. Рис. 70 48 Правообладатель Народная асвета Главные выводы 1. Испарение вызывает охлаждение жидкостей. 2. Испарение жидкостей происходит при любой температуре. 3. Скорость испарения зависит от рода жидкости, ее температуры, площади свободной поверхности и от притока воздуха (ветра). Контрольные вопросы 1. Какой процесс является испарением? 2. Почему при испарении жидкость охлаждается? 3. Какая составляющая внутренней энергии жидкости (кинетическая или потенциальная) изменяется при испарении жидкости без подачи теплоты извне? Почему? 4. Почему скорость испарения разных жидкостей неодинакова? 5. Помещение, в котором пролили ртуть, опасно для проживания долгие годы, если специальная служба предварительно его не очистила. Почему? Упражнение 9 1. В каком флаконе — с узким или широким горлышком — духи сохранятся дольше? Почему? 2. Почему при одной и той же температуре в безветренную погоду белье сохнет медленнее, чем при сильном ветре? 3. Чтобы в жаркую погоду сохранить воду холодной, сосуд с водой оборачивают мокрой тряпкой. Зачем это делается? 4. Будет ли вода испаряться из открытого сосуда, если его перенести из теплой комнаты (^1 = 20 °С) на улицу (t2 = 2 °С)? 5. На весах уравновешены стаканы с водой и ацетоном. Нарушится ли равновесие весов через некоторое время? Почему? 6. Почему, выйдя из вод^1, купальщик ощущает холод? 7. Какое значение для жизнедеятельности человека имеет потоотделение? 8. Объясните действие «воздушного полотенца» (струя теплого воздуха), применяемого для сушки мокрых рук. 9. При высокой температуре тело больного следует протереть раствором спирта. Зачем это надо делать? 10. Если налить в сосуд немного воды, а сверху — эфира и насосом откачивать пары эфира, то вода в сосуде замерзает. Объясните это явление. 49 Правообладатель Народная асвета § 12. Кипение жидкостей. Удельная теплота парообразования Вы уже знаете, что испарение жидкости идет при любой температуре и вызывает ее охлаждение. А как будет происходить испарение, если жидкости передавать энергию, т. е. подводить теплоту? Проведем такой опыт. Поставим на электроплитку стакан с водой (рис. 71, а). По термометру будем следить за изменением температуры вод^1 в стакане. Температура воды сначала растет. На дне стакана появляется множество маленьких пузырьков. Их размеры постепенно увеличиваются, так как вода испаряется внутрь пузырьков и давление пара в пузырьках при нагревании повышается. Пузырьки отрываются ото дна и стенок и движутся вверх. А что дальше? Если давление пара внутри пузырька больше, чем над жидкостью, он разрывается, и пар выходит наружу. Посмотрим на термометр. Он показывает температуру, близкую к 100 °С, и она практически не меняется. А пузырьков все больше и больше поднимается и лопается у поверхности, выбрасывая пар в атмосферу. Вода кипит (рис. 71, б). Кипение — это процесс парообразования, идущий по всему объему жидкости. Действительно, любой пузырек можно рассматривать как сосуд с паром внутри жидкости (рис. 72), с поверхности стенок которого идет испарение и обратный процесс — возврат молекул в жидкость, т. е. конденсация. При кипении температура жидкости не меняется. Но ведь энергия (от нагретой плитки) жидкостью поглощается. Куда же уходит эта энергия? Энергия, полученная жидкостью, идет на превращение ее в пар (газ), т. е. на преодоление сил притяжения между молекулами жидкости. 50 Правообладатель Народная асвета При обратном процессе — переходе пара в жидкость (рис. 73), или конденсации, это же количество энергии выделяется. Температура, при которой происходит кипение жидкости, называется температурой кипения. Температура кипения у разных жидкостей различна. Это и понятно, ведь различна энергия взаимодействия молекул. В таблице 4 приведены температуры кипения жидкостей при нормальном атмосферном давлении. А случайно ли мы, говоря о температуре кипения жидкости, указываем давление? Нет, не случайно. Пузырьки кипящей жидкости лопаются при условии, что давление пара в них не меньше, чем давление снаружи. Значит, чем меньше внешнее давление, тем при более низкой температуре закипит жидкость. Подтвердим это опытом. Нальем в колбу теплой воды, температура которой t = 50—60 °С. Закроем колбу и подсоединим к откачивающему насосу (рис. 74). Откачаем газ из колбы. Вода закипит, хотя ее температура меньше 100 °С. Но это не значит, что в такой воде можно сварить яйцо. Яйцо варится не потому, что вода кипит, а потому, что она горячая. А если в специальных условиях создать высокое давление над поверхностью воды, то в ней можно будет расплавить олово, но вода так и не будет кипеть. Объясните почему. Зависимость температуры кипения от внешнего давления используется в практических целях. Например, для стерилизации медицинских инструментов их помещают в герметически закрытые камеры-автоклавы (рис. 75), вода в которых кипит при температуре значительно выше 100 °С. Мощные паровые турбины работают при давлении, в 200 раз большем атмосферного, и температуре, в Рис. 74 Правообладатель Народная асвета 6 раз превышающей температуру кипения вод^1 при нормальном давлении, что существенно повышает их КПД. В быту используются кастрюли-скороварки (рис. 76). В них давление пара в два раза больше атмосферного и температура кипения воды достигает « 120 °С. Пища варится гораздо быстрее, чем в обычных кастрюлях. Вернемся к парообразованию. Чтобы превратить в пар 1 кг жидкости при температуре кипения, необходимо передать ей определенное количество теплоты. А если масса жидкости будет 2 кг? Значит, теплоты понадобится в 2 раза больше. А при превращении в пар т кг жидкости количество теплоты увеличится в т раз, т. е. количество теплоты, необходимое д^я парообразования, прямо пропорционально массе жидкости: Рис. 76 Q = Lm. В этой формуле коэффициент L называется удельной теплотой парообразования: L = m Как следует из формулы, единицей удельной теплоты парообразования в СИ является 1 джоуль на килограмм (). ' кг / Таблица 4. Температура кипения и удельная теплота парообразования некоторых жидкостей (при нормальном атмосферном давлении) Вещество Температура кипения t, °С Удельная теплота парообразования L, ДЖ кг Воздух -192 210 000 = 2,1 • 105 Аммиак -33,4 1 370 000 = 1,37 • 106 Эфир 35 352 000 = 3,52 • 105 Ацетон 56,2 520 000 = 5,2 • 105 Спирт 78 857 000 = 8,57 • 105 Вода 100 2 260 000 = 2,26 • 106 Ртуть 357 285 000 = 2,85 • 105 Железо 3050 58 000 = 5,8 • 104 52 Правообладатель Народная асвета Удельная теплота парообразования есть физическая величина, численно равная количеству теплоты, поглощенному 1 кг жидкости при переходе ее в пар при температуре кипения. Удельная теплота парообразования различных жидкостей дана в таблице 4. Что значит L = 2,26 • 106 кг Для воды? А это значит, что 1 кг воды при температуре 100 °С должен поглотить 2,26 • 106 Дж энергии (теплоты), чтобы перейти в газ (пар) с этой же температурой. 6 Дж Можно сказать и иначе: L = 2,26 • 106 кг — это количество тепло - ты, которое выделится при конденсации 1 кг пара при температуре кипения (100 °С). Главные выводы 1. Превращение жидкости в газ (пар) при постоянной температуре называют кипением жидкости. 2. Температура кипения зависит от рода жидкости и внешнего давления. 3. Чем выше давление на,д поверхностью жидкости, тем выше температура кипения. 4. При кипении жидкость поглощает энергию, при конденсации пара выделяется равное количество энергии. 5. Значение поглощенной при кипении энергии зависит от рода жидкости и ее массы. Контрольные вопросы 1. Что представляет собой процесс кипения жидкости? 2. Почему температура жидкости в процессе кипения не изменяется? 3. Какой физический смысл имеет удельная теплота парообразования? 4. Исходя из формулы L = , можно ли утверждать, что удельная теплота паро- образования прямо пропорциональна количеству поглощенной теплоты и обратно пропорциональна массе жидкости? Почему? 5. Почему с увеличением внешнего давления температура кипения жидкости повышается, а с уменьшением давления — понижается? 53 Правообладатель Народная асвета Пример решения задачи График зависимости теплоты парообразования некоторой жидкости от ее массы представлен на рисунке 77. Определите массу олова, взятого при температуре = 32 °С, которую можно расплавить, используя теплоту конденсации пара данной жидкости массой = 0,01 кг, взятого при температуре кипения. Да но: ш1 = 0,01 кг t1 = 32 °С tпл ■ = 232 ° С c = 250 Дж ол кг • °С й = 6,03 • 104 Дж кг ш — ? Откуда: Тогда: Решение Из графика найдем модуль количества теплоты, которое выделится при конденсации пара массой ш1 = 0,01 кг: |0.о^ = ^пар = 22,6 кДж = 22 600 Дж. Для нагревания до температуры плавления tпл и плавления массы ш олова необходимо количество теплоты: Q = солш(tпл - ti) + ^ш. |^ко^ = Q. ш = Q сол (tпл - t1) + ^ ’ t^^ -11 = 232 °C - 32 °C = 200 °C. ш = 22 600 Дж 250 Дж • 200 °С + 6,03 • 104 = 0,2 кг. кг • °С Ответ: ш = 0,2 кг. 54 Правообладатель Народная асвета ^°Су|Г 100 75 50 25 о -25 li 'V Упражнение 10 1. Почему, выйдя из бассейна, нельзя долго оставаться в мокром купальнике? 2. Как можно разделить смесь жидкостей на отдельные компоненты? 3. Где кусок мяса сварился бы на одной и той же горелке быстрее — у подножия горы Эверест или на ее вершине? Почему? 4. Какой участок графика (рис. 78) соответствует процессу кипения воды? Какая начальная температура воды? Конечная? 5. Опишите процессы, протекающие в веществе, анализируя участки I—V графика (рис. 79). Что это за вещество? 6. Почему водяной пар, попадая на кожу, вызывает сильный ожог? 7. Что обладает большей энергией: эфир массой m = 100 г при температуре t = 35 °С или пары эфира той же массы при той же температуре? 8. Используя график зависимости теплоты, необходимой для превращения жидкости в пар (газ), от массы жидкости (рис. 80), определите удельную теплоту парообразования. Какая это жидкость? Сколько теплоты вы,делится при конденсации пара данной жидкости массой m = 3,00 кг? 9. Сколько энергии необходимо для превращения в пар воды массой m = 2,0 кг, взятой при температуре: а) t1 = 100 °С; б) t2 = 20 °С? 10. Какую массу спирта при тем- пературе t = 78 °С можно превратить в пар, если израсходовать на это Q = 8,57 • 106 Дж энергии? Рис. 80 55 ОгкДж 1 Рис. 79 Правообладатель Народная асвета 11. При конденсации пара некоторой жидкости массой m = 200 г при температуре конденсации выделилось Q = 7,04 • 104 Дж теплоты. Чему равна удельная теплота парообразования этой жидкости? Какая жидкость образовалась при конденсации? 12. Сколько льда, взятого при температуре t1 = -10 °С, можно полностью расплавить, если передать ему энергию, выделившуюся при конденсации водяного пара массой m = 25 г при температуре t2 = 100 °С? 13. В кастрюле с водой плавает пробирка, наполненная водой. При нагревании вода в кастрюле закипает. Закипит ли вода в пробирке? Правообладатель Народная асвета Что общего у мобильного телефона и молнии? Можно ли разделить полюса магнита? Почему светит электрическая лампа? Трудно и даже невозможно представить жизнь без электричества. Мы почти автоматически нажимаем кнопки выключателей и включаем самые разнообразные приборы и технические устройства, делающие нашу жизнь комфортной. Электролампы освещают квартиры и улицы, электроплита греет, а холодильник охлаждает. Станки, компьютеры, ра,диоприемники, телевизоры, проводной и мобильный телефоны и др. — все эти устройства используют электричество. Электричество связано с магнетизмом. В этой главе мы познакомимся с электромагнитными явлениями. § 13. Электризация тел. Взаимодействие зарядов С электричеством связана не только работа современных приборов и технических устройств. Оно играет гораздо более важную роль. Электрические силы взаимодействия атомов и молекул ответственны за обмен веществ в человеческом организме. Что же представляют собой электрические явления? Древние греки заметили, что янтарь, потертый куском ткани, притягивает легкие тела. Слово «электричество» происходит от греческого названия янтаря (янтарь — электрон). Потрите о сухую бумагу пластмассовое тело (линейку, расческу). Оно начинает притягивать легкие тела: крошки пенопласта, мелко нарезанную бумагу (рис. 81), пух, легкую станиолевую гильзу (рис. 82). Говоря современным языком, потертое тело (пластмасса, стекло, фарфор и т. д.) электризуется, или приобретает электрический заряд. В ря,де случаев действие наэлектризованных тел может быть весьма значительным: искривление струи воды (рис. 83), поворот деревянной рейки (линейки) (рис. 84). В XVIII в. были установлены два важных свойства электризации. Рис. 82 58 Рис. 84 Правообладатель Народная асвета 1. При трении электризуются, или приобретают электрический заряд, оба тела (янтарь и ткань, пластмассовая линейка и бумага). Само трение малосущественно, оно лишь увеличивает площадь соприкосновения тел. Сказанное мы можем проверить на опыте. Потрем друг о друга чистые и сухие кусок резинового шланга А и стеклянную палочку В. Оба тела после этого притягивают к себе легкую гильзу (рис. 85). Значит, электрические заряды при трении появились у обоих тел. 2. Появляющиеся на телах заряды принципиально отличаются друг от друга. Они раз-ноименны. В том, что эти заряды неодинаковы, легко убедиться на опыте. Подвесим на шелковой нити наэлектризованную стеклянную палочку В (рис. 86, а). Поднесем к ней наэлектризованный кусок шланга А. Стеклянная палочка В к нему притягивается. Но если поднести к стеклянной палочке еще одну потертую о резину стеклянную палочку С, то палочка В уже отталкивается (рис. 86, б). Значит, электрические заряды, возникающие на стекле и резине, разноименны, и они притягиваются. А одноименны заряды, возникающие на стеклянных палочках, отталкиваются. Продолжим опыт. Сложим вместе потертые друг о друга кусок шланга и стеклянную палочку и поднесем их к подвешенной гильзе (рис. 86, в). Рис. 85 Рис. 86 59 Правообладатель Народная асвета Рис. 87 Действия нет! Хотя заря,а^1 были на обоих телах (шланге и палочке), но они скомпенси-г—■ ' ровали (нейтрализовали) друг друга. Имен- f /d\ но этим объясняются названия электрических Г \ л J заря,дов: положительный (у стекла) и от- рицательный (у резины). Вспомните математику: результат сложения двух равных по модулю чисел противоположных знаков равен нулю (-5 + 5 = 0). Итак, электрическое взаимодействие бывает двух видов: притяжение разноименно заряженных тел и отталкивание одноименно заряженных тел. Отталкивание одноименно заряженных тел лежит в основе устройства и действия прибора для оценки и сравнения величины электрического заряда (количества электричества). Это электроскоп (рис. 87, а). При передаче шарику прибора положительного или отрицательного заряда мы заряжаем этим зарядом листочки А и В электроскопа. Одноименно заряженные листочки отклоняются на некоторый угол, тем больший, чем больше переданный электроскопу заряд. Более совершенным прибором является электрометр (рис. 87, б). Сообщенный шарику, а через него стержню и стрелке заря,ц (любого знака) вызывает отталкивание стрелки D от заряженного стержня C. Нижний конец стрелки перемещается при этом по шкале E. Металлический корпус F позволяет использовать прибор и для более сложных измерений. Главные выводы 1. При контакте двух различных тел оба тела заряжаются и приобретают способность к электрическому взаимодействию. 2. Возникающие на телах заря,цы называются положительными и отрицательными, что связано с их компенсирующим взаимным действием. 3. Одноименно заряженные тела отталкиваются, а разноименно заряженные — притягиваются. Контрольные вопросы 1. Что такое электризация трением? 2. Какова роль трения при такой электризации? 3. Почему заряды получили название положительных и отрицательных? 4. Для чего служит электроскоп? Как он работает? 60 Правообладатель Народная асвета § 14. Проводники и диэлектрики Можно ли полученный на наэлектризованном теле заряд передать другому телу? Перейдет ли, например, заряд от заряженного электроскопа A к другому незаряженному электроскопу B (рис. 88), если их соединить перемычкой? Проверим это на опыте, используя для соединения заряженного и незаряженного электроскопов перемычки из различных веществ. Опыт показывает, что через перемычку из таких веществ, как стекло, резина, различные пластмассы, заряд с одного электроскопа на другой не переходит (рис. 89, а). Такие вещества являются диэлектриками (в быту их часто называют изоляторами). Рис. 88 а б Рис. 89 Именно из таких веществ изготовлены оболочки проводов, штепсельные вилки, ручки отверток (рис. 90) и т. д. Диэлектриком является и воздух. Рис. 90 Если же соединить электроскопы перемычкой из любого металла, часть электрического заряда переходит ко второму прибору (рис. 89, б). Металлы (и 61 Правообладатель Народная асвета Рис. 91 Рис. 92 в твердом, и в жидком состоянии) — типичные представители проводников. К проводникам относятся большинство жидкостей: растворы кислот, солей, включая обычную питьевую воду. Проводником является и тело человека, состоящее более чем на две трети из жидкости. Очень важно понять, что идеальных диэлектриков нет. У любого диэлектрика можно обнаружить хотя бы малую проводимость. Так, если оставить на несколько часов заряженный электроскоп (рис. 91, а, б), то его заряд уменьшится, что говорит о наличии некоторой проводимости у воздуха. Все вы неоднократно наблюдали молнию (рис. 92) и электрическую дугу при сварке металлов (рис. 93). Эти явления свидетельствуют о том, что воздух при определенных условиях становится очень хорошим проводником. Даже такие отличные диэлектрики, как фарфор и стекло, могут превратиться в проводники. Именно поэтому в линиях электропередач применяются не одиночные, а целые гирлянды изоляторов (рис. 94). Рис. 93 62 Рис. 94 Правообладатель Народная асвета в XX в. была открыта третья группа веецеств — полупроводники. У этих веецеств (например, германия Ge, кремния Si) способность проводить заряд (проводимость) во много раз хуже, чем у проводников (металлов). Очень важно, что у полупроводников проводимость можно значительно увеличить различными воздействиями: нагреванием, освеедением, радиационным облучением. Это связано с особенностью строения веецеств этой группы. Именно полупроводники позволили создать сложнейшие устройства: солнечные батареи для спутников, компьютер, калькулятор (рис. 95, а), мобильный телефон (рис. 95, б) и многое другое. С этой группой веецеств вы познакомитесь подробнее при изучении физики в 10-м классе. Рис. 95 Главные выводы 1. Электрический заряд может перемещаться внутри тела или от одного тела к другому. 2. Вещества, в которых возможно перемещение заряда, называются проводниками. 3. Вещества, в которых перемещение заряда затруднено, называются диэлектриками (изоляторами). 4. Проводящие свойства среды можно изменить внешними воздействиями. Контрольные вопросы 1. В чем отличие проводников от диэлектриков? 2. Как можно установить, является данное вещество проводником или диэлектриком? 3. Какими опытами можно подтвердить диэлектрические свойства воздуха? 4. Если коснуться пальцем шарика заряженного электроскопа (электрометра), то заряд на приборе исчезает. Какие выводы можно сделать из этого? 5. Почему во влажном помещении опыты по электризации могут «не получаться»? 6. Что такое идеальный диэлектрик? Существует ли он? Упражнение 11 1. Почему при снятии свитера он прилипает к рубашке? Почему это явление спустя некоторое время исчезает? 2. Возьмите две узкие сухие полоски газетной бумаги и проведите по ним пальцами сухих рук (рис. 96). Объясните поведение полосок. Действие какого прибора объясняет этот опыт? Правообладатель Народная асвета 3. На рисунке 97 изображена часть установки, примененной русским ученым Г В. Рихманом для изучения электриче-ских явлений. При передаче металлическому стержню АВ заряда хлопчатая нить CD отклонялась и ее конец перемещался по шкале F. Что измерял этот прибор? 4. Каким простым способом можно разрядить электроскоп, т. е. убрать с прибора ранее полученный им заряд? 5. Как можно уменьшить электрический заряд на проводящем теле (металлическом шарике) ровно вдвое? В четыре раза? 6. Почти до конца XVIII в. считали, что металлические и влажные тела не электризуются при трении. На чем было основано это неверное мнение? 7. Почему на некоторых производствах (прядильных, полиграфических) искусственно поддерживают высокую влажность воздуха? 8. Имеет ли значение, к какой части рейки (ближе к опоре или концу) подносить наэлектризованную палочку в опыте, изображенном на рисунке 84? 9. Проводящим шарикам А и В сообщили равные разноименные зарядит, а затем, предварительно разрядив шарики, — такие же одноименные заряды. Будут ли одинаковыми силы притяжения и силы отталкивания шариков А и В? § 15. Электризация через влияние Мы уже знаем, что заряженное тело притягивает к себе другое заряженное тело, если их заряды разноименны. Но почему к заряженному телу притягиваются незаряженные тела (пух, кусочки бумаги, струя воды, подвешенная гильза)? Для ответа на поставленный вопрос проведем опыт. Поднесем к шарику незаряженного электроскопа (электрометра), не касаясь его, наэлектризованную палочку. Электроскоп фиксирует появление на листочках заряда (рис. 98, а). Уберем палочку — листочки спадают (рис. 98, б). Значит, заряд от палочки к Рис. 98 64 Правообладатель Народная асвета листочкам электроскопа не перешел через воздух, а появился под влиянием заряженной палочки. Зная, что заря,д может перемещаться в теле, мы можем объяснить произошедшее. В любом незаряженном теле всегда имеются равные количества заря,цов противоположных знаков, равномерно распределенных по всему телу (рис. 99, а). Заря,ц на поднесенной к электроскопу палочке притягивает к себе разно-именный и отталкивает одноименный заряд на стержне и листочках электроскопа (рис. 99, б), что и объясняет появление заря,ца на листочках. Это можно подтвердить более нагля,цным опытом. Поднесем наэлектризованную палочку к одному из двух незаряженных электроскопов, соединенных проводящей перемычкой. Оба прибора фиксируют появление за-ря,ца (рис. 100, а). Не отдаляя палочки, уберем сначала перемычку, а затем и саму палочку. Заря,цы остаются на обоих приборах (рис. 100, б). Эти заряды равны по модулю и противоположны по знаку. В этом можно убедиться, соединив приборы вновь перемычкой, — заря,а^1 компенсируют друг друга (рис. 100, в). Перераспределение заряда в теле, вызываемое воздействием другого заряженного тела, называется электризацией через влияние. Теперь ясно, почему к заряженному телу притягиваются незаряженные тела. Рис. 100 65 Правообладатель Народная асвета Рис. 101 Рис. 102 В незаряженном теле (станиолевой гильзе) (рис. 101) под действием заряженного (палочки) происходит перераспределение заряда, и на противоположных его сторонах возникают два равных разноименных заряда. Это создает силу притяжения F1 и отталкивания F2. Так как заряд противоположного знака расположен ближе к палочке, то и сила притяжения Fj больше по модулю силы отталкивания F2. в итоге незаряженная гильза притягивается к заряженной палочке. Докажите самостоятельно, что такой же результат будет, если к гильзе поднести не стеклянную, а эбонитовую наэлектризованную палочку. Электризация через влияние происходит чрезвычайно часто. Например, следствием электризации через влияние является молния (грозовой разряд). Нижняя часть облака, заряженная отрицательно (рис. 102), вызывает перераспределение заряда в почве, деревьях, домах и т. д. При большой величине заряда между облаком и поверхностью Земли происходит разряд (молния). Это же явление играет важную роль во многих технических устройствах, с которыми вы познакомитесь при последующем изучении физики. В кабинетах физики часто применяют изобретенную еще в XVIII в. электрофорную машину (рис. 103), в которой используется как электризация трением, так и электризация через влияние, что позволяет создать на шариках A и B прибора значительные разноименные электрические заряды. 66 Рис. 103 Правообладатель Народная асвета Главные выводы 1. Наэлектризованное тело может вызвать в другом теле перераспределение зарядов (электризация через влияние). 2. Заряды, появляющиеся при этом в частях тела, обязательно равны по модулю и противоположны по знаку. 3. При поднесении заряженного тела на ближней к нему стороне незаряженного тела возникает заряд противоположного знака. 4. Электризацией через влияние объясняется притяжение незаряженных тел к заряженным независимо от знака заряда. Контрольные вопросы 1. В чем суть электризации через влияние? Почему она возможна? 2. Как доказать, что при такой электризации заряды частей тела противоположны по знаку? 3. В чем различие электризации трением и электризации через влияние? 4. Как объясняется притяжение незаряженных тел к заряженным? Упражнение 12 1. Чем объясняется перераспределение зарядов в теле при электризации через влияние? 2. Как можно с помощью стеклянной палочки наэлектризовать два проводящих тела: одно — положительным, другое — отрицательным зарядом? 3. Легкая незаряженная станиолевая гильза, подвешенная на изолирующ,ей нити, притянулась к отрицательно заряженной палочке и тут же оттолкнулась от нее. Почему? Как будет протекать опыт при поднесении к гильзе положительно заряженной палочки? 4. Почему очень долго не удавалось обнаружить два вида электрических зарядов ? 5. Если поднести руку к заряженной подвешенной гильзе, то гильза притянется к руке. Объясните происходящ^ее. 6. Переда,дим значительный электрический заряд пластинке с наклеенными нитями или полосками тонкой бумаги. Как объяснить возникновение «ежа» (рис. 104, а)? Попробуйте пальцем дотронуться до такого «ежа». Почему «иголки ежа» начинают «ловить» ваш палец (рис. 104, б)? 7. Как можно рукой, т. е. без всяких приборов, определить, заряжена или нет подвешенная на изолирую -щей нити станиолевая гильза? Рис. 104 67 Правообладатель Народная асвета § 16. Электрический заряд. Элементарный заряд Рассматривая взаимодействие электрических зарядов, их перемещение в телах, мы не затрагивали очень важные вопросы. Что такое электрический заряд? Что происходит при электризации тел? Может ли электрический заряд иметь любое, даже сколь угодно малое значение? Впервые мысль о том, что существует предельная неделимая более «порция» электрического заря,да, была выдвинута еще в первой половине XIX в. вы;дающим-ся английским ученым М. Фарадеем, которому, кстати, прина,длежит и сам термин электрический заряд. Другой английский ученый Дж. Дж. Томсон открыл, что в атомах всех веществ содержится частица, обла,дающа^ отрицательным за-ря,дом. Частицу назвали электрон (вспомните: греч. — янтарь!). У ря,да веществ (особенно у металлов) электроны могут достаточно легко покидать атом. Сложными опытами было доказано, что заря,д любого электрона имеет всегда одно и то же значение и является наименьшим, не делимым более. Эта сама^ мала^ «порция электричества» была названа элементарным зарядом. В составе атома была найдена и частица, обладающая элементарным положительным зарядом. Это — протон. Открытие электрона и протона позволило просто объяснить электризацию тел. В ненаэлектризованном теле отрицательный суммарный заряд всех электронов равен по модулю суммарному положительному заря,ду всех протонов. При контакте тел, например стекла и бумаги (рис. 105), в силу определенных причин значительное число электронов покидают стекло, переходя к бумаге. Бумага приобретает отрицательный заряд. Стекло при этом заряжается положительным заря,дом, так как суммарный заря,д всех протонов становится больше суммарного заря,да электронов. Важно понять, что электрический заря,д частиц (электрона, протона) не есть нечто, добавленное к ним. Электрический заря,д — это величина, характеризующая неотъемлемое свойство электрона и протона к особому взаимодействию с подобными себе частицами. И поэтому нелепыми будут такие вопросы, как: «Из чего состоит электрический заря,д электрона, протона? Можно ли его отнять у частиц^1 (электрона, протона)?». При электризации трением от тела к телу 68 Рис. 105 Правообладатель Народная асвета переходит не свойство частиц, а сами частицы — в большинстве случаев это электроны. Как и всякую физическую величину, количество электричества необходимо измерять, т. е. нужно ввести единицу заряда. Такая единица в СИ носит название кулон (сокращенно Кл) в честь французского ученого Ш. О. Кулона. Строгое определение этой единице мы дадим несколько позже. Один кулон — очень большой заряд. Во всех описанных опытах заряд тела составлял в лучшем случае миллионные доли кулона. Элементарный заряд равен: с = 0,00000000000000000016 Кл, что удобно записать в стандартном виде: с = 1,6 • 10-’9 Кл. Для выражения значений зарядов наэлектризованных тел используют дольные единицы: 1 мКл (милликулон) = 1 • 10-3 Кл; 1 мкКл (микрокулон) = 1 • 10-6 Кл; 1 нКл (нанокулон) = 1 • 10-9 Кл; 1 пКл (пикокулон) = 1 • 10-12 Кл. Обратите внимание, что любой даже самый малый заряд тела кратен (т. е. содержит целое число) элементарному заряду. Заряд тела обозначается буквой q. Тогда где N — целое число. q = eN, Опыты, позволившие найти «наименьшую порцию электричества», т. е. элементарный заряд, были проведены одновременно в 1910—1913 гг. Р. Э. Милликеном в США и А. Ф. Иоффе в России. В этих опытах заряженная очень малая капелька масла (в опытах Р. Э. Милликена) или пылинка цинка (в опытах А. Ф. Иоффе) «зависала» между заряженными пластинами (рис. 106). Электрическая сила Сэл, компенсируюш^ая силу тяжести зависела от заряда капельки (пылинки), что позволило ученым судить о значении этого заряда. В обоих опытах были получены одинаковые результаты. Заряд капельки масла (пылинки) не мог принимать любое значение. Это значение всегда было кратно одному и тому же числу — 1,6 • 10—19 Кл. Правообладатель Народная асвета Главные выводы 1. Электрический заря,ц частиц и тел — величина, отражающая способность частиц и тел к взаимодействию. 2. Электрический заряд частиц, входящих в атом (электронов, протонов), неотделим от самих частиц. 3. Электрический заря,д любого заряженного тела дискретен, т. е. кратен наименьшему элементарному заря,ду (q = eN). 4. Электризация тел объясняется перемещением электронов от тела к телу (электризация трением) либо от одной части тела к другой (электризация через влияние). 5. Единицей заря,да в СИ является 1 кулон. Контрольные вопросы 1. Как понимать выражения: а) «Электрический заряд — это неотъемлемое свойство частиц^»; б) «Электрический заряд любого тела дискретен»? 2. Что означает понятие «элементарный заряд»? 3. Какая частица атома обладает элементарным положительным зарядом? Отрицательным зарядом? 4. Как объяснить появление отрицательного заряда на эбонитовой палочке при ее трении о шерсть? § 17. Строение атома. Ионы В начале XX в. было достоверно известно, что в состав атомов всех веществ входят отрицательно заряженные частицы — электроны. Было известно, что электроны, не связаны жестко в атоме и могут даже выходить за его пределы. Так как атом нейтрален, то в нем, безусловно, должен быть и положительный заряд. Но где находится положительный заряд в атоме? Фундаментальный, сыгравший принципиальную роль в науке опыт по изучению строения атома был проведен в 1911 г. английским ученым Э. Резерфордом. Суть опыта можно понять из такого сравнения. Пусть нужно проверить, не дотрагиваясь до предмета, однороден он или нет. Например, не спрятан ли в стоге сена металлический предмет. Это можно сделать, находясь вдали от стога, ис- 70 Правообладатель Народная асвета Рис. 107 пользуя мелкокалиберную винтовку и большой фанерный щит (рис. 107). Будем стрелять в стог по различным направлениям и по пробоинам в щите судить о траекториях всех пуль. При однородности стога не будет ни одного рикошета (отражения). Они появятся при наличии в стоге металлического предмета, причем число рикошетов будет зависеть от его размеров (например, килограммовой гири или гимнастической 32-килограммовой). В опытах Резерфорда тончайшая пленка из золота обстреливалась положительно заряженными частицами и оценивались траектории их движения после прохождения пленки. Опыты Резерфорда (более подробно о них пойдет речь в 11-м классе) убедительно показали, что атом неоднороден. Иначе, как объяснить, что некоторые положительно заряженные частицы изменяли направление движения, хотя их число было чрезвычайно малым. Опыт позволил утверждать, что более 99,96 % массы атома и весь положительный заря,д сосредоточены в чрезвычайно малой области в центре атома, которую назвали ядром атома. Резерфорд оценил размер я,дра атома. Его диаметр примерно в 104—105 раз меньше диаметра самого атома. Соотношение этих размеров примерно такое же, как у размеров макового зернышка, лежащего в центре футбольного поля, и самого поля. Позже (в 1919 г.) были экспериментально обнаружены носители положительного заря,да я,дра — протоны. Название частиц (греч. protos — первичный, базовый) подчеркивает, что протоны являются основой (базой) я,дер всех без исключения атомов. Кроме протонов, в я,дре находятся электронейтральные частицы — нейтроны (рис. 108). 71 Правообладатель Народная асвета © нейтрон 0 электрон Вокруг ядра, удерживаемые взаимодействием с ним, на очень большом расстоянии непрерывно движутся отрицательно за-0 ряженные электроны. Однако приписать какую-то конкретную орбиту электрону в атоме совершенно невозможно. Он как бы размыт в определенном объеме пространства, и поэтому 0 мы можем говорить лишь об электронных оболочках атома (см. рис. 108). В непроводяьцих средах (диэлектриках) рис 108 электроны достаточно сильно «связаны» с я,дром и редко покидают атом. В проводниках (металлах) один или несколько электронов покидают атом и свободно перемещаются внутри проводника. Число протонов в ядре атома равно числу электронов на оболочках (см. рис. 108), что и обеспечивает электронейтральность атома. При уходе электрона (электронов) из атома атом становится положительно заряженной частицей — ионом (рис. 109). Возможен и обратный процесс, при котором атомы некоторых веществ присоединяют «лишние» электроны и превращаются в отрицательные ионы. Например, обычная поваренная соль состоит не из нейтральных атомов натрия и хлора, а из положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора, образующих определенную структуру (рис. 110). При растворении в воде поваренной соли эти ионы отделяются друг от друга, что делает жидкость хорошим проводником. Небольшое число ионов обоих знаков всегда есть и в газах — вспомните опыт с медленной потерей заря,да электроскопом! Рис. 110 72 Правообладатель Народная асвета Главные выводы 1. Положительный заряд атома сосредоточен в очень небольшой части атома — ядре — и определяется числом протонов в нем. 2. Отрицательным зарядом в атоме обладают электроны. Их число равно числу протонов в ядре. 3. Электроны могут покидать атомы, создавая в веществе проводимость. 4. При потере нейтральным атомом (или при приобретении им) электронов образуются положительные (или отрицательные) ионы. Контрольные вопросы 1. В чем суть опытов Резерфорда? 2. Какая модель строения атома предложена, исходя из опытов Резерфорда? 3. Каково примерное соотношение между размерами атома и ядра? 4. Как объяснить, исходя из модели строения атома, деление веществ на проводники и диэлектрики? 5. Что называют положительным ионом? Отрицательным ионом? § 18. Электрическое поле. Напряжение Каким образом два заряженных тела действуют друг на друга? Будут ли взаимодействовать заряженные тела в пустоте (при отсутствии среды)? Все опыты показывают, что заряженные тела могут взаимодействовать даже в пустоте (рис. 111). Почему это возможно? С передачей действия без среды мы уже знакомы — это всемирное тяготение. Именно благодаря полю тяготения, о котором говорилось в учебнике «Физика, 7», Солнце удерживает на орбите нашу Землю, удаленную от него на 150 млн км. Поле тяготения Земли удерживает на орбитах Луну и искусственные спутники Земли, заставляет падать тела. Аналогично этому вокруг заряженных тел также существует особое состояние пространства, связанное с наличием у них заряда. Это — электрическое поле. Это поле не действует на известные вам приборы: динамометр, термометр, барометр и Правообладатель Народная асвета Рис. 113 Рис. 114 на наши чувства: зрение, осязание, обоняние, слух. Может возникнуть сомнение: а существует ли такое поле вообще? Да, оно существует реально и независимо от того, что мы о нем знаем. Реальность существования электрического поля подтверждается его конкретным действием: оно действует на внесенный заряд с определенной силой F (рис. 112). В науке все то, что реально существует в окружающем мире независимо от нашего сознания, называется материей. Значит, электрическое поле — это особая форма материи. Именно электрическое поле, создаваемое заряженной тучей (см. рис. 102), вызывает появление разноименного заря,ца (электризация через влияние) на поверхности Земли под тучей. Человек научился защищаться от вредных действий электрического поля и использовать его в своих целях. Поднимая над зданиями и сооружениями заостренную проволоку (молниеотвод) (рис. 113), другой конец которого соединен с землей, мы можем создать очень медленное перетекание заряда тучи и таким образом постепенно «разрядить» ее. Электрическое поле заставляет наэлектризованные частички черной краски попадать в нужные участки бумаги, на чем основано ксерокопирование (рис. 114). Сравним поле тяготения планеты (Земли) (рис. 115, а) и электрическое поле, создаваемое, например, шаром с отрицательным заря,цом -q^ (рис. 115, б). Оба поля проявляют себя в конкретных действиях. Поле тяготения Земли заставляет па,дать любое тело массой т, выпущенное, например, в точке А. Электрическое поле приведет в движение заряженную частицу (протон, положительный ион) или заряженное тело, обла,дающее заря,цом +q, помещенные в точку А. В обоих случаях силы поля будут совершать положительную работу по разгону тела (частицы). 74 Правообладатель Народная асвета В обоих случаях величина работы будет зависеть от положения начальной и конечной точек: А и В или А и С. Для удобства расчета работы в электрическом поле вводят особую величину — электрическое напряжение, или просто напряжение. Чем большую работу совершают силы электрического поля при переносе заряда между двумя точками поля, тем больше напряжение между этими точками. Так, напряжение между точками А и В меньше напряжения между точками А и С (см. рис. 115). Если обозначить электрическое напряжение латинской буквой ное только что можно отразить математическими выражениями: Рис. 115 U, то сказан- Uac > U АВ Uac = Ua АВ + Ub ВС- Главные выводы 1. Электрическое поле — особое состояние пространства, связанное с заряженным телом (частицей, обладающей электрическим зарядом). 2. Материальность электрического поля подтверждается его действием на внесенный в поле заряд. 3. Перемещая заряженную частицу, силы электрического поля совершают определенную работу. 4. Напряжение между двумя выбранными точками электрического поля характеризует возможное значение выполненной силами поля работы. Контрольные вопросы 1. Что является источником электрического поля? 2. Чем подтверждается реальность существования электрического поля? 3. В чем сходство электрического поля и поля тяготения? 4. Что характеризует электрическое напряжение между данными точками поля? 5. Как понимать выражение: UAB > UBC? 6. Как изменится электрическое напряжение UAB и UAC (см. рис. 115, б), если заряд -q1 увеличится? Уменьшится? 75 Правообладатель Народная асвета и § 19. Единица напряжения. Расчет работы в электрическом поле Каждый из вас, конечно же, видел строгое предупреждение: «Внимание! Высокое напряжение! Опасно для жизни!». Возникают вопросы. Во-первых, почему используют слово «высокое»? А во-вторых (что самое главное), почему высокое напряжение опасно для жизни? Для ответа на эти вопросы познакомимся с единицей электрического напряжения Международной системы единиц (СИ). Она называется вольтом (В) в честь итальянского ученого А. Вольта, впервые создавшего источник электрического тока — химический источник, называемый сейчас батарейкой. 1 вольт (1 В) — это напряжение между такими двумя точками электрического поля, при переносе между которыми заряда 1 Кл совершается работа 1 Дж. Теперь вы можете объяснить смысл надписи «4,5 В» или «9 В» на круглой или плоской батарейке (рис. 116). Смысл в том, что при переносе с одного полюса источника на другой (через спираль лампочки или другой проводник) заряда 1 Кл силами электрического поля может быть совершена работа соответственно 4,5 Дж или 9 Дж. Таким образом, напряжение — характеристика работоспособности электрического поля на рассматриваемом участке. С точки же зрения математики можно говорить о прямой зависимости произведенной работы от напряжения. А если в рассмотренных случаях будет перемещаться не единичный заряд в 1 кулон, а заряд, в 2, 3, 5 раз больший? Во столько же раз будет больше и произведенная работа. Значит, работа сил электрического поля может быть найдена как произведение значений перенесенного заряда и напряжения: Рис. 116 А = q • U. Вернемся к аналогии поля тяготения и электрического поля и рисунку 115. Напряжение в определенной мере можно сравнить с изменением высоты, с которой падает (на которую поднимается) тело. Чем выше находилось тело, тем большую работу совершила сила тяжести. Неудивительно поэтому, что часто вместо того, чтобы говорить «маленькое напряжение», говорят «низкое напряжение», 76 Правообладатель Народная асвета вместо «большое напряжение» — «высокое напряжение». Например: «высоковольтная линия», «низковольтный источник тока», «высокое напряжение опасно для жизни». Обратите внимание, когда говорят «большое (высокое) напряжение», то это еще не означает, что уже совершена большая работа. Это указание на то, что она может быть совершена. Сравните: при па,дении тела с большой высоты может быть совершена в зависимости от массы па,дающего тела (камень, песчинка) как большая, так и малая работа. Точно так же при движении заря,дов в электрическом поле совершенная работа зависит не только от значения напряжения, но и от значения перенесенного заря,да, что и отражено в записанной формуле. В быту электрические поля с напряжением в несколько тысяч вольт нередко возникают между телом человека и его сухой одеждой (шерстяной и особенно синтетической), между рукой человека, гладяш^его сухую, чистую шерсть кошки, и кошкой. Иногда это сопровождается возникновением искр и потрескиванием. Это — переход зарядов между телами через воздух, который в очень сильных полях становится проводником. Подумайте, почему в этих случаях не возникает серьезных поражений. Почему эти эффекты отсутствуют, если воздух влажный? Главные выводы 1. Напряжение характеризует работоспособность электрического поля на данном участке. 2. Работа при переносе заря,да из одной точки электрического поля в другую прямо пропорциональна значениям напряжения между точками поля и переносимого заря,ца. 3. Единица напряжения в СИ — 1 вольт. 4. 1 В — это напряжение между двумя точками электрического поля, при переносе между которыми заря,ца 1 Кл совершается работа 1 Дж. Контрольные вопросы 1. Что характеризует напряжение между данными точками электрического поля? 2. Что обозначает выражение: «Напряжение на лампе равно 12 вольт»? 3. От чего зависит работа, совершаемая в электрическом поле? 4. Может ли совершаться: а) маленькая работа при большом напряжении; б) большая работа при маленьком напряжении? 5. Почему большое напряжение называют чаще высоким? Пример решения задачи В телевизионной трубке (кинескопе) электроны разгоняют, используя напряжение U = 20 кВ. Какая работа совершается при разгоне одного ква,цриллиона (1,0 • 1015) электронов? 77 Правообладатель Народная асвета Дано: Решение U = 20 кВ = 20 000 В = Полный заряд q всех электронов найдем через эле- = 2,0 • 104 В ментарный заряд: N = 1,0 • 1015 q = е • N. А___? Совершенная работа: А = q • U = е • N • U = 1,6 • 10-19 Кл • 1 • 1015 • 2,0 • 104 В = 3,2 Дж. Ответ: А = 3,2 Дж. Упражнение 13 1. Почему при указании значения элементарного заряда е = 1,6 • 10-19 Кл не указывают его знак (плюс или минус)? 2. Одинакова ли масса нейтрального атома вещества и иона этого же вещества? 3. Изменяется ли масса электризуемого куска мела при: а) электризации его трением; б) электризации через влияние (при поднесении к нему заряженного тела)? 4. Что подтверждает существование электрического поля вокруг заряженных тел А и В (рис. 117)? 5. Какую работу совершают электрические силы, перемещая заряд q = 2 нКл между точками, напряжение между которыми U = 4 В? 6. В электронных часах за сутки перемещается заряд q = 17 мКл. Каково значение напряжения, если работа электрических сил А = 0,26 Дж? 7. В электроприборе при напряжении U = 220 В за одну минуту перемещается заряд q = 0,16 кКл. Каково значение мощности электроприбора? 8. С помощью какого напряжения можно разогнать неподвижный электрон до первой космической скорости v = 7,9 ? Масса электрона равна m = 9,1 • 10-3' кг. § 20. Электрический ток. Источники тока Электрическое поле, действуя на хаотически движущиеся заряженные частицы в среде, может создавать их направленное движение — электрический ток. Выясним, что нужно для того, чтобы возник и длительное время протекал ток. Во-первых, в среде должны быть свободные заряженные частицы: электро -ны, ионы, т. е. среда должна быть проводящей. Во-вторых, в этой среде должно 78 Правообладатель Народная асвета быть электрическое поле, вызывающее движение частиц в одном направлении. Говоря иначе, в среде нужно создать определенное электрическое напряжение. Проведем опыт. Наэлектризуем шар, укрепленный на электрометре (рис. 118, а). Коснемся шара пальцем (рис. 118, б). Заряд уходит с шара через наше тело в землю. Через нас протекает ток, хотя мы этого не чувствуем. Коснемся заряженного шара металлическим проводником с неоновой лампочкой (рис. 119). В темноте хорошо видна кратковременная вспышка лампочки, т. е. через лампочку прошел кратковременный ток. Напряжение между шаром электрометра и землей уменьшилось. Чтобы электрический ток не прекращался, нужно поддерживать напряжение, для чего служат источники тока, или генераторы. Самым «древним» источником тока можно считать электрофорную машину (рис. 120), в которой благодаря разделению зарядов создается необходимое напряжение. Неоновая лампочка будет гореть до тех пор, пока вращаются диски. Аналогичное разделение положительных и отрицательных зарядов происходит в любом другом источнике: гальваническом элементе (батарейке) (см. рис. 116), механическом генераторе с постоянным магнитом (рис. 121), солнечной батарее калькулятора (рис. 122). 79 Рис. 121 Правообладатель Народная асвета Рис. 122 Рис. 123 Источники тока могут иметь различные принципы работы, размеры и внешний ви,д. Сравните один из самых первых применяемых учеными источников — термопару (рис. 123) и генератор электростанции (рис. 124). Первый состоит всего из двух химически различных проволочек, нагреваемых любым нагревателем, второй — сложнейшее многотонное устройство. Но во всех без исключения источниках напряжение, а значит, и электрическая энергия не возникают из ничего. Она создается за счет какого-либо другого вида энергии. В термопаре — за счет внутренней энергии, в генераторе электростанции — за счет энергии струи пара или воды. Отметим особо еще один очень важный источник — аккумулятор (рис. 125). В нем, как и в обычной батарейке, используется энергия протекающих химиче- Рис. 124 Рис. 125 80 Правообладатель Народная асвета Рис. 126 Рис. 127 ских реакций. Но в отличие от батареек, которые через некоторое время приходят в негодность, аккумуляторы можно многократно заряжать, возвращая им их первоначальные свойства. Аккумуляторы незаменимы в автомобиле, мобильном телефоне, ноутбуке (рис. 126). Без них немыслима работа космических станций. Уже производятся автомобили — электромобили (рис. 127), в которых аккумулятор служит не только для запуска двигателя, но и для езды на значительные расстояния. Главные выводы 1. Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. 2. Для создания и поддержания тока в цепи необходимы источники тока. 3. В источниках тока (генераторах) происходит разделение разноименных зарядов, что создает необходимое электрическое напряжение. 4. В любом источнике тока происходит превращение какого-либо вида энергии в электрическую энергию. Контрольные вопросы 1. Что называют электрическим током? 2. Каковы условия возникновения и длительного существования тока? 3. Возможен ли электрический ток без источника? Поясните примерами. 4. Что такое источник тока? 5. Какие превращения энергии происходят во всех источниках, рассмотренных в параграфе? 6. Что общего и различного у обычной батарейки и аккумулятора? 7. В автомобиле есть два источника тока: аккумулятор и генератор, дающий напряжение только при работающем двигателе. Каково назначение обоих источников? 81 Правообладатель Народная асвета § 21. Действия тока Прохождение электрических зарядов (протекание тока) в среде сопровождается несколькими очень важными физическими явлениями, которые с большой пользой применяются в практической жизни. Рассмотрим эти явления. Среда, в которой проходит ток, нагревается, в этом проявляется тепловое действие тока. Это хорошо видно по провисанию проволоки при пропускании через нее тока (рис. 128). Рис. 128 Именно тепловое действие тока человек давно и успешно использует в электрических утюгах, паяльниках, кипятильниках, в электроплитах (рис. 129) и т. д. Тепловое действие тока наблюдается не только в твердых проводниках, но и в газах (вспомните молнию), и в жидкостях. Убедимся в этом на опыте. Опустим в стакан с раствором медного купороса два угольных электрода и включим ток (рис. 130). Уже через 20—30 с термометр покажет увеличение температуры раствора. Рис. 129 82 Правообладатель Народная асвета Рис. 131 Нагревание среды проходящим электрическим током объяснить нетрудно. Сила электрического поля, перемещая заряженную частицу (электрон, ион) в проводящей среде, разгоняет ее, т. е. увеличивает ее кинетическую энергию. Но разгоняемая частица многократно сталкивается с частицами среды (атомами, молекулами, ионами). Сталкиваясь, она передает им часть своей энергии, что и приводит к росту внутренней энергии проводящей среды. Температура среды повышается. В молнии температура может достигать миллионов градусов. Рассмотрим угольные электроды после 2—3 мин прохождения через раствор тока. Один из них (соединенный с клеммой «-») покрылся красноватым налетом (рис. 131). Это — чистая медь. Значит, электрический ток, проходя через раствор, произвел еще одно действие — химическое. Именно с его помощью и получают в промышленности чистую медь, алюминий и другие металлы. На этом действии основано хромирование и никелирование деталей. Это действие ток может производить и в газах — вспомните запах озона во время грозы (озон — особая форма кислорода, его молекулы состоят из трех атомов). Для наблюдения еще одного действия тока проведем опыт. Обмотаем медной изолированной проволокой железный стержень (можно несколько сложенных вместе гвоздей) и пропустим по такой катушке ток (рис. 132). Поднесем ее к мелким железным предметам (гвоздям, шурупам, гайкам и т. д.). Катушка с током притягивает железные предметы, т. е. она стала магнитом. Выключим ток. Катушка теряет свои магнитные свойства. Магнитное действие электрического тока, наблюдаемое в этом опыте, является самым универсальным действием. Оно проявляется при прохождении тока как в твердых телах, так и в жидкостях и газах. Именно из-за него возникает треск в радиоприемниках во время грозы. Даже если заставить направленно переме- 83 Правообладатель Народная асвета Рис. 133 щаться заряды в сильно разреженном пространстве (в технике такое явление называют током в вакууме), то и здесь ток производит магнитное действие. Во второй половине XX в. были созданы принципиально новые источники света. Излучение света происходит в них не за счет высокой температуры проводящей ток среды, а в силу более сложных процессов. Вы можете видеть такие источники (светодиодные лампы) в плоских светофорах нового поколения (рис. 133), в фонариках. Здесь используется еще одно действие тока — световое. Главные выводы 1. Электрический ток производит три основных действия: тепловое, химическое и магнитное. 2. Тепловое действие ток производит в твердых, жидких, газообразных средах. 3. Магнитное действие электрический ток производит при прохождении в любой среде и в вакууме. Контрольные вопросы 1. Какие действия производит электрический ток? 2. Наблюдается ли химическое действие тока в твердых средах? 3. Возможно ли магнитное действие тока в вакууме? 4. Как объяснить тепловое действие тока? § 22. Сила и направление электрического тока Сравним течение воды (водяной ток) в узком ручейке и в глубокой судоходной реке (рис. 134). Причина течения воды одинакова — разность высот уровней воды в устье и истоке. Количество же воды, протекающей через сечение ручья и сечение реки за одинаковый промежуток времени, разное. Аналогично этому, значения заряда, прошедшего за единицу времени через поперечное сечение спиралей ламп карманного фонарика и прожектора, сильно различаются. Поэтому говорят Рис. 134 о различной силе тока в проводниках. 84 Правообладатель Народная асвета За силу электрического тока принимают физическую величину, численно равную заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Обозначается сила тока буквой I. Из определения следует, что, зная заря,д q, протекший за промежуток времени t, мы можем найти силу тока I по формуле: I = q. t Единица силы тока в СИ 1 ампер (А). Она не выводится через формулы, а выбрана по договоренности. Заметим, что 1 А — это значительная сила тока. В лампочках, которые освещают наши квартиры, сила тока обычно равна 0,2—0,5 А. Однако при запуске двигателя автомобиля специальный электромотор (стартер) (рис. 135) потребляет ток силой 200—300 А. Наоборот, в таких устройствах, как калькулятор или электронные часы, сила тока почти в миллиард раз меньше 1 А, поэтому силу тока выражают часто в миллиамперах (мА), микроамперах (мкА): 10-3 А; 1 мкА = 0,000001 А = 1 • 10-6 А. Рис. 135 1 мА = 0,001 А = 1 Зная единицу силы тока, мы можем дать и строгое определение единице электрического заря,да. Подставив единицы силы тока и времени в формулу q = It, получим 1 Кл = 1 А • 1 с. Один кулон — это заряд, прошедший через поперечное сечение проводника с током силой 1 А за 1 с. Каково направление электрического тока? В металлах ток — это движение электронов, но в газах и растворах (вспомните опыт с раствором медного купороса) — это движение положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях (рис. 136, а, б). Договорились считать, что ток в проводни- Рис. 136 85 Правообладатель Народная асвета ке направлен так, как движутся в нем (или двигались бы) положительно заряженные частицы. Значит, ток в цепи течет от положительного полюса «+» источника к отрицательному «-» (рис. 137). После открытия электрона, который в большинстве случаев является носителем тока, стало понятно, что выбор был сделан неудачно, но старую договоренность менять не стали. Главные выводы 1. Сила электрического тока — физическая величина, численно равная заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за единицу времени. 2. Основная единица силы электрического тока в СИ — 1 ампер — выбрана по договоренности. 3. Единица электрического заря,да 1 Кл — это заря,ц, прошедший через поперечное сечение проводника с током силой 1 А за 1 с. 4. За направление электрического тока выбрано направление движения положительно заряженных частиц. Контрольные вопросы 1. Что характеризует сила электрического тока? 2. Что принято в СИ за единицу силы тока? 3. В каких единицах в СИ измеряется электрический заряд? 4. Что принято за направление электрического тока? 5. Совпадает ли направление электрического тока с направлением движения заряженных частиц? Упражнение 14 1. Одинаков ли физический смысл, заключенный в двух фактах: а) в проводнике прошел большой заря,ц; б) в проводнике прошел ток большой силы? 2. Может ли в проводнике проходить ток: а) большой силы I при малом перенесенном заря,це q; б) малой силы I при большом перенесенном заря,це q? 3. Найдите силу тока в миниатюрной лампочке, если за время t = 1,0 ч ее свечения через сечение нити прошел заря,ц q = 7,2 Кл. 86 Правообладатель Народная асвета 4. В фотовспышке заряд q = 0,24 Кл проходит через специальную лампу за время ^ = 0,0020 с. Чему равна средняя сила тока в лампе-вспышке? Почему мы говорим здесь о средней силе тока? 5. Какое количество электричества проходит за время t = 2,0 ч непрерывной работы сварочного аппарата при силе тока I = 75 А? Сколько электронов проходит через сечение проводника за это время? 6. Какая сила тока в проводнике, через поперечное сечение которого проходят N = 1,0 • 1018 электронов за время t = 1,0 с? 7. По графику зависимости перенесенного заряда от времени (рис. 138) найдите силу тока в проводнике. 8. По графику зависимости силы тока от времени (рис. 139) найдите заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время t = 3,0 с. Какую физическую величину можно вычислить, найдя площадь прямоугольника ODBC? 0,6 0,4 0,2 О 1 D В С Гс 5 Рис. 139 § 23. Электрическая цепь. Измерение силы тока и напряжения Слово «цепь» обозначает нечто не сплошное, а состоящее из отдельных звеньев. Из каких звеньев состоит электрическая цепь? Электрическая цепь содержит, во-первых, источник тока, создающий необходимое напряжение, во-вторых, нагрузку, т. е. то устройство, в котором нужно создать ток и использовать одно из его действий. Нагрузкой может быть нагреватель или лампа накаливания (тепловое действие), электродвигатель или звонок (магнитное действие), аккумулятор (химическое действие). Звеньями цепи являются соединительные провода и ключ, служащий для удобства и безопасности работы. 87 Правообладатель Народная асвета Рис. 140 На рисунке 140, а вы видите простейшую цепь — цепь электрического фонарика, а на рисунке 140, б — ее условное изображение: схему электрической цепи. Познакомьтесь с условными (схематическими) изображениями различных звеньев цепи (рис. 141): 1 — гальванический элемент или аккумулятор; 2 — несколько элементов или аккумуляторов (батарея); 3 — соединение проводов; 4 — пересечение проводов (без соединения); 5 — ключ для включений (выключений) цепи; 6 — плавкий предохранитель (для аварийного разрыва цепи); 7 — лампа накаливания; 8 — электрический звонок; 9 — резистор (проводник, оказывающий току заметное противодействие, лат. resister — сопротивляться); 10 — реостат; 11 — электродвигатель; 12 — прибор для измерения силы тока (амперметр); 13 — прибор для измерения напряжения (вольтметр); 14 — клеммы подключения источника тока. 88 Правообладатель Народная асвета Рис. 142 а - + —о о— ▼ч, J б - + —О о— - + —о о— -0-----®- ®—®— f Рис. 143 Силу тока в цепи измеряют с помощью специального прибора — амперметра (рис. 142). Для измерения силы тока в простейшей цепи (рис. 143, а) мы должны обязательно разорвать цепь в любом месте и в этот разрыв подключить прибор (рис. 143, б, в, г). Такое подключение называют последовательным. Во всех случаях показания амперметра будут одинаковы — ведь через любое сечение цепи (включая источник) проходит один и тот же электрический заря,д. Пользуясь амперметром, необходимо соблюдать следующее: во-первых, для каждого амперметра существует верхний предел (предельная сила тока). Так, для изображенного на рисунке 142 прибора он равен = 1,5 A. Включение прибора в цепь с большей силой тока недопустимо. Во-вторых, при включении прибора необходимо соблюдать полярность, т. е. клемму прибора, отмеченную знаком «+», подключать только к проводу, идущему от клеммы «+» источника. Электрическое напряжение характеризует работоспособность электрического поля между двумя данными его точками. Поэтому прибор, измеряющий напряжение — вольтметр (рис. 144), подключают не так, как амперметр при измерении силы тока. Его присоединяют, не разрывая цепи, к интересующе- 89 Рис. 144 Правообладатель Народная асвета - + му звену. Так, вольтметр, подключенный к точкам 1 и 2 (рис. 145), измеряет напряжение на лампе, а к точкам 3 и 4 (см. рис. 145) — напряжение на моторе. Данное подключение вольтметра называют параллельным. Как и в случае с амперметром, здесь тоже соблюдается полярность при подключении. При измерении электрических величин важно понимать, что добавление прибора в цепь может изменить ее, что весьма нежелательно. Например, сила тока в лампе при подключении в цепь амперметра (см. рис. 143, б, в, г) будет не такой, какой она была ранее (см. рис. 143, а). Изменения происходят и при подключении вольтметра. Главные выводы 1. Обязательными звеньями цепи являются источник тока, нагрузка, ключ и соединительные провода. 2. Всякая электрическая цепь может быть изображена с помощью схемы. 3. Амперметр подключается в разрыв цепи (последовательно). 4. Вольтметр измеряет напряжение между двумя точками цепи и подключается к ним без разрыва цепи (параллельно). 5. При включении амперметра и вольтметра необходимо соблюдать полярность и не превышать при измерениях предельного значения силы тока (напряжения) прибора. Контрольные вопросы 1. Какие звенья должна иметь любая электрическая цепь? 2. Что называется схемой электрической цепи? 3. Для чего служит и как включается в цепь: а) амперметр; б) вольтметр? 4. Какие условия необходимо соблюдать при использовании этих приборов? 5. Какое напряжение будет измерять вольтметр, если его включить между точками 1 и 4 (см. рис. 145)? Упражнение 15 1. Определите цену деления демонстрационных амперметра и вольтметра (см. рис. 142, 144). 2. Имеются три прибора со значениями верхних пределов измерения ^тах = 500 мА, /^3^ = 2 А, /^3^ = 50 А. Какой из них вы выберете для измерения силы 90 Правообладатель Народная асвета тока в спирали лампы, изображенной на рисунке 146? Почему? 3. Можно ли с помощью амперметра определить заряд, проходящий через сечение спирали лампы за время ее горения? 4. Определите показания амперметра (см. рис. 143, б), если за время t = 1,0 мин через сечение спирали лампочки проходит заряд q = 12 Кл. 5. Можно ли утверждать, что до и после подключения амперметра (см. рис. 143, а, б) в цепи проходил ток одинаковой силы? 6. В цепи, представленной на рисунке 147, использован усложненный ключ-переключатель П. Объясните работу такой цепи. Дополните схему амперметрами, позволяющими измерить силу тока в каждой лампе. Рис. 147 § 24. Связь силы тока и напряжения. Закон Ома для участка цепи От чего зависит сила тока, протекающего в проводнике? Почему сила тока в сварочном аппарате в миллионы раз больше, чем в электронных часах? Для ответа проведем ряд несложных опытов. Подключим резистор (проволочную спираль) к источнику тока, выходное напряжение между клеммами которого можно регулировать. С помощью последовательно включенного амперметра и параллельно спирали вольтметра (рис. 148) будем измерять силу тока и напряжение на спирали. Установим напряжение на спирали U1 = 2 В. Замкнем ключ и измерим силу тока. Она оказалась 11 = 0,4 А (см. рис. 148). Уве -личим напряжение на спирали в 2 Правообладатель Народная асвета Рис. 150 (рис. 149), 3 раза, т. е. U2 = 4 В, U3 = 6 В. Показания амперметра тоже увеличились: I2 = 0,8 А (см. рис. 149), I3 = 1,2 А. Опыт можно продолжать дальше. Но уже из этих данных следует, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на проводнике. Подключим теперь к источнику тока другую спираль, например спираль осветительной лампы. Мы видим, что при том же напряжении U3 = 6 В сила тока в спирали лампы I3 = 12 мА (рис. 150), что в сто раз меньше, чем в резисторе-спирали. Значит, спираль лампы оказывает более значительное противодействие направленному движению заряженных частиц, или обладает в 100 раз большим сопротивлением. Эту новую величину — сопротивление мы будем приписывать всякому проводнику и обозначать буквой R (вспомните — resister). Тогда можно утверждать: чем больше сопротивление проводника, тем меньше сила тока в нем (обратно пропорциональная зависимость). Итак, из опытов следует: сила тока в проводнике (участке цепи) прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника (участка цепи). Данное утверждение называется законом Ома для участка цепи в честь немецкого ученого Г. С. Ома, установившего закон в 1826 г. Математически закон Ома можно записать: R' Как и всякую закономерность, закон Ома можно представить графически. На рисунке 151 представлен такой график для резистора-спирали, использованной в первом опыте. График подтверждает прямую пропорциональную зависимость силы тока в проводнике от приложенного к нему напряжения. Этот график называется вольт-амперной характеристикой проводника (спирали). 92 Правообладатель Народная асвета Отметим, что нова^ величина — сопротивление отражает противодействие среды движению в ней носителей заряда (электронов, ионов). В соединительных проводах это противодействие, как правило, незначительно, что позволяет сопротивлением соединительных проводов при решении большинства задач пренебречь. Определенным сопротивлением обладают и измерительные приборы. При включении последовательно в цепь амперметра его сопротивление до -бавляется к полному сопротивлению цепи. Это вызывает нежелательное уменьшение силы тока. Чтобы этого не случилось, сопротивление амперметра должно быть мало. Идеальным был бы амперметр без сопротивления (R = 0). Именно таким мы будем считать сопротивление амперметра в задачах. Наоборот, добавление вольтметра параллельно некоторому прибору (лампе, мотору на рисунке 145) создает току еще один «обходной» путь, что также резко изменяет параметры цепи. Чтобы избежать этих нежелательных последствий, надо применять вольтметры с максимально большим сопротивлением. И еще об очень важном. При слишком малом сопротивлении цепи сила тока в ней может принять недопустимо большое значение. При замыкании цепи, изображенной на рисунке 152, ток в ней проддет, фактически не испытывая сопротивления. Это — короткое замыкание цепи. В таком режиме могут быть испорчены и прибор, и источник тока, а перегрев проводов может привести к пожару. Главные выводы 1. Сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. 2. Чем меньше сопротивление амперметра, тем меньшие изменения вызывает он при подключении в цепь. 3. Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньшие изменения вызывает он при подключении в цепь. 4. Вольт-амперная характеристика проводника представляет собой график прямо пропорциональной зависимости силы тока от напряжения. 5. Использование цепей без нагрузки приводит к недопустимо опасному росту силы тока (короткому замыканию). 93 Правообладатель Народная асвета Контрольные вопросы 1. Связь между какими физическими величинами устанавливает закон Ома для участка цепи? 2. Как понимать выражение: «Сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению»? 3. Как понимать выражения: а) проводник имеет пренебрежимо малое сопротивление; б) проводник имеет очень большое сопротивление; в) сопротивление электрозвонка в 5 раз больше сопротивления лампочки? 4. Может ли в проводнике протекать ток: а) очень большой силы при малом напряжении; б) малой силы при большом напряжении? 5. Что такое короткое замыкание цепи? 6. В чем опасность короткого замыкания цепи? § 25. Единица сопротивления. Расчет сопротивления Мы приписываем каждому проводнику особую характеристику — сопротивление. Но почему проводник «сопротивляется» направленному движению заряженных частиц? В каких единицах измеряется сопротивление проводника? Можно ли его рассчитать? Причиной того, что сила тока в проводнике не может иметь любое, сколь угодно большое значение, является непрерывное столкновение частиц — носителей заряда (электронов, ионов) с частицами проводящей среды (атомами, молекулами, ионами). Это приводит к снижению скорости направленного движения носителей заряда, уменьшает переносимый заряд, а значит, уменьшает и силу тока. Именно эти столкновения и вызывают нагревание проводящей среды. Выразив сопротивление из закона Ома: R = U, введем единицу сопротивления — 1 Ом (в честь Г. Ома): 1 О- =т1. 1 Ом — это сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В проходит ток силой 1 А. 1 Ом — небольшое сопротивление. У спиралей обычных электроламп оно составляет сотни ом, поэтому сопротивление часто выражают в килоомах (кОм) и мегаомах (МОм): 1 кОм = 1000 Ом = 1 • 103 Ом; 1 МОм = 1 000 000 Ом = 1 • 106 Ом. 94 Правообладатель Народная асвета Определить сопротивление проводника можно, измерив напряжение U на нем и силу тока I в нем, по формуле R = Ц-. Но существует и специальный прибор для измерения сопротивления — омметр. С простейшим омметром вы сможете познакомиться в упражнении к этому параграфу. Выведем формулу для расчета сопротивления. Для этого используем цепь из источника тока, амперметра и панели с исследуемыми проводниками (рис. 153). На панели укреплены 3 проводника из нихрома — специального сплава для спиралей нагревательных приборов. Один из них АС имеет отвод от середины (клемма В), два других нихромо-вых проводника сложены вместе и включены между точками А1 и D. Четвертый проводник из железа включен между точками А2 и Е. Все четыре проводника имеют равные длину и площадь поперечного сечения. Включая в цепь сначала целый проводник (цепь замыкается в точке С), а затем половину этого проводника (контакт переносится в точку В), определяем, что сила тока увеличивается вдвое. Значит, сопротивление целого проводника вдвое больше, чем его половины. Иначе говоря, сопротивление проводника прямо пропорционально его длине. Подключим в цепь поочередно один проводник АС, а затем два сложенных вместе А1D. Сила тока в одном проводнике АС в 2 раза меньше, чем в сложенных проводниках А1D, которые можно рассматривать как один, но с удвоенным поперечным сечением. Следовательно, сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Сравним теперь силы тока в проводниках одинаковых размеров, но из различных веществ: из нихрома (АС) и из железа (А2Е). Оказывается, что сила тока в железном проводнике примерно в 10 раз больше, а сопротивление в 10 раз меньше, чем в нихромовом. Значит, сопротивление проводника зависит еще и от рода вещества, из которого изготовлен проводник. Результаты опытов позволяют записать формулу для расчета сопротивления проводника: R = Р Коэффициент р называют удельным сопротивлением вещества. Это характеристика не конкретного рассматриваемого проводника, а вещества, из ко- 95 Правообладатель Народная асвета DC торого он изготовлен. В СИ удельное сопротивление р = ^ измеряют в Ом • м. Так как на практике длину проводников измеряют обычно в метрах, а площадь поперечного сечения в ква,дратных миллиметрах, то удельное сопротивление удоб- Значения удельного сопротивления для различных ве- но записывать в Ом • мм' .2 м ществ представлены в таблице 5. Смысл приведенных в таблице удельных сопротивлений прост. Если для ни, , Ом • мм2 хрома значение р = 1,1 ------, то это значит, что нихромовый проводник дли- м ной 1 м и поперечным сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 1,1 Ом. Таблица 5. Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ (при t = 20 °С) Вещество Ом • мм2 Вещество Ом • мм2 Р, м Р, м Серебро 0,016 Манганин (сплав) 0,43 Медь 0,017 Константан(сплав) 0,50 Золото 0,024 Ртуть 0,96 Алюминий 0,028 Нихром (сплав) 1,1 Вольфрам 0,055 Фехраль (сплав) 1,3 Железо 0,10 Графит 13 Свинец 0,21 Фарфор 1 • 1019 Никелин (сплав) 0,40 Эбонит 1 • 1020 Обратите внимание на малые значения удельного сопротивления применяемых для электропроводки металлов: алюминия и меди. Сенсацией начала XX в. было открытие сверхпроводимости. При очень сильном охлаждении (примерно до -270 °С) сопротивление некоторых металлов снижалось до нуля. Сверхпроводящие металлы не нагреваются даже при большой силе тока в них. В настоящее время найдены вещества, сверхпроводимость которых достигается при значительно меньшем охлаждении. На объяснение сверхпроводимости ученым потребовалось несколько десятков лет! Главные выводы 1. Электрическое сопротивление характеризует свойство проводника оказывать противодействие направленному движению заряженных частиц. 2. Причиной возникновения сопротивления являются непрерывные столкновения заряженных частиц с частицами вещества проводника. 3. Сопротивление проводника зависит от рода вещества и геометрических размеров проводника (длины, площа,ди поперечного сечения). 4. Единицей сопротивления проводника является 1 Ом. 96 Правообладатель Народная асвета Контрольные вопросы 1. Что ограничивает значение силы тока в проводнике? 2. Что принято в СИ за единицу сопротивления? 3. Как зависит сопротивление проводника от его геометрических размеров? 4. Что показывает удельное сопротивление вещества? 2 5. Как понимать: удельное сопротивление свинца равно р = 0,21 --? Примеры решения задач 1. Выразите в основных единицах СИ удельное сопротивление свинца 2 „ „ . Ом • мм' р = 0,21 -. м2 Решение. Заданное значение р = 0,21 - указывает, что свинцовый м проводник длиной l = 1,0 м и площадью поперечного сечения S = 1,0 мм2 имеет сопротивление R = |р = 0,21 Ом. Выразим это значение в основных единицах СИ: „„1 Ом • мм^ „ „ 1 Ом • 0,000001 м2 р = 0,21 -= 0,21 = 2,1 • 10 7 Ом • м. мм Значение р = 2,1 • 10-7 Ом • м означает, что проводник длиной l = 1,0 м и площадью поперечного сечения S = 1,0 м2 имеет сопротивление R = |р = 2,1 • 10-7 Ом. Ответ закономерен: проводник, сечение которого S = 1,0 м2 в миллион раз больше сечения S = 1,0 мм2, должен иметь сопротивление в миллион раз меньше. 2. При подключении к источнику с напряжением U = 4,5 В никелинового проводника поперечным сечением S = 0,20 мм2 по нему прошел ток силой I = 300 мА. Какова длина проводника? Дано: U = 4,5 В S = 0,20 мм2 Ом • мм2 р = 0,40 м I = 300 мА = 0,30 А l — ? Решение Выразим сопротивление проводника двумя способами: по введенной формуле R = и через закон Ома: R = Ц-. Приравняем правые части обеих формул: -р1 = ^. Отсюда , U ■ S ^ 2 l =----. Так как сечение проводника задано в мм2 , то вы- р •1 ражать удельное сопротивление в основных единицах СИ не будем: l = 4,5 В • 0,20 мм2 0,40 Ом-мм2.0,30 А = 7,5 м. Ответ: l = 7,5 м. 97 Правообладатель Народная асвета м Упражнение 16 1. Провод сопротивлением R0 = 16 Ом разрезали на две равные части. Сравните сопротивления и удельные сопротивления новых проводников и исходного. Каким будет сопротивление двужильного проводника, полученного из двух половин исходного провода? 2. Как правильно читать формулу R = Ц-'- «сопротивление проводника прямо пропорционально напряжению и обратно пропорционально силе тока» или «сопротивление проводника равно отношению напряжения к силе тока»? 3. Чему равна сила тока в проводнике сопротивлением R = 2,0 кОм при напряжении на нем U = 4,0 В? 4. По надписям на лампочке «3,5 В; 0,26 А» найдите сопротивление ее спирали. 5. Какое напряжение нужно подать на проводник сопротивлением R = 20 Ом, чтобы создать в нем ток силой I = 50 мкА? 6. Выполняя практическую работу, ученик измерил силу тока в резисторе сопротивлением R = 4,0 Ом и напряжение на этом резисторе. Определите показания вольтметра, если амперметр показал I = 0,30 А. Нарисуйте схем^ такой цепи. 7. Каким сопротивлением обладает моток железной проволоки длиной l = 200 м и площадью поперечного сечения S = 2,0 мм2? 8. Катушка измерительного прибора сопротивлением R = 400 Ом намотана проводом длиной l = 80 м и поперечным сечением S = 0,10 мм2. Из какого материала изготовлена проволока? 9. Свинцовая проволочка плавкого предохранителя имеет сечение S = 0,50 мм2 и длину l = 2,0 см. При каком напряжении сила тока в проволочке может принять предельно допустимое значение 1пред = 10 А? 10. Постройте график зависимости силы тока в проводнике сопротивлением R = 5,0 Ом от напряжения, которое изменяется от 0 В до 20 В. От чего зависит угол наклона графика? 11. Каким сопротивлением обладает вольфрамовая проволока поперечным сечением S = 0,10 мм2 и массой m = 7,72 г? Плотность вольфрама D = 19,3 —. см3 12. Проволоку сопротивлением R0 = 8,0 Ом нагрели и протащили через узкое отверстие (фильеру), что привело к удвоению ее длины. Каким стало сопротивление проволоки? 98 Правообладатель Народная асвета Рис. 154 13. На рисунке 154 изображены омметр и его шкала. Главными частями устройства являются батарейка и гальванометр (чувствительный прибор для измерения тока). Резистор, сопротивление которого нужно измерить, подключается к зажимам, замыкая таким образом электрическую цепь. Объясните принцип работы такого прибора и расположение делений на его шкале. § 26. Последовательное соединение проводников. Реостат В простейшей цепи к источнику подключается один потребитель (лампочка, электромотор, электрозвонок и т. д.). Но, как вы видели уже на рисунке 145, в цепь можно включить одновременно и несколько потребителей, соединив их определенным образом. Каким закономерностям подчиняются цепи, содержащие несколько потребителей? Как выгодно их соединять? Простейшим видом соединения является последовательное, при котором соединяемые проводники (потребители) имеют по одной общей точке (рис. 155): В — для проводников R1 и R2, С — для проводников R2 и R3. Последовательно мы включаем амперметр. В последовательном соединении выполняются три главные закономерности. 1. Сила тока во всех проводниках одинакова: и В Ь D - + = I2 = I3 (1) Рис. 155 99 Правообладатель Народная асвета 2. Напряжение на группе последовательно соединенных проводников равно сумме напряжений на каждом из них: U = V, + U2 + U3. (2) Эта закономерность вытекает из физического смысла напряжения. Полная работа электрических сил на участке AD равна сумме работ, произведенных на участках АВ, ВС и CD (см. рис. 155). 3. По закону Ома U = IR, где R — сопротивление всего участка AD. U1 = IR1, U2 = IR2, U3 = IR3. Подставив эти выражения в формулу (2), получим: IR = I(R1 + R2 + R3), или R = R\ + R2 + R3 (3) Полное сопротивление группы последовательно соединенных проводников равно сумме сопротивлений отдельных проводников. Для случая одинаковых проводников расчет упрощается: R = NRi, где N — число одинаковых проводников, сопротивлением R1 каждый. Рост сопротивления цепи при добавлении в нее новых проводников объясняется увеличением длины проводящей части. Это свойство можно использовать для уменьшения силы тока в цепи без снижения напряжения источника. Для практического регулирования силы тока в цепи удобно использовать специальное устройство — реостат. На рисунке 156, а изображен внешний вид самого простого ползункового лабораторного реостата. Он представляет собой длинную проволоку из никелина или другого сплава с большим удельным сопротивлением, намотанную на керамический цилиндр. Один конец этой проволоки выведен на клемму А. По проводящему стержню очень малого сопротивления скользит латунный ползунок, который плотно прижимается к виткам проволоки с обеих сторон. Для соединения с ползунком служит клемма В. На рисунке 156, б схематично изображен Рис. 156 реостат, который можно включать в элек- 100 Правообладатель Народная асвета - + Ял 4gb в Рис. 157 трическую цепь через клеммы А и В. На рисунке 157 хорошо виден принцип работы реостата. Полное сопротивление цепи состоит из сопротивления Ял лампочки и сопротивления включенной в цепь части проволоки (на рисунке заштрихована) реостата. Незаштрихованная часть проволоки в цепь не включена. Если изменить положение ползунка, то изменится длина включенной в цепь части проволоки, что приведет к изменению силы тока. Так, если передвинуть ползунок в крайнее правое положение (точка С), то в цепь будет включена вся проволока, сопротивление цепи станет наибольшим, а сила тока — наименьшей. Существуют и другие типы реостатов, но в технике, например в электротранспорте, регулировка силы тока реостатами вытесняется другими, более выгодными электронными регуляторами. Дело в том, что, уменьшая силу тока в цепи, реостат сам нагревается, на что расходуется значительная энергия. В электронных регуляторах эти потери в десятки и сотни раз меньше. Последовательное соединение электроприборов в быту не применяется. Предлагаем самостоятельно подумать почему. Главные выводы 1. Сила тока в последовательно соединенных проводниках одинакова. 2. Напряжение на группе последовательно соединенных проводников равно сумме напряжений на каждом проводнике. 3. Сопротивление группы последовательно соединенных проводников равно сумме сопротивлений отдельных проводников. 4. Реостат позволяет плавно регулировать силу тока в цепи. Контрольные вопросы 1. Почему сила тока в последовательно соединенных проводниках не может быть разной? 2. Как связано напряжение на группе последовательно соединенных проводников и на отдельных проводниках? Почему? 3. Как и почему изменяется сопротивление последовательной цепи при добавлении в нее новых проводников? 4. Какой принцип регулирования силы тока в цепи с помощью реостата? 5. Как понимать надписи «6 Ом; 2 А» на лабораторном реостате? 101 Правообладатель Народная асвета Примеры решения задач 1. Определите показания приборов в цепи, представленной на рисунке 158. Сопротивления резисторов = 20 Ом, R2 = 40 Ом. Сопротивление амперметра пренебрежимо мало; сопротивление вольтметра бесконечно велико. Решение Полное сопротивление цепи R = R1 + R2 = 60 Ом. Сопротивление вольтметра не учитываем, так как ток в нем практически не идет. Сила тока: I = 11 = 12 = U = ^2°^ = 0,1 А. 12 R 60 Ом ’ Напряжение на первом резисторе: и1 = I • R1 = 0,1 А • 20 Ом = 2 В. Ответ: I = 0,1 А; U1= 2 В. 2. Сколько миниатюрных лампочек сопротивлением R1 = 100 Ом, рассчитанных на силу тока I1 = 68 мА, нужно взять для елочной гирлянды, питаемой напряжением U = 220 В. Дано: U = 6,0 В R1 = 20 Ом R2 = 40 Ом I — ? U1 — ? Дано: I1 = 68 мА = 0,068 А R1 = 100 Ом U = 220 В N — ? Решение Найдем напряжение на одной лампочке гирлянды: и1 = I • R1 = 0,068 А • 100 Ом = 6,8 В. Число лампочек будет: N = U = 22^ = 32,35.... U, 6,8 B Число ламп должно быть целым, что дает N = 33. Предлагаем самим догадаться, почему при округлении были нарушены арифметические правила округления. Ответ: N = 33. Упражнение 17 1. Чему равно полное сопротивление последовательной цепи из резисторов R1 = 200 Ом, R2 = 0,40 кОм, R3 = 500 Ом? 102 Правообладатель Народная асвета 2. К источнику с напряжением U = 12 В подключены последовательно резисторы сопротивлением R1 = 8,0 Ом и R2 = 16 Ом. Чему равно полное сопротивление цепи? Какая сила тока в источнике и каждом резисторе? Какое напряжение на каждом резисторе? 3. Сколько одинаковых лампочек, рассчитанных на напряжение U1 = 12 В, нужно взять для елочной гирлянды, подключаемой к сети напряжением U = 220 В? 4. Будут ли работать в номинальном режиме две лампочки с на,дписями «2,5 В; 0,26 А» и «3,5 В; 0,32 А», если их соединить последовательно и подключить к источнику напряжением U = 6,0 В? 5. Резистор сопротивлением R = 8,0 Ом соединен последовательно с ни-хромовой проволокой сечением S = 0,22 мм2 и длиной l = 80 см. Определите силу тока в цепи при подаче на нее напряжения U = 12 В. Какими будут напряжения на обоих проводниках? 6. К источнику, дающему напряжение U = 4,0 В, присоединили резистор сопротивлением Rj = 8,0 Ом и резистор с неизвестным сопротивлением. Определите сопротивление второго резистора, если сила тока в цепи I = 0,20 А. 7. Лампу сопротивлением Rj = 4,0 Ом, рассчитанную на номинальное напряжение U1 = 12 В, нужно подключить к источнику, имеющему напряжение U = 15 В. Какое дополнительное сопротивление нужно включить в цепь? Подойдет ли для этой цели школьный лабораторный реостат? 8. Резистор сопротивлением Rj = 12 Ом подключен последовательно с лабораторным реостатом к источнику напряжением U = 4,5 В. Какой будет сила тока в цепи при крайних положениях ползунка реостата и при установке его на середину? 9. Всегда ли можно использовать вместо реостата с на,дписью «6 Ом; 5 А» реостат с на,дписью «6 Ом; 2 А»? А наоборот? 10. Соединив последовательно две лампочки с на,дписями «12 В; 5 А» и ;12 В; 0,2 А», ученик хотел подключить эту цепь к источнику, дающему напряжение U = 24 В. Однако учитель запретил ему такое включение, предупредив, что это приведет к перегоранию одной из лампочек. Какой? Почему? 11. Измеряя напряжение на лампочке, ученик по ошибке включил вольтметр не параллельно, а последовательно с ней (рис. 159). Отразится ли такое включение на свечении лампочки и на показаниях - ■+ амперметра ? Рис. 159 103 Правообладатель Народная асвета § 27. Параллельное соединение проводников Последовательно в цепь можно соединять только потребители (лампочки, моторы и т. д.), рассчитанные на одинаковую силу тока. Кроме того, если в такой цепи выключить ток в одном звене, то разрывается вся цепь. Этих недостатков лишена цепь, в которой потребители соединены параллельно. При параллельном соединении проводников они имеют по две общие точки — точки А и В на рисунке 160. Следствием этого является то, что напряжение U между точками А и В есть напряжение на каждом отдельном про- водн ике, т. е. U, = U2 = U3 = U. (1) Это первая закономерность параллельного соединения. Напряжение на каждом параллельно соединенном проводнике одинаково и равно напряжению на всем участке параллельно соединенных проводников. Вторая закономерность параллельного соединения вытекает из того, что движущийся направленно в цепи электрический заря,ц не исчезает и не возникает из ничего. Он только делится на части (в точке А, см. рис. 160) с последующим объединением в точке В. Следовательно: I - /, + I2 + I3. (2) Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил тока в ветвях (отдельных параллельно соединенных проводниках). Обратите внимание на принятую терминологию: «ветви цепи», «неразветвленная часть». Самостоятельно определите, будут ли силы тока в ветвях (/j, /2, /3 на рисунке 160) одинаковы, если сопротивления ветвей неодинаковы. Третья закономерность параллельного соединения определяет общее сопротивление разветвленного участка (участка АВ на рисунке 160). Учтем, что сила тока / - /1 + /2 + /3, а напряжение U — U1 — U2 — U3. откуда: Используя закон Ома, получим: — — — + — + — R R2 R3 R R\ R2 R3 (3) Величина, обратная сопротивлению участка параллельно соединенных проводников, равна сумме величин, обратных сопротивлению отдельных проводников. 104 Правообладатель Народная асвета Величину —, обратную сопротивлению проводника, называют проводимостью проводника. R Такое название логично. Оно подчеркивает, что если проводник имеет большое сопротивление, то у проводника малая проводимость. С учетом этого третью закономерность можно сформулировать так: проводимость разветвленного участка цепи равна сумме проводимостей ветвей. Из записанной формулы следует, что добавление к параллельному участку новых проводников уменьшает сопротивление R участка. Это объясняется тем, что включение параллельно дополнительного проводника не меняет длину электрической цепи, но увеличивает площадь поперечного сечения цепи. А сопротивление R = р -1 обратно пропорционально площа,ди. Если соединяемые проводники одинаковые (Rj = R2 = ... = RN), то расчет со- противления упрощается: или: 4 = N • -1, R R = лГ- Рис. 161 Параллельное соединение позволяет подключать к источнику независимо друг от друга различные потребители (рис. 161), несмотря на допустимое значение силы тока в них. Именно поэтому параллельно соединены все электроприборы в наших квартирах, в автомобилях, на предприятиях и т. д. При разрыве одной ветви остальная часть цепи работает. Если параллельно соединены только два проводника то: 1 — 1 + — Ri + R2 R R1 R2 R1 ■ R2 ' что приводит к простому и удобному выражению для сопротивления такого участка: R R1R2 R\ + R2 Главные выводы 1. Напряжение на параллельно соединенных проводниках одинаково. 2. Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил тока в ветвях. 3. Величина, обратная сопротивлению разветвленного участка, равна сумме величин, обратных сопротивлению отдельных ветвей. 4. Параллельно можно соединять потребители, рассчитанные на разные силы тока. 5. Чем больше параллельно соединенных проводников входит в участок цепи, тем меньше его сопротивление. 105 Правообладатель Народная асвета Контрольные вопросы 1. Почему одинаково напряжение на параллельно соединенных проводниках? 2. Почему сопротивление участка уменьшается при параллельном соединении дополнительных проводников? 3. Почему в квартирной и автомобильной проводках не используют последовательное соединение потребителей? 4. Равны ли силы тока в параллельно соединенных проводниках? От чего зависят их значения? Пример решения задачи В цепи, представленной на рисунке 162, сопротивление резистора = 60 Ом, показания амперметра А I = 0,50 А. Найдите показания амперметра Л1; полное сопротивление участка ВС; сопротивление резистора R2. Дано: U = 12 В R1 = 60 Ом I = 0,50 А Ii - ? Rbc - ? R2 - ? Решение Так как резисторы подключены к точкам В и С, напряжение на них равно напряжению источника U1 = U2 = Ubc = U = 12 В. Отсюда сила тока: I = U = 12 В 1 R1 60 Ом = 0,20 А. Сила тока во втором резисторе: I2 = I -11 = 0,50 А - 0,20 А = 0,30 А. Сопротивление этого резистора: I Общее сопротивление цепи: R1 ■ R2 R2 = U = = 40 Ом. Rrc = 0,3 А 60 Ом • 40 Ом = 24 Ом. R1 + R2 100 Ом Этот ответ можно было найти и сразу, применив закон Ома к участку ВС в целом: R = U = rrc — ~Т — 12 B — 24 Ом. I 0,50 A Ответы: I1 — 0,20 А; Rbc — 24 Ом; R2 — 40 Ом. Упражнение 18 1. В каких случаях утверждение о том, что добавление в цепь еще одного резистора увеличивает ее сопротивление, оказывается неверным? 2. Каково сопротивление участка из двух параллельно соединенных резисторов сопротивлениями R1 — 200 Ом, R2 — 300 Ом? 106 Правообладатель Народная асвета - + в D - + а Рис. 163 - + б 3. Найдите сопротивление цепи из резисторов Ri = 40,0 Ом, R2 = 60,0 Ом, R3 = 24,0 Ом, соединенных: а) последовательно; б) параллельно. 4. Участок цепи общим сопротивлением R = 20 Ом содержит четыре одинаковых резистора, соединенных параллельно. Каким станет общее сопротивление участка цепи при замене параллельного соединения резисторов на последовательное? 5. Какой резистор и как нужно подключить к резистору R1 = 20 Ом, чтобы их общее сопротивление стало равным R = 16 Ом? 6. К автомобильному аккумулятору напряжением U = 12 В подключены параллельно две лампочки сопротивлениями Rj = 20 Ом и R2 = 80 Ом. Найдите общее сопротивление нагрузки, напряжение на лампочках и силу тока в них. 7. Резисторы Rj = 4,0 кОм и R2 = 6,0 кОм подключены к источнику напряжением U = 12 В. Какими будут показания амперметра, если его включить в цепь, сделав разрыв в точках А, В, С, D (рис. 163)? 8. При подключении к источнику напряжением U = 12 В двух параллельно соединенных резисторов в цепи возник ток силой I = 1,5 А. Какое сопротивление второго резистора, если у первого оно равно R1 = 10 Ом? Найдите два различных способа решения. 9. Найдите сопротивление изображенных на рисунке 164, а, б электрических цепей. Все резисторы одинаковы и имеют сопротивление R = 30 Ом каждый. 10. Опишите явление в цепи (рис. 165), если при измерении напряжения на лампе 2 к ней вместо вольтметра будет подключен амперметр. 107 Рис. 164 Правообладатель Народная асвета 1 4gb Рис. 166 ^ t— 2 T 11. Включая реостат для изменения силы тока в лампах, учащийся допустил ошибку: включил его не последовательно, а параллельно одной из ламп (рис. 166). Опишите режим работы такой схемы при различных положениях ползунка реостата. 12. Две одинаковые лампы с рабочим напряжением U = 6,3 В подключают к источнику, дающему такое напряжение, по схеме, приведенной на рисунке 167. Опишите режим работы ламп при разных положениях ключей Ki и К2. § 28. Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца Вспомним, прежде всего, что работу совершают силы, а не тела, и приведенное в названии параграфа словосочетание не совсем верно. Правильнее говорить о работе электрических сил, переносящих заряд в проводнике и создающих таким образом электрический ток. Как определить эту работу? Мы знаем (см. § 19), что значение этой работы пропорционально перенесенному заря,цу q и напряжению U между начальной и конечной точками: А = q • U, где U — это напряжение на рассматриваемом резисторе (лампе, электромоторе и т. д.), его мы можем измерить вольтметром. Перенесенный заряд q можно найти, измерив силу тока I и время t (рис. 168). Действительно, из формулы силы тока I = q следует q = It. Таким образом, мы приходим к формуле для работы тока на участке цепи: 108 Правообладатель Народная асвета A = lUt. (1) Из формулы (1) следует, что если напряжение выразить в вольтах, силу тока — в амперах, промежуток времени — в секундах, то работа будет в джоулях, т. е. 1 Дж = 1 А • 1 В • 1 с. Вы уже знаете, что быстроту совершения работы характеризует мощность: P = —. Мощность тока: P = IU. (2) Из формулы (2) мощность 1 Вт = 1 А • 1 В. Ес^и энергия источника тока превращается только во внутреннюю энергию (и,цет на нагревание проводника), то, используя закон Ома, работу тока и мощность можно записать по-другому. Так как напряжение U = IR, то A = IIRt, или A = I ^Rt, (3) а мощность: P = I 2R. (4) Формулы (3) и (4) удобно использовать для цепей с последовательным соединением проводников, так как сила тока в проводниках одинаковая. Сила тока I = U, тогда A = UUt, или R R A = u 2t А мощность: P UL R (5) (6) Формулы (5), (6) удобны для определения работы и мощности тока в цепях с параллельным соединением проводников, напряжение на которых одинаково. Английский ученый Дж. П. Джоуль и русский ученый Э. X. Ленц еще в первой половине XIX в. независимо друг от друга из опыта, который схематически изображен на рисунке 169, установили формулу для расчета количества теплоты, выделяющегося в проводнике при прохождении по нему тока. Пропуская ток различной 109 Правообладатель Народная асвета силы через проводники различного сопротивления и измеряя количество выделившейся теплоты, они пришли к зависимости: Q = I ^Rt. (7) Это выражение называют законом Джоуля — Ленца. Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, пропорционально ква,драту силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Для выражения больших значений произведенной током работы широко используют внесистемную единицу киловатт-час (1кВт • ч). Она вводится из связи мощности и работы: А = Р • t (1кВт • 1 ч = 1кВт • ч). Предлагаем самостоятельно дать определение этой единице. Ее перевод в единицы СИ: 1 кВт • ч = 1,0 • 103 Вт • 3600 с = 3 600 000 Дж, или 1 кВт • ч = 3600 кДж. Именно в кВт • ч мы определяем расход электроэнергии, а затем ее стоимость при ежемесячных расчетах с организациями энергосбыта. Главные выводы 1. Работу электрических сил в проводнике называют работой электрического тока. 2. Работа электрического тока на участке цепи зависит от перенесенного заряда и напряжения на этом участке. 3. Количество вы,деляемой в проводнике теплоты пропорционально ква,д-рату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. 4. Для простоты расчетов в быту электроэнергию выражают в кВт • ч: 1 кВт • ч = 3600 кДж. 5. Мощность электрического тока определяется работой, совершенной им за единицу времени. Контрольные вопросы 1. Что называют работой электрического тока? 2. Почему вместо формулы A = qU чаще используют формулу A = lUt. 3. Как был установлен закон Джоуля — Ленца? Как он читается? 4. Какие границы применимости формулы работы тока A = I ^Rt? 110 Правообладатель Народная асвета Пример решения задачи С помощью электронагревателя сопротивлением R = 81 Ом воду в объеме V = 2,0 л нагревают от температуры t1 = 20 °С до кипения за время т = 20 мин. Определите КПД нагревателя, если напряжение в сети U = 220 В. Дано: R = 81 Ом U = 220 В V = 2,0 л = 2,0 • 10-3 м3 tj = 20 °С t2 = 100 °С с = 4,2 • 103 р = 1,0 • 103 ^3 м3 т = 20 мин = 1200 с п — ? Решение По определению п = А,, Л,, Полезная работа равна увеличению внутренней энергии воды, т. е. количеству полученной ею теплоты: Апол = Q = с • m • (t2 - t1). Массу воды выразим через ее плотность и объем m = р • V, тогда: Апол = с • р • V • (t2 - t1). U 2 Совершенная током работа: А = —Т. R Значит, КПД: c • m • (t2 - ti) • R п = U2 Т 4,2 • 10' п = i3 Дж кг • °С • 1,0 • 103 • 2,0 • 10-3 м3 • 80 °С • 81 Ом м3 48 400 В2-1200 с 0,94. Ответ: п = 94 %. Упражнение 19 1. Верно ли утверждение, что при большом напряжении совершается большая работа, а при маленьком — маленькая? 2. Какая работа совершается электрическим током в проводнике, в котором при напряжении U = 12 В проходит заряд q = 20 Кл за время t = 4,0 с? Каково значение мощности тока? 3. Какую работу совершает за сутки электрический ток силой I = 5,0 мкА в электронных часах, работающих от батарейки напряжением U = 1,5 В? 4. Объясните на,дпись на электролампе «220 В; 25 Вт». Определите по ней номинальный рабочий ток лампы и сопротивление ее спирали. Сравните эти характеристики с аналогичными характеристиками другой лампы с надписью «220 В; 100 Вт». 111 Правообладатель Народная асвета 5. Сопротивление нагревательного элемента электрического чайника R = 40 Ом. Определите работу и мощность тока, если питающее чайник напряжение U = 220 В, а время работы чайника t = 4,0 мин. 6. Какая мощность и сила тока в спирали утюга сопротивлением R = 44 Ом при включении в сеть напряжением U1 = 220 В? Каким должно быть сопротивление спирали, чтобы утюг давал такой же нагрев при включении в сеть напряжением U2 = 110 В? 7. Электроплитка рассчитана на напряжение U = 220 В и силу тока I = 3,0 А. За какое время она потребит энергию тока W = 0,66 кВт • ч? 8. Электроподъемник потребляет ток силой I = 10 А при напряжении U = 220 В. Принимая КПД подъемника п = 80 %, рассчитайте время подъема груза массой m = 500 кг на высоту h = 8,0 м. 9. В какой из ламп, указанных в задаче 4, вы,целится большая мощность, если их соединить последовательно и подключить к какому-нибудь источнику? 10. Две электроплитки мощностью Р1 = 600 Вт и Р2 = 1200 Вт соединены параллельно и подключены к сети с напряжением U = 220 В. Какая из электроплиток за одно и то же время выделит больше теплоты? 11. Сила электрического тока в квартирной электропроводке не должна превышать I = 10 А. При больших значениях силы тока она плавится. Определите, какие потребители вы можете включить одновременно в сеть напряжением U = 220 В, чтобы сила тока в сети не превысила предельно допустимую. Мощность потребителей: стиральной машины — Pj = 2 кВт; холодильника — Р2 = 0,2 кВт; телевизора — Р3 = 0,3 кВт; утюга — Р4 = 0,8 кВт; пылесоса — Р5 = 1,4 кВт; электрочайника — Р6 = 1,2 кВт; электроплиты — Р7 = 1,8 кВт; печи СВЧ — Р8 = 0,8 кВт. § 29. Использование и экономия электроэнергии (для дополнительного чтения) Использование электричества позволило человечеству за два предыдущих столетия создать устройства и приборы, радикально изменившие его жизнь. За два года изучения физики вы еще не получили достаточно знаний, чтобы понять принципы работы многих из них, однако работу и устройство некоторых бытовых приборов мы сможем объяснить. 112 Правообладатель Народная асвета В лампе накаливания (рис. 170) главной частью является вольфрамовая спираль 1, укрепленная на держателях 2. Ток, подводимый к спирали через специальный винтовой патрон 3, вызывает выделение значительного количества теплоты в спирали очень малой массы (всего несколько граммов или даже доли грамма), что приводит к повышению ее температуры до 3000 °С и свечению. Первая в мире лампа накаливания была изобретена в 1872 г. русским инженером А. Н. Лодыгиным и усовершенствована в 1879 г. американцем Т. А. Эдисоном, который применил в ней вольфрамовую спираль. В России был впервые открыт и использован для освещения дуговой разряд, в котором теплота выделялась не в твердом теле, а в промежутке между двумя электродами (см. рис. 93). Электрическая дуга, открытая еще в 1802 г. В. В. Петровым, широко применяется не только для освещения, но и для сварки металлов. Рис. 170 у|и Однако при простоте конструкции и удобстве включения лампы накаливания обладают и огромным недостатком. Они преобразуют в световое излучение всего 3 — 5 % подводимой электроэнергии, т. е. они больше греют, чем светят. Поэтому в последние годы все больше используются более дорогие газоразрядные лампы (рис. 171), в которых ток проходит не через металлическую спираль, а через смесь газов. Га - зоразрядная энергосберегающая лампа, потребляя мощность всего 20 Вт, дает такой же световой поток, как и лампа накаливания мощностью 100 Вт. Однако и эти лампы уже начинают вытесняться светодиодными лампами (рис. 172). Рис. 171 Рис. 172 113 Правообладатель Народная асвета Рис. 173 Рис. 174 Рис. 175 Преобразование электрической энергии во внутреннюю происходит и в электронагревательных приборах: утюге, паяльнике, кипятильнике, электрочайнике (рис. 173, а). Все они имеют нагревательный элемент (рис. 173, б) из материала (обычно сплава) с достаточно большим сопротивлением. А вот в микроволновой печи (рис. 174) такого элемента нет. Благодаря магнитному действию тока нагревание происходит за счет прохождения тока в самой пище: куске мяса, картофеле и т. д., которые являются хорошими проводниками. К сожалению, мы не можем объяснить сейчас принцип работы других, более сложных бытовых устройств. Отметим только, что все они: компьютер, телевизор, телефон (сетевой и мобильный), плеер (рис. 175), холодильник, стиральная машина — используют магнитные действия тока. Рост числа электроустройств в быту и производстве делает все более важной за,цачу экономии электроэнергии. Эта проблема решается по двум направлениям. Во-первых, это поиски новых энергосберегающих технологий и устройств. И это не только переход к новым, более экономичным электролампам. Это создание новых моделей телевизоров, холодильников, транспортных средств. Так, разработанный в белорусском объединении «Белкоммунмаш» безреостатный способ регулировки силы тока позволил на треть уменьшить потребление тока троллейбусом. Белорусский троллейбус (рис. 176) ныне Рис. 176 признан во всем мире. 114 Правообладатель Народная асвета Второе направление, позволяющее значительно уменьшить потребление электроэнергии — это повышение культуры энергопользования. Часто мы, уходя на перемену, не выключаем в классе освещение или используем дома на лестничной площа,дке мощную лампочку. Из закона сохранения и превращения энергии следует: чем меньше электроэнергии потребляем, вовремя выключая свет и используя экономные лампочки, тем меньше топлива (газа, мазута) расходуется на электростанции, где при отключении лишней нагрузки «умные» дозирующие устройства быстро и точно сократят его подачу. Не будем забывать о возможности использования природных источников энергии: ветра и особенно Солнца. Так, проблему получения горячей воды для летнего домика (дачи) можно решить двумя различными способами. Можно купить в магазине водоэлектронагреватель мощностью более 2 кВт и усугубить проблему расхода электроэнергии. А можно изготовить солнечный нагреватель, используя покрашенную черной краской емкость (бочку) (рис. 177). Закройте ее со всех сторон, кроме южной, теплоизолятором (стекловата, пенопласт и даже мох) и снабдите устройство повернутой к солнцу застекленной рамой. Вы сможете принимать теплый душ с апреля по сентябрь. Рис. 177 Отметим также, что в наши квартиры и на предприятия поступает переменный ток, который непрерывно (50 раз в секунду) меняет свое направление. Тепловое действие электрического тока не зависит от его направления. Если же нужно использовать магнитное действие тока (например, в радиоприемнике) или химическое действие (при зарядке аккумулятора), то прибегают к помош^и выпрямителей — устройств, которые позволяют току течь только в одном направлении. Главные выводы 1. В бытовых устройствах используется тепловое и магнитное действие тока. 2. Для нагревания тел можно использовать нагревательный элемент или создать электрический ток в самом теле. 3. Экономия электроэнергии достигается совершенствованием технологий и оборудования, а также высокой культурой энергопользования. 115 Правообладатель Народная асвета Контрольные вопросы 1. Какие действия тока используются в бытовых электрических устройствах? 2. В чем достоинство и недостатки лампы накаливания? 3. Можно ли нагреть тело с помощью электрического тока, не используя нагревательную спираль? 4. Почему в микроволновой печи нагревается пища и почти не нагревается тарелка, на которой она лежит? Упражнение 20 1. Почему при равной силе тока спираль лампы накаливания раскаляется почти до 3000 °С, а подводящие провода лишь незначительно нагреваются? 2. Проводники сопротивлениями = 5,0 Ом и R2 = 15 Ом соединены последовательно. В каком из них выделяется больше теплоты? 3. Каким будет соотношение количеств теплоты, если проводники, указанные в задании 2, включить в цепь параллельно друг другу? 4. Как будет греть бытовая плитка, спираль которой при ремонте стала короче? 5. Почему нельзя вынимать из воды включенный электрокипятильник? 6. Сколько литров воды можно довести до кипения от начальной температуры t1 = 10 °С, затратив электроэнергию W = 1,0 кВт • ч? 7. Не имея запасной спирали для 300-ваттной лабораторной плитки, лаборант взял 600-ваттную спираль и, разрезав ее пополам, вставил одну из двух половин вместо сгоревшей 300-ваттной. Правильно ли он поступил? 8. Почему, несмотря на непрерывное вы,целение теплоты, температура электроплитки не возрастает беспредельно, а достигает определенного значения? От чего зависит это значение? 9. Мотор, обмотка которого обладает сопротивлением R = 10 Ом, потребляет от сети напряжением U = 120 В ток силой I = 1 А. Рассчитайте для данного случая мощность по формулам Р = IU и Р = I^R и сравните полученные результат^!. Дайте им объяснение. Выполняется ли для электромотора закон Ома для участка цепи? § 30. Безопасность при работе с электрическими цепями (для дополнительного чтения) Электричество, давшее человеку большие возможности овладения природой, таит в себе скрытую опасность. Познакомимся с двумя основными видами опасности, которая возникает при работе с различными электрическими цепями. 116 Правообладатель Народная асвета Во-первых, тело человека, состоящее более чем на две трети из жидкости, является хорошим проводником. Только значительное сопротивление — десятки и даже сотни килоом, которое имеет загрубевшая кожа рук, препятствует протеканию через тело тока большой силы. Поэтому при малых напряжениях в несколько вольт через нас протекает ток силой в доли миллиампера, который мы даже не ощущаем. Но уже начиная с напряжения U = 36 В возросшая сила тока может вызвать заметное биологическое действие, а ток силой более I = 100 мА, как правило, вызывает смертельный исход. Поэтому внимательно и серьезно относитесь к тем правилам техники безопасности, которые вам сообщает учитель перед проведением лабораторных работ. Любой ремонт дома (даже замену лампочек) производите только при отключенном напряжении. Второй вид опасности при использовании электрического тока связан с тем, что вы,деле-ние теплоты происходит не только в нагрузке (лампочке, моторе), но ив подводящих проводах и источнике. При небольших токах эта теплота очень мала, но при значительных токах она резко возрастает, проводка сильно нагревается, что может привести к пожару. Особо сильный нагрев будет в местах плохих соединений проводов (вилки, штепсельные гнезда). Такая ситуация может возникнуть, во-первых, при подключении одновременно слишком большого числа потребителей: обогревателя, стиральной машины, кипятильника, утюга и т. д. Кроме того, эта ситуация неизбежна при коротком замыкании в цепи (см. § 24). При коротком замыкании (рис. 178) стра,дает не только проводка, но и сам источник (автомобильный аккумулятор), перегреваемый током огромной силы. Для экстренного разрыва цепи в таких случаях служат предохранители (рис. 179). Рис. 178 Рис. 179 117 Правообладатель Народная асвета Самый простой предохранитель — плавкий — представляет собой включаемую последовательно в цепь свинцовую проволочку А (см. рис. 179, а). При достижении в цепи тока определенной силы (ее значение всегда написано на предохранителе) тонкая проволочка нагревается и расплавляется, разрывая перегруженную цепь. Устранив причину перегрузки, необходимо поставить новый предохранитель, рассчитанный на тот же предельный ток. Никогда не нужно заменять предохранитель кусочком медной проволоки (его часто называют «жучком»). Он может сгореть после того, как начнет гореть от перегрева изоляция проволоки или безнадежно испортится источник тока — аккумулятор автомобиля. На рисунке 179, б показаны другие виды плавких предохранителей. Второй распространенный вид предохранителя — автоматический (рис. 180), который производит разрыв цепи при достижении определенной силы тока. В отличие от плавкого этот предохранитель при срабатывании не разрушается и может быть снова введен в рабочее положение. Рис. 180 Главные выводы 1. Опасность при работе с электрическими цепями связана с возможностью поражения человека током и возникновения пожароопасной ситуации. 2. Предохранители служат для экстренного разрыва цепей при перегрузках и коротких замыканиях. Контрольные вопросы 1. Почему в практических работах запрещено использование напряжения, превышающего 36 В? 2. Что такое перегрузка цепи? Чем она опасна? 3. Почему проволоку плавкого предохранителя делают из свинца? 4. Верно ли утверждение, что предохранитель не допускает возникновения перегрузок и коротких замыканий? 5. Почему необходимо контролировать крепление проводов в штепсельных вилках и розетках? 118 Правообладатель Народная асвета § 31. Постоянные магниты До сих пор мы рассматривали электрические явления. Изучая действия электрического тока, мы обнаружили его магнитное действие. Уже из этого факта следует, что электрические и магнитные явления связаны между собой. В чем суть магнетизма? Для ответа познакомимся сначала со свойствами постоянных магнитов. История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. В древнем городе Магнесия на территории Малой Азии была обнаружена горная порода, образцы которой притягивали друг друга. По названию города их стали называть магнитами (греч. magnetis — магнитный). Вы все хорошо знаете свойство магнита притягивать к себе железные и стальные предметы: гайки, шайбы, скрепки, кнопки (рис. 181). Многие из вас использовали магнит для собирания рассыпавшихся гвоздей. Известно, что магнит не притягивает тела из цветных металлов (медь, алюминий и др.). Встречаются магниты различных форм, но наиболее распространены полосовой и подковообразный магниты (рис. 182, а, б). Такие магниты есть в любом кабинете физики. Способность магнита притягивать предметы можно изучить с помощью динамометра с железным гвоздем (рис. 183). Поднося его к различным участкам магнита, можно обнаружить, что притяжение наиболее сильно на концах магнита. Их называют полюсами магнита: северным (обозначают буквой N) и южным (обозначают буквой S). Обнаружено, что на середине магнита притяжения нет. Это — нейтральная зона. Изучить взаимодействие двух магнитов можно на опыте. Правообладатель Народная асвета Рис. 184 Рис. 185 Закрепим магниты: один жестко к штативу, а другой к пружине динамометра (рис. 184). По показаниям динамометра можно определить силу притяжения (рис. 184, б) разноименных полюсов и отталкивания (рис. 184, в) одноименных полюсов. Сила взаимодействия зависит от расстояния между полюсами и может быть даже больше или равной силе тяжести магнита. Это подтверждает опыт с «парящим» в воздухе магнитом (рис. 185). Рассматривая цепочку притянутых к магниту гвоздей (рис. 186, а), можно сделать еще один очень важный вывод. Под действием магнита тела (гвозди) могут намагничиваться (рис. 186, б), т. е. сами превращаться в магниты. У гвоздей из обычного (мягкого) железа намагниченность после удаления от магнита практически полностью исчезает (рис. 186, в). Но у стали и некоторых сплавов намагниченность сохраняется. Например, стальные ножницы после контакта с Рис. 186 120 Правообладатель Народная асвета Рис. 187 магнитом (рис. 187) сами стали магнитом и намагнитили лезвие бритвы. Магниты, которые есть в кабинете физики, отштампованы из специальной стали и намагничены действием очень сильного магнита. Их полюса окрашены в традиционные цвета: северный полюс — в синий, южный полюс — в красный. Заметим, что очень сильным нагреванием или другими воздействиями любой магнит можно размагнитить. Взаимодействие магнитов имеет значительное сходство с взаимодействием электрически заряженных тел. В обоих случаях одноименные полюса (заряды) отталкиваются, а разноименные полюса (заряды) притягиваются. Но у этих взаимодействий есть и большое различие. Электрические заряды можно отделить друг от друга. Вспомните электризацию трением и электризацию через влияние (рис. 188, а, б). А вот полюса магнита неразделимы. Разрезая магнит на части (неважно, равные или неравные), вы не отделите его полюса друг от друга, а будете получать новые магниты. Каждый из них будет иметь нейтральную зону и два полюса: северный и южный (рис. 189). Взаимодействием магнитов объясняется принцип работы компаса (рис. 190). Стрелка компаса — это лег- Рис. 188 Рис. 189 Рис. 190 121 Правообладатель Народная асвета кии сильный магнит, который может поворачиваться вокруг вертикальной оси. С каким же вторым магнитом взаимодействует стрелка компаса? Таким гигантским магнитом является наша Земля. Впервые это доказал английский исследователь У. Гильберт (1544 —1603 гг.). Он изготовил из магнитного железняка шар большого диаметра — «магнитный глобус». Обходя шар с компасом, он показал, что ориентация стрелки во всех изучаемых точках полностью копирует ее ориентацию в различных точках Земли. Магнитные полюса Земли (рис. 191) расположены не слишком далеко от географических Северного и Южного полюсов нашей планеты. Поэтому освобожденная стрелка компаса устанавливается по направлению, близкому к направлению земного меридиана (с юга на север на рисунке 191). Именно поэтому полюса всех магнитов получили свои названия (северный, южный) и обозначения (N, S — от гол. Nord; Sud). Строго говоря, стрелка компаса указывает направление магнитного меридиана. Ее северный конец ориентирован не на Северный географический полюс (СГП) планеты, а на Южный магнитный полюс Земли. Чрезвычайно интересным и трудным для объяснения является достоверно доказанный факт изменения положения магнитных полюсов Земли с течением времени. Так, много лет назад Южный полюс находился там, где сейчас находится Северный! Главные выводы 1. Полюса магнита неразделимы. 2. Одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются. 3. Тела из железа, стали и др. могут быть намагничены другим магнитом. 4. Любой постоянный магнит может быть полностью размагничен. 5. Землю можно представить большим магнитом, полюса которого не совпадают с географическими полюсами. 122 Правообладатель Народная асвета Контрольные вопросы 1. Как экспериментально обнаружить полюса и нейтральную зону магнита? 2. Как взаимодействуют два магнита? 3. Что общего и разного у электрических и магнитных взаимодействий? 4. Как можно получить новый постоянный магнит? 5. Почему возможна ориентация на Земле с помощью компаса? Является ли она точной? § 32. Магнитное поле Вам известно, что тела могут взаимодействовать на расстоянии без их непосредственного контакта, т. е. посредством поля. Изучая электрические явления, мы говорили об электрическом поле. Еще ранее (в 7-м классе) — о поле тяготения (гравитационном поле). Магниты также взаимодействуют на расстоянии. Значит, с любым магнитом связано особое состояние пространства — магнитное поле. При изучении любого физического поля важно ответить на следующие вопросы. С каким телом или явлением связано данное поле? В чем это поле себя проявляет? С помощью какого тела (индикатора) можно это поле обнаружить и изучить его свойства? Ответ на первый вопрос прост. Магнитное поле связано с любым магнитом. Но этот совершенно правильный ответ тут же порождает новые вопросы. Почему металлический предмет стал магнитом? Ведь мы можем его размагнитить! Подобно другим физическим полям, магнитное поле не действует на наши органы чувств (зрение, слух, обоняние, осязание). Однако реальность его существования проявляется в конкретном наблюдаемом действии. Например, стрелка компаса поворачивается в магнитном поле Земли. Магнитная стрелка (рис. 192, а) и есть то тело, которое позволяет обнаруживать и изучать магнитные поля, например поле полосового магнита (рис. 192, б). Используя большое количество маленьких магнитных стрелок (рис. 193, а), можно получить наглядную картину действия магнитного поля в окружающем магнит пространстве. На практике еще удобнее использовать мелкие железные опилки, насыпанные на картонный экран. В изучаемом магнитном поле железные опилки намагничиваются и становятся маленькими магнитными стрелками. При малом трении о картон эти стрелки тут же ори- Рис. 192 123 Правообладатель Народная асвета Рис. 194 ентируются (рис. 193, б), показывая картину линий магнитного поля (рис. 193, в) изучаемого магнита. С помощью таких линий можно изображать самые различные магнитные поля. Мы уже использовали этот метод, изобразив на рисунке 191 поле Земли. Сравнив рисунки 193, а и 193, в, мы увидим, что за направление линии магнитного поля принимается направление, в котором магнитное поле ориентирует рис 193 северный полюс магнитной стрелки. Обратите так- же внимание на то, что у любого магнита поле есть и внутри него, а линии магнитного поля замкнутые (см. рис. 193, в). Сгущение линий внутри магнита отражает то, что там оно наиболее сильно. Магнитное поле Земли имеет для нас огромное значение. Ведь, кроме приятного, дарящего жизнь всему земному света, Солнце излучает и обильные потоки быстрых заряженных частиц. В основном это электроны и протоны, которые неблагоприятно действуют на все живое. Именно благодаря своему магнитному полю наша планета защищена от их губительного действия. Частицы огибают Землю, частично попа,дают в своеобразные магнитные ловушки. Лишь малая часть заряженных частиц может достичь поверхности планеты, вызывая полярные сияния (рис. 194) в верхних слоях атмосферы. В магнитном поле Земли иногда наблюдаются резкие непродолжительные изменения («магнитные бури»), связанные с процессами, происходящими на Солнце. Магнитными полями, хотя и чрезвычайно слабыми в сравнении с земным, обладают и ближайшие к нам небесные тела (Луна, Марс, Венера). 124 Правообладатель Народная асвета Главные выводы 1. Реальность магнитного поля подтверждается его ориентирующим действием на магнитную стрелку. 2. Магнитные поля удобно изображать графически в ви,де линий. 3. Направление линий магнитного поля в каждой точке поля совпа,цает с направлением северного полюса сориентированной полем магнитной стрелки. 4. На магнитное поле Земли влияют процессы, происходящие на Солнце. Контрольные вопросы 1. Чем подтверждается материальность магнитного поля? 2. С помощью каких тел можно изучить магнитное поле? 3. Почему полюса магнита называют северным и южным? 4. Что такое линии магнитного поля? Что выбрано за направление этих линий? 5. Из какого полюса постоянного магнита выходят линии магнитного поля? В какой входят? Упражнение 21 1. Определите полюса неизвестных магнитов в магнитных цепях, изображенных на рисунке 195, а, б. 2. Верно ли утверждение, что стрелка компаса указывает точное направление на географический север? 3. Зачем при научных исследованиях магнитного поля Земли наряду с компасом используют прибор, в котором стрелка может поворачиваться вокруг горизонтальной оси (инклинатор)? 4. Как можно определить, намагничен или нет железный стержень: а) с помощью компаса; б) с помощью нитки? Рис. 195 125 Правообладатель Народная асвета 5. Как, не используя других предметов, определить, какое из двух ножовочных полотен намагничено, а какое — нет? 6. Докажите, что линии магнитного поля не могут пересекаться. § 33. Магнитное поле тока Поднесем к магнитной стрелке наэлектризованную стеклянную палочку (рис. 196). Стрелка останется неподвижной. Взаимодействия нет. Не будет взаимодействия, если к стрелке поднести отрицательно заряженную эбонитовую палочку. Можно ли на основании этих опытов говорить об отсутствии всякой связи магнетизма и электричества? Конечно, нет. Между магнетизмом и электричеством существует теснейшая связь, что можно подтвердить простым опытом. Расположим по магнитному мери,циану (т. е. по направлению стрелки компаса) проводник АВ (рис. 197, а), под которым находится магнитная стрелка. Включим ток. Стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику АВ (рис. 197, б). Поворот стрелки указывает на появление магнитного поля вокруг проводника с током. Изменим направление тока в проводнике АВ на противоположное. Стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику, но в противоположном направлении. Рис. 197 126 Правообладатель Народная асвета / / / а б Рис. 198 Этот простой опыт, проведенный в 1820 г. датским ученым Г. Х. Эрстедом, позволяет сделать чрезвычайно важный вывод. Магнитное поле создается не только постоянным магнитом. Оно возникает и при движении электрических зарядов. Действительно, ток в проводнике есть их направленное движение. Огромный вкла,ц в изучение электромагнетизма внес французский ученый Андрэ Мари Ампер. Он высказал мысль о том, что движением заряженных частиц объясняется магнетизм всех постоянных магнитов, включая Землю. Согласно гипотезе Ампера, в телах из железа, стали и др. постоянно протекает множество замкнутых круговых токов. Каждый такой ток создает слабое магнитное поле, т. е. в теле всегда имеется множество чрезвычайно малых элементарных магнитов. В ненамагниченном теле элементарные магниты расположены хаотично (рис. 198, а) и их поля компенсируют друг друга. Суммарное магнитное поле у такого тела отсутствует. При намагничивании тела элементарные магниты ориентируются в одном направлении (рис. 198, б), тело становится постоянным магнитом. Подобные круговые токи протекают, по мнению Ампера, и внутри Земли. Ампер не мог объяснить природу введенных им круговых токов. Ведь в ту пору (первая половина XIX в.) ученые не знали строения атома. Круговым током, создающим элементарное магнитное поле, можно считать каждый электрон, движущийся вокруг я,цра атома. Несомненна заслуга Ампера в том, что он первым связал магнитные поля постоянных магнитов и Земли с движением электрических зарядов в этих телах. Для создания магнитного поля важен не сам проводник (его оболочка и вещество), а ток, текущий в нем. Так, уже очень давно было замечено, что в результате грозовых разрядов часто намагничивались стальные тела: ножницы, спицы, косы и т. д. Предлагаем вам самостоятельно объяснить это явление. Последующее изучение взаимосвязи электрических и магнитных явлений привело к открытию электромагнитных волн. Теоретически предсказанные еще в XIX в. английским физиком Д. К. Максвеллом, они были впервые в мире использованы для радиосвязи русским ученым А. С. Поповым в 1906 г. Тем самым началась новая эпоха в технике связи. 127 Правообладатель Народная асвета Главные выводы 1. Неподвижные электрические зарядит не производят магнитного действия. 2. Магнитное поле создается движущимися заря;дами (электрическим током). 3. Магнетизм всех постоянных магнитов также связан с движением электрических зарядов. Контрольные вопросы 1. Как взаимодействует стрелка компаса с наэлектризованными эбонитовой и стеклянной палочками? Какие выводы можно из этого сделать? 2. Что означает словосочетание «магнитное действие тока»? 3. Чем, согласно гипотезе Ампера, различаются намагниченное и размагниченное тела? 4. Как взаимодействует стрелка компаса с наэлектризованным железным телом (гвоздем)? § 34. Магнитные поля прямого проводника и катушки с током. Электромагнит Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током. Но проводники с током могут иметь различные формы, и ток в них может иметь различную силу. Чем же различаются поля таких проводников? Как можно усилить создаваемое током магнитное поле? Для изучения поля прямого проводника с током насыплем железные опилки на картонный экран, перпендикулярный проводнику (рис. 199, а). Мы видим, что опилки располагаются по окружностям, центром которых является сам проводник с током. Располагая около проводника магнитные стрелки, можно опре- 128 Правообладатель Народная асвета делить (рис. 199, б) направление линий магнитного поля. Не забывайте, в каждой точке поля это направление северного (N) полюса магнитной стрелки! Но направление линий магнитного поля можно определить и иначе, с помощью правила правой руки: если обхватить проводник с током ладонью правой руки так, чтобы отставленный большой палец был сонаправлен с током (рис. 200), то согнутые четыре пальца укажут направление линий магнитного поля. На рисунке 201, а, б показано направление магнитного поля двух проводников, в которых ток течет в противоположных направлениях. Подтвердите правильность указанных направлений, используя правило правой руки. В физике для определения направления линий магнитного поля используют правило буравчика, или правого винта: вращайте ручку буравчика (головку винта или шурупа с правой нарезкой) так, чтобы его острие двигалось по направлению тока в проводнике: вниз на рисунке 202, а и вверх на рисунке 202, б. Направление линий поля укажет направление вращения ручки буравчика. Применяя железные опилки, можно получить и картину линий магнитного поля (рис. 203) катушки с током — соленоида (так называют такую катушку в технике). Правообладатель Народная асвета Рис. 204 Из рисунка 203 видно, что созданное катушкой с током магнитное поле подобно полю обычного полосового магнита. Располагаясь параллельно внутри катушки, линии выходят из одного ее конца и, огибая ее, входят в другой конец, т. е., по сути, соленоид является электромагнитом. Для определения направления линий магнитного поля здесь также используется правило правой руки, но только для соленоида (рис. 204). Ес^и ладонью правой руки обхватить катушку с током так, чтобы четыре пальца расположились по направлению тока, то отставленный большой палец укажет направление линий магнитного поля внутри катушки. Для создания электромагнитов с большой подъемной силой одноименные полюса магнитов сближаются, а внутрь катушки вставляется сердечник из мягкого железа или специальной стали (рис. 205). Эти материалы, намагничиваясь в магнитном поле катушки, в десятки и даже сотни раз усиливают его, позволяя получить электромагниты с большой подъемной силой. Электромагнит, изображенный на рисунке 205, может удержать груз массой в десятки килограммов даже при небольшой силе тока в катушках, что недоступно никакому постоянному магниту. Электромагниты, используемые на производстве, способны удерживать и переносить тонны металлического груза (рис. 206). Создаваемое соленоидом магнитное поле используется в электроизмерительных приборах (амперметрах, вольтметрах), электрозвонке, электрогитаре. По две катушки с током имеют электросчетчик (рис. 207) и ваттметр — при- Рис. 205 Рис. 206 Рис. 207 130 Правообладатель Народная асвета бор, измеряющий мощность электрического тока. Ток, протекающий по обмоткам сложной конфигурации, создает магнитное поле, необходимое для работы любого электродвигателя (электромотора) (рис. 208). Рис. 208 Главные выводы 1. Линии магнитного поля не имеют начала и конца. Они замкнуты. 2. Направление линий магнитного поля можно определить с помощью стрелки компаса либо по правилу правой руки или другим правилам. 3. Магнитное поле катушки с током подобно полю полосового магнита. 4. Поле электромагнита можно усилить использованием железного или стального сердечника и сближением одноименных полюсов. Контрольные вопросы 1. Какими способами можно получить картину линий магнитного поля различных проводников? 2. Как можно определить направление линий магнитного поля, создаваемого проводником с током? 3. Как формулируется правило правой руки для поля, создаваемого: а) прямым проводником; б) катушкой с током? 4. Как можно усилить магнитное поле электромагнита? 5. Где применяются катушки с током? 6. Можно ли называть электромагнитом прямой проводник с током? Почему? Упражнение 22 1. Определите направление линий поля прямого проводника с током I, расположенного перпендикулярно плоскости чертежа, если ток I направлен от нас (рис. 209, а) и к нам (рис. 209, б). Рис. 209 131 Правообладатель Народная асвета 2. Как, используя компас, определить полярность клемм неизвестного источника тока? 3. Определите полярность клемм источника, создающего ток в прямом проводнике (рис. 210, а) и в катушке (рис. 210, б). 4. Как будет ориентирована магнитная стрелка (рис. 211), помещенная в точки А, С и В? 5. На рисунке 212 изображено устройство простейшего электрозвонка. При замыкании цепи электромагнит 1 притягивает стальную пластину (якорь) 2. Связанный с якорем молоточек 3 ударяет по чашке 4. Одновременно происходит разрыв цепи в точке С. Опишите последующие стадии работы такого звонка. 6. Как изготовить катушку, не создающую магнитного поля даже при значительной силе тока в ней? 7. Будет ли работать электромагнит, если по проводу катушки будет идти переменный ток? Рис. 211 Рис. 212 132 Правообладатель Народная асвета Может ли человек обогнать свою тень? Почему изображение в зеркале называют «оптическим привидением»? Даст ли собирающая линза изображение предмета, если ее половину закрыть черной бумагой? Кто из нас не испытывал восторга от новогодней елки, сияющей разноцветными огнями (рис. 213)? А от чуда природы — северного сияния (см. рис. 124)? Свет очаровывает человека, дает возможность ему лучше понять окружающий мир. Однако роль света в жизни человека нельзя сводить только к получению информации о явлениях природы. Свет сам вызывает различные явления: химическую реакцию (на этом основана фотография, а также фотосинтез в листьях растений), электрический ток (солнечные батареи, которые особенно важны для космических полетов) и т. д. Без света невозможна сама жизнь на Земле. Что же такое свет? Вопрос о природе света представляется одним из сложных вопросов. Раздел физики, изучающий свойства света, называется оптикой. Рис. 213 § 35. Источники света Древние греки считали свет особым веществом, текущим из глаз. Согласно этим представлениям человек видит тела, прощупывая их направленным потоком этого вещества. Но тогда почему ночью человек не может видеть? Ответить на этот вопрос было невозможно. Позже И. Ньютоном была выдвинута гипотеза: свет — это поток частиц (корпускул), испускаемых светящимся телом. Корпускулярная теория объясняла возможность видеть предмет попаданием в глаз частиц, излучаемых этим предметом. Эта теория хорошо объясняла образование тени за непрозрачным телом. Однако и она не могла объяснить многие явления (о них вы узнаете в старших классах). Все тела, излучающие свет, называются источниками света: это Солнце и другие звезды, зажженные свечи (рис. 214) и электролампочки, костры (рис. 215). Рис. 214 134 Рис. 215 Правообладатель Народная асвета , V . Рис. 216 Рис. 217 Источниками света являются различные светящиеся организмы: рачки, рыбы (рис. 216), жуки, грибы (рис. 217). Их называют источниками холодного свечения, в отличие от раскаленных тел, являющихся тепловыми источниками света. Существует много веществ, которые становятся источниками света только после того, как на них попал свет. Такие вещества называются фотолюминофорами, а их свечение — фотолюминесценцией. Рассмотрим такой опыт. Растворим в воде немного флуоресцеина (рис. 218, а) и пропустим через раствор пучок белого света. Раствор начнет светиться зеленым светом (рис. 218, б). Свойство веществ светиться при их облучении используют в рекламе (рис. 219). В новогоднюю ночь вы наблюдали, как светятся елочные игрушки, покрытые такими веществами. Дорожные знаки (рис. 220), в краску которых добавлено вещество люминофор, фликер на вашей одежде светятся при облучении светом фар и хорошо видны водителю, что делает движение всех участников на дороге безопасным. Уникальным источником света является лазер, нашедший эффективное практическое применение в телевидении, связи, медицине (рис. 221), машино- и при- Рис. 218 Рис. 219 Рис. 220 135 Правообладатель Народная асвета Рис. 221 Рис. 222 боростроении, метрологии. Именно лазер позволил ответить на вопрос: «Сколько сантиметров (заметьте, не километров, а сантиметров) от Земли до Луны?», а лазерные часы дают ошибку в 1 с за 3 млн лет. Большой вклад в развитие лазеров внес белорусский ученый Б. И. Степанов. Большинство видимых нами тел сами не излучают, а отражают падающий на них свет. Такими телами являются Луна (рис. 222), деревья, здания, люди и т. д. Отметим, что во всех источниках света в световую энергию превращается какой-либо вид энергии: тепловая, химическая, электрическая, световая (вспомните свечение раствора флуоресцеина) и т. д. Источники излучения могут давать и невидимые лучи. Все вы, конечно же, слышали об ультрафиолетовых лучах. Невидимыми лучами переносится энергия от тела к телу при теплопередаче излучением (§ 6). Однако в этом учебнике мы будем рассматривать лишь видимое излучение источников света. Иначе говоря, такой свет, который, попа,дая в глаз, вызывает зрительные ощущения. Это белый свет и все цвета радуги от красного до фиолетового (рис. 223). Если размерами источника света в данных условиях можно пренебречь, то его называют точечным. Точечными источниками света для нас, например, являются звезды, лампы уличного освещения и др. Посмотрите на рисунок 224. Пламя свечи по отношению к экрану 2 можно считать точечным источником света, но его нельзя принять за точечный по отношению к экрану I. Объясните сами причину этого. Рис. 223 Рис. 224 136 Правообладатель Народная асвета Рис. 225 Рис. 226 В дальнейшем точечный источник света мы будем обозначать буквой S. Любой точечный источник излучает свет по всем направлениям (рис. 225). Наденем на горящую электрическую лампочку колпак, имеющий маленькое отверстие (рис. 226). Из отверстия выходит узкий пучок света. Линия, вдоль которой распространяется свет, называется световым лучом. Чем меньше отверстие, тем в большей степени пучок света можно моделировать лучом. Главные выводы 1. Источники света — это тела, излучающие свет. 2. Источник света называется точечным, если его размерами в условиях данной задачи можно пренебречь. 3. Большинство окружающих нас тел мы видим благодаря отраженному свету. 4. Луч света — это линия, вдоль которой распространяется свет. Контрольные вопросы 1. Что такое источник света? 2. Какие источники света называют тепловыми? Приведите примеры. 3. Когда источник света можно считать точечным? Приведите примеры. 4. Какой вид энергии превращается в световую в источниках света: лампочке фонарика, светящихся гнилушках? 5. Что такое луч света? 6. Какую роль играли гнилушки, которыми партизаны во время войны посыпали свои тропы? 137 Правообладатель Народная асвета § 36. Скорость света. Прямолинейность распространения света Измерить скорость света ученые пытались давно. Например, Галилей проводил такой опыт. На вершине одного из холмов (рис. 227) находился с фонарем его ассистент, на вершине другого холма — он сам. Ассистент должен был снять крышку со своего зажженного фонаря в тот момент, когда увидит вспышку света фонаря Галилея. Измерив промежуток времени между вспышкой своего фонаря и моментом, когда он увидел вспышку света фонаря ассистента, и зная расстояние между холмами, Галилей пытался определить скорость света. Однако измеряемый промежуток времени был так мал, что Галилей рассматривал его лишь как время реакции человека. Скорость же света он считал бесконечно большой. Как показали последующие измерения, скорость света имеет конечную величину. Впервые ее значение удалось определить в 1676 г. датскому астроному О. Рёмеру. Наблюдая за движением одного из спутников Юпитера (Ио), Рё-мер обнаружил разницу между рассчитанным и наблюдаемым временем его затмения. По данным наблюдений он получил значение скорости света, равное 215000 . с После Рёмера скорость света измеряли неоднократно все более точными методами. Наиболее важные результаты были получены в опытах американского ученого А. Майкельсона. В своей установке (ее схема приведена на рисунке 228) он использовал идею Галилея (прохождение света туда и обратно между двумя горами). Применив ори- Рис. 227 138 Рис. 228 Правообладатель Народная асвета гинальный способ измерения малых отрезков времени, Майкельсон получил значение скорости света, равное 299 700 -км. Принятое в настоящее время значение скорости света в вакууме (пустоте) равно с = 299 792 458 ^. с Если не требуется особая точность, то значение скорости округляется до с = 300 000 000 м =3 • 108 ^. сс Скорость света в воздухе отличается от этого значения лишь незначительно. В других средах скорость света меньше, чем в воздухе, например: в воде « 2,25 • 108 —; в скипидаре vCK « 2,04 • 108 —; в стекле vст « 2,00 • 108 м; в алмазе v„„ « 1,25 • 108 м. сс Во сколько раз скорость света в данной среде больше, во столько раз эта среда считается оптически менее плотной, чем другая. Не путайте оптическую плотность с плотностью вещества ^р = mj. Есть вещества, у которых плотность меньше, чем плотность воды (р = 1000 ), например скипидар, плотность кг V в м3 / которого р = 855 —. В то же время скипидар оптически более плотный, чем вода. Скорость ск м3 света в скипидаре меньше, чем в воде. А как распространяется свет? Проведем такой опыт. Поставим на столе три экрана с отверстиями (рис. 229). Зажжем свечу или электрическую лампочку и попытаемся, перемещая экраны, увидеть свет через отверстия в них. Затем возьмем тонкий прямой стержень и вставим его в отверстия. Мы увидим, что стержень проходит через все отверстия. Значит, они расположены на одной прямой. А теперь сместим один экран. Свет в глаза больше не попадает. Это го -ворит о том, то свет распространяется прямолинейно. В опыте средой, в которой распространялся свет, был воздух. А если взять другую среду, например воду, то как будет в ней распространяться свет? Проведем опыт. В стеклянный сосуд нальем воду и добавим немного молока. Фонарь, от которого идет пучок света, под- ij by Рис. 229 139 Правообладатель Народная асвета Рис. 230 Рис. 231 Рис. 232 несем к стенке сосуда (рис. 230). Мы увидим в воде прямую светящуюся линию. Она образована светом, отраженным от частичек молока. Значит, и в воде свет распространяется прямолинейно. И воздух, и вода имеют по всему объему одинаковые физические свойства, поэтому являются однородными средами. Теперь можно сформулировать закон: в однородной среде свет распространяется прямолинейно. А если среда неоднородна (состоит из нескольких различных однородных сред)? Тогда этот закон выполняется только в случае, когда световой луч падает перпендикулярно к поверхности среды (рис. 231). Во всех других случаях при переходе из одной среды в другую свет меняет свое направление (рис. 232). Прямолинейностью распространения света объясняются многие явления, например образование тени и полутени. Возьмем маленькую электрическую лампочку, шарик и экран. Расположим их на столе, как показано на рисунке 233. В область усеченного конуса между лучами 1 и 2 свет не попадает. На экране мы видим четко очерченную тень. А теперь осветим шарик двумя лампочками (рис. 234). На экране мы увидим 140 Правообладатель Народная асвета Рис. 236 тень, т. е. область, куда не попадает свет ни от лампочки 1, ни от лампочки 2, и полутени (области V и 2). В области V и 2 попадает свет только от одной лампочки. Тень и полутень можно получить от одного источника, если он не является точечным (рис. 235). Образованием тени и полутени можно объяснить солнечные (рис. 236) и лунные затмения. Если Луна окажется между Землей и Солнцем, то на поверхность Земли в область 2 солнечные лучи попадать не будут и жители этой местности окажутся свидетелями полного солнечного затмения. В области 1 и 3 свет будет попадать частично, это области полутени. Жители этих мест будут видеть ту часть Солнца, от которой в данную область попадает свет. Нарисуйте в тетради схему, объясняющую лунное затмение. Вы не забыли, что Луна видима только потому, что отражает падающий на нее солнечный свет, а сама света не излучает? Полное солнечное затмение дает возможность наблюдать верхние слои солнечной атмосферы и изучать ее состав. Главные выводы 1. Скорость распространения света в вакууме примерно равна 300 000 . 2. Скорость света в жидких и твердых средах меньше скорости света в воздухе. 3. Чем меньше скорость света в среде, тем среда оптически более плотная. 4. В однородных прозрачных средах свет распространяется прямолинейно. Контрольные вопросы 1. Почему так долго не могли измерить скорость распространения света? 2. Чему равно максимальное значение скорости света? 3. В чем суть закона прямолинейного распространения света? 4. Как объяснить образование тени и полутени? 5. Можно ли среду, представляющую две сложенные вместе прозрачные пластинки из разных веществ, оптические плотности которых равны, считать для света однородной? Будет ли выполняться в этой среде закон прямолинейного распространения света? 141 Правообладатель Народная асвета Упражнение 23 1. Можно ли, имея источник света, экран и непрозрачный предмет, получить: а) только тень; б) тень и полутень; в) только полутень? Как это сделать? 2. Какая из сред оптически более плотная: воздух, вода или скипи,цар? А в каком соотношении находятся плотности (р = mj этих веществ? 3. Скорость света во льду равна v = 229 000 . Во сколько раз лед опти- чески более плотен, чем воздух? 4. Сколько времени идет свет от Солнца до Земли, если расстояние между ними l = 1,49 • 108 км? 5. Свет от ближайшей к Земле звезды идет t = 4,24 года. Определите расстояние до этой звезды? Астроном бы утверждал, что расстояние до звезды равно примерно l = 1,3 парсека. Чему равно (в метрах) расстояние l0 = 1,0 парсека? 6. Почему астрономы говорят: «Мы изучаем прошлое звезд»? 7. На какой высоте на,д поверхностью воды в бассейне глубиной h нужно повесить лампочку, чтобы свет от нее шел в воздухе и воде одинаковое время? 8. Почему руки хирурга, освещаемые сверху светильниками (рис. 237), не дают на « операционном поле» тени, которая могла бы мешать проведению операции? 9. Предложите и объясните способ установки по одной прямой линии кольев для забора без использования измерительных приборов. 10. От мальчика ростом h = 1,5 м, стоящего вблизи фонаря, образуется тень длиной Ij = 1,2 м. Если мальчик перейдет на расстояние L = 1,5 м дальше от фонаря, то длина тени станет l2 = 1,8 м. На какой высоте висит фонарь? 11. Может ли человек обогнать свою тень? Рис. 237 § 37. Отражение света Можем ли мы увидеть друг друга темной ночью? А если мы приблизимся к светящемуся фонарю? Именно благодаря отраженному свету мы видим предметы, различаем цвет одежды., любуемся картиной художника. Всегда ли одинаково хорошо нам видно то, что изображено на картине? Почему художнику очень важно знать, под каким углом и как освещена его картина? Да потому, что от этого зависит зрительное и эмоциональное восприятие изображенного на ней. 142 Правообладатель Народная асвета Каким бывает отражение света? Какими законами оно описывается? Проведем опыт. На оптическом диске (рис. 238), представляющем круг с делениями, укрепим зеркало. Направим из осветителя (лампочка в футляре с отверстием) на зеркало пучок света (луч АО). От зеркала (гла,цкая отполированная поверхность) световой луч АО практически полностью отразится (,луч ОВ). Опустим в точку па,цения луча АО перпендикуляр СО к поверхности зеркала. Угол между падающим лучом и перпендикуляром, проведенным в точку падения, называется углом падения. Обозначим этот угол буквой а. Угол, образованный отраженным лучом и тем же перпендикуляром, называется углом отражения. Обозначим его буквой у. А теперь сравним эти углы. Из опыта видно, что углы отражения и падения равны: Y = а. Увеличим угол па,дения а, повернув осветитель влево. Угол отражения у тоже увеличится (рис. 239, а). Но по-прежнему: у = а. То, что мы на оптическом диске видим не только падающий луч, но и отраженный, говорит о том, что они оба лежат в одной плоскости — плоскости диска. На основании результатов опыта можно сформулировать законы отражения света. 1. Луч падающий и отраженный, а также перпендикуляр к отражающей поверхности, проведенный в точку падения, лежат в одной плоскости. 2. Угол отражения равен углу падения. А теперь по направлению отраженного луча (рис. 239, б) пустим луч света от осветителя. Он отразится от зеркала и пойдет по направлению, по которому в предыдущем опыте шел па,дающий луч. Лучи как бы поменялись местами. Рис. 239 143 Правообладатель Народная асвета Рис. 241 Рис. 242 144 Это свойство отраженного и падающего лучей называют обратимостью (или взаимностью) световых лучей. Одинаково ли отражают свет различные поверхности? Пусть на поверхность зеркала па,дают направленные лучи света. После отражения свет попа,дает в глаз только тогда, когда глаз находится в положении 2 (рис. 240, а). Если он будет находиться в положениях 1 или 3, мы не увидим зеркала, отраженные лучи в глаз не попадут. В этом особенность зеркал. Зеркально отражает свет поверхность воды (рис. 241). А если поверхность шероховатая? Направленные лучи света отражаются в различных направлениях (рис. 240, б). Такое отражение называется диффузным (иногда говорят: рассеянное отражение). В случае диффузного отражения поверхность видна при любом положении глаза, так как в него попа,дают лучи. Шероховатыми поверхностями, отражающими диффузно свет, являются поверхности стен, потолков, тканей, ваты, снега (рис. 242), кожи лица, рук и т. д. Только благодаря диффузному отражению мы видим предметы, которые сами не излучают свет. Диффузно отражающие поверхности являются матовыми, зеркально отражающие — бле-стящими. Приведите сами примеры блестящих и матовых поверхностей. Чем больше света отражает поверхность (чем меньше поглощает), тем она кажется светлее. Белый лист бумаги отражает света больше, чем желтоватый картон, но этот же картон отражает света больше, чем черный бархат. Правообладатель Народная асвета Главные выводы 1. Отраженный луч лежит в той же плоскости, что и падающий луч, и перпендикуляр к поверхности, проведенный в точке падения. 2. Угол отражения светового луча равен углу па,дения. 3. Зеркальные поверхности отражают свет направленно, шероховатые (матовые) — диффузно, т. е. по всем направлениям. 4. Световые лучи обла,дают свойством обратимости. Контрольные вопросы 1. Какой угол называют углом падения светового луча? Углом отражения? 2. Как изменится угол отражения, если угол падения уменьшится? 3. Почему матовую поверхность можно видеть с любого положения, а зеркальную — нет? 4. В чем выражается свойство обратимости падающего и отраженного лучей? Пример решения задачи Солнечные лучи образуют с горизонтом угол ф = 40°. Как на,до расположить плоское зеркало, чтобы отраженные лучи пошли вертикально вверх? Дано: Решение ф = 40° Проведем сначала названный в условии отраженный луч ОВ (рис. 243, а). Угол АОВ, равный 90° - ф = 90° - 40° = 50°, — это сумма двух равных углов (падения и отражения от зеркала). а + Y = 2а = 50°. Проведя биссектрису OD этого угла, мы получим положение перпендикуляра к зеркалу (рис. 243, б). Проведем сейчас и само зеркало (рис. 243, в). Из чертежа = 25°. а — ? видно, что искомый угол а = у Ответ: а = 25°. 50" 2 \ D В \ В \ в л ) ' < \' ФЛ, а о 6 0 в ^0 ^ Рис. 243 145 Правообладатель Народная асвета Упражнение 24 1. Под каким углом отражается луч, упавший перпендикулярно на зеркало? А упавший под углом а = 60° к поверхности зеркала? Изобразите это на рисунке. 2. Почему поверхность классной доски делают матовой? 3. Зеркальной или шероховатой является поверхность Луны? Как это можно доказать, не используя данных космических полетов? 4. Туфли начинают блестеть, если их смазать кремом и почистить щеткой. Какие физические явления здесь проявляются? 5. Каким будет угол отражения, если луч падающий и луч отраженный образуют угол ф = 70°? Подтвердите свой ответ чертежом. 6. Солнечные лучи образуют с горизонтом угол ф = 38°. Как надо расположить плоское зеркало, чтобы осветить солнечным светом дно колодца? 7. На какой угол повернется отраженный луч, если, не меняя направления падающего луча, зеркало повернуть на угол ф = 10° относительно оси, перпендикулярной падающему лучу? § 38. Зеркала. Изображение в плоском зеркале Каждый день по нескольку раз вы смотрите в зеркало и видите в нем свое изображение (рис. 244). Попробуем ответить на вопросы. Где и на каком расстоянии от зеркала находится изображение? Какие его размеры по сравнению с размерами самого предмета? Как оно образуется? Поставим такой опыт. На столе расположим вертикально стеклянную пластинку и зажженную свечу 1, как показано на рисунке 245. Стеклянная пластинка будет выполнять роль Рис. 244 146 Правообладатель Народная асвета плоского зеркала. В стекле хорошо видно изображение 2 свечи. Заглянув за пластинку, мы не обнаружим там свечи. Такую же по размерам, но незажженную свечу 2 будем перемещать с другой стороны пластинки вдоль линейки до тех пор, пока она не совместится с изображением (не будет казаться зажженной). По линейке определим расстояние /j от пластинки до свечи 1 и l2 — до ее изображения, т. е. свечи 2. Сравнив расстояния до обеих свечей, мы убедимся, что lj = /2. Так как свеча 2 совместилась с изображением по высоте, то можно сделать вывод, что размеры изображения равны размерам предмета. Продолжим опыт. Передвинем свечу 1 ближе к стеклянной пластинке. Ее изображение тоже приблизится, причем ровно на столько же, в чем легко убедиться с помощью линейки. Положение изображения не изменится, если вместо стеклянной пластинки использовать плоское зеркало. Из проведенных опытов следует, что в плоском зеркале глаз видит изображение таких же размеров, что и предмет, и на таком же расстоянии за зеркалом. Но что значит: «Глаз видит изображение»? Как глаз определяет местоположение предмета или его изображения? Рассмотрим два луча 1, 2, попадающих в глаз (рис. 246, а). Эти лучи идут от светящейся точки, которая расположена на пересечении этих двух лучей, т. е. в точке S, там, где реально расположен предмет. А если эти лучи попа,дут в глаз не от самой светящейся точки, а отразившись от зеркала (рис. 246, б)? Глазу безразлично, как эти лучи идут до того момента, как попа,дают в него. Он будет фиксировать положение источника лучей, как и в предыдущем случае, на пересечении продолжений попадающих в него лучей — в точке S', т. е. глазу кажется, что светящаяся точка находится именно там. Это и есть мнимое изображение светящейся точки S, от которой в глаз попадают лучи 1 и 2. Значит, глаз видит и сам предмет и его мнимое изображение только тогда, когда в него попадают лучи, идущие от предмета непосредственно или после отражения от зеркала и несущие световую энергию. Если таких лучей нет, то и изображения в глазу не создается. Поясним еще раз, почему изображение S' в плоском зеркале называют мни- Рис. 246 147 Правообладатель Народная асвета мым. Мы можем увидеть это изображение. Но если мы поместим в точку S' устройства, чувствительные к световой энергии (фотопленку или просто белый экран), то ничего там не обнаружим. В эту точку энергия света не поступает. Теперь построим изображение предмета в плоском зеркале. Если источник света (свеча) протяженный, построим изображение двух крайних точек А и В. Для этого можно исполь -зовать любые два луча (рис. 247). Пусть луч / падает на зеркало в точку О перпендикулярно плоскости зеркала, значит, угол падения а = 0°. Отраженный луч /' пойдет вдоль падающего, но в обратном направлении, так как у = а = 0°. Луч 2 падает под углом а и отражается под таким же углом у (вспомните законы отражения). Из рисунка 247 видно, что отраженные лучи /' и 2' не пересекаются. Пересекаются в точке А' их продолжения. Поэтому точка А' и есть изображение точки А, причем, как вы уже догадались, мнимое изображение. За зеркало не попадают световые лучи, а значит, и световой энергии в точке A' нет. Аналогично можно построить изображение любой точки предмета, в том числе и точки В. Нетрудно доказать (сделайте это сами), что треугольники АСО и А'СО равны. Тогда АО = ОА'. Итак, из опыта и построения следует: изображение предмета в плоском зеркале является мнимым, прямым, по размерам равным предмету и находится на таком же расстоянии за зеркалом, на котором расположен предмет перед зеркалом. Важную роль играют зеркала, отражающие поверхности которых являются кривыми: вогнутыми (рис. 248, а) и выпуклыми (рис. 248, б). Если зеркало вогнутое, оно может парал- Рис. 248 148 Правообладатель Народная асвета Рис. 249 Рис. 250 Рис. 251 лельно падающие лучи после отражения собрать в одну точку, т. е. сконцентрировать световую энергию. Выпуклое зеркало, наоборот, после отражения дает расходящийся пучок света. Зеркала применяются в различных сферах жизнедеятельности человека: в быту, в медицине (рис. 249), на транспорте, для оформления помещений (рис. 250) и т. д. Выпуклые зеркала можно наблюдать в автомобилях (рис. 251), на станциях метро (рис. 252), на перекрестках улиц для обзора окрестности. Они дают гораздо более широкий обзор, чем плоские. Вогнутые зеркала используются там, где необходимо сконцентрировать световую энергию — в зеркальном телескопе (рис. 253). С его помощью можно наблюдать даже неяркие далекие звезды. Рис. 252 Рис. 253 Главные выводы 1. Световые лучи, падающие на зеркало, отражаются и за зеркало не попадают. 2. Изображением точки в плоском зеркале является точка пересечения продолжения лучей, отраженных от поверхности зеркала. 3. Плоское зеркало дает мнимое, прямое изображение предмета, равных с ним размеров и на таком же расстоянии, что и предмет, от зеркала. 149 Правообладатель Народная асвета Контрольные вопросы 1. Почему для построения изображения светящейся точки недостаточно одного луча света, исходящего из нее? 2. Почему изображение светящейся точки в плоском зеркале является мнимым? 3. Как доказать, что размеры предмета и изображения в плоском зеркале равны? 4. Почему иногда изображение в плоском зеркале называют «оптическим привидением»? 5. Какую роль в получении изображения предмета в зеркале играет глаз? Упражнение 25 1. Где должно находиться плоское зеркало, если цветок А и его изображение A' расположены, как показано на рисунке 254? 2. В глаз (рис. 255) попали два луча света от электрической лампочки. Найдите построением положение лампочки, считая ее точечным источником света. 3. Зеркало, глаз и светящаяся стрелка расположены, как показано на рисунке 256. Где наблюдатель увидит изображение стрелки? Докажите это построением изображения. 4. Для наблюдения за событиями, происходящими на поверхности Земли, из окопа используют такой прибор, как перископ (греч. рег18корео— смотрю вокруг), схема которого показана на рисунке 257. Объясните действие перископа. Сконструируйте дома перископ и понаблюдайте, сидя на полу, за тем, что происходит за окном. 5. Сидя в автобусе, вы иногда видите в зеркале в кабине водителя его лицо. Видит ли водитель в зеркале ваше лицо? Почему? Рис. 257 150 Правообладатель Народная асвета 6. В системе двух зеркал глаз увидел изображение предмета благодаря лучам 1 и 2 (рис. 258). Где оно расположено? Ответ обоснуйте построением. Будет ли это изображение единственным? Где находится сам предмет? 7. Можно ли утверждать, что изображение предмета в плоском зеркале (рис. 259) абсолютно идентично (одинаково) с предметом? 8. По крышке стола катится шарик. Как на,до установить на столе плоское зеркало, чтобы изображение шарика двигалось вертикально: а) вверх; б) вниз? 9. Какую минимальную высоту должно иметь плоское зеркало, укрепленное на вертикальной стене, чтобы вы могли видеть себя в нем во весь рост? На какой высоте на,д полом должен находиться нижний край зеркала? § 39. Преломление света Рис. 259 Почему ноги человека, зашедшего в воду, кажутся короче (рис. 260)? Дно бассейна мы видим ближе к поверхности, чем есть в действительности. Стебель цветка в вазе, ложка в стакане на уровне поверхности воды (рис. 261) кажутся переломленными. Как объяснить все эти явления? Рис. 260 Рис. 261 151 Правообладатель Народная асвета Когда пучок света падает на границу раздела двух прозрачных сред, часть его отражается, а часть переходит в другую среду, изменяя свое направление (рис. 262). Изменение направления распространения света при переходе его через границу раздела двух сред называется преломлением. Каким законам подчиняется преломление света? Рассмотрим опыт. В центре оптического диска закрепим стеклянную пластинку (рис. 263), направим на нее узкий пучок света (луч 1). Луч 3 — преломленный луч. Угол в между перпендикуляром, восстановленным в точке падения, к границе раздела двух сред, и преломленным лучом называется углом преломления. Рис. 262 Сравнив углы а и в (см. рис. 263, а), мы видим, что угол преломления в меньше угла падения а. Увеличим угол падения, угол преломления тоже увеличивается, но по-прежнему он меньше угла падения (см. рис. 263, б). Если стекло заменить водой и пустить световой луч под тем же углом а (рис. 264, а), что и на стеклянную пластинку, то угол преломления в в воде будет несколько больше, чем в стекле, но меньше угла падения: в < а. Сравним скорости света в воздухе, воде и стекле: овозд > vВ > vст, т. е. стекло оптически более плотная среда, чем вода, а вода — чем воздух. Следовательно, при переходе луча из оптически менее плотной в оптически более плотную среду угол преломления меньше угла падения. А если луч переходит из воды в воздух? 152 Правообладатель Народная асвета Из опыта (рис. 264, 6) видно, что угол в больше угла а. Значит, если свет переходит из среды оптически более плотной в оптически менее плотную, то угол преломления в больше угла падения а. Этот вывод логически следует из свойства обратимости, которое характерно не только для падающего и отраженного лучей, но и для падающего и преломленного лучей. Из результатов проведенных опытов следует. 1. Лучи, падающий и преломленный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным в точке падения луча к границе раздела двух сред. 2. Угол преломления меньше угла падения при переходе луча из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду. Угол преломления больше угла падения, если луч переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную. Эти два главных положения выражают суть явления преломления света. Однако, когда луч падает перпендикулярно на границу раздела двух сред, он не испытывает преломления, что можно подтвердить опытом (рис. 265). Разумеется, что не будет преломления и на границе, разделяющей две среды с одинаковой оптической плотностью, т. е. на границе раздела сред, в которых скорость света одинакова. Главные выводы 1. При переходе из среды с одной оптической плотностью в среду с другой оптической плотностью световой луч на границе раздела сред испытывает преломление. 2. Луч, падающий перпендикулярно к границе раздела двух сред, не преломляется. 3. Если луч переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную, угол преломления меньше угла падения (в < а). При переходе луча из оптически более плотной среды в менее плотную в ^ а. 153 Правообладатель Народная асвета Контрольные вопросы 1. Какие явления происходят со световым лучом на границе раздела двух сред? 2. Как зависит изменение направления луча при переходе из одной среды в другую от скорости света в них? 3. Может ли угол преломления быть больше угла падения? В каких случаях? 4. Возможен ли переход луча света из одной среды в другую без преломления? 5. В каких пределах может изменяться угол преломления при переходе луча из воды в воздух? Почему? LJ Упражнение 26 1. Изобразите примерный ход преломленного луча в данных средах (рис. 266): луч 1 — падающий луч. 2. В воде, стекле или алмазе луч света, падающий из воздуха под одним и тем же углом, будет преломляться под большим углом? Покажите это на чертеже. 3. По каким направлениям надо пустить лучи в алмазе, стекле и воде (рис. 267), чтобы вышедшие из них в воздух лучи оказались параллельными? 4. Как изменится ширина пучка параллельных лучей после преломления его на границе сред воздух—вода? Сделайте чертеж, поясняющий ответ. 5. Человеку, стоящему на берегу, кажется, что ноги человека, зашедшего в воду, стали короче. Объясните с помощью чертежа этот оптический обман. 6. Два мальчика, из которых один находится под водой, а другой на берегу, оценивают «на глаз» высоту Солнца над горизонтом. Какому из них Солнце будет казаться ниже? 154 Правообладатель Народная асвета § 40. Линзы. Оптическая сила линзы Многие люди носят очки (рис. 268). А задумывались ли вы над вопросами: что они собой представляют и какова их роль? Очки есть не что иное, как линзы. Ни один оптический прибор (от простой лупы до сложных телескопов) не обходится без линз. Что же такое линза? Линза представляет собой прозрачное тело, ограниченное криволинейными (чаще всего сферическими) или криволинейной и плоской поверхностями. Материалом для линз обычно служит оптическое или органическое стекло. На рисунке 269 представлены сечения линз двух типов: двояковыпуклой (см. рис. 269, а) и двояковогнутой (см. рис. 269, б). Одна из поверхностей линзы может быть плоской, как, например, на рисунке 270. Такие линзы называются плосковыпуклая (см. рис. 270, а) и плосковогнутая (см. рис. 270, б). Прямая, проходящая через центры Cj и С2 сферических поверхностей (рис. 271), называется главной оптической осью линзы. Ра,циус R есть ра,циус кривизны поверхности линзы (см. рис. 269, а). Если толщина линзы (см. рис. 271) мала по сравнению с радиусами кривизны ее поверхностей, то линза называется тонкой. Ее часто изображают уш' \ Рис. 268 Правообладатель Народная асвета 2 или J. Всякая линза имеет точку, проходя через которую луч не меняет своего направления. Эта точка О называется оптическим центром линзы. В дальнейшем мы будем рассматривать только тонкие линзы, изготовленные из вещества, оптически более плотного, чем среда (воздух), в которой они находятся. Как меняют линзы направление падающих на них лучей после преломления? Получим ответ с помощью опыта. Направим на двояковыпуклую (рис. 272, а) линзу параллельно главной оптической оси лучи света. После преломления в линзе они пересекают главную оптическую ось в одной точке F. Значит, двояковыпуклая линза собирает преломленные лучи, поэтому такая линза называется собирающей. При замене линзы на двояковогнутую (рис. 272, б) лучи после линзы расходятся, а центральный луч, как и в первом случае, не испытывает преломления. Итак, двояковогнутая линза рассеивает параллельный пучок падающих на нее лучей. Поэтому такая линза называется рассеивающей. Точка F, в которой пересекаются преломленные линзой лучи, падающие параллельно главной оптической оси, или их продолжения, называется главным фокусом линзы. Так как параллельные лучи можно пустить как с одной, так и с другой стороны линзы, то и главных фокусов у линзы два. Оба фокуса лежат на главной оптической оси (рис. 273). А в какой точке собирает линза лучи, идущие под углом к главной оптической оси? Оказывается (см. рис. 273, а), эта точка Fj находится в плоскости А—А1, проходящей через главный фокус перпендикулярно главной оптической оси. Эта плоскость называется фокальной плоскостью, а точка Fj, в отличие от главного фокуса, называется фокусом. Обратите внимание, что у собирающей линзы в фокусе пересекаются сами преломленные лучи, несущие энергию, у рассеивающей линзы — продолжения пре- 156 Правообладатель Народная асвета Рис. 273 ломленных лучей (см. рис. 273, б), поэтому фокус у собирающей линзы действительный, а у рассеивающей — мнимый. Расстояние от оптического центра до главного фокуса называется фокусным расстоянием. Его тоже принято обозначать буквой F. Линза, имеющая более выпуклые поверхности, преломляет лучи сильнее. Линза 1 (рис. 274, а) преломляет лучи сильнее, чем линза 2 (рис. 274, б). Но фокусное расстояние у линзы 1 меньше, чем F2 у линзы 2. Чтобы количественно оценить преломляющую способность линзы, введем величину, обратную фокусному расстоянию, и назовем ее оптической силой линзы (обозначается буквой D)'. D 1 F ' Оптическая сила измеряется в диоптриях (сокращенно дптр). Очевидно, что D = 1 дптр, если фокусное расстояние линзы F = 1 м. А как оценивается оптическая сила рассеивающей линзы, у которой фокус мнимый? В этом случае фокусное расстояние отрицательное, а следовательно, и оптическая сила будет отрицательной величиной. Например, если F = -0,5 м, то оптическая сила D = 1 -0,5 м = -2 дптр. 157 Правообладатель Народная асвета Рис. 275 Теперь для вас не будет загадкой рекомендация врача-окулиста: «Вам нужны очки со стеклами +1,5 диоптрии или -2 диоптрии». Не следует думать, что любая линза с выпуклой поверхностью будет обязательно собирающей, а с вогнутой — рассеивающей. Предлагаем самостоятельно доказать, что собирающей будет всякая линза, у которой середина толще краев (например, линза на рисунке 275, а), а рассеивающей — линза, у которой середина тоньше краев (рис. 275, б). И не забывайте, что все наши рассуждения справедливы, если вещество линзы (стекло) имеет большую оптическую плотность, чем окружающая среда (воздух). Главные выводы 1. Линзы меняют направление падающих на них лучей после преломления, за исключением тех, которые проходят через оптический центр линзы. 2. Собираюш,ая линза после преломления делает параллельный пучок лучей сходяш,имся, рассеивающая линза — расходящимся. 3. Лучи, идущие параллельно главной оптической оси, после преломления в собирающ,ей линзе пересекаются в главном фокусе. В рассеивающ,ей линзе в главном фокусе пересекаются продолжения преломленных лучей. 4. Величина, обратная фокусному расстоянию, является оптической силой линзы. Контрольные вопросы 1. Какую линзу называют тонкой? 2. Каким особым свойством обладает оптический центр тонкой линзы? 3. Как ведет себя параллельный пучок лучей, прошедший через: а) собирающую линзу; б) рассеивающую линзу? 4. Почему у собирающей линзы фокус действительный, а у рассеивающей — мнимый? 5. Как зависит оптическая сила линзы от фокусного расстояния? Упражнение 27 1. На рисунке 276 представлена линза. Начертите такую же в своей тетра,ди и изобразите центры кривизны, радиусы кривизны, главную ось и оптический центр линзы. 158 Рис. 276 Правообладатель Народная асвета Рис. 277 2. Для данных линз (рис. 277, а, б) покажите ход лучей 1, 2 после преломления линзами. 3. Покажите ход лучей, падающих на тонкие собирающую и рассеивающую линзы (рис. 278, а, б). 4. Определите оптические силы собирающей и рассеивающей тонких линз с фокусными расстояниями = 2 м, F2 = -0,2 м. 5. Каковы фокусные расстояния линз, оптические силы которых равны = 5,0 дптр, D2 = -0,40 дптр? Какой является каждая из линз: собирающей или рассеивающей? 6. По форме ограничивающих поверхностей линзы можно разделить на 6 типов (рис. 279). С линзами 1, 2, 4, 5 вы уже знакомы. Линза 3 — вогнуто-выпуклая, линза 6 — выпукло-вогнутая. Какие из них имеют положительную оптическую силу? Отрицательную? При каких условиях? Рис. 279 7. Найдите построением положение фокальной плоскости, представленной на рисунке 280 тонкой линзы. 8. Чему равна оптическая сила комбинации трех стеклянных линз (рис. 281): двояковогнутой и двух плосковыпуклых? 159 Правообладатель Народная асвета Рис. 281 9. Может ли двояковыпуклая линза иметь отрицательную оптическую силу? ^ В каком случае? 10. Как изменится оптическая сила двояковыпуклой стеклянной линзы, если J ее поместить в воду? Почему? § 41. Построение изображений в тонких линзах Глядя в окуляр микроскопа на уроках биологии, рассматривая увеличенное изображение микробов, вы должны понимать, что главными частями микроскопа являются линзы. Именно они позволяют получать увеличенное или уменьшенное (в фотоаппарате) изображение предмета. Какие изображения предмета создает линза? Проведем опыт. На столе расположим экран, собирающую линзу и зажженную свечу (рис. 282, а), удаленную от линзы на расстояние d, большее, чем двойное фокусное, т. е. d > 2F. Будем передвигать экран в направлении к линзе до тех пор, пока на экране не увидим четкое изображение пламени свечи. Чем отличается оно от изображения, которое мы увидим в зеркале, поместив перед ним эту же свечу? Во-первых, оно уменьшенное, во-вторых, перевернутое. Но Рис. 282 160 Правообладатель Народная асвета Рис. 283 Рис. 284 самое главное в том, что это изображение, в отличие от мнимого изображения в зеркале, реально существует. На экране концентрируется энергия света. Чувствительный термометр, помещенный в изображение пламени свечи, покажет повышение температуры. Поместив вместо экрана фотопленку, мы можем получить фотоснимок свечи. Поэтому полученное в линзе изображение называют действительным, в отличие от мнимых изображений, наблюдаемых в плоском зеркале. Подтвердим сказанное построением (рис. 282, б). Для получения изображения точки А достаточно использовать два луча, ход которых после преломления в линзе известен. Луч J идет параллельно главной оптической оси и после преломления в линзе проходит через главный фокус. Луч 2 идет через оптический центр и не меняет своего направления после прохождения сквозь линзу. Точка А', являющаяся пересечением преломленных лучей J' и 2', есть действительное изображение точки А. Заметим, что через точку А' пройдет и любой другой преломленный луч, идущий от точки А, благодаря чему энергия, излученная точкой А свечи, будет сконцентрирована в точке А'. Продолжим опыт. Поставим свечу на расстоянии d = 2F (рис. 283). Перемещая экран, мы увидим на нем действительное, перевернутое изображение пламени свечи, но размер его будет равен размеру пламени самой свечи. Сделайте сами построение изображения для этого случая. Передвигая свечу ближе к линзе (F < d < 2F) и удаляя экран, мы увидим на нем действительное, перевернутое, увеличенное изображение пламени свечи (построение сделайте сами). Наконец поставим свечу на расстоянии d от линзы, меньше фокусного, т. е. d < F. С той же стороны, где находится сама свеча, можно увидеть увеличенное прямое изображение свечи (рис. 284, а). Подтвердим этот результат построением (рис. 284, б). 161 Правообладатель Народная асвета Изображение свечи будет мнимым, так как оно образовано пересечением не самих преломленных лучей, а их продолжений. А какие изображения предмета дает рассеивающая линза? Пусть параллельно главной оптической оси падает луч 1 (рис. 285). После линзы преломленный луч 1' идет так, что только его продолжение проходит через фокус. Луч 2 не испытывает преломления. Видно, что лучи 1' и 2' не пересекаются. В точке А' пересекаются их продолжения. Тог -да изображение точки А, а значит, и всего предмета АВ, мнимое. Как все мнимые изображения, оно прямое, но уменьшенное. Даст ли рассеивающая линза действительное изображение, если менять положение предмета? Может ли оно быть увеличенным? Ответьте на эти вопросы сами, сделав соответствующие построения изображений предмета в тетради. Главные выводы 1. Собирающая линза дает как действительные, так и мнимые изображения, рассеивающая — только мнимые. 2. Все мнимые изображения — прямые, все действительные — перевернутые. 3. Для нахождения изображения точки наиболее целесообразно использовать луч, идущий параллельно главной оптической оси линзы, и луч, идущий через ее оптический центр. Контрольные вопросы 1. Чем отличаются действительные изображения от мнимых? 2. Какие виды изображений дает собирающая линза? 3. На каком расстоянии от собирающей линзы нужно расположить предмет, чтобы получить изображение: а) уменьшенное; б) равное предмету; в) увеличенное (прямое и перевернутое)? 4. Какие изображения дает рассеивающая линза? Почему она не может давать действительных изображений? 5. Какие лучи целесообразно использовать, чтобы найти изображение точки? Почему? 6. Может ли двояковогнутая линза дать действительное изображение предмета? Почему? 162 Правообладатель Народная асвета Пример решения задачи С помощью стеклянной линзы на экране, удаленном от линзы на расстояние f = 36 см, получено увеличенное в 3 раза изображение предмета. Определите расстояние от предмета до линзы и оптическую силу линзы. Дано: H = 3h f = 36 см d — ? D — ? Решение Построим изображение предмета в линзе (рис. 286). Учтем, что изображение есть на экране, значит, оно действительное. Кроме того — оно увеличенное. Значит, предмет находится между фокусом и двойным фокусом, а линза собирающая. Из построения: ОВ' = f, ОВ = d; tg а = — и tg а = h, но H = 3h. f d Тогда: 3h f h; 3_ d; f d ’ d = I = 36CM = 12 см. 3 3 Оптическая сила D = ^. Чтобы най-F ти фокусное расстояние, используем треугольники с одинаковыми углами р. tg в = -h и tg в = -JHF; -h = -3*.. Откуда: F = f ■ F = 36 см “ Т; “ 4 = 9 см = 0,09 м; D = — =--------- ’ ’ F 0,09 Рис. 286 = 11 дптр. Ответ: d = 12 см; D = 11 дптр. Упражнение 28 1. Постройте изображение предмета (рис. 287, а, б). Сделайте выводы. t ^ t \ 4 2F F О > а 2F F О Рис. 287 163 Правообладатель Народная асвета Рис. 288 Рис. 289 Рис. 290 < с F С' f Рис. 291 164 2. С помощью линзы получено мнимое изображение предмета. Достаточно ли этой информации, чтобы определить, собирающая или рассеивающая линза была использована? Почему? 3. Для разжигания костра на лист бумаги фокусируют солнечные лучи, используя собирающую линзу оптической силы D = 5,0 дптр. При каком расстоянии от листа до линзы нагрев листа будет максимальным? Почему? 4. Изображение S' светящейся точки S показано на рисунке 288. Какая была использована линза? Определите построением ее положение. 5. Действительный или мнимый фокус имеет линза, с помощью которой получено изображение светящейся точки S в положении S' (рис. 289)? Где он находится? Сделайте рисунок. 6. Линза дает перевернутое и равное по величине самому предмету изображение предмета, находящегося на расстоянии d = 40 см от оптического центра. Найдите оптическую силу линзы. Ответ подтвердите рисунком. 7. Свеча находится на расстоянии d = 20 см от линзы, а ее изображение на экране — на расстоянии f = 60 см от линзы. Во сколько раз размеры изображения отличаются от размеров самой свечи? Чем^ равна оптическая сила линзы? 8. На рисунке 290 дано положение точки S предмета и ее изображение S'. Какое изображение предмета дает линза? Где расположена сама линза? Собирающая или рассеивающая линза использована? Ответ подтвердите рисунком. 9. Капли воды, попа,цая на листья, в солнечный день могут вызвать ожоги листьев. Почему? 10. Как изменится изображение, которое дает линза, если половину линзы закрыть (рис. 291)? Правообладатель Народная асвета Рис. 292 § 42. Глаз как оптическая система Благодаря зрению (рис. 292) весь живой мир получает основную часть информации. Это понимает каждый из нас. Вместе с тем к главному органу зрения — гла-зам — мы относимся порой непростительно беспечно, пренебрегая всеми рекомендациями врачей-окулистов, часто необратимо теряя зрение. Что представляет собой глаз человека? Иногда глаз называют живым фотоаппаратом, указывая на их сходство. Однако глаз является несравнимо более тонким и сложным прибором, чем самый современный фотоаппарат. Глаз человека представляет глазное яблоко, разрез которого изображен на рисунке 293. Наружная оболочка глаза — склера 1 сформирована из плотных соединительных волокон. Склера защищает глаз и обеспечивает его жесткость. В передней части глаза склера переходит в прозрачную роговицу 2. Роговица — оптически наиболее плотная среда глаза, она пропускает свет в глаз. За роговицей находится радужная оболочка 3, содержащая пигмент, который определяет цвет глаз. В центре радужной оболочки находится зрачок 4. Зрачок, сужаясь или расширяясь, дозирует количество световой энергии, попадающей в глаз. На свету зрачок сужается, защищая глаз от сильного светового воздействия, в темноте — расширяется, позволяя улавливать очень слабые световые пучки. За радужной оболочкой находится прозрачное эластичное тело — хрусталик 5, напоминающий по форме двояковыпуклую линзу. Уси-лиями специальных мышц хрусталик может увеличивать или уменьшать свою кривизну. Это увеличивает или уменьшает оптическую силу. Полость между роговицей и хрусталиком заполнена прозрачной жидкостью. За хрусталиком почти вся область глаза заполнена стекловидным телом — это студенистая, бесцветная масса. Роговица, прозрачная жидкость, хрусталик и стекловидное тело — все вместе составляют оптическую систему глаза. Внутренняя оболочка — сетчатка 6 содержит слой зрительных клеток. Именно здесь и идет преобразование световой энергии, попавшей в глаз от предмета, в нерв- 165 Рис. 293 Правообладатель Народная асвета ный импульс, который передается в головной мозг, где и формируется зрительный образ. Итак, чтобы четко видеть предмет, необходимо, чтобы оптическая система глаза (как линза) сфокусировала лучи, идущие от предмета, на сетчатке (см. рис. 293). Мы хорошо видим как более близкие, так и далекие предметы. Водитель автомобиля четко видит цифры на спидометре, а в следующее мгновение так же хорошо — удаленный дорожный знак. Во всех случаях попавший от предметов в глаз свет должен фокусироваться в одном месте (на сетчатке). Обычная линза собирает в фокальной плоскости только лучи, идущие параллельно главной оптической оси, т. е. от далеких предметов. А при их приближении изображение в линзе будет находиться между фокусом и двойным фокусом (см. § 41). Изменяя свою форму, хрусталик меняет оптическую силу системы. Это называется аккомодацией глаза. При приближении предмета хрусталик становится более выпуклым, его фокусное расстояние уменьшается так, чтобы изображение оказалось именно на сетчатке. При удалении предмета хрусталик вытягивается, становится менее выпуклым, фокусное расстояние увеличивается, а изображение снова оказывается на сетчатке (рис. 294). Таким образом, благодаря аккомодации глаза человек хорошо видит разноудаленные предметы. Главные выводы 1. Глаз, сочетающий несколько преломляющих сред, является эквивалентом короткофокусной собирающей линзы. 2. Видение предметов есть совместная деятельность оптической системы глаза и головного мозга. 3. Чтобы изображение разноудаленных предметов всегда было на сетчатке, хрусталик изменяет свою кривизну (происходит аккомодация). Контрольные вопросы 1. Какую роль в создании зрительного образа играет оптическая система глаза? 2. Почему световые лучи, идущие от предмета, должны быть сфокусированы на сетчатке глаза? 3. Какое изображение предмета создается на сетчатке? 4. Что такое аккомодация глаза? 5. Какие изменения претерпевает хрусталик, если взгляд переводится с более близкого предмета на более удаленный? 6. По мере удаления автомобиля мы видим его все меньшим и меньшим. Как это объяснить? 166 Правообладатель Народная асвета § 43. Дефекты зрения. Очки Нельзя не заметить, что большинство людей пожилого возраста носят очки (рис. 295). Это говорит о том, что оптическая система их глаз перестала работать нормально. Дефекты зрения наблюдаются и у детей. В чем суть дефектов зрения и как их скорректировать? Рис- 295 Оптическая система нормального глаза дает изображение предмета на сетчатке. Однако в силу различных причин изображение далеких предметов может формироваться не на сетчатке, а перед ней (рис. 296, а). Такой дефект зрения называют близорукостью (в медицине — миопией). Близорукость бывает врожденной и приобретенной. Причиной появления близорукости у детей может быть чрезмерное увлечение чтением близко расположенного к глазам текста. Как скорректировать близорукость? С этой целью используют очки с рассеивающими стеклами-линзами. Рассеивающая линза делает параллельный пучок света расходящимся (см. рис. 296, а). Лучи после преломления в глазу фокусируются на сетчатке. При другом дефекте зрения — дальнозоркости — оптической силы глаза недостаточно для фокусировки на сетчатке глаза лучей, идущих от близкорасположенных предметов (текста книги, инструмента и т. д.). Главная причина дальнозоркости — потеря эластичности хрусталика. Даже самыми большими усилиями мышц он не может приобрести необходимую кривизну. Этот дефект, за редкими исключениями, свойствен для зрения большинства пожилых людей. Корректируется дефект дальнозоркости с помощью очков с положительной оптической силой собирающих линз (рис. 296, б). Таким образом, провести коррекцию зрения можно с помощью очков. Иногда вместо очков используют контактные линзы. Это пластмассовые линзы, которые накла,дываются непосредственно на глазное яблоко. Основным недостатком кон- Рис. 296 167 Правообладатель Народная асвета Рис. 297 тактных линз является раздражение глаз при длительном их ношении. В последнее время проводится лазерная коррекция хрусталика глаза. Для любого живого существа глаз является очень важным органом. Обладая свойством сохранять зрительный образ в течение — с, глаз дает возможность человеку ощущать как не- 16 прерывно текущие события, представленные на экране, хотя мы хорошо знаем, что в действительности на экран проецируется 24 неподвижных картины-кадра в секунду (рис. 297). Для нормального зрения минимальное расстояние от глаза до предмета, при котором глаз видит детали предмета, не напрягаясь, равно 25 см. Это расстояние наилучшего видения. При меньших расстояниях до предмета глаз уже напрягается и утомляется. Утомляемости глаза способствует как недостаточное освещение, так и излишнее. Чтобы глаз как самое открытое окно в мир прослужил долго, необходимо его беречь, т. е. создавать условия для его ненапряженной работы. Главные выводы 1. Близорукость — дефект зрения, при котором изображение удаленных предметов находится перед сетчаткой глаза. Корректируется близорукость применением рассеиваюш,их линз. 2. Дальнозоркость — дефект зрения, при котором изображение близких предметов находится за сетчаткой глаза. Корректируется дальнозоркость использованием собирающих линз. Контрольные вопросы 1. В чем суть дефекта зрения «близорукость»? 2. Где расположено изображение близких предметов в глазу дальнозоркого человека? 3. Можно ли, не прикасаясь к стеклам очков, определить, каким дефектом зрения обладает их владелец? Как это сделать? 4. На рецепте написано: «Очки +2,5 дптр». Расшифруйте, какие это очки и для какого дефекта зрения. Какое фокусное расстояние имеют стекла-линзы этих очков? 5. Может ли человек, обладающий дальнозоркостью, использовать очки с двояковогнутыми линзами? Почему? 6. Каким дефектом зрения обладает пловец, если под водой он видит нормально? Почему? 7. Почему к старости у близорукого с детства человека зрение может стать нормальным? 168 Правообладатель Народная асвета «Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только воображением». М. В. Ломоносов га аооа обладатель Народная асвета Лабораторная работа 1. Сравнение количеств теплоты при теплообмене Цель: проверить выполнение закона сохранения и превращения энергии в тепловых явлениях. Оборудование: термометр лабораторный, калориметр, мензурка, колба с водой (рис. 298), чайник с теплой водой (один на класс). Ход работы I. Приборные измерения и вычисления 1) Измерьте температуру воды в колбе, запишите ее в отчет. 2) Подойдите к столу учителя с калориметром и наберите в него 100 мл теплой воды. 3) На рабочем месте измерьте и запишите температуру t2 теплой воды. 4) Не вынимая термометр, влейте в калориметр из колбы 100 мл воды комнатной температуры. рис. 298 5) Перемешивая термометром воду, следите за по- нижением температуры в калориметре и запишите установившуюся температуру t3. 6) Найдите и запишите изменение температуры теплой воды At2 = t3 - t2 и изменение температуры холодной воды At j = t3 - tj. 7) Рассчитайте количество теплоты, отданное теплой водой: Q2 = cm2(t3 - t2), где m2 — масса теплой воды. 8) Рассчитайте количество теплоты, полученное холодной водой: Qj = cmJ(t3 - tj), где mj — масса холодной воды. 9) Сравните модули количеств отданной и принятой теплоты и сделайте выводы. II. Контрольные вопросы 1) Как определялась в опыте масса воды? 2) Почему калориметр имеет двойные стенки? 3) Почему холодную воду нужно брать комнатной температуры? 4) Будут ли равны модули изменения температуры и количества отданной и принятой теплоты, если использовать неравные массы теплой и холодной воды? III. Суперзадание Объясните, как влияет на полученные результаты участие в теплообмене калориметра. Всегда ли можно этим влиянием пренебречь? 170 Правообладатель Народная асвета Лабораторная работа 2. Измерение удельной теплоемкости вещества Цель: научиться измерять удельную теплоемкость вещества. Оборудование: термометр лабораторный, калориметр, мензурка, колба с водой, весы, разновес, цилиндр металлический с нитью (или крючком) (рис. 299), фильтровальная бумага, сосуд с кипящей водой (один на класс). Ход работы I. Приборные измерения и вычисления 1) Налейте в калориметр 150— 180 мл воды комнатной температуры. Измерьте и запишите в отчет температуру t1 и массу т1 этой воды. 2) Подойдите с калориметром к столу учителя и, получив из кастрюли с кипящей водой цилиндр на нитке, сразу же погрузите его в калориметр. 3) На рабочем месте опустите в калориметр с погруженным телом термометр и, перемешивая им воду, наблюдайте за повышением ее температуры. 4) Когда температура воды в калориметре перестанет расти, запишите в отчет значение окончательно установившейся температуры t3. 5) Определите и запишите изменение температуры воды Atj = t3 - tj и изменение температуры исследуемого цилиндра At2 = t3 - t2, где t2 — температура кипения воды. 6) Достаньте цилиндр из калориметра и, промокнув его фильтровальной бумагой, определите на весах его массу т2. 7) По формуле Qj = cjmj(t3 - tj), где с1 — удельная теплоемкость воды, равная 4200 Дж кг • °С^ найдите количество теплоты, полученное водой. 8) Считая, что отданная металлическим цилиндром теплота Q2 равна по модулю полученной водой теплоте Qj, используйте формулу |Q2| = c2m2(t2 -13) и найдите удельную теплоемкость вещества цилиндра: cjmj (t3 - tj) с2 = m2 (t2 - ^3 ) 171 Правообладатель Народная асвета И. Контрольные вопросы 1) Какому веществу соответствует найденная в работе удельная теплоемкость? 2) Как объяснить расхождение между найденным и табличным значениями удельной теплоемкости? 3) К какому результату (заведомо завышенному или заведомо заниженному) приводит примененный в работе метод? 1И. Суперзадание Исследуйте, как влияет на точность полученного результата значение массы взятой для опыта воды. Лабораторная работа 3. Сборка электрической цепи и измерение силы тока в ней Цель: познакомиться с амперметром; научиться собирать электрическую цепь и измерять силу тока в ней. Оборудование: амперметр лабораторный, источник тока, лампочка на подставке, резистор на панельке, резистор на держателях, ключ, соединительные провода. Ход работы 1. Знакомство с амперметром Рассмотрите внимательно прибор и ответьте на вопросы. 1) Что обозначают знаки «+» и «-» возле клемм прибора? 2) Какую максимальную силу тока можно им измерять? 3) Какая цена деления его шкалы? Какой наименьший ток можно измерить этим прибором? 11. Сборка цепи и измерение силы тока Рис. 300 172 1) Соберите электрическую цепь согласно рисунку 300 и проверьте работу цепи. 2) Измените на противоположное направление тока в цепи (соблюдая полярность клемм амперметра). Напишите, как вы это сделали и как отразилось это на силе тока в цепи и на свечении лампы. Правообладатель Народная асвета 3) Изобразите в отчете схему собранной цепи и покажите на ней сплошной стрелкой направление тока в цепи, а штриховой стрелкой — направление движения носителей тока. 4) Измерьте силу тока 7j, протекающего между клеммой « + » источника и ключом. Нарисуйте схем^ цепи при этом измерении. 5) Измерьте значения силы тока 13 и 14 в участках цепи 3 и 4. 6) Сделайте вывод о значении силы тока в различных участках простой цепи. 7) Замените электролампочку поочередно резистором на панельке и резистором на держателях. Измерьте и запишите значения силы тока Г и I" в них. 8) Какой вывод о значении силы тока можно сделать из проведенных измерений? III. Контрольные вопросы 1) Почему значения силы тока одинаковы в различных частях цепи? 2) Отразится ли на свечении лампочки исключение из цепи амперметра? Почему? 3) Какое количество электричества прошло через сечение спирали лампы за одну минуту свечения? IV. Суперзадание Перенесите провод 3 с клеммы С ключа на клемму В. Освободившуюся клемму ключа соедините дополнительным проводом с клеммой «+» источника. Включив (только с разрешения учителя!) цепь, объясните, как и почему влияет положение ключа на режим работы лампы и амперметра. Лабораторная работа 4. Измерение напряжения и сопротивления проводника Цель: познакомиться с вольтметром и способом измерения напряжения; научиться измерять сопротивление неизвестного проводника. Оборудование: источник тока, лабораторные амперметр и вольтметр, лампочка на подставке, резистор на панельке, ключ, соединительные провода. Ход работы I. Знакомство с вольтметром Рассмотрев вольтметр, ответьте на вопросы. 1) Какое максимальное напряжение можно измерять данным вольтметром? 2) Какая цена его деления? Какое наименьшее напряжение можно им из- мерять ? 173 Правообладатель Народная асвета 3) Каким должно быть сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением амперметра? Почему они так сильно различаются? II. Измерение напряжения 1) Соберите цепь из источника тока, резистора на панельке, амперметра и ключа (рис. 301, а). Измерьте силу тока в резисторе. 2) Разомкнув цепь, добавьте в нее вольтметр (параллельно резистору). Замкните ключ и измерьте напряжение на резисторе. Начертите схему данной цепи. 3) Ответьте на вопрос: как отразилось добавление в цепь вольтметра на показаниях амперметра? Почему? III. Измерение сопротивления проводника 1) Используя результаты предыдущего опыта, определите сопротивление резистора на панельке по формуле R = U. 2) Найдите на панельке паспортное значение сопротивления резистора и сравните его с полученным в опыте. Сделайте вывод. 3) Замените в цепи резистор на панельке лампочкой на подставке и определите описанным способом ее сопротивление. 4) Найдите на цоколе лампочки ее номинальное напряжение и силу тока 1н и определите ее сопротивление в номинальном режиме по формуле Нн = . 5) Сравните полученные в п. 3), 4) значения сопротивления и сделайте вывод. IV. Суперзадание Измерьте сопротивление резистора, применив измененную схему (рис. 301, б). Сравните результат с результатом, полученным в п. 1). Дайте оценку применяемым методам (достоинства, недостатки). 174 Правообладатель Народная асвета Лабораторная работа 5. Изучение последовательного соединения проводников Цель: научиться собирать последовательную цепь и проводить в ней измерения; опытным путем проверить закономерности такой цепи. Оборудование: источник тока, два различных резистора на панельках, лабораторные амперметр и вольтметр, ключ, соединительные провода. Ход работы I. Приборные измерения и вычисления 1) Не используя вольтметр, соберите цепь, показанную на рисунке 302, а. 2) Измерьте силу тока в цепи. В каком из резисторов протекает ток такой силы? Какая сила тока, текущего через источник? 3) Измерьте поочередно напряжения U1 на первом резисторе, U2 на втором и напряжение U на участке из двух резисторов, подключая лабораторный вольтметр так, как показано на схеме штриховыми линиями (рис. 302, б). 4) Используя полученные результаты, проверьте справедливость второй закономерности последовательного соединения (см. § 26). 5) Примените закон Ома к участку из двух проводников. Найдите сопротивление этого участка R = Ц-. 6) Сравните найденное сопротивление с суммой сопротивлений R1 и R2 (указаны на панельках) и сделайте вывод. II. Контрольные вопросы 1) Почему последовательное соединение потребителей редко используют в бытовых электрических цепях? Правообладатель Народная асвета 2) Чему равно сопротивление участка цепи, состоящего из N одинаковых резисторов сопротивлением R каждый, соединенных последовательно? III. Суперзадание Рассматривая амперметр как третий проводник, соединенный последовательно с Rj и R2, измерьте напряжение на нем. Зарисуйте в тетра,дь схему цепи, запишите результаты измерения и объясните их. Лабораторная работа 6. Изучение параллельного соединения проводников Цель: научиться собирать цепь с параллельным соединением и проводить в ней измерения; опытным путем проверить закономерности такой цепи. Оборудование: источник тока, два различных резистора на панельках, амперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода. Ход работы I. Сборка электрической цепи и измерение ее главных параметров 1) Соберите цепь согласно рисунку 303, не включая вольтметр. Запишите показания амперметра. Можно ли утверждать, что ток указанной силы протекает в каждом резисторе? 2) Подключите вольтметр к точкам М и N, начертите полную схему в тетра,дь. Напряжение на каком из резисторов измеряет вольтметр? 3) Применяя закон Ома к разветвленному участку MN, найдите его сопротивление Rmn = ^j- ■ II. Проверка закономерностей параллельного соединения 1) Найдите по на,дписям на панельках сопротивления резисторов R1 и R2 и по R1R2 формуле R = R1 + R2 Рис. 303 176 рассчитайте сопротивление разветвленного участка. 2) Сравните рассчитанное значение с сопротивлением участка Rmn, найденным по результатам измерений. Сделайте вывод. 3) Исключите из цепи вольтметр и амперметр. Подключите амперметр между точками N и К и измерьте силу тока I1 в резисторе R1, а затем, включив амперметр между точками N и L, силу тока I2 в резисторе R2. 4) Используя полученные значения I1 и I2 для силы тока, а также Правообладатель Народная асвета значение силы тока I в неразветвленной части цепи, докажите справедливость второй закономерности параллельного соединения (см. § 27). III. Контрольные вопросы 1) Как соединяют (последовательно или параллельно) потребители в квартирной проводке? Почему? 2) Чему равно сопротивление участка цепи из N одинаковых резисторов сопротивлением R каждый, соединенных параллельно? 3) Почему параллельное присоединение к участку цепи дополнительного резистора уменьшает сопротивление участка? IV. Суперзадание Как переносом только одного провода с клеммы на клемму превратить данное параллельное соединение в последовательное? Какую роль в такой измененной цепи играет ключ? Лабораторная работа 7. Измерение фокусного расстояния и оптической силы линзы Цель: изучить преломление света в различных линзах; измерить характеристики собирающей линзы. Оборудование: собирающая и рассеивающая линзы на подставках, источник тока, лампочка на подставке, ключ, соединительные провода, экран, мерная лента (рис. 304). (Работа проводится в полузатемненном кабинете.) Ход работы I. Знакомство с различными видами линз 1) Подключите лампочку к источнику тока и установите ее на расстояние 20—25 см от линзы № 1. 2) Установите вплотную за линзой экран (рис. 305, положение /). 1 2 3 S / / / / Рис. 305 177 Правообладатель Народная асвета 3) Медленно отодвигайте экран от линзы (положение 2, 3 и т. д.) до расстояния примерно 50 см и по диаметру светлого пятна на экране наблюдайте, что происходит со световым пучком после преломления в линзе. Каким (сходящимся или расходящимся) является прошедший через линзу пучок? 4) Нарисуйте в тетра,ци примерный ход лучей светового пучка после линзы. Что вы видите в самом узком месте пучка? 5) Повторите все действия (п. 2—4) со второй линзой (№« 2). Определите, какая из линз является собирающей, а какая — рассеивающей. II. Измерение фокусного расстояния и оптической силы линзы 6) Получите на экране изображение какого-либо далекого предмета (лампочки на столе учителя, уличных объектов, видимых через неплотно закрытую штору окна). Из-за значительной удаленности предмета лучи, идущие к линзе от каждой его точки, можно считать параллельными друг другу, т. е. изображение предмета получается в фокальной плоскости. 7) Измерьте расстояние от линзы до экрана и запишите значение фокусного расстояния F. Какой результат (завышенный или заниженный) дает нам примененный метод? Почему? 8) По найденному значению фокусного расстояния F вычислите величину оптической силы D линзы. III. Контрольные вопросы 1) Как изменяются направления прошедших через линзы № 1 и № 2 световых лучей? Почему? 2) Почему расстояние от линзы до изображения далекого предмета можно считать примерно равным фокусному? 3) Можно ли получить пучок параллельных лучей после прохождения через собирающую линзу? 4) Почему оптическую силу рассеивающей линзы считают отрицательной? IV. Суперзадание Определите, какая из используемых линз (собирающая или рассеивающая) обладает большей по модулю оптической силой. Правообладатель Народная асвета Приложение Плотность твердых, жидких и газообразных веществ (при нормальном атмосферном давлении) Вещество кг P, —3м3 г p, 3см3 Вещество кг Р. —3м3 г Р, —3см3 Вещество в твердом состоянии при 20 °С Осмий 22 600 22,6 Мрамор 2700 2,7 Иридий 22 400 22,4 Стекло оконное 2500 2,5 Платина 21 500 21,5 Фарфор 2300 2,3 Золото 19 300 19,3 Бетон 2300 2,3 Свинец 11 300 11,3 Соль поваренная 2200 2,2 Серебро 10 500 10,5 Кирпич 1800 1,8 Медь 8900 8,9 Оргстекло 1200 1,2 Латунь 8500 8,5 Капрон 1100 1,1 Сталь, железо 7800 7,8 Полиэтилен 920 0,92 Олово 7300 7,3 Парафин 900 0,90 Цинк 7100 7,1 Лед 900 0,90 Чугун 7000 7,0 Дуб (сухой) 700 0,70 Корунд 4000 4,0 Сосна (сухая) 400 0,40 Алюминий 2700 2,7 Пробка 240 0,24 Жидкость при 20 °С Ртуть 13 600 13,60 Спирт 800 0,80 Серная кислота 1800 1,80 Нефть 800 0,80 Глицерин 1200 1,20 Ацетон 790 0,79 Вода морская 1030 1,03 Эфир 710 0,71 Вода 1000 1,00 Бензин 710 0,71 Масло подсолнечное 930 0,93 Жидкое олово Масло машинное 900 0,90 (при t = 400 °С) 6800 6,80 Керосин 800 0,80 Жидкий воздух (приt = -194°С) 860 0,86 Газ при 20 °С Хлор 3,210 0,00321 Оксид углерода(П) Оксид углерода(1У) (угарный газ) 1,250 0,00125 (углекислый газ) 1,980 0,00198 Природный газ 0,800 0,0008 Кислород 1,430 0,00143 Водяной пар Воздух 1,290 0,00129 (при t = 100 °С) 0,590 0,00059 Азот 1,250 0,00125 Гелий 0,180 0,00018 Водород 0,090 0,00009 179 Правообладатель Народная асвета ОТВЕТЫ К УПРАЖНЕНИЯМ Упражнение 6 4. Q = 0,4 МДж. 5. с = 0,25 кДж (олово). 6. t = 36 °С. 7. t = 50 °С. кг • °С 10. Qi = 12 кДж; Q2 = 24 кДж; Ci = 0,4 кДж (цинк); с2 = 0,8 кДж (цемент). кг • °С кг • °С Упражнение 7 1. Q = 205 МДж. 2. Q1 = 120 МДж; Q2 = 120 МДж. 3. q = 15 МДж (торф). кг . , г МДж „г, МДж . . ч 5. q1 = 15 —q2 = 30 —(древесные чурки, древесный уголь). кг кг 6. Q = 218 МДж. 7. m = 0,6 г. Упражнение 8 2. 9м = 7. 5. Д£ = 174 кДж. 7. t = 84 °С. 8. ^1= 210 ^Дж (медь); ^2 = 67 ^Дж (золото); Qж 9 кг кг Q2 = 134 кДж. 9. Q = 1,1 МДж. 10. m = 0,27 т. 12. l = 1 мм. Упражнение 10 (эфир). 9. Q1 = 4,5 МДж; Q2 = 5,2 МДж. 10. m = 10 кг. 11. L = 352 кДж кг 12. тл = 0,16 кг. Упражнение 13 5. А = 8 нДж. 6. U = 15 В. 7. Р = 0,59 кВт. 8. U = 0,18 мВ. Упражнение 14 3. I = 2,0 мА. 4. = 1,2 • 102 А. 5. q = 0,54 МКл; N = 3,4 • 1024. 6. I = 0,16 А. 7. I = 1,6 мкА. 8. q = 1,5 Кл. Упражнение 15 4. I = 0,20 А. Упражнение 16 1. р1 = р0; R1 = 0,5Rq; R3 = 4,0 Ом. 3. I = 2 мА. 4. R = 13 Ом. 5. U = 1,0 мВ. 6. U = 1,2 В. 7. R = 10 Ом. Ом * мм2 8. р = 0,50 ------(константан). 9. U = 84 мВ. 11. R = 2,2 Ом. 12. R = 32 Ом. м Упражнение 17 1. R = 1,1 кОм. 2. R = 24 Ом; I = I1 = I2 = 0,50 А; U1 = 4,0 В; U2 = 8,0 В. 3. N = 19. 5. I = 1,0 А; U1 = 8,0 В; U2 = 4,0 В. 6. R2 = 12 Ом. 7. R = 1 Ом. 8. I1 = 0,25 А; I2 = 0,38 А; I3 = 0,30 А. Упражнение 18 2. R = 120 Ом. 3. Rпс = 124 Ом; Rпр = 12,0 Ом. 4. Rпс = 0,32 кОм. 5. R2 = 80 Ом. 6. R = 16 Ом; U1 = U2 = 12 В; I1 = 0,60 А; I2 = 0,15 А. 7. IA = ID = 5 мА; IB = 3 мА; Ic = 2 мА. 8. R2 = 40 Ом. 9. Ra = 45 Ом; R б = 20 Ом. 180 Правообладатель Народная асвета Упражнение 19 2. А = 0,24 кДж; Р = 60 Вт. 3. А = 0,65 Дж. 4. Zj = 0,11 А; = 1,9 кОм; /2 > Zj; R2 < Ri- 5- А = 290 кДж; P = 1,21 кВт. 6. Р = 1,1 кВт; Z1 = 5,0 А; Р2 = 11 Ом. 7. t = 1 ч. 8. t = 22 с. Упражнение 20 2. Q2 = 3Q1. 3. Q1 = 3Q2. 6. = 9,5 л. Упражнение 23 3. n = 1,3. 4. t = 8,3 мин. 5. l = 4 • 1013 км; l0 = 3,1 • 1016 м. 7. h0 = 1,3Л. 10. Н = 5,3 м. Упражнение 24 6. ф1 = 64° (к горизонту). 7. Аф = 20°. Упражнение 25 6 h ■ = — '‘‘min 2 ' Упражнение 27 4. D1 = +0,5 дптр; D2 = —5 дптр. 5. F1 = 0,2 м; F2 = —2,5 м. 8. D = 0. Упражнение 28 6. D = 5 дптр. 7. n = 3; D = 6,7 дптр. Правообладатель Народная асвета СОДЕРЖАНИЕ Как работать с учебником........................................... 3 Глава 1. Тепловые явления § 1. Тепловое движение частиц вещества............................... 6 § 2. Внутренняя энергия.............................................. 9 § 3. Способы изменения внутренней энергии........................... 12 § 4. Теплопроводность............................................... 16 § 5. Конвекция...................................................... 20 § 6. Излучение ..................................................... 24 § 7. Расчет количества теплоты при нагревании и охлаждении. Удельная теплоемкость ............................................................ 28 § 8. Горение. Удельная теплота сгорания топлива ................... 34 § 9. Плавление и кристаллизация.................................... 38 § 10. Удельная теплота плавления и кристаллизации.................. 42 § 11. Испарение жидкостей. Факторы, влияющие на скорость испарения . . . . 46 § 12. Кипение жидкостей. Удельная теплота парообразования ......... 50 Глава 2. Электромагнитные явления § 13. Электризация тел. Взаимодействие зарядов..................... 58 § 14. Проводники и диэлектрики .................................... 61 § 15. Электризация через влияние.................................... 64 § 16. Электрический заря,д. Элементарный заря,д.................... 68 § 17. Строение атома. Ионы......................................... 70 § 18. Электрическое поле. Напряжение................................ 73 § 19. Единица напряжения. Расчет работы в электрическом поле....... 76 § 20. Электрический ток. Источники тока ........................... 78 § 21. Действия тока................................................. 82 § 22. Сила и направление электрического тока....................... 84 § 23. Электрическая цепь. Измерение силы тока и напряжения......... 87 § 24. Связь силы тока и напряжения. Закон Ома для участка цепи..... 91 § 25. Единица сопротивления. Расчет сопротивления.................. 94 § 26. Последовательное соединение проводников. Реостат............. 99 § 27. Параллельное соединение проводников........................... 104 § 28. Работа и мощность тока. Закон Джоуля — Ленца................. 108 § 29. Использование и экономия электроэнергии (для дополнительного чтения) 112 § 30. Безопасность при работе с электрическими цепями (для дополнительного чтения)........................................................ 116 182 Правообладатель Народная асвета § 31. Постоянные магниты........................................ 119 § 32. Магнитное поле............................................ 123 § 33. Магнитное поле тока....................................... 126 § 34. Магнитные поля прямого проводника и катушки с током. Электромагнит . . 128 Глава 3. Световые явления § 35. Источники света........................................... 134 § 36. Скорость света. Прямолинейность распространения света .... 138 § 37. Отражение света........................................... 142 § 38. Зеркала. Изображение в плоском зеркале ................... 146 § 39. Преломление света......................................... 151 § 40. Линзы. Оптическая сила линзы.............................. 155 § 41. Построение изображений в тонких линзах ................... 160 § 42. Глаз как оптическая система............................... 165 § 43. Дефекты зрения. Очки...................................... 167 Глава 4. Лабораторный эксперимент Приложение. Плотность твердых, жидких и газообразных веществ.... 179 Ответы к упражнениям............................................ 180 183 Правообладатель Народная асвета (Название и номер школы) Учебный год Имя и фамилия ученика Состояние учебника при получении Оценка ученику за пользование учебником 20 / 20 / 20 / 20 / 20 / Учебное издание Исаченкова Лариса Артемовна Лещинский Юрий Дмитриевич ФИЗИКА Учебник для 8 класса общеобразовательных учреждений с русским языком обучения Зав. редакцией В. Г. Бехтина. Редактор Л. В. Гринкевич. Оформление Е. Г. Дашкевич. Художественный редактор В. И. Козлов. Технический редактор Е. Ю. Гурченок. Корректоры З. Н. Гришели, Д. Р. Лосик, В. С. Бабеня, Т. Н. Ведерникова, А. В. Алешко. Подписано в печать 14.05.2010. Формат 70 X OO'/jg. Бумага офсетная. Гарнитура литературная. Офсетная печать. Усл. печ. л. 13,46 + 0,29 форз. Уч.-изд. л. 11,61 + 0,29 форз. Тираж 91 800 экз. Заказ . Издательское республиканское унитарное предприятие «Народная асвета» Министерства информации Республики Беларусь. ЛИ № 02330/0494083 от 03.02.2009. Пр. Победителей, 11, 220004, Минск. Республиканское унитарное предприятие «Минская фабрика цветной печати». ЛП № 02330/0494156 от 03.04.2009. Ул. Корженевского, 20, 220024, Минск. Правообладатель Народная асвета